山区机械化成孔的大孔径硬岩嵌岩桩承载能力

摘 要：为揭示硬质岩石的承载能力与荷载传递机制，结合保定西某500 kV输电线路的山区机械化成孔项目，对山区大孔径嵌岩桩承载性能的影响因素进行了研究.首先利用准静态压缩试验得到岩石地质参数.然后，采用显式非线性有限元方法对山区大孔径硬岩嵌岩桩的抗拔与抗剪承载特性、失效模式和受力机理进行数值研究，具体分析桩体在上拔和水平荷载作用下的力学性能，讨论了覆土层增加钢套筒对桩体水平极限承载力的影响.研究结果表明：在上拔荷载下，承载力主要由桩体侧摩阻力和桩体自重来承担，硬质岩层桩侧摩阻力占主导地位，约为总侧摩阻力的90%；在水平荷载下，桩身较大位移区域在桩身4 m内，弯矩最大值出现在距桩顶2～3倍桩径，覆土层增加钢套筒可明显提高桩体的水平承载极限.本文研究结果将对岩石地质山区大孔径嵌岩桩结构设计和机械化施工提供理论指导.

关键词：嵌岩桩；硬质岩石地质；抗拔承载力；水平位移；有限元分析

中图分类号：TU741"" 文献标志码：A"" 文章编号：10001565（2024）06056110

Bearing capacity of large diameter hard rock socketed pile with mechanized hole in mountainous areas

WANG Jingde^1，2， ZHANG Xinchun1， LIU Zengwei3， SUN Qingsong3， LI Bei2

（1. School of Energy Power and Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Hebei Electric Power Engineering Supervision Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China; 3. Construction Company， State Grid Hebei Electric Power Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： To reveal the bearing characteristics and loading transfer mechanisms of hard rock-socketed piles， the factors influencing the bearing performance of large-diameter rock-anchored piles in mountainous areas are investigated in this paper. Combined with the mechanized borehole project for a 500 kV transmission line in the western of Baoding， geological parameters of the rocks were obtained through quasi-static compression tests. Explicit nonlinear finite element （FE） methods were employed to conduct numerical simulations on the uplift and shear load-bearing properties， failure modes， and carrying mechanisms of large-diameter rock-socketed piles in hard rock area. The mechanical behavior of pile bodies under uplift and horizontal loadings was discussed in detail. The effects of adding steel casings to the overburden layer on the horizontal ultimate bearing capacity of the piles were also studied. The results show that the bearing capacity mainly depends upon the side frictional resistance and the self-weight of the pile under uplift loadings. The side frictional resistance of the pile plays a dominant role in the hard rock formation， which is about 90% of the total side frictional resistance. Under horizontal load， the maximum displacement area of pile body is within 4 m， and the maximum bending moment will appear within 2—3 times diameter of the pile from pile top. The horizontal ultimate bearing capacity of the pile can be significantly improved by adding steel casing to the overlying soil layer. These results will provide theoretical guidance for the structural design and mechanized construction of large-diameter rock-socketed piles in rocky mountainous area.

Key words： rock-socketed pile; hard rock geology; ultimate pulling capacity; horizontal displacement; finite element analysis

收稿日期：20240423;修回日期：20240905

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（11875014）；河北省电力工程监理有限公司资助项目（SGTYHT/21-JS-223）

第一作者：王敬德（1990—），男，华北电力大学在读博士研究生，河北电力工程监理有限公司高级工程师，主要从事输电线路工程研究.E-mail：rqhdejd@163.com

通信作者：张新春（1980—），男，华北电力大学副教授，博士，主要从事输电线路工程研究.E-mail：xczhang@ncepu.edu.cn

随着中国电力行业的快速发展，大量架空输电线路不可避免要经过岩石地质山区，工程地质条件复杂多样，因此对基础极限承载能力的要求越来越高^［1-2］.目前，山区嵌岩桩成孔主要依靠人工开凿或结合炸药爆破，挖孔方式效率低、危险程度高，且对基坑周围环境破坏较为严重.为了响应国家的“双碳”目标，结合智能技术与绿色建造理念，亟须开发一种可用于山区机械化成孔的新型基础结构.因此，研究山区机械化成孔的大孔径嵌岩桩承载特性，对于优化基础设计具有重要的理论意义和工程应用价值.

