灰岩地区超大吨位荷载下嵌岩桩承载力特性分析

程秉坤,傅根根

(广西建筑工程质量检测中心,南宁 530004)

随着高层和超高层建筑的增多, 建筑桩基础的承载力要求也越来越高, 为减小建筑沉降, 提高桩基承载力, 嵌岩桩被广泛应用于各大工程中[1]。嵌岩桩的桩身全部或部分嵌入岩层中, 可充分利用岩层的承载力和嵌岩部分的嵌固力提高桩基的水平和竖向承载力[2], 还能减小建筑沉降并提高抗震性能。目前对嵌岩桩承载力的研究较多, 刘会球[3]针对岩溶区的嵌岩桩进行数值模拟, 分析溶洞直径、顶板厚度及嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响规律;钱明等[4]提出钻孔灌注桩的承载力的桩侧/桩端阻力与荷载成正比, 在一定深度范围内与地层无关, 地层仅仅是侧摩阻力大小的主控因素;刘兴远等[5]经研究嵌岩段参数得到岩石强度、嵌岩深度与嵌岩段极限承载力成线性关系;张建新等[6]、龚成中等[7]分别用有限元数值模拟的方法和自平衡试桩法对嵌岩桩尺寸效应对桩体的桩端阻力和桩侧阻力进行了研究。目前对灰岩地区桩承载力特性的研究成果较少, 穆锐等[8]对强风化泥质灰岩桩的承载性能进行试验测试, 分析了桩身轴力、桩身侧摩阻力和桩端阻力随荷载的变化规律以及其对极限抗压承载力的影响。

本文结合南宁市恒大国际中心工程, 基于大量的现场静载荷试验数据分析得到大吨位竖向荷载下嵌岩桩的承载特性及受力特征, 并利用有限元数值模拟方法分析嵌岩桩的桩长、桩径、长径比等因素对桩体承载特性的影响, 为灰岩地区嵌岩桩的设计和施工提供参考。

1 工程概况

南宁市恒大国际中心, 位于歌海路歌韵路交叉口, 场地原为低山丘陵, 地形较低, 上部结构为框架-核心筒结构(主塔高约300 m), 根据钻探以及场地附近工程地质资料分析, 该地区上覆地层为第四系邕江河流冲洪积层, 上部为硬塑状含砾粘土, 下部为中风化灰岩, 桩端持力层为中风化灰岩。根据现场地质勘察报告, 具体地质及材料参数见表1。

2 基桩静载荷试验分析

2.1 试验方法

采用国际上公认的最直观、 最可靠的方法——单桩竖向抗压静载荷试验法, 在桩身埋设钢弦式应变计, 获取桩侧各土层的分层抗压侧阻力和桩端支撑力。 根据设计要求, 对6根试验桩进行了单桩竖向抗压静载荷试验, 试验桩为桩径1 m的嵌岩灌注桩, 桩长5.1～37.8 m, 嵌岩深度3.5～11.5 m, 桩身混凝土强度等级为C55, 预估承载力极限值在20 000～40 000 kN。本次试验采用特定研发的50 000 kN堆载平台, 如图1所示。 图2为钢弦式应变计安装现场, 表2为6根试验桩的基本参数。

表1 地质及材料参数

图1 基桩静载荷试验Fig.1 Pile static load test

序号试验桩编号桩长/m嵌岩深度/m最大堆载量/kN1SZH3-116.910.5397212SZH3-221.810.3431963SZH3-337.811.5376374SZH3-421.45.2431965SZH3-512.35.2431966SZH3-65.13.543196

2.2 嵌岩桩轴力分析

试验桩轴力变化分为两种情况:均匀逐级递减型和突变型。 试验桩SZH3-1、 SZH3-2、 SZH3-3的嵌岩深度均在10 m以上, 属于均匀逐级递减型。 如图3所示, 嵌岩深度10 m以上的试验桩SZH3-3桩身轴力呈线性递减分布, 变化较均匀。 SZH3-4、 SZH3-5、 SZH3-6的嵌岩深度均约5 m, 属于突变型。 如图4所示, 在荷载较小的情况下, 荷载的增加对试验桩SZH3-4桩身轴力的影响较小, 轴力对荷载的敏感性较低, 当加载超过10 000 kN时,桩身轴力随荷载变化较为明显,与前一荷载等级相比有突变趋势。

