倾斜岩层下嵌岩桩荷载传递规律研究

胡志承

（中铁二十二局集团市政工程有限公司）

0 前言

越来越多的高层建筑、地标性建筑物等大型建筑在城市中拔地而起，这对地基承载力带来了更大的挑战。桩基础是一种有效提高地基承载力的基础形式，尤其在大型建筑中应用更为广泛。在我国的岩溶地区，大多存在倾斜的层，影响桩基础的施工，同时也影响桩基础的承载能力。目前，已有不少学者对嵌岩桩的承载能力进行研究分析，主要是通过有限元方法研究分析了不同地质条件下嵌岩桩的承载特性，总结桩长、桩径、嵌岩深度等对承载能力的影响规律，然而极少对倾斜岩层的研究。

徐薇等[1]对大直径扩底嵌岩桩进行数值模拟，结合现场试验对比验证了数值模型的可靠性，并分析了嵌岩桩的承载特性；兰朝荣等[2]为了解决负摩阻力对桩基础的不利影响，基于自平衡试桩法对旋挖扩底桩进行承载力试验，并总结了旋挖扩底桩的施工工艺；周兴扬等[3]结合工程实际，建立超长嵌岩桩的有限元数值模型，模拟分析了桩身轴力及桩身侧摩阻力的分布规律；王田龙等[4]为了研究较破碎岩石地基嵌岩桩的承载能力，通过研究101根嵌岩桩的静载试验数据，统计了嵌岩桩桩端阻力、桩身侧摩阻力的影响因素，提出了分析模型，并通过静载试验分析，总结出一种适用于较破碎岩石地基的桩基础承载力计算公式；鲁先龙等[5]为了研究嵌岩桩的极限端阻力的特性，分析了嵌岩深度、桩径等对极限端阻力与端阻系数的影响规律；刘衡等[6]结合现场桩基础试验，通过数值模拟不同沉渣厚度情况下嵌岩桩的承载特性，总结了沉渣厚度对嵌岩桩承载力的影响规律；夏鹏[7]通过MIDAS-GTS有限元软件建立桥梁嵌岩桩数值模型，模拟分析了变截面扩底、等截面扩底以及同方量不同嵌岩深度对嵌岩桩承载能力的影响；郑峰[8]利用GTS-NX有限元分析软件对泥岩持力层嵌岩灌注桩进行模拟分析，总结了不同荷载作用下桩基础承载力的变化规律。

工程实践证明，倾斜岩层的存在影响了桩基础的承载能力，尤其在高层建筑等大型建筑物的巨大荷载作用下。在倾斜岩层嵌岩桩的荷载传递规律这方面上的研究极少，因此，本文结合现场嵌岩桩的单桩静载试验，利用MIDAS GTS NX大型有限元软件建立倾斜岩层条件下的嵌岩桩数值模型，模拟分析了不同荷载作用下嵌岩桩桩身轴力、桩身侧摩阻力以及荷载分担比的分布规律。

1 嵌岩桩桩基承载力计算

嵌岩桩采用岩层作为持力层时，桩端嵌入基岩深度应≥0.5m，桩基承载力按嵌岩桩计算。计算公式如下：

式中：

Rsα——桩侧土总摩阻力特征值；

Rrα——桩侧岩总摩阻力特征值；

Rpα——持力岩层总端阻力特征值；

up——桩嵌岩段截面周长；

hr——嵌岩深度，当岩面倾斜时以低点起计；

Ap——嵌岩桩桩身截面面积；

frs、frp——分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度；

C1、C2——系数，根据持力层基岩完整程度及沉渣厚度等因素而定，如表1所示。

表1 参数选取

2 数值模拟

2.1 土层参数

根据某工程勘察资料，嵌岩桩对应场地土层信息如表2所示，经现场嵌岩桩的施工，倾斜岩层开始出现于强风化砂岩与中风化砂岩之间，该嵌岩桩通过冲孔桩机施工，施工过程中，冲锤遇到倾斜岩面时，带动钢丝绳倾斜偏位，测得钢丝绳的偏位距离及冲锤下落深度，由于冲锤与倾斜岩面之间可能残留有碎土块碎石等，对斜岩角度只能预估判断，最终计算预估斜岩倾斜角度在22°至28°之间，本文在数值模型中，斜岩的倾斜角度取25°。

