基于正交設計的灌注嵌巖樁側阻力影響因素敏感性分析

楊小樂，陶桂蘭，王春龍，喬趙陽

（河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

基于正交設計的灌注嵌巖樁側阻力影響因素敏感性分析

楊小樂，陶桂蘭，王春龍，喬趙陽

（河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

文章結合廣西南寧六景轉運站作業區工程地質資料，對影響巖溶地區灌注嵌巖樁側阻力的影響因素進行了研究。將灌注嵌巖樁的嵌巖深度、沉渣厚度、泥皮厚度作為影響因素，按照正交設計的方法選取代表性的組合方案，通過ANSYS有限元軟件進行樁側阻力的數值分析，并采用極差方法分析各影響因素對樁側阻力分擔荷載比重的影響程度。由數值模擬的結果可以看出，嵌巖深度對嵌巖樁側阻力分擔荷載比重的影響最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影響最小。通過對嵌巖樁側阻力各影響因素分析結果的認識，對巖溶地區灌注嵌巖樁的樁基設計具有一定的參考價值。

嵌巖樁；側阻力；有限元；正交設計

灌注嵌巖樁作為山地丘陵地區一種特定的樁基類型，具有單樁承載力高、沉降小、抗震性能好、群樁效應相對較小等優點，自20世紀90年代起就得到了廣泛的應用和研究。但由于嵌巖樁試樁費用高且很難進行破壞性試驗，因而系統而全面的試樁資料和實測數據并不多，制約了對其承載性狀的認識。20世紀90年代以前，我國普遍認為嵌巖樁是端承樁，我國《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7-89）規定嵌巖樁按端承樁設計。進入20世紀90年代，我國在修訂《建筑樁基設計規范》（JGJ94-1994）時有所改進，認識到樁側阻力不可忽視。進入21世紀，我國《港口工程樁基規范》（JTS167-4-2012）規定嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設計值由樁側土阻力、嵌巖段側阻力和樁端阻力三部分組成。葛崇勛等人［1］在對目前常用的嵌巖樁計算規范方法的分析比較中，指出同時考慮土層段和嵌巖段的側阻力的計算模式比較符合實際情況；陳斌等人［2］在有限元分析的基礎上，指出嵌巖深度、樁底沉渣等因素會影響到嵌巖樁側阻力的發揮。

廣西南寧六景轉運站作業區樁基地基以喀斯特地貌巖石為主，巖石表面有少量2～5 m的覆蓋土層，有些區域無覆蓋土層。本文以此為例，在分析嵌巖樁側阻力時不考慮巖基以上覆蓋的土層作用，僅考慮嵌巖段的側阻力作用。結合作業區工程地質資料，采用正交設計的方法，對嵌巖樁側阻力的影響因素進行分析；運用ANSYS軟件分析計算嵌巖樁樁側阻力分擔荷載的大小，確定了各影響因素的主次順序。本文研究成果對巖溶地區灌注嵌巖樁的樁基設計具有一定的參考價值。

1 嵌巖樁的側阻力影響因素分析

影響嵌巖樁承載力的因素眾多，包括嵌巖深度、沉渣厚度、泥皮厚度、孔壁粗糙度等，每個因素都會影響到樁側阻力和樁端阻力分擔的荷載的大小。本文重點對嵌巖深度、沉渣厚度、泥皮厚度3個因素進行分析。

1.1 嵌巖深度的影響

在對嵌巖樁承載特性研究初期，一度認為嵌巖樁嵌巖深度越深，承載能力越大。但隨著研究的深入，發現單純地增加嵌巖深度，在一定范圍內能有效提高承載力；超過某一深度后，對單樁承載力幾乎沒有影響。從理論上講，樁側阻力與荷載的比值大小影響著樁端阻力的發揮程度。而隨著嵌巖深度的增大，樁側阻力也隨之增大。樁側阻力的增大，更多地分擔了樁頂荷載，從而導致樁端阻力的減小。明可前［3］在分析大量實測資料的基礎上，認為當嵌巖深度超過5倍樁徑時，樁端阻力基本為零，此時主要由嵌巖段側阻力平衡樁頂荷載；劉松玉［4］在對11個工程20根試樁的靜載荷試驗資料和實測資料進行統計分析的基礎上，研究了泥質軟巖嵌巖樁的荷載傳遞機理，認為南京地區軟巖中嵌巖樁的最大嵌巖深度為7倍樁徑，嵌巖段樁側摩阻力占總承載力的50%以上。

