灰巖地區超大噸位荷載下嵌巖樁承載力特性分析

程秉坤,傅根根

(廣西建筑工程質量檢測中心,南寧 530004)

隨著高層和超高層建筑的增多, 建筑樁基礎的承載力要求也越來越高, 為減小建筑沉降, 提高樁基承載力, 嵌巖樁被廣泛應用于各大工程中[1]。嵌巖樁的樁身全部或部分嵌入巖層中, 可充分利用巖層的承載力和嵌巖部分的嵌固力提高樁基的水平和豎向承載力[2], 還能減小建筑沉降并提高抗震性能。目前對嵌巖樁承載力的研究較多, 劉會球[3]針對巖溶區的嵌巖樁進行數值模擬, 分析溶洞直徑、頂板厚度及嵌巖深度對嵌巖樁承載力的影響規律;錢明等[4]提出鉆孔灌注樁的承載力的樁側/樁端阻力與荷載成正比, 在一定深度范圍內與地層無關, 地層僅僅是側摩阻力大小的主控因素;劉興遠等[5]經研究嵌巖段參數得到巖石強度、嵌巖深度與嵌巖段極限承載力成線性關系;張建新等[6]、龔成中等[7]分別用有限元數值模擬的方法和自平衡試樁法對嵌巖樁尺寸效應對樁體的樁端阻力和樁側阻力進行了研究。目前對灰巖地區樁承載力特性的研究成果較少, 穆銳等[8]對強風化泥質灰巖樁的承載性能進行試驗測試, 分析了樁身軸力、樁身側摩阻力和樁端阻力隨荷載的變化規律以及其對極限抗壓承載力的影響。

本文結合南寧市恒大國際中心工程, 基于大量的現場靜載荷試驗數據分析得到大噸位豎向荷載下嵌巖樁的承載特性及受力特征, 并利用有限元數值模擬方法分析嵌巖樁的樁長、樁徑、長徑比等因素對樁體承載特性的影響, 為灰巖地區嵌巖樁的設計和施工提供參考。

1 工程概況

南寧市恒大國際中心, 位于歌海路歌韻路交叉口, 場地原為低山丘陵, 地形較低, 上部結構為框架-核心筒結構(主塔高約300 m), 根據鉆探以及場地附近工程地質資料分析, 該地區上覆地層為第四系邕江河流沖洪積層, 上部為硬塑狀含礫粘土, 下部為中風化灰巖, 樁端持力層為中風化灰巖。根據現場地質勘察報告, 具體地質及材料參數見表1。

2 基樁靜載荷試驗分析

2.1 試驗方法

采用國際上公認的最直觀、 最可靠的方法——單樁豎向抗壓靜載荷試驗法, 在樁身埋設鋼弦式應變計, 獲取樁側各土層的分層抗壓側阻力和樁端支撐力。 根據設計要求, 對6根試驗樁進行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗, 試驗樁為樁徑1 m的嵌巖灌注樁, 樁長5.1～37.8 m, 嵌巖深度3.5～11.5 m, 樁身混凝土強度等級為C55, 預估承載力極限值在20 000～40 000 kN。本次試驗采用特定研發的50 000 kN堆載平臺, 如圖1所示。 圖2為鋼弦式應變計安裝現場, 表2為6根試驗樁的基本參數。

表1 地質及材料參數

圖1 基樁靜載荷試驗Fig.1 Pile static load test

序號試驗樁編號樁長/m嵌巖深度/m最大堆載量/kN1SZH3-116.910.5397212SZH3-221.810.3431963SZH3-337.811.5376374SZH3-421.45.2431965SZH3-512.35.2431966SZH3-65.13.543196

