不同嵌岩深度下抗拔桩承载特性研究

目前对于嵌岩抗拔桩的研究相对较少，现有规范关于嵌岩抗拔桩设计计算尚未完善，多数以抗压桩形式作为指导依据，导致嵌岩抗拔桩承载力设计及计算存在安全隐患。依托广东江门某工程项目，通过有限元分析软件ABAQUS，结合现场试验，对比分析试验结果与模拟计算结果，验证所建三维有限元模型的准确性，并研究不同嵌岩深度增量下抗拔桩的承载特性。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

本工程位于广东省江门市，项目包含高层住宅楼（27~33层）、商业楼（2层）及地下车库（1~2层）。上部建筑层荷载标准值约16~20kN/m2，商业楼、地下车库柱底轴力约2000~4000kN。现场勘察报告显示，主要岩土层：填土层、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩，具体岩土物理力学性能参数见表1。

表1 岩土物理力学性能参数

1.2 试桩概况

依据JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》相关规定，对现场抗拔桩基进行单桩竖向抗拔静载试验，测读数据均由静载测试仪自动采集处理。

（1）78号工程桩桩长12.39m，桩径0.8m，入岩深度2.29m。试验荷载加载至2000kN时，上拔量为21.13mm，荷载加载至2400kN时，累计上拔量增大到103.55mm，曲线出现明显陡升段，停止加载试验。该桩抗拔极限承载力为2000kN，未满足设计要求单桩抗拔承载力特征值2000kN（图1）。

图1 78号工程桩荷载–位移曲线

（2）42号工程桩桩长13.0m，桩径0.8m，入岩深度2.9m。试验荷载加载至2700kN时，上拔量为15.87mm，加下一级荷载3240kN时，累计上拔量增大到108.80mm，曲线出现明显陡升段，停止加载试验。该桩抗拔极限承载力为2700kN，未满足设计要求单桩抗拔承载力特征值2700kN（图2）。

      图2 42号工程桩荷载–位移 曲线

通过分析静载试验结果，得出桩基抗拔承载力不足的原因出现在嵌岩质量上。

2 数值模拟计算及结果验证

以现场勘察报告及试验数据为基础，采用有限元软件ABAQUS建立抗拔桩三维有限元模型，对比现场试验结果与数值模拟计算结果以验证所建模型准确性。

2.1 基本假定

考虑桩基工程在实际应用中的复杂情况，对有限元模型做以下假定：土体为均匀分布、各向同性的弹塑性体，桩体为均质且连续的线弹性体；在施加荷载过程中，桩身始终处于竖直位置，在水平向无位移；在达到极限承载力时，土体发生剪切破坏，桩体未发生变形破坏。

2.2 模型尺寸

土体模型尺寸为16m×16m×26m，模型所有边界采用位移/转角边界条件。有限元模型如图3所示。

（a）                         （b）

图3 有限元模型

（a）土体模型；（b）桩体模型

2.3 计算参数设置

2.3.1 本构模型

岩土体材料采用Mohr–Coulomb模型（简称M–C模型），本构曲线如图4所示。

图4 M–C模型本构曲线

2.3.2 接触设置

桩土（岩）相互作用采用面–面接触，接触属性法向行为采用默认“硬接触”，切向行为采用Coulomb摩擦模型，接触面上剪应力 τ 与正应力 P 关系为 τ = μP 。其中， μ 为摩擦系数，取 μ =tan φ 。

2.3.3 网格单元

桩土（岩）网格属性均采用C3D8R单元，该单元类型更易于计算收敛。

2.3.4 材料参数

岩土体材料采用M–C模型，桩体材料采用线弹性模型，具体物理力学性能参数见表2、表3。

表2 岩土体主要参数

表3 桩体主要参数

2.4 结果验证

现场单桩竖向抗拔静载试验的荷载–位移曲线（图5）和数值模拟计算的荷载–位移曲线变化趋势基本相同，试验数据与模拟计算结果位移情况接近。在数值模拟过程中将桩体设为弹性体，忽略桩体塑性变形阶段，导致数值模拟计算结果与实际工程数据偏差，但二者偏差均控制在±15%内，属允许范围，即验证所建抗拔桩有限元模型的正确性。

图5 荷载–位移对比曲线

3 嵌岩深度对抗拔承载力的影响

3.1 嵌岩深度选取

一般情况下，随着桩体嵌岩深度增大，岩层能够提供更大的侧摩阻力，从而提高桩基的抗拔桩承载力。但随着嵌岩深度增加，桩基抗拔承载力并不是等比例增大，而存在一个最佳嵌岩深度，对桩基抗拔承载力的提高效果显著。为研究不同嵌岩深度对桩基抗拔承载力的影响，基于抗拔桩有限元模型，分别建立不同嵌岩深度增量下抗拔桩有限元模型进行模拟计算分析。

