傾斜巖層下嵌巖樁荷載傳遞規(guī)律研究

胡志承

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司）

0 前言

越來越多的高層建筑、地標(biāo)性建筑物等大型建筑在城市中拔地而起，這對地基承載力帶來了更大的挑戰(zhàn)。樁基礎(chǔ)是一種有效提高地基承載力的基礎(chǔ)形式，尤其在大型建筑中應(yīng)用更為廣泛。在我國的巖溶地區(qū)，大多存在傾斜的層，影響樁基礎(chǔ)的施工，同時也影響樁基礎(chǔ)的承載能力。目前，已有不少學(xué)者對嵌巖樁的承載能力進行研究分析，主要是通過有限元方法研究分析了不同地質(zhì)條件下嵌巖樁的承載特性，總結(jié)樁長、樁徑、嵌巖深度等對承載能力的影響規(guī)律，然而極少對傾斜巖層的研究。

徐薇等[1]對大直徑擴底嵌巖樁進行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場試驗對比驗證了數(shù)值模型的可靠性，并分析了嵌巖樁的承載特性；蘭朝榮等[2]為了解決負(fù)摩阻力對樁基礎(chǔ)的不利影響，基于自平衡試樁法對旋挖擴底樁進行承載力試驗，并總結(jié)了旋挖擴底樁的施工工藝；周興揚等[3]結(jié)合工程實際，建立超長嵌巖樁的有限元數(shù)值模型，模擬分析了樁身軸力及樁身側(cè)摩阻力的分布規(guī)律；王田龍等[4]為了研究較破碎巖石地基嵌巖樁的承載能力，通過研究101根嵌巖樁的靜載試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了嵌巖樁樁端阻力、樁身側(cè)摩阻力的影響因素，提出了分析模型，并通過靜載試驗分析，總結(jié)出一種適用于較破碎巖石地基的樁基礎(chǔ)承載力計算公式；魯先龍等[5]為了研究嵌巖樁的極限端阻力的特性，分析了嵌巖深度、樁徑等對極限端阻力與端阻系數(shù)的影響規(guī)律；劉衡等[6]結(jié)合現(xiàn)場樁基礎(chǔ)試驗，通過數(shù)值模擬不同沉渣厚度情況下嵌巖樁的承載特性，總結(jié)了沉渣厚度對嵌巖樁承載力的影響規(guī)律；夏鵬[7]通過MIDAS-GTS有限元軟件建立橋梁嵌巖樁數(shù)值模型，模擬分析了變截面擴底、等截面擴底以及同方量不同嵌巖深度對嵌巖樁承載能力的影響；鄭峰[8]利用GTS-NX有限元分析軟件對泥巖持力層嵌巖灌注樁進行模擬分析，總結(jié)了不同荷載作用下樁基礎(chǔ)承載力的變化規(guī)律。

工程實踐證明，傾斜巖層的存在影響了樁基礎(chǔ)的承載能力，尤其在高層建筑等大型建筑物的巨大荷載作用下。在傾斜巖層嵌巖樁的荷載傳遞規(guī)律這方面上的研究極少，因此，本文結(jié)合現(xiàn)場嵌巖樁的單樁靜載試驗，利用MIDAS GTS NX大型有限元軟件建立傾斜巖層條件下的嵌巖樁數(shù)值模型，模擬分析了不同荷載作用下嵌巖樁樁身軸力、樁身側(cè)摩阻力以及荷載分擔(dān)比的分布規(guī)律。

1 嵌巖樁樁基承載力計算

嵌巖樁采用巖層作為持力層時，樁端嵌入基巖深度應(yīng)≥0.5m，樁基承載力按嵌巖樁計算。計算公式如下：

式中：

Rsα——樁側(cè)土總摩阻力特征值；

Rrα——樁側(cè)巖總摩阻力特征值；

Rpα——持力巖層總端阻力特征值；

up——樁嵌巖段截面周長；

hr——嵌巖深度，當(dāng)巖面傾斜時以低點起計；

Ap——嵌巖樁樁身截面面積；

frs、frp——分別為樁側(cè)巖層和樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度；

C1、C2——系數(shù)，根據(jù)持力層基巖完整程度及沉渣厚度等因素而定，如表1所示。

表1 參數(shù)選取

2 數(shù)值模擬

2.1 土層參數(shù)

