嵌巖樁承載特性三維有限元分析

邵先鋒，石雪梅，錢朝軍，閆超

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230022；2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著國家對(duì)能源的大力投入，變電站得到了大力的建設(shè)，但因其所處的環(huán)境復(fù)雜多樣，相應(yīng)的地質(zhì)情況也各不相同，甚至在個(gè)別的地方會(huì)遇到地質(zhì)情況比較差的情況，此情形下樁基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工則至關(guān)重要。在樁基進(jìn)行施工時(shí)，若地質(zhì)情況判斷不夠準(zhǔn)確或者其他原因，可能會(huì)出現(xiàn)一定的安全問題，此時(shí)就需要對(duì)樁基進(jìn)行合理處理，確保工程的質(zhì)量[1]。因此，研究樁基的承載特性對(duì)整個(gè)變電站的使用安全、工期和工程造價(jià)都將產(chǎn)生很大的影響。在變電站嵌巖樁設(shè)計(jì)中，由于嵌巖樁樁身剛度較大，受到荷載豎向變形較小，導(dǎo)致樁-土相對(duì)位移不夠充分，土層產(chǎn)生的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)未到極限值。因此在設(shè)計(jì)嵌巖樁承載力時(shí)，忽略了土層側(cè)摩阻力，進(jìn)而引起不合理的樁承載力設(shè)計(jì)，提高了造價(jià)成本。

因巖層土層的復(fù)雜性因素，至今難以完全理解嵌巖樁的受力和變形機(jī)理[2-7]。為深入認(rèn)識(shí)山區(qū)變電站嵌巖樁的豎向承載特性，本文利用有限元軟件建立三維嵌巖樁數(shù)值模型，分別研究樁長(zhǎng)、樁徑和嵌巖段深度變化對(duì)嵌巖樁土層側(cè)摩阻力的影響，嵌巖樁軸力變化規(guī)律與沉降隨外荷載的變化規(guī)律。研究結(jié)果將為變電站工程嵌巖樁的設(shè)計(jì)與施工提供定量指導(dǎo)，有效合理降低工程造價(jià)。

1 中小直徑嵌巖樁的靜載試驗(yàn)

圖1為一樁徑600 mm、嵌入粉質(zhì)黏土的灌注樁(樁長(zhǎng)7.2 m)的實(shí)測(cè)荷載傳遞曲線，樁底巖層為2 m，靜載加載3000 kN。靜載試驗(yàn)采用慢速堆載法，即先逐級(jí)加載，待相對(duì)穩(wěn)定后，再進(jìn)行下級(jí)荷載，每級(jí)加載量按照試樁預(yù)估極限承載力的10%來執(zhí)行。從圖中可以看出：樁軸力隨深度遞減，說明樁周側(cè)摩阻力的作用在樁承受荷載的過程中可以充分發(fā)揮出來。圖1中也給出了數(shù)值仿真結(jié)果，通過與試驗(yàn)的對(duì)比，兩者的趨勢(shì)基本一致，說明用有限元模擬是可行的。不同尺寸比、不同邊界條件下的有限元模型將在第2節(jié)詳細(xì)展開。圖2為試樁沉降和試驗(yàn)對(duì)比圖，兩者的趨勢(shì)也是一致的，誤差在接受范圍內(nèi)。