關于嵌巖深度的問題，國內外仍未有統一標準，但比較一致的看法是：增加嵌巖深度能有效提高嵌巖樁承載力，然而一味地增加嵌巖深度是不可取的。對具體工程而言，應結合施工條件并考慮經濟因素的影響，合理確定嵌巖樁的嵌巖深度，以達到能夠使樁側阻力和樁端阻力二者共同分擔樁頂荷載。

1.2 沉渣厚度的影響

灌注嵌巖樁按基巖埋深情況和成孔方法分為鉆孔樁和挖孔樁兩種。鉆孔樁是在軟弱土層較厚或基巖埋深較大時，為達到承載力要求，采用大口徑鉆機鉆至中風化層或微風化層一定深度后灌注成樁；人工挖孔樁是在基巖埋深較淺時，常以人工方法挖至中風化或微風化巖層中灌注成樁。人工挖孔樁，清底情況較好，樁與巖體能夠緊密結合，可以不考慮沉渣厚度對嵌巖樁嵌巖段側阻力的影響。對于鉆孔樁，尤其對超長樁，受目前施工技術的限制，清底情況一般較差，樁底總會殘留一部分沉渣。沉渣往往形成一個可壓縮的“軟墊”，導致樁身與巖體及土體間產生相對位移，從而使側阻力得到充分發揮，但樁端阻力往往由于“軟墊”作用而不能有效發揮出來，影響結構的安全［5］。

由于樁底沉渣對承載力有著顯著影響，必須合理控制沉渣的厚度。工程上一般采用泥漿循環清除鉆孔樁的孔底沉渣。對于超長樁，主要采用空氣升液排渣的方式。該方式利用桿（管）內外液柱的重度差來驅動液體，不會因深度的增加而影響泥漿的上升速度，從而具有較好的效果。

1.3 泥皮厚度的影響

灌注嵌巖樁在施工過程中，采用泥漿護壁會在孔壁形成一層泥皮。泥皮作為一薄弱層存在，改變了嵌巖樁與巖體間相互作用性狀。由于泥皮的抗剪強度非常低，嚴重影響了樁側阻力的發揮，最終降低了灌注嵌巖樁的承載力。國外學者在對砂巖嵌巖樁的研究中發現，一定厚度的泥皮會導致樁側阻力下降25%左右［6］。喻小明［7］采用有限元模擬的方法分析了樁周泥皮厚度變化對單樁承載力的影響，指出當泥皮增加到一定厚度時，可導致單樁承載力降低50%左右。吳玉軍［8］通過工程實踐發現，采用正循環和反循環兩種不同的施工工藝，導致了樁周泥皮厚度不同，單樁承載力也有較大的差異。

在嵌巖樁施工過程中，必須改善泥漿護壁性狀，在滿足保護孔壁不致塌孔的前提下，盡可能減小泥皮厚度，以減小其對嵌巖樁承載力的影響。工程上選擇優質膨潤土造漿，形成高性能泥漿；在孔深、孔徑達到設計要求后，迅速清孔，必要時需進行二次清孔，以減小泥皮厚度。

2 側阻力影響因素的正交設計分析

在研究嵌巖段側阻力時，需要涉及到嵌巖深度、沉渣厚度、泥皮厚度3個因素。本文考慮多因素多水平的影響，采用正交設計的方法，利用ANSYS軟件進行數值模擬分析，以此確定各因素及水平對側阻力的影響主次順序。

2.1 正交設計方法

正交設計方法是運用正交表來安排與分析多因素多水平的一種設計方法。其在試驗因素的所有水平里選取一部分具有代表性的組合來進行研究，并由這部分代表試驗組的結果分析來了解全面試驗的情況。本文針對上述3個因素各設計了3個水平，具體的嵌巖樁側阻力影響因素及水平見表1。

表1 嵌巖樁側阻力影響因素及水平Tab.1 Rock?socketed pile side resistance factors and levels

在確定正交因素及水平后，選取一個合適的正交表。正交表的各列能夠安排一個試驗因素，表頭設計即把試驗因素分別安排到選取正交表的各列的過程。對于上述3因素3水平問題，采用L9（33）的設計方案，即從27個試驗點中篩選得到的9個試驗點，具體試驗點選取見表2。該設計方案的9個試驗點代表性很強，具有均勻分散和整齊可比的特質［9］。

