巖溶區(qū)大直徑嵌巖樁荷載傳遞特征的數(shù)值分析

魯賢成，陳 記，李云安,秦 溯，劉佳申

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心，廣東 韶關(guān) 512599)

我國(guó)巖溶分布廣泛、類型眾多,是世界上巖溶面積最大的國(guó)家之一。我國(guó)碳酸鹽類巖石面積達(dá)130余萬(wàn)km2,約占全國(guó)面積的1/7,若包括埋藏型巖溶,則約有200萬(wàn)km2,約占全國(guó)面積的1/5[1]。大量在建的高速公路、鐵路等公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地會(huì)穿越巖溶發(fā)育區(qū)，為滿足承載力的要求，往往會(huì)使用大直徑嵌巖樁，其具有單樁承載力高、沉降小、抗震性能好等特點(diǎn)，在大型橋梁基礎(chǔ)、高聳構(gòu)筑物基礎(chǔ)以及高層建筑中廣泛使用，并成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-5]。由于大直徑樁的荷載傳遞機(jī)理和變形特征與中、小直徑樁存在較大差異，采用中、小直徑樁的計(jì)算理論去分析大直徑樁的受力及變形特征顯然是不合適、不準(zhǔn)確的；又因?yàn)榇笾睆綐兜膯螛冻休d力往往很大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成本較高，且試驗(yàn)影響因素較多，僅靠試驗(yàn)去解決大直徑樁的荷載傳遞問(wèn)題，既不經(jīng)濟(jì)也不能完全達(dá)到目的，因此目前使用較多的是數(shù)值分析方法來(lái)研究樁基荷載的傳遞特征與規(guī)律。

目前，應(yīng)用于樁基礎(chǔ)方面的理論分析方法主要有荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法、數(shù)值分析法等[6-9]。近幾十年來(lái)，相較其他純理論分析方法，數(shù)值分析方法在理論研究及實(shí)際運(yùn)用中取得了重要的進(jìn)展，如有限元法、有限差分法等。有限元法可以很好的對(duì)樁基荷載傳遞特性進(jìn)行模擬。如在有限元分析時(shí)，對(duì)于樁土接觸單元的取法問(wèn)題，Goodman[10]最早提出將接觸單元用于模擬平面問(wèn)題中不計(jì)厚度影響的不連續(xù)面；Ellison[11]使用二維軸對(duì)稱有限單元法分析了硬黏土中鉆孔灌注樁的荷載傳遞機(jī)理；倪新華[12]較詳細(xì)地研究了樁基的三維有限元分析，將有限元和無(wú)限元相結(jié)合，并考慮了土的非線性、固結(jié)等許多因素；Leong等[13]利用有限元的方法分析了在有無(wú)基底接觸的情況下的軸力響應(yīng)問(wèn)題；池躍君等[14]針對(duì)超長(zhǎng)樁荷載傳遞機(jī)理的研究非常缺乏這一問(wèn)題，編制了單樁非線性有限元程序，對(duì)超長(zhǎng)樁的荷載-沉降特性、側(cè)摩阻力分布特性進(jìn)行了深入分析；鄭剛等[15]利用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同垂直度、不同土質(zhì)條件下樁的荷載傳遞及承載力受垂直度變化的規(guī)律；Kirkit等[16]使用有限元方法估算了選自土耳其的兩個(gè)嵌巖樁的樁承載力，并將樁載試驗(yàn)的荷載位移特性與有限元分析得到的樁載荷載位移特性進(jìn)行了比較;成詞峰等[17]利用有限元軟件Plaxis3D,分析了不同的樁端土與樁周土剛度比Eb/Es、樁體與樁周土剛度比Ep/Es、樁的長(zhǎng)徑比L/d對(duì)樁荷載傳遞的影響;王向軍[18]基于武漢綠地中心嵌巖樁試樁試驗(yàn)的成果，采用ABAQUS有限元軟件建立了樁-土-巖共同作用模型，分析了基巖巖性、嵌巖深徑比和上覆土層厚度等對(duì)嵌巖樁承載變形特性的影響；黃明等[19]對(duì)串珠狀溶洞地層中樁基荷載傳遞特征進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。

