深层大倾斜岩面冲孔灌注桩承载力特性研究

2023-06-29邓启智

四川建筑 2023年1期

冲孔灌注桩作为常见的桩基础形式，具有强大的承载能力，然而，在岩溶地区，多存在深层大倾斜岩面等不良地质条件，对于作为高层建筑等巨大荷载作用下的桩基础，具有更大的挑战。为了研究冲孔灌注桩在深层大倾斜岩面上的承载力特性，通过MIDAS GTS NX大型有限元软件对倾斜岩面条件下的单桩静载桩-土数值模型，验证数值模型的准确性。通过设定不同的斜岩倾斜角度、不同桩长条件下，研究冲孔灌注桩桩基础的承载力特性，并分析其承载力影响因素，总结斜岩倾斜角度、桩长对承载力的影响规律。

倾斜岩面；冲孔灌注桩；承载力；数值模拟

TU473.1+1 A

［定稿日期］2021-09-23

［作者简介］邓启智（1994—），男，本科，工程师，从事土木工程施工技术工作。

在广州花都地区，复杂多变的岩溶地质条件普遍存在，如深层大倾斜岩面、溶洞等不良地质，冲孔灌注桩具有强大的地质环境适应能力［1］，且承载力高，可作为岩溶地区高层建筑的桩基础。目前，已有多数学者对岩溶地质条件下桩基础的承载力特性进行研究，李金良等［2］通过ABAQUS有限元软件建立单桩数值模型，研究岩溶区桩基础在竖向荷载作用下的承载能力；王鹏［3］通过FLAC有限元差分软件桩基础模型，结合现场试验，研究分析了岩溶区冲孔灌注桩的承载机理及其稳定性；桩基承载力由桩侧摩阻力与桩端承载力组成，岩溶地区的岩层能够为桩基础提供足够的桩端承载力，尤其在承受高层建筑这种巨大的上部荷载，嵌岩深度对桩基础的承载能力具有较大的影响；徐卓君［4］基于上下限有限元分析模型，研究嵌岩桩桩端极限承载特性，分析嵌岩深度、桩-溶洞垂直距离等对极限承载力的影响规律；董芸秀等［5］通过桩基础静载试验，研究岩溶区桥梁桩基础在不同荷载作用下桩顶的沉降规律，通过分析岩-桩体系力学模型中溶洞顶板的破坏模式，提出一种计算桩合理嵌岩深度的方法；徐华［6］结合现场试验，通过有限元分析持力层顶板厚度、嵌岩深度等研究分析基桩的承载机理。以上成果均研究了岩溶区溶洞对桩基础的影响，未考虑倾斜岩层的地质条件，目前，对这方面的研究仍较少。孙义舟等［7］基于Hoek-Brown强度准则和Meyerhof塑性理论，研究分析了斜岩倾斜角度、桩嵌入比等因素对桩基承载力的影响规律；邹江超［8］利用PKPM结构设计软件设计桩筏基础，通过ABAQUS建立相应的数值模型模拟分析倾斜岩面条件下，桩径对土体及桩顶沉降位移的影响规律。

工程实践证明，在岩溶地区深层大倾斜岩面的不良地質条件下，桩长不足或桩底未穿过倾斜岩层，容易导致基础沉降过大、桩底破坏等工程问题。针对广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区所处岩溶区深层大倾斜岩面的不良地质条件及岩层上覆软弱土层的地基难题，本文结合现场单桩静载试验，利用MIDAS GTS NX大型有限元软件进行数值模拟，分析不同桩长、斜岩倾斜角度对冲孔灌注桩承载力的影响。

1 桩基承载力计算

大直径钻（冲）孔灌注桩选用微风化岩层作为持力层时，桩端嵌入基岩深度应不小于0.5 m时，桩基承载力按嵌岩桩计算。计算公式见式（1）～式（4）。

Ra=Rsa+Rra+Rpa（1）

Rsa=u∑qsiali（2）

Rra=upC2frshr（3）

Rpa=C1frpAp（4）

式中：Rsa为桩侧土总摩阻力特征值；Rra为桩侧岩总摩阻力特征值；Rpa为持力岩层总端阻力特征值；up为桩嵌岩段截面周长；hr为嵌岩深度，当岩面倾斜时以低点起计；Ap为桩截面面积，对扩底桩取扩大头直径计算桩截面面积；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为系数，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。

