嵌巖樁變形特性影響參數數值模擬分析

馮德安，陳港，曾如才，曹淑上

(1 重慶中土勘測設計有限公司，重慶 404100；2 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

建筑基樁穿過覆蓋層嵌入基巖中稱為嵌巖樁。由于基巖強度較高，壓縮性極小，嵌巖樁能提供很高的承載力。同時嵌巖樁沉降也很小，建筑物沉降在施工過程中便可完成[1]，因此嵌巖樁在重慶地區實際工程中應用廣泛。

嵌巖樁變形特性受樁側阻力及樁端阻力的影響，影響樁側阻力的主要因素有樁周巖土體性質、樁周界面條件及樁-巖土體間相對位移等，影響樁端阻力的主要因素有嵌巖段長徑比、巖石強度及嵌巖模量比等。同時，樁長、樁徑等基樁自有相關參數同樣對嵌巖樁的豎向變形具有重要影響[2-3]。

本文依托重慶秀山地區某工程嵌巖樁相關技術資料，考慮在相同的巖土層及施工水平情況下，主要從樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強度三個方面分析其對基樁的影響，通過數值模擬方法對基樁變形特性進行探討，以期為類似工程實踐提供一定的參考。

1 工程背景

該工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層；結構形式為剪力墻結構，建筑結構安全等級為二級。本地區抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為標準設防類（丙類），樁混凝土強度為C30。

根據該工程地勘報告，擬建場地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰巖1、白云質灰巖2，白云質灰巖2 為場地軟弱層，巖體較破碎。

本次模擬分析時基樁樁徑為1800mm，工程樁樁長為16.0m（其中進入紅黏土深度為4m，進入巖層深度為12m），樁頂荷載設為2150kN。

2 數值模型

本次數值模擬采用有限元軟件Midas 進行建模分析，模擬范圍為上方取至地表，模型平面為18×18m 正方形，深度取50m。模型的邊界條件通過限制模型四個側面和底面法向的位移來實現，頂面自由。基樁采用梁單元模擬。模型概貌如圖1 所示，基樁及巖土材料參數如表1 所示[4-6]。

表1 基樁及巖土材料參數

圖1 模型概貌圖

3 模擬分析

3.1 樁徑

根據計算結果分析，不同樁徑荷載-沉降值如表2 所示（其余參數與原設計相同）。

表2 樁頂沉降值對比表

當樁徑變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢，特別是樁徑從1m 增大到1.4m，甚至到1.8m 這個過程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值分別達到-1.002mm 及-0.483mm，差異百分率分別達到56.5%及37.4%，說明在這個階段樁徑增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果明顯。當樁徑從1.8m 增大到2.0m 時，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值為-0.024mm，差異百分率僅為1.9%，說明在這個階段樁徑增大使得樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

3.2 嵌巖深度

根據計算結果分析，不同嵌巖深度荷載-沉降值如表3 所示（其余參數與原設計相同）。

表3 樁頂沉降值對比表

當嵌巖深度變大，各加載階段樁頂沉降均呈逐漸減小趨勢，特別是嵌巖深度小于7.2m（四倍樁徑）這個過程，樁頂沉降減小明顯，其變化差值為-0.53mm，差異百分率達到35.9%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果明顯。

當嵌巖深度介于7.2m（四倍樁徑）～10.8m（六倍樁徑）之間時，樁頂沉降變化趨緩，其變化差值分別為-0.089mm 及-0.095mm，差異百分率分別為6.42%及7.36%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

特別地，當嵌巖深度達到16.2（九倍樁徑）時，由于數值模型樁尺度影響，樁頂沉降出現反向增大，其變化差值為0.042mm，差異百分率為-3.15%；當嵌巖深度達到21.6m（十二倍樁徑）時，樁頂沉降繼續輕微減小，其變化差值為-0.0014mm，差異百分率為1.1%，說明在這個階段嵌巖深度增大使得樁基承載性能變化不明顯，繼續增大嵌巖深度已無必要。

3.3 樁身混凝土強度

針對不同的樁身混凝土強度，取不同的混凝土彈性模量以達到分析目的。根據計算結果分析，不同樁身混凝土強度荷載-沉降值如表4 所示（其余參數與原設計相同）。

表4 樁頂沉降值對比表

當樁身混凝土強度變大，各加載階段樁頂沉降總體呈逐漸減小趨勢，特別是當混凝土強度小于C30 時，樁頂沉降減小相對明顯，其變化差值分別達到-0.075mm 及-0.051mm，差異百分率分別達到5.59%及3.95%，說明在這個階段混凝土強度增大使得樁基承載性能增強幅度較大，效果相對明顯。

當混凝土強度為C35，甚至C40 時，樁頂沉降雖然繼續不斷變小，變化差值分別為-0.035mm 及-0.022mm，差異百分率分別為2.78%及1.78%，但趨勢明顯變緩，樁基承載性能增強幅度較小，效果不再明顯。

4 結論

本文以重慶秀山地區某工程為背景，對嵌巖樁變形影響因素進行分析，主要從嵌巖樁樁徑、嵌巖深度、樁混凝土強度三個方面來分析其對基樁的影響，基于此對該工程基樁變形特性進行進一步探討，得到的主要結論如下：

（1）該工程基樁樁徑及嵌巖深度的變化對樁基承載性能發揮影響相對明顯，而樁身混凝土強度的變化對樁基性能發揮影響相對較小；

（2）該工程基樁樁徑、嵌巖深度及混凝土強度參數對基樁變形特性存在瓶頸效應，盲目增大相關參數不會對樁基變形特性產生明顯影響。