作為數(shù)值分析方法中的一種——有限差分法,以其高效、準(zhǔn)確、開(kāi)放的特點(diǎn)在巖土工程領(lǐng)域中也得到了廣泛的運(yùn)用。如蒲訶夫等[20]以FLAC3D軟件為平臺(tái),利用其內(nèi)嵌的 FISH匯編語(yǔ)言編程,將改進(jìn)的雙曲線模型應(yīng)用到 FLAC3D的樁土相互作用模型中;張明遠(yuǎn)等[9]采用三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法的分析軟件(FLAC3D),對(duì)實(shí)際工程中一超長(zhǎng)大直徑開(kāi)口鋼管樁的豎向承載特性及沉降特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；王孝兵等[21]基于數(shù)值分析與荷載傳遞相結(jié)合的方法,利用FLAC3D軟件對(duì)傾斜荷載下大直徑長(zhǎng)樁的承載特性進(jìn)行了研究;馮明偉[22]采用FLAC3D軟件對(duì)巖溶區(qū)橋梁樁基承載機(jī)理進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并將樁頂位移和實(shí)際頂板破壞形式的試驗(yàn)結(jié)果與有限差分模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；原興霞等[23]采用FLAC3D數(shù)值分析工具對(duì)分級(jí)荷載作用下跨越黃土挖填結(jié)合區(qū)的樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了深入分析，研究了黃土地區(qū)挖填結(jié)合場(chǎng)地樁筏基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)和變形特征。

基于上述研究，本文采用三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法的分析軟件FLAC3D，研究了巖溶區(qū)大直徑嵌巖樁樁基荷載的傳遞特征與規(guī)律，并對(duì)影響樁基荷載傳遞特征的因素進(jìn)行了對(duì)比分析，討論了不同樁徑、嵌巖深徑比、厚跨比、樁土剛度比、樁巖剛度比對(duì)樁基荷載傳遞特性的影響，總結(jié)了不同條件下樁基荷載傳遞的規(guī)律。

1 工程概況與數(shù)值模型建立

1. 1 工程概況

擬建丹霞樞紐互通區(qū)位于韶關(guān)市仁化縣周田鎮(zhèn)，該互通區(qū)巖溶發(fā)育，溶洞數(shù)量眾多、規(guī)模大小不一、形態(tài)復(fù)雜。根據(jù)鉆孔資料及后期所做的統(tǒng)計(jì)分析，互通區(qū)共揭露基巖溶洞432個(gè)，其中全充填溶洞246個(gè)(56.9%)，半充填溶洞82個(gè)(19%)，空溶洞104個(gè)(24.1%)；溶洞在垂直方向上多呈串珠狀發(fā)育，主要發(fā)育在灰?guī)r頂界面以下2 m以內(nèi)；已揭露的溶洞中，頂板厚度最小為0.2 m、最大為32.8 m，在基巖面以下2 m內(nèi)溶洞最為發(fā)育，占溶洞的一半以上；溶洞最大高度達(dá)40 m，跨度達(dá)45 m，溶洞多為中小型溶洞，上覆第四系厚度范圍為 0～25 m。

1. 2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 網(wǎng)格劃分及接觸面設(shè)置

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Diagram of the model grid partition

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，利用模型對(duì)稱性，建立了如圖1所示的二分之一模型，模型長(zhǎng)60 m、寬30 m、高60 m，溶洞上覆土層為10 m。根據(jù)物探資料，溶洞高跨比近似為1∶1，取溶洞高度和跨度均為8 m。上覆土層采用Mohr-Coulomb模型，樁和巖層采用線彈性模型。樁采用實(shí)體單元，樁周巖土體采用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格環(huán)繞樁柱體，整個(gè)模型共劃分為22 776個(gè)節(jié)點(diǎn)、20 480個(gè)網(wǎng)格。為了提高計(jì)算精度且又不使模型網(wǎng)格劃分太密，在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，將靠近樁體周圍處進(jìn)行網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離樁體處網(wǎng)格劃分稀疏。

