灰?guī)r地區(qū)超大噸位荷載下嵌巖樁承載力特性分析

程秉坤,傅根根

(廣西建筑工程質(zhì)量檢測中心,南寧 530004)

隨著高層和超高層建筑的增多, 建筑樁基礎(chǔ)的承載力要求也越來越高, 為減小建筑沉降, 提高樁基承載力, 嵌巖樁被廣泛應(yīng)用于各大工程中[1]。嵌巖樁的樁身全部或部分嵌入巖層中, 可充分利用巖層的承載力和嵌巖部分的嵌固力提高樁基的水平和豎向承載力[2], 還能減小建筑沉降并提高抗震性能。目前對嵌巖樁承載力的研究較多, 劉會球[3]針對巖溶區(qū)的嵌巖樁進(jìn)行數(shù)值模擬, 分析溶洞直徑、頂板厚度及嵌巖深度對嵌巖樁承載力的影響規(guī)律;錢明等[4]提出鉆孔灌注樁的承載力的樁側(cè)/樁端阻力與荷載成正比, 在一定深度范圍內(nèi)與地層無關(guān), 地層僅僅是側(cè)摩阻力大小的主控因素;劉興遠(yuǎn)等[5]經(jīng)研究嵌巖段參數(shù)得到巖石強(qiáng)度、嵌巖深度與嵌巖段極限承載力成線性關(guān)系;張建新等[6]、龔成中等[7]分別用有限元數(shù)值模擬的方法和自平衡試樁法對嵌巖樁尺寸效應(yīng)對樁體的樁端阻力和樁側(cè)阻力進(jìn)行了研究。目前對灰?guī)r地區(qū)樁承載力特性的研究成果較少, 穆銳等[8]對強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r樁的承載性能進(jìn)行試驗(yàn)測試, 分析了樁身軸力、樁身側(cè)摩阻力和樁端阻力隨荷載的變化規(guī)律以及其對極限抗壓承載力的影響。

本文結(jié)合南寧市恒大國際中心工程, 基于大量的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到大噸位豎向荷載下嵌巖樁的承載特性及受力特征, 并利用有限元數(shù)值模擬方法分析嵌巖樁的樁長、樁徑、長徑比等因素對樁體承載特性的影響, 為灰?guī)r地區(qū)嵌巖樁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

南寧市恒大國際中心, 位于歌海路歌韻路交叉口, 場地原為低山丘陵, 地形較低, 上部結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)(主塔高約300 m), 根據(jù)鉆探以及場地附近工程地質(zhì)資料分析, 該地區(qū)上覆地層為第四系邕江河流沖洪積層, 上部為硬塑狀含礫粘土, 下部為中風(fēng)化灰?guī)r, 樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告, 具體地質(zhì)及材料參數(shù)見表1。

2 基樁靜載荷試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方法

采用國際上公認(rèn)的最直觀、 最可靠的方法——單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)法, 在樁身埋設(shè)鋼弦式應(yīng)變計(jì), 獲取樁側(cè)各土層的分層抗壓側(cè)阻力和樁端支撐力。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 對6根試驗(yàn)樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn), 試驗(yàn)樁為樁徑1 m的嵌巖灌注樁, 樁長5.1～37.8 m, 嵌巖深度3.5～11.5 m, 樁身混凝土強(qiáng)度等級為C55, 預(yù)估承載力極限值在20 000～40 000 kN。本次試驗(yàn)采用特定研發(fā)的50 000 kN堆載平臺, 如圖1所示。 圖2為鋼弦式應(yīng)變計(jì)安裝現(xiàn)場, 表2為6根試驗(yàn)樁的基本參數(shù)。

表1 地質(zhì)及材料參數(shù)

圖1 基樁靜載荷試驗(yàn)Fig.1 Pile static load test

序號試驗(yàn)樁編號樁長/m嵌巖深度/m最大堆載量/kN1SZH3-116.910.5397212SZH3-221.810.3431963SZH3-337.811.5376374SZH3-421.45.2431965SZH3-512.35.2431966SZH3-65.13.543196

