節理巖體下樁體承載力的三維結構網絡研究

摘要 使用三維結構面網絡的模擬手段，通過對不同傾角結構面巖體、不同強度的含結構面巖體和不同樁徑情況下大直徑嵌巖樁承載性能的分析，結果表明：⑴當嵌入端的巖體含有一組優勢的結構面時，嵌巖樁樁體出現非對稱的應力集中現象。⑵隨著巖體中結構面傾角的增大，嵌巖樁的承載性能呈現出下降的趨勢。⑶樁徑的變大，含連續傾斜節理巖體強度的降低，都會對嵌巖樁的沉降量的增加有加劇作用。⑷當含有“X”型共軛剪節理系的巖體作為嵌入端時，嵌巖樁的承載性能并沒有明顯的降低。

關鍵詞 三維結構網絡；承載性能；嵌巖樁；FLAC3D

1 三維結構網絡

為了比較真實的模擬出在結構面在巖體承載力的影響，采用結構面耦合原理，在巖體內部模擬出隨機的結構面網絡（如圖2所示）。模型上部為土體下部為基巖，樁體進入基巖深度為8m。計算時通過有限元差分軟件FLAC3D進行模擬，圍巖采用Mohr-coulomb本構模型，圍巖中存在的結構面定義為Interface模型，對于非貫通的結構面可以采用假想結構面的方法實現，樁體采用彈性模型。

圖二 結構面網絡圖

在工程實踐中，由于存在眾多的影響因素，無法全面的分析結構面存在情況下對樁體的作用。本文希望通過三維結構網絡的模擬手段，得出不同類型嵌入端巖體中結構面對其承載力產生的影響。主要包括圍巖下結構面不同傾角對樁體承載性能的影響，存在“X”型共軛剪節理系結構面的圍巖對樁體承載性能的影響，存在結構面的不同強度圍巖對樁體承載性能的影響，不同樁徑作用下承載力的變化。本文進行以下模擬： ⑴分別模擬嵌入端圍巖中不同傾角的結構面。結構面的傾角選取15o、30o、45o、60o、75o的情況。 ⑵對嵌入端圍巖中存在“X”型共軛剪節理系的情況進行模擬，結構面的傾角選取15o、45o的情況。 ⑶取不同強度的巖體作為嵌入端巖體進行模擬。其中包含有結構面，結構面的傾角取為15o、45o（材料的參數見表1） ⑷模擬不同樁徑的嵌巖樁在節理圍巖體中的承載特性。其中傾角分別為15o、45o。

表一 有關參數取值

Table 1 parameters of calculation

巖層E/Mpac/KPaφ/（o）ρ（kg·m-3）

軟100080252300

中硬6000200302300

硬12000400352300

2嵌巖樁承載性能的分析

2.1 數值模擬的受力狀態分析

對存在結構面圍巖的嵌巖樁進行應力分析，載荷作用于樁體頂部，分級進行加載。隨著載荷的不斷增加，樁體出現應力集中的區域，由于連續結構面的存在，此時的應力集中區域不同于底部為完整巖體的情況。在樁底面上，應力主要集中在樁體與傾斜結構面的連結位置。并且在樁土體的連接處也出現了一個應力集中的區域，這兩個應力集中區的出現是由于樁底的巖體的承受荷載時，由于結構面的存在，無法均勻產生均勻的沉降，造成了朝著結構面方向的地面樁底應力集中于左側，而在巖體與土體的交界處，不均勻的沉降也令巖體與樁體的接觸面偏向了一邊，出現了應力集中的不對稱性。見圖4