圖1 樁軸力仿真和試驗(yàn)對(duì)比圖

圖2 樁沉降仿真和試驗(yàn)對(duì)比圖

2 嵌巖樁單樁有限元模型建立

嵌巖樁樁徑為600 mm，有限元模型取長(zhǎng)寬各12 m，以減小邊界條件的約束對(duì)單樁承載力的影響。樁長(zhǎng)18 m，樁底下部巖層厚度2 m，即巖土層模型厚度為20 m。其中土層為粉質(zhì)黏土，厚18 m，樁嵌巖深度為0.6 m。研究長(zhǎng)徑比時(shí)，樁徑為600 mm不變，改變樁長(zhǎng)，令樁長(zhǎng)分別為7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m，即長(zhǎng)徑比分別為 12、16、20、24、30。研究深徑比時(shí)，樁徑及樁長(zhǎng)不變，分別為600 mm和18 m，令嵌巖深度分別為0.6 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m、6.0 m，即嵌巖深徑比分別為 1、4、6、8、10。土層材料采用Mohr-Coulomb模型模擬，樁身混凝土采用線彈性材料模擬[8-10]。嵌巖樁樁周與土體之間、樁底與巖體之間分別建立接觸對(duì)，主面(Master Surface)取混凝土樁外周面，從面(Slave Surface)取黏性土接觸面，用來模擬嵌巖樁與土體和巖體之間的接觸，樁土摩擦系數(shù)取0.4[11]，樁巖摩擦系數(shù)取為0.6[12]。

模型周圍四個(gè)面約束X、Y向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，底部固定端約束；整個(gè)模型網(wǎng)格全部使用六面體單元。在樁頂施加載荷，研究載荷作用下樁底沉降、樁身各處的軸力及側(cè)摩阻力。樁頂載荷分布加載，由600 kN逐步加大，最大到9000 kN，樁身軸力及側(cè)摩阻力為加載至3000 kN時(shí)的計(jì)算結(jié)果。有限元模擬的土(巖)物理參數(shù)如表1所示，樁基和巖土的三維有限元模型如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁沉降、軸力及側(cè)摩阻力變化規(guī)律

采用三維有限元建模數(shù)值分析，計(jì)算得到嵌巖樁沉降隨樁頂荷載的變化曲線，如圖4所示。結(jié)果表明，隨著樁頂荷載的增大，樁體沉降逐漸增大，兩者間基本呈線性關(guān)系。隨著長(zhǎng)徑比的增大，沉降也相應(yīng)地增大。

表1 地基土層及其物理力學(xué)性質(zhì)[13]

圖3 樁基和巖土三維有限元模型

圖4 樁沉降隨荷載的變化曲線

圖5 給出了樁頂荷載為3000 kN時(shí)樁體軸力隨埋深的變化規(guī)律，結(jié)果顯示，在覆土層位置，由于樁和覆土層的側(cè)摩阻力比較小，因而樁身軸力基本等于樁頂豎向荷載，且隨著埋深增大，軸力變化不大；埋深超過16 m后，由于樁嵌入巖層，樁巖接觸側(cè)摩阻力增加，因此樁體軸力減小，樁基可以通過側(cè)摩阻力來傳遞豎向荷載；到埋深18 m處，樁端與巖石接觸，樁端阻力貢獻(xiàn)較大。

圖6給出了樁周側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線，計(jì)算結(jié)果表明，樁身不同位置處的側(cè)摩阻力不同，在樁從軟土層進(jìn)入嵌巖段時(shí)側(cè)摩阻力出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在嵌巖段的中下部出現(xiàn)更大的峰值，這反映了土層與巖層轉(zhuǎn)變處對(duì)側(cè)摩阻力的影響，這是由于摩擦系數(shù)的差異以及巖層對(duì)樁約束的增強(qiáng)導(dǎo)致的。

圖5 樁軸力隨埋深的變化曲線

圖6 樁周側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線

3.2 樁長(zhǎng)徑比及嵌巖深徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響規(guī)律

為分析樁徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響，樁徑設(shè)定為600 mm，樁長(zhǎng)取 7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m等，建立三維有限元分析模型。三維模型長(zhǎng)寬各取為12 m，以便減少由于尺寸引起的邊界條件對(duì)單樁分析結(jié)果的影響。嵌巖段深度均為最小嵌巖深度0.6 m，以弱化嵌巖深度對(duì)側(cè)摩阻力的影響。有限元分析結(jié)果見圖7，可以看出，嵌巖樁側(cè)摩阻力占總荷載比隨著樁徑比的增加而增加，是因?yàn)殡S著樁徑比的增加，樁側(cè)表面與樁周土的接觸面積增大了，導(dǎo)致側(cè)摩阻力增大，占總荷載比隨之提高。但隨著樁長(zhǎng)的增加，側(cè)摩阻力占總荷載比雖然仍在增加，但增加幅度逐漸減緩。

