深層大傾斜巖面沖孔灌注樁承載力特性研究

沖孔灌注樁作為常見的樁基礎形式，具有強大的承載能力，然而，在巖溶地區，多存在深層大傾斜巖面等不良地質條件，對于作為高層建筑等巨大荷載作用下的樁基礎，具有更大的挑戰。為了研究沖孔灌注樁在深層大傾斜巖面上的承載力特性，通過MIDAS GTS NX大型有限元軟件對傾斜巖面條件下的單樁靜載樁-土數值模型，驗證數值模型的準確性。通過設定不同的斜巖傾斜角度、不同樁長條件下，研究沖孔灌注樁樁基礎的承載力特性，并分析其承載力影響因素，總結斜巖傾斜角度、樁長對承載力的影響規律。

傾斜巖面； 沖孔灌注樁； 承載力； 數值模擬

TU473.1+1 A

［定稿日期］2021-09-23

［作者簡介］鄧啟智（1994—），男，本科，工程師，從事土木工程施工技術工作。

在廣州花都地區，復雜多變的巖溶地質條件普遍存在，如深層大傾斜巖面、溶洞等不良地質，沖孔灌注樁具有強大的地質環境適應能力［1］，且承載力高，可作為巖溶地區高層建筑的樁基礎。目前，已有多數學者對巖溶地質條件下樁基礎的承載力特性進行研究，李金良等［2］通過ABAQUS有限元軟件建立單樁數值模型，研究巖溶區樁基礎在豎向荷載作用下的承載能力；王鵬［3］通過FLAC有限元差分軟件樁基礎模型，結合現場試驗，研究分析了巖溶區沖孔灌注樁的承載機理及其穩定性；樁基承載力由樁側摩阻力與樁端承載力組成，巖溶地區的巖層能夠為樁基礎提供足夠的樁端承載力，尤其在承受高層建筑這種巨大的上部荷載，嵌巖深度對樁基礎的承載能力具有較大的影響；徐卓君［4］基于上下限有限元分析模型，研究嵌巖樁樁端極限承載特性，分析嵌巖深度、樁-溶洞垂直距離等對極限承載力的影響規律；董蕓秀等［5］通過樁基礎靜載試驗，研究巖溶區橋梁樁基礎在不同荷載作用下樁頂的沉降規律，通過分析巖-樁體系力學模型中溶洞頂板的破壞模式，提出一種計算樁合理嵌巖深度的方法；徐華［6］結合現場試驗，通過有限元分析持力層頂板厚度、嵌巖深度等研究分析基樁的承載機理。以上成果均研究了巖溶區溶洞對樁基礎的影響，未考慮傾斜巖層的地質條件，目前，對這方面的研究仍較少。孫義舟等［7］基于Hoek-Brown強度準則和Meyerhof塑性理論，研究分析了斜巖傾斜角度、樁嵌入比等因素對樁基承載力的影響規律；鄒江超［8］利用PKPM結構設計軟件設計樁筏基礎，通過ABAQUS建立相應的數值模型模擬分析傾斜巖面條件下，樁徑對土體及樁頂沉降位移的影響規律。

工程實踐證明，在巖溶地區深層大傾斜巖面的不良地質條件下，樁長不足或樁底未穿過傾斜巖層，容易導致基礎沉降過大、樁底破壞等工程問題。針對廣州北站綜合交通樞紐開發建設項目（二期）安置區所處巖溶區深層大傾斜巖面的不良地質條件及巖層上覆軟弱土層的地基難題，本文結合現場單樁靜載試驗，利用MIDAS GTS NX大型有限元軟件進行數值模擬，分析不同樁長、斜巖傾斜角度對沖孔灌注樁承載力的影響。

1 樁基承載力計算

大直徑鉆（沖）孔灌注樁選用微風化巖層作為持力層時，樁端嵌入基巖深度應不小于0.5 m時，樁基承載力按嵌巖樁計算。計算公式見式（1）～式（4）。

Ra=Rsa+Rra+Rpa（1）

Rsa=u∑qsiali（2）

Rra=upC2frshr（3）

Rpa=C1frpAp（4）

式中：Rsa為樁側土總摩阻力特征值；Rra為樁側巖總摩阻力特征值；Rpa為持力巖層總端阻力特征值；up為樁嵌巖段截面周長；hr為嵌巖深度，當巖面傾斜時以低點起計；Ap為樁截面面積，對擴底樁取擴大頭直徑計算樁截面面積；frs、frp分別為樁側巖層和樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度；C1、C2為系數，根據持力層基巖完整程度及沉渣厚度等因素而定，如表1所示。

