傾斜巖層下嵌巖樁荷載傳遞規律研究

胡志承

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司）

0 前言

越來越多的高層建筑、地標性建筑物等大型建筑在城市中拔地而起，這對地基承載力帶來了更大的挑戰。樁基礎是一種有效提高地基承載力的基礎形式，尤其在大型建筑中應用更為廣泛。在我國的巖溶地區，大多存在傾斜的層，影響樁基礎的施工，同時也影響樁基礎的承載能力。目前，已有不少學者對嵌巖樁的承載能力進行研究分析，主要是通過有限元方法研究分析了不同地質條件下嵌巖樁的承載特性，總結樁長、樁徑、嵌巖深度等對承載能力的影響規律，然而極少對傾斜巖層的研究。

徐薇等[1]對大直徑擴底嵌巖樁進行數值模擬，結合現場試驗對比驗證了數值模型的可靠性，并分析了嵌巖樁的承載特性；蘭朝榮等[2]為了解決負摩阻力對樁基礎的不利影響，基于自平衡試樁法對旋挖擴底樁進行承載力試驗，并總結了旋挖擴底樁的施工工藝；周興揚等[3]結合工程實際，建立超長嵌巖樁的有限元數值模型，模擬分析了樁身軸力及樁身側摩阻力的分布規律；王田龍等[4]為了研究較破碎巖石地基嵌巖樁的承載能力，通過研究101根嵌巖樁的靜載試驗數據，統計了嵌巖樁樁端阻力、樁身側摩阻力的影響因素，提出了分析模型，并通過靜載試驗分析，總結出一種適用于較破碎巖石地基的樁基礎承載力計算公式；魯先龍等[5]為了研究嵌巖樁的極限端阻力的特性，分析了嵌巖深度、樁徑等對極限端阻力與端阻系數的影響規律；劉衡等[6]結合現場樁基礎試驗，通過數值模擬不同沉渣厚度情況下嵌巖樁的承載特性，總結了沉渣厚度對嵌巖樁承載力的影響規律；夏鵬[7]通過MIDAS-GTS有限元軟件建立橋梁嵌巖樁數值模型，模擬分析了變截面擴底、等截面擴底以及同方量不同嵌巖深度對嵌巖樁承載能力的影響；鄭峰[8]利用GTS-NX有限元分析軟件對泥巖持力層嵌巖灌注樁進行模擬分析，總結了不同荷載作用下樁基礎承載力的變化規律。

工程實踐證明，傾斜巖層的存在影響了樁基礎的承載能力，尤其在高層建筑等大型建筑物的巨大荷載作用下。在傾斜巖層嵌巖樁的荷載傳遞規律這方面上的研究極少，因此，本文結合現場嵌巖樁的單樁靜載試驗，利用MIDAS GTS NX大型有限元軟件建立傾斜巖層條件下的嵌巖樁數值模型，模擬分析了不同荷載作用下嵌巖樁樁身軸力、樁身側摩阻力以及荷載分擔比的分布規律。

1 嵌巖樁樁基承載力計算

嵌巖樁采用巖層作為持力層時，樁端嵌入基巖深度應≥0.5m，樁基承載力按嵌巖樁計算。計算公式如下：

式中：

Rsα——樁側土總摩阻力特征值；

Rrα——樁側巖總摩阻力特征值；

Rpα——持力巖層總端阻力特征值；

up——樁嵌巖段截面周長；

hr——嵌巖深度，當巖面傾斜時以低點起計；

Ap——嵌巖樁樁身截面面積；

frs、frp——分別為樁側巖層和樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度；

C1、C2——系數，根據持力層基巖完整程度及沉渣厚度等因素而定，如表1所示。

表1 參數選取

2 數值模擬

2.1 土層參數

根據某工程勘察資料，嵌巖樁對應場地土層信息如表2所示，經現場嵌巖樁的施工，傾斜巖層開始出現于強風化砂巖與中風化砂巖之間，該嵌巖樁通過沖孔樁機施工，施工過程中，沖錘遇到傾斜巖面時，帶動鋼絲繩傾斜偏位，測得鋼絲繩的偏位距離及沖錘下落深度，由于沖錘與傾斜巖面之間可能殘留有碎土塊碎石等，對斜巖角度只能預估判斷，最終計算預估斜巖傾斜角度在22°至28°之間，本文在數值模型中，斜巖的傾斜角度取25°。

