山區機械化成孔的大孔徑硬巖嵌巖樁承載能力

摘 要：為揭示硬質巖石的承載能力與荷載傳遞機制，結合保定西某500 kV輸電線路的山區機械化成孔項目，對山區大孔徑嵌巖樁承載性能的影響因素進行了研究.首先利用準靜態壓縮試驗得到巖石地質參數.然后，采用顯式非線性有限元方法對山區大孔徑硬巖嵌巖樁的抗拔與抗剪承載特性、失效模式和受力機理進行數值研究，具體分析樁體在上拔和水平荷載作用下的力學性能，討論了覆土層增加鋼套筒對樁體水平極限承載力的影響.研究結果表明：在上拔荷載下，承載力主要由樁體側摩阻力和樁體自重來承擔，硬質巖層樁側摩阻力占主導地位，約為總側摩阻力的90%；在水平荷載下，樁身較大位移區域在樁身4 m內，彎矩最大值出現在距樁頂2～3倍樁徑，覆土層增加鋼套筒可明顯提高樁體的水平承載極限.本文研究結果將對巖石地質山區大孔徑嵌巖樁結構設計和機械化施工提供理論指導.

關鍵詞：嵌巖樁；硬質巖石地質；抗拔承載力；水平位移；有限元分析

中圖分類號：TU741"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：10001565（2024）06056110

Bearing capacity of large diameter hard rock socketed pile with mechanized hole in mountainous areas

WANG Jingde^1，2， ZHANG Xinchun1， LIU Zengwei3， SUN Qingsong3， LI Bei2

（1. School of Energy Power and Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Hebei Electric Power Engineering Supervision Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China; 3. Construction Company， State Grid Hebei Electric Power Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： To reveal the bearing characteristics and loading transfer mechanisms of hard rock-socketed piles， the factors influencing the bearing performance of large-diameter rock-anchored piles in mountainous areas are investigated in this paper. Combined with the mechanized borehole project for a 500 kV transmission line in the western of Baoding， geological parameters of the rocks were obtained through quasi-static compression tests. Explicit nonlinear finite element （FE） methods were employed to conduct numerical simulations on the uplift and shear load-bearing properties， failure modes， and carrying mechanisms of large-diameter rock-socketed piles in hard rock area. The mechanical behavior of pile bodies under uplift and horizontal loadings was discussed in detail. The effects of adding steel casings to the overburden layer on the horizontal ultimate bearing capacity of the piles were also studied. The results show that the bearing capacity mainly depends upon the side frictional resistance and the self-weight of the pile under uplift loadings. The side frictional resistance of the pile plays a dominant role in the hard rock formation， which is about 90% of the total side frictional resistance. Under horizontal load， the maximum displacement area of pile body is within 4 m， and the maximum bending moment will appear within 2—3 times diameter of the pile from pile top. The horizontal ultimate bearing capacity of the pile can be significantly improved by adding steel casing to the overlying soil layer. These results will provide theoretical guidance for the structural design and mechanized construction of large-diameter rock-socketed piles in rocky mountainous area.

Key words： rock-socketed pile; hard rock geology; ultimate pulling capacity; horizontal displacement; finite element analysis

收稿日期：20240423;修回日期：20240905

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（11875014）；河北省電力工程監理有限公司資助項目（SGTYHT/21-JS-223）

第一作者：王敬德（1990—），男，華北電力大學在讀博士研究生，河北電力工程監理有限公司高級工程師，主要從事輸電線路工程研究.E-mail：rqhdejd@163.com

通信作者：張新春（1980—），男，華北電力大學副教授，博士，主要從事輸電線路工程研究.E-mail：xczhang@ncepu.edu.cn

隨著中國電力行業的快速發展，大量架空輸電線路不可避免要經過巖石地質山區，工程地質條件復雜多樣，因此對基礎極限承載能力的要求越來越高^［1-2］.目前，山區嵌巖樁成孔主要依靠人工開鑿或結合炸藥爆破，挖孔方式效率低、危險程度高，且對基坑周圍環境破壞較為嚴重.為了響應國家的“雙碳”目標，結合智能技術與綠色建造理念，亟須開發一種可用于山區機械化成孔的新型基礎結構.因此，研究山區機械化成孔的大孔徑嵌巖樁承載特性，對于優化基礎設計具有重要的理論意義和工程應用價值.

