嵌巖樁變形特性影響參數(shù)數(shù)值模擬分析

馮德安，陳港，曾如才，曹淑上

(1 重慶中土勘測設計有限公司，重慶 404100；2 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

建筑基樁穿過覆蓋層嵌入基巖中稱為嵌巖樁。由于基巖強度較高，壓縮性極小，嵌巖樁能提供很高的承載力。同時嵌巖樁沉降也很小，建筑物沉降在施工過程中便可完成[1]，因此嵌巖樁在重慶地區(qū)實際工程中應用廣泛。

嵌巖樁變形特性受樁側阻力及樁端阻力的影響，影響樁側阻力的主要因素有樁周巖土體性質、樁周界面條件及樁-巖土體間相對位移等，影響樁端阻力的主要因素有嵌巖段長徑比、巖石強度及嵌巖模量比等。同時，樁長、樁徑等基樁自有相關參數(shù)同樣對嵌巖樁的豎向變形具有重要影響[2-3]。

本文依托重慶秀山地區(qū)某工程嵌巖樁相關技術資料，考慮在相同的巖土層及施工水平情況下，主要從樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強度三個方面分析其對基樁的影響，通過數(shù)值模擬方法對基樁變形特性進行探討，以期為類似工程實踐提供一定的參考。

1 工程背景

該工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層；結構形式為剪力墻結構，建筑結構安全等級為二級。本地區(qū)抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為標準設防類（丙類），樁混凝土強度為C30。

根據(jù)該工程地勘報告，擬建場地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰?guī)r1、白云質灰?guī)r2，白云質灰?guī)r2 為場地軟弱層，巖體較破碎。

本次模擬分析時基樁樁徑為1800mm，工程樁樁長為16.0m（其中進入紅黏土深度為4m，進入巖層深度為12m），樁頂荷載設為2150kN。

2 數(shù)值模型

本次數(shù)值模擬采用有限元軟件Midas 進行建模分析，模擬范圍為上方取至地表，模型平面為18×18m 正方形，深度取50m。模型的邊界條件通過限制模型四個側面和底面法向的位移來實現(xiàn)，頂面自由?；鶚恫捎昧簡卧M。模型概貌如圖1 所示，基樁及巖土材料參數(shù)如表1 所示[4-6]。

表1 基樁及巖土材料參數(shù)

圖1 模型概貌圖

3 模擬分析

3.1 樁徑

根據(jù)計算結果分析，不同樁徑荷載-沉降值如表2 所示（其余參數(shù)與原設計相同）。

表2 樁頂沉降值對比表

當樁徑變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢，特別是樁徑從1m 增大到1.4m，甚至到1.8m 這個過程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值分別達到-1.002mm 及-0.483mm，差異百分率分別達到56.5%及37.4%，說明在這個階段樁徑增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果明顯。當樁徑從1.8m 增大到2.0m 時，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值為-0.024mm，差異百分率僅為1.9%，說明在這個階段樁徑增大使得樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

3.2 嵌巖深度

根據(jù)計算結果分析，不同嵌巖深度荷載-沉降值如表3 所示（其余參數(shù)與原設計相同）。

表3 樁頂沉降值對比表

當嵌巖深度變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢，特別是嵌巖深度小于7.2m（四倍樁徑）這個過程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值為-0.53mm，差異百分率達到35.9%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果明顯。

當嵌巖深度介于7.2m（四倍樁徑）～10.8m（六倍樁徑）之間時，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值分別為-0.089mm 及-0.095mm，差異百分率分別為6.42%及7.36%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

特別地，當嵌巖深度達到16.2（九倍樁徑）時，由于數(shù)值模型樁尺度影響，樁頂沉降出現(xiàn)反向增大，其變化差值為0.042mm，差異百分率為-3.15%；當嵌巖深度達到21.6m（十二倍樁徑）時，樁頂沉降繼續(xù)輕微減小，其變化差值為-0.0014mm，差異百分率為1.1%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能變化不明顯，繼續(xù)增大嵌巖深度已無必要。

3.3 樁身混凝土強度

針對不同的樁身混凝土強度，取不同的混凝土彈性模量以達到分析目的。根據(jù)計算結果分析，不同樁身混凝土強度荷載-沉降值如表4 所示（其余參數(shù)與原設計相同）。

表4 樁頂沉降值對比表

當樁身混凝土強度變大，各加載階段樁頂沉降總體呈逐漸減小趨勢，特別是當混凝土強度小于C30 時，樁頂沉降減小相對明顯，其變化差值分別達到-0.075mm 及-0.051mm，差異百分率分別達到5.59%及3.95%，說明在這個階段混凝土強度增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果相對明顯。

當混凝土強度為C35，甚至C40 時，樁頂沉降雖然繼續(xù)不斷變小，變化差值分別為-0.035mm 及-0.022mm，差異百分率分別為2.78%及1.78%，但趨勢明顯變緩，樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

4 結論

本文以重慶秀山地區(qū)某工程為背景，對嵌巖樁變形影響因素進行分析，主要從嵌巖樁樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強度三個方面來分析其對基樁的影響，基于此對該工程基樁變形特性進行進一步探討，得到的主要結論如下：

（1）該工程基樁樁徑及嵌巖深度的變化對樁基承載性能發(fā)揮影響相對明顯，而樁身混凝土強度的變化對樁基性能發(fā)揮影響相對較小；

（2）該工程基樁樁徑、嵌巖深度及混凝土強度參數(shù)對基樁變形特性存在瓶頸效應，盲目增大相關參數(shù)不會對樁基變形特性產(chǎn)生明顯影響。