| 标题 | 节理岩体下桩体承载力的三维结构网络研究 |
| 范文 | 李哲豪+任垒+韩光 摘要 使用三维结构面网络的模拟手段，通过对不同倾角结构面岩体、不同强度的含结构面岩体和不同桩径情况下大直径嵌岩桩承载性能的分析，结果表明：⑴当嵌入端的岩体含有一组优势的结构面时，嵌岩桩桩体出现非对称的应力集中现象。⑵随着岩体中结构面倾角的增大，嵌岩桩的承载性能呈现出下降的趋势。⑶桩径的变大，含连续倾斜节理岩体强度的降低，都会对嵌岩桩的沉降量的增加有加剧作用。⑷当含有“X”型共轭剪节理系的岩体作为嵌入端时，嵌岩桩的承载性能并没有明显的降低。 关键词 三维结构网络；承载性能；嵌岩桩；FLAC3D 1 三维结构网络 为了比较真实的模拟出在结构面在岩体承载力的影响，采用结构面耦合原理，在岩体内部模拟出随机的结构面网络（如图2所示）。模型上部为土体下部为基岩，桩体进入基岩深度为8m。计算时通过有限元差分软件FLAC3D进行模拟，围岩采用Mohr-coulomb本构模型，围岩中存在的结构面定义为Interface模型，对于非贯通的结构面可以采用假想结构面的方法实现，桩体采用弹性模型。 图二 结构面网络图 在工程实践中，由于存在众多的影响因素，无法全面的分析结构面存在情况下对桩体的作用。本文希望通过三维结构网络的模拟手段，得出不同类型嵌入端岩体中结构面对其承载力产生的影响。主要包括围岩下结构面不同倾角对桩体承载性能的影响，存在“X”型共轭剪节理系结构面的围岩对桩体承载性能的影响，存在结构面的不同强度围岩对桩体承载性能的影响，不同桩径作用下承载力的变化。本文进行以下模拟： ⑴分别模拟嵌入端围岩中不同倾角的结构面。结构面的倾角选取15?、30?、45?、60?、75?的情况。 ⑵对嵌入端围岩中存在“X”型共轭剪节理系的情况进行模拟，结构面的倾角选取15?、45?的情况。 ⑶取不同强度的岩体作为嵌入端岩体进行模拟。其中包含有结构面，结构面的倾角取为15?、45?（材料的参数见表1） ⑷模拟不同桩径的嵌岩桩在节理围岩体中的承载特性。其中倾角分别为15?、45?。 表一 有关参数取值 Table 1 parameters of calculation 岩层 E/Mpa c/KPa φ/（?） ρ（kg·m-3） 软 1000 80 25 2300 中硬 6000 200 30 2300 硬 12000 400 35 2300 2嵌岩桩承载性能的分析 2.1 数值模拟的受力状态分析 对存在结构面围岩的嵌岩桩进行应力分析，载荷作用于桩体顶部，分级进行加载。随着载荷的不断增加，桩体出现应力集中的区域，由于连续结构面的存在，此时的应力集中区域不同于底部为完整岩体的情况。在桩底面上，应力主要集中在桩体与倾斜结构面的连结位置。并且在桩土体的连接处也出现了一个应力集中的区域，这两个应力集中区的出现是由于桩底的岩体的承受荷载时，由于结构面的存在，无法均匀产生均匀的沉降，造成了朝着结构面方向的地面桩底应力集中于左侧，而在岩体与土体的交界处，不均匀的沉降也令岩体与桩体的接触面偏向了一边，出现了应力集中的不对称性。见图4 图四 75?结构面岩体受力时的应力云图 2.2 各参数对嵌岩桩承载性能的影响分析 ⑴结构面倾角的影响 在研究嵌入岩体中结构面不同倾角对嵌岩桩承载性能的影响时，分别建立含有15?、30?、45?、60?、75?倾角结构面的围岩。嵌入深度为8m，围岩为中等强度（材料参数见表1），桩径0.8m。逐级施加荷载，图5、6分别为各倾角围岩在荷载作用下桩体产生的沉降。由Q-S曲线分析可知，随着倾角的不断增加，沉降量也在不断的变大，75?倾角围岩中产生的沉降量已经明显大于15?情况。由于此时选用中硬岩体做为含节理的嵌入端岩体，因此此时嵌岩桩表现出来的沉降量的下降趋势没开开始增大。 图五 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线图六 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线 ⑵“X”型共轭剪节理系结构面的影响 为进一步研究含结构面岩体在不同情况下对嵌岩桩承载性能产生的影响，在相同的约束条件下，建立含“X”型共轭剪节理系的结构面的岩体，其倾角分别为15?