考虑基岩软化和软土蠕变的桩基分析

李 诚

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510630）

预应力管桩因其在软土中施工速度快、检测时间短、承载力高等优点，已在滨海上软土下基岩二元地层地区广泛使用，常以全-强风化基岩作为桩端持力层，然而管桩桩基工程质量事故案例也时有出现，已有许多对管桩事故的原因分析及预防措施研究［1-3］，相关研究指出，事故原因主要涉及软土固结沉降导致的负摩擦阻力［4-5］，以及桩端基岩软化问题［2-3，6-7］，桩基承载力受到上部软土蠕变和下部基岩软化的影响，已有研究分别对其进行了研究，得到了许多有益的成果，但还没有一起考虑两种因素影响的研究。研究软土不同蠕变程度及基岩不同软化程度下的变形破坏机理，对桩基承载力评价具有重要的意义。本文针对上部深厚软土、下部强风化花岗岩的二元地层，对其中桩基础进行有限元模拟分析，以期加深对该类二元地层中桩基受力机制的认识。

1 桩基承载力影响因素

1.1 软土蠕变影响桩基承载力

土体蠕变即为软土的次固结变形，是指土体主固结结束后，土颗粒蠕动导致土体变形随时间发展的现象。经过多年固结而成的土体，其蠕变基本完成，土体处于一种超固结或正常固结状态，但对于新近沉积的软土，如近年来吹填淤泥，其自重固结一般尚未完成，蠕变作用有限。软土蠕变对桩基的影响很早被发现并研究［8］，研究认为桩顶沉降随着时间增长主要是由于桩土界面和桩侧土的剪切蠕变导致。

查阅相关文献［4-5，9］，软土蠕变影响桩基承载力的机理为：桩顶荷载通过桩侧传递到桩周土中，桩周土的应力以变形协调的方式同样通过桩侧传递到桩身。饱和软粘土因欠固结性、蠕变性而对桩基的作用，可简单理解为桩周土向下的位移拖拽桩体下沉，即为大家熟知的“负摩擦力”。运用较为广泛的负摩擦力计算方法为作用在桩身的有效水平应力与桩土界面摩擦系数的乘积，即式⑴：

其中，qn为负摩擦力；k0为侧压力系数；φ′为有效内摩擦角。式⑴对于桩土相互作用的模拟非常粗糙，在有限元数值模拟中，常用界面单元模拟桩土之间的接触作用，本文所用界面单元的本构方程为：

式中：up表示桩位移；us表示土位移；Ks表示剪切刚度，Kn和Kt表示法向刚度，当剪应力小于抗剪强度时，界面单元处于弹性状态，当剪应力等于抗剪强度时，界面单元处于塑性状态。界面单元的抗剪强度根据周边土体的抗剪强度参数折减而定，本文设折减系数为0.7。

1.2 基岩软化影响桩基承载力

本文所说的“软化”是指基岩的工程力学性质退化，本文以强风化花岗岩为例，说明其作为管桩桩端持力层时软化对桩基的影响，一般认为管桩沉桩完成后，地下水沿桩管内、外壁及桩周土裂缝下渗至持力层，持力层浸水发生软化，从而降低管桩承载力并导致管桩下沉［2］，但有研究不认同这种模式，张先伟等人［10］根据未进行封底桩管的现场试验证明地下水对桩承载力基本没有影响，但没有说明管桩承载力大幅下降的问题；《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》［11］第4.1.13条规定：桩端嵌入遇水易软化的全、强风化岩的预应力管桩，应采取有效的防渗措施。现行规范明确提出对全、强风化岩浸水软化问题的技术要求，说明桩基持力层软化现象确实存在，至于软化机理仍存争议。

