周 穎 沈 簡(jiǎn) 黃 波

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070)

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嵌巖深度對(duì)嵌巖樁豎向承載性狀的影響研究

周 穎 沈 簡(jiǎn) 黃 波

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070)

結(jié)合工程實(shí)例，選用PLAXIS有限元軟件，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了嵌巖樁嵌巖深度的確定問題，并對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行了有限元模擬分析，通過對(duì)比分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，驗(yàn)證了模型的可靠性。

嵌巖樁，嵌巖深度，豎向承載機(jī)理，側(cè)摩阻力，樁端阻力

0 引言

由于樁端巖體壓縮性較小，使嵌巖樁具有單樁沉降量小，群樁效應(yīng)小，承載力高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種重要的建筑、水利、橋梁等各項(xiàng)民用工程中。特別是在巖石較多的山區(qū)，由于上覆土層較薄，為滿足承載力的需要，工程中直接將樁嵌入到基巖內(nèi)。

但是由于嵌巖樁樁極限承載力較高、試樁難以達(dá)到破壞等原因，其承載性狀至今尚不完全清楚[1]。在承載力及沉降計(jì)算上結(jié)果相差較大，使設(shè)計(jì)過于保守而造成不必要的浪費(fèi)。

嵌巖樁承載性狀與嵌巖深度有關(guān)，為弄清嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載性狀的影響，諸多學(xué)者展開了研究。黃求順[2]認(rèn)為當(dāng)嵌巖深度大于5d時(shí)，無樁端反力，樁頂荷載完全由側(cè)摩阻力承擔(dān)，而當(dāng)樁嵌巖深度為3d時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力都可以充分發(fā)揮，3d為“最佳嵌巖深度”； Pells和Turner[3]根據(jù)樁徑求出樁側(cè)摩阻力和樁端阻力(假設(shè)兩者都能充分發(fā)揮)，進(jìn)而求出嵌巖深度L=(Qs-Qb)/(πdτ)；明可前[4]通過試驗(yàn)得到4d為最佳嵌巖深度；劉松玉等[5]認(rèn)為7d為最大嵌巖深度；許錫賓等[6]認(rèn)為硬質(zhì)巖石和軟質(zhì)巖石的最佳嵌巖深度分別為3d和5d；劉興遠(yuǎn)等[7]認(rèn)為嵌巖樁的承載力隨著嵌巖深度的增加呈線性增長(zhǎng)。

在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)例，選用PLAXIS有限元軟件，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)嵌巖樁嵌巖深度的確定問題進(jìn)行了進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

1 嵌巖單樁有限元模型

1.1 幾何模型和物理模型

對(duì)于較為復(fù)雜的變截面問題需要采用三維模型來求解。根據(jù)樁及樁周巖(土)體的幾何、物理特性以及加載方式，選用三維建模，建立完整的樁及樁周土和巖體[8]。

通過有限元模擬分析，樁周巖土的應(yīng)力應(yīng)變?cè)?0D(D為樁徑)以外時(shí)，已經(jīng)非常小[9]，因此將應(yīng)力影響半徑和樁端應(yīng)力影響深度都定為10D，幾何尺寸如圖1所示。

模型四周固定水平方向，允許豎向位移，模型底部可認(rèn)為水平向和垂直向的位移都為零，即兩個(gè)方向都設(shè)置約束，上邊界自由。

1.2 基本假設(shè)

1)不考慮時(shí)間效應(yīng)；2)樁身混凝土、樁周巖土體都為均勻、各向同性材料；3)荷載為靜力荷載，循環(huán)、周期荷載對(duì)材料的影響都不考慮；4)巖土體可以分層，但是各層內(nèi)的巖土體仍是均勻、各向同性材料；5)不考慮土體固結(jié)排水、地下水位等因素。

2 試樁結(jié)果與有限元對(duì)比

2.1 工程實(shí)例概況

為了驗(yàn)證基于PLAXIS建立的模型對(duì)嵌巖樁豎向承載特性進(jìn)行分析的可靠性，對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行有限元模擬分析，將分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

以浙江蘭溪發(fā)電廠試樁資料為例，試樁場(chǎng)地各土層的重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、巖土層厚度指標(biāo)見表1。

表1 1號(hào)，2號(hào)試樁場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 有限元計(jì)算

三維有限元建模劃分網(wǎng)格完成后如圖2所示。為了計(jì)算的精確性，選取了最密的網(wǎng)格劃分形式，PLAXIS有限元軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)重要部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，從圖2中可以明顯看到樁周網(wǎng)格劃分較密。

根據(jù)試樁資料，樁頂豎向荷載為15 000 kN時(shí)有限元計(jì)算結(jié)果如圖3，圖4所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

提取數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行整理，與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，得到曲線如圖5,圖6所示。

分析圖5,圖6可知，3D PLAXIS有限元計(jì)算的荷載—沉降曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合，說明用本文所建立的有限元模型模擬嵌巖樁的承載特性較為合理。

3 嵌巖深度影響研究

計(jì)算參數(shù)的選?。和耆稁r樁樁徑D=600 mm。樁身混凝土彈性模量Ep=3×104MPa，泊松比v=0.18；樁周巖體的彈性模量Er=3 000 MPa，泊松比v=0.25，粘聚力c=800 kPa，摩擦角φ=40°。嵌巖深度變化范圍為2D=1 200 mm，3D=1 800 mm，5D=3 000 mm和7D=4 200 mm。

3.1 對(duì)嵌巖樁承載力的影響

保持其他因素不變，對(duì)模型進(jìn)行不同嵌巖深度在不同荷載等級(jí)下的有限元分析，其樁頂荷載與樁頂沉降的Q—S曲線如圖7所示。

分析圖7可知，在其他因素保持不變的情況下，隨著嵌巖深度的增加，在相同的樁頂荷載下，樁頂沉降減小，但是其減小的程度低于改變樁徑時(shí)樁頂沉降。繪制樁頂荷載為10 000 kN時(shí)，不同嵌巖深度的樁頂沉降曲線如圖8所示。