目前，關于嵌巖樁承載能力的研究業已展開，并取得了一些重要的研究成果.例如，王向軍等^［3］基于非線性有限元方法研究了基巖巖層參數、土層參數和樁體結構參數對嵌巖樁承載變形特性的影響，并與實驗結果進行了對比分析；吳爽爽等^［4］通過樁周土體沉降與樁身應變的監測，建立了計算樁-土剪切位移量的方法，確定了在樁頂自由條件下的樁-土剪切位移量；閆楠等^［5］從嵌巖樁的荷載傳遞規律、破壞模式、承載特性及其影響因素等方面對嵌巖樁承載性能的研究現狀進行梳理，綜述了嵌巖樁荷載傳遞特性及破壞特征；李波等^［6］通過現場豎向抗壓靜載試驗準確測定經預處理后地基中樁基的豎向承載力和樁體側摩阻力分布規律；陳亞東等^［7］采用離散單元法建立了豎向抗拔單樁的計算模型，研究了樁徑、土體孔隙率、樁土界面摩擦角和加載速度對抗拔樁承載力的影響；Liu等^［8］提出了少約束嵌巖樁的新概念，并研制了室內模型試驗裝置，分析了不同巖層傾角下不等長群樁的水平承載性能；Chen等^［9］研究了嵌巖群樁嵌固于層狀飽和巖土體中的豎向性能，采用邊界元法推導了群樁的巖土體柔度矩陣方程，得到了影響嵌巖群樁豎向性能的相關因素；劉林等^［10］對5根直徑1.5 m的嵌巖灌注樁進行現場水平承載試驗，研究了大直徑嵌巖樁在水平荷載作用下的力學特性；穆銳等^［11］通過實驗與數值模擬相結合的方法，研究了土巖組合巖體中抗拔樁的極限承載力；凌造等^［12］討論了不同條件下嵌巖PHC管樁的樁端承載性能及宏觀破壞模式，并給出了樁端承載力的計算方法；劉紅軍等^［13］數值研究了不同嵌巖深度增量下抗拔樁的承載特性；劉潤等^［14］采用有限元方法分析了嵌巖深度、樁基直徑與壁厚、樁身傾斜度等多種因素對嵌巖樁水平承載力的影響，提出了確定嵌巖樁水平極限抗力的標準；Wang等^［15］討論了嵌巖樁在軸向和斜向受拉作用下的模型試驗，對模型樁的荷載-位移響應、破壞模式和荷載傳遞機理進行了比較.盡管國內外學者在嵌巖樁的承載特性方面已取得了一系列成果，但主要集中于軟質巖層，對于山區機械化成孔的大孔徑硬巖嵌巖樁承載特性的影響因素研究亟須展開.

本文以保定西某500 kV輸電線路的山區機械化成孔項目為背景，利用顯式有限元方法研究了不同地質條件下大孔徑硬巖嵌巖樁的抗拔承載力和水平承載特性，給出了嵌巖樁極限承載力的影響因素及機理.本研究可為巖石地質山區大孔徑嵌巖樁基礎設計提供技術參考.

1 模型建立與可靠性分析

1.1 巖石參數的測定

根據項目地地質勘察報告，工程建設區域地質條件較為復雜，持力層有中風化砂巖、中風化石灰巖和中風化泥巖等，而中風化砂巖和中風化石灰巖屬于較硬巖，巖石硬度大于40 MPa，部分區域巖石硬度甚至超過60 MPa.標準圓柱體試樣如圖1，其直徑50 mm，高度100 mm.對試樣表面進行打磨，兩端面平整度控制在±5 mm.采用TYE-3000型壓力試驗機并結合數字圖像相關（DIC）技術對巖石試件進行壓縮試驗，加載過程中使用軸向力控制，加載速率為1 kN/s.沿軸向施加荷載的同時，設備自動記錄并實時顯示試驗曲線，直至試樣最終破壞后停止試驗.為了消除樣品數據的離散性和保證試驗結果的可靠性，每組試驗均重復3次.圖2為砂巖和石灰巖的應力-應變（σ-ε）曲線，試驗測得的密度ρ、彈性模量E和泊松比μ見表1.

