深厚淤泥层嵌岩桩荷载传递特性研究*

颜川

(成渝铁路客运专线有限责任公司，四川成都610031)

深厚淤泥层嵌岩桩荷载传递特性研究*

颜川

(成渝铁路客运专线有限责任公司，四川成都610031)

采用接触面单元模拟竖向荷载作用下桩与岩土的相互作用，应用轴对称弹塑性有限元法研究了深厚淤泥层嵌岩桩的荷载传递机理，并探讨了嵌岩深度对嵌岩桩竖向承载力的影响。结果表明，深厚淤泥层嵌岩桩应以桩顶沉降来控制极限承载力，且桩侧阻力主要来自嵌岩段的嵌阻力;桩端阻力对荷载的分担比例随着嵌岩深度的增加而减少，当嵌岩达到一定临界深度后，再继续加大嵌岩深度对桩垂直承载能力的提高已无积极作用。

淤泥;嵌岩桩;荷载传递;有限元法

嵌岩桩一般为钻孔或挖孔桩，而且大多数为大直径桩。大直径嵌岩桩由于具有很高的承载力和较小的沉降等优势而越来越多地被工程上所应用，有关嵌岩桩的理论也越来越受到理论界和工程界的重视。在这方面，虽然国内外学者进行了诸多有益的研究［1－8］。然而，由于对嵌岩桩承载力特性和荷载传递机制缺乏足够地认识，导致在嵌岩桩设计和承载力取值方面还存在一些误区，一方面不管嵌岩桩的长径比大小和嵌岩深度，笼统地作为端承桩来进行设计计算，尤其在深厚淤泥层中更是如此;另一方面是盲目地增加嵌岩深度造成不必要的浪费［9］。

为了研究深厚淤泥层嵌岩桩的荷载传递机理，有必要对桩–土–岩进行共同作用分析。目前研究方法主要可分为试验研究和理论分析两大类。由于深厚淤泥层中钻孔灌注桩的直径大且桩较长，一般试验荷载大、试桩费用较高，加上要考虑桩尺寸和土质变化等复杂因素，单纯靠现场试验进行研究，在目前阶段是很不经济的，也不能完全达到目的。理论分析方法是利用一些较成熟的专业理论，通过数值计算来揭示研究对象的规律性变化。在考虑土的非线性属性、层状体系及桩土间的非线性相互影响等因素时，有限单元法可能是现阶段最通用的方法。因此本文采用有限单元法对深厚淤泥层嵌岩桩的承载性状进行计算分析。

在嵌岩桩有限元计算中，岩土本构模型及接触面的模拟一直是人们研究的重点。Rowe R K［10］采用双节点法模拟桩岩界面，分析了界面软化行为的影响因素和桩侧剪阻发挥的影响因素;KHAN A［11］采用界面单元来模拟混凝土—岩石界面，刘树亚［3］采用薄单元法和相应的界面模型对嵌岩桩的承载特性进行了模拟。到目前为止所采用的力学模型均作了较大简化，导致计算结果与实际有较大差异。本文针对嵌岩桩荷载传递研究方面存在的问题，根据桩体与围岩体接触面上的应力－应变关系，结合某高架桥桩基工程研究了深厚淤泥层嵌岩桩的荷载传递特性。

一、桩－岩土材料本构模型及接触面模型

设计中一般使桩身材料提供的承载力稍大于由岩土支承作用提供的承载力，故在数值分析中，一般桩身采用线弹性模型即可较好地反映实际受力情况。岩土材料采用Drucker－Prager模型可得到较为精确的结果。由于两种介质的刚度和强度相差较大，形成一明显的交界面。

在岩土工程中，当两种相邻材料的变形性能相差较大时，在一定的受力条件下，可能会在它们之间的接触面上产生错动、滑移或开裂，古德曼(Goodman)等人提出了岩石节理单元，被广泛地用作接触面单元［12］。该类接触单元有两个“模量”值:切向劲度系数ks、法向劲度系数kn，这两个劲度系数是切向、法向剪应力与相应方向的相对滑移之比，法向劲度系数与法向的变形有关，因为接触单元在法向不能嵌入，也不能脱开，所以当法向受压时，取较大的值(这里取kn=1010N/m3)，而当法向受拉时则可取kn=1．0N/m3。切向劲度系数决定于单元两面的相对滑移。一般认为，接触单元的切向剪应力与节点的相对变形之间呈非线性关系，在本文中简化为如图1所示的非线性关系，认为在屈服之前剪应力τ和剪切位移ws呈直线关系，即

τ=ks·ws(1)

