红层嵌岩桩承载特性研究

金 乐 胜

(广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663)

红层嵌岩桩承载特性研究

金 乐 胜

(广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663)

针对红岩基岩各层厚度变化大且存在软弱夹层的现象，采用ADINA有限元软件，对红层嵌岩桩的基层存在软弱夹层时的承载特性进行了研究，得出了一些有价值的结论，对今后的工程实践具有重要的理论意义。

岩层，嵌岩桩，ADINA有限元，嵌岩深度，软弱夹层

“红层”基岩是广东地区较典型的基岩类型之一，主要指白垩系的砂岩、泥岩或泥质砂岩。“红层”基岩各层厚度变化较大，且普遍存在“软弱夹层”的现象，而现有的规范对嵌岩桩承载力的规定都是建立在桩底基岩是强度较高的岩层基础上，对基岩存在软弱夹层的情况没有给出明确的解答，这就给红层嵌岩桩的设计工作带来了一定困难。现场荷载试验是确定红层嵌岩桩承载力最可靠的方法。但其成本较高，时间较长，多用于大型的重要工程，一般工程中并不做荷载试验。本文通过ADINA有限元软件，对红层嵌岩桩的基岩存在软弱夹层时的承载特性进行了研究，对工程实践具有一定的理论意义和使用价值。

1 有限元模型的建立

1)几何模型。ADINA中有两种建立模型的方法，Native和ADINA-M方法，本文中模型采用Native方法，借助ADINA的旋转功能，建立桩岩(土)体的三维模型，如岩(土)体、桩体、接触等。2)边界条件。有限元计算中，边界条件分为应力边界条件和位移边界条件。应力边界条件在ADINA中由设置外载荷来实现，先对模型施加重力荷载，导出地应力，然后抵消地应力产生的位移，在桩顶面施加均布荷载。位移边界条件由设置模型边界约束来实现，由于是实体单位，只有X，Y，Z三个方向的水平自由度。模型下表面施加Z方向约束，侧表面施加X，Y方向约束即可。3)材料选取。本文中模型，对于桩体、岩层均采用弹性材料模拟，土层采用摩尔库仑弹塑性材料模拟，具体参数见文中各个模型。4)单元选择及划分。在模型中，所有实体均采用8节点六面体单元。因为有限元需要进行模型离散，产生单元，所以要进行单元划分，综合考虑运算效率和精度，在应力梯度较大处，适当加密划分份数，即在桩体附近岩土层加密单元，在远离桩体的部分，采用大块的实体单元。5)后处理分析。使用ADINA的后处理功能，可以全面地分析模型计算后的结果，比如侧摩阻力采用接触面摩阻力云图；位移用位移云图表示；应力可以采用应力云图。

2 嵌岩深度的影响

中风化岩1为固定厚度3 m，下部存在3 m厚度的软弱夹层(强风化岩2)，桩体入中风化岩1的深度hr为多大时，嵌岩桩承载性能最佳。图1为模型几何示意图(一)。

计算参数：桩弹性模量Ep=30 GPa，泊松比vp=0.17，桩径d=1 m；上覆土层1变形模量Es=10 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=20 kPa，φ=18°；上覆土层2变形模量Es=30 MPa，泊松比vs=0.3，粘聚力c=25 kPa，φ=25°；强风化岩1弹性模量Eb=2 GPa，泊松比vb=0.25；强风化岩2弹性模量分别取Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa，泊松比vb=0.25；中风化岩1和2弹性模量Eb=10 GPa，泊松比vb=0.2；外荷载为15 MN。