、45?。嵌岩桩的桩径与嵌入深度情况同前。在逐级施加荷载的作用下，绘制出桩体的Q-S曲线，从图7中可以看出两组对称结构面围岩中的桩体沉降量没有明显的增加。通过Q-S曲线的对比可以看出，在含有两组45?对称“X”型共轭剪节理系结构面围岩中桩体的沉降反而小于一组含有15?倾角结构面的情况。 图七 两组对称结构面下嵌岩桩Q-S曲线 ⑶不同强度的节理围岩的影响 岩体的参数对桩体承载性能有着重要的影响，采用表1中的软岩、硬岩参数的岩体建立模型，其中分别含有15?、75?倾角的结构面。对嵌入的桩体施加荷载，得到不同岩性参数条件下桩体的Q-S曲线（图8）。可以看出在硬岩中岩体的沉降量下降的趋势不是十分明显，而在含有75?倾角结构面的软岩作为嵌入端岩体时，嵌岩桩桩体的Q-S曲线下降趋势显著。表明软岩中存在节理时嵌岩桩更加容易遭受破坏。 图八 不同强度下嵌岩桩Q-S曲线 3 结论 通过基于结构面耦合原理的三维结构面网络模拟，得到不同条件下结构面在岩体承载性中的影响。通过分析得到一下结论： ⑴存在结构面的围岩中，嵌岩桩的受力发生了变化，出现了两个应力集中的区域，分别位于倾斜结构面与桩体的接触处和岩体与土体交界的一侧，这是造成嵌岩桩承性能下降的主要因素。 ⑵在相同围岩强度和桩径的条件下，随着嵌入端岩体中结构面倾角的增加，桩体的承载性能逐渐降低。并且在荷载较大的情况，这种嵌岩桩承载性能降低的趋势也越明显。 ⑶岩体的岩性参数与桩体的桩径变化对含有结构面岩体中的嵌岩桩承载性能影响较大。含节理岩体的强度越低，嵌岩桩沉降量增加越快，随着嵌岩桩桩径的变大，嵌岩桩的沉降量也越大。并且当以含有大倾角结构面岩体作为嵌入岩体时，嵌岩桩沉降量呈现出增加加快的趋势。 ⑷当采用含有“X”型共轭剪节理系结构面的岩体作为嵌入端岩体时，嵌岩桩的承载性能下降不明显，与无连续结构面岩体的情况相差不大。 通过数值模拟的手段得到了含结构面岩体对嵌岩桩承载力影响的一般规律，可以为今后的设计、施工以及科学研究提供依据。 [1] 晏长根，伍法权，祁生文，刘彤，宫島昌克.随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究[J]岩土工程学报，1000-4548（2009）06-0879-07 [2] 中国建筑科学研究院.JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008 作者简介：李哲豪，男，（1990.01.01），中国地质大学（武汉），硕士研究生，研究方向为岩体的稳定性分析 摘要 使用三维结构面网络的模拟手段，通过对不同倾角结构面岩体、不同强度的含结构面岩体和不同桩径情况下大直径嵌岩桩承载性能的分析，结果表明：⑴当嵌入端的岩体含有一组优势的结构面时，嵌岩桩桩体出现非对称的应力集中现象。⑵随着岩体中结构面倾角的增大，嵌岩桩的承载性能呈现出下降的趋势。⑶桩径的变大，含连续倾斜节理岩体强度的降低，都会对嵌岩桩的沉降量的增加有加剧作用。⑷当含有“X”型共轭剪节理系的岩体作为嵌入端时，嵌岩桩的承载性能并没有明显的降低。 关键词 三维结构网络；承载性能；嵌岩桩；FLAC3D 1 三维结构网络 为了比较真实的模拟出在结构面在岩体承载力的影响，采用结构面耦合原理，在岩体内部模拟出随机的结构面网络（如图2所示）。模型上部为土体下部为基岩，桩体进入基岩深度为8m。计算时通过有限元差分软件FLAC3D进行模拟，围岩采用Mohr-coulomb本构模型，围岩中存在的结构面定义为Interface模型，对于非贯通的结构面可以采用假想结构面的方法实现，桩体采用弹性模型。 图二 结构面网络图 在工程实践中，由于存在众多的影响因素，无法全面的分析结构面存在情况下对桩体的作用。本文希望通过三维结构网络的模拟手段，得出不同类型嵌入端岩体中结构面对其承载力产生的影响。