单桩承载力特征值可按广东省地方标准DBJ15-31-2016《建筑地基基础设计规范》的相关公式进行计算，建议C1和C2取值如表1所示。

2 数值模拟

2.1 工程概况

广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区地块二位于广州市花都区广州北站南侧，工业大道东旁粤花小区附近，毗邻新街河，属广州北站综合交通枢纽项目的配套工程，交通较为方便，京广高铁、京广铁路107 国道（广清高速）、106 国道及多条省道贯穿全街南北，水路由巴江连接珠江。街内有国家二类口岸花都港、广州火车北站和广州新白云国际机场，地铁9 号线部分车站现已开通运营。项目主要包括住宅楼，商铺和相应配套（幼儿园、派出所等），住宅楼高度81.8～97.8 m（至屋面），其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本次详细勘察阶段为项目（二期）安置区地块二。地块二建筑面积约为115 118 m2，计容面积77 021 m2，不计容面积38 089 m2，容积率为3.2，共建设5 栋住宅楼，1 座幼儿园，暂定地上最高26～28 层，设地下室2 层，局部地下3层。本工程室内标高±0.000 相当于广州市高程系统11.000 m，室内地坪高出室外地坪约为150～300 mm，地下室底板标高暂定为广州市高程系统-1.60～2.20 m；本工程结构形式为剪力墙结构，住宅楼抗震设防为丙类，幼儿园抗震设防为乙类；基础拟采用钻（冲）孔灌注桩桩基础，拟采用微风化灰岩作为基础持力层，预估最大柱底轴力13 000 kN。

2.2 数值模型

2.2.1 土层参数

根据勘察资料，235号桩对应场地土层信息如表2所示，经现场冲孔灌注桩施工桩底斜岩开始出现于中风化灰岩层，根据施工过程中，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28°～33°之间。

2.2.2 有限元模型建立

Midas GTS NX是一款针对岩土工程方面的通用有限元软件，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。本文利用Midas GTS NX大型有限元软件进行数值模拟分析，建立单桩静载数值模型（图1），其建模过程包括：

（1）根据实际情况建立桩-土几何模型，其中冲孔灌注桩为1 200 mm，单桩承载能力特征值为10 000 kN。

（2）根据表2设置具体的土层参数信息，冲孔灌注桩材料使用C40混凝土，完成材料信息導入后，设置相应的材料属性。

（3）对桩模型及多层土层模型进行网格划分。

（4）对桩-土模型施加约束及重力场，在桩顶设置分级加载的集中荷载，第一级4 000 kN，第二级8 000 kN，第三级开始逐级增加2 000 kN，最终加载至20 000 kN。

（5）根据分级加载定义施工阶段，进行求解操作。

3 深层大倾斜岩面冲孔灌注桩影响因素分析

3.1 极限荷载作用下有无倾斜岩面时的整体沉降对比分析

图2是无倾斜岩面以及不同倾斜角度，桩长为17 m时的沉降云图，这是典型的单桩在极限荷载作用下的沉降云图。从图2可以看出，单桩在极限荷载作用下，灌注桩的沉降随着深度的增加而有规律地减小；靠近灌注桩的土由于和灌注桩之间存在摩擦，灌注桩的下沉带着土下沉，所以这个地方的土体的沉降比远离灌注桩的要大，且由于斜岩的存在，整体的沉降量较无倾斜岩面的情况要大，且随这斜岩角度增大。这是符合工程常识的，说明了有限元分析的准确性。图2（b）、图2（c）、图2（d）中可看出，受倾斜岩面的影响，在极限荷载作用下，灌注桩左、右两侧土体沿倾斜岩面方向沉降量逐渐增大，且随斜岩倾斜角度增大，沉降量增大趋势更为明显，而在图2（a）无倾斜岩面的情况下，灌注桩左、右两侧土体的沉降量基本一致。

3.2 极限荷载作用下有无倾斜岩面时的应力分析

图3是无倾斜岩面以及不同倾斜角度，桩长为17 m时的应力云图。分析这些应力云图，可以看出，单桩在极限荷载作用下，有无倾斜岩面的存在，模型中应力分布情况不同；改变岩面的倾斜角度，能够得到相应的应力分布规律。