目前，关于嵌岩桩承载能力的研究业已展开，并取得了一些重要的研究成果.例如，王向军等^［3］基于非线性有限元方法研究了基岩岩层参数、土层参数和桩体结构参数对嵌岩桩承载变形特性的影响，并与实验结果进行了对比分析；吴爽爽等^［4］通过桩周土体沉降与桩身应变的监测，建立了计算桩-土剪切位移量的方法，确定了在桩顶自由条件下的桩-土剪切位移量；闫楠等^［5］从嵌岩桩的荷载传递规律、破坏模式、承载特性及其影响因素等方面对嵌岩桩承载性能的研究现状进行梳理，综述了嵌岩桩荷载传递特性及破坏特征；李波等^［6］通过现场竖向抗压静载试验准确测定经预处理后地基中桩基的竖向承载力和桩体侧摩阻力分布规律；陈亚东等^［7］采用离散单元法建立了竖向抗拔单桩的计算模型，研究了桩径、土体孔隙率、桩土界面摩擦角和加载速度对抗拔桩承载力的影响；Liu等^［8］提出了少约束嵌岩桩的新概念，并研制了室内模型试验装置，分析了不同岩层倾角下不等长群桩的水平承载性能；Chen等^［9］研究了嵌岩群桩嵌固于层状饱和岩土体中的竖向性能，采用边界元法推导了群桩的岩土体柔度矩阵方程，得到了影响嵌岩群桩竖向性能的相关因素；刘林等^［10］对5根直径1.5 m的嵌岩灌注桩进行现场水平承载试验，研究了大直径嵌岩桩在水平荷载作用下的力学特性；穆锐等^［11］通过实验与数值模拟相结合的方法，研究了土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力；凌造等^［12］讨论了不同条件下嵌岩PHC管桩的桩端承载性能及宏观破坏模式，并给出了桩端承载力的计算方法；刘红军等^［13］数值研究了不同嵌岩深度增量下抗拔桩的承载特性；刘润等^［14］采用有限元方法分析了嵌岩深度、桩基直径与壁厚、桩身倾斜度等多种因素对嵌岩桩水平承载力的影响，提出了确定嵌岩桩水平极限抗力的标准；Wang等^［15］讨论了嵌岩桩在轴向和斜向受拉作用下的模型试验，对模型桩的荷载-位移响应、破坏模式和荷载传递机理进行了比较.尽管国内外学者在嵌岩桩的承载特性方面已取得了一系列成果，但主要集中于软质岩层，对于山区机械化成孔的大孔径硬岩嵌岩桩承载特性的影响因素研究亟须展开.

本文以保定西某500 kV输电线路的山区机械化成孔项目为背景，利用显式有限元方法研究了不同地质条件下大孔径硬岩嵌岩桩的抗拔承载力和水平承载特性，给出了嵌岩桩极限承载力的影响因素及机理.本研究可为岩石地质山区大孔径嵌岩桩基础设计提供技术参考.

1 模型建立与可靠性分析

1.1 岩石参数的测定

根据项目地地质勘察报告，工程建设区域地质条件较为复杂，持力层有中风化砂岩、中风化石灰岩和中风化泥岩等，而中风化砂岩和中风化石灰岩属于较硬岩，岩石硬度大于40 MPa，部分区域岩石硬度甚至超过60 MPa.标准圆柱体试样如图1，其直径50 mm，高度100 mm.对试样表面进行打磨，两端面平整度控制在±5 mm.采用TYE-3000型压力试验机并结合数字图像相关（DIC）技术对岩石试件进行压缩试验，加载过程中使用轴向力控制，加载速率为1 kN/s.沿轴向施加荷载的同时，设备自动记录并实时显示试验曲线，直至试样最终破坏后停止试验.为了消除样品数据的离散性和保证试验结果的可靠性，每组试验均重复3次.图2为砂岩和石灰岩的应力-应变（σ-ε）曲线，试验测得的密度ρ、弹性模量E和泊松比μ见表1.

