基于正交设计的灌注嵌岩桩侧阻力影响因素敏感性分析

杨小乐，陶桂兰，王春龙，乔赵阳

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

基于正交设计的灌注嵌岩桩侧阻力影响因素敏感性分析

杨小乐，陶桂兰，王春龙，乔赵阳

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

文章结合广西南宁六景转运站作业区工程地质资料，对影响岩溶地区灌注嵌岩桩侧阻力的影响因素进行了研究。将灌注嵌岩桩的嵌岩深度、沉渣厚度、泥皮厚度作为影响因素，按照正交设计的方法选取代表性的组合方案，通过ANSYS有限元软件进行桩侧阻力的数值分析，并采用极差方法分析各影响因素对桩侧阻力分担荷载比重的影响程度。由数值模拟的结果可以看出，嵌岩深度对嵌岩桩侧阻力分担荷载比重的影响最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影响最小。通过对嵌岩桩侧阻力各影响因素分析结果的认识，对岩溶地区灌注嵌岩桩的桩基设计具有一定的参考价值。

嵌岩桩；侧阻力；有限元；正交设计

灌注嵌岩桩作为山地丘陵地区一种特定的桩基类型，具有单桩承载力高、沉降小、抗震性能好、群桩效应相对较小等优点，自20世纪90年代起就得到了广泛的应用和研究。但由于嵌岩桩试桩费用高且很难进行破坏性试验，因而系统而全面的试桩资料和实测数据并不多，制约了对其承载性状的认识。20世纪90年代以前，我国普遍认为嵌岩桩是端承桩，我国《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）规定嵌岩桩按端承桩设计。进入20世纪90年代，我国在修订《建筑桩基设计规范》（JGJ94-1994）时有所改进，认识到桩侧阻力不可忽视。进入21世纪，我国《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）规定嵌岩桩单桩轴向抗压承载力设计值由桩侧土阻力、嵌岩段侧阻力和桩端阻力三部分组成。葛崇勋等人［1］在对目前常用的嵌岩桩计算规范方法的分析比较中，指出同时考虑土层段和嵌岩段的侧阻力的计算模式比较符合实际情况；陈斌等人［2］在有限元分析的基础上，指出嵌岩深度、桩底沉渣等因素会影响到嵌岩桩侧阻力的发挥。

广西南宁六景转运站作业区桩基地基以喀斯特地貌岩石为主，岩石表面有少量2～5 m的覆盖土层，有些区域无覆盖土层。本文以此为例，在分析嵌岩桩侧阻力时不考虑岩基以上覆盖的土层作用，仅考虑嵌岩段的侧阻力作用。结合作业区工程地质资料，采用正交设计的方法，对嵌岩桩侧阻力的影响因素进行分析；运用ANSYS软件分析计算嵌岩桩桩侧阻力分担荷载的大小，确定了各影响因素的主次顺序。本文研究成果对岩溶地区灌注嵌岩桩的桩基设计具有一定的参考价值。

1 嵌岩桩的侧阻力影响因素分析

影响嵌岩桩承载力的因素众多，包括嵌岩深度、沉渣厚度、泥皮厚度、孔壁粗糙度等，每个因素都会影响到桩侧阻力和桩端阻力分担的荷载的大小。本文重点对嵌岩深度、沉渣厚度、泥皮厚度3个因素进行分析。

1.1 嵌岩深度的影响

在对嵌岩桩承载特性研究初期，一度认为嵌岩桩嵌岩深度越深，承载能力越大。但随着研究的深入，发现单纯地增加嵌岩深度，在一定范围内能有效提高承载力；超过某一深度后，对单桩承载力几乎没有影响。从理论上讲，桩侧阻力与荷载的比值大小影响着桩端阻力的发挥程度。而随着嵌岩深度的增大，桩侧阻力也随之增大。桩侧阻力的增大，更多地分担了桩顶荷载，从而导致桩端阻力的减小。明可前［3］在分析大量实测资料的基础上，认为当嵌岩深度超过5倍桩径时，桩端阻力基本为零，此时主要由嵌岩段侧阻力平衡桩顶荷载；刘松玉［4］在对11个工程20根试桩的静载荷试验资料和实测资料进行统计分析的基础上，研究了泥质软岩嵌岩桩的荷载传递机理，认为南京地区软岩中嵌岩桩的最大嵌岩深度为7倍桩径，嵌岩段桩侧摩阻力占总承载力的50%以上。

