在沿海工程条件下，嵌岩桩在厚填土层覆盖、下层为软岩的地层中的轴向承载行为

《Ocean & Coastal Management》：Axial bearing behavior of rock-socketed piles in overlying thick fill-underlying soft rock strata under coastal engineering conditions

大型直径岩石锚固桩在厚填土下伏软岩地层中的竖向承载特性研究，通过青岛海岸填海工程中的现场静载试验与ABAQUS有限元模拟，系统分析了基岩弹性模量、锚固深度及混凝土强度对桩承载性能的影响规律，为类似工程提供理论支撑。

　　

秦志超|白晓宇|尹继超|严楠|赵向梅|张亚梅

青岛理工大学土木工程学院，中国山东省青岛市嘉陵江路777号，266520

引言

近年来，随着陆地上土地资源的日益稀缺，工程活动逐渐向海洋扩展。作为在沿海地区创造居住和发展空间的关键手段，填海造地项目在全球范围内得到广泛应用，以缓解土地资源的短缺问题（Ye等人，2021年；Shen等人，2022年；Zhang等人，2023a，2023b）。由于填海造地项目具有独特的施工环境以及对基础承载能力和沉降控制的高要求，因此面临诸多挑战。大直径嵌岩桩因其较高的承载能力、优异的稳定性和有限的沉降量而被广泛应用于港口码头、高层建筑和跨海桥梁等重大基础设施中（Liu等人，2023年；Yan等人，2025年）。在青岛等沿海地区，填海造地项目通常表现为深厚的填土层覆盖在黏土质粉砂岩和其他软岩之上（以下简称“填土层-软岩层”）。然而，大直径嵌岩桩在这种地质条件下的轴向承载行为尚未得到充分研究，影响其承载性能的各种因素的相对重要性也不清楚。因此，系统地研究这种复杂地层中的垂直承载行为具有重要意义。

目前，大直径嵌岩桩的承载性能主要通过现场测试（Ling等人，2024年；Xing等人，2019年）、实验室实验（Ren等人，2024年；Liu等人，2023年）和有限元模拟（Feng等人，2022年；Han等人，2025年）来进行研究。在现场测试中，研究人员对嵌入不同岩层（从风化软岩到坚硬基岩）中的大直径嵌岩桩进行了竖向和水平荷载试验，以研究其荷载传递机制和破坏模式（Bai等人，2018年，2025年；Liu等人，2023年）。在实验室实验方面，研究人员利用物理模型试验研究了不同地质条件下嵌岩桩的承载特性（Huang等人，2019年，2021年；Zhao等人，2024年）。然而，大直径嵌岩桩的现场测试成本高昂且难度较大，而实验室试验受模型尺寸限制，无法真实反映实际现场条件（Sun等人，2024年）。因此，仅依靠试验方法难以全面分析嵌岩桩的荷载传递机制和承载特性。

有限元模拟方法具有经济性、高效性、适用性强以及能够处理复杂应力关系等优点，在研究桩的承载特性方面取得了重要进展（Khademalrasoul等人，2022年；Wang等人，2023年；Deng等人，2023年）。Feng等人（2023年）使用有限元方法研究了嵌入分层饱和岩土体中的嵌岩桩群的垂直性能，并利用有限元方法建立了桩群的整体刚度矩阵方程。Han等人（2023年）利用有限元分析研究了具有喀斯特洞穴的石灰岩层中嵌岩桩的承载性能，结果表明承载能力随桩长非线性增加，而随桩径、石灰岩黏聚力和洞穴顶板厚度几乎线性增加。Song等人（2023年）使用FLAC^3D软件模拟了大直径和超大直径嵌岩桩基础在垂直荷载下的承载特性，发现对于相同长径比的超大直径嵌岩桩，桩尖抗力的比例随直径增加。

本研究在青岛沿海地区的一个填海造地项目中对三根大直径嵌岩桩进行了现场测试，重点研究了嵌岩桩在填土层-软岩层中的承载特性。随后使用ABAQUS软件进行了有限元分析，以研究基岩弹性模量、嵌岩深度和桩混凝土强度对嵌岩桩承载性能的影响。研究结果为青岛沿海地区填海造地项目中大直径嵌岩桩基础的设计和施工提供了理论指导和优化参考。

部分摘录

工程背景

本研究是青岛一个人工岛项目的一部分。测试场地原本是近海浅水区，后来通过人工填土进行了填海造地，形成了较为平坦的表面。根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）和调查报告，从上到下的土层和岩层分布如下：含碎石的普通填土、含粉砂的普通填土、粉质黏土、强烈风化的...

静态荷载试验结果分析

桩顶沉降可以宏观反映桩的承载性能和荷载传递机制，而极限承载能力通常通过试验桩的桩顶沉降来确定。荷载-位移（Q-s）曲线以水平轴表示荷载，以垂直轴表示位移，清晰地展示了位移随荷载的变化情况，以及嵌岩桩的荷载传递行为和相应的桩顶变化...

模型建立

在有限元模拟中，选择合适的本构模型直接影响结果的准确性（Wang，2015年）。在本研究的现场测试条件下，嵌岩桩的桩体材料主要为均匀混凝土，主要表现出弹性和塑性行为。在ABAQUS中，混凝土本构模型包括线性弹性模型和损伤塑性模型。根据三根试验桩的应力特性...

影响嵌岩桩承载性能的因素分析

由于大直径嵌岩桩在深厚填土层中的桩土侧向摩擦阻力相对较小，因此桩顶荷载主要由桩尖阻力承受（Chen等人，2018年）。因此，填土层厚度和钻孔壁粗糙度对垂直抗压承载能力的影响在本研究中有限。此外，施工技术和桩底沉积物厚度等因素也具有实际意义...

讨论

现场静态荷载试验表明，适度风化的黏土质粉砂岩足以满足作为基岩的工程设计和使用要求。此外，还进行了有限元模拟，以研究不同参数（包括基岩弹性模量、嵌岩深度和桩混凝土强度）对嵌岩桩在填土层-软岩层中的承载性能的影响。结果表明...

结论

通过现场静态荷载试验和ABAQUS有限元模拟，本研究系统研究了嵌岩桩在填土层-软岩层中的垂直承载特性。基于研究结果，得出以下结论。

• (1)
  现场静态荷载试验表明，在16.0 MN的荷载下，试验桩的荷载-沉降曲线呈渐进型。在每个荷载水平上，桩身轴向力逐渐减小...

CRediT作者贡献声明

秦志超：撰写——初稿，数据整理。白晓宇：方法论，调查，资金获取。尹继超：可视化，正式分析。严楠：项目管理，概念构思。赵向梅：撰写——审阅与编辑，软件使用。张亚梅：可视化，资源准备。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52478348、52508388、52578415）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024ME224、ZR2023QE107）和山东省泰山学者基金（项目编号：tsqn202306234）的支持。