圖四 75o結構面巖體受力時的應力云圖

2.2 各參數對嵌巖樁承載性能的影響分析

⑴結構面傾角的影響

在研究嵌入巖體中結構面不同傾角對嵌巖樁承載性能的影響時，分別建立含有15o、30o、45o、60o、75o傾角結構面的圍巖。嵌入深度為8m，圍巖為中等強度（材料參數見表1），樁徑0.8m。逐級施加荷載，圖5、6分別為各傾角圍巖在荷載作用下樁體產生的沉降。由Q-S曲線分析可知，隨著傾角的不斷增加，沉降量也在不斷的變大，75o傾角圍巖中產生的沉降量已經明顯大于15o情況。由于此時選用中硬巖體做為含節理的嵌入端巖體，因此此時嵌巖樁表現出來的沉降量的下降趨勢沒開開始增大。

圖五 不同傾角下嵌巖樁Q-S曲線圖六 不同傾角下嵌巖樁Q-S曲線

⑵“X”型共軛剪節理系結構面的影響

為進一步研究含結構面巖體在不同情況下對嵌巖樁承載性能產生的影響，在相同的約束條件下，建立含“X”型共軛剪節理系的結構面的巖體，其傾角分別為15o、45o。嵌巖樁的樁徑與嵌入深度情況同前。在逐級施加荷載的作用下，繪制出樁體的Q-S曲線，從圖7中可以看出兩組對稱結構面圍巖中的樁體沉降量沒有明顯的增加。通過Q-S曲線的對比可以看出，在含有兩組45o對稱“X”型共軛剪節理系結構面圍巖中樁體的沉降反而小于一組含有15o傾角結構面的情況。

圖七 兩組對稱結構面下嵌巖樁Q-S曲線

⑶不同強度的節理圍巖的影響

巖體的參數對樁體承載性能有著重要的影響，采用表1中的軟巖、硬巖參數的巖體建立模型，其中分別含有15o、75o傾角的結構面。對嵌入的樁體施加荷載，得到不同巖性參數條件下樁體的Q-S曲線（圖8）。可以看出在硬巖中巖體的沉降量下降的趨勢不是十分明顯，而在含有75o傾角結構面的軟巖作為嵌入端巖體時，嵌巖樁樁體的Q-S曲線下降趨勢顯著。表明軟巖中存在節理時嵌巖樁更加容易遭受破壞。

圖八 不同強度下嵌巖樁Q-S曲線

3 結論

通過基于結構面耦合原理的三維結構面網絡模擬，得到不同條件下結構面在巖體承載性中的影響。通過分析得到一下結論：

⑴存在結構面的圍巖中，嵌巖樁的受力發生了變化，出現了兩個應力集中的區域，分別位于傾斜結構面與樁體的接觸處和巖體與土體交界的一側，這是造成嵌巖樁承性能下降的主要因素。

⑵在相同圍巖強度和樁徑的條件下，隨著嵌入端巖體中結構面傾角的增加，樁體的承載性能逐漸降低。并且在荷載較大的情況，這種嵌巖樁承載性能降低的趨勢也越明顯。

⑶巖體的巖性參數與樁體的樁徑變化對含有結構面巖體中的嵌巖樁承載性能影響較大。含節理巖體的強度越低，嵌巖樁沉降量增加越快，隨著嵌巖樁樁徑的變大，嵌巖樁的沉降量也越大。并且當以含有大傾角結構面巖體作為嵌入巖體時，嵌巖樁沉降量呈現出增加加快的趨勢。

⑷當采用含有“X”型共軛剪節理系結構面的巖體作為嵌入端巖體時，嵌巖樁的承載性能下降不明顯，與無連續結構面巖體的情況相差不大。

通過數值模擬的手段得到了含結構面巖體對嵌巖樁承載力影響的一般規律，可以為今后的設計、施工以及科學研究提供依據。

[1] 晏長根，伍法權，祁生文，劉彤，宮島昌克.隨機節理巖體變形與強度參數及其尺寸效應的數值模擬研究[J]巖土工程學報，1000-4548（2009）06-0879-07

[2] 中國建筑科學研究院.JGJ 94-2008 建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008

作者簡介：李哲豪，男，（1990.01.01），中國地質大學（武漢），碩士研究生，研究方向為巖體的穩定性分析