分析圖8可知，在相同的樁頂荷載下，嵌巖深度越大，樁頂沉降越小，但是其減小的趨勢(shì)隨嵌巖深度的增加而趨于平緩。

由Q—S曲線分析嵌巖樁的最大承載力。Q—S曲線為緩變型沒有拐點(diǎn)，取樁頂沉降為40 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂荷載。最大承載力與樁徑的關(guān)系曲線如圖9所示。

分析圖9可知，樁的承載力由嵌巖深度2D時(shí)的13 500 kN增加到嵌巖深度7D時(shí)的18 300 kN，近乎線性增長(zhǎng)。說明嵌巖深度對(duì)樁的承載力有重要影響。

3.2 對(duì)嵌巖樁承載特性的影響

基于3.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同嵌巖深度在不同荷載等級(jí)下，樁土側(cè)摩阻力、樁巖側(cè)摩阻力、樁端反力的變化數(shù)據(jù)，繪制嵌巖段總承載力分擔(dān)百分比和樁端總承載力分擔(dān)百分比曲線圖。

分析圖10，圖11可知，在樁徑一定，嵌巖深度不同時(shí)，樁土側(cè)摩阻力、嵌巖段側(cè)摩阻力和樁端反力在樁的承載能力中占的百分比不同。

分析圖10可知，嵌巖深度不同，其分擔(dān)百分比總的趨勢(shì)大致相同，即嵌巖段承載百分比隨著荷載的增加而增加；并且隨著嵌巖深度的不斷增加，嵌巖段承載的百分比也增加，大約占70%～90%；樁土側(cè)摩阻力承擔(dān)的百分比逐漸減小。由圖11可知，樁端承擔(dān)百分比在5%～60%之間。在嵌巖深度一定時(shí)，樁端分擔(dān)百分比隨樁頂荷載的增加有先減小后增大的趨勢(shì)，但是，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，樁端承擔(dān)百分比增加的趨勢(shì)變緩，這表明，在樁頂荷載較小時(shí)，由于相對(duì)位移較小，側(cè)摩阻力并沒有充分發(fā)揮，只有當(dāng)樁頂荷載達(dá)到一定程度，才能充分調(diào)動(dòng)側(cè)摩阻力，此時(shí)的樁端承擔(dān)百分比最小，當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大，樁端承擔(dān)百分比也會(huì)繼續(xù)增加，但是嵌巖段總的分擔(dān)比是一直增加的。不同的嵌巖深度，其承擔(dān)百分比差異很大，當(dāng)嵌巖深度為2D時(shí)，樁頂荷載到達(dá)10 000 kN時(shí)樁端分擔(dān)百分比達(dá)到了50%以上，嵌巖深度5D的只承擔(dān)了20%。

綜上所述，嵌巖深度較小時(shí)，樁端承擔(dān)大部分荷載，隨著嵌巖深度的增加，樁巖側(cè)摩阻力分擔(dān)百分比增加，樁端分擔(dān)百分比減小，但是嵌巖段總的分擔(dān)百分比增加。說明當(dāng)樁端嵌入巖層較深時(shí)，樁頂荷載主要依靠嵌巖段的側(cè)摩阻力來平衡，此時(shí)傳遞到樁端的荷載很小，使得嵌巖樁的樁端反力得不到有效的發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在其他條件一定的情況下，隨著嵌巖深度的增大，相同樁頂荷載下的樁頂沉降減小。2)在5D之前，樁頂沉降減小迅速，以后變化緩慢；樁的承載力隨嵌巖深度的增大而增加，嵌巖段總的荷載分擔(dān)百分比非線性增加，樁端反力分擔(dān)百分比減小，在嵌巖深度為5D時(shí)，達(dá)到了20%以下。3)嵌巖深度效應(yīng)顯然是存在的，一味增加嵌巖深度會(huì)造成樁端承載力得不到有效的發(fā)揮，在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。4)樁端反力不會(huì)為零，不存在最大嵌巖深度。

[1] 戴國(guó)亮,龔維明,程 曄,等.深長(zhǎng)嵌巖樁承載力計(jì)算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(S2):4019-4024.

[2] 黃求順.嵌巖樁承載力的試驗(yàn)研究[A].中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)學(xué)術(shù)委員會(huì)論文集[C].1992：47-52.

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[6] 許錫賓，周 亮，劉 濤.大直徑嵌巖樁單樁承載性能的有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，29(6)：942-946.

[7] 劉興遠(yuǎn)，鄭穎人.影響嵌巖樁嵌巖段特性的特征參數(shù)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(3)：383-386.

[8] 李 婉，陳正漢，林育梁.南寧地區(qū)軟巖嵌巖樁的有限元計(jì)算機(jī)模擬[J].工業(yè)建筑，2005，36(3)：492-496.

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Research on influence of socket depth on vertical loading capacity of rock-socketed piles

Zhou Ying Shen Jian Huang Bo

(NorthwestResearchInstituteCo.,LtdofCREC,Lanzhou730070,China)

In this paper, the method to determine the depth of rock-socketed pile is studied by the theoretical analysis and finite element numerical simulation using PLAXIS finite element software, companied by the analysis of specific engineering practices. To verify the reliability of the model, the finite element simulation result of the test piles was compared with those of the field test piles.

rock-socketed pile, socketed depth, vertical load-bearing behavior, side friction, pile tip resistance

1009-6825(2016)31-0097-03

2016-08-22

周 穎(1992- )，女，助理工程師

TU473

A