2.2 嵌巖樁軸力分析

試驗樁軸力變化分為兩種情況:均勻逐級遞減型和突變型。 試驗樁SZH3-1、 SZH3-2、 SZH3-3的嵌巖深度均在10 m以上, 屬于均勻逐級遞減型。 如圖3所示, 嵌巖深度10 m以上的試驗樁SZH3-3樁身軸力呈線性遞減分布, 變化較均勻。 SZH3-4、 SZH3-5、 SZH3-6的嵌巖深度均約5 m, 屬于突變型。 如圖4所示, 在荷載較小的情況下, 荷載的增加對試驗樁SZH3-4樁身軸力的影響較小, 軸力對荷載的敏感性較低, 當加載超過10 000 kN時,樁身軸力隨荷載變化較為明顯,與前一荷載等級相比有突變趨勢。

2.3 灰巖地層樁承載力分析

灰巖地層下樁體承載力和沉降的變化規律,不同荷載下樁基沉降變化規律如圖5～圖6所示。

圖3 SZH3-3軸力分布圖Fig.3 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-3

圖4 SZH3-4樁身軸力分布圖Fig.4 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-4

圖5 試驗樁SZH3-1、SZH3-2、SZH3-3的承載力-沉降曲線Fig.5 Load-settlement curves of Pile SZH3-1, SZH3-2 and SZH3-3

圖6 試驗樁SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的承載力-沉降曲線Fig.6 Load-settlement curves of Pile SZH3-4, SZH3-5 and SZH3-6

試驗樁SZH-1、SZH-2、SZH-3的樁長分別為16.9、21.8、37.8 m,嵌巖深度分別為10.5、10.3、11.5 m,最大試驗荷載約為32 000 kN,最大沉降量分別約為40、20、 15 mm, 卸荷后的最終沉降量分別約為30、6、4.5 mm,回彈量分別約為10、14、10.5 mm,回彈率(回彈量與最大沉降量之比)分別約為25%、70%、70%。因此，在相同荷載作用下,嵌巖深度也基本相同時,樁長越長,沉降量越小,回彈量越大,回彈率越高。

試驗樁SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的樁長分別為21.4、12.3、5.1 m,嵌巖深度分別為5.2、5.2、3.5 m,根據《建筑基樁檢測技術規范》判定基樁的極限承載力分別為24 448、21 844、14 810 kN。可知,嵌巖深度對灰巖地區嵌巖樁的承載特性影響最大,嵌巖深度越長,樁的承載力越高。

2.4 數值模擬分析

選取SZH3-1號基樁進行數值模擬分析,考慮到數值模型尺寸效應的影響,為減小分析誤差,使模型具有較好的可比性,設計三維模型的尺寸為長×寬×高=16 m×16 m×50 m,采用C3D8R單元,三維數值模擬模型、網格劃分如圖7所示,樁土間設置接觸,土層簡化為覆蓋土層及巖層,具體材料參數見表1。

圖8為SZH3-1號基樁實測承載力與沉降量(Q-S)曲線與數值模擬計算的Q-S曲線對比情況。實際情況下的Q-S曲線與計算結果非常相近,實測沉降量略小于計算值,實測結果偏安全,兩者Q-S曲線均呈拋物線狀,數值模擬與實測情況有相近似的規律與結果。

圖7 嵌巖樁三維模型Fig.7 3D model of rock-socketed pile

圖8 實測與計算的Q-S曲線對比Fig.8 Comparison between measured and calculated Q-S curves

3 承載特性影響因素分析

為研究嵌巖樁的承載特性,根據樁身荷載傳遞機理,設計了5組方案,保持樁長與嵌巖深度不變,改變樁長;保持樁徑與嵌巖深度不變,改變樁徑。具體模擬方案參數如表3所示。

表3 嵌巖樁數值模擬方案

Table 3 Numerical simulation scheme of rock-socketed piles m

3.1 樁長對樁承載力的影響分析

同樣采用C3D8R單元建立數值模擬模型進行計算分析,圖9為不同樁長情況下的Q-S曲線對比情況。當樁徑均為1.0 m、嵌巖深度均為10 m時,荷載條件相同的前提下,樁長越長,樁體彈性壓縮量越大, 樁頂沉降也越大; 但在同一荷載等級下,樁的沉降量相差并不大。在相同嵌巖深度條件下,嵌巖位置對樁體承載力也有較大影響,嵌巖段所處位置越深,樁基沉降量越大,受上覆荷載影響也越大。