2.2 嵌巖樁軸力分析

試驗(yàn)樁軸力變化分為兩種情況:均勻逐級遞減型和突變型。 試驗(yàn)樁SZH3-1、 SZH3-2、 SZH3-3的嵌巖深度均在10 m以上, 屬于均勻逐級遞減型。 如圖3所示, 嵌巖深度10 m以上的試驗(yàn)樁SZH3-3樁身軸力呈線性遞減分布, 變化較均勻。 SZH3-4、 SZH3-5、 SZH3-6的嵌巖深度均約5 m, 屬于突變型。 如圖4所示, 在荷載較小的情況下, 荷載的增加對試驗(yàn)樁SZH3-4樁身軸力的影響較小, 軸力對荷載的敏感性較低, 當(dāng)加載超過10 000 kN時(shí),樁身軸力隨荷載變化較為明顯,與前一荷載等級相比有突變趨勢。

2.3 灰?guī)r地層樁承載力分析

灰?guī)r地層下樁體承載力和沉降的變化規(guī)律,不同荷載下樁基沉降變化規(guī)律如圖5～圖6所示。

圖3 SZH3-3軸力分布圖Fig.3 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-3

圖4 SZH3-4樁身軸力分布圖Fig.4 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-4

圖5 試驗(yàn)樁SZH3-1、SZH3-2、SZH3-3的承載力-沉降曲線Fig.5 Load-settlement curves of Pile SZH3-1, SZH3-2 and SZH3-3

圖6 試驗(yàn)樁SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的承載力-沉降曲線Fig.6 Load-settlement curves of Pile SZH3-4, SZH3-5 and SZH3-6

試驗(yàn)樁SZH-1、SZH-2、SZH-3的樁長分別為16.9、21.8、37.8 m,嵌巖深度分別為10.5、10.3、11.5 m,最大試驗(yàn)荷載約為32 000 kN,最大沉降量分別約為40、20、 15 mm, 卸荷后的最終沉降量分別約為30、6、4.5 mm,回彈量分別約為10、14、10.5 mm,回彈率(回彈量與最大沉降量之比)分別約為25%、70%、70%。因此，在相同荷載作用下,嵌巖深度也基本相同時(shí),樁長越長,沉降量越小,回彈量越大,回彈率越高。

試驗(yàn)樁SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的樁長分別為21.4、12.3、5.1 m,嵌巖深度分別為5.2、5.2、3.5 m,根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》判定基樁的極限承載力分別為24 448、21 844、14 810 kN。可知,嵌巖深度對灰?guī)r地區(qū)嵌巖樁的承載特性影響最大,嵌巖深度越長,樁的承載力越高。

2.4 數(shù)值模擬分析

選取SZH3-1號基樁進(jìn)行數(shù)值模擬分析,考慮到數(shù)值模型尺寸效應(yīng)的影響,為減小分析誤差,使模型具有較好的可比性,設(shè)計(jì)三維模型的尺寸為長×寬×高=16 m×16 m×50 m,采用C3D8R單元,三維數(shù)值模擬模型、網(wǎng)格劃分如圖7所示,樁土間設(shè)置接觸,土層簡化為覆蓋土層及巖層,具體材料參數(shù)見表1。

圖8為SZH3-1號基樁實(shí)測承載力與沉降量(Q-S)曲線與數(shù)值模擬計(jì)算的Q-S曲線對比情況。實(shí)際情況下的Q-S曲線與計(jì)算結(jié)果非常相近,實(shí)測沉降量略小于計(jì)算值,實(shí)測結(jié)果偏安全,兩者Q-S曲線均呈拋物線狀,數(shù)值模擬與實(shí)測情況有相近似的規(guī)律與結(jié)果。

圖7 嵌巖樁三維模型Fig.7 3D model of rock-socketed pile

圖8 實(shí)測與計(jì)算的Q-S曲線對比Fig.8 Comparison between measured and calculated Q-S curves

3 承載特性影響因素分析

為研究嵌巖樁的承載特性,根據(jù)樁身荷載傳遞機(jī)理,設(shè)計(jì)了5組方案,保持樁長與嵌巖深度不變,改變樁長;保持樁徑與嵌巖深度不變,改變樁徑。具體模擬方案參數(shù)如表3所示。

表3 嵌巖樁數(shù)值模擬方案

Table 3 Numerical simulation scheme of rock-socketed piles m

3.1 樁長對樁承載力的影響分析

同樣采用C3D8R單元建立數(shù)值模擬模型進(jìn)行計(jì)算分析,圖9為不同樁長情況下的Q-S曲線對比情況。當(dāng)樁徑均為1.0 m、嵌巖深度均為10 m時(shí),荷載條件相同的前提下,樁長越長,樁體彈性壓縮量越大, 樁頂沉降也越大; 但在同一荷載等級下,樁的沉降量相差并不大。在相同嵌巖深度條件下,嵌巖位置對樁體承載力也有較大影響,嵌巖段所處位置越深,樁基沉降量越大,受上覆荷載影響也越大。

