紅層嵌巖樁承載特性研究

金 樂 勝

(廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663)

紅層嵌巖樁承載特性研究

金 樂 勝

(廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663)

針對紅巖基巖各層厚度變化大且存在軟弱夾層的現象，采用ADINA有限元軟件，對紅層嵌巖樁的基層存在軟弱夾層時的承載特性進行了研究，得出了一些有價值的結論，對今后的工程實踐具有重要的理論意義。

巖層，嵌巖樁，ADINA有限元，嵌巖深度，軟弱夾層

“紅層”基巖是廣東地區較典型的基巖類型之一，主要指白堊系的砂巖、泥巖或泥質砂巖。“紅層”基巖各層厚度變化較大，且普遍存在“軟弱夾層”的現象，而現有的規范對嵌巖樁承載力的規定都是建立在樁底基巖是強度較高的巖層基礎上，對基巖存在軟弱夾層的情況沒有給出明確的解答，這就給紅層嵌巖樁的設計工作帶來了一定困難。現場荷載試驗是確定紅層嵌巖樁承載力最可靠的方法。但其成本較高，時間較長，多用于大型的重要工程，一般工程中并不做荷載試驗。本文通過ADINA有限元軟件，對紅層嵌巖樁的基巖存在軟弱夾層時的承載特性進行了研究，對工程實踐具有一定的理論意義和使用價值。

1 有限元模型的建立

1)幾何模型。ADINA中有兩種建立模型的方法，Native和ADINA-M方法，本文中模型采用Native方法，借助ADINA的旋轉功能，建立樁巖(土)體的三維模型，如巖(土)體、樁體、接觸等。2)邊界條件。有限元計算中，邊界條件分為應力邊界條件和位移邊界條件。應力邊界條件在ADINA中由設置外載荷來實現，先對模型施加重力荷載，導出地應力，然后抵消地應力產生的位移，在樁頂面施加均布荷載。位移邊界條件由設置模型邊界約束來實現，由于是實體單位，只有X，Y，Z三個方向的水平自由度。模型下表面施加Z方向約束，側表面施加X，Y方向約束即可。3)材料選取。本文中模型，對于樁體、巖層均采用彈性材料模擬，土層采用摩爾庫侖彈塑性材料模擬，具體參數見文中各個模型。4)單元選擇及劃分。在模型中，所有實體均采用8節點六面體單元。因為有限元需要進行模型離散，產生單元，所以要進行單元劃分，綜合考慮運算效率和精度，在應力梯度較大處，適當加密劃分份數，即在樁體附近巖土層加密單元，在遠離樁體的部分，采用大塊的實體單元。5)后處理分析。使用ADINA的后處理功能，可以全面地分析模型計算后的結果，比如側摩阻力采用接觸面摩阻力云圖；位移用位移云圖表示；應力可以采用應力云圖。

2 嵌巖深度的影響

中風化巖1為固定厚度3 m，下部存在3 m厚度的軟弱夾層(強風化巖2)，樁體入中風化巖1的深度hr為多大時，嵌巖樁承載性能最佳。圖1為模型幾何示意圖(一)。

計算參數：樁彈性模量Ep=30 GPa，泊松比vp=0.17，樁徑d=1 m；上覆土層1變形模量Es=10 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=20 kPa，φ=18°；上覆土層2變形模量Es=30 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=25 kPa，φ=25°；強風化巖1彈性模量Eb=2 GPa，泊松比vb=0.25；強風化巖2彈性模量分別取Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa，泊松比vb=0.25；中風化巖1和2彈性模量Eb=10 GPa，泊松比vb=0.2；外荷載為15 MN。

