紅層嵌巖樁承載特性研究

金 樂 勝

(廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663)

紅層嵌巖樁承載特性研究

金 樂 勝

(廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663)

針對紅巖基巖各層厚度變化大且存在軟弱夾層的現(xiàn)象，采用ADINA有限元軟件，對紅層嵌巖樁的基層存在軟弱夾層時(shí)的承載特性進(jìn)行了研究，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，對今后的工程實(shí)踐具有重要的理論意義。

巖層，嵌巖樁，ADINA有限元，嵌巖深度，軟弱夾層

“紅層”基巖是廣東地區(qū)較典型的基巖類型之一，主要指白堊系的砂巖、泥巖或泥質(zhì)砂巖?！凹t層”基巖各層厚度變化較大，且普遍存在“軟弱夾層”的現(xiàn)象，而現(xiàn)有的規(guī)范對嵌巖樁承載力的規(guī)定都是建立在樁底基巖是強(qiáng)度較高的巖層基礎(chǔ)上，對基巖存在軟弱夾層的情況沒有給出明確的解答，這就給紅層嵌巖樁的設(shè)計(jì)工作帶來了一定困難?，F(xiàn)場荷載試驗(yàn)是確定紅層嵌巖樁承載力最可靠的方法。但其成本較高，時(shí)間較長，多用于大型的重要工程，一般工程中并不做荷載試驗(yàn)。本文通過ADINA有限元軟件，對紅層嵌巖樁的基巖存在軟弱夾層時(shí)的承載特性進(jìn)行了研究，對工程實(shí)踐具有一定的理論意義和使用價(jià)值。

1 有限元模型的建立

1)幾何模型。ADINA中有兩種建立模型的方法，Native和ADINA-M方法，本文中模型采用Native方法，借助ADINA的旋轉(zhuǎn)功能，建立樁巖(土)體的三維模型，如巖(土)體、樁體、接觸等。2)邊界條件。有限元計(jì)算中，邊界條件分為應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件。應(yīng)力邊界條件在ADINA中由設(shè)置外載荷來實(shí)現(xiàn)，先對模型施加重力荷載，導(dǎo)出地應(yīng)力，然后抵消地應(yīng)力產(chǎn)生的位移，在樁頂面施加均布荷載。位移邊界條件由設(shè)置模型邊界約束來實(shí)現(xiàn)，由于是實(shí)體單位，只有X，Y，Z三個(gè)方向的水平自由度。模型下表面施加Z方向約束，側(cè)表面施加X，Y方向約束即可。3)材料選取。本文中模型，對于樁體、巖層均采用彈性材料模擬，土層采用摩爾庫侖彈塑性材料模擬，具體參數(shù)見文中各個(gè)模型。4)單元選擇及劃分。在模型中，所有實(shí)體均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元。因?yàn)橛邢拊枰M(jìn)行模型離散，產(chǎn)生單元，所以要進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，綜合考慮運(yùn)算效率和精度，在應(yīng)力梯度較大處，適當(dāng)加密劃分份數(shù)，即在樁體附近巖土層加密單元，在遠(yuǎn)離樁體的部分，采用大塊的實(shí)體單元。5)后處理分析。使用ADINA的后處理功能，可以全面地分析模型計(jì)算后的結(jié)果，比如側(cè)摩阻力采用接觸面摩阻力云圖；位移用位移云圖表示；應(yīng)力可以采用應(yīng)力云圖。

2 嵌巖深度的影響

中風(fēng)化巖1為固定厚度3 m，下部存在3 m厚度的軟弱夾層(強(qiáng)風(fēng)化巖2)，樁體入中風(fēng)化巖1的深度hr為多大時(shí)，嵌巖樁承載性能最佳。圖1為模型幾何示意圖(一)。

計(jì)算參數(shù)：樁彈性模量Ep=30 GPa，泊松比vp=0.17，樁徑d=1 m；上覆土層1變形模量Es=10 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=20 kPa，φ=18°；上覆土層2變形模量Es=30 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=25 kPa，φ=25°；強(qiáng)風(fēng)化巖1彈性模量Eb=2 GPa，泊松比vb=0.25；強(qiáng)風(fēng)化巖2彈性模量分別取Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa，泊松比vb=0.25；中風(fēng)化巖1和2彈性模量Eb=10 GPa，泊松比vb=0.2；外荷載為15 MN。