图2，图3分别表示在15 MN外荷载下，软弱夹层(强风化岩2)弹性模量不同时，桩顶、桩端沉降随着嵌岩深径比的变化曲线。从图2，图3中可以看出：桩顶和桩端沉降曲线变化趋势一致，这是因为外荷载相同，而桩长变化不大，桩身压缩量相近的缘故。强风化岩2的Eb=10 GPa，即无软弱夹层时，桩顶、端沉降随hr/d的增加而逐渐减小，且减小幅度越来越小，这与嵌岩深度增加到一定程度后，对沉降没有明显影响的结论是一致的。当存在软弱夹层时，即强风化岩2的Eb=2 GPa，1 GPa，500 MPa时，桩顶、端沉降随hr/d的变化呈现波浪形曲线。在hr=1d和2.5d时，沉降存在两个极小值；在hr=0和3.0d时，沉降存在两个极大值。hr=0时，虽然桩端距软弱夹层较远，但是端部荷载较大占据主要因素，使得沉降出现极大值。hr=3.0d时，虽然此时桩侧阻发挥增大，端阻减小，但是桩端已经接触到软弱夹层，该因素起主导作用，使得沉降也出现了极大值。在hr=1d和2.5d时，桩端荷载大小和桩端距软弱夹层的距离两者因素较为平衡，使得沉降出现极小值。同时，从图2、图3中也可看出，在相同的hr/d下，沉降随着软弱夹层的模量的增大而减小，这也和实际工程现象符合。

从以上分析中可以得出：桩体入中风化岩1的深度hr为1d和2.5d时，桩顶、桩端沉降均有极小值。考虑到施工方便和经济造价的原因，建议桩端嵌入中风化岩层hr=1d时，嵌岩桩承载性能最佳。

3 桩端下硬岩厚度的影响

由上面第2节可知，一定厚度硬层下存在软弱夹层时，桩体嵌入硬岩层最佳深度为hr=1d。本节主要研究桩体入硬岩(中风化岩1)层hr=1d，下部存在厚度为3d的软弱夹层(强风化岩2)时，桩端下硬岩(中风化岩1)厚度hp为多大时，嵌岩桩承载性能发挥较好。图4为模型几何示意图(二)。

计算参数：强风化岩2弹性模量Eb=1 GPa，桩直径d=1 m和1.5 m，外荷载分别为15 MN，20 MN。其他计算参数同第2节模型参数。

图5，图6分别为桩径d=1.0 m时，桩顶、桩端沉降随荷载变

化曲线。从图5，图6中可以看出：沉降与荷载曲线的斜率随着hp的增大而减小，且当hp≥2d后，荷载沉降曲线较为接近，说明hp增大到一定程度后，对减小沉降、提高桩承载力的作用并不非常明显。

图7为不同桩径下，端阻百分比随hp/d的变化曲线。从图7中可以看出：端阻百分比随hp/d的增大而增大，且增大趋势渐缓。当hp/d≥2时，在其他条件相同的情况下，端阻百分比数值已经相近，桩端沉降相差不大，这和前面分析得到的结论一致。

综上分析，在存在一定厚度软弱夹层的情况下，桩端下硬岩(中风化岩1)厚度hp≥2d以后，嵌岩桩承载性能就可以有比较好的发挥，此时软弱夹层对承载力的影响很小。

4 结语

在未考虑实际工程中桩底沉渣及桩侧泥皮对嵌岩桩的承载性能影响下，将桩体、岩层简化为弹性材料，土层采用摩尔库仑弹塑性材料建立有限元模型，通过ADINA有限元软件计算分析，得出在红层岩土地层下，嵌岩桩有如下承载特性：

1)一定厚度硬岩下存在一定厚度的软岩，在嵌入硬岩后承载能力满足的情况下，桩体嵌入硬岩深度hr=1d时为最佳。

2)一定厚度硬岩下存在一定厚度的软岩，在桩体嵌入硬岩深度hr=1d时，桩端距离硬岩层底的厚度hp≥2d后，嵌岩桩承载性能就可以有比较好的发挥，此时软弱夹层对承载力的影响很小。

[1] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

Researchonloadingfeaturesofredbedsocketedpile

JINLe-sheng

(GuangdongTianxinPowerEngineeringInspectionCo.,Ltd,Guangzhou510663,China)

According to the obvious changes in thickness of the foundation layer of the red bed and its soft rock strata, the paper adopts the finite element software, ADINA, researches the loading features of the foundation layer of the red bed socketed pile in the soft rock strata, and achieves some conclusion, so it provides some theories for the following engineering practice.

strata, socketed pile, ADINA finite element, socketed depth, soft strata

1009-6825(2014)33-0045-02

2014-09-17

金乐胜(1983- )，男，工程师

TU473.11

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