式中，ks为抗剪劲度系数，如图1所示，它也就是弹性阶段的应力–位移关系曲线的斜率。

图1 简化的应力－位移关系

若剪应力达到最大值τu使接触面达到破坏，这时剪应力τ不再随剪切位移ws而变化。在本文中，假定接触单元的屈服条件符合Mohr－Coulomb准则，即式中，σn为接触面上的压应力;c、δ分别表示桩－土接触面上的粘结力和摩擦角。以上参数均可通过室内直剪摩擦试验确定。

二、深厚淤泥层嵌岩桩计算模型的建立

(一)工程概况及地质条件

某高架桥工程场地第四系覆盖层较厚，层位变化相对稳定，在该合同段内基岩埋藏均较深。其中28号墩共3根桩，采用一柱一桩的形式，3根桩的桩径均为1．8m，桩长均为42.8m，即进入弱风化层2倍桩径，采用C35的混凝土进行浇筑。

根据地质勘察资料，地质地层自上而下分别为:

①回填碎块石:杂色，主要由碎块石组成，块径5～80cm，含量约占90%，块石间隙较大，为新近回填而成，尚未完成固结，松散。层厚6．00m，标高为－1．53m～4．47m。

②淤泥:灰黑、深灰色等，质纯，含少量有机质，偶见少许贝壳碎片，有臭味，饱和，流－软塑。层厚10．30m，标高为－11．83m～－1．m。

③亚粘土:红褐色，黄褐色等，呈花斑状，局部含少量砂，可塑，局部软塑。层厚3．20m，标高为－15．03m～－11．83m。

③中粗砂:黄褐色，石英质，饱和，松散－稍密，级配差，含少量细砂，底部含少量砾砂。层厚3．80m，标高为－18．83m～－15．03m。

④砂质粘性土:灰黄、黄褐等色，为混合花岗岩风化残积而成，湿，可塑～硬塑。层厚2．60m，标高为－21．43m～－18．83m。

⑤全风化混合花岗岩:红褐色，除石英外，其它矿物均风化呈粉状，原岩结构已破坏，但仍可辩，岩芯呈土柱状，浸水易软化崩解。层厚4．10m，标高为－25．53m～－21．43m。

⑤强风化混合花岗岩:红褐色，黄褐色，原岩结构已基本破坏，长石晶形完整，手捏有砾感，岩芯呈土柱状或碎块状。层厚9．90m，标高为－35．43m～－25．53m。

⑤弱风化混合花岗岩:灰褐色，肉红色，由石英、长石、云母等矿物组成，为变余结构，块状构造，风化裂隙较发育，岩芯呈块状或短柱状。层厚7．00m，标高为－42．43m～－35．43m。

(二)模型建立与材料参数选择

现取其中1根桩进行有限元模拟计算分析。将桩土体系简化为轴对称问题，对桩和土体都采用四结点等参单元进行网格划分，在桩和土体之间设置接触单元，计算区域60m(宽)×120m(高)，所选用的材料参数和桩土界面参数分别见表1和表2。

表1 材料参数

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表2 桩－土界面参数

三、数值分析

计算结果分别见图2～图5。

图2 荷载－沉降曲线

图3 桩端阻力分担比

图4 桩身轴力分布曲线

图5 桩身侧摩阻力分布曲线

(一)深厚淤泥层嵌岩桩荷载传递机理分析

从图2可以看出，桩顶荷载－沉降曲线是一种典型的缓变形，无陡降段。当桩顶沉降达11．33cm时桩顶荷载－沉降曲线仍然近乎线性变化，此时桩顶荷载已达127．25MN。可见，对深厚淤泥层大直径嵌岩桩的极限承载力应以桩顶沉降来控制。按沉降s=40mm控制，对应的极限承载力为55．82MN。

图3是桩顶荷载从11．16MN分级加载至55．82MN时桩端阻力在总承载力中所占百分比曲线。从图中可以看出随着桩顶荷载增大，桩端阻力与总荷载比值的变化先由大变小，然后再由小变大。桩顶荷载较小时，桩侧的相对位移很小，侧摩阻力亦很小，桩轴力直接传到桩底，桩端阻力所占比例较大。随着桩顶荷载增大，桩侧的相对位移亦增大，侧摩阻力迅速增大，桩顶荷载主要由桩侧阻力来承担，故桩端阻力所占比例较小。随着桩顶荷载的继续增大，桩端位移和桩侧相对位移亦增大，某些部位的侧摩阻力达到极限，此时桩顶荷载的增加主要由未达到极限值部位的侧摩阻力和桩端阻力来承担，故桩端阻力所占比例逐渐增大。