圖2，圖3分別表示在15 MN外荷載下，軟弱夾層(強(qiáng)風(fēng)化巖2)彈性模量不同時(shí)，樁頂、樁端沉降隨著嵌巖深徑比的變化曲線。從圖2，圖3中可以看出：樁頂和樁端沉降曲線變化趨勢一致，這是因?yàn)橥夂奢d相同，而樁長變化不大，樁身壓縮量相近的緣故。強(qiáng)風(fēng)化巖2的Eb=10 GPa，即無軟弱夾層時(shí)，樁頂、端沉降隨hr/d的增加而逐漸減小，且減小幅度越來越小，這與嵌巖深度增加到一定程度后，對沉降沒有明顯影響的結(jié)論是一致的。當(dāng)存在軟弱夾層時(shí)，即強(qiáng)風(fēng)化巖2的Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa時(shí)，樁頂、端沉降隨hr/d的變化呈現(xiàn)波浪形曲線。在hr=1d和2.5d時(shí)，沉降存在兩個(gè)極小值；在hr=0和3.0d時(shí)，沉降存在兩個(gè)極大值。hr=0時(shí)，雖然樁端距軟弱夾層較遠(yuǎn)，但是端部荷載較大占據(jù)主要因素，使得沉降出現(xiàn)極大值。hr=3.0d時(shí)，雖然此時(shí)樁側(cè)阻發(fā)揮增大，端阻減小，但是樁端已經(jīng)接觸到軟弱夾層，該因素起主導(dǎo)作用，使得沉降也出現(xiàn)了極大值。在hr=1d和2.5d時(shí)，樁端荷載大小和樁端距軟弱夾層的距離兩者因素較為平衡，使得沉降出現(xiàn)極小值。同時(shí)，從圖2、圖3中也可看出，在相同的hr/d下，沉降隨著軟弱夾層的模量的增大而減小，這也和實(shí)際工程現(xiàn)象符合。

從以上分析中可以得出：樁體入中風(fēng)化巖1的深度hr為1d和2.5d時(shí)，樁頂、樁端沉降均有極小值?？紤]到施工方便和經(jīng)濟(jì)造價(jià)的原因，建議樁端嵌入中風(fēng)化巖層hr=1d時(shí)，嵌巖樁承載性能最佳。

3 樁端下硬巖厚度的影響

由上面第2節(jié)可知，一定厚度硬層下存在軟弱夾層時(shí)，樁體嵌入硬巖層最佳深度為hr=1d。本節(jié)主要研究樁體入硬巖(中風(fēng)化巖1)層hr=1d，下部存在厚度為3d的軟弱夾層(強(qiáng)風(fēng)化巖2)時(shí)，樁端下硬巖(中風(fēng)化巖1)厚度hp為多大時(shí)，嵌巖樁承載性能發(fā)揮較好。圖4為模型幾何示意圖(二)。

計(jì)算參數(shù)：強(qiáng)風(fēng)化巖2彈性模量Eb=1 GPa，樁直徑d=1 m和1.5 m，外荷載分別為15 MN，20 MN。其他計(jì)算參數(shù)同第2節(jié)模型參數(shù)。

圖5，圖6分別為樁徑d=1.0 m時(shí)，樁頂、樁端沉降隨荷載變

化曲線。從圖5，圖6中可以看出：沉降與荷載曲線的斜率隨著hp的增大而減小，且當(dāng)hp≥2d后，荷載沉降曲線較為接近，說明hp增大到一定程度后，對減小沉降、提高樁承載力的作用并不非常明顯。

圖7為不同樁徑下，端阻百分比隨hp/d的變化曲線。從圖7中可以看出：端阻百分比隨hp/d的增大而增大，且增大趨勢漸緩。當(dāng)hp/d≥2時(shí)，在其他條件相同的情況下，端阻百分比數(shù)值已經(jīng)相近，樁端沉降相差不大，這和前面分析得到的結(jié)論一致。

綜上分析，在存在一定厚度軟弱夾層的情況下，樁端下硬巖(中風(fēng)化巖1)厚度hp≥2d以后，嵌巖樁承載性能就可以有比較好的發(fā)揮，此時(shí)軟弱夾層對承載力的影響很小。

4 結(jié)語

在未考慮實(shí)際工程中樁底沉渣及樁側(cè)泥皮對嵌巖樁的承載性能影響下，將樁體、巖層簡化為彈性材料，土層采用摩爾庫侖彈塑性材料建立有限元模型，通過ADINA有限元軟件計(jì)算分析，得出在紅層巖土地層下，嵌巖樁有如下承載特性：

1)一定厚度硬巖下存在一定厚度的軟巖，在嵌入硬巖后承載能力滿足的情況下，樁體嵌入硬巖深度hr=1d時(shí)為最佳。

2)一定厚度硬巖下存在一定厚度的軟巖，在樁體嵌入硬巖深度hr=1d時(shí)，樁端距離硬巖層底的厚度hp≥2d后，嵌巖樁承載性能就可以有比較好的發(fā)揮，此時(shí)軟弱夾層對承載力的影響很小。

[1] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

Researchonloadingfeaturesofredbedsocketedpile

JINLe-sheng

(GuangdongTianxinPowerEngineeringInspectionCo.,Ltd,Guangzhou510663,China)

According to the obvious changes in thickness of the foundation layer of the red bed and its soft rock strata, the paper adopts the finite element software, ADINA, researches the loading features of the foundation layer of the red bed socketed pile in the soft rock strata, and achieves some conclusion, so it provides some theories for the following engineering practice.

strata, socketed pile, ADINA finite element, socketed depth, soft strata

1009-6825(2014)33-0045-02

2014-09-17

金樂勝(1983- )，男，工程師

TU473.11

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