嵌巖樁單樁豎向承載性狀數(shù)值分析

盛紅星，劉杰

(蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000)

1 前 言

嵌巖樁具有單樁承載力高、沉降小、抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)、高層建筑等大型工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1，2]。嵌巖樁豎向承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，場(chǎng)地的巖土層分布及其特性對(duì)樁側(cè)摩阻力和樁端阻力具有重要影響，對(duì)于具有覆蓋層的嵌巖樁而言，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力就體現(xiàn)出不同，邢皓楓[3]等提出設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略覆蓋層的影響，而深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)嵌巖樁的承載特性同樣不能忽視，對(duì)其展開(kāi)研究就顯得很有必要。

因嵌巖樁試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，破壞試驗(yàn)難以進(jìn)行，許多學(xué)者已對(duì)嵌巖樁承載特性及其影響因素進(jìn)行了有限元研究[3，5]，邢皓楓[3]等建立了三維有限元模型對(duì)嵌巖樁單樁和群樁豎向受力特性進(jìn)行分析，邱鈺[4]等采用線彈性與彈塑性模型，對(duì)深長(zhǎng)大直徑嵌巖樁單樁豎向承載性狀進(jìn)行分析，黃生根[5]等對(duì)樁-巖接觸面采用正弦曲線模擬，對(duì)大直徑嵌巖樁豎向承載性狀進(jìn)行系統(tǒng)分析，均獲得有益結(jié)論。因此有限元法是一種行之有效的分析方法。

本文針對(duì)位于深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)的蕪湖市營(yíng)盤(pán)山路延伸段道路橋梁的嵌巖樁基礎(chǔ)，依據(jù)該橋梁3#嵌巖樁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)3#樁)靜載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，通過(guò)有限元分析建模分析其豎向承載性狀，結(jié)果表明3#樁端阻力對(duì)荷載發(fā)揮主要作用，具有摩擦端承樁的承載特性，對(duì)深厚黏土及風(fēng)化覆蓋層區(qū)嵌巖樁設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

蕪湖市營(yíng)盤(pán)山路延伸段道路橋梁工程場(chǎng)地位于長(zhǎng)江南岸，蕪湖市區(qū)的東部，東至二環(huán)路，西與已建營(yíng)盤(pán)山路相連，其中K0+170～K0+230為3跨 20 m預(yù)應(yīng)力梁橋，橋?qū)?54 m。本文研究的3#嵌巖樁樁長(zhǎng)L=31.2 m，直徑D=1.2 m，嵌入弱風(fēng)化粉砂巖深度hr=2.3 m。

模型所采用主要物理力學(xué)參數(shù)表 表1

3 有限元建模及分析

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)該工程的3#樁豎向荷載特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；谇稁r樁豎向受力特性，采用軸對(duì)稱(chēng)有限元法對(duì)單根嵌巖樁建模分析[5，6]，分析模型如圖1所示，黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體的模型徑向尺寸為樁兩側(cè)各10D[5]，垂向尺寸為1.7L[7]。

圖1 模型幾何形狀及網(wǎng)格劃分

嵌巖樁樁身材料混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，采用線彈性模型，黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體的本構(gòu)模型均采用M-C(Mohr-Coulomb)模型，樁身和巖土體均用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共約 19 200個(gè)單元，樁身與黏土及風(fēng)化覆蓋層和巖體之間的接觸通過(guò)接觸對(duì)實(shí)現(xiàn)，采用庫(kù)侖摩擦(Coulomb friction)模型[6]，樁底端面與巖體的接觸面采用Tie約束，樁身及巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

豎向荷載的施加是通過(guò)將豎向荷載按受力面積轉(zhuǎn)換為均布荷載而施加于樁頂面，避免了豎向集中力加載時(shí)可能造成的應(yīng)力集中，并通過(guò)采用不同分析步長(zhǎng)逐級(jí)加載的方式實(shí)現(xiàn)，下文將對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 沉降分析