彭建清等人［12］从基岩微观结构出发解释桩基持力层软化问题，查阅文献［12］及黄飞宇［13］的研究结果，从微观角度解释的思路大致是：饱和岩体受压时如果水来不及排出，由水承担的超孔隙压力会导致土颗粒有效应力降低，导致岩石体积膨胀，且超静孔隙压力扩展原生微裂纹并形成次生裂纹。岩体中的水会对润滑节理和矿物颗粒，使得微裂隙处和矿物颗粒间的胶结作用减弱，使得内摩擦角和粘聚力减小，宏观表现为抗剪强度降低。全风化、强风化花岗岩的矿物分析显示它们都含有较多的高岭土、石英、伊利土，表明全、强风化花岗岩具有显著的脱硅富铝化现象，除了石英外，其它矿物均转化为了衍生矿物，而高岭土、伊利土等粘性矿物一般具有遇水时强烈吸附水分子而膨胀的特点，导致矿物集合体的结构和连接强度软化。

陈洪江等人［14］统计出东南沿海强风化花岗岩抗压强度变异系数为0.24～0.33，强风化花岗岩试验指标的变异系数大于0.3 的百分比最高，这表明强风化花岗岩物理力学性质的离散程度较其他风化岩更大。

2 有限元模型

2.1 软土模型参数

PLAXIS 软件内置的软土蠕变模型基于标准小时加载固结试验得到的一维蠕变模型，软土蠕变模型将一维蠕变模型扩展为三维蠕变模型。模型参数及本文取值如下：粘聚力c=15 kPa、内摩擦角φ=3°、修正压缩指标λ*=0.104、修正膨胀指标κ*=0.035、修正蠕变指标μ*=3.48×10-3、孔隙比e=1.5。λ*、κ*、μ*可以通过各向等压压缩试验或侧限试验获得。为工程师熟悉的压缩指数Cc、回弹指数Cr、次固结指数Ca可以转换得到λ*、κ*、μ*。

2.2 基岩模型参数

PLAXIS 软件内置著名的Hoek-Brown 本构模型，该模型可以模拟各向同性岩石的材料行为。

岩体弹模

式中：s、a为辅助材料参数；mb为对完整岩石参数mi的折减，mi=32；ν为泊松比，ν=0.25；σci为完整岩石单轴抗压强度，σci=40 MPa。由于本文关注的花岗岩浸水软化情况在Hoek-Brown 模型没有具体考虑，但地质强度指数GSI、扰动因子D、模量比率MR值的变化将引起岩体刚度、强度的变化，本文将由GSI、D、MR变化引起的岩体“软化”作为岩体浸水的等效结果，本文假设成砾砂状强风化花岗岩浸水后力学性质大幅下降，通过设置GSI、D、MR的值实现对Erm、σc、σt的折减，折减效果按经验确定是否合理，本文假设GSI、D随时间变化的关系为：

据文献［12，14］，考虑强风化岩浸水软化程度高、抗压强度变异性大，本文设沉桩前MR为100，设沉桩后MR为60。则作为持力层的强风化花岗岩弹性模量随时间变化的关系如图1 所示，根据霍克等人［15］的研究结果，强风化花岗岩内摩擦角和粘聚力估算值随时间变化的关系如图2 所示。有限元模型如图3 所示，上部软土厚20 m，下部强风化花岗岩厚10 m，模型平面尺寸25 m×18 m，模型四侧限制水平变形，模型底部固定，模型上部无约束。桩长24 m，桩采用C80 混凝土本构模型，承台及地梁采用C40 混凝土本构模型。图3 中桩序号从左至右依次为1 号、2 号、3 号及4号。1、2号桩嵌固段周围岩体的弹性模量、抗剪强度参数随时间的变化按图1、图2 确定。荷载在10 d 内加载完，每根柱子受到最大225 t的荷载。

图1 强风化花岗岩弹性模量随时间的变化Fig.1 Change of Elastic Modulus of Strongly Weathered Granite with Time

图2 强风化花岗岩抗剪强度参数随时间的变化Fig.2 Change of Shear Strength Parameters of Strongly Weathered Granite with Time

