大直径扩底嵌岩桩承载力分析计算★

徐 薇 方显轮

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

随着经济建设的发展，高层建筑在越来越多的城市里涌现。大直径桩因其承载力高、抗震效果好而经常在超高层建筑中采用。国内外规范如JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[1]、AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (8th Edition)[2]是把直径是否超过0.8 m作为判断是否为大直径的标准。我国JTG F50—2011公路桥涵施工技术规范[3]定义桩径2.5 m以上为大直径桩。但是现阶段，许多高层建筑中所采用的桩基直径多大于这些规范的规定。如广州西塔采用了直径4.8 m的嵌岩桩；深圳华润湾商业中心最大桩基直径4.5 m[4-6]。本研究基于的项目深圳平安大厦更采用了直径8.0 m，扩底9.5 m和直径5.7 m扩底7.0 m两种直径的桩基。由于目前的设计计算仍然沿用传统规范的设计方法，现有的技术水平也无法对桩基进行现场承载力测试试验。因此，为了更好的获得这类桩基承载力变化规律，本文以深圳平安大厦项目超大直径扩底嵌岩桩为背景，展开数值计算分析，为今后类似工程提供有利的参考。

2 工程概况

深圳平安大厦位于深圳市福田区，总高度为600 m，118层，为华南地区第一高楼。基坑工程总共占地面积约为2万m2，基坑底板深度33.8 m～39.5 m。施工过程中，基坑开挖至底部后再开挖桩基础，采用嵌岩桩的设计方法，桩径从1.7 m～8.0 m不等。其中支撑“巨型框架—核心筒—外伸臂”体系的为8根直径8.0 m，扩底9.5 m(图1中 Z代表“桩”，A类桩)、16根直径5.7 m，扩底7.0 m(图1中B类桩)的超大直径扩底嵌岩桩，桩长范围25 m～35.5 m。抗压桩承载力设计值如表1所示，设计承载力远远高于传统的大直径桩。场地内地层起伏较大，桩周岩层由全风化～微风化花岗岩组成。因此，必须考虑岩层的差异性对超大直径扩底嵌岩桩承载力的影响。

表1 抗压桩承载力设计值

3 数值分析

3.1 基本假定

由于超大直径嵌岩桩与岩层接触面积远大于中小直径桩，因此，桩周岩体的强度、不连续面分布情况、矿物组成以及岩体的各项异性等因素对桩基承载力的影响和变化情况远大于传统的中、小直径嵌岩桩。为了更好的反映岩石参数的影响，E. Hoek和E. T. Brown 在1980年基于大量的现场岩体试验和岩石三轴试验结果，提出了适用于工程岩体的Hoek-Brwon强度准则。经过多年的发展，目前使用最多的是Hoek-Brwon2002准则[7]。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；σc为完整岩石的单轴抗压强度；mi,s均为经验参数，反映岩石软硬程度。D的取值为0～1，0说明施工中未扰动，1说明完全扰动。根据Hoek-Brwon2002准则，在强度较差岩体里采用人工或机械开挖，D取0.5；当大范围的爆破开挖时，D取1。基于此，本计算采用FLAC3D软件进行分析计算，在模型计算中假定如下：

1)采用1/2轴对称模型进行单桩竖向承载力作用分析，桩身和桩周岩土体均采用实体单元建模；

2)基于桩身在实际受力中的承载力情况，采用弹塑性模型；桩周强风化岩体采用Mohr-Coulomb模型。考虑到岩层差异性的影响，中风化和微风化岩体采用Hoek-Brown准则，基于岩体条件和现场施工方法对准则中参数进行修正；

3)为了考虑桩和岩体界面相互作用关系，在两者界面间设置Goodman接触面单元。

3.2 模型网格的建立

单桩竖向承载力计算时，x和y方向扩至20倍桩半径，z方向扩至10倍桩长，以消除边界效应的影响。计算桩基模型大小同设计，并按实际施工情况进行逐级加载。单桩三维计算模型如图2所示。

