加載過程中嵌巖樁承載特性數值模擬分析

陳旭，黃質宏, 陳旺，穆銳，蔡行，黃秀銀

摘 要：本次數值模擬根據某工程嵌巖抗拔樁自平衡靜載試驗，對試驗數據進行簡要分析，并建立了合理嵌巖樁FLAC3D數值分析模型，分析結果表明：樁身的承載力特性與土巖體的力學參數有關，改善其特性可以提高樁身的承載特性;在極限破壞時，樁身的承載力特性主要由樁側阻力來承擔。

關鍵詞：嵌巖樁;自平衡試驗;極限承載力;數值模擬

中圖分類號：TU473.1+1 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0113-04

1 引言

抗拔樁廣泛應用于大型地下室抗浮、高聳建（構）筑物抗拔、懸索橋和斜拉橋的錨樁基礎等。雖然抗拔樁在工程中應用廣泛，但理論研究常常滯后于工程實踐。

國內外學者對嵌巖抗拔樁承載力特性做了相關研究，研究現狀如下：唐孟雄等[1]利用冪函數形式的滑移面假定，采用極限平衡法，推導出一種計算基巖內抗拔樁極限承載力的方法;王光滿等[2]結合工程實例，對在復雜巖溶地質條件下嵌巖抗拔樁的設計進行了研究;國外學者提出很多計算抗拔樁極限承載力的模型，最早提出的是假設破壞面為圓柱面的標準模型[3]、Meyerhof理論模型[4]、Das理論模型[5]等，但是提出的計算模型只適合計算土質地基中的抗拔樁極限承載力，并不適用于嵌巖抗拔樁極限承載力的計算，目前對嵌巖抗拔樁極限承載力方面的理論和試驗方面的研究較少。

本文的研究意義在于結合實際工程及現場試驗，運用FLAC3D數值模擬軟件對嵌巖抗拔樁的極限承載特性進行數值分析，其結果有一定的實際意義，可以對實際工程的施工、設計運用提供一定的指導依據。

2 工程概況

某工程位于貴州省貴陽市，該工程由2棟塔樓及地下室裙樓組成，擬建筑物占地平面呈長方形，南北向寬約121.0m，東西向長165.0m，金融中心大樓高400m左右。

2.1 地層巖土構成

據鉆探揭露，擬建場地巖土主要由第四系覆蓋層及下伏基巖組成。巖土特征自上而下分述如下：

（1）土層：素填土（Qml）為新近填土，主要成分由粘土、碎石、塊石等構成。

（2）巖層：三疊系中統松子坎組（Tsz）薄—中厚層中風化泥質白云巖。

2.2 水文地質條件

工程區地層及巖性分布情況見表1，根據場地水文地質情況調查及貴州雨季經常出現極端天氣分析，場地地下水洪、枯水期水位的變幅情況，考慮地下水位對建筑物的影響以及工程重要性等級，需對工程區的地基進行抗浮設計。

2.3 基礎的選型

工程地基為巖溶地基，基礎等級為二級，采用旋挖灌注樁作為抗浮樁，工程試驗樁的設計參數見表2。

2.4 樁土（巖）參數表

3 模型建立及分析

3.1模型建立及參數的確定

利用彈塑性力學知識，假定地基為一個半無限體，忽略次要因素影響，為提高加載模型的收斂速度可做以下基本假設[6]：①樁、巖體為均質、連續體，各向同性;②孔壁粗糙，樁巖接觸面為非理想界面咬合接觸;③由于嵌巖樁嵌固段承載特征突出，視樁底為懸空;④樁身為彈性體，巖體為理想彈塑性，符合M-C本構模型;⑤不考慮時間效應，荷載為靜力荷載。材料參數見表1～3。

巖石：變形模量Es=342.30MPa;彈性模量E=16.304GPa;泊松比λ=0.21;容重γ=26.3kN/m3;粘聚力C=360kPa;內摩擦角φ=31°。

土層：黏聚力為C=8kPa，內摩擦角φ=10°，容重γ=18.3kN/m3。

本文根據工程的實際情況，以工程中的23#樁為例。由實際工程的巖土參數，利用有限差分法數值模擬分析軟件，對土（巖）體中的嵌巖抗拔樁進行加載數值模擬，在這個過程中，主要對應力、應變及塑性區的開展情況進行建模數值分析，所得模型如圖1所示。

