嵌巖樁單樁豎向承載性狀數(shù)值分析

盛紅星，劉杰

(蕪湖市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000)

1 前 言

嵌巖樁具有單樁承載力高、沉降小、抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)、高層建筑等大型工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1，2]。嵌巖樁豎向承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，場地的巖土層分布及其特性對樁側(cè)摩阻力和樁端阻力具有重要影響，對于具有覆蓋層的嵌巖樁而言，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力就體現(xiàn)出不同，邢皓楓[3]等提出設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略覆蓋層的影響，而深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)嵌巖樁的承載特性同樣不能忽視，對其展開研究就顯得很有必要。

因嵌巖樁試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，破壞試驗(yàn)難以進(jìn)行，許多學(xué)者已對嵌巖樁承載特性及其影響因素進(jìn)行了有限元研究[3，5]，邢皓楓[3]等建立了三維有限元模型對嵌巖樁單樁和群樁豎向受力特性進(jìn)行分析，邱鈺[4]等采用線彈性與彈塑性模型，對深長大直徑嵌巖樁單樁豎向承載性狀進(jìn)行分析，黃生根[5]等對樁-巖接觸面采用正弦曲線模擬，對大直徑嵌巖樁豎向承載性狀進(jìn)行系統(tǒng)分析，均獲得有益結(jié)論。因此有限元法是一種行之有效的分析方法。

本文針對位于深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)的蕪湖市營盤山路延伸段道路橋梁的嵌巖樁基礎(chǔ)，依據(jù)該橋梁3#嵌巖樁(以下簡稱3#樁)靜載荷試驗(yàn)實(shí)測資料，通過有限元分析建模分析其豎向承載性狀，結(jié)果表明3#樁端阻力對荷載發(fā)揮主要作用，具有摩擦端承樁的承載特性，對深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)嵌巖樁設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

蕪湖市營盤山路延伸段道路橋梁工程場地位于長江南岸，蕪湖市區(qū)的東部，東至二環(huán)路，西與已建營盤山路相連，其中K0+170～K0+230為3跨 20 m預(yù)應(yīng)力梁橋，橋?qū)?54 m。本文研究的3#嵌巖樁樁長L=31.2 m，直徑D=1.2 m，嵌入弱風(fēng)化粉砂巖深度hr=2.3 m。

模型所采用主要物理力學(xué)參數(shù)表 表1

3 有限元建模及分析

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對該工程的3#樁豎向荷載特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；谇稁r樁豎向受力特性，采用軸對稱有限元法對單根嵌巖樁建模分析[5，6]，分析模型如圖1所示，黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體的模型徑向尺寸為樁兩側(cè)各10D[5]，垂向尺寸為1.7L[7]。

圖1 模型幾何形狀及網(wǎng)格劃分

嵌巖樁樁身材料混凝土強(qiáng)度等級為C25，采用線彈性模型，黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體的本構(gòu)模型均采用M-C(Mohr-Coulomb)模型，樁身和巖土體均用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共約 19 200個(gè)單元，樁身與黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體之間的接觸通過接觸對實(shí)現(xiàn)，采用庫侖摩擦(Coulomb friction)模型[6]，樁底端面與巖體的接觸面采用Tie約束，樁身及巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

豎向荷載的施加是通過將豎向荷載按受力面積轉(zhuǎn)換為均布荷載而施加于樁頂面，避免了豎向集中力加載時(shí)可能造成的應(yīng)力集中，并通過采用不同分析步長逐級加載的方式實(shí)現(xiàn)，下文將對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 沉降分析

豎向荷載分為1409 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、707 kN等9級逐步施加在樁頂端面，圖2、圖3所示的分別是3#樁的荷載和位移計(jì)算云圖，圖4所示的是將數(shù)值計(jì)算同現(xiàn)場靜載試驗(yàn)實(shí)測的荷載-沉降(Q-s)曲線對比圖，實(shí)測和數(shù)值均反映出3#樁在累積最大荷載 7 044 kN作用下，仍處于彈性變形階段，模擬結(jié)果同實(shí)測結(jié)果的趨勢基本趨向一致，吻合非常好，可表明本次有限元模擬的參數(shù)選取、網(wǎng)格劃分等一些可能對結(jié)果造成影響的客觀建模因素的選取方法是可取的，模擬結(jié)果有一定的可信度。

圖2 荷載云圖

圖3 位移云圖

圖4 3#樁模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

僅依據(jù)沉降分析還不足以詳細(xì)了解覆蓋層樁側(cè)摩阻力，嵌巖段樁側(cè)摩阻力以及樁端阻力的分布情況，下文將對此進(jìn)一步分析。

4.2 軸力和側(cè)摩阻力分析

如圖5、圖6所示的分別是樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的分布圖。在荷載的作用下，樁身軸力隨深度增加呈現(xiàn)出不斷遞減的趨勢，且在樁身淺部、中部和端部附近均有明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)，拐點(diǎn)的出現(xiàn)表明荷載傳遞特性發(fā)生變化，圖6清晰地反映出樁身淺部和端部附近產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，而樁身中部由于土層特性增強(qiáng)導(dǎo)致側(cè)摩阻力增加迅速。與軸力變化對應(yīng)，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢，但總體上對豎向荷載的分擔(dān)比例在不斷減小，由于弱風(fēng)化砂巖的側(cè)摩阻力逐漸被調(diào)動(dòng)起來，嵌巖段樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，表現(xiàn)為對側(cè)摩阻力的分擔(dān)比例逐漸增加(如表2所示)。嵌巖段出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，可能是由于hr較小或是其他原因，留待將來進(jìn)一步探討。

4.3 端阻力分析

圖7反映了3#樁樁端阻力隨豎向荷載增加而變化的情況，端阻力分擔(dān)荷載情況如表2所示，當(dāng)豎向荷載施加時(shí)端阻力所分擔(dān)的荷載占59.3%，隨著荷載的增加，端阻力所分擔(dān)的荷載呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而在最大荷載作用時(shí)，端阻力所占比例高達(dá)75.9%。

可以認(rèn)為3#樁在承載力極限狀態(tài)下，其樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。因此，一方面在工程建設(shè)中應(yīng)依據(jù)場地巖土層分布及其特性對所采用的嵌巖樁承載特性展開針對性分析，同時(shí)作者未來將對本場地嵌巖樁特性造成影響的可能影響因素進(jìn)行深入分析研究，以便更加有效地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

圖5 樁身軸力分布圖

圖6 樁身側(cè)摩阻力分布圖

圖7 端阻力隨荷載變化圖

樁側(cè)摩阻力和端阻力分布情況 表2

5 結(jié) 論

(1)利用ABAQUS軟件以3#樁建模進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將實(shí)測和數(shù)值荷載-沉降關(guān)系曲線進(jìn)行對比，對比結(jié)果顯示實(shí)測和數(shù)值趨勢基本趨向一致，吻合非常好，說明本次數(shù)值模擬現(xiàn)場靜載試驗(yàn)的結(jié)果是可信的。

(2)隨著豎向荷載的施加，在淺部黏土覆蓋層和嵌巖段出現(xiàn)負(fù)摩阻力，嵌巖段樁側(cè)摩阻力對樁側(cè)總摩阻力承擔(dān)比例不斷增加，而樁側(cè)摩阻力對豎向荷載承擔(dān)比例不斷減小。

(3)3#樁在承載力極限狀態(tài)下，樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。

致謝

本文作者對蕪湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站的蔣正在收集工程勘察設(shè)計(jì)及檢測報(bào)告等資料方面的工作表示感謝。