1、山区软岩桩基的承载特性摘要:我国山区广泛分布着软弱地基。根据软岩的力学特征，讨论软岩地基中桩的极限承载力问题。根据 Duncan-Zhang 模型，对桩的极限承载力进行非线性有限元分析。运用静荷载试桩结果，分析误差产生的原因。关键词：山区；软基；承载；模型1 背景随着建筑事业的发展，桩基工程越来越多的作为一种常用的基础形式而被采用。据不完全统计，全国每年用桩量达 100 万根以上，从这一数字足够反映桩基工程的地位和重要性。近年来，许多重要建筑物都是以该软岩作为持力层的，如高层建筑、公路铁路桥、码头等。而这些重要建筑物的基础形式多采用桩基础。为了探讨这类软岩层中桩的极限承载力，根据弹性模量的非线
2、性，对桩的极限承载力进行非线性有限元分析；在弹性力学的基础上，按桩顶沉降量计算出桩的极限承载力；本文从软岩的力学特征出发，在上述基础上，既考虑弹性模量的非线性，又考虑泊松比的非线性，即 Duncan-Zhang 模型，对桩的极限承载力进行非线性有限元分析，并且探讨误差产生的原因。2 软岩的力学特性试验样品为砂岩芯，岩芯直径为 54 mm 左右，其圆柱面一般比较光滑，质性较软。单轴抗压强度实验，变形实验均采用 510 cm 的规格，试件加工中保证端面平整到 0.02 mm 以内，周边光滑，全部长度平整到 0.3 mm 以内。实验结果如下:(1)通过对天然试样与饱和试样的实验对比可发现，由于饱和过
3、程中，软岩浸水，从轻微开裂，泡软直到崩解，其抗压强度、弹性模量指标相应降低。(2)软岩的单轴抗压强度与其深度有一定的关系。3 桩的静荷载试验试桩为钻孔灌注桩,桩长为 11.0 m,桩的直径为 0.35 m,桩身配筋为 512,长为 6 m,箍筋 6200,桩身混凝土标号 C20。试桩工程地质由上向下依次为:粉土(1.0 m)粉砂(4.0 m)细粉(5.0 m)软岩(5.0 m)。通过室内单轴抗压强度试验发现，桩底岩石在天然状态下的抗压强度为 660 Kpa，属于极软岩类。桩身进入软岩中一定深度,故桩是软岩中的嵌岩桩。由荷载-沉降曲线可知:P 较小,P-S 曲线为直线段,此时,桩、土、软岩均处于
4、弹性阶段;当桩顶荷载 P 增大时, P-S 曲线的斜率增大,呈曲线阶段,此时土、软岩进入弹塑性阶段;进一步增大 P 时,土、软岩进入塑性阶段,出现陡降段。而在静荷载试验中,根据建筑地基基础设计规范(GB50007-2002),单桩竖向极限承载力取为 500 kN.4 按桩顶沉降量求解极限承载力桩的破坏除与地基强度有关外,也取决于上部结构及使用条件所允许的极限沉降量,因此桩的荷载-沉降曲线桩顶的沉降量也是极限状态的重要标志之一。这在软岩地基中尤为重要。国内规范主要是: (1)建筑地基基础设计规范(GB50007 -2002)桩顶总沉降达到 40 mm 之后,继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降段时
5、,取 S= 40 mm 时相应荷载值。(2)建筑桩基技术规范(JGJ194-94)对于 Q-S 缓变型曲线,可取 s=4060mm 对应的荷载为极限承载力。桩端土体的压缩量半空间体在边界上受圆形均布荷载时,地基中任意一点的位移可用叠加法求得。可计算出桩顶的荷载为 Q=400 kN。5 非线性有限元分析单元划分与计算模型桩的极限承载力是桩与土共同作用的结果。一方面桩与土之间存在力的传递,另一方面桩与土之间存在相对位移,因此,在桩与土之间设置轴对称的 Goodman 单元.它是由若干个法向弹簧和切向弹簧组成的。有限元分析时应考虑岩土材料的非线性.常用的非线性模型是以 Duncan-Zhang 模型
6、为代表,其参数可以用常规的三轴试验确定。在此,采用 Duncan-Zhang 本构模型,既考虑弹性模量的非线性。数值结果与分析运用迭代计算的结果,绘制荷载沉降曲线,根据曲线确定桩的极限承载力为 600 kN。端阻力与桩顶荷载关系曲线单桩在承受极限承载力时,根据有限元计算得出:桩身应力分布随深度的增大而减小 ,最大应力发生在桩顶,最小应力发生在桩端。由此可知,桩侧阻力的发挥先于桩端阻力,且在承载力计算方面发挥及其重要的作用。6 结论从上述可发现:在弹性理论基础上,按桩顶沉降量计算出的荷载比试验得到的结果小。主要原因是:在弹性理论基础上,将软岩视为线弹性体,按桩顶沉降量计算出的荷载,计算结果并非能
7、反映实际情况,而实际上软岩是非均质、各向异性体;软岩的单轴抗压强度一般随着深度的增加而增大。非线性有限元计算的结果较大。主要原因是:饱和软岩在水作用下发生软化现象。试样在饱和过程中,软岩浸水,从轻微开裂,泡软直到崩解,其抗压强度、弹性模量指标相应降低,此种现象说明了软岩遇水软化是一个物理化学过程。在上述分析的基础上,得出如下结论:(1)桩顶沉降量法与实测质相差 20%左右,其计算结果偏于保守,具有一定的安全性。(2)由于软岩的遇水软化现象,非线性有限元法的计算结果偏大。参考文献:1 杨小礼,李亮,等. 嵌岩桩承载力的非线性分析J.湘潭矿业学院学报.1997.122 杨小礼,李亮.软岩地基中基桩承载力分析J.铁道工程学报,20003 湖南省建筑科学研究所.望城码头单桩垂直静载试桩报告与工程地质详细勘察报告R.1996.4 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算M.北京:中国水利水电出版社,1996.5 李亮,刘宝琛.边坡代写论文极限承载力的下限分析法及其可靠度理论J.岩石力学与工程学报,2001