3.2數值模擬結果及分析

通過模擬加載的過程，導出了第一級荷載和最后一級荷載位移、應力及塑性區的發展云圖，具體分析如下：

如圖 2所示，在第一級荷載的情況下：樁在X方向的位移，上中下三部份分布較為分散，上中部左邊是壓應變，右邊是拉應變，底部相反;在最后一級荷載的情況下，主要集中在樁的中部向樁的兩側擴散，對稱分布，左側為壓應變，右側為拉應變。

如圖3所示，在第一級荷載的情況下：樁在Z方向上的位移主要是從底部開始擴散的，為壓應變，呈現“杯形”;在最后一級荷載的情況下，位移主要是從樁的中部向樁的兩側擴散，對稱分布，主要為拉應變，呈現“啞鈴形”。

如圖4所示，在第一級荷載的情況下：樁在XX方向上的應力分布呈層狀分布，且較為均勻，為壓應力，土層段受擾動較大;在最后一級荷載的情況下，應力分布主要集中在嵌巖段，對稱分布，且越向上，應力分布范圍越廣，對土層幾乎沒有影響，說明在破壞階段主要是由嵌巖段來承擔荷載。

如圖5所示，在第一級荷載的情況下：樁在XY方向上的應力幾乎為零，不產生剪應力;在最后一級荷載的情況下，剪應力分布主要集中在嵌巖段的上部，對稱分布，且越向上，應力分布范圍越廣，對土層幾乎沒有影響，隨著范圍越來越大，剪應力趨于零。說明對于樁的抗剪強度來說，需要考慮但不是主要因素。

如圖6所示， 在第一級荷載的情況下：樁在ZZ方向上的應力對周圍的地基有一定的影響，但主要集中在樁基的下部區域;在最后一級荷載的情況下，應力主要集中在樁身上，對周圍土體及巖體幾乎沒有影響，包括上部土層;主要分布在樁身底部。

如圖7所示，在第一級荷載的情況下：塑性區主要在樁的底部，主要為軸向受力;在最后一級荷載的情況下，塑性區的開展主要集中在樁身及樁身周圍巖土層，且樁身周圍存在大量的剪應力，對稱分布，此時樁的承載力主要由樁身周圍的巖土體產生的側阻力來承擔，所以側阻力是樁身承載特性需要考慮的重要因素。

4 結論

（1）通過數值模擬，可以很好地與試驗結果相結合，以便于更好地指導施工和設計，為工程的安全性提供重要的保證。

（2）樁身抵抗變形的能力主要取決于巖土體的力學性能與樁身的變形參數，因此可以通過改變樁身的材料來改善樁抵抗變形的能力。

（3）對于本工程來說，樁身對巖土體產生的剪應力較小，幾乎可以不用考慮;但是對于XX與ZZ方向而言，X方向的應力主要對土巖體產生影響，而Z方向的應力主要對樁身產生影響，在測量時應該嚴格把控巖土體和樁身的力學參數。

（4）在樁破壞階段，樁的承載力主要由樁側阻力來承擔，這要求我們在施工、設計方面需要重視側阻力對樁身承載特性的影響，以改善樁的承載力特性。

參考文獻：

[1]唐孟雄，陳達.基巖內抗拔樁極限承載力的計算方法[J].巖土力學，2015，36（2）：634-638

[2]汪光滿，宋仁乾，胡達敏，等.復雜巖溶地質條件下嵌巖沖孔灌注樁設計[J].建筑結構學報，2015，45（增刊）：85-87.

[3]JOHNSON S M，KAVANAGH C T.The Design of Foundations for Buildings[R]. New York： Mc Graw-Hill Book Company，1968.

[4]MEYERHOF G G.Uplift Resistance of Inclined Anchors and Piles[C]∥Proceedings of the 8th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Moscow：Kluwer Academic Publishers-Plenum Publishers，1973：167-172.

[5]DAS B M.A Procedure for Estimation of Uplift Capacity of Rough Piles[J].Soils and Foundations，1983，23（3）：122-126.

[6] 劉衡， 楊波， 王鐵行. 厚層沉渣嵌巖樁承載性能試驗分析與數值模擬[J]. 鐵道建筑， 2012（12）：93-95.