根據(jù)某工程勘察資料，嵌巖樁對應(yīng)場地土層信息如表2所示，經(jīng)現(xiàn)場嵌巖樁的施工，傾斜巖層開始出現(xiàn)于強風(fēng)化砂巖與中風(fēng)化砂巖之間，該嵌巖樁通過沖孔樁機施工，施工過程中，沖錘遇到傾斜巖面時，帶動鋼絲繩傾斜偏位，測得鋼絲繩的偏位距離及沖錘下落深度，由于沖錘與傾斜巖面之間可能殘留有碎土塊碎石等，對斜巖角度只能預(yù)估判斷，最終計算預(yù)估斜巖傾斜角度在22°至28°之間，本文在數(shù)值模型中，斜巖的傾斜角度取25°。

表2 土層參數(shù)信息

2.2 嵌巖樁-土層有限元數(shù)值模型建立

Midas GTS NX屬于通用的大型有限元數(shù)值模擬軟件，主要用于模擬巖土工程問題，能夠進行線性和非線性的靜力分析、滲流及固結(jié)分析、施工階段分析等。本文借助Midas GTS NX有限元軟件對傾斜巖層條件下的嵌巖樁及土層模型進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場單樁靜載試驗，建立分級加載的嵌巖樁-土層數(shù)值模型，其中巖土體采用莫爾-庫倫模型進行計算，其建模過程及步驟如下所述：

⑴建立傾斜巖層條件下的嵌巖樁-土層幾何模型，嵌巖樁的直徑為1000mm；

⑵根據(jù)表2的土層參數(shù)信息定義材料及網(wǎng)格屬性，沖孔灌注樁材料使用C35混凝土，完成材料信息導(dǎo)入后，設(shè)置模型相應(yīng)的材料屬性；

⑶對嵌巖樁模型及土層模型通過四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分；

⑷對樁-土模型施加約束及重力場，根據(jù)現(xiàn)場單樁靜載試驗，在嵌巖樁樁頂設(shè)置分級加載的集中荷載，第一級為400kN，總共加載十二級，每級增加400kN；

⑸根據(jù)分級加載定義施工階段，進行求解操作。

圖1 有限元數(shù)值模型

3 傾斜巖層條件下嵌巖樁承載力特性分析

3.1 模型驗證

圖2 為現(xiàn)場單樁靜載試驗與數(shù)值模型模擬的荷載-沉降曲線對比圖。由圖可知，嵌巖樁在傾斜巖層條件下，MIDAS有限元軟件計算得到的荷載-沉降曲線與現(xiàn)場的單樁靜載試驗得到的結(jié)果基本吻合，驗證了MIDAS數(shù)值模型的可靠性。其中，在加載的前期階段，嵌巖樁的樁頂沉降數(shù)值模擬結(jié)果大于靜載試驗結(jié)果，而隨著荷載的加大，數(shù)值模擬結(jié)果小于靜載試驗結(jié)果，數(shù)值模擬與靜載試驗的結(jié)果值最大相差小于8%，屬于合理范圍，說明該模型對實際工程具有參考價值。

圖2 靜載試驗與數(shù)值模擬荷載-沉降曲線對比圖

3.2 傾斜巖層條件下不同樁頂荷載的沉降位移分析

傾斜巖層條件下，嵌巖樁在不同樁頂荷載作用下的沉降位移結(jié)果云圖如圖3所示。由圖分析可知，嵌巖樁在不同荷載作用下，其樁身沉降位移值自樁端到樁底逐漸減??；樁身的沉降帶動了周圍土體的沉降，靠近樁身位置的土體沉降位移在遠(yuǎn)離樁身的方向上逐漸減小；隨著樁頂荷載的加大，樁身及土體的沉降位移均隨之增大；在斜巖的傾斜方向上，嵌巖樁兩側(cè)的土體從左側(cè)至右側(cè)，土體受傾斜巖層的影響，其沉降位移逐漸增大，而在樁身左側(cè)的土體沉降位移增大量相對右側(cè)土體小，這種規(guī)律在傾斜巖層下方土體中并不明顯，隨深度的增加，巖土層的沉降位移從左到右基本趨于一致，這表明，嵌巖樁起到了阻擋傾斜巖層上方土體位移的作用，而隨著深度的增加，傾斜巖層對土體沉降位移的影響逐漸減弱，因此，在實際施工中，樁基礎(chǔ)必須穿越傾斜巖層，以保證工程的安全性。

圖3 傾斜巖層條件下不同樁頂荷載作用嵌巖樁樁頂沉降云圖

3.3 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力分析

圖4 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力隨深度變化的靜載試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比曲線圖。由圖分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果中，樁身軸力隨深度的變化趨勢與現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果的變化趨勢一致，而隨著深度的增加，尤其在深度為8m左右位置，兩種結(jié)果存在差異，其原因可能是由于數(shù)值模擬采用的斜巖角度與實際斜巖傾斜角度的差距，因此存在一定的結(jié)果誤差。