工程建设区域上覆土层厚度较小，主要集中于1～4 m，并且相当一部分区域无覆盖土，硬岩挖孔深度普遍超过总挖孔深度的60%.结合岩石单轴压缩试验数据与项目地质勘察，选取工程具体桩土模型参数见表2，桩径d、桩长l、岩石层等基础参数见表3，其中c代表黏聚力，φ代表内摩擦角，qsik代表极限侧阻力标准值.

1.2 有限元模型及可靠性分析

机械化成孔的大孔径硬岩嵌岩桩基础示意图见图3a和3b，该基础主要靠嵌岩段的侧阻力和端阻力来承担大部分荷载，具有承载性能好和沉降小的优点.根据项目实际情况，采用ABAQUS有限元软件建立了1∶1尺寸的桩-土-岩相互作用的计算模型，见图3c.嵌岩桩l为11 m，d为1.6 m，土体边长为32 m，土体深度为22 m，岩体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型^［16］.该模型已广泛应用于各种地基工程的分析中，其适用性得到了大量工程实例的验证^{［13，17］}.

计算过程中，土体模型的侧面取径向约束，可有效控制侧面土体的位移和变形，顶面取自由约束，在该面上的节点可以自由地沿着水平面移动和旋转；在模型底部取固定约束，以保证边界节点不发生平移和旋转.采用基于M-C模型的面-面接触算法来模拟桩-土、桩-岩之间的相互作用，接触属性分为法向和切向2部分，法向采用硬接触模块，切向采用罚函数，摩擦系数设为0.3.在网格划分中，采用三维八结点（C3D8R）实体单元^{［13，16］}.考虑到计算效率和计算精度，靠近嵌岩桩的区域采用更加密集的网格，远离嵌岩桩的区域采用较粗的网格^［17］，岩土体网格数为64 904，桩体网格数为8 064.

为验证本文所提出有限元模型的可靠性，图4给出了有限元模拟结果与文献［18］给出的嵌岩桩上拔承载力试验结果的对比.在材料本构、接触及边界约束、加载条件等完全相同的条件下，试验结果与模型计算结果吻合较好，从而证明了本文有限元结果的正确性.在此基础上，本文对山区大孔径嵌岩桩承载特性的影响因素进行了研究.

2 大孔径硬岩嵌岩桩承载特性分析

2.1 上拔承载特性

2.1.1 极限抗拔承载力理论结果

嵌岩桩承受上拔荷载时为纯摩擦型桩，其极限承载力由浅覆盖层及嵌岩层的桩侧摩阻力和桩身自重共同承担.浅覆盖层嵌岩桩的极限抗拔承载力由下式给出^［19］

Qu=Qs+Qr+Wp=πd∑qsikli+πd∑qrili+γpπd24L，

（1）

其中：Qu为浅覆盖层嵌岩桩的极限抗拔承载力；Qs为覆盖层土承担的抗拔承载力；Qr为岩石嵌固层承担的抗拔承载力；Wp为桩身自重；qsik为第i层土的桩侧极限摩阻力值；qri为第i层岩层的桩侧极限摩阻力平均值；γp为桩身的重度；li为桩周第i层岩土的厚度；L为地面以下的桩长.

无覆盖土层桩的极限抗拔承载力标准值，采用下式计算：

Tuk=πd∑λiδTiqrili+γpπd24L，

（2）

其中：λi为抗拔系数；δTi为注浆工艺的抗拔调整系数，可选1.0，当采用二次注浆工艺时，选择1.1～1.2.根据式（1）和式（2），可计算出对应嵌岩单桩的极限抗拔承载力标准值如结果见表4.

