嵌岩桩承载特性三维有限元分析

邵先锋，石雪梅，钱朝军，闫超

(1.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230022；2.安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着国家对能源的大力投入，变电站得到了大力的建设，但因其所处的环境复杂多样，相应的地质情况也各不相同，甚至在个别的地方会遇到地质情况比较差的情况，此情形下桩基基础的设计和施工则至关重要。在桩基进行施工时，若地质情况判断不够准确或者其他原因，可能会出现一定的安全问题，此时就需要对桩基进行合理处理，确保工程的质量[1]。因此，研究桩基的承载特性对整个变电站的使用安全、工期和工程造价都将产生很大的影响。在变电站嵌岩桩设计中，由于嵌岩桩桩身刚度较大，受到荷载竖向变形较小，导致桩-土相对位移不够充分，土层产生的侧摩阻力远未到极限值。因此在设计嵌岩桩承载力时，忽略了土层侧摩阻力，进而引起不合理的桩承载力设计，提高了造价成本。

因岩层土层的复杂性因素，至今难以完全理解嵌岩桩的受力和变形机理[2-7]。为深入认识山区变电站嵌岩桩的竖向承载特性，本文利用有限元软件建立三维嵌岩桩数值模型，分别研究桩长、桩径和嵌岩段深度变化对嵌岩桩土层侧摩阻力的影响，嵌岩桩轴力变化规律与沉降随外荷载的变化规律。研究结果将为变电站工程嵌岩桩的设计与施工提供定量指导，有效合理降低工程造价。

1 中小直径嵌岩桩的静载试验

图1为一桩径600 mm、嵌入粉质黏土的灌注桩(桩长7.2 m)的实测荷载传递曲线，桩底岩层为2 m，静载加载3000 kN。静载试验采用慢速堆载法，即先逐级加载，待相对稳定后，再进行下级荷载，每级加载量按照试桩预估极限承载力的10%来执行。从图中可以看出：桩轴力随深度递减，说明桩周侧摩阻力的作用在桩承受荷载的过程中可以充分发挥出来。图1中也给出了数值仿真结果，通过与试验的对比，两者的趋势基本一致，说明用有限元模拟是可行的。不同尺寸比、不同边界条件下的有限元模型将在第2节详细展开。图2为试桩沉降和试验对比图，两者的趋势也是一致的，误差在接受范围内。

图1 桩轴力仿真和试验对比图

图2 桩沉降仿真和试验对比图

2 嵌岩桩单桩有限元模型建立

嵌岩桩桩径为600 mm，有限元模型取长宽各12 m，以减小边界条件的约束对单桩承载力的影响。桩长18 m，桩底下部岩层厚度2 m，即岩土层模型厚度为20 m。其中土层为粉质黏土，厚18 m，桩嵌岩深度为0.6 m。研究长径比时，桩径为600 mm不变，改变桩长，令桩长分别为7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m，即长径比分别为 12、16、20、24、30。研究深径比时，桩径及桩长不变，分别为600 mm和18 m，令嵌岩深度分别为0.6 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m、6.0 m，即嵌岩深径比分别为 1、4、6、8、10。土层材料采用Mohr-Coulomb模型模拟，桩身混凝土采用线弹性材料模拟[8-10]。嵌岩桩桩周与土体之间、桩底与岩体之间分别建立接触对，主面(Master Surface)取混凝土桩外周面，从面(Slave Surface)取黏性土接触面，用来模拟嵌岩桩与土体和岩体之间的接触，桩土摩擦系数取0.4[11]，桩岩摩擦系数取为0.6[12]。

模型周围四个面约束X、Y向位移及转动自由度，底部固定端约束；整个模型网格全部使用六面体单元。在桩顶施加载荷，研究载荷作用下桩底沉降、桩身各处的轴力及侧摩阻力。桩顶载荷分布加载，由600 kN逐步加大，最大到9000 kN，桩身轴力及侧摩阻力为加载至3000 kN时的计算结果。有限元模拟的土(岩)物理参数如表1所示，桩基和岩土的三维有限元模型如图3所示。

3 计算结果分析

3.1 桩沉降、轴力及侧摩阻力变化规律

采用三维有限元建模数值分析，计算得到嵌岩桩沉降随桩顶荷载的变化曲线，如图4所示。结果表明，随着桩顶荷载的增大，桩体沉降逐渐增大，两者间基本呈线性关系。随着长径比的增大，沉降也相应地增大。

表1 地基土层及其物理力学性质[13]