表2 土层参数信息

2.2 嵌岩桩-土层有限元数值模型建立

Midas GTS NX属于通用的大型有限元数值模拟软件，主要用于模拟岩土工程问题，能够进行线性和非线性的静力分析、渗流及固结分析、施工阶段分析等。本文借助Midas GTS NX有限元软件对倾斜岩层条件下的嵌岩桩及土层模型进行数值模拟分析，结合现场单桩静载试验，建立分级加载的嵌岩桩-土层数值模型，其中岩土体采用莫尔-库伦模型进行计算，其建模过程及步骤如下所述：

⑴建立倾斜岩层条件下的嵌岩桩-土层几何模型，嵌岩桩的直径为1000mm；

⑵根据表2的土层参数信息定义材料及网格属性，冲孔灌注桩材料使用C35混凝土，完成材料信息导入后，设置模型相应的材料属性；

⑶对嵌岩桩模型及土层模型通过四面体网格进行网格划分；

⑷对桩-土模型施加约束及重力场，根据现场单桩静载试验，在嵌岩桩桩顶设置分级加载的集中荷载，第一级为400kN，总共加载十二级，每级增加400kN；

⑸根据分级加载定义施工阶段，进行求解操作。

图1 有限元数值模型

3 倾斜岩层条件下嵌岩桩承载力特性分析

3.1 模型验证

图2 为现场单桩静载试验与数值模型模拟的荷载-沉降曲线对比图。由图可知，嵌岩桩在倾斜岩层条件下，MIDAS有限元软件计算得到的荷载-沉降曲线与现场的单桩静载试验得到的结果基本吻合，验证了MIDAS数值模型的可靠性。其中，在加载的前期阶段，嵌岩桩的桩顶沉降数值模拟结果大于静载试验结果，而随着荷载的加大，数值模拟结果小于静载试验结果，数值模拟与静载试验的结果值最大相差小于8%，属于合理范围，说明该模型对实际工程具有参考价值。

图2 静载试验与数值模拟荷载-沉降曲线对比图

3.2 倾斜岩层条件下不同桩顶荷载的沉降位移分析

倾斜岩层条件下，嵌岩桩在不同桩顶荷载作用下的沉降位移结果云图如图3所示。由图分析可知，嵌岩桩在不同荷载作用下，其桩身沉降位移值自桩端到桩底逐渐减小；桩身的沉降带动了周围土体的沉降，靠近桩身位置的土体沉降位移在远离桩身的方向上逐渐减小；随着桩顶荷载的加大，桩身及土体的沉降位移均随之增大；在斜岩的倾斜方向上，嵌岩桩两侧的土体从左侧至右侧，土体受倾斜岩层的影响，其沉降位移逐渐增大，而在桩身左侧的土体沉降位移增大量相对右侧土体小，这种规律在倾斜岩层下方土体中并不明显，随深度的增加，岩土层的沉降位移从左到右基本趋于一致，这表明，嵌岩桩起到了阻挡倾斜岩层上方土体位移的作用，而随着深度的增加，倾斜岩层对土体沉降位移的影响逐渐减弱，因此，在实际施工中，桩基础必须穿越倾斜岩层，以保证工程的安全性。

图3 倾斜岩层条件下不同桩顶荷载作用嵌岩桩桩顶沉降云图

3.3 倾斜岩层条件下嵌岩桩桩身轴力分析

图4 为倾斜岩层条件下嵌岩桩桩身轴力随深度变化的静载试验与数值模拟结果对比曲线图。由图分析可知，数值模拟结果中，桩身轴力随深度的变化趋势与现场静载试验结果的变化趋势一致，而随着深度的增加，尤其在深度为8m左右位置，两种结果存在差异，其原因可能是由于数值模拟采用的斜岩角度与实际斜岩倾斜角度的差距，因此存在一定的结果误差。