2.3 灰岩地层桩承载力分析

灰岩地层下桩体承载力和沉降的变化规律,不同荷载下桩基沉降变化规律如图5～图6所示。

图3 SZH3-3轴力分布图Fig.3 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-3

图4 SZH3-4桩身轴力分布图Fig.4 Axial force distribution diagram of Pile SZH3-4

图5 试验桩SZH3-1、SZH3-2、SZH3-3的承载力-沉降曲线Fig.5 Load-settlement curves of Pile SZH3-1, SZH3-2 and SZH3-3

图6 试验桩SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的承载力-沉降曲线Fig.6 Load-settlement curves of Pile SZH3-4, SZH3-5 and SZH3-6

试验桩SZH-1、SZH-2、SZH-3的桩长分别为16.9、21.8、37.8 m,嵌岩深度分别为10.5、10.3、11.5 m,最大试验荷载约为32 000 kN,最大沉降量分别约为40、20、 15 mm, 卸荷后的最终沉降量分别约为30、6、4.5 mm,回弹量分别约为10、14、10.5 mm,回弹率(回弹量与最大沉降量之比)分别约为25%、70%、70%。因此，在相同荷载作用下,嵌岩深度也基本相同时,桩长越长,沉降量越小,回弹量越大,回弹率越高。

试验桩SZH3-4、SZH3-5、SZH3-6的桩长分别为21.4、12.3、5.1 m,嵌岩深度分别为5.2、5.2、3.5 m,根据《建筑基桩检测技术规范》判定基桩的极限承载力分别为24 448、21 844、14 810 kN。可知,嵌岩深度对灰岩地区嵌岩桩的承载特性影响最大,嵌岩深度越长,桩的承载力越高。

2.4 数值模拟分析

选取SZH3-1号基桩进行数值模拟分析,考虑到数值模型尺寸效应的影响,为减小分析误差,使模型具有较好的可比性,设计三维模型的尺寸为长×宽×高=16 m×16 m×50 m,采用C3D8R单元,三维数值模拟模型、网格划分如图7所示,桩土间设置接触,土层简化为覆盖土层及岩层,具体材料参数见表1。

图8为SZH3-1号基桩实测承载力与沉降量(Q-S)曲线与数值模拟计算的Q-S曲线对比情况。实际情况下的Q-S曲线与计算结果非常相近,实测沉降量略小于计算值,实测结果偏安全,两者Q-S曲线均呈抛物线状,数值模拟与实测情况有相近似的规律与结果。

图7 嵌岩桩三维模型Fig.7 3D model of rock-socketed pile

图8 实测与计算的Q-S曲线对比Fig.8 Comparison between measured and calculated Q-S curves

3 承载特性影响因素分析

为研究嵌岩桩的承载特性,根据桩身荷载传递机理,设计了5组方案,保持桩长与嵌岩深度不变,改变桩长;保持桩径与嵌岩深度不变,改变桩径。具体模拟方案参数如表3所示。

表3 嵌岩桩数值模拟方案

Table 3 Numerical simulation scheme of rock-socketed piles m

3.1 桩长对桩承载力的影响分析

同样采用C3D8R单元建立数值模拟模型进行计算分析,图9为不同桩长情况下的Q-S曲线对比情况。当桩径均为1.0 m、嵌岩深度均为10 m时,荷载条件相同的前提下,桩长越长,桩体弹性压缩量越大, 桩顶沉降也越大; 但在同一荷载等级下,桩的沉降量相差并不大。在相同嵌岩深度条件下,嵌岩位置对桩体承载力也有较大影响,嵌岩段所处位置越深,桩基沉降量越大,受上覆荷载影响也越大。