图3 桩基和岩土三维有限元模型

图4 桩沉降随荷载的变化曲线

图5 给出了桩顶荷载为3000 kN时桩体轴力随埋深的变化规律，结果显示，在覆土层位置，由于桩和覆土层的侧摩阻力比较小，因而桩身轴力基本等于桩顶竖向荷载，且随着埋深增大，轴力变化不大；埋深超过16 m后，由于桩嵌入岩层，桩岩接触侧摩阻力增加，因此桩体轴力减小，桩基可以通过侧摩阻力来传递竖向荷载；到埋深18 m处，桩端与岩石接触，桩端阻力贡献较大。

图6给出了桩周侧摩阻力随埋深的变化曲线，计算结果表明，桩身不同位置处的侧摩阻力不同，在桩从软土层进入嵌岩段时侧摩阻力出现第一个峰值，在嵌岩段的中下部出现更大的峰值，这反映了土层与岩层转变处对侧摩阻力的影响，这是由于摩擦系数的差异以及岩层对桩约束的增强导致的。

图5 桩轴力随埋深的变化曲线

图6 桩周侧摩阻力随埋深的变化曲线

3.2 桩长径比及嵌岩深径比对侧摩阻力的影响规律

为分析桩径比对侧摩阻力的影响，桩径设定为600 mm，桩长取 7.2 m、9.6 m、12.0 m、14.4 m、18.0 m等，建立三维有限元分析模型。三维模型长宽各取为12 m，以便减少由于尺寸引起的边界条件对单桩分析结果的影响。嵌岩段深度均为最小嵌岩深度0.6 m，以弱化嵌岩深度对侧摩阻力的影响。有限元分析结果见图7，可以看出，嵌岩桩侧摩阻力占总荷载比随着桩径比的增加而增加，是因为随着桩径比的增加，桩侧表面与桩周土的接触面积增大了，导致侧摩阻力增大，占总荷载比随之提高。但随着桩长的增加，侧摩阻力占总荷载比虽然仍在增加，但增加幅度逐渐减缓。

为分析嵌岩深径比对桩顶沉降的影响，嵌岩深径比分别取 1、4、6、8、10 等数值，桩径及桩长分别为600 mm和18 m，建立有限元模型，模型长宽各取12 m。有限元分析结果见图8，可以看出，大直径嵌岩桩顶沉降随着嵌岩深径比的增加而减小，原因是随着嵌岩深径比的增大，桩端所受约束增强，使得沉降减小。

图7 桩周侧摩阻力占比随桩长径比的变化曲线

图8 桩顶沉降随嵌岩深径比的变化曲线

为分析嵌岩深径比对侧摩阻力的影响，嵌岩深径比分别取 1、4、6、8、10 等数值，桩径及桩长分别为600 mm和18 m，建立有限元模型，模型长宽各取12 m。为使模拟更具代表性，有限元模型只设置一层土层。分析结果见图9，从中看出，土层厚度一定的条件下，嵌岩深径比的增大会引起侧摩阻力占比的减小。原因是嵌岩深度的增加，相当于增强了端部约束，使得桩极限承载力加大，而桩身与土层接触面积未变，这样嵌岩深度的增加实际削弱了侧摩阻力的贡献，导致曲线呈递减状。

图9 桩周侧摩阻力占比随嵌岩深径比的变化曲线

4 结论

本文通过对不同桩长径比、不同嵌岩深径比下的嵌岩桩承载力进行有限元三维建模分析计算，得出了桩沉降与桩周侧摩阻力随桩长径比及嵌岩深径比的变化规律，可以用来指导桩基的设计与施工，同时可以对已有的桩基变形和承载力进行校核验算，分析得出的主要结论有：

(1)埋深浅时，由于桩和覆土层的侧摩阻力比较小，桩顶竖向荷载主要由桩承担，轴力比较大，而随着埋深增大，轴力变化不大；超过埋深16 m处，由于桩嵌入岩层，桩岩接触侧摩阻力成为主要承力因素，因此桩的轴力减小，桩主要通过侧摩阻力来传递竖向荷载；到埋深18 m处，桩端与岩石接触，桩端阻力成为主要因素；

(2)桩身不同位置处的侧摩阻力不同，桩身处于软土层时，桩周侧摩阻力比较小，随着进入嵌岩段时，侧摩阻力变大，会出现峰值，这是因为桩-岩硬接触摩擦系数增大，同时约束增强导致的，桩端附近区域时会减小，是因为桩端阻力开始发挥作用；

(3)嵌岩桩侧摩阻力占总荷载比随着桩长的增加而增加，是因为随着桩长的增加，桩侧表面与桩周土的接触面积增大了，导致侧摩阻力增大，占总荷载比随之提高；

(4)在嵌岩端附近区域，桩端阻力成为主要因素，嵌岩段越深，承担的荷载越多。