圖9 不同樁長的Q-S曲線Fig.9 Q-S curves of different pile lengths

3.2 樁長對側阻力與端阻力的影響分析

樁長不同時,樁端阻力與側阻力也會有所不同。當樁徑均為1.0 m、嵌巖深度均為10 m時,對不同樁長情況下樁端阻力與側阻力變化情況進行研究,當基樁達到極限承載狀態時,不同樁長時嵌巖段側阻力、總側阻力與樁端阻力值的變化情況如圖10所示。

圖10 不同樁長時的側阻力與端阻力值Fig.10 Pile side and end resistance-load of different pile lengths

可以看出, 樁長為15、 20、 25 m時的嵌巖段側摩阻力分別為2 838.84、 3 762.55、 4 144.85 kN, 總摩阻力分別為6 696.33、 15 174.40、 24 530.53 kN, 嵌巖段側摩阻力占比分別為42.39%、24.80%和16.90%, 隨著非嵌巖段的長度逐漸增加, 其摩阻力也不斷增大, 非嵌巖段側摩阻力所占比例下降。

在樁長為15 m時,端阻力20 693 kN,占總阻力值27 389 kN的75.55%,基樁承載力以端承為主;在樁長為20 m時,為摩擦端承樁,摩阻力與端阻力約各占一半;在樁長為25 m時,摩阻力為32 551 kN,占總阻力值的75.67%,該情況下更傾向于摩擦型樁。嵌巖深度不變(均為10 m)時,嵌巖段側摩阻力值受樁長影響較大。隨樁長的增加,側摩阻力對樁承載力的影響越來越明顯,而端阻力的影響會逐漸降低。

嵌巖樁的嵌巖段側摩阻與持力層地質條件有關,嵌巖段地層越好,樁身圍壓越大,側摩阻越易發揮,圍壓越大應變硬化效應越明顯。當然,樁長不同時樁側摩阻力也會有所不同,對不同樁長情況下樁側摩阻力的分布情況進行研究,圖11為不同樁長時的樁側摩阻力沿深度變化情況,可以看出在臨近巖層與土層接觸面位置樁身側摩力最大,最大位置位于接觸面以下1 m的巖層中,形成“上小下大”的摩阻力分布,15～25 m長的樁嵌巖段的樁身存在應力集中現象, 嵌巖段側摩阻力隨樁長增加而增大, 此時樁為摩擦型樁, 嵌巖段側摩阻力發揮的承載力與非嵌巖段基本一致。

圖11 不同樁長時的側摩阻力分布情況Fig.11 Side resistance-load distribution of different pile lengths

當樁徑為1 m時,長徑比分別為15、20、25,長徑比越大,相同荷載下沉降量也越大,摩阻力受力面積增加,側摩阻力更能發揮作用,上部荷載傳遞到樁端的力也越來越小。

3.3 樁徑對Q-S曲線的影響分析

假定樁長為20 m,嵌巖深度為10 m,對樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m的數值模型進行計算分析,如圖12所示Q-S曲線。在相同等級荷載條件下,樁徑越大沉降量越小,當加載至27 654 kN時,樁徑為1.0、1.5、2.0 m時的沉降量分別為17.20、11.7、5.89 mm,可見樁徑對嵌巖樁豎向沉降量的影響很大。

圖12 不同樁徑時的Q-S曲線Fig.12 Q-S curves of different pile diameters

3.4 樁徑對側阻力與端阻力的影響分析

樁徑的變化會影響樁端阻力與側摩阻力的分配。假定樁長為20 m, 嵌巖深度為10 m, 當基樁達到極限承載狀態時, 不同樁徑的嵌巖段側摩阻力、 總側摩阻力和端阻力值如圖13所示, 樁徑為1.0 m時,樁端阻力為17 278 kN, 端阻力約占總阻力值的50%; 樁徑為1.5 m時, 端阻力為45 198 kN, 端阻力占總阻力值的72.45%; 樁徑為2.0 m時, 端阻力為68 138 kN, 端阻力占總阻力值的78.67%。 當樁長不變,僅改變樁徑時, 嵌巖段側摩阻力與總側摩阻力變化不大, 而樁端阻力受樁徑影響較大, 樁徑越大樁端阻力更容易發揮; 但當樁徑大于1.5 m時, 隨樁徑的增大,端阻力增加的幅度會逐漸減小。另外, 嵌巖樁樁側摩阻力受樁長影響較大, 樁徑變化對樁側摩阻力的影響很小。