由于研究的是樁基荷載傳遞特征，則涉及到樁-土-巖的相互作用，需要考慮樁土體之間的相對(duì)滑移，因此在樁-土、樁-巖之間需設(shè)置接觸面，當(dāng)樁土發(fā)生接觸時(shí)，節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)由法向剛度、切向剛度及滑動(dòng)的相關(guān)性質(zhì)決定。這種基本的接觸關(guān)系主要通過(guò)接觸面節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元外表面(目標(biāo)面)建立起來(lái)，接觸力的法向方向也由目標(biāo)面的法向方向決定。接觸面的破壞模型符合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，當(dāng)剪應(yīng)力或者拉應(yīng)力達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)在接觸的目標(biāo)面上形成一個(gè)有效法向應(yīng)力增量。具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

在FLAC3D軟件中，常用的接觸面設(shè)置方法有3種，為了較真實(shí)地反映樁-土之間的滑移，一般采用“移來(lái)移去”的方法[24]，這樣建立的幾何模型在樁側(cè)接觸面和樁底接觸面交接處的節(jié)點(diǎn)會(huì)有兩個(gè)不同的ID號(hào)，這兩個(gè)不同的 ID號(hào)會(huì)隨著載荷的增加而產(chǎn)生分離，產(chǎn)生不同的沉降，較符合實(shí)際情況。

1.2.2 邊界條件

根據(jù)受力情況，將計(jì)算模型區(qū)域表面的側(cè)面和底面的法向位移固定，樁頂面和地表面的法向位移自由。模型的底面(z=-60 m)固定，側(cè)面(x=±30 m、y=0和y=30 m)施加滾支邊界條件，地表面(z=0)和樁頂面為自由面，為了便于對(duì)比分析不同條件下的樁基荷載傳遞特征，同時(shí)使樁體產(chǎn)生一定的變形且不至于破壞，樁頂均施加2 400 kN的荷載(設(shè)計(jì)荷載為7 200 kN)。

1.2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

在數(shù)值模擬中，巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取是極其重要的，參數(shù)選取的準(zhǔn)確性決定了最終模擬結(jié)果的精度。本文中巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)來(lái)源于丹霞樞杻互通區(qū)勘察報(bào)告所提供的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了建模方便，對(duì)于巖土層進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，上覆土層簡(jiǎn)化為單一土層，下伏基巖簡(jiǎn)化為單一巖層，樁和巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。由于未提供接觸面參數(shù)，接觸面的法向剛度kn和剪切剛度ks根據(jù)FLAC3D手冊(cè)所提供的方法，取周圍“最硬”相鄰區(qū)域巖土體等效剛度的10倍，即：

式中:K為巖土體的體積模量；G為巖土體的剪切模量；Δzmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域的最小尺寸。

接觸面上巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值取為樁相鄰?fù)翆觕、φ值的 0.8 倍左右，接觸面的物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表1 樁和巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值

表2 接觸面的物理力學(xué)參數(shù)取值

2 巖溶區(qū)樁基荷載傳遞特征分析

2. 1 樁徑對(duì)樁基荷載傳遞的影響分析

樁徑是影響樁基荷載傳遞的一個(gè)重要因素，樁徑不同，樁基荷載分布特征也會(huì)有一定的差異，本文研究的是大直徑嵌巖樁樁基荷載的傳遞特征，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，直徑大于或等于800 mm的樁基為大直徑樁[25]，本文選取代表性的樁徑D分別為0.8 m、1.2 m、1.6 m、2.0 m，不同樁徑的分析計(jì)算模型見(jiàn)表3，不同樁徑條件下樁側(cè)摩阻力的分布曲線和樁體軸力的分布曲線，見(jiàn)圖2和圖3。

