嵌巖樁單樁豎向承載性狀數值分析

盛紅星，劉杰

(蕪湖市勘察測繪設計研究院有限責任公司，安徽 蕪湖 241000)

1 前 言

嵌巖樁具有單樁承載力高、沉降小、抗震性能好等諸多優點，在橋梁建設、高層建筑等大型工程建設中得到廣泛應用[1，2]。嵌巖樁豎向承載力是由樁側摩阻力和樁端阻力組成，場地的巖土層分布及其特性對樁側摩阻力和樁端阻力具有重要影響，對于具有覆蓋層的嵌巖樁而言，樁側摩阻力和樁端阻力就體現出不同，邢皓楓[3]等提出設計中不應忽略覆蓋層的影響，而深厚黏土及風化覆蓋層區嵌巖樁的承載特性同樣不能忽視，對其展開研究就顯得很有必要。

因嵌巖樁試驗費用昂貴，破壞試驗難以進行，許多學者已對嵌巖樁承載特性及其影響因素進行了有限元研究[3，5]，邢皓楓[3]等建立了三維有限元模型對嵌巖樁單樁和群樁豎向受力特性進行分析，邱鈺[4]等采用線彈性與彈塑性模型，對深長大直徑嵌巖樁單樁豎向承載性狀進行分析，黃生根[5]等對樁-巖接觸面采用正弦曲線模擬，對大直徑嵌巖樁豎向承載性狀進行系統分析，均獲得有益結論。因此有限元法是一種行之有效的分析方法。

本文針對位于深厚黏土及風化覆蓋層區的蕪湖市營盤山路延伸段道路橋梁的嵌巖樁基礎，依據該橋梁3#嵌巖樁(以下簡稱3#樁)靜載荷試驗實測資料，通過有限元分析建模分析其豎向承載性狀，結果表明3#樁端阻力對荷載發揮主要作用，具有摩擦端承樁的承載特性，對深厚黏土及風化覆蓋層區嵌巖樁設計和施工具有一定的指導意義。

2 工程概況

蕪湖市營盤山路延伸段道路橋梁工程場地位于長江南岸，蕪湖市區的東部，東至二環路，西與已建營盤山路相連，其中K0+170～K0+230為3跨 20 m預應力梁橋，橋寬 54 m。本文研究的3#嵌巖樁樁長L=31.2 m，直徑D=1.2 m，嵌入弱風化粉砂巖深度hr=2.3 m。

模型所采用主要物理力學參數表 表1

3 有限元建模及分析

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對該工程的3#樁豎向荷載特性進行數值模擬分析。基于嵌巖樁豎向受力特性，采用軸對稱有限元法對單根嵌巖樁建模分析[5，6]，分析模型如圖1所示，黏土及風化覆蓋層和巖體的模型徑向尺寸為樁兩側各10D[5]，垂向尺寸為1.7L[7]。

圖1 模型幾何形狀及網格劃分

嵌巖樁樁身材料混凝土強度等級為C25，采用線彈性模型，黏土及風化覆蓋層和巖體的本構模型均采用M-C(Mohr-Coulomb)模型，樁身和巖土體均用C3D8R實體單元進行網格劃分，共約 19 200個單元，樁身與黏土及風化覆蓋層和巖體之間的接觸通過接觸對實現，采用庫侖摩擦(Coulomb friction)模型[6]，樁底端面與巖體的接觸面采用Tie約束，樁身及巖土體物理力學參數如表1所示。

豎向荷載的施加是通過將豎向荷載按受力面積轉換為均布荷載而施加于樁頂面，避免了豎向集中力加載時可能造成的應力集中，并通過采用不同分析步長逐級加載的方式實現，下文將對計算結果進行分析。

4 計算結果分析

4.1 沉降分析

豎向荷載分為1409 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、707 kN等9級逐步施加在樁頂端面，圖2、圖3所示的分別是3#樁的荷載和位移計算云圖，圖4所示的是將數值計算同現場靜載試驗實測的荷載-沉降(Q-s)曲線對比圖，實測和數值均反映出3#樁在累積最大荷載 7 044 kN作用下，仍處于彈性變形階段，模擬結果同實測結果的趨勢基本趨向一致，吻合非常好，可表明本次有限元模擬的參數選取、網格劃分等一些可能對結果造成影響的客觀建模因素的選取方法是可取的，模擬結果有一定的可信度。

圖2 荷載云圖

圖3 位移云圖

圖4 3#樁模擬結果與實測結果對比

僅依據沉降分析還不足以詳細了解覆蓋層樁側摩阻力，嵌巖段樁側摩阻力以及樁端阻力的分布情況，下文將對此進一步分析。

4.2 軸力和側摩阻力分析

如圖5、圖6所示的分別是樁身軸力和樁側摩阻力的分布圖。在荷載的作用下，樁身軸力隨深度增加呈現出不斷遞減的趨勢，且在樁身淺部、中部和端部附近均有明顯拐點出現，拐點的出現表明荷載傳遞特性發生變化，圖6清晰地反映出樁身淺部和端部附近產生了負摩阻力，而樁身中部由于土層特性增強導致側摩阻力增加迅速。與軸力變化對應，樁側摩阻力呈現出不斷遞增的趨勢，但總體上對豎向荷載的分擔比例在不斷減小，由于弱風化砂巖的側摩阻力逐漸被調動起來，嵌巖段樁側摩阻力逐漸發揮，表現為對側摩阻力的分擔比例逐漸增加(如表2所示)。嵌巖段出現了負摩阻力，可能是由于hr較小或是其他原因，留待將來進一步探討。

4.3 端阻力分析

圖7反映了3#樁樁端阻力隨豎向荷載增加而變化的情況，端阻力分擔荷載情況如表2所示，當豎向荷載施加時端阻力所分擔的荷載占59.3%，隨著荷載的增加，端阻力所分擔的荷載呈現逐漸增大趨勢，而在最大荷載作用時，端阻力所占比例高達75.9%。

可以認為3#樁在承載力極限狀態下，其樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。因此，一方面在工程建設中應依據場地巖土層分布及其特性對所采用的嵌巖樁承載特性展開針對性分析，同時作者未來將對本場地嵌巖樁特性造成影響的可能影響因素進行深入分析研究，以便更加有效地指導工程設計和施工。

圖5 樁身軸力分布圖

圖6 樁身側摩阻力分布圖

圖7 端阻力隨荷載變化圖

樁側摩阻力和端阻力分布情況 表2

5 結 論

(1)利用ABAQUS軟件以3#樁建模進行數值模擬分析，將實測和數值荷載-沉降關系曲線進行對比，對比結果顯示實測和數值趨勢基本趨向一致，吻合非常好，說明本次數值模擬現場靜載試驗的結果是可信的。

(2)隨著豎向荷載的施加，在淺部黏土覆蓋層和嵌巖段出現負摩阻力，嵌巖段樁側摩阻力對樁側總摩阻力承擔比例不斷增加，而樁側摩阻力對豎向荷載承擔比例不斷減小。

(3)3#樁在承載力極限狀態下，樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。

致謝

本文作者對蕪湖市建設工程質量監督站的蔣正在收集工程勘察設計及檢測報告等資料方面的工作表示感謝。