加载过程中嵌岩桩承载特性数值模拟分析

陈旭，黄质宏, 陈旺，穆锐，蔡行，黄秀银

摘 要：本次数值模拟根据某工程嵌岩抗拔桩自平衡静载试验，对试验数据进行简要分析，并建立了合理嵌岩桩FLAC3D数值分析模型，分析结果表明：桩身的承载力特性与土岩体的力学参数有关，改善其特性可以提高桩身的承载特性;在极限破坏时，桩身的承載力特性主要由桩侧阻力来承担。

关键词：嵌岩桩;自平衡试验;极限承载力;数值模拟

中图分类号：TU473.1+1            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0113-04

1 引言

抗拔桩广泛应用于大型地下室抗浮、高耸建（构）筑物抗拔、悬索桥和斜拉桥的锚桩基础等。虽然抗拔桩在工程中应用广泛，但理论研究常常滞后于工程实践。

国内外学者对嵌岩抗拔桩承载力特性做了相关研究，研究现状如下：唐孟雄等[1]利用幂函数形式的滑移面假定，采用极限平衡法，推导出一种计算基岩内抗拔桩极限承载力的方法;王光满等[2]结合工程实例，对在复杂岩溶地质条件下嵌岩抗拔桩的设计进行了研究;国外学者提出很多计算抗拔桩极限承载力的模型，最早提出的是假设破坏面为圆柱面的标准模型[3]、Meyerhof理论模型[4]、Das理论模型[5]等，但是提出的计算模型只适合计算土质地基中的抗拔桩极限承载力，并不适用于嵌岩抗拔桩极限承载力的计算，目前对嵌岩抗拔桩极限承载力方面的理论和试验方面的研究较少。

本文的研究意义在于结合实际工程及现场试验，运用FLAC3D数值模拟软件对嵌岩抗拔桩的极限承载特性进行数值分析，其结果有一定的实际意义，可以对实际工程的施工、设计运用提供一定的指导依据。

2 工程概况

某工程位于贵州省贵阳市，该工程由2栋塔楼及地下室裙楼组成，拟建筑物占地平面呈长方形，南北向宽约121.0m，东西向长165.0m，金融中心大楼高400m左右。

2.1 地层岩土构成

据钻探揭露，拟建场地岩土主要由第四系覆盖层及下伏基岩组成。岩土特征自上而下分述如下：

（1）土层：素填土（Qml）为新近填土，主要成分由粘土、碎石、块石等构成。

（2）岩层：三叠系中统松子坎组（Tsz）薄—中厚层中风化泥质白云岩。

2.2 水文地质条件

工程区地层及岩性分布情况见表1，根据场地水文地质情况调查及贵州雨季经常出现极端天气分析，场地地下水洪、枯水期水位的变幅情况，考虑地下水位对建筑物的影响以及工程重要性等级，需对工程区的地基进行抗浮设计。

2.3 基础的选型

工程地基为岩溶地基，基础等级为二级，采用旋挖灌注桩作为抗浮桩，工程试验桩的设计参数见表2。

2.4 桩土（岩）参数表

3 模型建立及分析

3.1模型建立及参数的确定

利用弹塑性力学知识，假定地基为一个半无限体，忽略次要因素影响，为提高加载模型的收敛速度可做以下基本假设[6]：①桩、岩体为均质、连续体，各向同性;②孔壁粗糙，桩岩接触面为非理想界面咬合接触;③由于嵌岩桩嵌固段承载特征突出，视桩底为悬空;④桩身为弹性体，岩体为理想弹塑性，符合M-C本构模型;⑤不考虑时间效应，荷载为静力荷载。材料参数见表1～3。

岩石：变形模量Es=342.30MPa;弹性模量E=16.304GPa;泊松比λ=0.21;容重γ=26.3kN/m3;粘聚力C=360kPa;内摩擦角φ=31°。