表3 不同樁徑的分析計(jì)算模型

注：空白項(xiàng)表示控制該變量保持不變，只改變其他變量，如此例中只改變樁徑。以下表同。

圖2 不同樁徑的樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.2 Distribution curves of pile side friction resistance with different pile diameters

圖3 不同樁徑的樁體軸力分布曲線Fig.3 Distribution curves of pile axial force with different pile diameters

由圖2可見(jiàn)，樁側(cè)摩阻力在溶洞頂板處出現(xiàn)了峰值，樁徑越小，樁側(cè)摩阻力的峰值越大，且其峰值越向溶洞頂板上部靠近；樁側(cè)摩阻力在溶洞底部以下同樣也出現(xiàn)一突跳段，同樣，樁徑越小，樁側(cè)摩阻力峰值越向溶洞底部靠近；在樁徑較小時(shí)，側(cè)摩阻力得到較大的發(fā)揮，0.8 m樁徑的嵌巖樁無(wú)論是樁土部分還是樁巖部分，其樁側(cè)摩阻力均較其他樁徑的樁側(cè)摩阻力大，在溶洞頂板處最大樁側(cè)摩阻力為2 m樁徑最大樁側(cè)摩阻力的5倍多，樁體表現(xiàn)出摩擦樁的性質(zhì)。這是由于在樁頂荷載(F=2 400 kN)不變的情況下，樁徑越小，樁體所受到的應(yīng)力會(huì)越大，樁體的壓縮量就會(huì)增大，同時(shí)樁體的沉降也會(huì)相應(yīng)增大，樁土、樁巖的相對(duì)位移也就會(huì)增大，這樣將有利于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，所以樁徑越小，其樁側(cè)摩阻力反而越大。

由于溶洞的存在，樁體的受力與普通樁還是有所不同的，如圖3所示，溶洞段樁體的軸力幾乎保持不變，溶洞內(nèi)的填充物對(duì)樁體受力的影響不大，而由圖2樁側(cè)摩阻力的分布曲線也可以看出，溶洞段樁側(cè)摩阻力很小，幾乎可以忽略不計(jì)；在同一深度處，樁體的軸力隨樁徑的增大而增大，樁端軸力也隨樁徑的增大而增大，且樁徑越大，樁體表現(xiàn)出端承樁的性質(zhì)。

2. 2 嵌巖深徑比對(duì)樁基荷載傳遞的影響分析

在巖溶區(qū)，對(duì)于樁基底下存在大型溶洞且溶洞頂板不能滿足承載力要求的情況，樁基一般會(huì)穿越溶洞，以滿足樁基承載力的要求。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，樁底以下3～5倍樁徑或不小于5 m深度范圍內(nèi)無(wú)影響地基穩(wěn)定性的洞隙存在，巖體穩(wěn)定性良好，樁端嵌入中等—微風(fēng)化巖體不宜小于0.5 m[25]。不同嵌巖深徑比(嵌巖深徑比為嵌巖深度hr與樁徑D之比，即hr/D)條件下，樁基的荷載傳遞特征也會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及本文所依托的工程案例，選擇嵌巖深徑比(hr/D)分別為0.5、1、2、3、4共5種情況，嵌巖深徑比的分析計(jì)算模型見(jiàn)表4。由于組合太多，故本文選取兩種代表性的樁徑(即樁徑為0.8 m、1.6 m)進(jìn)行對(duì)比分析，不同嵌巖深徑比條件下樁側(cè)摩阻力的分布曲線和樁體軸力的分布曲線，見(jiàn)圖4和圖5。

表4 嵌巖深徑比的分析計(jì)算模型

圖4 不同嵌巖深徑比的樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.4 Distribution curves of lateral friction resistance with different depth-diameter ratio of rock-socketed pile

