嵌巖樁承載特性三維有限元分析

邵先鋒，石雪梅，錢朝軍，閆超

(1.國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230022；2.安徽大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著國家對能源的大力投入，變電站得到了大力的建設，但因其所處的環境復雜多樣，相應的地質情況也各不相同，甚至在個別的地方會遇到地質情況比較差的情況，此情形下樁基基礎的設計和施工則至關重要。在樁基進行施工時，若地質情況判斷不夠準確或者其他原因，可能會出現一定的安全問題，此時就需要對樁基進行合理處理，確保工程的質量[1]。因此，研究樁基的承載特性對整個變電站的使用安全、工期和工程造價都將產生很大的影響。在變電站嵌巖樁設計中，由于嵌巖樁樁身剛度較大，受到荷載豎向變形較小，導致樁-土相對位移不夠充分，土層產生的側摩阻力遠未到極限值。因此在設計嵌巖樁承載力時，忽略了土層側摩阻力，進而引起不合理的樁承載力設計，提高了造價成本。

因巖層土層的復雜性因素，至今難以完全理解嵌巖樁的受力和變形機理[2-7]。為深入認識山區變電站嵌巖樁的豎向承載特性，本文利用有限元軟件建立三維嵌巖樁數值模型，分別研究樁長、樁徑和嵌巖段深度變化對嵌巖樁土層側摩阻力的影響，嵌巖樁軸力變化規律與沉降隨外荷載的變化規律。研究結果將為變電站工程嵌巖樁的設計與施工提供定量指導，有效合理降低工程造價。

1 中小直徑嵌巖樁的靜載試驗

圖1為一樁徑600 mm、嵌入粉質黏土的灌注樁(樁長7.2 m)的實測荷載傳遞曲線，樁底巖層為2 m，靜載加載3000 kN。靜載試驗采用慢速堆載法，即先逐級加載，待相對穩定后，再進行下級荷載，每級加載量按照試樁預估極限承載力的10%來執行。從圖中可以看出：樁軸力隨深度遞減，說明樁周側摩阻力的作用在樁承受荷載的過程中可以充分發揮出來。圖1中也給出了數值仿真結果，通過與試驗的對比，兩者的趨勢基本一致，說明用有限元模擬是可行的。不同尺寸比、不同邊界條件下的有限元模型將在第2節詳細展開。圖2為試樁沉降和試驗對比圖，兩者的趨勢也是一致的，誤差在接受范圍內。

圖1 樁軸力仿真和試驗對比圖

圖2 樁沉降仿真和試驗對比圖

2 嵌巖樁單樁有限元模型建立

嵌巖樁樁徑為600 mm，有限元模型取長寬各12 m，以減小邊界條件的約束對單樁承載力的影響。樁長18 m，樁底下部巖層厚度2 m，即巖土層模型厚度為20 m。其中土層為粉質黏土，厚18 m，樁嵌巖深度為0.6 m。研究長徑比時，樁徑為600 mm不變，改變樁長，令樁長分別為7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m，即長徑比分別為 12、16、20、24、30。研究深徑比時，樁徑及樁長不變，分別為600 mm和18 m，令嵌巖深度分別為0.6 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m、6.0 m，即嵌巖深徑比分別為 1、4、6、8、10。土層材料采用Mohr-Coulomb模型模擬，樁身混凝土采用線彈性材料模擬[8-10]。嵌巖樁樁周與土體之間、樁底與巖體之間分別建立接觸對，主面(Master Surface)取混凝土樁外周面，從面(Slave Surface)取黏性土接觸面，用來模擬嵌巖樁與土體和巖體之間的接觸，樁土摩擦系數取0.4[11]，樁巖摩擦系數取為0.6[12]。

模型周圍四個面約束X、Y向位移及轉動自由度，底部固定端約束；整個模型網格全部使用六面體單元。在樁頂施加載荷，研究載荷作用下樁底沉降、樁身各處的軸力及側摩阻力。樁頂載荷分布加載，由600 kN逐步加大，最大到9000 kN，樁身軸力及側摩阻力為加載至3000 kN時的計算結果。有限元模擬的土(巖)物理參數如表1所示，樁基和巖土的三維有限元模型如圖3所示。

3 計算結果分析

3.1 樁沉降、軸力及側摩阻力變化規律

采用三維有限元建模數值分析，計算得到嵌巖樁沉降隨樁頂荷載的變化曲線，如圖4所示。結果表明，隨著樁頂荷載的增大，樁體沉降逐漸增大，兩者間基本呈線性關系。隨著長徑比的增大，沉降也相應地增大。

表1 地基土層及其物理力學性質[13]