單樁承載力特征值可按廣東省地方標準DBJ15-31-2016《建筑地基基礎設計規范》的相關公式進行計算，建議C1和C2取值如表1所示。

2 數值模擬

2.1 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐開發建設項目（二期）安置區地塊二位于廣州市花都區廣州北站南側，工業大道東旁粵花小區附近，毗鄰新街河，屬廣州北站綜合交通樞紐項目的配套工程，交通較為方便，京廣高鐵、京廣鐵路107 國道（廣清高速）、106 國道及多條省道貫穿全街南北，水路由巴江連接珠江。街內有國家二類口岸花都港、廣州火車北站和廣州新白云國際機場，地鐵9 號線部分車站現已開通運營。項目主要包括住宅樓，商鋪和相應配套（幼兒園、派出所等），住宅樓高度81.8～97.8 m（至屋面），其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本次詳細勘察階段為項目（二期）安置區地塊二。地塊二建筑面積約為115 118 m2，計容面積77 021 m2，不計容面積38 089 m2，容積率為3.2，共建設5 棟住宅樓，1 座幼兒園，暫定地上最高26～28 層，設地下室2 層，局部地下3層。本工程室內標高±0.000 相當于廣州市高程系統11.000 m，室內地坪高出室外地坪約為150～300 mm，地下室底板標高暫定為廣州市高程系統-1.60～2.20 m；本工程結構形式為剪力墻結構，住宅樓抗震設防為丙類，幼兒園抗震設防為乙類；基礎擬采用鉆（沖）孔灌注樁樁基礎，擬采用微風化灰巖作為基礎持力層，預估最大柱底軸力13 000 kN。

2.2 數值模型

2.2.1 土層參數

根據勘察資料，235號樁對應場地土層信息如表2所示，經現場沖孔灌注樁施工樁底斜巖開始出現于中風化灰巖層，根據施工過程中，沖錘遇到傾斜巖面時，帶動鋼絲繩傾斜偏位，測得鋼絲繩的偏位距離及沖錘下落深度，由于沖錘與傾斜巖面之間可能殘留有碎土塊碎石等，對斜巖角度只能預估判斷，最終計算預估斜巖傾斜角度在28°～33°之間。

2.2.2 有限元模型建立

Midas GTS NX是一款針對巖土工程方面的通用有限元軟件，能夠進行線性和非線性的靜力分析、滲流及固結分析、施工階段分析等。本文利用Midas GTS NX大型有限元軟件進行數值模擬分析，建立單樁靜載數值模型（圖1），其建模過程包括：

（1）根據實際情況建立樁-土幾何模型，其中沖孔灌注樁為1 200 mm，單樁承載能力特征值為10 000 kN。

（2）根據表2設置具體的土層參數信息，沖孔灌注樁材料使用C40混凝土，完成材料信息導入后，設置相應的材料屬性。

（3）對樁模型及多層土層模型進行網格劃分。

（4）對樁-土模型施加約束及重力場，在樁頂設置分級加載的集中荷載，第一級4 000 kN，第二級8 000 kN，第三級開始逐級增加2 000 kN，最終加載至20 000 kN。

（5）根據分級加載定義施工階段，進行求解操作。

3 深層大傾斜巖面沖孔灌注樁影響因素分析

3.1 極限荷載作用下有無傾斜巖面時的整體沉降對比分析

圖2是無傾斜巖面以及不同傾斜角度，樁長為17 m時的沉降云圖，這是典型的單樁在極限荷載作用下的沉降云圖。從圖2可以看出，單樁在極限荷載作用下，灌注樁的沉降隨著深度的增加而有規律地減小；靠近灌注樁的土由于和灌注樁之間存在摩擦，灌注樁的下沉帶著土下沉，所以這個地方的土體的沉降比遠離灌注樁的要大，且由于斜巖的存在，整體的沉降量較無傾斜巖面的情況要大，且隨這斜巖角度增大。這是符合工程常識的，說明了有限元分析的準確性。圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）中可看出，受傾斜巖面的影響，在極限荷載作用下，灌注樁左、右兩側土體沿傾斜巖面方向沉降量逐漸增大，且隨斜巖傾斜角度增大，沉降量增大趨勢更為明顯，而在圖2（a）無傾斜巖面的情況下，灌注樁左、右兩側土體的沉降量基本一致。

3.2 極限荷載作用下有無傾斜巖面時的應力分析

圖3是無傾斜巖面以及不同傾斜角度，樁長為17 m時的應力云圖。分析這些應力云圖，可以看出，單樁在極限荷載作用下，有無傾斜巖面的存在，模型中應力分布情況不同；改變巖面的傾斜角度，能夠得到相應的應力分布規律。

從圖3中可以看出，4種情況中，由于集中荷載的作用，樁的最大應力集中在樁頂，且呈受壓狀態，且應力主要分布在-13～0 m之間，即分布在土層，而在巖層中應力較小，在入巖后應力減小明顯，且隨深度增加，樁的應力逐漸減小；遠離樁身部分的土體應力由受壓逐漸變為受拉狀態；無傾斜巖面的情況下，樁的應力主要集中于樁的上半部分；而在巖面傾斜的情況下，應力主要集中在樁的下半部分，且隨傾斜角度的增大，應力逐漸增大，在傾角為60°的情況下，樁的應力趨向于集中在傾斜巖面處，且此時的樁為完全穿過斜巖，這種情況較為危險，工程中應避免此類情況發生，應加長樁長，穿過傾斜巖層。