图4 静载试验与数值模拟桩身轴力分布对比图

图5 为倾斜岩层条件下嵌岩桩桩身轴力在不同荷载作用下的变化结果图。从图中分析可知，随着荷载的增加，桩身的轴力逐渐增大。在倾斜岩层上方，即0～8m之间的粉质粘土、粉砂及强风化砂岩中，嵌岩桩的桩身轴力随深度的增加基本不变，而当桩长在8m左右，及在倾斜岩层位置，桩身轴力开始减弱，且减弱趋势较大，这是由于倾斜岩层的存在，土体对桩身产生沿斜岩倾斜方向的荷载，导致桩身轴力的损失，同时中风化砂岩的强度较上方土层的强度高，能够为嵌岩桩提供更大的侧摩阻力，使桩身轴力进一步减小。

图5 嵌岩桩桩身轴力在不同荷载作用下的变化曲线图

3.4 倾斜岩层条件下嵌岩桩桩身侧摩阻力分析

图6 为倾斜岩层条件下嵌岩桩在不同荷载作用下桩身侧摩阻力变化结果图。从图中分析可知，随着荷载的增加，嵌岩桩的桩身侧摩阻力逐渐加大，在嵌岩桩桩长6m处，桩身侧摩阻力存在较为明显的增幅，这是由于该位置处，桩身所处岩层发生变化，即由上方粉质粘土与粉砂层变为强风化砂层，在强度上提高较为明显，能够为嵌岩桩提供相对较大的侧摩阻力。而在倾斜岩层以下，桩身侧摩阻力增大极为明显，在嵌岩桩的承载能力上发挥明显的作用，这是由于嵌岩桩所处的中风化砂岩的强度要远大于强风化岩，能够提供更大的侧摩阻力，同时，倾斜岩层的存在，导致桩身轴力有所损失，从而使桩身侧摩阻力发挥更大的作用。

图6 倾斜岩层条件下嵌岩桩在不同荷载作用时桩身侧摩阻力变化曲线图

3.5 倾斜岩层条件下嵌岩桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比分析

图7 为倾斜岩层条件下嵌岩桩桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比例图。从图中分析可知，嵌岩桩在加载前期，桩基承载能力主要由桩身侧摩阻力提供，而随着荷载的增加，桩身侧摩阻力的荷载分担比例逐渐减小，桩端阻力的荷载分担比逐渐增大，这是由于加载初期，荷载较小，嵌岩桩与土层之间的相对位移较小，桩身侧摩阻力能够发挥较大的作用。在加载后期，桩端阻力发挥的作用超过桩身侧摩阻力，这是由于荷载较大时，嵌岩桩与土层之间的相对位移增大，且桩长相对较短，桩身侧摩阻力无法充分发挥作用，而主要依靠桩端阻力。

图7 倾斜岩层条件下嵌岩桩桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比例图

4 结论

结合单桩静载试验，通过MIDAS有限元软建立倾斜岩层条件下的桩-图模型，对嵌岩桩的荷载传递规律进行分析研究，得出了以下结论：

⑴通过对比静载试验与数值模拟荷载-沉降曲线，验证MIDAS模型的可靠性；

⑵通过对倾斜岩层条件下不同桩顶荷载的沉降位移进行分析，总结了倾斜岩层处土体的沉降规律，在施工过程中，桩基础穿过倾斜岩层，才能提高承载能力及安全性；

⑶倾斜岩层位置，嵌岩桩的桩身轴力及侧摩阻力均有明显的变化，桩身轴力在该位置减小明显，同时桩身侧摩阻力明显增大；

⑷倾斜岩层条件下，嵌岩桩在荷载作用下，随着荷载的增加，桩身侧摩阻力发挥的作用由最大逐渐减弱，同时桩端阻力发挥的作用逐渐增强并超过侧摩阻力。