表2 土層參數信息

2.2 嵌巖樁-土層有限元數值模型建立

Midas GTS NX屬于通用的大型有限元數值模擬軟件，主要用于模擬巖土工程問題，能夠進行線性和非線性的靜力分析、滲流及固結分析、施工階段分析等。本文借助Midas GTS NX有限元軟件對傾斜巖層條件下的嵌巖樁及土層模型進行數值模擬分析，結合現場單樁靜載試驗，建立分級加載的嵌巖樁-土層數值模型，其中巖土體采用莫爾-庫倫模型進行計算，其建模過程及步驟如下所述：

⑴建立傾斜巖層條件下的嵌巖樁-土層幾何模型，嵌巖樁的直徑為1000mm；

⑵根據表2的土層參數信息定義材料及網格屬性，沖孔灌注樁材料使用C35混凝土，完成材料信息導入后，設置模型相應的材料屬性；

⑶對嵌巖樁模型及土層模型通過四面體網格進行網格劃分；

⑷對樁-土模型施加約束及重力場，根據現場單樁靜載試驗，在嵌巖樁樁頂設置分級加載的集中荷載，第一級為400kN，總共加載十二級，每級增加400kN；

⑸根據分級加載定義施工階段，進行求解操作。

圖1 有限元數值模型

3 傾斜巖層條件下嵌巖樁承載力特性分析

3.1 模型驗證

圖2 為現場單樁靜載試驗與數值模型模擬的荷載-沉降曲線對比圖。由圖可知，嵌巖樁在傾斜巖層條件下，MIDAS有限元軟件計算得到的荷載-沉降曲線與現場的單樁靜載試驗得到的結果基本吻合，驗證了MIDAS數值模型的可靠性。其中，在加載的前期階段，嵌巖樁的樁頂沉降數值模擬結果大于靜載試驗結果，而隨著荷載的加大，數值模擬結果小于靜載試驗結果，數值模擬與靜載試驗的結果值最大相差小于8%，屬于合理范圍，說明該模型對實際工程具有參考價值。

圖2 靜載試驗與數值模擬荷載-沉降曲線對比圖

3.2 傾斜巖層條件下不同樁頂荷載的沉降位移分析

傾斜巖層條件下，嵌巖樁在不同樁頂荷載作用下的沉降位移結果云圖如圖3所示。由圖分析可知，嵌巖樁在不同荷載作用下，其樁身沉降位移值自樁端到樁底逐漸減小；樁身的沉降帶動了周圍土體的沉降，靠近樁身位置的土體沉降位移在遠離樁身的方向上逐漸減小；隨著樁頂荷載的加大，樁身及土體的沉降位移均隨之增大；在斜巖的傾斜方向上，嵌巖樁兩側的土體從左側至右側，土體受傾斜巖層的影響，其沉降位移逐漸增大，而在樁身左側的土體沉降位移增大量相對右側土體小，這種規律在傾斜巖層下方土體中并不明顯，隨深度的增加，巖土層的沉降位移從左到右基本趨于一致，這表明，嵌巖樁起到了阻擋傾斜巖層上方土體位移的作用，而隨著深度的增加，傾斜巖層對土體沉降位移的影響逐漸減弱，因此，在實際施工中，樁基礎必須穿越傾斜巖層，以保證工程的安全性。

圖3 傾斜巖層條件下不同樁頂荷載作用嵌巖樁樁頂沉降云圖

3.3 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力分析

圖4 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力隨深度變化的靜載試驗與數值模擬結果對比曲線圖。由圖分析可知，數值模擬結果中，樁身軸力隨深度的變化趨勢與現場靜載試驗結果的變化趨勢一致，而隨著深度的增加，尤其在深度為8m左右位置，兩種結果存在差異，其原因可能是由于數值模擬采用的斜巖角度與實際斜巖傾斜角度的差距，因此存在一定的結果誤差。

