陳旭，黃質(zhì)宏, 陳旺，穆銳，蔡行，黃秀銀

摘 要：本次數(shù)值模擬根據(jù)某工程嵌巖抗拔樁自平衡靜載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并建立了合理嵌巖樁FLAC3D數(shù)值分析模型，分析結(jié)果表明：樁身的承載力特性與土巖體的力學(xué)參數(shù)有關(guān)，改善其特性可以提高樁身的承載特性;在極限破壞時(shí)，樁身的承載力特性主要由樁側(cè)阻力來(lái)承擔(dān)。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁;自平衡試驗(yàn);極限承載力;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU473.1+1 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）12-0113-04

1 引言

抗拔樁廣泛應(yīng)用于大型地下室抗浮、高聳建（構(gòu)）筑物抗拔、懸索橋和斜拉橋的錨樁基礎(chǔ)等。雖然抗拔樁在工程中應(yīng)用廣泛，但理論研究常常滯后于工程實(shí)踐。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)嵌巖抗拔樁承載力特性做了相關(guān)研究，研究現(xiàn)狀如下：唐孟雄等[1]利用冪函數(shù)形式的滑移面假定，采用極限平衡法，推導(dǎo)出一種計(jì)算基巖內(nèi)抗拔樁極限承載力的方法;王光滿等[2]結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)在復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下嵌巖抗拔樁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究;國(guó)外學(xué)者提出很多計(jì)算抗拔樁極限承載力的模型，最早提出的是假設(shè)破壞面為圓柱面的標(biāo)準(zhǔn)模型[3]、Meyerhof理論模型[4]、Das理論模型[5]等，但是提出的計(jì)算模型只適合計(jì)算土質(zhì)地基中的抗拔樁極限承載力，并不適用于嵌巖抗拔樁極限承載力的計(jì)算，目前對(duì)嵌巖抗拔樁極限承載力方面的理論和試驗(yàn)方面的研究較少。

本文的研究意義在于結(jié)合實(shí)際工程及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)嵌巖抗拔樁的極限承載特性進(jìn)行數(shù)值分析，其結(jié)果有一定的實(shí)際意義，可以對(duì)實(shí)際工程的施工、設(shè)計(jì)運(yùn)用提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

2 工程概況

某工程位于貴州省貴陽(yáng)市，該工程由2棟塔樓及地下室裙樓組成，擬建筑物占地平面呈長(zhǎng)方形，南北向?qū)捈s121.0m，東西向長(zhǎng)165.0m，金融中心大樓高400m左右。

2.1 地層巖土構(gòu)成

據(jù)鉆探揭露，擬建場(chǎng)地巖土主要由第四系覆蓋層及下伏基巖組成。巖土特征自上而下分述如下：

（1）土層：素填土（Qml）為新近填土，主要成分由粘土、碎石、塊石等構(gòu)成。

（2）巖層：三疊系中統(tǒng)松子坎組（Tsz）薄—中厚層中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地層及巖性分布情況見(jiàn)表1，根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)情況調(diào)查及貴州雨季經(jīng)常出現(xiàn)極端天氣分析，場(chǎng)地地下水洪、枯水期水位的變幅情況，考慮地下水位對(duì)建筑物的影響以及工程重要性等級(jí)，需對(duì)工程區(qū)的地基進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

2.3 基礎(chǔ)的選型

工程地基為巖溶地基，基礎(chǔ)等級(jí)為二級(jí)，采用旋挖灌注樁作為抗浮樁，工程試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.4 樁土（巖）參數(shù)表

3 模型建立及分析

3.1模型建立及參數(shù)的確定

利用彈塑性力學(xué)知識(shí)，假定地基為一個(gè)半無(wú)限體，忽略次要因素影響，為提高加載模型的收斂速度可做以下基本假設(shè)[6]：①樁、巖體為均質(zhì)、連續(xù)體，各向同性;②孔壁粗糙，樁巖接觸面為非理想界面咬合接觸;③由于嵌巖樁嵌固段承載特征突出，視樁底為懸空;④樁身為彈性體，巖體為理想彈塑性，符合M-C本構(gòu)模型;⑤不考慮時(shí)間效應(yīng)，荷載為靜力荷載。材料參數(shù)見(jiàn)表1～3。

巖石：變形模量Es=342.30MPa;彈性模量E=16.304GPa;泊松比λ=0.21;容重γ=26.3kN/m3;粘聚力C=360kPa;內(nèi)摩擦角φ=31°。

土層：黏聚力為C=8kPa，內(nèi)摩擦角φ=10°，容重γ=18.3kN/m3。

本文根據(jù)工程的實(shí)際情況，以工程中的23#樁為例。由實(shí)際工程的巖土參數(shù)，利用有限差分法數(shù)值模擬分析軟件，對(duì)土（巖）體中的嵌巖抗拔樁進(jìn)行加載數(shù)值模擬，在這個(gè)過(guò)程中，主要對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)的開展情況進(jìn)行建模數(shù)值分析，所得模型如圖1所示。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過(guò)模擬加載的過(guò)程，導(dǎo)出了第一級(jí)荷載和最后一級(jí)荷載位移、應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)展云圖，具體分析如下：