由圖4可見(jiàn)，不同嵌巖深徑比條件下樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律與不同樁徑條件下樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律基本相似，樁側(cè)摩阻力分布均會(huì)在溶洞頂板和溶洞底部附近出現(xiàn)峰值，溶洞及以上部分樁側(cè)摩阻力受嵌巖深徑比的影響較小，而溶洞底部附近樁側(cè)摩阻力受嵌巖深徑比的影響較大，隨著嵌巖深徑比的增大，樁底附近樁側(cè)摩阻力逐漸減?。划?dāng)樁徑較小(D=0.8 m)時(shí)，樁巖段樁側(cè)摩阻力得到較大的發(fā)揮，嵌巖深徑比較小(hr/D=0.5、1)時(shí)，溶洞頂板樁巖段與樁底樁巖段樁側(cè)摩阻力均充分發(fā)揮，而嵌巖深徑比較大(hr/D=3、4)時(shí)，樁底樁巖段樁側(cè)摩阻力未充分發(fā)揮，當(dāng)嵌巖深徑比為2時(shí)，溶洞頂板樁巖段與樁底樁巖段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮均衡，可認(rèn)為嵌巖深徑比為2時(shí)為最佳嵌巖深徑比[見(jiàn)圖4(a)]；當(dāng)樁徑較大(D=1.6 m)時(shí)，溶洞及以上部分樁側(cè)摩阻力受嵌巖深徑比的影響較小，只是樁底嵌巖段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度不同，隨著嵌巖深徑比的增大，樁側(cè)摩阻力減小[見(jiàn)圖4(b)]。

圖5 不同嵌巖深徑比的樁體軸力分布曲線Fig.5 Distribution curves of pile axial force with different depth-diameter ratio of rock-socketed pile

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)樁徑較小(D=0.8 m)時(shí)，樁體軸力減小得較快，說(shuō)明樁側(cè)摩阻力發(fā)揮得越充分，而當(dāng)樁徑較大(D=1.6 m)時(shí)，樁土段樁體軸力幾乎不變，樁巖段樁體軸力減小值也較小，樁端軸力占比較大，達(dá)到施加荷載的49%，而樁徑為0.8 m時(shí)，樁端軸力只占16%；此外，當(dāng)樁徑較小(D=0.8 m)時(shí)，樁端軸力隨嵌巖深徑比的增大而減小，當(dāng)嵌巖深徑比大于2時(shí)，樁端軸力的減小幅度較小，而當(dāng)樁徑較大(D=1.6 m)時(shí)，樁端軸力受嵌巖深徑比的影響不明顯。

2. 3 厚跨比對(duì)樁基荷載傳遞的影響分析

巖溶區(qū)樁基極限承載力的大小往往取決于溶洞頂板的厚薄，趙明華等[26]設(shè)計(jì)并完成了4組厚跨比條件下基樁下伏溶洞頂板沖切特性大比例室內(nèi)模型試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著厚跨比的增大，樁-溶洞體系的極限承載力有所增大，位移量有所減小，剪切效應(yīng)趨于明顯，彎曲效應(yīng)逐漸消失。本文根據(jù)丹霞樞紐互通區(qū)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)資料，大多數(shù)溶洞頂板厚度在2 m左右，且樁基基本上均都貫穿過(guò)溶洞，這樣雖然減小了對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響，但對(duì)樁基承載力仍有較大的影響。為了研究不同厚跨比對(duì)樁基荷載傳遞的影響及其樁基荷載的傳遞規(guī)律和分布特征，根據(jù)該工程項(xiàng)目實(shí)際資料以及對(duì)比分析的需要，本文選取厚跨比(h/l)分別為0.25、0.50、0.75即溶洞頂板厚度為2 m、4 m、6 m進(jìn)行對(duì)比分析，厚跨比的分析計(jì)算模型見(jiàn)表5，不同厚跨比條件下樁側(cè)摩阻力的分布曲線和樁體軸力的分布曲線，見(jiàn)圖6和圖7。