圖2，圖3分別表示在15 MN外荷載下，軟弱夾層(強風化巖2)彈性模量不同時，樁頂、樁端沉降隨著嵌巖深徑比的變化曲線。從圖2，圖3中可以看出：樁頂和樁端沉降曲線變化趨勢一致，這是因為外荷載相同，而樁長變化不大，樁身壓縮量相近的緣故。強風化巖2的Eb=10 GPa，即無軟弱夾層時，樁頂、端沉降隨hr/d的增加而逐漸減小，且減小幅度越來越小，這與嵌巖深度增加到一定程度后，對沉降沒有明顯影響的結論是一致的。當存在軟弱夾層時，即強風化巖2的Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa時，樁頂、端沉降隨hr/d的變化呈現波浪形曲線。在hr=1d和2.5d時，沉降存在兩個極小值；在hr=0和3.0d時，沉降存在兩個極大值。hr=0時，雖然樁端距軟弱夾層較遠，但是端部荷載較大占據主要因素，使得沉降出現極大值。hr=3.0d時，雖然此時樁側阻發揮增大，端阻減小，但是樁端已經接觸到軟弱夾層，該因素起主導作用，使得沉降也出現了極大值。在hr=1d和2.5d時，樁端荷載大小和樁端距軟弱夾層的距離兩者因素較為平衡，使得沉降出現極小值。同時，從圖2、圖3中也可看出，在相同的hr/d下，沉降隨著軟弱夾層的模量的增大而減小，這也和實際工程現象符合。

從以上分析中可以得出：樁體入中風化巖1的深度hr為1d和2.5d時，樁頂、樁端沉降均有極小值。考慮到施工方便和經濟造價的原因，建議樁端嵌入中風化巖層hr=1d時，嵌巖樁承載性能最佳。

3 樁端下硬巖厚度的影響

由上面第2節可知，一定厚度硬層下存在軟弱夾層時，樁體嵌入硬巖層最佳深度為hr=1d。本節主要研究樁體入硬巖(中風化巖1)層hr=1d，下部存在厚度為3d的軟弱夾層(強風化巖2)時，樁端下硬巖(中風化巖1)厚度hp為多大時，嵌巖樁承載性能發揮較好。圖4為模型幾何示意圖(二)。

計算參數：強風化巖2彈性模量Eb=1 GPa，樁直徑d=1 m和1.5 m，外荷載分別為15 MN，20 MN。其他計算參數同第2節模型參數。

圖5，圖6分別為樁徑d=1.0 m時，樁頂、樁端沉降隨荷載變

化曲線。從圖5，圖6中可以看出：沉降與荷載曲線的斜率隨著hp的增大而減小，且當hp≥2d后，荷載沉降曲線較為接近，說明hp增大到一定程度后，對減小沉降、提高樁承載力的作用并不非常明顯。

圖7為不同樁徑下，端阻百分比隨hp/d的變化曲線。從圖7中可以看出：端阻百分比隨hp/d的增大而增大，且增大趨勢漸緩。當hp/d≥2時，在其他條件相同的情況下，端阻百分比數值已經相近，樁端沉降相差不大，這和前面分析得到的結論一致。

綜上分析，在存在一定厚度軟弱夾層的情況下，樁端下硬巖(中風化巖1)厚度hp≥2d以后，嵌巖樁承載性能就可以有比較好的發揮，此時軟弱夾層對承載力的影響很小。

4 結語

在未考慮實際工程中樁底沉渣及樁側泥皮對嵌巖樁的承載性能影響下，將樁體、巖層簡化為彈性材料，土層采用摩爾庫侖彈塑性材料建立有限元模型，通過ADINA有限元軟件計算分析，得出在紅層巖土地層下，嵌巖樁有如下承載特性：

1)一定厚度硬巖下存在一定厚度的軟巖，在嵌入硬巖后承載能力滿足的情況下，樁體嵌入硬巖深度hr=1d時為最佳。

2)一定厚度硬巖下存在一定厚度的軟巖，在樁體嵌入硬巖深度hr=1d時，樁端距離硬巖層底的厚度hp≥2d后，嵌巖樁承載性能就可以有比較好的發揮，此時軟弱夾層對承載力的影響很小。

[1] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

Researchonloadingfeaturesofredbedsocketedpile

JINLe-sheng

(GuangdongTianxinPowerEngineeringInspectionCo.,Ltd,Guangzhou510663,China)

According to the obvious changes in thickness of the foundation layer of the red bed and its soft rock strata, the paper adopts the finite element software, ADINA, researches the loading features of the foundation layer of the red bed socketed pile in the soft rock strata, and achieves some conclusion, so it provides some theories for the following engineering practice.

strata, socketed pile, ADINA finite element, socketed depth, soft strata

1009-6825(2014)33-0045-02

2014-09-17

金樂勝(1983- )，男，工程師

TU473.11

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