圖4 靜載試驗與數(shù)值模擬樁身軸力分布對比圖

圖5 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力在不同荷載作用下的變化結(jié)果圖。從圖中分析可知，隨著荷載的增加，樁身的軸力逐漸增大。在傾斜巖層上方，即0～8m之間的粉質(zhì)粘土、粉砂及強風(fēng)化砂巖中，嵌巖樁的樁身軸力隨深度的增加基本不變，而當(dāng)樁長在8m左右，及在傾斜巖層位置，樁身軸力開始減弱，且減弱趨勢較大，這是由于傾斜巖層的存在，土體對樁身產(chǎn)生沿斜巖傾斜方向的荷載，導(dǎo)致樁身軸力的損失，同時中風(fēng)化砂巖的強度較上方土層的強度高，能夠為嵌巖樁提供更大的側(cè)摩阻力，使樁身軸力進一步減小。

圖5 嵌巖樁樁身軸力在不同荷載作用下的變化曲線圖

3.4 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身側(cè)摩阻力分析

圖6 為傾斜巖層條件下嵌巖樁在不同荷載作用下樁身側(cè)摩阻力變化結(jié)果圖。從圖中分析可知，隨著荷載的增加，嵌巖樁的樁身側(cè)摩阻力逐漸加大，在嵌巖樁樁長6m處，樁身側(cè)摩阻力存在較為明顯的增幅，這是由于該位置處，樁身所處巖層發(fā)生變化，即由上方粉質(zhì)粘土與粉砂層變?yōu)閺婏L(fēng)化砂層，在強度上提高較為明顯，能夠為嵌巖樁提供相對較大的側(cè)摩阻力。而在傾斜巖層以下，樁身側(cè)摩阻力增大極為明顯，在嵌巖樁的承載能力上發(fā)揮明顯的作用，這是由于嵌巖樁所處的中風(fēng)化砂巖的強度要遠(yuǎn)大于強風(fēng)化巖，能夠提供更大的側(cè)摩阻力，同時，傾斜巖層的存在，導(dǎo)致樁身軸力有所損失，從而使樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮更大的作用。

圖6 傾斜巖層條件下嵌巖樁在不同荷載作用時樁身側(cè)摩阻力變化曲線圖

3.5 傾斜巖層條件下嵌巖樁側(cè)摩阻力與樁端阻力荷載分擔(dān)比分析

圖7 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁側(cè)摩阻力與樁端阻力荷載分擔(dān)比例圖。從圖中分析可知，嵌巖樁在加載前期，樁基承載能力主要由樁身側(cè)摩阻力提供，而隨著荷載的增加，樁身側(cè)摩阻力的荷載分擔(dān)比例逐漸減小，樁端阻力的荷載分擔(dān)比逐漸增大，這是由于加載初期，荷載較小，嵌巖樁與土層之間的相對位移較小，樁身側(cè)摩阻力能夠發(fā)揮較大的作用。在加載后期，樁端阻力發(fā)揮的作用超過樁身側(cè)摩阻力，這是由于荷載較大時，嵌巖樁與土層之間的相對位移增大，且樁長相對較短，樁身側(cè)摩阻力無法充分發(fā)揮作用，而主要依靠樁端阻力。

圖7 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁側(cè)摩阻力與樁端阻力荷載分擔(dān)比例圖

4 結(jié)論

結(jié)合單樁靜載試驗，通過MIDAS有限元軟建立傾斜巖層條件下的樁-圖模型，對嵌巖樁的荷載傳遞規(guī)律進行分析研究，得出了以下結(jié)論：

⑴通過對比靜載試驗與數(shù)值模擬荷載-沉降曲線，驗證MIDAS模型的可靠性；

⑵通過對傾斜巖層條件下不同樁頂荷載的沉降位移進行分析，總結(jié)了傾斜巖層處土體的沉降規(guī)律，在施工過程中，樁基礎(chǔ)穿過傾斜巖層，才能提高承載能力及安全性；

⑶傾斜巖層位置，嵌巖樁的樁身軸力及側(cè)摩阻力均有明顯的變化，樁身軸力在該位置減小明顯，同時樁身側(cè)摩阻力明顯增大；

⑷傾斜巖層條件下，嵌巖樁在荷載作用下，隨著荷載的增加，樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮的作用由最大逐漸減弱，同時樁端阻力發(fā)揮的作用逐漸增強并超過側(cè)摩阻力。