不同圍巖強(qiáng)度下大直徑嵌巖鉆孔灌注樁承載力尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬

李光耀，趙克烈，魯祖德

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430050；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

直徑大于0.8 m的樁為大直徑樁[1]，在灌注樁開(kāi)挖過(guò)程中，由于應(yīng)力的釋放和應(yīng)力重新分布，造成側(cè)壁和孔底巖土體的松弛，從而降低了樁身側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]明確規(guī)定，大直徑樁單樁極限承載力需考慮樁尺寸效應(yīng)的影響，并給出了樁端阻力和樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，見(jiàn)表 1。表中僅給出了土體的大直徑灌注樁側(cè)阻力和樁端阻力的尺寸效應(yīng)系數(shù)，對(duì)于嵌入巖石的大直徑灌注樁是否需要進(jìn)行尺寸修正，以及如何修正，規(guī)范中沒(méi)有提及。實(shí)際上，對(duì)于嵌入巖石的鉆孔灌注樁，隨著樁體直徑越來(lái)越大，嵌入巖體越來(lái)越深。鉆孔灌注樁的開(kāi)挖會(huì)引起土體松弛，對(duì)于風(fēng)化巖體、破碎巖體、甚至完整巖體同樣會(huì)引發(fā)松弛作用，從而影響到樁基的承載力。目前對(duì)于大直徑樁的尺寸效應(yīng)研究主要在入土灌注樁方面[2]，對(duì)于嵌入巖體的灌注樁，主要研究承載力特性、變形及有效嵌巖深度方面[3－5]，而對(duì)于大直徑嵌巖樁承載力的尺寸效應(yīng)幾乎沒(méi)有涉及。

表1 大直徑灌注樁效應(yīng)系數(shù)Table 1 The size effect coefficient of large diameter rock-socked pile

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋主墩嵌巖樁的直徑達(dá) 3.4 m，大直徑嵌巖灌注樁樁端端阻力和樁側(cè)摩阻力的尺寸效應(yīng)問(wèn)題已成為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本文利用數(shù)值模擬的方法，分析了天興洲大橋直徑達(dá)3.4 m嵌巖鉆孔灌注樁，由于開(kāi)挖引起的極限承載力尺寸效應(yīng)問(wèn)題，通過(guò)模擬 20種工況，得到了不同巖體和不同直徑的大直徑嵌巖樁的樁側(cè)、樁端阻力的尺寸效應(yīng)系數(shù)。

2 三維計(jì)算模型

本文采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算時(shí)，圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，樁采用彈性模型，嵌入巖體的深度為25 m。模形坐標(biāo)系原點(diǎn)選在樁的底面圓心，水平面為XZ坐標(biāo)系平面，豎直向?yàn)樽鴺?biāo)系Y軸方向。模型下表面用Y向簡(jiǎn)支約束，4個(gè)縱表面受垂直于表面的法向簡(jiǎn)支約束，上表面自由，網(wǎng)格類型采用六面體單元，樁體附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密。模型如圖1、2所示。

圖1 整體網(wǎng)格圖Fig.1 Integrated grid

圖2 樁和圍巖地質(zhì)模型Fig.2 Geological model of the pile and the surrounding rock

本次研究了抗壓強(qiáng)度為1、5、10、20 MPa，樁直徑為0.8、1.5、2.5、3.4、5.0 m的20種工況，計(jì)算工況詳見(jiàn)表2，樁周圍巖參數(shù)取值見(jiàn)表3。圍巖-樁接觸模型：為考查圍巖與樁之間的相互作用，設(shè)定強(qiáng)度10 MPA及以下的巖石與樁面單獨(dú)建立接觸面單元，強(qiáng)度為10 MPA以上的巖石和樁面為膠結(jié)良好，不單獨(dú)建立接觸面單元[6－8]。

表2 計(jì)算工況表Table 2 Calculated condition

表3 材料參數(shù)表Table 3 The parameters of material

計(jì)算分為以下幾個(gè)步驟[9－11]：①在自重應(yīng)力、水壓作用下圍巖應(yīng)力平衡；②開(kāi)挖樁位巖土體；③澆筑樁身混凝土，建立樁-圍巖接觸平衡；④樁頂部不斷進(jìn)行位移加載，直到破壞，求出極限摩阻力、極限端阻力；⑤不考慮開(kāi)挖樁和澆筑樁的這些步驟，直接在樁上施加位移荷載，直至破壞，求出這一工況的極限側(cè)阻力、極限端阻力；⑥比較第4和第5步的極限側(cè)阻力、極限端阻力的大小，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得到尺寸效應(yīng)系數(shù)。

3 數(shù)值模擬過(guò)程受力狀態(tài)分析

地基巖體初始地應(yīng)力受巖體自重的影響，應(yīng)力從上到下依次增大。在鉆孔樁成樁過(guò)程中，巖體被開(kāi)挖成長(zhǎng)柱形，圍巖全部受壓，樁周、樁底巖體有顯著的應(yīng)力釋放，樁底以上局部區(qū)域有壓應(yīng)力集中，巖體發(fā)生局部破壞，見(jiàn)圖3。

圖3 工況5樁孔形成后圍巖破壞區(qū)域分布Fig.3 Undermine regional distribution of the surrounding rock mass