圖9 不同樁長的Q-S曲線Fig.9 Q-S curves of different pile lengths

3.2 樁長對側(cè)阻力與端阻力的影響分析

樁長不同時(shí),樁端阻力與側(cè)阻力也會有所不同。當(dāng)樁徑均為1.0 m、嵌巖深度均為10 m時(shí),對不同樁長情況下樁端阻力與側(cè)阻力變化情況進(jìn)行研究,當(dāng)基樁達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí),不同樁長時(shí)嵌巖段側(cè)阻力、總側(cè)阻力與樁端阻力值的變化情況如圖10所示。

圖10 不同樁長時(shí)的側(cè)阻力與端阻力值Fig.10 Pile side and end resistance-load of different pile lengths

可以看出, 樁長為15、 20、 25 m時(shí)的嵌巖段側(cè)摩阻力分別為2 838.84、 3 762.55、 4 144.85 kN, 總摩阻力分別為6 696.33、 15 174.40、 24 530.53 kN, 嵌巖段側(cè)摩阻力占比分別為42.39%、24.80%和16.90%, 隨著非嵌巖段的長度逐漸增加, 其摩阻力也不斷增大, 非嵌巖段側(cè)摩阻力所占比例下降。

在樁長為15 m時(shí),端阻力20 693 kN,占總阻力值27 389 kN的75.55%,基樁承載力以端承為主;在樁長為20 m時(shí),為摩擦端承樁,摩阻力與端阻力約各占一半;在樁長為25 m時(shí),摩阻力為32 551 kN,占總阻力值的75.67%,該情況下更傾向于摩擦型樁。嵌巖深度不變(均為10 m)時(shí),嵌巖段側(cè)摩阻力值受樁長影響較大。隨樁長的增加,側(cè)摩阻力對樁承載力的影響越來越明顯,而端阻力的影響會逐漸降低。

嵌巖樁的嵌巖段側(cè)摩阻與持力層地質(zhì)條件有關(guān),嵌巖段地層越好,樁身圍壓越大,側(cè)摩阻越易發(fā)揮,圍壓越大應(yīng)變硬化效應(yīng)越明顯。當(dāng)然,樁長不同時(shí)樁側(cè)摩阻力也會有所不同,對不同樁長情況下樁側(cè)摩阻力的分布情況進(jìn)行研究,圖11為不同樁長時(shí)的樁側(cè)摩阻力沿深度變化情況,可以看出在臨近巖層與土層接觸面位置樁身側(cè)摩力最大,最大位置位于接觸面以下1 m的巖層中,形成“上小下大”的摩阻力分布,15～25 m長的樁嵌巖段的樁身存在應(yīng)力集中現(xiàn)象, 嵌巖段側(cè)摩阻力隨樁長增加而增大, 此時(shí)樁為摩擦型樁, 嵌巖段側(cè)摩阻力發(fā)揮的承載力與非嵌巖段基本一致。

圖11 不同樁長時(shí)的側(cè)摩阻力分布情況Fig.11 Side resistance-load distribution of different pile lengths

當(dāng)樁徑為1 m時(shí),長徑比分別為15、20、25,長徑比越大,相同荷載下沉降量也越大,摩阻力受力面積增加,側(cè)摩阻力更能發(fā)揮作用,上部荷載傳遞到樁端的力也越來越小。

3.3 樁徑對Q-S曲線的影響分析

假定樁長為20 m,嵌巖深度為10 m,對樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析,如圖12所示Q-S曲線。在相同等級荷載條件下,樁徑越大沉降量越小,當(dāng)加載至27 654 kN時(shí),樁徑為1.0、1.5、2.0 m時(shí)的沉降量分別為17.20、11.7、5.89 mm,可見樁徑對嵌巖樁豎向沉降量的影響很大。