圖3 樁基和巖土三維有限元模型

圖4 樁沉降隨荷載的變化曲線

圖5 給出了樁頂荷載為3000 kN時樁體軸力隨埋深的變化規律，結果顯示，在覆土層位置，由于樁和覆土層的側摩阻力比較小，因而樁身軸力基本等于樁頂豎向荷載，且隨著埋深增大，軸力變化不大；埋深超過16 m后，由于樁嵌入巖層，樁巖接觸側摩阻力增加，因此樁體軸力減小，樁基可以通過側摩阻力來傳遞豎向荷載；到埋深18 m處，樁端與巖石接觸，樁端阻力貢獻較大。

圖6給出了樁周側摩阻力隨埋深的變化曲線，計算結果表明，樁身不同位置處的側摩阻力不同，在樁從軟土層進入嵌巖段時側摩阻力出現第一個峰值，在嵌巖段的中下部出現更大的峰值，這反映了土層與巖層轉變處對側摩阻力的影響，這是由于摩擦系數的差異以及巖層對樁約束的增強導致的。

圖5 樁軸力隨埋深的變化曲線

圖6 樁周側摩阻力隨埋深的變化曲線

3.2 樁長徑比及嵌巖深徑比對側摩阻力的影響規律

為分析樁徑比對側摩阻力的影響，樁徑設定為600 mm，樁長取 7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m等，建立三維有限元分析模型。三維模型長寬各取為12 m，以便減少由于尺寸引起的邊界條件對單樁分析結果的影響。嵌巖段深度均為最小嵌巖深度0.6 m，以弱化嵌巖深度對側摩阻力的影響。有限元分析結果見圖7，可以看出，嵌巖樁側摩阻力占總荷載比隨著樁徑比的增加而增加，是因為隨著樁徑比的增加，樁側表面與樁周土的接觸面積增大了，導致側摩阻力增大，占總荷載比隨之提高。但隨著樁長的增加，側摩阻力占總荷載比雖然仍在增加，但增加幅度逐漸減緩。

為分析嵌巖深徑比對樁頂沉降的影響，嵌巖深徑比分別取 1、4、6、8、10 等數值，樁徑及樁長分別為600 mm和18 m，建立有限元模型，模型長寬各取12 m。有限元分析結果見圖8，可以看出，大直徑嵌巖樁頂沉降隨著嵌巖深徑比的增加而減小，原因是隨著嵌巖深徑比的增大，樁端所受約束增強，使得沉降減小。

圖7 樁周側摩阻力占比隨樁長徑比的變化曲線

圖8 樁頂沉降隨嵌巖深徑比的變化曲線

為分析嵌巖深徑比對側摩阻力的影響，嵌巖深徑比分別取 1、4、6、8、10 等數值，樁徑及樁長分別為600 mm和18 m，建立有限元模型，模型長寬各取12 m。為使模擬更具代表性，有限元模型只設置一層土層。分析結果見圖9，從中看出，土層厚度一定的條件下，嵌巖深徑比的增大會引起側摩阻力占比的減小。原因是嵌巖深度的增加，相當于增強了端部約束，使得樁極限承載力加大，而樁身與土層接觸面積未變，這樣嵌巖深度的增加實際削弱了側摩阻力的貢獻，導致曲線呈遞減狀。

圖9 樁周側摩阻力占比隨嵌巖深徑比的變化曲線

4 結論

本文通過對不同樁長徑比、不同嵌巖深徑比下的嵌巖樁承載力進行有限元三維建模分析計算，得出了樁沉降與樁周側摩阻力隨樁長徑比及嵌巖深徑比的變化規律，可以用來指導樁基的設計與施工，同時可以對已有的樁基變形和承載力進行校核驗算，分析得出的主要結論有：

(1)埋深淺時，由于樁和覆土層的側摩阻力比較小，樁頂豎向荷載主要由樁承擔，軸力比較大，而隨著埋深增大，軸力變化不大；超過埋深16 m處，由于樁嵌入巖層，樁巖接觸側摩阻力成為主要承力因素，因此樁的軸力減小，樁主要通過側摩阻力來傳遞豎向荷載；到埋深18 m處，樁端與巖石接觸，樁端阻力成為主要因素；

(2)樁身不同位置處的側摩阻力不同，樁身處于軟土層時，樁周側摩阻力比較小，隨著進入嵌巖段時，側摩阻力變大，會出現峰值，這是因為樁-巖硬接觸摩擦系數增大，同時約束增強導致的，樁端附近區域時會減小，是因為樁端阻力開始發揮作用；

(3)嵌巖樁側摩阻力占總荷載比隨著樁長的增加而增加，是因為隨著樁長的增加，樁側表面與樁周土的接觸面積增大了，導致側摩阻力增大，占總荷載比隨之提高；

(4)在嵌巖端附近區域，樁端阻力成為主要因素，嵌巖段越深，承擔的荷載越多。