樁周巖體向樁方向收斂，樁底位移向上；隨著開(kāi)挖樁徑增大，圍巖位移相應(yīng)增大；樁徑相同，圍巖強(qiáng)度越低，開(kāi)挖后圍巖位移越大。澆筑樁體后，圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布恢復(fù)到初始應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，樁底最大位移量減小，但破壞區(qū)大小不會(huì)發(fā)生改變。在壓樁過(guò)程中，由圖4可見(jiàn)，隨著樁承受壓力的增大，樁側(cè)巖體從上到下發(fā)生破壞，最后樁端巖體發(fā)生破壞，側(cè)阻力和端阻力達(dá)到極限，繼續(xù)施加荷載時(shí)豎向位移增加，施加在樁端的荷載趨于一個(gè)定值。

4 極限承載力尺寸效應(yīng)系數(shù)分析成果

數(shù)值計(jì)算中的巖體基于Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用位移加載方法，當(dāng)巖石發(fā)生破壞后，位移繼續(xù)增加，但荷載不能繼續(xù)增加，此時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)無(wú)限趨近于某個(gè)定值的力為樁的極限承載力。利用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，將樁底每個(gè)節(jié)點(diǎn)力之和轉(zhuǎn)化為極限端阻力，樁側(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)向上的力之和轉(zhuǎn)化為極限側(cè)摩阻力。工況 1～5的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。圖5為圍壓1 MPa時(shí)樁端極限阻力和樁側(cè)極限阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)擬合曲線。端阻尺寸效應(yīng)擬合公式為ψb=(0.8/D)0.275，樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)擬合公式為ψs=(0.8/D)0.234。圍壓強(qiáng)度為5、10、20 MPa的工況下樁端阻力和樁側(cè)極限摩阻力尺寸效應(yīng)擬合公式為側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)ψs、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)ψb，見(jiàn)表5。從表中可以看出，(1) 圍巖強(qiáng)度越小，極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)越大，尺寸效應(yīng)系數(shù)越小。當(dāng)圍巖強(qiáng)度為1～5 MPa時(shí), 圍巖在開(kāi)挖過(guò) 程中破壞明顯，尺寸效應(yīng)顯著；當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于10 MPa 時(shí)，圍巖破壞不明顯，尺寸效應(yīng)明顯減弱；(2) 相同圍巖強(qiáng)度下，樁徑越大，極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)越大，尺寸效應(yīng)系數(shù)越小。相比樁側(cè)阻力，樁端阻力尺寸效應(yīng)更明顯，尺寸效應(yīng)系數(shù)略??；(3) 極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)與直徑成雙曲線函數(shù)關(guān)系，用ψ=(0.8/ D)1/n函數(shù)擬合效果較好。

圖4 工況1壓樁階段圍巖破壞區(qū)域演化圖Fig.4 Undermine regional distribution of the surrounding rock mass

表4 1 MPa圍巖下樁的極限承載力計(jì)算結(jié)果表Table 4 The ultimate bearing capacity of pile under surrounding rock

圖5 尺寸效應(yīng)系數(shù)Fig.5 The size effect coefficients of large diameter rock-socked pile

表5 大直徑嵌巖效應(yīng)系數(shù)Table 5 The size effect coefficients of large diameter rock-socked pile

5 實(shí) 例

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋 2#墩和 3#墩采用直徑為3.4 m的鉆孔灌注樁，覆蓋層主要是第四系全新統(tǒng)河流沖積相砂類土，樁基計(jì)算不考慮側(cè)阻力，樁基持力層基巖為強(qiáng)膠結(jié)礫巖、中膠結(jié)礫巖和弱膠結(jié)礫巖。根據(jù)前面研究尺寸效應(yīng)計(jì)算公式，得出天興洲長(zhǎng)江大橋 2#墩和 3#墩大直徑鉆孔灌注樁巖石尺寸效應(yīng)修正系數(shù)，見(jiàn)表 6。2#墩基巖為中膠結(jié)礫巖和強(qiáng)膠結(jié)礫巖，3#墩基巖為弱膠結(jié)礫巖，其間夾少量中膠結(jié)礫巖。從表6可以看出，2#墩樁基的總承載力考慮尺寸效應(yīng)比不考慮尺寸效應(yīng)時(shí)減少約 7%。3#墩樁基的總承載力考慮尺寸效應(yīng)比不考慮尺寸效應(yīng)時(shí)減少約25%?？梢?jiàn)，大直徑嵌巖灌注樁樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的尺寸效應(yīng)問(wèn)題是不可忽視的，特別是軟質(zhì)巖。

表6 2#墩和3#墩巖石尺寸效應(yīng)系數(shù)Table 6 The size effect coefficients of rock

6 結(jié) 論

（1）圍巖強(qiáng)度越小，極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)越大，尺寸效應(yīng)系數(shù)越小。當(dāng)圍巖強(qiáng)度為1～5 MPa時(shí)，圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中破壞明顯，尺寸效應(yīng)顯著；當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于10 MPa時(shí)，圍巖破壞不明顯，尺寸效應(yīng)明顯減弱。

（2）相同圍巖強(qiáng)度下，樁徑越大，極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)越大，尺寸效應(yīng)系數(shù)越小。相比樁側(cè)阻力，樁端阻力尺寸效應(yīng)更明顯，尺寸效應(yīng)系數(shù)略小。

（3）極限端樁阻力和極限摩阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)與直徑成雙曲線函數(shù)關(guān)系，用ψ=(0.8/ D)1/n函數(shù)擬合效果較好。

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