表5 厚跨比的分析計(jì)算模型

圖6 不同厚跨比的樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.6 Distribution curves of lateral friction resistance with different thick span ratios

圖7 不同厚跨比的樁體軸力分布曲線Fig.7 Axial force distribution curves of different thick span ratio

由于溶洞的存在，為了滿足樁基承載力及規(guī)范的要求，一般情況下樁基礎(chǔ)會(huì)穿過(guò)溶洞一定長(zhǎng)度，溶洞頂板厚度對(duì)樁基荷載傳遞會(huì)產(chǎn)生一定的影響。由圖6可見(jiàn)，隨著厚跨比的增大，溶洞頂板分擔(dān)的樁側(cè)摩阻力隨之增大，而樁巖段(溶洞以下)樁側(cè)摩阻力隨之減小，但厚跨比大于0.50時(shí)，溶洞頂板處樁側(cè)摩阻力增加得并不明顯；樁徑較大(D=1.6 m)時(shí)，溶洞頂板處樁側(cè)摩阻力受厚跨比的影響較小，而樁巖段樁側(cè)摩阻力受厚跨比的影響相對(duì)較大，其樁側(cè)摩阻力的分布相對(duì)較為均勻，且溶洞以下樁側(cè)摩阻力也得到一定程度的發(fā)揮。

由圖7可見(jiàn)，隨著厚跨比的增加，樁巖段樁端軸力隨之降低，但降低幅度不大，且樁土段樁端軸力受厚跨比的影響很小；溶洞段樁體軸力受樁徑的影響相對(duì)較大，當(dāng)樁徑較大(D=1.6 m)時(shí),溶洞段樁體軸力較大，且受厚跨比的影響較為明顯，在樁體同一深度處，1.6 m樁徑溶洞段的樁體軸力約為0.8 m樁徑溶洞的段樁體軸力的2倍。

2. 4 樁土剛度比對(duì)樁基荷載傳遞的影響分析

上覆土層的性質(zhì)對(duì)樁基荷載傳遞的影響也較大，土層性質(zhì)的好壞會(huì)決定樁土側(cè)摩阻力分擔(dān)比的高低。為了簡(jiǎn)化分析，本文采用樁、土的彈性模量之比(Ep/Es)來(lái)反映樁土剛度的關(guān)系，樁土剛度比的分析計(jì)算模型見(jiàn)表6，不同樁土剛度比條件下樁側(cè)摩阻力的分布曲線和樁體軸力的分布曲線，見(jiàn)圖8和圖9。

表6 樁土剛度比的分析計(jì)算模型

圖8 不同樁土剛度比的樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.8 Distribution curves of lateral friction resistance with different pile-soil stiffness ratios

由圖8可見(jiàn)，樁土剛度比越小，即土體彈性模量越大，土體性質(zhì)越好，樁土側(cè)摩阻力也越大，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度越充分，而樁巖段樁側(cè)摩阻力越小，這是由于土體性質(zhì)的改變主要影響樁土段的樁側(cè)摩阻力，土體性質(zhì)越好，樁土段樁側(cè)摩阻力越大，所占的分擔(dān)比越大，因而樁巖段樁側(cè)摩阻力就稍有減??；不同樁徑條件下樁側(cè)摩阻力受樁土剛度比的影響不同，樁徑越大(D=1.6 m)時(shí)，樁側(cè)摩阻力受樁土剛度比的影響越大，且樁土側(cè)摩阻力所占的分擔(dān)比也越大，樁徑越小(D=0.8 m)時(shí)，樁側(cè)摩阻力受樁土剛度比的影響相對(duì)較小。

圖9 不同樁土剛度比的樁體軸力分布曲線Fig.9 Distribution curves of axial force with different pile-soil stiffness ratios