工程建設區域上覆土層厚度較小，主要集中于1～4 m，并且相當一部分區域無覆蓋土，硬巖挖孔深度普遍超過總挖孔深度的60%.結合巖石單軸壓縮試驗數據與項目地質勘察，選取工程具體樁土模型參數見表2，樁徑d、樁長l、巖石層等基礎參數見表3，其中c代表黏聚力，φ代表內摩擦角，qsik代表極限側阻力標準值.

1.2 有限元模型及可靠性分析

機械化成孔的大孔徑硬巖嵌巖樁基礎示意圖見圖3a和3b，該基礎主要靠嵌巖段的側阻力和端阻力來承擔大部分荷載，具有承載性能好和沉降小的優點.根據項目實際情況，采用ABAQUS有限元軟件建立了1∶1尺寸的樁-土-巖相互作用的計算模型，見圖3c.嵌巖樁l為11 m，d為1.6 m，土體邊長為32 m，土體深度為22 m，巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型^［16］.該模型已廣泛應用于各種地基工程的分析中，其適用性得到了大量工程實例的驗證^{［13，17］}.

計算過程中，土體模型的側面取徑向約束，可有效控制側面土體的位移和變形，頂面取自由約束，在該面上的節點可以自由地沿著水平面移動和旋轉；在模型底部取固定約束，以保證邊界節點不發生平移和旋轉.采用基于M-C模型的面-面接觸算法來模擬樁-土、樁-巖之間的相互作用，接觸屬性分為法向和切向2部分，法向采用硬接觸模塊，切向采用罰函數，摩擦系數設為0.3.在網格劃分中，采用三維八結點（C3D8R）實體單元^{［13，16］}.考慮到計算效率和計算精度，靠近嵌巖樁的區域采用更加密集的網格，遠離嵌巖樁的區域采用較粗的網格^［17］，巖土體網格數為64 904，樁體網格數為8 064.

為驗證本文所提出有限元模型的可靠性，圖4給出了有限元模擬結果與文獻［18］給出的嵌巖樁上拔承載力試驗結果的對比.在材料本構、接觸及邊界約束、加載條件等完全相同的條件下，試驗結果與模型計算結果吻合較好，從而證明了本文有限元結果的正確性.在此基礎上，本文對山區大孔徑嵌巖樁承載特性的影響因素進行了研究.

2 大孔徑硬巖嵌巖樁承載特性分析

2.1 上拔承載特性

2.1.1 極限抗拔承載力理論結果

嵌巖樁承受上拔荷載時為純摩擦型樁，其極限承載力由淺覆蓋層及嵌巖層的樁側摩阻力和樁身自重共同承擔.淺覆蓋層嵌巖樁的極限抗拔承載力由下式給出^［19］

Qu=Qs+Qr+Wp=πd∑qsikli+πd∑qrili+γpπd24L，

（1）

其中：Qu為淺覆蓋層嵌巖樁的極限抗拔承載力；Qs為覆蓋層土承擔的抗拔承載力；Qr為巖石嵌固層承擔的抗拔承載力；Wp為樁身自重；qsik為第i層土的樁側極限摩阻力值；qri為第i層巖層的樁側極限摩阻力平均值；γp為樁身的重度；li為樁周第i層巖土的厚度；L為地面以下的樁長.

無覆蓋土層樁的極限抗拔承載力標準值，采用下式計算：

Tuk=πd∑λiδTiqrili+γpπd24L，

（2）

其中：λi為抗拔系數；δTi為注漿工藝的抗拔調整系數，可選1.0，當采用二次注漿工藝時，選擇1.1～1.2.根據式（1）和式（2），可計算出對應嵌巖單樁的極限抗拔承載力標準值如結果見表4.

