深層大傾斜巖面沖孔灌注樁承載力特性研究

沖孔灌注樁作為常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)形式，具有強(qiáng)大的承載能力，然而，在巖溶地區(qū)，多存在深層大傾斜巖面等不良地質(zhì)條件，對(duì)于作為高層建筑等巨大荷載作用下的樁基礎(chǔ)，具有更大的挑戰(zhàn)。為了研究沖孔灌注樁在深層大傾斜巖面上的承載力特性，通過(guò)MIDAS GTS NX大型有限元軟件對(duì)傾斜巖面條件下的單樁靜載樁-土數(shù)值模型，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)設(shè)定不同的斜巖傾斜角度、不同樁長(zhǎng)條件下，研究沖孔灌注樁樁基礎(chǔ)的承載力特性，并分析其承載力影響因素，總結(jié)斜巖傾斜角度、樁長(zhǎng)對(duì)承載力的影響規(guī)律。

傾斜巖面； 沖孔灌注樁； 承載力； 數(shù)值模擬

TU473.1+1 A

［定稿日期］2021-09-23

［作者簡(jiǎn)介］鄧啟智（1994—），男，本科，工程師，從事土木工程施工技術(shù)工作。

在廣州花都地區(qū)，復(fù)雜多變的巖溶地質(zhì)條件普遍存在，如深層大傾斜巖面、溶洞等不良地質(zhì)，沖孔灌注樁具有強(qiáng)大的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)能力［1］，且承載力高，可作為巖溶地區(qū)高層建筑的樁基礎(chǔ)。目前，已有多數(shù)學(xué)者對(duì)巖溶地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)的承載力特性進(jìn)行研究，李金良等［2］通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立單樁數(shù)值模型，研究巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載能力；王鵬［3］通過(guò)FLAC有限元差分軟件樁基礎(chǔ)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究分析了巖溶區(qū)沖孔灌注樁的承載機(jī)理及其穩(wěn)定性；樁基承載力由樁側(cè)摩阻力與樁端承載力組成，巖溶地區(qū)的巖層能夠?yàn)闃痘A(chǔ)提供足夠的樁端承載力，尤其在承受高層建筑這種巨大的上部荷載，嵌巖深度對(duì)樁基礎(chǔ)的承載能力具有較大的影響；徐卓君［4］基于上下限有限元分析模型，研究嵌巖樁樁端極限承載特性，分析嵌巖深度、樁-溶洞垂直距離等對(duì)極限承載力的影響規(guī)律；董蕓秀等［5］通過(guò)樁基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)，研究巖溶區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)在不同荷載作用下樁頂?shù)某两狄?guī)律，通過(guò)分析巖-樁體系力學(xué)模型中溶洞頂板的破壞模式，提出一種計(jì)算樁合理嵌巖深度的方法；徐華［6］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)有限元分析持力層頂板厚度、嵌巖深度等研究分析基樁的承載機(jī)理。以上成果均研究了巖溶區(qū)溶洞對(duì)樁基礎(chǔ)的影響，未考慮傾斜巖層的地質(zhì)條件，目前，對(duì)這方面的研究仍較少。孫義舟等［7］基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和Meyerhof塑性理論，研究分析了斜巖傾斜角度、樁嵌入比等因素對(duì)樁基承載力的影響規(guī)律；鄒江超［8］利用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)樁筏基礎(chǔ)，通過(guò)ABAQUS建立相應(yīng)的數(shù)值模型模擬分析傾斜巖面條件下，樁徑對(duì)土體及樁頂沉降位移的影響規(guī)律。

工程實(shí)踐證明，在巖溶地區(qū)深層大傾斜巖面的不良地質(zhì)條件下，樁長(zhǎng)不足或樁底未穿過(guò)傾斜巖層，容易導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降過(guò)大、樁底破壞等工程問(wèn)題。針對(duì)廣州北站綜合交通樞紐開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（二期）安置區(qū)所處巖溶區(qū)深層大傾斜巖面的不良地質(zhì)條件及巖層上覆軟弱土層的地基難題，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載試驗(yàn)，利用MIDAS GTS NX大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同樁長(zhǎng)、斜巖傾斜角度對(duì)沖孔灌注樁承載力的影響。

1 樁基承載力計(jì)算

大直徑鉆（沖）孔灌注樁選用微風(fēng)化巖層作為持力層時(shí)，樁端嵌入基巖深度應(yīng)不小于0.5 m時(shí)，樁基承載力按嵌巖樁計(jì)算。計(jì)算公式見(jiàn)式（1）～式（4）。