现场试验42号工程桩桩径为0.8m，桩长为13.0m，中风化花岗岩岩层埋深为10.1m，桩体嵌入岩层深度为2.9m，分别建立嵌岩深度增量为1D、2D、3D、4D的抗拔桩有限元模型。

3.2 计算结果分析

3.2.1 荷载–位移曲线分析

不同嵌岩深度增量下抗拔桩有限元模型计算结果的荷载–位移曲线如图6、图7所示。

图6 荷载–位移曲线

图7 不同嵌岩深度增量下桩顶位移曲线

图6中随着嵌岩深度增加，嵌岩抗拔桩承载力增大，但二者间变化关系并非线性关系。当嵌岩深度增量为3D以下，抗拔承载力增长缓慢；当嵌岩深度增量为3D时，抗拔承载力相较于原试桩提高105.2%，往后承载力增长率降低，具体见表4。

表4 嵌岩抗拔桩承载力极限

由图7可知，在2700kN上拔荷载作用下，随着嵌岩深度增加，桩顶位移逐渐减小。当嵌岩深度增量为3D时，桩顶位移量相较于原试桩减小54.2%，继续增加嵌岩深度，桩顶位移则变化较小。当嵌岩深度达到一定量时，桩基抗拔承载力的增量变化较小，通过提高嵌岩深度来提高桩基抗拔承载力不合理。

3.2.2 桩身轴力曲线分析

图8为嵌岩深度增量分别为0D、1D、2D、3D、 4D的桩在2700kN上拔荷载作用下，各桩桩身轴力分布曲线。由图8可知，桩身轴力分布沿桩体埋深方向随嵌岩深度增量变化而变化。在2700kN上拔荷载作用下，由于桩侧摩阻力随埋深增加逐渐发挥效应，导致桩身轴力沿埋深方向不断减小，其中轴力变化速率较小的曲线段，桩侧摩阻力发挥效应不明显，反之轴力变化速率较大的曲线段，其桩侧摩阻力发挥效应较为明显；在同一埋深截面处，随嵌岩深度增加，桩身轴力增加，但二者间变化关系并非线性增长。

图8 桩身轴力分布曲线

当嵌岩深度增量在3D以下，同一截面处桩身轴力增量较小；当嵌岩深度增量为3D时，桩身轴力相较于2D增幅较大，继续增加嵌岩深度，变化不明显。这是由于随着嵌岩深度增大，在同一截面处桩土间相对位移量逐渐减小，导致桩侧摩阻力发挥效应逐渐减小，桩身轴力逐渐增大。

由表5可知，在2700kN上拔荷载作用下，随着嵌岩深度增加，土层提供的抗拔承载力由39.4%逐渐降低至15.1%，岩层提供的抗拔承载力由60.6%逐渐提升至84.9%，说明桩体嵌入岩层深度越大，岩层可为桩体提供的抗拔承载力占比越大。

表5 岩土层提供承载力占比

3.2.3 桩侧摩阻力分析

图9为嵌岩深度增量分别为0D、1D、2D、3D、 4D的桩在2700kN上拔荷载作用下，各桩身侧摩阻力分布曲线。图9中位于土层中桩段，随着嵌岩深度增加，同一截面处的桩侧摩阻力越小，当嵌岩深度增量从2D增加到3D时，桩侧摩阻力减小较明显；位于岩层中的桩段，在靠近桩端部位会出现峰值，峰值大小随嵌岩深度增加而减小，当嵌岩深度增量为3D时，峰值减小明显。由该曲线变化规律可知，嵌岩抗拔桩抵消上拔荷载的桩。侧摩阻力主要是嵌岩段提供的，嵌岩段桩体与岩层的嵌固作用提高了桩基的抗拔承载力。

图9 桩侧摩阻应力分布曲线

4 结束语

（1）现场试验的荷载–位移曲线与数值模拟计算得到的荷载–位移曲线变化趋势基本一致，二者偏差在±15%内，即验证了所建有限元模型与参数选取的合理性。（2）增加嵌岩深度能显著提高嵌岩桩的抗拔承载力，但其二者间并非呈线性增长。在2700kN上拔荷载作用下，嵌岩深度增量为3D的嵌岩桩桩顶位移相较于原试桩减小54.2%，抗拔承载力提高105.2%，对提高桩基抗拔承载力效果最佳。（3）桩身轴力曲线及桩侧摩阻力曲线可知，嵌岩抗拔桩承载力主要由嵌岩段桩–岩摩阻效应提供。在2700kN上拔荷载作用下，嵌岩深度增量为3D的嵌岩桩岩层所提供抗拔承载力占比82.1%，相较于原试桩提升21.5%。故在桩基工程施工阶段，应重点考虑嵌岩质量问题，以保证嵌岩抗拔桩承载力满足设计要求。