圖12 不同樁徑時(shí)的Q-S曲線Fig.12 Q-S curves of different pile diameters

3.4 樁徑對側(cè)阻力與端阻力的影響分析

樁徑的變化會影響樁端阻力與側(cè)摩阻力的分配。假定樁長為20 m, 嵌巖深度為10 m, 當(dāng)基樁達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí), 不同樁徑的嵌巖段側(cè)摩阻力、 總側(cè)摩阻力和端阻力值如圖13所示, 樁徑為1.0 m時(shí),樁端阻力為17 278 kN, 端阻力約占總阻力值的50%; 樁徑為1.5 m時(shí), 端阻力為45 198 kN, 端阻力占總阻力值的72.45%; 樁徑為2.0 m時(shí), 端阻力為68 138 kN, 端阻力占總阻力值的78.67%。 當(dāng)樁長不變,僅改變樁徑時(shí), 嵌巖段側(cè)摩阻力與總側(cè)摩阻力變化不大, 而樁端阻力受樁徑影響較大, 樁徑越大樁端阻力更容易發(fā)揮; 但當(dāng)樁徑大于1.5 m時(shí), 隨樁徑的增大,端阻力增加的幅度會逐漸減小。另外, 嵌巖樁樁側(cè)摩阻力受樁長影響較大, 樁徑變化對樁側(cè)摩阻力的影響很小。

圖13 不同樁徑時(shí)的側(cè)阻力與端阻力值Fig.13 Pile side and end resistance-load of different pile diameters

假定樁長為20 m,嵌巖深度為10 m,樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m時(shí),側(cè)摩阻力隨樁體深度的變化情況如圖14～圖16所示。

結(jié)果可知, 側(cè)摩阻力主要集中在嵌巖段, 最大側(cè)摩阻力斷面位于巖層與土體接觸面1 m以下的巖層中(即樁頂以下6 m處)。 隨著樁頂荷載的增大, 最大側(cè)摩阻力斷面處的側(cè)摩阻力也顯著增加。 不同樁徑情況下, 樁徑越大側(cè)摩阻力最大值越小,應(yīng)力集中現(xiàn)象也明顯減弱,側(cè)摩阻力分布更為均勻;樁體越細(xì),應(yīng)力越集中,樁側(cè)摩阻力越大。因此,在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮嵌巖段的側(cè)摩阻力,尤其要考慮巖層與土體接觸面1 m以下截面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖14 1.0 m樁徑時(shí)的側(cè)摩阻力分布情況Fig.14 Side resistance-load distribution of 1.0 m pile diameter

圖15 1.5 m樁徑時(shí)的側(cè)摩阻力分布情況Fig.15 Side resistance-load distribution of 1.5 m pile diameter

圖16 2.0 m樁徑時(shí)的側(cè)摩阻力分布情況Fig.16 Side resistance-load distribution of 2.0 m pile diameter

樁長為20 m,樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m時(shí),長徑比分別為20、13.3、10,當(dāng)樁長一定時(shí)長徑比越小樁端阻力更能發(fā)揮作用,相同荷載下沉降量越小,樁側(cè)摩阻力分布更為均勻。

4 結(jié) 論

基于現(xiàn)場試驗(yàn)對南寧市灰?guī)r地區(qū)不同樁長及嵌巖深度的基樁承載特性進(jìn)行研究,并利用數(shù)值分析將現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果吻合較好。從嵌巖樁尺寸效應(yīng)角度出發(fā),展開了樁長、樁徑、長徑比3個(gè)影響因素在不同情況下嵌巖樁的承載特性、側(cè)摩阻力和端阻力的變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)嵌巖深度對灰?guī)r地區(qū)嵌巖樁的承載特性影響最大,嵌巖深度越長,樁的承載力越高。在嵌巖樁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮嵌巖深度(即嵌巖段長度),在確定樁長時(shí)應(yīng)合理考慮非嵌巖段長度與嵌巖段長度的分配比值。

(2)在相同嵌巖深度條件下,嵌巖位置對樁體承載力也有較大影響,嵌巖段所處位置越深,樁基沉降量越大,受上覆荷載影響也越大。樁側(cè)最大摩阻力截面位于巖層與土層接觸面以下1 m的巖層中,在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重考慮此截面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)樁徑對嵌巖樁豎向沉降量的影響很大,且樁徑的變化會影響樁端阻力與側(cè)摩阻力的分配。樁徑對樁端阻力的影響較大,對樁側(cè)摩阻力的影響很小;但當(dāng)樁徑大于1.5 m時(shí),隨樁徑的增大,端阻力增加的幅度會逐漸減小。

(4)當(dāng)樁長一定時(shí)長徑比越小樁端阻力更能發(fā)揮作用,相同荷載下沉降量越小,樁側(cè)摩阻力分布更為均勻;長徑比越大,相同荷載下沉降量也越大,摩阻力受力面積增加,側(cè)摩阻力更能發(fā)揮作用,上部荷載傳遞到樁端的力也越來越小。嵌巖樁樁長一定時(shí),適當(dāng)增大樁徑有利于減小沉降,發(fā)揮樁端阻力。