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite Element Model

3 模拟结果与分析

3.1 变形结果

软件模拟至85 d 左右时出现计算不收敛情况，表明此时已有模型构件出现破坏。图4展示了各桩桩顶及桩附近地表某点的竖向变形，可见地表在软土蠕变下持续产生竖向沉降，地表沉降量与桩顶竖向变形量有较大差距，说明本文所建界面单元发挥了作用，得到的桩土相对变形更符合实际情况。图4可见各桩竖向变形最大降幅在10 d 内，且第10 d 时1、2 号桩与3、4桩的竖向变形相差很小，随后20～70 d，这种差距基本保持不变，说明这段时间1 号、2 号桩桩端持力层力学性质的软化对桩基沉降基本无影响，1、2 号桩在70 d时开始出现大幅下沉，随后3、4 号桩在80 d 时开始出现上浮，这是结构即将破坏的标志。各桩桩顶在X方向上的变形如图5所示，可见在80 d之前，各桩在在X方向上的变形基本一致，而在85 d左右，1、2号桩大幅向x轴的负方向变形，而3、4号桩大幅向x轴的正方向变形，说明连接承台的地梁可能已发生拉破坏。

图4 桩顶、地表竖向变形Fig.4 Vertical Deformation of Pile Top and Surface

图5 桩顶x方向上的变形Fig.5 Deformation of Pile Top in x Direction

3.2 桩基轴力

桩身轴力计算结果（见图6）显示轴力沿深度方向上表现为先增大后减小，但各桩轴力在整个时间段几乎没有变化，说明场地存在负摩阻力，但负摩阻力很快就发挥到最大，并不会因为软土沉降量随时间增大而跟着增大，界面单元很快进入塑性状态。以10 d时的1号桩为例计算负摩阻力，1号桩桩顶轴力1 061 kN，近乎线性增大至最大值1 442 kN，轴力最大值对应的埋深为19.9 m，桩浮重度按15 kN/m3考虑，可估算在单桩上产生的负摩阻力值为322.4 kN，桩身平均负摩阻力强度约为10.3 kPa，19.9 m 范围内平均竖向有效应力为59.7 kPa，反推得到负摩阻力系数约为0.17，文献［11］建议饱和软土负摩阻系数取值0.15～0.25，与本文模拟结果相符。

图6 桩身轴力Fig.6 Axial Force Distribution of Pile

根据文献［11］，桩端以基岩为持力层时，中性点位置靠近软土底部，图6 可以清楚看到轴力开始变小之处大致对应着地层分界面。

3.3 地梁承台受力

在85 d 时有限元计算不收敛，破坏前即80 d 时结构在z方向的变形如图7 所示，可见1 号桩沉降最大，3、4号桩沉降最小，虽然沉降值量级仅为厘米级别，但这种不均匀沉降在结构中形成了非常大的内力。结构在x方向上的应力分布如图8 所示，可见沉降较小一侧的地梁顶部产生了拉应力，在沉降较大一侧的承台底部产生了拉应力，随着不均匀沉降的进一步发展，最终造成结构破坏。上述模拟结果与许多事故实例情况相符，实际工程中，事故常发生在柱上荷载已加载一段时间后，此时发现裂缝，不均匀沉降已很严重。

图7 结构在z方向上的变形Fig.7 Deformation of Structure in z-direction

图8 结构在x方向上的应力Fig.8 Stress of Structure in x-direction

4 结论

⑴软土蠕变在桩身产生的负摩阻力很早发挥出来，且达到最大值后基本保持不变。

⑵强风化花岗岩软化只有达到一定程度才对桩基及上部结构产生危害，体现为不均匀沉降差达到一定程度时结构突发拉裂破坏，但病害发生前，桩基及上部结构变形并不明显，病害具有隐蔽性。

⑶上部软土下部强风化花岗岩场地，存在软土蠕变和基岩软化共同作用影响桩基及上部结构安全的风险，建议在上述场地中的桩基设计综合考虑各种不利作用。