2.1.2 极限抗拔承载力有限元结果

图5为单桩抗拔承载力，Q为桩顶荷载，s为桩顶上拔位移.从图5a可以看出，3根抗拔桩的Q-s曲线出现了明显的拐点，最后一级的桩顶上拔位移量大于上一级荷载作用下的5倍以上，可判定桩体发生破坏，达到失效条件^［18］.在达到拐点之前，随着上拔荷载的提高，桩顶的上拔位移呈线性增加；当达到极限承载力后，桩顶上拔位移迅速增加，出现破坏情况，此时桩基失效，曲线特征与文献［18］基本一致.在工程中，一般选取拐点处的桩顶荷载作为设计极限抗拔承载力，考虑到桩基达到极限抗拔承载力时发生陡变破坏，进行嵌岩桩设计时需考虑足够的安全系数.图5b为嵌岩桩的极限抗拔承载力对比图，理论结果和有限元模拟结果（表4）具有较好的一致性.

图6给出了3根桩的侧摩阻力与桩身位置间的关系.由图6可知，随着桩顶荷载的增加，岩层桩侧摩阻力变化显著，岩层中下部桩侧摩阻力增加幅度逐渐增大，上部桩侧摩阻力则逐渐减小，即岩层中下部的侧摩阻力逐渐发挥作用.以P2桩的侧摩阻力为例（图6b），在加载初期阶段，硬质岩层所贡献的桩侧摩阻力呈现出随埋深先增后减的变化趋势.随着桩顶施加荷载的持续增大，最大桩侧摩阻力点逐渐向桩底方向迁移，并且其下部的增长幅度相较于上部更显突出，直至接近极限承载状态时，硬质岩层段的桩侧摩阻力分布形态趋于L型特征.在受上拔荷载作用时，桩体会表现出向上位移的趋势，而这种拉伸变形的程度沿深度方向递减.随着上拔荷载逐级累增，桩体上部与岩土之间的相对位移率先达到临界状态，在此状态下，该位置处的桩侧摩阻力已发挥至峰值水平.当界面发生滑移之后，抗剪强度从峰值强度下降至残余强度并保持相对稳定，因此导致覆土层桩侧摩阻力约为总桩侧摩阻力的10%，嵌岩层桩侧摩阻力约为总桩侧摩阻力的90%，桩侧摩阻力的整体分布最终趋近于L型.

2.2 水平承载特性

2.2.1 无套筒嵌岩桩

除了抗拔承载力，嵌岩桩的水平承载力也是重要承载指标.以P2桩为例，图7给出了无套筒嵌岩桩在不同荷载下沿桩身的弯矩图和剪力图.在水平荷载作用下，嵌岩桩桩顶处的剪力最大，但随着深度的增加，剪力值逐渐减小.需要指出的是，桩身的最大弯矩表现在剪力减小至零的深度，即在桩身

4.2 m左右，见图7a.随着水平荷载不断增大，桩身所受弯矩也逐渐增加，桩身弯矩最大值出现位置会慢慢向下移动，但是这个移动距离会越来越小，弯矩最大值出现在2～3倍直径.

图8给出了不同水平荷载下的嵌岩桩身水平位移对比关系.由图8可知，嵌岩桩在受到水平荷载作用时，桩身出现转动和挠曲变形，从而导致水平位移的出现，最大值出现在桩顶位置，桩深4 m范围内嵌岩桩桩身水平位移较大，而随着深度的增加，这种水平位移逐渐减小，桩深5 m以下基本无桩身水平位移.参照嵌岩桩相关的计算方法^［11］，取桩顶10 mm所对应荷载的0.75倍来确定P2桩的水平承载力的特征值为1 959 kN.