3.3 模型参数的选取

基于现场勘查报告和室内试验的结果，计算中场地内各岩层的力学参数如表2所示。现场施工中采用人工挖孔的方法，对于岩层强度高的桩端则采用先现场爆破后人工机械挖孔的方法。综合考虑，在中风化和微风化花岗岩岩层中，采用Hoek-Brwon2002准则时，综合考虑本计算模型D取0.5。经计算得到的模型计算参数和接触面参数如表2,表3所示。

表3 桩接触面参数

表2 大直径扩底嵌岩桩数值计算参数

3.4 模型加载

模型建立完成并赋参后先进行自重平衡计算，随后进行地层初始位移场清零；第二步按现场施工工序进行桩体的开挖和浇筑，计算完成后进行第二次位移场清零；第三步进行逐级加载至承载力设计值。如桩周土体无明显塑性区或桩顶未发生突变，继续计算至桩顶沉降出现突变或桩顶沉降达不合理范围时。

4 计算结果分析

4.1 桩顶沉降变化规律

本项目在2014年12月15日主塔楼结构全部封顶，施工过程中在桩周布置了沉降监测点JC(如图1所示)。限于篇幅，以ZA3桩为例，对应现场施工荷载加载级数，现场沉降监测结果与数值计算结果如图3所示。两者吻合较好，计算结果准确可靠。

4.2 荷载—沉降曲线分析

荷载—沉降曲线可反映桩在受力和荷载传递过程中位移变化关系。选取不同桩径、相同桩长的两根桩的曲线进行对比分析。桩ZA3和桩ZB2桩径分别为8.0 m(扩底9.5 m)和5.7 m(扩底7.0 m)，桩长均为持力层为微风化花岗岩-2。在相同荷载作用下，两根桩的荷载—沉降曲线均无明显拐点，桩径较小的嵌岩桩沉降远大于桩径大的大直径嵌岩桩。另一方面也反映了增大桩径有利于提高桩基总承载力(见图4)。

4.3 轴力和侧摩阻力分布

选取桩长较长的ZA1(35.5 m)为例，在逐级加载下，分析其轴力和侧摩阻力的变化规律，桩基轴力见图5。桩体等直径段轴力逐渐减小，桩身仍起到传递荷载的作用。但在桩身轴力在扩底斜直线段这一位置处逐渐增大，分析原因是由于扩底引起桩端截面面积的增大而导致轴力变大。在扩底处的等直径段，桩身轴力又表现和上部等直径段一致，即逐渐减小。上部荷载越大，这种现象就越明显。

桩周侧摩阻力分布如图6所示。随着上部荷载的增大，岩体强度高的岩层侧摩阻力也越大，与普通大直径嵌岩桩变化规律一致。但是在扩底斜线段出现了负摩阻力。分析原因是在加载过程中，随着桩身侧摩阻力沿深度不断发挥作用时，桩身的竖向应力对应不断减小，但是由于扩底导致桩体轴力在扩底范围内不断增大，进而导致了负摩阻力的产生。上部荷载越大，这种现象就越明显。

4.4 荷载分担比

仍以ZA1为例，各级荷载下不同岩层内和桩端、桩侧荷载分担比如图7所示。随着加载的进行，桩端阻力所占的比例从65%提高到75%，侧摩阻力所占比例从加载初期的35%减小至25%。中风化和微风化花岗岩为主要侧摩阻力的提供者，而强风化花岗岩的承载力影响几乎可以不考虑。因此，对于这类超大直径桩来说，如果桩周存在强度较高的岩层，不能完全忽略其侧摩阻力的影响，而是应当按摩擦端承桩来考虑设计。

5 结语

本文基于600 m深圳平安大厦大直径嵌岩桩，采用FLAC3D进行了数值计算。并同时考虑了岩体强度参数、施工扰动等因素的影响。结果表明：

1)对比现场监测和数值计算结果，采用Hoek-Brown强度准则可以更好的考虑桩周岩体差异性的影响，提高数值计算的准确性。

2)随着荷载的增大，桩端阻力几乎承担了所有荷载，但如果桩周存在强度较高的岩层，其侧摩阻力不应该忽略。

3)扩底处桩端截面面积的增大会引起桩体扩底部分斜直线段产生负摩阻力，在今后设计中需引起注意。