嵌岩桩单桩竖向承载性状数值分析

盛红星，刘杰

(芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司，安徽 芜湖 241000)

1 前 言

嵌岩桩具有单桩承载力高、沉降小、抗震性能好等诸多优点，在桥梁建设、高层建筑等大型工程建设中得到广泛应用[1，2]。嵌岩桩竖向承载力是由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，场地的岩土层分布及其特性对桩侧摩阻力和桩端阻力具有重要影响，对于具有覆盖层的嵌岩桩而言，桩侧摩阻力和桩端阻力就体现出不同，邢皓枫[3]等提出设计中不应忽略覆盖层的影响，而深厚黏土及风化覆盖层区嵌岩桩的承载特性同样不能忽视，对其展开研究就显得很有必要。

因嵌岩桩试验费用昂贵，破坏试验难以进行，许多学者已对嵌岩桩承载特性及其影响因素进行了有限元研究[3，5]，邢皓枫[3]等建立了三维有限元模型对嵌岩桩单桩和群桩竖向受力特性进行分析，邱钰[4]等采用线弹性与弹塑性模型，对深长大直径嵌岩桩单桩竖向承载性状进行分析，黄生根[5]等对桩-岩接触面采用正弦曲线模拟，对大直径嵌岩桩竖向承载性状进行系统分析，均获得有益结论。因此有限元法是一种行之有效的分析方法。

本文针对位于深厚黏土及风化覆盖层区的芜湖市营盘山路延伸段道路桥梁的嵌岩桩基础，依据该桥梁3#嵌岩桩(以下简称3#桩)静载荷试验实测资料，通过有限元分析建模分析其竖向承载性状，结果表明3#桩端阻力对荷载发挥主要作用，具有摩擦端承桩的承载特性，对深厚黏土及风化覆盖层区嵌岩桩设计和施工具有一定的指导意义。

2 工程概况

芜湖市营盘山路延伸段道路桥梁工程场地位于长江南岸，芜湖市区的东部，东至二环路，西与已建营盘山路相连，其中K0+170～K0+230为3跨 20 m预应力梁桥，桥宽 54 m。本文研究的3#嵌岩桩桩长L=31.2 m，直径D=1.2 m，嵌入弱风化粉砂岩深度hr=2.3 m。

模型所采用主要物理力学参数表 表1

3 有限元建模及分析

本文采用大型通用有限元软件ABAQUS对该工程的3#桩竖向荷载特性进行数值模拟分析。基于嵌岩桩竖向受力特性，采用轴对称有限元法对单根嵌岩桩建模分析[5，6]，分析模型如图1所示，黏土及风化覆盖层和岩体的模型径向尺寸为桩两侧各10D[5]，垂向尺寸为1.7L[7]。

图1 模型几何形状及网格划分

嵌岩桩桩身材料混凝土强度等级为C25，采用线弹性模型，黏土及风化覆盖层和岩体的本构模型均采用M-C(Mohr-Coulomb)模型，桩身和岩土体均用C3D8R实体单元进行网格划分，共约 19 200个单元，桩身与黏土及风化覆盖层和岩体之间的接触通过接触对实现，采用库仑摩擦(Coulomb friction)模型[6]，桩底端面与岩体的接触面采用Tie约束，桩身及岩土体物理力学参数如表1所示。

竖向荷载的施加是通过将竖向荷载按受力面积转换为均布荷载而施加于桩顶面，避免了竖向集中力加载时可能造成的应力集中，并通过采用不同分析步长逐级加载的方式实现，下文将对计算结果进行分析。

4 计算结果分析

4.1 沉降分析

竖向荷载分为1409 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、704 kN、707 kN等9级逐步施加在桩顶端面，图2、图3所示的分别是3#桩的荷载和位移计算云图，图4所示的是将数值计算同现场静载试验实测的荷载-沉降(Q-s)曲线对比图，实测和数值均反映出3#桩在累积最大荷载 7 044 kN作用下，仍处于弹性变形阶段，模拟结果同实测结果的趋势基本趋向一致，吻合非常好，可表明本次有限元模拟的参数选取、网格划分等一些可能对结果造成影响的客观建模因素的选取方法是可取的，模拟结果有一定的可信度。

图2 荷载云图

图3 位移云图

图4 3#桩模拟结果与实测结果对比

仅依据沉降分析还不足以详细了解覆盖层桩侧摩阻力，嵌岩段桩侧摩阻力以及桩端阻力的分布情况，下文将对此进一步分析。

4.2 轴力和侧摩阻力分析

如图5、图6所示的分别是桩身轴力和桩侧摩阻力的分布图。在荷载的作用下，桩身轴力随深度增加呈现出不断递减的趋势，且在桩身浅部、中部和端部附近均有明显拐点出现，拐点的出现表明荷载传递特性发生变化，图6清晰地反映出桩身浅部和端部附近产生了负摩阻力，而桩身中部由于土层特性增强导致侧摩阻力增加迅速。与轴力变化对应，桩侧摩阻力呈现出不断递增的趋势，但总体上对竖向荷载的分担比例在不断减小，由于弱风化砂岩的侧摩阻力逐渐被调动起来，嵌岩段桩侧摩阻力逐渐发挥，表现为对侧摩阻力的分担比例逐渐增加(如表2所示)。嵌岩段出现了负摩阻力，可能是由于hr较小或是其他原因，留待将来进一步探讨。

4.3 端阻力分析

图7反映了3#桩桩端阻力随竖向荷载增加而变化的情况，端阻力分担荷载情况如表2所示，当竖向荷载施加时端阻力所分担的荷载占59.3%，随着荷载的增加，端阻力所分担的荷载呈现逐渐增大趋势，而在最大荷载作用时，端阻力所占比例高达75.9%。

可以认为3#桩在承载力极限状态下，其桩顶端的竖向荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩阻力起次要承载作用，具有摩擦端承桩的承载性状。因此，一方面在工程建设中应依据场地岩土层分布及其特性对所采用的嵌岩桩承载特性展开针对性分析，同时作者未来将对本场地嵌岩桩特性造成影响的可能影响因素进行深入分析研究，以便更加有效地指导工程设计和施工。

图5 桩身轴力分布图

图6 桩身侧摩阻力分布图

图7 端阻力随荷载变化图

桩侧摩阻力和端阻力分布情况 表2

5 结 论

(1)利用ABAQUS软件以3#桩建模进行数值模拟分析，将实测和数值荷载-沉降关系曲线进行对比，对比结果显示实测和数值趋势基本趋向一致，吻合非常好，说明本次数值模拟现场静载试验的结果是可信的。

(2)随着竖向荷载的施加，在浅部黏土覆盖层和嵌岩段出现负摩阻力，嵌岩段桩侧摩阻力对桩侧总摩阻力承担比例不断增加，而桩侧摩阻力对竖向荷载承担比例不断减小。

(3)3#桩在承载力极限状态下，桩顶端的竖向荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩阻力起次要承载作用，具有摩擦端承桩的承载性状。

致谢

本文作者对芜湖市建设工程质量监督站的蒋正在收集工程勘察设计及检测报告等资料方面的工作表示感谢。