从图3中可以看出，4种情况中，由于集中荷载的作用，桩的最大应力集中在桩顶，且呈受压状态，且应力主要分布在-13～0 m之间，即分布在土层，而在岩层中应力较小，在入岩后应力减小明显，且随深度增加，桩的应力逐渐减小；远离桩身部分的土体应力由受压逐渐变为受拉状态；无倾斜岩面的情况下，桩的应力主要集中于桩的上半部分；而在岩面倾斜的情况下，应力主要集中在桩的下半部分，且随倾斜角度的增大，应力逐渐增大，在倾角为60°的情况下，桩的应力趋向于集中在倾斜岩面处，且此时的桩为完全穿过斜岩，这种情况较为危险，工程中应避免此类情况发生，应加长桩长，穿过倾斜岩层。

3.3 单桩荷载-沉降（Q-s）曲线分析

将按照倾斜岩面角度的不同来细述单桩静载数值模拟的结果。所有Q-s曲线中5 m表示桩长为5 m，其他依此类推。图4（a）～图4（d）是不同桩长的倾角为15°～60°下单桩荷载-沉降（Q-s）曲线。

3.3.1 灰岩倾角为15°，30°时的分析

（1）当桩长为5 m、8 m、11 m、14 m、17 m时，Q-s曲线都是一条直线，这说明灰岩倾角为15°、30°时，单桩沉降只是弹性变化，还没进入塑性状态，这是由于岩面倾角较小，桩端直接与灰岩接触，在桩端和灰岩完好接触时，桩底很难发生滑动。

（2）随着桩长的增加，每一级荷载对应的沉降也是有规律地增加，这是由于灌注桩在荷载的作用下产生了压缩变形，桩长越长，在相同荷载作用下，压缩变形就越大，由于这里桩端和灰岩的滑移很小，压缩变形的比例很大，所以桩长变化对沉降的影响很大。例如灰岩倾角为15°时，在极限荷载作用下，桩长5 m时沉降为-2.535 mm，而桩长17 m时为-6.824 mm，两者相差很大。

（3）当灰岩倾角为15°、30°时，在极限荷载（20 000 kN）作用下，桩顶沉降最大仅为-6.292 mm（30°倾角，桩长17 m），和规范规定的最大沉降40 mm相差甚远，这再一次说明桩端和灰岩的接触是完好的。

从以上分析可以得到：岩面倾角为15°、30°时，灌注桩在灰岩面上基本不发生滑动，灌注桩的单桩承载力可以达到设计要求。

3.3.2 灰岩倾角为45°、60°时的分析

图4（c）、图4（d）是岩面倾角分别为45°、60°时的Q-s曲线，从中可以看出：

（1）当灰岩倾角为45°，竖向荷载大于1 000 kN时，或倾角60°，竖向荷载大于8 000 kN时，Q-s曲线不再是一条直线，而是呈弯曲向下，说明此时灌注桩的沉降已经进入塑性状态。这是由于随着灰岩倾角加大，灌注桩在荷载作用下，更容易发生滑移，而且当倾角为60°时沉降比45°时更早进入塑性状态。

（2）无论灰岩倾角是45°还是60°，在极限荷载作用下，灌注桩桩顶的最大沉降并没有因为桩长的差别而相差很远。这是由于桩长较短，荷载大部分都是由桩顶承担，而且桩底滑移加大，使得滑移在总沉降中所占的比例增大。

（3）当灰岩倾角为45°和60°时，在极限荷载（20 000 kN）作用下，桩顶沉降最大-13.63 mm（60°倾角，桩长5 m），和规范规定的最大沉降40 mm相差甚远，这说明桩端和灰岩的接触是可靠的。

（4）从图4（d）看出，当桩长为5 m时，在极限荷载作用下，灌注桩的沉降要比其他更长的桩的沉降要大。这说明5 m这种超短桩在岩面倾角较大时，受力存在不利的情况，需要特别注意。

从以上分析可以得到：岩面倾角为45°、60°时，灌注桩在灰岩面上已经发生了相对滑动，但是滑动还不是很大，灌注桩的单桩承载力可以达到设计要求。

4 结论

本文结合工程项目，利用MIDAS有限元软件，对深层大倾斜岩面冲孔灌注桩承载力特性进行分析研究，得出了结论：

（1）从有限元的分析结果可以看出，在该工程地质条件下，灌注桩桩底承担了绝大部分荷载，基本上是 70%以上。