Ra=Rsa+Rra+Rpa（1）

Rsa=u∑qsiali（2）

Rra=upC2frshr（3）

Rpa=C1frpAp（4）

式中：Rsa為樁側(cè)土總摩阻力特征值；Rra為樁側(cè)巖總摩阻力特征值；Rpa為持力巖層總端阻力特征值；up為樁嵌巖段截面周長(zhǎng)；hr為嵌巖深度，當(dāng)巖面傾斜時(shí)以低點(diǎn)起計(jì)；Ap為樁截面面積，對(duì)擴(kuò)底樁取擴(kuò)大頭直徑計(jì)算樁截面面積；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(qiáng)度；C1、C2為系數(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。

單樁承載力特征值可按廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ15-31-2016《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，建議C1和C2取值如表1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊二位于廣州市花都區(qū)廣州北站南側(cè)，工業(yè)大道東旁粵花小區(qū)附近，毗鄰新街河，屬?gòu)V州北站綜合交通樞紐項(xiàng)目的配套工程，交通較為方便，京廣高鐵、京廣鐵路107 國(guó)道（廣清高速）、106 國(guó)道及多條省道貫穿全街南北，水路由巴江連接珠江。街內(nèi)有國(guó)家二類口岸花都港、廣州火車北站和廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)，地鐵9 號(hào)線部分車站現(xiàn)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。項(xiàng)目主要包括住宅樓，商鋪和相應(yīng)配套（幼兒園、派出所等），住宅樓高度81.8～97.8 m（至屋面），其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本次詳細(xì)勘察階段為項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊二。地塊二建筑面積約為115 118 m2，計(jì)容面積77 021 m2，不計(jì)容面積38 089 m2，容積率為3.2，共建設(shè)5 棟住宅樓，1 座幼兒園，暫定地上最高26～28 層，設(shè)地下室2 層，局部地下3層。本工程室內(nèi)標(biāo)高±0.000 相當(dāng)于廣州市高程系統(tǒng)11.000 m，室內(nèi)地坪高出室外地坪約為150～300 mm，地下室底板標(biāo)高暫定為廣州市高程系統(tǒng)-1.60～2.20 m；本工程結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅樓抗震設(shè)防為丙類，幼兒園抗震設(shè)防為乙類；基礎(chǔ)擬采用鉆（沖）孔灌注樁樁基礎(chǔ)，擬采用微風(fēng)化灰?guī)r作為基礎(chǔ)持力層，預(yù)估最大柱底軸力13 000 kN。

2.2 數(shù)值模型

2.2.1 土層參數(shù)

根據(jù)勘察資料，235號(hào)樁對(duì)應(yīng)場(chǎng)地土層信息如表2所示，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)沖孔灌注樁施工樁底斜巖開(kāi)始出現(xiàn)于中風(fēng)化灰?guī)r層，根據(jù)施工過(guò)程中，沖錘遇到傾斜巖面時(shí)，帶動(dòng)鋼絲繩傾斜偏位，測(cè)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(duì)斜巖角度只能預(yù)估判斷，最終計(jì)算預(yù)估斜巖傾斜角度在28°～33°之間。

2.2.2 有限元模型建立

Midas GTS NX是一款針對(duì)巖土工程方面的通用有限元軟件，能夠進(jìn)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。本文利用Midas GTS NX大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立單樁靜載數(shù)值模型（圖1），其建模過(guò)程包括：

（1）根據(jù)實(shí)際情況建立樁-土幾何模型，其中沖孔灌注樁為1 200 mm，單樁承載能力特征值為10 000 kN。

（2）根據(jù)表2設(shè)置具體的土層參數(shù)信息，沖孔灌注樁材料使用C40混凝土，完成材料信息導(dǎo)入后，設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。

（3）對(duì)樁模型及多層土層模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（4）對(duì)樁-土模型施加約束及重力場(chǎng)，在樁頂設(shè)置分級(jí)加載的集中荷載，第一級(jí)4 000 kN，第二級(jí)8 000 kN，第三級(jí)開(kāi)始逐級(jí)增加2 000 kN，最終加載至20 000 kN。