图4为各级桩顶荷载下沿桩身的轴力分布曲线。从图上可看出，在桩的上部轴力线比较陡，说明桩身轴力沿桩身向下衰减得慢，也就是说上部桩侧土体较软弱，在桩侧产生的侧摩阻力小，对桩轴力的向下传递没多少“阻挡”作用。当桩进入到40m深度左右，就是就进入弱风化混合花岗岩层时，轴力线发生了明显的转折即轴力迅速变小，说明这时桩身侧阻力开始增大，在图4的侧阻力分布曲线上表现得很明显，这部分侧阻力主要是弱风化岩层的嵌阻力。

图5是在各级荷载作用下桩侧阻力的分布曲线。从图中可以看出，当桩顶荷载较小时，桩身侧摩阻力亦较小。随着桩顶荷载的增加，桩身变形增大，桩土界面处的桩土位移增加，从而使桩侧摩阻力增大。当桩顶荷载增加至某一值时，桩侧某点与桩土相对位移达到极限状态，从而使这些部位的侧摩阻力不再增加。加载初期，随着荷载级别的增加，淤泥层的侧摩阻力马上达到极限，而土层、强风化层、嵌岩层的侧摩阻力都随之增大，但主要以嵌岩层的嵌阻力增加为主。在嵌岩段，但荷载较大时嵌阻力呈双峰状，与文献［6］描述的曲线相似。

(二)嵌岩深度对竖向荷载传递的影响分析

在保持上部土层不变的情况下，进一步分析了不同嵌岩深度(分别为1D、2D、3D、4D、5D)桩侧摩阻力的传递情况，分别见图6至图11，其中嵌岩深度为2D的侧摩阻力分布曲线见图6。

图6 嵌岩1倍桩径桩身侧摩阻力分布曲线

图7 嵌岩3倍桩径桩身侧摩阻力分布曲线

图8 嵌岩4倍桩径桩身侧摩阻力分布曲线

图5至图9是各嵌岩深度桩在各级荷载作用下的桩身侧摩阻力分布曲线。从图中可以看到，随着荷载的增加，各嵌岩深度桩的侧阻力发挥趋势都大同小异，上部深厚淤泥的侧摩阻力贡献都较小。将各桩在55．82MN桩顶荷载作用下的侧摩阻力画在图9中，可以看到，在相同荷载作用下，嵌岩深度大的嵌岩段桩侧摩阻力峰值偏小，表明随着嵌岩深度的加大，嵌岩段的桩侧摩阻力发挥仍有较大余地。

图9 嵌岩5倍桩径桩身侧摩阻力分布曲线

图10 55．82MN荷载下桩身侧摩阻力分布曲线

图11 桩端阻力分担比

图10是在桩顶荷载为55．82MN时，各嵌岩深度桩的桩端阻力占总承载力的百分比曲线。结果表明:随着嵌岩深度的加大，桩端阻力所占的比例越小。当嵌岩深度从1倍桩径增加到5倍桩径时，桩端阻力占总承载力百分比从56．4%下降到25．8%，可见，随嵌岩深度的增加，嵌阻力也相应地增大，从而减少了桩端阻力。如果再继续增加嵌岩深度使桩端阻力进一步减少，这时桩端阻力即使减到0也只减少25．8%，但由于桩长的增加，结构自重、建设成本以及施工难度都将增大，这都是应避免的不利的因素。因此，对相对坚硬的岩石，取最大嵌岩深度为5D(D为桩直径)就已足够。当采用较小的嵌岩深度时，承载力以桩端阻力为主，这时应该严格控制桩底沉渣确保桩的承载力。

四、结论

(1)深厚淤泥层嵌岩桩桩顶荷载－沉降曲线是一种典型的缓变形，无陡降段，以桩顶沉降来控制极限承载力。

(2)深厚淤泥层嵌岩桩的桩侧阻力主要来自嵌岩段的嵌阻力，钻孔法施工时要严格清底，避免在嵌岩段桩侧形成泥皮。

(3)嵌岩桩的桩端阻力对荷载的分担比例随着嵌岩深度的增加而逐渐减少。嵌岩深度效应显然是存在的，即当嵌岩达到一定临界深度后，再继续加大嵌岩深度对桩垂直承载能力的提高已无积极的作用。

(4)嵌岩桩有限元计算所显示的嵌岩段桩侧阻力的非线性分布现象突出，呈现为双峰曲线，在桩顶荷载较大时尤为明显。

(5)桩底沉渣在嵌岩较浅的桩基中应尽量减少，并需在设计和监理过程中引起重视。但对于嵌岩较深(超过5倍桩径)的桩基，沉渣对嵌岩桩的承载能力影响较小。

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2011－05－27

颜川(1972－)，男，四川仁寿人，工程师。