关于嵌岩深度的问题，国内外仍未有统一标准，但比较一致的看法是：增加嵌岩深度能有效提高嵌岩桩承载力，然而一味地增加嵌岩深度是不可取的。对具体工程而言，应结合施工条件并考虑经济因素的影响，合理确定嵌岩桩的嵌岩深度，以达到能够使桩侧阻力和桩端阻力二者共同分担桩顶荷载。

1.2 沉渣厚度的影响

灌注嵌岩桩按基岩埋深情况和成孔方法分为钻孔桩和挖孔桩两种。钻孔桩是在软弱土层较厚或基岩埋深较大时，为达到承载力要求，采用大口径钻机钻至中风化层或微风化层一定深度后灌注成桩；人工挖孔桩是在基岩埋深较浅时，常以人工方法挖至中风化或微风化岩层中灌注成桩。人工挖孔桩，清底情况较好，桩与岩体能够紧密结合，可以不考虑沉渣厚度对嵌岩桩嵌岩段侧阻力的影响。对于钻孔桩，尤其对超长桩，受目前施工技术的限制，清底情况一般较差，桩底总会残留一部分沉渣。沉渣往往形成一个可压缩的“软垫”，导致桩身与岩体及土体间产生相对位移，从而使侧阻力得到充分发挥，但桩端阻力往往由于“软垫”作用而不能有效发挥出来，影响结构的安全［5］。

由于桩底沉渣对承载力有着显著影响，必须合理控制沉渣的厚度。工程上一般采用泥浆循环清除钻孔桩的孔底沉渣。对于超长桩，主要采用空气升液排渣的方式。该方式利用杆（管）内外液柱的重度差来驱动液体，不会因深度的增加而影响泥浆的上升速度，从而具有较好的效果。

1.3 泥皮厚度的影响

灌注嵌岩桩在施工过程中，采用泥浆护壁会在孔壁形成一层泥皮。泥皮作为一薄弱层存在，改变了嵌岩桩与岩体间相互作用性状。由于泥皮的抗剪强度非常低，严重影响了桩侧阻力的发挥，最终降低了灌注嵌岩桩的承载力。国外学者在对砂岩嵌岩桩的研究中发现，一定厚度的泥皮会导致桩侧阻力下降25%左右［6］。喻小明［7］采用有限元模拟的方法分析了桩周泥皮厚度变化对单桩承载力的影响，指出当泥皮增加到一定厚度时，可导致单桩承载力降低50%左右。吴玉军［8］通过工程实践发现，采用正循环和反循环两种不同的施工工艺，导致了桩周泥皮厚度不同，单桩承载力也有较大的差异。

在嵌岩桩施工过程中，必须改善泥浆护壁性状，在满足保护孔壁不致塌孔的前提下，尽可能减小泥皮厚度，以减小其对嵌岩桩承载力的影响。工程上选择优质膨润土造浆，形成高性能泥浆；在孔深、孔径达到设计要求后，迅速清孔，必要时需进行二次清孔，以减小泥皮厚度。

2 侧阻力影响因素的正交设计分析

在研究嵌岩段侧阻力时，需要涉及到嵌岩深度、沉渣厚度、泥皮厚度3个因素。本文考虑多因素多水平的影响，采用正交设计的方法，利用ANSYS软件进行数值模拟分析，以此确定各因素及水平对侧阻力的影响主次顺序。

2.1 正交设计方法

正交设计方法是运用正交表来安排与分析多因素多水平的一种设计方法。其在试验因素的所有水平里选取一部分具有代表性的组合来进行研究，并由这部分代表试验组的结果分析来了解全面试验的情况。本文针对上述3个因素各设计了3个水平，具体的嵌岩桩侧阻力影响因素及水平见表1。

表1 嵌岩桩侧阻力影响因素及水平Tab.1 Rock⁃socketed pile side resistance factors and levels

在确定正交因素及水平后，选取一个合适的正交表。正交表的各列能够安排一个试验因素，表头设计即把试验因素分别安排到选取正交表的各列的过程。对于上述3因素3水平问题，采用L9（33）的设计方案，即从27个试验点中筛选得到的9个试验点，具体试验点选取见表2。该设计方案的9个试验点代表性很强，具有均匀分散和整齐可比的特质［9］。

