建筑结构设计中嵌岩桩的竖向承载里的计算

建筑结构设计中嵌岩桩的竖向承载里的计算
李铁晨
　
秦皇岛市永生建设工程咨询有限公司
　　
【摘
　
要】桩是一种应用极为广泛的基础形式。当建筑场地浅层地基土质以及地基处理等措施等不能满足结构设计的要求时，桩基础作为一种
工程造价省，承载能力高、地层条件适应性强以及控制沉降性能好的基础形式就此产生了。
【关键词】建筑结构
　
嵌岩桩
　
竖向承载力
　　
随着城市高层建筑的兴建，嵌岩桩在我国得到了广泛应用，然而由
于嵌岩桩其承载力大、试验耗费大，故完整的试桩实测资料不多，这就
约束了其承载性能的全面认识。对结构工程设计人员来说规范就是设
计依据，各类规范的差异就会给设计人员造成很大的困扰。桩的承载
性能和沉降控制的高低直接影响整个工程的安全和经济问题，因此对
于承载性能的分析需要不断地深化和完善。
　　
一、有限元的基本原理与受力分析
有限元方法是一种通过将结构离散化，把荷载和位移简化到结点
上来分析的数值计算方法。主要原理如下：第一，根据数学知识可知，
以有限个结点的位移或应力为参数，引入适当的插值函数（比如：多项
式函数），可以构成任意点的位移或应力的函数。因此，可以把结构视
为若干个尺寸有限的单元，单元在有限个结点上相连，单元之间的力与
位移都只通过结点传播，即单元之间只在结点上存在相互作用。第二，
将单元内部的力、位移或外部荷载通过插值函数的方式等价到结点上
后，利用结点所应满足的平衡方程进行求解。第三，利用几何函数可将
位移结果转化为应变结果，利用物理方程又可将应变结果转化为应力
结果，从而实现了结构全部应力、应变未知数的求解。
ＡＮＳＹＳ软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够用于结构、
热、流体、电磁、声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水
利、铁道、国防军工、航天航空、机械制造等一般工业及科学研究工作。
岩石介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩
土的结构、孔隙、密度、应力历史、载荷特征、孔隙水及时间效应等等，在
如此之多的因素作用下要获得理论解几乎是不可能的。而用 ＡＮＳＹＳ
可以很好地模拟岩土的力学性能，包括对断层、夹层、节理、裂隙和褶皱
等地质情况的模拟。
工程结构大多建筑在土基上，土体与结构的相互作用直接影响到
结构的受力和变形过程。过去限于计算方法，结构设计中对土体与实
际情况差距甚远，而ＡＮＳＹＳ可以考虑非线性应力一应变关系及分期施
工过程，使得实际情况在计算中得到较好的反映；此外用 ＡＮｓＹＳ还可
以进行岩土的应力一变形与稳定性分析，路基、底座、深基、桩等的承载
能力与沉陷分析。
　　
二、嵌岩桩竖向承载力的计算
１．利用国内各规范对嵌岩桩竖向承载力进行计算。嵌岩桩虽然应
用较早，但其受力机理和工作特性的研究一直不很充分。在很长一段
时间里，学术界和工程界都把嵌岩桩作为端承桩处理，许多国家的地基
基础规范（包括我国的地基基础规范）都将嵌岩桩按端承桩设计，完全
不考虑桩侧阻力。嵌岩桩虽然应用较早，但其受力机理和工作特性的
研究一直不很充分。目前国内涉及嵌岩桩的相关规范有好几本，各本
规范对单桩承载力的计算和设计方法也都有差异。如何选择较为准确
的计算方式对结构设计工程师来说是非常重要的。不同的规范计算同
一基桩所得承载力计算的结果相差很大，这给设计人员带来了如何选
择的难题。建筑结构是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分
析确定的，而公路桥涵和铁路桥涵结构则以容许应力法确定承载力的，
可以理解两者存在一定的差异。
桩、土间的摩阻力只有在桩土间出现较大位移时才能充分发挥作
用，而嵌岩桩的嵌固力只需桩身承受一定的荷载嵌固力便可同步出现，
且嵌岩桩的位移较小，嵌岩桩的承载力由桩、土间的摩阻力，嵌岩桩嵌
岩段的嵌固力及端阻力三部分组成；嵌固力为承载力主要因素。