主要包括围岩下结构面不同倾角对桩体承载性能的影响，存在“X”型共轭剪节理系结构面的围岩对桩体承载性能的影响，存在结构面的不同强度围岩对桩体承载性能的影响，不同桩径作用下承载力的变化。本文进行以下模拟： ⑴分别模拟嵌入端围岩中不同倾角的结构面。结构面的倾角选取15?、30?、45?、60?、75?的情况。 ⑵对嵌入端围岩中存在“X”型共轭剪节理系的情况进行模拟，结构面的倾角选取15?、45?的情况。 ⑶取不同强度的岩体作为嵌入端岩体进行模拟。其中包含有结构面，结构面的倾角取为15?、45?（材料的参数见表1） ⑷模拟不同桩径的嵌岩桩在节理围岩体中的承载特性。其中倾角分别为15?、45?。 表一 有关参数取值 Table 1 parameters of calculation 岩层 E/Mpa c/KPa φ/（?） ρ（kg·m-3） 软 1000 80 25 2300 中硬 6000 200 30 2300 硬 12000 400 35 2300 2嵌岩桩承载性能的分析 2.1 数值模拟的受力状态分析 对存在结构面围岩的嵌岩桩进行应力分析，载荷作用于桩体顶部，分级进行加载。随着载荷的不断增加，桩体出现应力集中的区域，由于连续结构面的存在，此时的应力集中区域不同于底部为完整岩体的情况。在桩底面上，应力主要集中在桩体与倾斜结构面的连结位置。并且在桩土体的连接处也出现了一个应力集中的区域，这两个应力集中区的出现是由于桩底的岩体的承受荷载时，由于结构面的存在，无法均匀产生均匀的沉降，造成了朝着结构面方向的地面桩底应力集中于左侧，而在岩体与土体的交界处，不均匀的沉降也令岩体与桩体的接触面偏向了一边，出现了应力集中的不对称性。见图4 图四 75?结构面岩体受力时的应力云图 2.2 各参数对嵌岩桩承载性能的影响分析 ⑴结构面倾角的影响 在研究嵌入岩体中结构面不同倾角对嵌岩桩承载性能的影响时，分别建立含有15?、30?、45?、60?、75?倾角结构面的围岩。嵌入深度为8m，围岩为中等强度（材料参数见表1），桩径0.8m。逐级施加荷载，图5、6分别为各倾角围岩在荷载作用下桩体产生的沉降。由Q-S曲线分析可知，随着倾角的不断增加，沉降量也在不断的变大，75?倾角围岩中产生的沉降量已经明显大于15?情况。由于此时选用中硬岩体做为含节理的嵌入端岩体，因此此时嵌岩桩表现出来的沉降量的下降趋势没开开始增大。 图五 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线图六 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线 ⑵“X”型共轭剪节理系结构面的影响 为进一步研究含结构面岩体在不同情况下对嵌岩桩承载性能产生的影响，在相同的约束条件下，建立含“X”型共轭剪节理系的结构面的岩体，其倾角分别为15?、45?。嵌岩桩的桩径与嵌入深度情况同前。在逐级施加荷载的作用下，绘制出桩体的Q-S曲线，从图7中可以看出两组对称结构面围岩中的桩体沉降量没有明显的增加。通过Q-S曲线的对比可以看出，在含有两组45?对称“X”型共轭剪节理系结构面围岩中桩体的沉降反而小于一组含有15?倾角结构面的情况。 图七 两组对称结构面下嵌岩桩Q-S曲线 ⑶不同强度的节理围岩的影响 岩体的参数对桩体承载性能有着重要的影响，采用表1中的软岩、硬岩参数的岩体建立模型，其中分别含有15?、75?倾角的结构面。对嵌入的桩体施加荷载，得到不同岩性参数条件下桩体的Q-S曲线（图8）。可以看出在硬岩中岩体的沉降量下降的趋势不是十分明显，而在含有75?倾角结构面的软岩作为嵌入端岩体时，嵌岩桩桩体的Q-S曲线下降趋势显著。表明软岩中存在节理时嵌岩桩更加容易遭受破坏。 图八 不同强度下嵌岩桩Q-S曲线 3 结论 通过基于结构面耦合原理的三维结构面网络模拟，得到不同条件下结构面在岩体承载性中的影响。通过分析得到一下结论： ⑴存在结构面的围岩中，嵌岩桩的受力发生了变化，出现了两个应力集中的区域，分别位于倾斜结构面与桩体的接触处和岩体与土体交界的一侧，这是造成嵌岩桩承性能下降的主要因素。 ⑵在相同围岩强度和桩径的条件下，随着嵌入端岩体中结构面倾角的增加，桩体的承载性能逐渐降低。并且在荷载较大的情况，这种嵌岩桩承载性能降低的趋势也越明显。 ⑶岩体的岩性参数与桩体的桩径变化对含有结构面岩体中的嵌岩桩承载性能影响较大。含节理岩体的强度越低，嵌岩桩沉降量增加越快，随着嵌岩桩桩径的变大，嵌岩桩的沉降量也越大。并且当以含有大倾角结构面岩体作为嵌入岩体时，嵌岩桩沉降量呈现出增加加快的趋势。 ⑷当采用含有“X”型共轭剪节理系结构面的岩体作为嵌入端岩体时，嵌岩桩的承载性能下降不明显，与无连续结构面岩体的情况相差不大。 通过数值模拟的手段得到了含结构面岩体对嵌岩桩承载力影响的一般规律，可以为今后的设计、施工以及科学研究提供依据。 [1] 晏长根，伍法权，祁生文，刘彤，宫島昌克.随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究[J]岩土工程学报，1000-4548（2009）06-0879-07 [2] 中国建筑科学研究院.JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008 作者简介：李哲豪，男，（1990.01.01），中国地质大学（武汉），硕士研究生，研究方向为岩体的稳定性分析 摘要 使用三维结构面网络的模拟手段，通过对不同倾角结构面岩体、不同强度的含结构面岩体和不同桩径情况下大直径嵌岩桩承载性能的分析，结果表明：⑴当嵌入端的岩体含有一组优势的结构面时，嵌岩桩桩体出现非对称的应力集中现象。⑵随着岩体中结构面倾角的增大，嵌岩桩的承载性能呈现出下降的趋势。⑶桩径的变大，含连续倾斜节理岩体强度的降低，都会对嵌岩桩的沉降量的增加有加剧作用。⑷当含有“X”型共轭剪节理系的岩体作为嵌入端时，嵌岩桩的承载性能并没有明显的降低。 关键词 三维结构网络；承载性能；嵌岩桩；FLAC3D 1 三维结构网络 为了比较真实的模拟出在结构面在岩体承载力的影响，采用结构面耦合原理，在岩体内部模拟出随机的结构面网络（如图2所示）。模型上部为土体下部为基岩，桩体进入基岩深度为8m。计算时通过有限元差分软件FLAC3D进行模拟，围岩采用Mohr-coulomb本构模型，围岩中存在的结构面定义为Interface模型，对于非贯通的结构面可以采用假想结构面的方法实现，桩体采用弹性模型。 图二 结构面网络图 在工程实践中，由于存在众多的影响因素，无法全面的分析结构面存在情况下对桩体的作用。本文希望通过三维结构网络的模拟手段，得出不同类型嵌入端岩体中结构面对其承载力产生的影响。主要包括围岩下结构面不同倾角对桩体承载性能的影响，存在“X”型共轭剪节理系结构面的围岩对桩体承载性能的影响，存在结构面的不同强度围岩对桩体承载性能的影响，不同桩径作用下承载力的变化。本文进行以下模拟： ⑴分别模拟嵌入端围岩中不同倾角的结构面。结构面的倾角选取15?、30?、45?、60?、75?的情况。 ⑵对嵌入端围岩中存在“X”型共轭剪节理系的情况进行模拟，结构面的倾角选取15?、45?的情况。 ⑶取不同强度的岩体作为嵌入端岩体进行模拟。其中包含有结构面，结构面的倾角取为15?、45?（材料的参数见表1） ⑷模拟不同桩径的嵌岩桩在节理围岩体中的承载特性。其中倾角分别为15?、45?。 表一 有关参数取值 Table 1 parameters of calculation 岩层 E/Mpa c/KPa φ/（?） ρ（kg·m-3） 软 1000 80 25 2300 中硬 6000 200 30 2300 硬 12000 400 35 2300 2嵌岩桩承载性能的分析 2.1 数值模拟的受力状态分析 对存在结构面围岩的嵌岩桩进行应力分析，载荷作用于桩体顶部，分级进行加载。随着载荷的不断增加，桩体出现应力集中的区域，由于连续结构面的存在，此时的应力集中区域不同于底部为完整岩体的情况。在桩底面上，应力主要集中在桩体与倾斜结构面的连结位置。