唐 朝 陽(yáng)

(福建省公路管理局，福建 福州 350007)

1 概述

實(shí)際工程中，橋梁多采用樁基礎(chǔ)，且往往將樁端嵌入穩(wěn)定的巖層中，從而形成嵌巖樁。但是樁端嵌入巖層到底多少長(zhǎng)度比較合適，即有關(guān)嵌巖樁的嵌巖深度問(wèn)題，在工程界和學(xué)術(shù)界研究的還不夠清楚，尤其是斜坡嵌巖樁。麻曄等[1]結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)提出了最佳的巖石深度。胡杰等[2]通過(guò)分析旋挖鉆孔灌注樁和沖擊鉆孔灌注樁兩種施工方法在泥質(zhì)粉砂巖地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出成熟的經(jīng)驗(yàn)及合理的參數(shù)。唐志等[3]為了獲得可靠的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)工程設(shè)計(jì)采用的嵌巖樁開(kāi)展了錨樁法試樁試驗(yàn)。王永藝等[4-6]運(yùn)用三維有限元軟件對(duì)斜坡嵌巖樁豎直、水平和雙向承載特性展開(kāi)了研究。

2 斜坡嵌巖樁有限差分法分析

2.1 參數(shù)的選擇

樁體的材料選用C30鋼筋混凝土參數(shù)，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，巖體為中風(fēng)化砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)為：粘聚力為0.3 MPa，內(nèi)摩擦角為26°，變形模量為700 MPa，泊松比為0.28，密度為2 260 kg/m3。為研究坡度、嵌巖樁深度、樁徑等參數(shù)對(duì)斜坡嵌巖樁水平承載力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)好計(jì)算方案見(jiàn)表1。模型的計(jì)算邊界條件選擇10D影響范圍，模型幾何尺寸如圖1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 接觸面

鉆孔灌注樁通常在孔壁形成一定粗糙度的凹凸槽，而由于施工因素的作用和影響，樁—巖接觸面設(shè)置過(guò)于粗糙或光滑都不能準(zhǔn)確模擬樁身受荷后的本構(gòu)關(guān)系，本文樁—巖接觸區(qū)域樁側(cè)與樁側(cè)的巖體的接觸采用分界面模擬。FLAC3D的分界面具有摩擦角、粘聚力、剪脹角、法向剛度和切向剛度、抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度等參數(shù)。

2.3 模型邊界條件

模型為二維實(shí)體模型，網(wǎng)格均勻分布。模型底面為固定邊界，側(cè)面邊界為水平位移約束，圖2為有限差分網(wǎng)格劃分圖。

2.4 數(shù)值模擬加載方式

本文通過(guò)以下方式開(kāi)展數(shù)值模擬：1)模型施加自重，然后開(kāi)挖掉樁單元，進(jìn)行自重應(yīng)力平衡，此過(guò)程模擬鉆孔過(guò)程；2)激活樁單元，給樁單元施加自重應(yīng)力，樁底和樁側(cè)施加與巖體的約束，此過(guò)程模擬樁澆筑過(guò)程；3)位移場(chǎng)清零，對(duì)樁頂分級(jí)施加荷載，此過(guò)程模擬樁承受水平荷載作用。

3 嵌巖樁豎直承載能力分析

3.1 不同工況下斜坡嵌巖樁承載能力計(jì)算

3.2 不同影響因素對(duì)斜坡嵌巖樁的影響

從表2,圖3可以看出，隨著坡度的增加，承載力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其中在坡度15°時(shí)達(dá)到承載力最大值。其中樁徑為1.25 m時(shí)，嵌巖深度h=6D時(shí)，隨著坡度的增加，樁承載力從10.3 MPa先增加到11.7 MPa，后又減少到10.2 MPa；嵌巖深度h=7D時(shí)，隨著坡度的增加，樁承載力從11.1 MPa先增加到12.2 MPa，后又減少到11.3 MPa；嵌巖深度h=8D時(shí)，隨著坡度的增加，樁承載力從11.8 MPa先增加到12.6 MPa，后又減少到12 MPa；嵌巖深度h=9D時(shí)，隨著坡度的增加，樁承載力從12.5 MPa先增加到13.2 MPa，減少到12.6 MPa后又增加到13.1 MPa。

表2 不同工況下樁的承載力

從表2,圖4可以看出，隨著嵌巖深度的增加，承載力逐漸增加，在嵌巖深度h=9D時(shí)達(dá)到最大值。其中樁徑為1.25 m，坡度為0°時(shí)，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.3 MPa增加到12.5 MPa；坡度為15°時(shí)，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從11.7 MPa增加到13.2 MPa；坡度為30°時(shí)，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.8 MPa先增加到12.6 MPa；坡度為45°時(shí)，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.2 MPa增加到13.1 MPa。

從表2,圖5可以看出，隨著樁徑的增加，承載力逐漸減少，在樁徑為1.25 m處達(dá)到最大值，斜坡嵌巖樁的承載力大部分比平地樁承載力更大。其中嵌巖深度h=6D，坡度為0°時(shí)，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.3 MPa減少到8.4 MPa；坡度為15°時(shí)，隨著樁徑的增加，樁承載力從11.7 MPa減少到10.3 MPa；坡度為30°時(shí)，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.8 MPa減少到 9.7 MPa；坡度為45°時(shí)，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.2 MPa減少到9.7 MPa，后又增加到10.2 MPa，減少到9.2 MPa。

3.3 討論

文獻(xiàn)[5]對(duì)樁徑為2 m，坡度為0°,15°,30°,45°和嵌巖深度為6D,7D,8D,9D的斜坡嵌巖樁進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]三維模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，坡度為0°時(shí)，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計(jì)算承載力為8.4 MPa～11.2 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力為12.35 MPa～15.40 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力比本文計(jì)算結(jié)果大37.5%～47.0%；坡度為15°時(shí)，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計(jì)算承載力為10.3 MPa～11.9 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力為12.01 MPa～14.76 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力比本文計(jì)算結(jié)果大16.7%～24.0%；坡度為30°時(shí)，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計(jì)算承載力為9.7 MPa～11.8 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力為11.33 MPa～13.10 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力比本文計(jì)算結(jié)果大11.01%～16.8%；坡度為45°時(shí)，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計(jì)算承載力為9.2 MPa～11.8 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力為10.98 MPa～12.71 MPa，文獻(xiàn)[5]計(jì)算承載力比本文計(jì)算結(jié)果大7.71%～19.3%。計(jì)算結(jié)果表明，本文二維模型計(jì)算的承載力偏小，對(duì)工程而言計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)更高。

表3 本文二維模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]三維模型計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限差分法數(shù)值計(jì)算了斜坡嵌巖樁承載力，得到以下結(jié)論：

1)受豎向荷載的斜坡嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮斜坡坡度、樁徑和嵌巖深度等因素對(duì)樁的承載力的影響。

2)隨著坡度的增加，承載力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其中在坡度15°時(shí)達(dá)到樁承載力最大值。隨著嵌巖深度的增加，樁承載力逐漸增加，在嵌巖深度h=9D時(shí)達(dá)到最大值。隨著樁徑的增加，樁承載力逐漸減少，在樁徑為1.25 m處達(dá)到最大值。斜坡嵌巖樁的承載力大部分比平地樁承載力更大。

3)本文采用二維有限差分模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算承載力結(jié)果偏小，對(duì)工程建設(shè)來(lái)說(shuō)更安全。