图9 不同桩长的Q-S曲线Fig.9 Q-S curves of different pile lengths

3.2 桩长对侧阻力与端阻力的影响分析

桩长不同时,桩端阻力与侧阻力也会有所不同。当桩径均为1.0 m、嵌岩深度均为10 m时,对不同桩长情况下桩端阻力与侧阻力变化情况进行研究,当基桩达到极限承载状态时,不同桩长时嵌岩段侧阻力、总侧阻力与桩端阻力值的变化情况如图10所示。

图10 不同桩长时的侧阻力与端阻力值Fig.10 Pile side and end resistance-load of different pile lengths

可以看出, 桩长为15、 20、 25 m时的嵌岩段侧摩阻力分别为2 838.84、 3 762.55、 4 144.85 kN, 总摩阻力分别为6 696.33、 15 174.40、 24 530.53 kN, 嵌岩段侧摩阻力占比分别为42.39%、24.80%和16.90%, 随着非嵌岩段的长度逐渐增加, 其摩阻力也不断增大, 非嵌岩段侧摩阻力所占比例下降。

在桩长为15 m时,端阻力20 693 kN,占总阻力值27 389 kN的75.55%,基桩承载力以端承为主;在桩长为20 m时,为摩擦端承桩,摩阻力与端阻力约各占一半;在桩长为25 m时,摩阻力为32 551 kN,占总阻力值的75.67%,该情况下更倾向于摩擦型桩。嵌岩深度不变(均为10 m)时,嵌岩段侧摩阻力值受桩长影响较大。随桩长的增加,侧摩阻力对桩承载力的影响越来越明显,而端阻力的影响会逐渐降低。

嵌岩桩的嵌岩段侧摩阻与持力层地质条件有关,嵌岩段地层越好,桩身围压越大,侧摩阻越易发挥,围压越大应变硬化效应越明显。当然,桩长不同时桩侧摩阻力也会有所不同,对不同桩长情况下桩侧摩阻力的分布情况进行研究,图11为不同桩长时的桩侧摩阻力沿深度变化情况,可以看出在临近岩层与土层接触面位置桩身侧摩力最大,最大位置位于接触面以下1 m的岩层中,形成“上小下大”的摩阻力分布,15～25 m长的桩嵌岩段的桩身存在应力集中现象, 嵌岩段侧摩阻力随桩长增加而增大, 此时桩为摩擦型桩, 嵌岩段侧摩阻力发挥的承载力与非嵌岩段基本一致。

图11 不同桩长时的侧摩阻力分布情况Fig.11 Side resistance-load distribution of different pile lengths

当桩径为1 m时,长径比分别为15、20、25,长径比越大,相同荷载下沉降量也越大,摩阻力受力面积增加,侧摩阻力更能发挥作用,上部荷载传递到桩端的力也越来越小。

3.3 桩径对Q-S曲线的影响分析

假定桩长为20 m,嵌岩深度为10 m,对桩径分别为1.0、1.5、2.0 m的数值模型进行计算分析,如图12所示Q-S曲线。在相同等级荷载条件下,桩径越大沉降量越小,当加载至27 654 kN时,桩径为1.0、1.5、2.0 m时的沉降量分别为17.20、11.7、5.89 mm,可见桩径对嵌岩桩竖向沉降量的影响很大。

图12 不同桩径时的Q-S曲线Fig.12 Q-S curves of different pile diameters

3.4 桩径对侧阻力与端阻力的影响分析

桩径的变化会影响桩端阻力与侧摩阻力的分配。假定桩长为20 m, 嵌岩深度为10 m, 当基桩达到极限承载状态时, 不同桩径的嵌岩段侧摩阻力、 总侧摩阻力和端阻力值如图13所示, 桩径为1.0 m时,桩端阻力为17 278 kN, 端阻力约占总阻力值的50%; 桩径为1.5 m时, 端阻力为45 198 kN, 端阻力占总阻力值的72.45%; 桩径为2.0 m时, 端阻力为68 138 kN, 端阻力占总阻力值的78.67%。 当桩长不变,仅改变桩径时, 嵌岩段侧摩阻力与总侧摩阻力变化不大, 而桩端阻力受桩径影响较大, 桩径越大桩端阻力更容易发挥; 但当桩径大于1.5 m时, 随桩径的增大,端阻力增加的幅度会逐渐减小。另外, 嵌岩桩桩侧摩阻力受桩长影响较大, 桩径变化对桩侧摩阻力的影响很小。