2.1.2 極限抗拔承載力有限元結果

圖5為單樁抗拔承載力，Q為樁頂荷載，s為樁頂上拔位移.從圖5a可以看出，3根抗拔樁的Q-s曲線出現了明顯的拐點，最后一級的樁頂上拔位移量大于上一級荷載作用下的5倍以上，可判定樁體發生破壞，達到失效條件^［18］.在達到拐點之前，隨著上拔荷載的提高，樁頂的上拔位移呈線性增加；當達到極限承載力后，樁頂上拔位移迅速增加，出現破壞情況，此時樁基失效，曲線特征與文獻［18］基本一致.在工程中，一般選取拐點處的樁頂荷載作為設計極限抗拔承載力，考慮到樁基達到極限抗拔承載力時發生陡變破壞，進行嵌巖樁設計時需考慮足夠的安全系數.圖5b為嵌巖樁的極限抗拔承載力對比圖，理論結果和有限元模擬結果（表4）具有較好的一致性.

圖6給出了3根樁的側摩阻力與樁身位置間的關系.由圖6可知，隨著樁頂荷載的增加，巖層樁側摩阻力變化顯著，巖層中下部樁側摩阻力增加幅度逐漸增大，上部樁側摩阻力則逐漸減小，即巖層中下部的側摩阻力逐漸發揮作用.以P2樁的側摩阻力為例（圖6b），在加載初期階段，硬質巖層所貢獻的樁側摩阻力呈現出隨埋深先增后減的變化趨勢.隨著樁頂施加荷載的持續增大，最大樁側摩阻力點逐漸向樁底方向遷移，并且其下部的增長幅度相較于上部更顯突出，直至接近極限承載狀態時，硬質巖層段的樁側摩阻力分布形態趨于L型特征.在受上拔荷載作用時，樁體會表現出向上位移的趨勢，而這種拉伸變形的程度沿深度方向遞減.隨著上拔荷載逐級累增，樁體上部與巖土之間的相對位移率先達到臨界狀態，在此狀態下，該位置處的樁側摩阻力已發揮至峰值水平.當界面發生滑移之后，抗剪強度從峰值強度下降至殘余強度并保持相對穩定，因此導致覆土層樁側摩阻力約為總樁側摩阻力的10%，嵌巖層樁側摩阻力約為總樁側摩阻力的90%，樁側摩阻力的整體分布最終趨近于L型.

2.2 水平承載特性

2.2.1 無套筒嵌巖樁

除了抗拔承載力，嵌巖樁的水平承載力也是重要承載指標.以P2樁為例，圖7給出了無套筒嵌巖樁在不同荷載下沿樁身的彎矩圖和剪力圖.在水平荷載作用下，嵌巖樁樁頂處的剪力最大，但隨著深度的增加，剪力值逐漸減小.需要指出的是，樁身的最大彎矩表現在剪力減小至零的深度，即在樁身

4.2 m左右，見圖7a.隨著水平荷載不斷增大，樁身所受彎矩也逐漸增加，樁身彎矩最大值出現位置會慢慢向下移動，但是這個移動距離會越來越小，彎矩最大值出現在2～3倍直徑.

圖8給出了不同水平荷載下的嵌巖樁身水平位移對比關系.由圖8可知，嵌巖樁在受到水平荷載作用時，樁身出現轉動和撓曲變形，從而導致水平位移的出現，最大值出現在樁頂位置，樁深4 m范圍內嵌巖樁樁身水平位移較大，而隨著深度的增加，這種水平位移逐漸減小，樁深5 m以下基本無樁身水平位移.參照嵌巖樁相關的計算方法^［11］，取樁頂10 mm所對應荷載的0.75倍來確定P2樁的水平承載力的特征值為1 959 kN.

