不同围岩强度下大直径嵌岩钻孔灌注桩承载力尺寸效应的数值模拟

李光耀，赵克烈，鲁祖德

（1.中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430050；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

直径大于0.8 m的桩为大直径桩[1]，在灌注桩开挖过程中，由于应力的释放和应力重新分布，造成侧壁和孔底岩土体的松弛，从而降低了桩身侧摩阻力和桩端阻力的发挥。《建筑桩基技术规范》[1]明确规定，大直径桩单桩极限承载力需考虑桩尺寸效应的影响，并给出了桩端阻力和桩侧阻力尺寸效应系数，见表 1。表中仅给出了土体的大直径灌注桩侧阻力和桩端阻力的尺寸效应系数，对于嵌入岩石的大直径灌注桩是否需要进行尺寸修正，以及如何修正，规范中没有提及。实际上，对于嵌入岩石的钻孔灌注桩，随着桩体直径越来越大，嵌入岩体越来越深。钻孔灌注桩的开挖会引起土体松弛，对于风化岩体、破碎岩体、甚至完整岩体同样会引发松弛作用，从而影响到桩基的承载力。目前对于大直径桩的尺寸效应研究主要在入土灌注桩方面[2]，对于嵌入岩体的灌注桩，主要研究承载力特性、变形及有效嵌岩深度方面[3－5]，而对于大直径嵌岩桩承载力的尺寸效应几乎没有涉及。

表1 大直径灌注桩效应系数Table 1 The size effect coefficient of large diameter rock-socked pile

武汉天兴洲长江大桥主墩嵌岩桩的直径达 3.4 m，大直径嵌岩灌注桩桩端端阻力和桩侧摩阻力的尺寸效应问题已成为亟待解决的关键科学问题。本文利用数值模拟的方法，分析了天兴洲大桥直径达3.4 m嵌岩钻孔灌注桩，由于开挖引起的极限承载力尺寸效应问题，通过模拟 20种工况，得到了不同岩体和不同直径的大直径嵌岩桩的桩侧、桩端阻力的尺寸效应系数。

2 三维计算模型

本文采用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟计算。计算时，围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，桩采用弹性模型，嵌入岩体的深度为25 m。模形坐标系原点选在桩的底面圆心，水平面为XZ坐标系平面，竖直向为坐标系Y轴方向。模型下表面用Y向简支约束，4个纵表面受垂直于表面的法向简支约束，上表面自由，网格类型采用六面体单元，桩体附近区域网格进行了加密。模型如图1、2所示。

图1 整体网格图Fig.1 Integrated grid

图2 桩和围岩地质模型Fig.2 Geological model of the pile and the surrounding rock

本次研究了抗压强度为1、5、10、20 MPa，桩直径为0.8、1.5、2.5、3.4、5.0 m的20种工况，计算工况详见表2，桩周围岩参数取值见表3。围岩-桩接触模型：为考查围岩与桩之间的相互作用，设定强度10 MPA及以下的岩石与桩面单独建立接触面单元，强度为10 MPA以上的岩石和桩面为胶结良好，不单独建立接触面单元[6－8]。

表2 计算工况表Table 2 Calculated condition

表3 材料参数表Table 3 The parameters of material

计算分为以下几个步骤[9－11]：①在自重应力、水压作用下围岩应力平衡；②开挖桩位岩土体；③浇筑桩身混凝土，建立桩-围岩接触平衡；④桩顶部不断进行位移加载，直到破坏，求出极限摩阻力、极限端阻力；⑤不考虑开挖桩和浇筑桩的这些步骤，直接在桩上施加位移荷载，直至破坏，求出这一工况的极限侧阻力、极限端阻力；⑥比较第4和第5步的极限侧阻力、极限端阻力的大小，通过数据回归得到尺寸效应系数。

3 数值模拟过程受力状态分析

地基岩体初始地应力受岩体自重的影响，应力从上到下依次增大。在钻孔桩成桩过程中，岩体被开挖成长柱形，围岩全部受压，桩周、桩底岩体有显著的应力释放，桩底以上局部区域有压应力集中，岩体发生局部破坏，见图3。

图3 工况5桩孔形成后围岩破坏区域分布Fig.3 Undermine regional distribution of the surrounding rock mass