图13 不同桩径时的侧阻力与端阻力值Fig.13 Pile side and end resistance-load of different pile diameters

假定桩长为20 m,嵌岩深度为10 m,桩径分别为1.0、1.5、2.0 m时,侧摩阻力随桩体深度的变化情况如图14～图16所示。

结果可知, 侧摩阻力主要集中在嵌岩段, 最大侧摩阻力断面位于岩层与土体接触面1 m以下的岩层中(即桩顶以下6 m处)。 随着桩顶荷载的增大, 最大侧摩阻力断面处的侧摩阻力也显著增加。 不同桩径情况下, 桩径越大侧摩阻力最大值越小,应力集中现象也明显减弱,侧摩阻力分布更为均匀;桩体越细,应力越集中,桩侧摩阻力越大。因此,在桩基础设计时需要考虑嵌岩段的侧摩阻力,尤其要考虑岩层与土体接触面1 m以下截面附近的应力集中现象。

图14 1.0 m桩径时的侧摩阻力分布情况Fig.14 Side resistance-load distribution of 1.0 m pile diameter

图15 1.5 m桩径时的侧摩阻力分布情况Fig.15 Side resistance-load distribution of 1.5 m pile diameter

图16 2.0 m桩径时的侧摩阻力分布情况Fig.16 Side resistance-load distribution of 2.0 m pile diameter

桩长为20 m,桩径分别为1.0、1.5、2.0 m时,长径比分别为20、13.3、10,当桩长一定时长径比越小桩端阻力更能发挥作用,相同荷载下沉降量越小,桩侧摩阻力分布更为均匀。

4 结 论

基于现场试验对南宁市灰岩地区不同桩长及嵌岩深度的基桩承载特性进行研究,并利用数值分析将现场试验结果与数值模拟结果进行对比,结果吻合较好。从嵌岩桩尺寸效应角度出发,展开了桩长、桩径、长径比3个影响因素在不同情况下嵌岩桩的承载特性、侧摩阻力和端阻力的变化规律,得到以下结论:

(1)嵌岩深度对灰岩地区嵌岩桩的承载特性影响最大,嵌岩深度越长,桩的承载力越高。在嵌岩桩桩基础设计时,应重点考虑嵌岩深度(即嵌岩段长度),在确定桩长时应合理考虑非嵌岩段长度与嵌岩段长度的分配比值。

(2)在相同嵌岩深度条件下,嵌岩位置对桩体承载力也有较大影响,嵌岩段所处位置越深,桩基沉降量越大,受上覆荷载影响也越大。桩侧最大摩阻力截面位于岩层与土层接触面以下1 m的岩层中,在桩基础设计时应慎重考虑此截面附近的应力集中现象。

(3)桩径对嵌岩桩竖向沉降量的影响很大,且桩径的变化会影响桩端阻力与侧摩阻力的分配。桩径对桩端阻力的影响较大,对桩侧摩阻力的影响很小;但当桩径大于1.5 m时,随桩径的增大,端阻力增加的幅度会逐渐减小。

(4)当桩长一定时长径比越小桩端阻力更能发挥作用,相同荷载下沉降量越小,桩侧摩阻力分布更为均匀;长径比越大,相同荷载下沉降量也越大,摩阻力受力面积增加,侧摩阻力更能发挥作用,上部荷载传递到桩端的力也越来越小。嵌岩桩桩长一定时,适当增大桩径有利于减小沉降,发挥桩端阻力。