2.2.2 有套筒嵌巖樁

無套筒嵌巖樁在水平荷載作用下，樁身位移主要集中在覆土層，在長期使用中容易出現水平偏移、傾斜、樁身上部截面受拉側開裂等問題，從而影響到基礎的可靠性.為解決這一難題，在覆土層樁身部分設置套筒，見圖3b.以P2樁建立的有限元模型為基礎，在覆土層增加鋼套筒.套筒上端同樁頂平齊，下端位于巖土分界面，套筒壁厚15 mm，有限元模擬將套筒與混凝土樁基之間設置為剛性連接，套筒底部巖層上表面只考慮法向接觸的摩擦，樁基與側面設置罰摩系數為0.45，其余參數保持與無套筒嵌巖樁模型一致.

圖9給出了覆土層有無套筒時嵌巖樁在不同水平載荷下樁身彎矩與剪力的變化對比.從圖9可以看出，有套筒與無套筒嵌巖樁受力特征相似，樁身最大彎矩與剪力均隨載荷增加而遞增.在相同荷載水平下，帶套筒的嵌巖樁彎矩減小，抗彎性能提高.這是由于套筒的剛度較大，分擔了部分原本由嵌巖樁承受的彎矩，從而降低彎矩峰值，提高了樁的承載能力.對于剪力而言，套筒的存在不僅使得剪力隨載荷增長更為顯著，且能在相同載荷下承受更大的剪力值.究其原因，一方面套筒增強了樁身與周圍介質的相互作用，提升了整體剛度與穩定性；另一方面在套筒區域形成新的剪力集中區，使剪力分布更為均勻.此外，套筒會使剪力峰值位置前移，這反映了套筒對樁身承載能力的提升作用，使得樁身在承受一定水平荷載時能承受更高的剪力而不發生破壞.

圖10給出了覆土層有無套筒時嵌巖樁在不同水平荷載下的樁身位移對比.可以計算出P2樁增加套筒后水平承載極限值為2 625 kN，對比P2樁的水平承載極限值提高了33.9%，提升效果比較明顯.嵌巖樁在受到水平荷載作用時設置套筒可以在一定程度上限制樁身的變形，尤其是在樁身與覆土層接觸的部位，套筒提供了額外的支撐和約束，同時在一定程度上分散了荷載，使荷載更均勻地分布在樁身周圍的土體中，減小了土體的局部應力集中程度，增加了嵌巖樁的整體剛度和穩定性，減少了水平位移和傾斜的可能性，使樁身的變形受到限制.套筒的引入顯著改善了土體與樁體的相互作用，減少了樁體水平位移，提高了樁基的承載能力和穩定性.此外，套筒還增強了施工質量控制，使樁基在水平荷載作用下表現更為優越.

3 結論

本文采用非線性有限元方法研究了不同地質條件下機械化成孔大孔徑嵌巖樁基礎的承載特性的影響因素，討論了覆土層增加鋼套筒對樁體水平極限承載力的影響，得到如下主要結論：

1）大孔徑硬巖嵌巖樁的Q-s曲線呈陡變形，樁頂上拔力由樁側摩阻力和樁身自重來承擔.不同的巖土參數通過影響側摩阻力的發揮，進而改變極限抗拔承載力.

2）上拔荷載作用下，樁側摩阻力總體呈分段式分布.隨著樁頂上拔荷載增加，覆土層側摩阻力最先發揮并達到極限狀態，其側摩阻力約為總樁側摩阻力的10%，巖層側摩阻力發揮程度迅速上升，側摩阻力最大值逐漸向下移動，中風化層比強風化層增加幅度更加明顯，硬質巖層的樁側摩阻力發揮相比覆土層更優，約為總樁側摩阻力的90%.

3）水平荷載作用下，其彎矩最大值出現在距樁頂2～3倍樁徑，且樁身水平位移發生的主要區域集中在距離樁頂4 m內.在覆土層增加鋼套筒可改變樁體的剪力分布，明顯提高樁體的水平承載極限，減少樁體的水平位移.

參 考 文 獻：

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（責任編輯：王蘭英）