2.2.2 有套筒嵌岩桩

无套筒嵌岩桩在水平荷载作用下，桩身位移主要集中在覆土层，在长期使用中容易出现水平偏移、倾斜、桩身上部截面受拉侧开裂等问题，从而影响到基础的可靠性.为解决这一难题，在覆土层桩身部分设置套筒，见图3b.以P2桩建立的有限元模型为基础，在覆土层增加钢套筒.套筒上端同桩顶平齐，下端位于岩土分界面，套筒壁厚15 mm，有限元模拟将套筒与混凝土桩基之间设置为刚性连接，套筒底部岩层上表面只考虑法向接触的摩擦，桩基与侧面设置罚摩系数为0.45，其余参数保持与无套筒嵌岩桩模型一致.

图9给出了覆土层有无套筒时嵌岩桩在不同水平载荷下桩身弯矩与剪力的变化对比.从图9可以看出，有套筒与无套筒嵌岩桩受力特征相似，桩身最大弯矩与剪力均随载荷增加而递增.在相同荷载水平下，带套筒的嵌岩桩弯矩减小，抗弯性能提高.这是由于套筒的刚度较大，分担了部分原本由嵌岩桩承受的弯矩，从而降低弯矩峰值，提高了桩的承载能力.对于剪力而言，套筒的存在不仅使得剪力随载荷增长更为显著，且能在相同载荷下承受更大的剪力值.究其原因，一方面套筒增强了桩身与周围介质的相互作用，提升了整体刚度与稳定性；另一方面在套筒区域形成新的剪力集中区，使剪力分布更为均匀.此外，套筒会使剪力峰值位置前移，这反映了套筒对桩身承载能力的提升作用，使得桩身在承受一定水平荷载时能承受更高的剪力而不发生破坏.

图10给出了覆土层有无套筒时嵌岩桩在不同水平荷载下的桩身位移对比.可以计算出P2桩增加套筒后水平承载极限值为2 625 kN，对比P2桩的水平承载极限值提高了33.9%，提升效果比较明显.嵌岩桩在受到水平荷载作用时设置套筒可以在一定程度上限制桩身的变形，尤其是在桩身与覆土层接触的部位，套筒提供了额外的支撑和约束，同时在一定程度上分散了荷载，使荷载更均匀地分布在桩身周围的土体中，减小了土体的局部应力集中程度，增加了嵌岩桩的整体刚度和稳定性，减少了水平位移和倾斜的可能性，使桩身的变形受到限制.套筒的引入显著改善了土体与桩体的相互作用，减少了桩体水平位移，提高了桩基的承载能力和稳定性.此外，套筒还增强了施工质量控制，使桩基在水平荷载作用下表现更为优越.

3 结论

本文采用非线性有限元方法研究了不同地质条件下机械化成孔大孔径嵌岩桩基础的承载特性的影响因素，讨论了覆土层增加钢套筒对桩体水平极限承载力的影响，得到如下主要结论：

1）大孔径硬岩嵌岩桩的Q-s曲线呈陡变形，桩顶上拔力由桩侧摩阻力和桩身自重来承担.不同的岩土参数通过影响侧摩阻力的发挥，进而改变极限抗拔承载力.

2）上拔荷载作用下，桩侧摩阻力总体呈分段式分布.随着桩顶上拔荷载增加，覆土层侧摩阻力最先发挥并达到极限状态，其侧摩阻力约为总桩侧摩阻力的10%，岩层侧摩阻力发挥程度迅速上升，侧摩阻力最大值逐渐向下移动，中风化层比强风化层增加幅度更加明显，硬质岩层的桩侧摩阻力发挥相比覆土层更优，约为总桩侧摩阻力的90%.

3）水平荷载作用下，其弯矩最大值出现在距桩顶2～3倍桩径，且桩身水平位移发生的主要区域集中在距离桩顶4 m内.在覆土层增加钢套筒可改变桩体的剪力分布，明显提高桩体的水平承载极限，减少桩体的水平位移.

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（责任编辑：王兰英）