桩周岩体向桩方向收敛，桩底位移向上；随着开挖桩径增大，围岩位移相应增大；桩径相同，围岩强度越低，开挖后围岩位移越大。浇筑桩体后，围岩最大主应力和最小主应力分布恢复到初始应力场状态，桩底最大位移量减小，但破坏区大小不会发生改变。在压桩过程中，由图4可见，随着桩承受压力的增大，桩侧岩体从上到下发生破坏，最后桩端岩体发生破坏，侧阻力和端阻力达到极限，继续施加荷载时竖向位移增加，施加在桩端的荷载趋于一个定值。

4 极限承载力尺寸效应系数分析成果

数值计算中的岩体基于Mohr-Coulomb弹塑性本构关系，采用位移加载方法，当岩石发生破坏后，位移继续增加，但荷载不能继续增加，此时，可以认为这个无限趋近于某个定值的力为桩的极限承载力。利用C++语言进行编程，将桩底每个节点力之和转化为极限端阻力，桩侧每个节点向上的力之和转化为极限侧摩阻力。工况 1～5的计算结果见表4。图5为围压1 MPa时桩端极限阻力和桩侧极限阻力尺寸效应系数拟合曲线。端阻尺寸效应拟合公式为ψb=(0.8/D)0.275，桩侧阻力尺寸效应拟合公式为ψs=(0.8/D)0.234。围压强度为5、10、20 MPa的工况下桩端阻力和桩侧极限摩阻力尺寸效应拟合公式为侧阻尺寸效应系数ψs、端阻尺寸效应系数ψb，见表5。从表中可以看出，(1) 围岩强度越小，极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大，尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时, 围岩在开挖过 程中破坏明显，尺寸效应显著；当围岩强度大于10 MPa 时，围岩破坏不明显，尺寸效应明显减弱；(2) 相同围岩强度下，桩径越大，极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大，尺寸效应系数越小。相比桩侧阻力，桩端阻力尺寸效应更明显，尺寸效应系数略小；(3) 极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系，用ψ=(0.8/ D)1/n函数拟合效果较好。

图4 工况1压桩阶段围岩破坏区域演化图Fig.4 Undermine regional distribution of the surrounding rock mass

表4 1 MPa围岩下桩的极限承载力计算结果表Table 4 The ultimate bearing capacity of pile under surrounding rock

图5 尺寸效应系数Fig.5 The size effect coefficients of large diameter rock-socked pile

表5 大直径嵌岩效应系数Table 5 The size effect coefficients of large diameter rock-socked pile

5 实 例

武汉天兴洲长江大桥 2#墩和 3#墩采用直径为3.4 m的钻孔灌注桩，覆盖层主要是第四系全新统河流冲积相砂类土，桩基计算不考虑侧阻力，桩基持力层基岩为强胶结砾岩、中胶结砾岩和弱胶结砾岩。根据前面研究尺寸效应计算公式，得出天兴洲长江大桥 2#墩和 3#墩大直径钻孔灌注桩岩石尺寸效应修正系数，见表 6。2#墩基岩为中胶结砾岩和强胶结砾岩，3#墩基岩为弱胶结砾岩，其间夹少量中胶结砾岩。从表6可以看出，2#墩桩基的总承载力考虑尺寸效应比不考虑尺寸效应时减少约 7%。3#墩桩基的总承载力考虑尺寸效应比不考虑尺寸效应时减少约25%。可见，大直径嵌岩灌注桩桩端阻力和桩侧摩阻力的尺寸效应问题是不可忽视的，特别是软质岩。

表6 2#墩和3#墩岩石尺寸效应系数Table 6 The size effect coefficients of rock

6 结 论

（1）围岩强度越小，极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大，尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时，围岩在开挖过程中破坏明显，尺寸效应显著；当围岩强度大于10 MPa时，围岩破坏不明显，尺寸效应明显减弱。

（2）相同围岩强度下，桩径越大，极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大，尺寸效应系数越小。相比桩侧阻力，桩端阻力尺寸效应更明显，尺寸效应系数略小。

（3）极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系，用ψ=(0.8/ D)1/n函数拟合效果较好。

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