并且在桩土体的连接处也出现了一个应力集中的区域，这两个应力集中区的出现是由于桩底的岩体的承受荷载时，由于结构面的存在，无法均匀产生均匀的沉降，造成了朝着结构面方向的地面桩底应力集中于左侧，而在岩体与土体的交界处，不均匀的沉降也令岩体与桩体的接触面偏向了一边，出现了应力集中的不对称性。见图4 图四 75?结构面岩体受力时的应力云图 2.2 各参数对嵌岩桩承载性能的影响分析 ⑴结构面倾角的影响 在研究嵌入岩体中结构面不同倾角对嵌岩桩承载性能的影响时，分别建立含有15?、30?、45?、60?、75?倾角结构面的围岩。嵌入深度为8m，围岩为中等强度（材料参数见表1），桩径0.8m。逐级施加荷载，图5、6分别为各倾角围岩在荷载作用下桩体产生的沉降。由Q-S曲线分析可知，随着倾角的不断增加，沉降量也在不断的变大，75?倾角围岩中产生的沉降量已经明显大于15?情况。由于此时选用中硬岩体做为含节理的嵌入端岩体，因此此时嵌岩桩表现出来的沉降量的下降趋势没开开始增大。 图五 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线图六 不同倾角下嵌岩桩Q-S曲线 ⑵“X”型共轭剪节理系结构面的影响 为进一步研究含结构面岩体在不同情况下对嵌岩桩承载性能产生的影响，在相同的约束条件下，建立含“X”型共轭剪节理系的结构面的岩体，其倾角分别为15?、45?。嵌岩桩的桩径与嵌入深度情况同前。在逐级施加荷载的作用下，绘制出桩体的Q-S曲线，从图7中可以看出两组对称结构面围岩中的桩体沉降量没有明显的增加。通过Q-S曲线的对比可以看出，在含有两组45?对称“X”型共轭剪节理系结构面围岩中桩体的沉降反而小于一组含有15?倾角结构面的情况。 图七 两组对称结构面下嵌岩桩Q-S曲线 ⑶不同强度的节理围岩的影响 岩体的参数对桩体承载性能有着重要的影响，采用表1中的软岩、硬岩参数的岩体建立模型，其中分别含有15?、75?倾角的结构面。对嵌入的桩体施加荷载，得到不同岩性参数条件下桩体的Q-S曲线（图8）。可以看出在硬岩中岩体的沉降量下降的趋势不是十分明显，而在含有75?倾角结构面的软岩作为嵌入端岩体时，嵌岩桩桩体的Q-S曲线下降趋势显著。表明软岩中存在节理时嵌岩桩更加容易遭受破坏。 图八 不同强度下嵌岩桩Q-S曲线 3 结论 通过基于结构面耦合原理的三维结构面网络模拟，得到不同条件下结构面在岩体承载性中的影响。通过分析得到一下结论： ⑴存在结构面的围岩中，嵌岩桩的受力发生了变化，出现了两个应力集中的区域，分别位于倾斜结构面与桩体的接触处和岩体与土体交界的一侧，这是造成嵌岩桩承性能下降的主要因素。 ⑵在相同围岩强度和桩径的条件下，随着嵌入端岩体中结构面倾角的增加，桩体的承载性能逐渐降低。并且在荷载较大的情况，这种嵌岩桩承载性能降低的趋势也越明显。 ⑶岩体的岩性参数与桩体的桩径变化对含有结构面岩体中的嵌岩桩承载性能影响较大。含节理岩体的强度越低，嵌岩桩沉降量增加越快，随着嵌岩桩桩径的变大，嵌岩桩的沉降量也越大。并且当以含有大倾角结构面岩体作为嵌入岩体时，嵌岩桩沉降量呈现出增加加快的趋势。 ⑷当采用含有“X”型共轭剪节理系结构面的岩体作为嵌入端岩体时，嵌岩桩的承载性能下降不明显，与无连续结构面岩体的情况相差不大。 通过数值模拟的手段得到了含结构面岩体对嵌岩桩承载力影响的一般规律，可以为今后的设计、施工以及科学研究提供依据。 [1] 晏长根，伍法权，祁生文，刘彤，宫島昌克.随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究[J]岩土工程学报，1000-4548（2009）06-0879-07 [2] 中国建筑科学研究院.JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008 作者简介：李哲豪，男，（1990.01.01），中国地质大学（武汉），硕士研究生，研究方向为岩体的稳定性分析 |
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