3.3 單樁荷載-沉降（Q-s）曲線分析

將按照傾斜巖面角度的不同來細述單樁靜載數值模擬的結果。所有Q-s曲線中5 m表示樁長為5 m，其他依此類推。圖4（a）～圖4（d）是不同樁長的傾角為15°～60°下單樁荷載-沉降（Q-s）曲線。

3.3.1 灰巖傾角為15°，30°時的分析

（1）當樁長為5 m、8 m、11 m、14 m、17 m時，Q-s曲線都是一條直線，這說明灰巖傾角為15°、30°時，單樁沉降只是彈性變化，還沒進入塑性狀態，這是由于巖面傾角較小，樁端直接與灰巖接觸，在樁端和灰巖完好接觸時，樁底很難發生滑動。

（2）隨著樁長的增加，每一級荷載對應的沉降也是有規律地增加，這是由于灌注樁在荷載的作用下產生了壓縮變形，樁長越長，在相同荷載作用下，壓縮變形就越大，由于這里樁端和灰巖的滑移很小，壓縮變形的比例很大，所以樁長變化對沉降的影響很大。例如灰巖傾角為15°時，在極限荷載作用下，樁長5 m時沉降為-2.535 mm，而樁長17 m時為-6.824 mm，兩者相差很大。

（3）當灰巖傾角為15°、30°時，在極限荷載（20 000 kN）作用下，樁頂沉降最大僅為-6.292 mm（30°傾角，樁長17 m），和規范規定的最大沉降40 mm相差甚遠，這再一次說明樁端和灰巖的接觸是完好的。

從以上分析可以得到：巖面傾角為15°、30°時，灌注樁在灰巖面上基本不發生滑動，灌注樁的單樁承載力可以達到設計要求。

3.3.2 灰巖傾角為45°、60°時的分析

圖4（c）、圖4（d）是巖面傾角分別為45°、60°時的Q-s曲線，從中可以看出：

（1）當灰巖傾角為45°，豎向荷載大于1 000 kN時，或傾角60°，豎向荷載大于8 000 kN時，Q-s曲線不再是一條直線，而是呈彎曲向下，說明此時灌注樁的沉降已經進入塑性狀態。這是由于隨著灰巖傾角加大，灌注樁在荷載作用下，更容易發生滑移，而且當傾角為60°時沉降比45°時更早進入塑性狀態。

（2）無論灰巖傾角是45°還是60°，在極限荷載作用下，灌注樁樁頂的最大沉降并沒有因為樁長的差別而相差很遠。這是由于樁長較短，荷載大部分都是由樁頂承擔，而且樁底滑移加大，使得滑移在總沉降中所占的比例增大。

（3）當灰巖傾角為45°和60°時，在極限荷載（20 000 kN）作用下，樁頂沉降最大-13.63 mm（60°傾角，樁長5 m），和規范規定的最大沉降40 mm相差甚遠，這說明樁端和灰巖的接觸是可靠的。

（4）從圖4（d）看出，當樁長為5 m時，在極限荷載作用下，灌注樁的沉降要比其他更長的樁的沉降要大。這說明5 m這種超短樁在巖面傾角較大時，受力存在不利的情況，需要特別注意。

從以上分析可以得到：巖面傾角為45°、60°時，灌注樁在灰巖面上已經發生了相對滑動，但是滑動還不是很大，灌注樁的單樁承載力可以達到設計要求。

4 結論

本文結合工程項目，利用MIDAS有限元軟件，對深層大傾斜巖面沖孔灌注樁承載力特性進行分析研究，得出了結論：

（1）從有限元的分析結果可以看出，在該工程地質條件下，灌注樁樁底承擔了絕大部分荷載，基本上是 70%以上。

（2）較短樁樁底承擔了絕大部分荷載，如果施工質量不好的話就很容易出現事故，設計及施工時應該特別注意或者避免。

（3）單樁靜載有限元模擬的Q-s曲線顯示：灰巖傾角不大于30°和灰巖傾角不小于 45°，Q-s曲線分別呈現彈性、塑性2種不同的狀態，所以當工程上遇到灰巖傾角小于 30°的情況，灌注樁底部灌注的混凝土可以少些，當灰巖傾角大于 30°可以加大混凝土的壓入量。

參考文獻

［1］ 向澤. 沖孔灌注樁施工技術研究［D］.重慶：西南大學， 2015.

［2］ 李金良，邢宇鋮，崔偉，等.豎向荷載作用下巖溶區單樁承載特性研究［J］. 濟南大學學報（自然科學版），2020（4）：417-422.

［3］ 王鵬. 巖溶地區沖孔灌注樁承載機理研究［D］. 南寧： 廣西工學院， 2012.

［4］ 徐卓君. 巖溶區嵌巖樁承載機理及計算方法研究［D］. 2018.

［5］ 董蕓秀， 馮忠居， 郝宇萌，等. 巖溶區橋梁樁基承載力試驗與合理嵌巖深度［J］. 交通運輸工程學報， 2018，18（6）：27-36.

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［8］ 鄒江超. 傾斜巖面條件下樁基受力性能研究［D］. 2018.