正交设计的结果分析普遍采取两种方法，即极差分析法和方差分析法。本文采用极差分析的方法，其计算简便，结果直观形象。极差分析法中计算参数Tij按如下公式计算

表2 侧阻力影响因素及水平分析设计方案Tab.2 Side resistance factors and levels of design scheme

图1 嵌岩桩有限元模型Fig.1 Finite element modelof rock⁃socketed pile

式中：Tij为因素j在i水平下的统计参数；n为因素j在i水平下的试验次数；Yijk为因素j在i水平下第k个试验结果指标值。

评价因素显著性的参数为极差Rj，其计算公式如下

式中：r为各因素水平数。

极差越大说明该因素的水平改变对试验结果影响越大，极差最大的因素就是最主要的因素，极差较小的因素为次要的因素。

表3 材料力学参数Tab.3 Materials mechanical parameter

表4 嵌岩桩侧阻力分担荷载比重结果Tab.4 Load proportion of rock⁃socketed pile side resistance

2.2 正交设计计算结果与分析

2.2.1 计算模型

该作业区嵌岩桩桩径为1.3 m，单桩桩长均在13 m以上，桩径比大于10，嵌岩桩桩顶承受荷载3 200 kN。

本文建立简化后的桩-岩三维实体有限元模型，桩身与桩侧岩基间设置一薄层单元来模拟泥皮，桩身与桩底岩基间设置一单元层来模拟沉渣，泥皮和沉渣本构关系服从DP准则。由于单桩的几何形状和变形与桩的轴线对称，建模时可简化为1/4模型，横截面宽度和桩底下地基深度为10倍桩径，边界条件分别为对称约束和全约束。采用三维空间8节点实体单元solid45对模型进行离散，划分后的有限元模型如图1，各单元材料力学参数见表3。

2.2.2 计算结果分析、

经ANSYS有限元软件分析，提取泥皮单元的竖向剪应力为相应的桩侧阻力，沉渣单元竖向应力为桩端阻力。计算得嵌岩桩侧阻力分担荷载比重结果见表4。

通过比较极差Rj可见，RA＞RB＞RC，所以各因素对指标影响的程度由大到小为嵌岩深度、沉渣厚度、泥皮厚度，即嵌岩深度对嵌岩桩侧阻力分担荷载比重的影响最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影响最小。

3 结论

基于正交设计方法，采用有限元软件ANSYS可以较好地分析岩溶地区灌注嵌岩桩侧阻力的各影响因素。本文研究结果表明，在桩侧阻力的各影响因素中，嵌岩深度对嵌岩桩侧阻力分担荷载比重的影响最大，其次是沉渣厚度，而泥皮厚度的影响最小。本文对嵌岩桩侧阻力各影响因素分析结果，对岩溶地区灌注嵌岩桩的桩基设计具有一定的参考价值。

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Sensitivity analysis of perfusion rock⁃socketed pile side resistance based on orthogonal design

YANG Xiao⁃le,TAO Gui⁃lan,WANG Chun⁃long,QIAO Zhao⁃yang
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Combined with the engineering geological data of Nanning Liujing transportation station in Guangxi, the influence factors of the lateral resistance of the pile embedded in the karst area were studied in this paper.Con⁃sidering rock⁃socketed depth,sediment thickness and mudcake thickness as influencing factors,the representative combinations were selected according to the orthogonal design method,and the numerical analysis of pile side resis⁃tance was carried out by the finite element software ANSYS.Range method was employed to study the influence of different factors on the pile side resistance accounted for the extent of the impact of the proportion of load.By the numerical simulation results,it can be seen that the influence of rock⁃socketed depth is the greatest,the next is the thickness of the sediment,and the influence of the mudcake thickness is the least.Based on the various influencing factors of rock⁃socketed pile side resistance,it has a certain reference value for the design of pile foundation in karst area.

rock⁃socketed pile;side resistance;finite element;orthogonal design

TU 473.1

A

1005-8443（2016）06-0622-04

2016-05-23；

2016-06-22

杨小乐（1992-），男，江苏省连云港人，硕士研究生，主要从事港航工程结构研究。

Biography：YANG Xiao⁃le（1992-），male，master student.