圖4 靜載試驗與數值模擬樁身軸力分布對比圖

圖5 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身軸力在不同荷載作用下的變化結果圖。從圖中分析可知，隨著荷載的增加，樁身的軸力逐漸增大。在傾斜巖層上方，即0～8m之間的粉質粘土、粉砂及強風化砂巖中，嵌巖樁的樁身軸力隨深度的增加基本不變，而當樁長在8m左右，及在傾斜巖層位置，樁身軸力開始減弱，且減弱趨勢較大，這是由于傾斜巖層的存在，土體對樁身產生沿斜巖傾斜方向的荷載，導致樁身軸力的損失，同時中風化砂巖的強度較上方土層的強度高，能夠為嵌巖樁提供更大的側摩阻力，使樁身軸力進一步減小。

圖5 嵌巖樁樁身軸力在不同荷載作用下的變化曲線圖

3.4 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁身側摩阻力分析

圖6 為傾斜巖層條件下嵌巖樁在不同荷載作用下樁身側摩阻力變化結果圖。從圖中分析可知，隨著荷載的增加，嵌巖樁的樁身側摩阻力逐漸加大，在嵌巖樁樁長6m處，樁身側摩阻力存在較為明顯的增幅，這是由于該位置處，樁身所處巖層發生變化，即由上方粉質粘土與粉砂層變為強風化砂層，在強度上提高較為明顯，能夠為嵌巖樁提供相對較大的側摩阻力。而在傾斜巖層以下，樁身側摩阻力增大極為明顯，在嵌巖樁的承載能力上發揮明顯的作用，這是由于嵌巖樁所處的中風化砂巖的強度要遠大于強風化巖，能夠提供更大的側摩阻力，同時，傾斜巖層的存在，導致樁身軸力有所損失，從而使樁身側摩阻力發揮更大的作用。

圖6 傾斜巖層條件下嵌巖樁在不同荷載作用時樁身側摩阻力變化曲線圖

3.5 傾斜巖層條件下嵌巖樁側摩阻力與樁端阻力荷載分擔比分析

圖7 為傾斜巖層條件下嵌巖樁樁側摩阻力與樁端阻力荷載分擔比例圖。從圖中分析可知，嵌巖樁在加載前期，樁基承載能力主要由樁身側摩阻力提供，而隨著荷載的增加，樁身側摩阻力的荷載分擔比例逐漸減小，樁端阻力的荷載分擔比逐漸增大，這是由于加載初期，荷載較小，嵌巖樁與土層之間的相對位移較小，樁身側摩阻力能夠發揮較大的作用。在加載后期，樁端阻力發揮的作用超過樁身側摩阻力，這是由于荷載較大時，嵌巖樁與土層之間的相對位移增大，且樁長相對較短，樁身側摩阻力無法充分發揮作用，而主要依靠樁端阻力。

圖7 傾斜巖層條件下嵌巖樁樁側摩阻力與樁端阻力荷載分擔比例圖

4 結論

結合單樁靜載試驗，通過MIDAS有限元軟建立傾斜巖層條件下的樁-圖模型，對嵌巖樁的荷載傳遞規律進行分析研究，得出了以下結論：

⑴通過對比靜載試驗與數值模擬荷載-沉降曲線，驗證MIDAS模型的可靠性；

⑵通過對傾斜巖層條件下不同樁頂荷載的沉降位移進行分析，總結了傾斜巖層處土體的沉降規律，在施工過程中，樁基礎穿過傾斜巖層，才能提高承載能力及安全性；

⑶傾斜巖層位置，嵌巖樁的樁身軸力及側摩阻力均有明顯的變化，樁身軸力在該位置減小明顯，同時樁身側摩阻力明顯增大；

⑷傾斜巖層條件下，嵌巖樁在荷載作用下，隨著荷載的增加，樁身側摩阻力發揮的作用由最大逐漸減弱，同時樁端阻力發揮的作用逐漸增強并超過側摩阻力。