土层：黏聚力为C=8kPa，内摩擦角φ=10°，容重γ=18.3kN/m3。

本文根据工程的实际情况，以工程中的23#桩为例。由实际工程的岩土参数，利用有限差分法数值模拟分析软件，对土（岩）体中的嵌岩抗拔桩进行加载数值模拟，在这个过程中，主要对应力、应变及塑性区的开展情况进行建模数值分析，所得模型如图1所示。

3.2数值模拟结果及分析

通过模拟加载的过程，导出了第一级荷载和最后一级荷载位移、应力及塑性区的发展云图，具体分析如下：

如图 2所示，在第一级荷载的情况下：桩在X方向的位移，上中下三部份分布较为分散，上中部左边是压应变，右边是拉应变，底部相反;在最后一级荷载的情况下，主要集中在桩的中部向桩的两侧扩散，对称分布，左侧为压应变，右侧为拉应变。

如图3所示，在第一级荷载的情况下：桩在Z方向上的位移主要是从底部开始扩散的，为压应变，呈现“杯形”;在最后一级荷载的情况下，位移主要是从桩的中部向桩的两侧扩散，对称分布，主要为拉应变，呈现“哑铃形”。

如图4所示，在第一级荷载的情况下：桩在XX方向上的应力分布呈层状分布，且较为均匀，为压应力，土层段受扰动较大;在最后一级荷载的情况下，应力分布主要集中在嵌岩段，对称分布，且越向上，应力分布范围越广，对土层几乎没有影响，说明在破坏阶段主要是由嵌岩段来承担荷载。

如图5所示，在第一级荷载的情况下：桩在XY方向上的应力几乎为零，不产生剪应力;在最后一级荷载的情况下，剪应力分布主要集中在嵌岩段的上部，对称分布，且越向上，应力分布范围越广，对土层几乎没有影响，随着范围越来越大，剪应力趋于零。说明对于桩的抗剪强度来说，需要考虑但不是主要因素。

如图6所示， 在第一级荷载的情况下：桩在ZZ方向上的应力对周围的地基有一定的影响，但主要集中在桩基的下部区域;在最后一级荷载的情况下，应力主要集中在桩身上，对周围土体及岩体几乎没有影响，包括上部土层;主要分布在桩身底部。

如图7所示，在第一级荷载的情况下：塑性区主要在桩的底部，主要为轴向受力;在最后一级荷载的情况下，塑性区的开展主要集中在桩身及桩身周围岩土层，且桩身周围存在大量的剪应力，对称分布，此时桩的承载力主要由桩身周围的岩土体产生的侧阻力来承担，所以侧阻力是桩身承载特性需要考虑的重要因素。

4 结论

（1）通过数值模拟，可以很好地与试验结果相结合，以便于更好地指導施工和设计，为工程的安全性提供重要的保证。

（2）桩身抵抗变形的能力主要取决于岩土体的力学性能与桩身的变形参数，因此可以通过改变桩身的材料来改善桩抵抗变形的能力。

（3）对于本工程来说，桩身对岩土体产生的剪应力较小，几乎可以不用考虑;但是对于XX与ZZ方向而言，X方向的应力主要对土岩体产生影响，而Z方向的应力主要对桩身产生影响，在测量时应该严格把控岩土体和桩身的力学参数。

（4）在桩破坏阶段，桩的承载力主要由桩侧阻力来承担，这要求我们在施工、设计方面需要重视侧阻力对桩身承载特性的影响，以改善桩的承载力特性。

参考文献：

[1]唐孟雄，陈达.基岩内抗拔桩极限承载力的计算方法[J].岩土力学，2015，36（2）：634-638

[2]汪光满，宋仁乾，胡达敏，等.复杂岩溶地质条件下嵌岩冲孔灌注桩设计[J].建筑结构学报，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] 刘衡， 杨波， 王铁行. 厚层沉渣嵌岩桩承载性能试验分析与数值模拟[J]. 铁道建筑， 2012（12）：93-95.