大直徑嵌巖樁基承載特性的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，隨著大跨徑復(fù)雜橋梁工程的日益增多，大噸位的樁基也隨之增多，而且隨著樁基材料、設(shè)計(jì)和構(gòu)建水平的提高，用數(shù)量較少而負(fù)荷量較大的樁基取代過(guò)去小而多的樁基，在經(jīng)濟(jì)、性能上比較有利。因此，在橋梁工程中大直徑嵌巖樁的使用也日趨增多，但是由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，在設(shè)計(jì)中既缺乏類似的經(jīng)驗(yàn)可循，又沒(méi)有具體的規(guī)范可查，更沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)方法和依據(jù)，這就使得嵌巖樁承載力的確定以及合理設(shè)計(jì)成為目前工程實(shí)踐中的重點(diǎn)難題之一。可見(jiàn)，以實(shí)際工程為依托，開展對(duì)大直徑

2、嵌巖樁的關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)指導(dǎo)橋梁建設(shè)，提高結(jié)構(gòu)的安全性顯得尤為重要。本課題主要來(lái)源于國(guó)家科技支撐計(jì)劃“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程”（項(xiàng)目編號(hào)為2008BAG07B01），以及中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司科研研發(fā)項(xiàng)目“超大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào)為2010-ZJKJ-05-05)。本研究以先進(jìn)理論為指導(dǎo)，借助室內(nèi)試驗(yàn)方法、數(shù)值計(jì)算工具為手段，同時(shí)吸取借鑒國(guó)內(nèi)外和行業(yè)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)大直徑嵌巖樁進(jìn)行比較系統(tǒng)的分

3、析研究，內(nèi)容包括大直徑嵌巖樁的承載機(jī)理、大直徑樁的尺寸效應(yīng)研究以及大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)整體受力體系的分析等，為深嵌巖樁的合理設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艔睦碚撗芯砍霭l(fā)，對(duì)影響嵌巖樁基承載特性主要因素進(jìn)行研究與分析，然后將室內(nèi)模型試驗(yàn)的結(jié)果與有限元分析軟件的結(jié)果進(jìn)行比較，最后把上述結(jié)果與依托工程的試樁資料進(jìn)行比較分析，為工程的設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持。主要采用的方法是理論研究、室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)有限元數(shù)值分析等。理

4、論研究表明:大直徑嵌巖樁的荷載～位移曲線一般以緩變形為主，樁端巖體一般不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，且存在明顯的尺寸效應(yīng)。通常情況下，大直徑嵌巖樁的樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān)。荷載從上到下逐漸傳遞到嵌巖段，上覆土層的側(cè)摩阻力是存在的，完全忽略上覆土層的有利影響在有些情況下并不合理。樁側(cè)阻力、樁端阻力在荷載傳遞過(guò)程中是相互作用、相互影響的。
　?、苹谧云胶鉁y(cè)試技術(shù)對(duì)大直徑嵌巖樁的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)在同種巖層條件下，對(duì)不同樁徑

5、和嵌巖深度嵌巖樁的樁側(cè)阻力進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:隨著樁徑的增大，大直徑嵌巖樁的樁側(cè)阻力存在一定的減小現(xiàn)象。在不同孔深的條件下，對(duì)比試驗(yàn)表明，隨著孔深的增大樁側(cè)阻力存在著明顯的減小現(xiàn)象，且嵌巖深度的影響較孔徑變化的影響更為明顯。從不同巖層強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，樁周巖層的強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)阻力的影響最為明顯。樁周巖層強(qiáng)度高，樁側(cè)阻力的發(fā)揮也大。嵌巖樁的樁端阻力也存在著明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。隨著樁徑的增大，樁端阻力減小也較為明顯，巖石強(qiáng)度越高，相應(yīng)地樁端阻力

6、減小也明顯。
　?、菍?duì)于嵌巖深度超過(guò)5倍樁徑的深嵌巖樁也采用了自平衡測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試。結(jié)果表明:樁頂荷載與樁頂沉降關(guān)系Q-S曲線無(wú)明顯的陡降段，即不顯示明顯的破壞特征，所以應(yīng)以位移控制條件來(lái)確定大直徑樁的極限承載力取值。在軟巖地區(qū)，深嵌巖段的樁基承載特性類似于摩擦樁的受力形態(tài)。從樁側(cè)、樁端阻力分布來(lái)看，嵌巖深度大小對(duì)承載力影響較大。嵌巖比越大，相應(yīng)的承載力越大，變形越小。當(dāng)嵌巖深度超過(guò)一定限值時(shí)，樁端位移一般很小，特別