如圖 2所示，在第一級(jí)荷載的情況下：樁在X方向的位移，上中下三部份分布較為分散，上中部左邊是壓應(yīng)變，右邊是拉應(yīng)變，底部相反;在最后一級(jí)荷載的情況下，主要集中在樁的中部向樁的兩側(cè)擴(kuò)散，對(duì)稱分布，左側(cè)為壓應(yīng)變，右側(cè)為拉應(yīng)變。

如圖3所示，在第一級(jí)荷載的情況下：樁在Z方向上的位移主要是從底部開始擴(kuò)散的，為壓應(yīng)變，呈現(xiàn)“杯形”;在最后一級(jí)荷載的情況下，位移主要是從樁的中部向樁的兩側(cè)擴(kuò)散，對(duì)稱分布，主要為拉應(yīng)變，呈現(xiàn)“啞鈴形”。

如圖4所示，在第一級(jí)荷載的情況下：樁在XX方向上的應(yīng)力分布呈層狀分布，且較為均勻，為壓應(yīng)力，土層段受擾動(dòng)較大;在最后一級(jí)荷載的情況下，應(yīng)力分布主要集中在嵌巖段，對(duì)稱分布，且越向上，應(yīng)力分布范圍越廣，對(duì)土層幾乎沒(méi)有影響，說(shuō)明在破壞階段主要是由嵌巖段來(lái)承擔(dān)荷載。

如圖5所示，在第一級(jí)荷載的情況下：樁在XY方向上的應(yīng)力幾乎為零，不產(chǎn)生剪應(yīng)力;在最后一級(jí)荷載的情況下，剪應(yīng)力分布主要集中在嵌巖段的上部，對(duì)稱分布，且越向上，應(yīng)力分布范圍越廣，對(duì)土層幾乎沒(méi)有影響，隨著范圍越來(lái)越大，剪應(yīng)力趨于零。說(shuō)明對(duì)于樁的抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，需要考慮但不是主要因素。

如圖6所示， 在第一級(jí)荷載的情況下：樁在ZZ方向上的應(yīng)力對(duì)周圍的地基有一定的影響，但主要集中在樁基的下部區(qū)域;在最后一級(jí)荷載的情況下，應(yīng)力主要集中在樁身上，對(duì)周圍土體及巖體幾乎沒(méi)有影響，包括上部土層;主要分布在樁身底部。

如圖7所示，在第一級(jí)荷載的情況下：塑性區(qū)主要在樁的底部，主要為軸向受力;在最后一級(jí)荷載的情況下，塑性區(qū)的開展主要集中在樁身及樁身周圍巖土層，且樁身周圍存在大量的剪應(yīng)力，對(duì)稱分布，此時(shí)樁的承載力主要由樁身周圍的巖土體產(chǎn)生的側(cè)阻力來(lái)承擔(dān)，所以側(cè)阻力是樁身承載特性需要考慮的重要因素。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬，可以很好地與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，以便于更好地指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)，為工程的安全性提供重要的保證。

（2）樁身抵抗變形的能力主要取決于巖土體的力學(xué)性能與樁身的變形參數(shù)，因此可以通過(guò)改變樁身的材料來(lái)改善樁抵抗變形的能力。

（3）對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，樁身對(duì)巖土體產(chǎn)生的剪應(yīng)力較小，幾乎可以不用考慮;但是對(duì)于XX與ZZ方向而言，X方向的應(yīng)力主要對(duì)土巖體產(chǎn)生影響，而Z方向的應(yīng)力主要對(duì)樁身產(chǎn)生影響，在測(cè)量時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格把控巖土體和樁身的力學(xué)參數(shù)。

（4）在樁破壞階段，樁的承載力主要由樁側(cè)阻力來(lái)承擔(dān)，這要求我們?cè)谑┕?、設(shè)計(jì)方面需要重視側(cè)阻力對(duì)樁身承載特性的影響，以改善樁的承載力特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐孟雄，陳達(dá).基巖內(nèi)抗拔樁極限承載力的計(jì)算方法[J].巖土力學(xué)，2015，36（2）：634-638

[2]汪光滿，宋仁乾，胡達(dá)敏，等.復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下嵌巖沖孔灌注樁設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，45（增刊）：85-87.

[3]JOHNSON S M，KAVANAGH C T.The Design of Foundations for Buildings[R]. New York： Mc Graw-Hill Book Company，1968.

[4]MEYERHOF G G.Uplift Resistance of Inclined Anchors and Piles[C]∥Proceedings of the 8th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Moscow：Kluwer Academic Publishers-Plenum Publishers，1973：167-172.

[5]DAS B M.A Procedure for Estimation of Uplift Capacity of Rough Piles[J].Soils and Foundations，1983，23（3）：122-126.

[6] 劉衡， 楊波， 王鐵行. 厚層沉渣嵌巖樁承載性能試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬[J]. 鐵道建筑， 2012（12）：93-95.