為分析嵌巖深徑比對(duì)樁頂沉降的影響，嵌巖深徑比分別取 1、4、6、8、10 等數(shù)值，樁徑及樁長(zhǎng)分別為600 mm和18 m，建立有限元模型，模型長(zhǎng)寬各取12 m。有限元分析結(jié)果見圖8，可以看出，大直徑嵌巖樁頂沉降隨著嵌巖深徑比的增加而減小，原因是隨著嵌巖深徑比的增大，樁端所受約束增強(qiáng)，使得沉降減小。

圖7 樁周側(cè)摩阻力占比隨樁長(zhǎng)徑比的變化曲線

圖8 樁頂沉降隨嵌巖深徑比的變化曲線

為分析嵌巖深徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響，嵌巖深徑比分別取 1、4、6、8、10 等數(shù)值，樁徑及樁長(zhǎng)分別為600 mm和18 m，建立有限元模型，模型長(zhǎng)寬各取12 m。為使模擬更具代表性，有限元模型只設(shè)置一層土層。分析結(jié)果見圖9，從中看出，土層厚度一定的條件下，嵌巖深徑比的增大會(huì)引起側(cè)摩阻力占比的減小。原因是嵌巖深度的增加，相當(dāng)于增強(qiáng)了端部約束，使得樁極限承載力加大，而樁身與土層接觸面積未變，這樣嵌巖深度的增加實(shí)際削弱了側(cè)摩阻力的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致曲線呈遞減狀。

圖9 樁周側(cè)摩阻力占比隨嵌巖深徑比的變化曲線

4 結(jié)論

本文通過對(duì)不同樁長(zhǎng)徑比、不同嵌巖深徑比下的嵌巖樁承載力進(jìn)行有限元三維建模分析計(jì)算，得出了樁沉降與樁周側(cè)摩阻力隨樁長(zhǎng)徑比及嵌巖深徑比的變化規(guī)律，可以用來指導(dǎo)樁基的設(shè)計(jì)與施工，同時(shí)可以對(duì)已有的樁基變形和承載力進(jìn)行校核驗(yàn)算，分析得出的主要結(jié)論有：

(1)埋深淺時(shí)，由于樁和覆土層的側(cè)摩阻力比較小，樁頂豎向荷載主要由樁承擔(dān)，軸力比較大，而隨著埋深增大，軸力變化不大；超過埋深16 m處，由于樁嵌入巖層，樁巖接觸側(cè)摩阻力成為主要承力因素，因此樁的軸力減小，樁主要通過側(cè)摩阻力來傳遞豎向荷載；到埋深18 m處，樁端與巖石接觸，樁端阻力成為主要因素；

(2)樁身不同位置處的側(cè)摩阻力不同，樁身處于軟土層時(shí)，樁周側(cè)摩阻力比較小，隨著進(jìn)入嵌巖段時(shí)，側(cè)摩阻力變大，會(huì)出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)闃?巖硬接觸摩擦系數(shù)增大，同時(shí)約束增強(qiáng)導(dǎo)致的，樁端附近區(qū)域時(shí)會(huì)減小，是因?yàn)闃抖俗枇﹂_始發(fā)揮作用；

(3)嵌巖樁側(cè)摩阻力占總荷載比隨著樁長(zhǎng)的增加而增加，是因?yàn)殡S著樁長(zhǎng)的增加，樁側(cè)表面與樁周土的接觸面積增大了，導(dǎo)致側(cè)摩阻力增大，占總荷載比隨之提高；

(4)在嵌巖端附近區(qū)域，樁端阻力成為主要因素，嵌巖段越深，承擔(dān)的荷載越多。