（5）根據(jù)分級(jí)加載定義施工階段，進(jìn)行求解操作。

3 深層大傾斜巖面沖孔灌注樁影響因素分析

3.1 極限荷載作用下有無(wú)傾斜巖面時(shí)的整體沉降對(duì)比分析

圖2是無(wú)傾斜巖面以及不同傾斜角度，樁長(zhǎng)為17 m時(shí)的沉降云圖，這是典型的單樁在極限荷載作用下的沉降云圖。從圖2可以看出，單樁在極限荷載作用下，灌注樁的沉降隨著深度的增加而有規(guī)律地減小；靠近灌注樁的土由于和灌注樁之間存在摩擦，灌注樁的下沉帶著土下沉，所以這個(gè)地方的土體的沉降比遠(yuǎn)離灌注樁的要大，且由于斜巖的存在，整體的沉降量較無(wú)傾斜巖面的情況要大，且隨這斜巖角度增大。這是符合工程常識(shí)的，說(shuō)明了有限元分析的準(zhǔn)確性。圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）中可看出，受傾斜巖面的影響，在極限荷載作用下，灌注樁左、右兩側(cè)土體沿傾斜巖面方向沉降量逐漸增大，且隨斜巖傾斜角度增大，沉降量增大趨勢(shì)更為明顯，而在圖2（a）無(wú)傾斜巖面的情況下，灌注樁左、右兩側(cè)土體的沉降量基本一致。

3.2 極限荷載作用下有無(wú)傾斜巖面時(shí)的應(yīng)力分析

圖3是無(wú)傾斜巖面以及不同傾斜角度，樁長(zhǎng)為17 m時(shí)的應(yīng)力云圖。分析這些應(yīng)力云圖，可以看出，單樁在極限荷載作用下，有無(wú)傾斜巖面的存在，模型中應(yīng)力分布情況不同；改變巖面的傾斜角度，能夠得到相應(yīng)的應(yīng)力分布規(guī)律。

從圖3中可以看出，4種情況中，由于集中荷載的作用，樁的最大應(yīng)力集中在樁頂，且呈受壓狀態(tài)，且應(yīng)力主要分布在-13～0 m之間，即分布在土層，而在巖層中應(yīng)力較小，在入巖后應(yīng)力減小明顯，且隨深度增加，樁的應(yīng)力逐漸減小；遠(yuǎn)離樁身部分的土體應(yīng)力由受壓逐漸變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)；無(wú)傾斜巖面的情況下，樁的應(yīng)力主要集中于樁的上半部分；而在巖面傾斜的情況下，應(yīng)力主要集中在樁的下半部分，且隨傾斜角度的增大，應(yīng)力逐漸增大，在傾角為60°的情況下，樁的應(yīng)力趨向于集中在傾斜巖面處，且此時(shí)的樁為完全穿過(guò)斜巖，這種情況較為危險(xiǎn)，工程中應(yīng)避免此類情況發(fā)生，應(yīng)加長(zhǎng)樁長(zhǎng)，穿過(guò)傾斜巖層。

3.3 單樁荷載-沉降（Q-s）曲線分析

將按照傾斜巖面角度的不同來(lái)細(xì)述單樁靜載數(shù)值模擬的結(jié)果。所有Q-s曲線中5 m表示樁長(zhǎng)為5 m，其他依此類推。圖4（a）～圖4（d）是不同樁長(zhǎng)的傾角為15°～60°下單樁荷載-沉降（Q-s）曲線。

3.3.1 灰?guī)r傾角為15°，30°時(shí)的分析

（1）當(dāng)樁長(zhǎng)為5 m、8 m、11 m、14 m、17 m時(shí)，Q-s曲線都是一條直線，這說(shuō)明灰?guī)r傾角為15°、30°時(shí)，單樁沉降只是彈性變化，還沒(méi)進(jìn)入塑性狀態(tài)，這是由于巖面傾角較小，樁端直接與灰?guī)r接觸，在樁端和灰?guī)r完好接觸時(shí)，樁底很難發(fā)生滑動(dòng)。

（2）隨著樁長(zhǎng)的增加，每一級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的沉降也是有規(guī)律地增加，這是由于灌注樁在荷載的作用下產(chǎn)生了壓縮變形，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，在相同荷載作用下，壓縮變形就越大，由于這里樁端和灰?guī)r的滑移很小，壓縮變形的比例很大，所以樁長(zhǎng)變化對(duì)沉降的影響很大。例如灰?guī)r傾角為15°時(shí)，在極限荷載作用下，樁長(zhǎng)5 m時(shí)沉降為-2.535 mm，而樁長(zhǎng)17 m時(shí)為-6.824 mm，兩者相差很大。

（3）當(dāng)灰?guī)r傾角為15°、30°時(shí)，在極限荷載（20 000 kN）作用下，樁頂沉降最大僅為-6.292 mm（30°傾角，樁長(zhǎng)17 m），和規(guī)范規(guī)定的最大沉降40 mm相差甚遠(yuǎn)，這再一次說(shuō)明樁端和灰?guī)r的接觸是完好的。

