嵌岩深度对嵌岩桩竖向承载性状的影响研究

周 颖 沈 简 黄 波

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070)



嵌岩深度对嵌岩桩竖向承载性状的影响研究

周 颖 沈 简 黄 波

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070)

结合工程实例，选用PLAXIS有限元软件，采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法，研究了嵌岩桩嵌岩深度的确定问题，并对试验桩进行了有限元模拟分析，通过对比分析结果与现场试桩结果，验证了模型的可靠性。

嵌岩桩，嵌岩深度，竖向承载机理，侧摩阻力，桩端阻力

0 引言

由于桩端岩体压缩性较小，使嵌岩桩具有单桩沉降量小，群桩效应小，承载力高等优点，被广泛应用于各种重要的建筑、水利、桥梁等各项民用工程中。特别是在岩石较多的山区，由于上覆土层较薄，为满足承载力的需要，工程中直接将桩嵌入到基岩内。

但是由于嵌岩桩桩极限承载力较高、试桩难以达到破坏等原因，其承载性状至今尚不完全清楚[1]。在承载力及沉降计算上结果相差较大，使设计过于保守而造成不必要的浪费。

嵌岩桩承载性状与嵌岩深度有关，为弄清嵌岩深度对嵌岩桩承载性状的影响，诸多学者展开了研究。黄求顺[2]认为当嵌岩深度大于5d时，无桩端反力，桩顶荷载完全由侧摩阻力承担，而当桩嵌岩深度为3d时，桩侧摩阻力和桩端阻力都可以充分发挥，3d为“最佳嵌岩深度”； Pells和Turner[3]根据桩径求出桩侧摩阻力和桩端阻力(假设两者都能充分发挥)，进而求出嵌岩深度L=(Qs-Qb)/(πdτ)；明可前[4]通过试验得到4d为最佳嵌岩深度；刘松玉等[5]认为7d为最大嵌岩深度；许锡宾等[6]认为硬质岩石和软质岩石的最佳嵌岩深度分别为3d和5d；刘兴远等[7]认为嵌岩桩的承载力随着嵌岩深度的增加呈线性增长。

在前人的研究基础上，结合具体工程实例，选用PLAXIS有限元软件，采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法，对嵌岩桩嵌岩深度的确定问题进行了进一步的系统研究。

1 嵌岩单桩有限元模型

1.1 几何模型和物理模型

对于较为复杂的变截面问题需要采用三维模型来求解。根据桩及桩周岩(土)体的几何、物理特性以及加载方式，选用三维建模，建立完整的桩及桩周土和岩体[8]。

通过有限元模拟分析，桩周岩土的应力应变在10D(D为桩径)以外时，已经非常小[9]，因此将应力影响半径和桩端应力影响深度都定为10D，几何尺寸如图1所示。

模型四周固定水平方向，允许竖向位移，模型底部可认为水平向和垂直向的位移都为零，即两个方向都设置约束，上边界自由。

1.2 基本假设

1)不考虑时间效应；2)桩身混凝土、桩周岩土体都为均匀、各向同性材料；3)荷载为静力荷载，循环、周期荷载对材料的影响都不考虑；4)岩土体可以分层，但是各层内的岩土体仍是均匀、各向同性材料；5)不考虑土体固结排水、地下水位等因素。

2 试桩结果与有限元对比

2.1 工程实例概况

为了验证基于PLAXIS建立的模型对嵌岩桩竖向承载特性进行分析的可靠性，对试验桩进行有限元模拟分析，将分析结果与现场试桩结果进行对比。

以浙江兰溪发电厂试桩资料为例，试桩场地各土层的重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、岩土层厚度指标见表1。

表1 1号，2号试桩场地土层物理力学性质指标

2.2 有限元计算

三维有限元建模划分网格完成后如图2所示。为了计算的精确性，选取了最密的网格划分形式，PLAXIS有限元软件会自动对重要部分进行网格细化，从图2中可以明显看到桩周网格划分较密。

根据试桩资料，桩顶竖向荷载为15 000 kN时有限元计算结果如图3，图4所示。

2.3 计算结果分析

提取数据结果进行整理，与实测曲线进行对比，得到曲线如图5,图6所示。

分析图5,图6可知，3D PLAXIS有限元计算的荷载—沉降曲线与实测曲线基本吻合，说明用本文所建立的有限元模型模拟嵌岩桩的承载特性较为合理。

3 嵌岩深度影响研究

计算参数的选取：完全嵌岩桩桩径D=600 mm。桩身混凝土弹性模量Ep=3×104MPa，泊松比v=0.18；桩周岩体的弹性模量Er=3 000 MPa，泊松比v=0.25，粘聚力c=800 kPa，摩擦角φ=40°。嵌岩深度变化范围为2D=1 200 mm，3D=1 800 mm，5D=3 000 mm和7D=4 200 mm。

3.1 对嵌岩桩承载力的影响

保持其他因素不变，对模型进行不同嵌岩深度在不同荷载等级下的有限元分析，其桩顶荷载与桩顶沉降的Q—S曲线如图7所示。

分析图7可知，在其他因素保持不变的情况下，随着嵌岩深度的增加，在相同的桩顶荷载下，桩顶沉降减小，但是其减小的程度低于改变桩径时桩顶沉降。绘制桩顶荷载为10 000 kN时，不同嵌岩深度的桩顶沉降曲线如图8所示。