同樣，樁體軸力受樁徑的影響較為明顯，由圖9可見(jiàn)，當(dāng)樁徑較大(D=1.6 m)時(shí)，樁體軸力受樁土剛度比的影響也越大，樁體軸力隨樁土剛度比的增大而增大；當(dāng)樁徑較小(0.8 m)時(shí)，樁體軸力受樁土剛度比的影響也相對(duì)較??；不同樁土剛度比條件下樁端軸力的差異不大，即說(shuō)明樁土剛度比對(duì)樁端軸力的影響不大。總體來(lái)說(shuō)，樁體軸力的分布規(guī)律較為相似，樁徑越大，樁體軸力的分布曲線更為舒緩。

2. 5 樁巖剛度比對(duì)樁基荷載傳遞的影響分析

上覆土層的性質(zhì)會(huì)影響樁土側(cè)摩阻力的發(fā)揮，同理，下伏巖體的性質(zhì)也會(huì)影響樁巖側(cè)摩阻力及樁端軸力的發(fā)揮。與樁土剛度比類似，本文采用樁巖彈性模量之比(Ep/Er)來(lái)反映樁巖剛度的關(guān)系，樁巖剛度比的分析計(jì)算模型見(jiàn)表7，不同樁巖剛度比條件下樁側(cè)摩阻力的分布曲線和樁體軸力的分布曲線，見(jiàn)圖10和圖11。

表7 樁巖剛度比計(jì)算模型

圖10 不同樁巖剛度比的樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.10 Distribution curves of lateral friction resistance with different pile-rock stiffness ratios

圖11 不同樁巖剛度比的樁體軸力分布曲線Fig.11 Distribution curves of axial force with different pile-rock stiffness ratios

由圖10可見(jiàn)，不同樁巖剛度比條件下，樁巖段樁側(cè)摩阻力的大小差異較大，而樁土段樁側(cè)摩阻力幾乎不受影響，隨著樁巖剛度比的減小，即巖體彈性模量越大，溶洞頂板處樁側(cè)摩阻力越大，而樁底樁側(cè)摩阻力越小，這說(shuō)明樁側(cè)摩阻力是自上而下逐漸發(fā)揮的，這與實(shí)際情況相符。

通過(guò)分析圖10和圖11可知，不同樁徑條件下樁側(cè)摩阻力的差異較大，樁徑越小，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮受樁巖剛度比的影響越大，受樁體軸力的影響越小。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)巖溶區(qū)大直徑樁荷載傳遞的特征和規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了在不同樁徑、嵌巖深徑比、厚跨比、樁土剛度比、樁巖剛度比條件下，樁側(cè)摩阻力和樁體軸力的傳遞規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

(1) 溶洞的存在會(huì)改變樁基荷載的分布特征，樁側(cè)摩阻力自上而下發(fā)揮，溶洞頂板處樁側(cè)摩阻力會(huì)出現(xiàn)峰值，其峰值大小受樁徑的影響較為明顯，樁徑越大，樁側(cè)摩阻力峰值越小。

(2) 隨著深度的增加，樁體軸力逐漸減小，溶洞處樁體軸力幾乎不變，填充物對(duì)提高樁側(cè)摩阻力的作用不大，可以忽略不計(jì)。樁徑越大，在相同條件下樁端軸力越大，表現(xiàn)出端承樁的性質(zhì)。

(3) 隨著嵌巖深徑比的增加，樁底側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度越低，當(dāng)嵌巖深徑比為2時(shí)，溶洞頂板處和樁底嵌巖段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮均衡，均得到充分發(fā)揮，可認(rèn)為最佳嵌巖深徑比為2。

(4) 樁徑、嵌巖深徑比、厚跨比對(duì)樁基荷載傳遞的影響相對(duì)較大，樁徑越小，樁側(cè)摩阻力對(duì)嵌巖深徑比、厚跨比的變化越敏感，樁徑越大，樁側(cè)摩阻力對(duì)樁土剛度比、樁巖剛度比的變化越敏感。因此，相對(duì)增加嵌巖深徑比，適當(dāng)提高樁徑，對(duì)提高樁基承載力的效果更為明顯。