從以上分析可以得到：巖面傾角為15°、30°時(shí)，灌注樁在灰?guī)r面上基本不發(fā)生滑動(dòng)，灌注樁的單樁承載力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 灰?guī)r傾角為45°、60°時(shí)的分析

圖4（c）、圖4（d）是巖面傾角分別為45°、60°時(shí)的Q-s曲線，從中可以看出：

（1）當(dāng)灰?guī)r傾角為45°，豎向荷載大于1 000 kN時(shí)，或傾角60°，豎向荷載大于8 000 kN時(shí)，Q-s曲線不再是一條直線，而是呈彎曲向下，說(shuō)明此時(shí)灌注樁的沉降已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)。這是由于隨著灰?guī)r傾角加大，灌注樁在荷載作用下，更容易發(fā)生滑移，而且當(dāng)傾角為60°時(shí)沉降比45°時(shí)更早進(jìn)入塑性狀態(tài)。

（2）無(wú)論灰?guī)r傾角是45°還是60°，在極限荷載作用下，灌注樁樁頂?shù)淖畲蟪两挡](méi)有因?yàn)闃堕L(zhǎng)的差別而相差很遠(yuǎn)。這是由于樁長(zhǎng)較短，荷載大部分都是由樁頂承擔(dān)，而且樁底滑移加大，使得滑移在總沉降中所占的比例增大。

（3）當(dāng)灰?guī)r傾角為45°和60°時(shí)，在極限荷載（20 000 kN）作用下，樁頂沉降最大-13.63 mm（60°傾角，樁長(zhǎng)5 m），和規(guī)范規(guī)定的最大沉降40 mm相差甚遠(yuǎn)，這說(shuō)明樁端和灰?guī)r的接觸是可靠的。

（4）從圖4（d）看出，當(dāng)樁長(zhǎng)為5 m時(shí)，在極限荷載作用下，灌注樁的沉降要比其他更長(zhǎng)的樁的沉降要大。這說(shuō)明5 m這種超短樁在巖面傾角較大時(shí)，受力存在不利的情況，需要特別注意。

從以上分析可以得到：巖面傾角為45°、60°時(shí)，灌注樁在灰?guī)r面上已經(jīng)發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，但是滑動(dòng)還不是很大，灌注樁的單樁承載力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程項(xiàng)目，利用MIDAS有限元軟件，對(duì)深層大傾斜巖面沖孔灌注樁承載力特性進(jìn)行分析研究，得出了結(jié)論：

（1）從有限元的分析結(jié)果可以看出，在該工程地質(zhì)條件下，灌注樁樁底承擔(dān)了絕大部分荷載，基本上是 70%以上。

（2）較短樁樁底承擔(dān)了絕大部分荷載，如果施工質(zhì)量不好的話就很容易出現(xiàn)事故，設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)該特別注意或者避免。

（3）單樁靜載有限元模擬的Q-s曲線顯示：灰?guī)r傾角不大于30°和灰?guī)r傾角不小于 45°，Q-s曲線分別呈現(xiàn)彈性、塑性2種不同的狀態(tài)，所以當(dāng)工程上遇到灰?guī)r傾角小于 30°的情況，灌注樁底部灌注的混凝土可以少些，當(dāng)灰?guī)r傾角大于 30°可以加大混凝土的壓入量。

參考文獻(xiàn)

［1］ 向澤. 沖孔灌注樁施工技術(shù)研究［D］.重慶：西南大學(xué)， 2015.

［2］ 李金良，邢宇鋮，崔偉，等.豎向荷載作用下巖溶區(qū)單樁承載特性研究［J］. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（4）：417-422.

［3］ 王鵬. 巖溶地區(qū)沖孔灌注樁承載機(jī)理研究［D］. 南寧： 廣西工學(xué)院， 2012.

［4］ 徐卓君. 巖溶區(qū)嵌巖樁承載機(jī)理及計(jì)算方法研究［D］. 2018.

［5］ 董蕓秀， 馮忠居， 郝宇萌，等. 巖溶區(qū)橋梁樁基承載力試驗(yàn)與合理嵌巖深度［J］. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2018，18（6）：27-36.

［6］ 徐華. 巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工工藝及承載能力研究［D］. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2003.

［7］ 孫義舟， 童建富， 齊添，等. 傾斜巖面樁樁端豎向承載力計(jì)算方法［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019（12）：3015-3022.

［8］ 鄒江超. 傾斜巖面條件下樁基受力性能研究［D］. 2018.