分析图8可知，在相同的桩顶荷载下，嵌岩深度越大，桩顶沉降越小，但是其减小的趋势随嵌岩深度的增加而趋于平缓。

由Q—S曲线分析嵌岩桩的最大承载力。Q—S曲线为缓变型没有拐点，取桩顶沉降为40 mm时所对应的桩顶荷载。最大承载力与桩径的关系曲线如图9所示。

分析图9可知，桩的承载力由嵌岩深度2D时的13 500 kN增加到嵌岩深度7D时的18 300 kN，近乎线性增长。说明嵌岩深度对桩的承载力有重要影响。

3.2 对嵌岩桩承载特性的影响

基于3.1节的计算结果，统计不同嵌岩深度在不同荷载等级下，桩土侧摩阻力、桩岩侧摩阻力、桩端反力的变化数据，绘制嵌岩段总承载力分担百分比和桩端总承载力分担百分比曲线图。

分析图10，图11可知，在桩径一定，嵌岩深度不同时，桩土侧摩阻力、嵌岩段侧摩阻力和桩端反力在桩的承载能力中占的百分比不同。

分析图10可知，嵌岩深度不同，其分担百分比总的趋势大致相同，即嵌岩段承载百分比随着荷载的增加而增加；并且随着嵌岩深度的不断增加，嵌岩段承载的百分比也增加，大约占70%～90%；桩土侧摩阻力承担的百分比逐渐减小。由图11可知，桩端承担百分比在5%～60%之间。在嵌岩深度一定时，桩端分担百分比随桩顶荷载的增加有先减小后增大的趋势，但是，当荷载增加到一定程度时，桩端承担百分比增加的趋势变缓，这表明，在桩顶荷载较小时，由于相对位移较小，侧摩阻力并没有充分发挥，只有当桩顶荷载达到一定程度，才能充分调动侧摩阻力，此时的桩端承担百分比最小，当桩顶荷载继续增大，桩端承担百分比也会继续增加，但是嵌岩段总的分担比是一直增加的。不同的嵌岩深度，其承担百分比差异很大，当嵌岩深度为2D时，桩顶荷载到达10 000 kN时桩端分担百分比达到了50%以上，嵌岩深度5D的只承担了20%。

综上所述，嵌岩深度较小时，桩端承担大部分荷载，随着嵌岩深度的增加，桩岩侧摩阻力分担百分比增加，桩端分担百分比减小，但是嵌岩段总的分担百分比增加。说明当桩端嵌入岩层较深时，桩顶荷载主要依靠嵌岩段的侧摩阻力来平衡，此时传递到桩端的荷载很小，使得嵌岩桩的桩端反力得不到有效的发挥。

4 结语

1)在其他条件一定的情况下，随着嵌岩深度的增大，相同桩顶荷载下的桩顶沉降减小。2)在5D之前，桩顶沉降减小迅速，以后变化缓慢；桩的承载力随嵌岩深度的增大而增加，嵌岩段总的荷载分担百分比非线性增加，桩端反力分担百分比减小，在嵌岩深度为5D时，达到了20%以下。3)嵌岩深度效应显然是存在的，一味增加嵌岩深度会造成桩端承载力得不到有效的发挥，在经济上是不合理的。4)桩端反力不会为零，不存在最大嵌岩深度。

[1] 戴国亮,龚维明,程 晔,等.深长嵌岩桩承载力计算方法研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(S2):4019-4024.

[2] 黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究[A].中国建筑学会地基基础学术委员会论文集[C].1992：47-52.

[3] Pells P J N，Turner R M. Elastic solutions for the design and analysis ofrock-socketed piles[J].Canadian Geotechnical Journal，1979，16(3)：481-487.

[4] 明可前.嵌岩桩受力机理分析[J].岩土力学，1998，19(1)：65-69.

[5] 刘松玉，季 鹏，韦 杰.大直径泥质软岩嵌岩灌注桩的荷载传递性状[J].岩土工程学报，1998，20(4)：58-61.

[6] 许锡宾，周 亮，刘 涛.大直径嵌岩桩单桩承载性能的有限元分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(6)：942-946.

[7] 刘兴远，郑颖人.影响嵌岩桩嵌岩段特性的特征参数分析[J].岩石力学与工程学报，2000，19(3)：383-386.

[8] 李 婉，陈正汉，林育梁.南宁地区软岩嵌岩桩的有限元计算机模拟[J].工业建筑，2005，36(3)：492-496.

[9] 王雁然，潘家军.嵌岩桩竖向荷载—沉降特性的有限元分析[J].武汉大学学报，2006，39(5)：46-52.

Research on influence of socket depth on vertical loading capacity of rock-socketed piles

Zhou Ying Shen Jian Huang Bo

(NorthwestResearchInstituteCo.,LtdofCREC,Lanzhou730070,China)

In this paper, the method to determine the depth of rock-socketed pile is studied by the theoretical analysis and finite element numerical simulation using PLAXIS finite element software, companied by the analysis of specific engineering practices. To verify the reliability of the model, the finite element simulation result of the test piles was compared with those of the field test piles.

rock-socketed pile, socketed depth, vertical load-bearing behavior, side friction, pile tip resistance

1009-6825(2016)31-0097-03

2016-08-22

周 颖(1992- )，女，助理工程师

TU473

A