国外对嵌岩桩工作特性的理论研究也是比较多的，通过实测资料、
模型试验和有限元计算对嵌岩桩的工作特性均作了大量的研究工作。
当桩穿过大约５．５ｍ的坚粘土，进入粘土页岩约３．２ｍ
，桩径约０．
７６ｍ
，长径比Ｌ
／
ｄ＝１１．７
，嵌岩比ｈ
／
ｄ＝４．２时，桩端阻力仅占桩顶荷载
的１５％－－２５％
。不论桩端条件如何，长桩总是摩擦桩。
也有的研究者认为嵌岩桩桩底存在岩体软弱夹层时，夹层倾角不
同对嵌岩桩的极限承载力影响也不同，但如何考虑其影响有待进一步
研究。把桩岩界面的极限侧阻当作设计值，整个嵌岩桩抵抗破坏的安
全系数就等于实际极限承载力与极限端阻值的比值。还有人采用弹性
有限元的分析得出端阻分担比与长径比的分布图，通过假定桩侧阻力
能够承担全部设计荷载，求出最大的嵌入深度，然后在分布图中求出端
阻分担荷载比，根据桩端阻力来求出桩端岩体的应力，直到桩端岩体应
力小于地基容许承载力即可。该弹性方法简洁明了，但只适用于桩土
界面在外荷作用下无滑动变形的情况。
２．利用ＡＮＳＹＳ软件对嵌岩桩竖向承载力的计算。建模过程中，假
定在荷载作用下，嵌岩桩桩身混凝土基本处于弹性范围内，虽然严格来
说，桩身也存在非线性性质的，但是桩身的非线性表现不明显。相对来
说，桩周岩、土体的非线性性质比较明显，对桩周岩土层则采用了弹塑
性本构模型。模型中桩身和土体都采用四面体１０节点单元ＳＯＬＩＤ９２
号实体单元，每个节点具有ｘ
、
Ｙ
、
ｚ三个方向位移的自由度。具有塑性、
膨胀、潜变、应力强化、大变形和大应变的能力。不同的是，桩的本构模
型为线弹性，岩土体的本构模型为Ｄ－－Ｐ材料。桩、岩界面设接触面
单元，即假设桩、岩土界面可能存在相对滑动，来模拟桩、岩土在荷载作
用下的性状。为了减少单元数目，三维有限元分析的区域大小及其网
格划分确定原则是：靠近桩周（即在高应力梯度区）处网格细化，远离桩
周，对变形影响弱的地区单元划大些，桩采用体扫列的方式生成。在单
元划分时，大大简化了单元数目。
　　
三、大直径嵌岩灌注桩的长径计算
根据近年许多工程地基土分布不均匀，桩长差距较大。由于没有
规范规定墩基础的具体计算方法，很多设计结构设计人员就按浅基础
的相关规定设计墩基础。
单墩承载力特征值按下式计算：。
Ｆ＝ｆ．Ａ
（其中，
ｆ为地基土承载力
特征值，
Ａ为墩底面积）说明：按浅基础设计时应扣除基础自重及基础
以上的覆土重量，本式中未扣除。然后再根据《建筑桩基技术规范》
（
ＪＧＪ９４一２００８
）
５．３．９里的相关规定，列值计算。
对同一桩径不同桩长的大直径灌注桩竖向承载力性能进行计算分
析。在分析求解时，首先计算岩体自重产生的初始应力场，不考虑构造
应力，输出单元应力并作为初始应力文件保存；其次利用荷载步逐步增
加桩顶施加的均布荷载进行计算；接着对计算结果进行有限元后处理，
得出荷载一沉降曲线；最后分别改变模型中桩长，重新建模计算，进行
多方案对比分析。墩基础承载力计算时，不用浅基础的设计计算方法，
可以套用桩基础的计算方法，适当对端阻力或者是嵌岩段总阻力进行
折减计算。
通过和目前国内涉及嵌岩桩的几本相关规范计算结果的比较，发
现各类规范给出的嵌岩桩承载力的计算方法，经验参数多，取值偏于保
守，而且没涉及设计位移值。相对来说《建筑桩基技术规范》（
ＪＧＪ９４一
２００８
）的计算结果最大，较为合理。建筑工程设计时，优先选用《建筑桩
基技术规范》，避免为安全起见而选择小值进行设计，如此会带来不必
要的浪费。此外，实际工程设计时，应该特别注意桩身混凝土轴向抗压
承载力所控制的单桩竖向承载力。
参考文献：
［
１
］高大钧．岩土工程的回顾与前瞻，北京：中国计划出版社，
２００２
［
２
］王梦娜．大直径嵌岩灌注桩承载性能及其影响因素的分析，中
国建筑学会地基基础学术委员会论文集，山西高校联合出版社，
２００５
［
３
］宋国栋．嵌岩桩竖向承载力的研究，福建建设科技，
２０１０
，
０５
０ ３ ３
工程管理
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