嵌巖樁變形特性影響參數(shù)數(shù)值模擬分析

馮德安，陳港，曾如才，曹淑上

(1 重慶中土勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，重慶 404100；2 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

建筑基樁穿過(guò)覆蓋層嵌入基巖中稱為嵌巖樁。由于基巖強(qiáng)度較高，壓縮性極小，嵌巖樁能提供很高的承載力。同時(shí)嵌巖樁沉降也很小，建筑物沉降在施工過(guò)程中便可完成[1]，因此嵌巖樁在重慶地區(qū)實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。

嵌巖樁變形特性受樁側(cè)阻力及樁端阻力的影響，影響樁側(cè)阻力的主要因素有樁周巖土體性質(zhì)、樁周界面條件及樁-巖土體間相對(duì)位移等，影響樁端阻力的主要因素有嵌巖段長(zhǎng)徑比、巖石強(qiáng)度及嵌巖模量比等。同時(shí)，樁長(zhǎng)、樁徑等基樁自有相關(guān)參數(shù)同樣對(duì)嵌巖樁的豎向變形具有重要影響[2-3]。

本文依托重慶秀山地區(qū)某工程嵌巖樁相關(guān)技術(shù)資料，考慮在相同的巖土層及施工水平情況下，主要從樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強(qiáng)度三個(gè)方面分析其對(duì)基樁的影響，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)基樁變形特性進(jìn)行探討，以期為類(lèi)似工程實(shí)踐提供一定的參考。

1 工程背景

該工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層；結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)（丙類(lèi)），樁混凝土強(qiáng)度為C30。

根據(jù)該工程地勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場(chǎng)地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰?guī)r1、白云質(zhì)灰?guī)r2，白云質(zhì)灰?guī)r2 為場(chǎng)地軟弱層，巖體較破碎。

本次模擬分析時(shí)基樁樁徑為1800mm，工程樁樁長(zhǎng)為16.0m（其中進(jìn)入紅黏土深度為4m，進(jìn)入巖層深度為12m），樁頂荷載設(shè)為2150kN。

2 數(shù)值模型

本次數(shù)值模擬采用有限元軟件Midas 進(jìn)行建模分析，模擬范圍為上方取至地表，模型平面為18×18m 正方形，深度取50m。模型的邊界條件通過(guò)限制模型四個(gè)側(cè)面和底面法向的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)，頂面自由。基樁采用梁?jiǎn)卧M。模型概貌如圖1 所示，基樁及巖土材料參數(shù)如表1 所示[4-6]。

表1 基樁及巖土材料參數(shù)

圖1 模型概貌圖

3 模擬分析

3.1 樁徑

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，不同樁徑荷載-沉降值如表2 所示（其余參數(shù)與原設(shè)計(jì)相同）。

表2 樁頂沉降值對(duì)比表

當(dāng)樁徑變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢(shì)，特別是樁徑從1m 增大到1.4m，甚至到1.8m 這個(gè)過(guò)程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值分別達(dá)到-1.002mm 及-0.483mm，差異百分率分別達(dá)到56.5%及37.4%，說(shuō)明在這個(gè)階段樁徑增大使得樁基承載性能增強(qiáng)幅度較大，效果明顯。當(dāng)樁徑從1.8m 增大到2.0m 時(shí)，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值為-0.024mm，差異百分率僅為1.9%，說(shuō)明在這個(gè)階段樁徑增大使得樁基承載性能增強(qiáng)幅度較小，效果不再明顯。

3.2 嵌巖深度

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，不同嵌巖深度荷載-沉降值如表3 所示（其余參數(shù)與原設(shè)計(jì)相同）。

表3 樁頂沉降值對(duì)比表

當(dāng)嵌巖深度變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢(shì)，特別是嵌巖深度小于7.2m（四倍樁徑）這個(gè)過(guò)程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值為-0.53mm，差異百分率達(dá)到35.9%，說(shuō)明在這個(gè)階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強(qiáng)幅度較大，效果明顯。

當(dāng)嵌巖深度介于7.2m（四倍樁徑）～10.8m（六倍樁徑）之間時(shí)，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值分別為-0.089mm 及-0.095mm，差異百分率分別為6.42%及7.36%，說(shuō)明在這個(gè)階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強(qiáng)幅度較小，效果不再明顯。

特別地，當(dāng)嵌巖深度達(dá)到16.2（九倍樁徑）時(shí)，由于數(shù)值模型樁尺度影響，樁頂沉降出現(xiàn)反向增大，其變化差值為0.042mm，差異百分率為-3.15%；當(dāng)嵌巖深度達(dá)到21.6m（十二倍樁徑）時(shí)，樁頂沉降繼續(xù)輕微減小，其變化差值為-0.0014mm，差異百分率為1.1%，說(shuō)明在這個(gè)階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能變化不明顯，繼續(xù)增大嵌巖深度已無(wú)必要。

3.3 樁身混凝土強(qiáng)度

針對(duì)不同的樁身混凝土強(qiáng)度，取不同的混凝土彈性模量以達(dá)到分析目的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，不同樁身混凝土強(qiáng)度荷載-沉降值如表4 所示（其余參數(shù)與原設(shè)計(jì)相同）。

表4 樁頂沉降值對(duì)比表

當(dāng)樁身混凝土強(qiáng)度變大，各加載階段樁頂沉降總體呈逐漸減小趨勢(shì)，特別是當(dāng)混凝土強(qiáng)度小于C30 時(shí)，樁頂沉降減小相對(duì)明顯，其變化差值分別達(dá)到-0.075mm 及-0.051mm，差異百分率分別達(dá)到5.59%及3.95%，說(shuō)明在這個(gè)階段混凝土強(qiáng)度增大使得樁基承載性能增強(qiáng)幅度較大，效果相對(duì)明顯。

當(dāng)混凝土強(qiáng)度為C35，甚至C40 時(shí)，樁頂沉降雖然繼續(xù)不斷變小，變化差值分別為-0.035mm 及-0.022mm，差異百分率分別為2.78%及1.78%，但趨勢(shì)明顯變緩，樁基承載性能增強(qiáng)幅度較小，效果不再明顯。

4 結(jié)論

本文以重慶秀山地區(qū)某工程為背景，對(duì)嵌巖樁變形影響因素進(jìn)行分析，主要從嵌巖樁樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強(qiáng)度三個(gè)方面來(lái)分析其對(duì)基樁的影響，基于此對(duì)該工程基樁變形特性進(jìn)行進(jìn)一步探討，得到的主要結(jié)論如下：

（1）該工程基樁樁徑及嵌巖深度的變化對(duì)樁基承載性能發(fā)揮影響相對(duì)明顯，而樁身混凝土強(qiáng)度的變化對(duì)樁基性能發(fā)揮影響相對(duì)較小；

（2）該工程基樁樁徑、嵌巖深度及混凝土強(qiáng)度參數(shù)對(duì)基樁變形特性存在瓶頸效應(yīng)，盲目增大相關(guān)參數(shù)不會(huì)對(duì)樁基變形特性產(chǎn)生明顯影響。