圖13 不同樁徑時的側阻力與端阻力值Fig.13 Pile side and end resistance-load of different pile diameters

假定樁長為20 m,嵌巖深度為10 m,樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m時,側摩阻力隨樁體深度的變化情況如圖14～圖16所示。

結果可知, 側摩阻力主要集中在嵌巖段, 最大側摩阻力斷面位于巖層與土體接觸面1 m以下的巖層中(即樁頂以下6 m處)。 隨著樁頂荷載的增大, 最大側摩阻力斷面處的側摩阻力也顯著增加。 不同樁徑情況下, 樁徑越大側摩阻力最大值越小,應力集中現象也明顯減弱,側摩阻力分布更為均勻;樁體越細,應力越集中,樁側摩阻力越大。因此,在樁基礎設計時需要考慮嵌巖段的側摩阻力,尤其要考慮巖層與土體接觸面1 m以下截面附近的應力集中現象。

圖14 1.0 m樁徑時的側摩阻力分布情況Fig.14 Side resistance-load distribution of 1.0 m pile diameter

圖15 1.5 m樁徑時的側摩阻力分布情況Fig.15 Side resistance-load distribution of 1.5 m pile diameter

圖16 2.0 m樁徑時的側摩阻力分布情況Fig.16 Side resistance-load distribution of 2.0 m pile diameter

樁長為20 m,樁徑分別為1.0、1.5、2.0 m時,長徑比分別為20、13.3、10,當樁長一定時長徑比越小樁端阻力更能發揮作用,相同荷載下沉降量越小,樁側摩阻力分布更為均勻。

4 結 論

基于現場試驗對南寧市灰巖地區不同樁長及嵌巖深度的基樁承載特性進行研究,并利用數值分析將現場試驗結果與數值模擬結果進行對比,結果吻合較好。從嵌巖樁尺寸效應角度出發,展開了樁長、樁徑、長徑比3個影響因素在不同情況下嵌巖樁的承載特性、側摩阻力和端阻力的變化規律,得到以下結論:

(1)嵌巖深度對灰巖地區嵌巖樁的承載特性影響最大,嵌巖深度越長,樁的承載力越高。在嵌巖樁樁基礎設計時,應重點考慮嵌巖深度(即嵌巖段長度),在確定樁長時應合理考慮非嵌巖段長度與嵌巖段長度的分配比值。

(2)在相同嵌巖深度條件下,嵌巖位置對樁體承載力也有較大影響,嵌巖段所處位置越深,樁基沉降量越大,受上覆荷載影響也越大。樁側最大摩阻力截面位于巖層與土層接觸面以下1 m的巖層中,在樁基礎設計時應慎重考慮此截面附近的應力集中現象。

(3)樁徑對嵌巖樁豎向沉降量的影響很大,且樁徑的變化會影響樁端阻力與側摩阻力的分配。樁徑對樁端阻力的影響較大,對樁側摩阻力的影響很小;但當樁徑大于1.5 m時,隨樁徑的增大,端阻力增加的幅度會逐漸減小。

(4)當樁長一定時長徑比越小樁端阻力更能發揮作用,相同荷載下沉降量越小,樁側摩阻力分布更為均勻;長徑比越大,相同荷載下沉降量也越大,摩阻力受力面積增加,側摩阻力更能發揮作用,上部荷載傳遞到樁端的力也越來越小。嵌巖樁樁長一定時,適當增大樁徑有利于減小沉降,發揮樁端阻力。