豎向荷載分為1409 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、707 kN等9級(jí)逐步施加在樁頂端面，圖2、圖3所示的分別是3#樁的荷載和位移計(jì)算云圖，圖4所示的是將數(shù)值計(jì)算同現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載-沉降(Q-s)曲線對(duì)比圖，實(shí)測(cè)和數(shù)值均反映出3#樁在累積最大荷載 7 044 kN作用下，仍處于彈性變形階段，模擬結(jié)果同實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)基本趨向一致，吻合非常好，可表明本次有限元模擬的參數(shù)選取、網(wǎng)格劃分等一些可能對(duì)結(jié)果造成影響的客觀建模因素的選取方法是可取的，模擬結(jié)果有一定的可信度。

圖2 荷載云圖

圖3 位移云圖

圖4 3#樁模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

僅依據(jù)沉降分析還不足以詳細(xì)了解覆蓋層樁側(cè)摩阻力，嵌巖段樁側(cè)摩阻力以及樁端阻力的分布情況，下文將對(duì)此進(jìn)一步分析。

4.2 軸力和側(cè)摩阻力分析

如圖5、圖6所示的分別是樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的分布圖。在荷載的作用下，樁身軸力隨深度增加呈現(xiàn)出不斷遞減的趨勢(shì)，且在樁身淺部、中部和端部附近均有明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)，拐點(diǎn)的出現(xiàn)表明荷載傳遞特性發(fā)生變化，圖6清晰地反映出樁身淺部和端部附近產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，而樁身中部由于土層特性增強(qiáng)導(dǎo)致側(cè)摩阻力增加迅速。與軸力變化對(duì)應(yīng)，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢(shì)，但總體上對(duì)豎向荷載的分擔(dān)比例在不斷減小，由于弱風(fēng)化砂巖的側(cè)摩阻力逐漸被調(diào)動(dòng)起來(lái)，嵌巖段樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，表現(xiàn)為對(duì)側(cè)摩阻力的分擔(dān)比例逐漸增加(如表2所示)。嵌巖段出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，可能是由于hr較小或是其他原因，留待將來(lái)進(jìn)一步探討。

4.3 端阻力分析

圖7反映了3#樁樁端阻力隨豎向荷載增加而變化的情況，端阻力分擔(dān)荷載情況如表2所示，當(dāng)豎向荷載施加時(shí)端阻力所分擔(dān)的荷載占59.3%，隨著荷載的增加，端阻力所分擔(dān)的荷載呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，而在最大荷載作用時(shí)，端阻力所占比例高達(dá)75.9%。

可以認(rèn)為3#樁在承載力極限狀態(tài)下，其樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。因此，一方面在工程建設(shè)中應(yīng)依據(jù)場(chǎng)地巖土層分布及其特性對(duì)所采用的嵌巖樁承載特性展開(kāi)針對(duì)性分析，同時(shí)作者未來(lái)將對(duì)本場(chǎng)地嵌巖樁特性造成影響的可能影響因素進(jìn)行深入分析研究，以便更加有效地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

圖5 樁身軸力分布圖

圖6 樁身側(cè)摩阻力分布圖

圖7 端阻力隨荷載變化圖

樁側(cè)摩阻力和端阻力分布情況 表2

5 結(jié) 論

(1)利用ABAQUS軟件以3#樁建模進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將實(shí)測(cè)和數(shù)值荷載-沉降關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示實(shí)測(cè)和數(shù)值趨勢(shì)基本趨向一致，吻合非常好，說(shuō)明本次數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的結(jié)果是可信的。

(2)隨著豎向荷載的施加，在淺部黏土覆蓋層和嵌巖段出現(xiàn)負(fù)摩阻力，嵌巖段樁側(cè)摩阻力對(duì)樁側(cè)總摩阻力承擔(dān)比例不斷增加，而樁側(cè)摩阻力對(duì)豎向荷載承擔(dān)比例不斷減小。

(3)3#樁在承載力極限狀態(tài)下，樁頂端的豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩阻力起次要承載作用，具有摩擦端承樁的承載性狀。

致謝

本文作者對(duì)蕪湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站的蔣正在收集工程勘察設(shè)計(jì)及檢測(cè)報(bào)告等資料方面的工作表示感謝。