7、是全長(zhǎng)嵌入巖層中的樁，樁端位移小，導(dǎo)致其樁端阻力發(fā)揮程度更小。
　　⑷采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)孔壁粗糙度及尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明:當(dāng)粗糙度因子由0變?yōu)?.04時(shí)，不論樁底有無(wú)沉渣，實(shí)測(cè)的極限承載力提高幅度都超過(guò)50％，且樁底存在沉渣時(shí)，提高更為明顯。在巖石強(qiáng)度一定的情況下，試驗(yàn)樁的極限承載力并不是隨著粗糙度因子的增大而無(wú)限增大，相反在樁底為虛底的情況下極限承載力反而會(huì)下降，所以一味的增加樁側(cè)孔壁粗糙度也并一定能起到增加極限承

8、載力的效果。從尺寸效應(yīng)來(lái)看，大直徑嵌巖樁基適當(dāng)增加其嵌巖深度對(duì)提高極限承載力是可行的，但增加嵌巖深度對(duì)樁基極限承載力的提高幅度與小直徑樁相比并不明顯，說(shuō)明深嵌巖樁無(wú)條件的增大嵌巖深度并不可取，增加嵌巖樁的深度還不如增加樁徑更為有利。
　?、梢栽诮ǖ臑踅髽蛉簶痘A(chǔ)為工程依托，運(yùn)用ABAQUS軟件，對(duì)復(fù)雜荷載作用下的超大直徑嵌巖樁群樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明:從整體受力體系來(lái)看，隨著承臺(tái)頂部荷載的增加，樁頂沉降也增加，Q

9、-S曲線呈線性關(guān)系。在外荷載作用下，應(yīng)力經(jīng)承臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行重新分布，然后均勻的傳向承臺(tái)下四根樁，傳力方向非常明確，受壓區(qū)也非常明顯，因此，空間桁架理論中的壓桿理論在厚承臺(tái)的情況下是正確的。為了研究承臺(tái)厚度對(duì)群樁基礎(chǔ)整體受力特性的影響，模擬了5.5m，7.5m，9.5m三個(gè)不同厚度的承臺(tái)受力情況。發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，厚度7.5m承臺(tái)的沉降逐漸和厚度9.5m承臺(tái)沉降的值靠攏，最后幾乎一致。從樁基受力來(lái)看，樁側(cè)摩阻力荷載分擔(dān)量隨著承臺(tái)厚度的增加

10、而減小，樁端荷載分擔(dān)量隨著承臺(tái)厚度的增加而增加，承臺(tái)下土體反力不隨承臺(tái)厚度的變化而變化。為了研究徑對(duì)群樁基礎(chǔ)整體受力特性的影響，模擬了3m，4m，5m三個(gè)不同樁徑的群樁受力情況。數(shù)值模擬表明:在三種不同樁徑情況下，隨著承臺(tái)頂部荷載的增加，各樁的Q-S曲線呈線性關(guān)系，但直徑大的樁其曲線較為平緩。隨著樁徑的增加，樁頂沉降逐漸減小。為了探討承臺(tái)埋深對(duì)群樁基礎(chǔ)整體受力特性的影響，在保證樁徑一致(D=4.0m)、承臺(tái)厚度一致(H=7.5m)的情況

11、下，模擬了承臺(tái)埋深分別為2m，0m和-2m（地面以上2m）三個(gè)不同深度的群樁受力情況。數(shù)值模擬表明:隨著埋深深度的增加，群樁體系整體沉降逐漸減小。
　?、蕿踅瓨虻墓こ虒?shí)踐表明：樁側(cè)阻力與樁端阻力采用考慮樁徑效應(yīng)的雙曲線予以擬合所得到的荷載-位移關(guān)系與采用自平衡測(cè)試的結(jié)果(D=1.0m)比較接近，故大直徑嵌巖樁采用雙曲線模式是可行的。利用該模式所擬合的超大直徑樁(D=4.0m)的荷載—位移曲線與沉降觀測(cè)結(jié)果也較為接近。從擬合的結(jié)果來(lái)