正交設計的結果分析普遍采取兩種方法，即極差分析法和方差分析法。本文采用極差分析的方法，其計算簡便，結果直觀形象。極差分析法中計算參數Tij按如下公式計算

表2 側阻力影響因素及水平分析設計方案Tab.2 Side resistance factors and levels of design scheme

圖1 嵌巖樁有限元模型Fig.1 Finite element modelof rock?socketed pile

式中：Tij為因素j在i水平下的統計參數；n為因素j在i水平下的試驗次數；Yijk為因素j在i水平下第k個試驗結果指標值。

評價因素顯著性的參數為極差Rj，其計算公式如下

式中：r為各因素水平數。

極差越大說明該因素的水平改變對試驗結果影響越大，極差最大的因素就是最主要的因素，極差較小的因素為次要的因素。

表3 材料力學參數Tab.3 Materials mechanical parameter

表4 嵌巖樁側阻力分擔荷載比重結果Tab.4 Load proportion of rock?socketed pile side resistance

2.2 正交設計計算結果與分析

2.2.1 計算模型

該作業區嵌巖樁樁徑為1.3 m，單樁樁長均在13 m以上，樁徑比大于10，嵌巖樁樁頂承受荷載3 200 kN。

本文建立簡化后的樁-巖三維實體有限元模型，樁身與樁側巖基間設置一薄層單元來模擬泥皮，樁身與樁底巖基間設置一單元層來模擬沉渣，泥皮和沉渣本構關系服從DP準則。由于單樁的幾何形狀和變形與樁的軸線對稱，建模時可簡化為1/4模型，橫截面寬度和樁底下地基深度為10倍樁徑，邊界條件分別為對稱約束和全約束。采用三維空間8節點實體單元solid45對模型進行離散，劃分后的有限元模型如圖1，各單元材料力學參數見表3。

2.2.2 計算結果分析、

經ANSYS有限元軟件分析，提取泥皮單元的豎向剪應力為相應的樁側阻力，沉渣單元豎向應力為樁端阻力。計算得嵌巖樁側阻力分擔荷載比重結果見表4。

通過比較極差Rj可見，RA＞RB＞RC，所以各因素對指標影響的程度由大到小為嵌巖深度、沉渣厚度、泥皮厚度，即嵌巖深度對嵌巖樁側阻力分擔荷載比重的影響最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影響最小。

3 結論

基于正交設計方法，采用有限元軟件ANSYS可以較好地分析巖溶地區灌注嵌巖樁側阻力的各影響因素。本文研究結果表明，在樁側阻力的各影響因素中，嵌巖深度對嵌巖樁側阻力分擔荷載比重的影響最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影響最小。本文對嵌巖樁側阻力各影響因素分析結果，對巖溶地區灌注嵌巖樁的樁基設計具有一定的參考價值。

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Sensitivity analysis of perfusion rock?socketed pile side resistance based on orthogonal design

YANG Xiao?le,TAO Gui?lan,WANG Chun?long,QIAO Zhao?yang
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Combined with the engineering geological data of Nanning Liujing transportation station in Guangxi, the influence factors of the lateral resistance of the pile embedded in the karst area were studied in this paper.Con?sidering rock?socketed depth,sediment thickness and mudcake thickness as influencing factors,the representative combinations were selected according to the orthogonal design method,and the numerical analysis of pile side resis?tance was carried out by the finite element software ANSYS.Range method was employed to study the influence of different factors on the pile side resistance accounted for the extent of the impact of the proportion of load.By the numerical simulation results,it can be seen that the influence of rock?socketed depth is the greatest,the next is the thickness of the sediment,and the influence of the mudcake thickness is the least.Based on the various influencing factors of rock?socketed pile side resistance,it has a certain reference value for the design of pile foundation in karst area.

rock?socketed pile;side resistance;finite element;orthogonal design

TU 473.1

A

1005-8443（2016）06-0622-04

2016-05-23；

2016-06-22

楊小樂（1992-），男，江蘇省連云港人，碩士研究生，主要從事港航工程結構研究。

Biography：YANG Xiao?le（1992-），male，master student.