人工挖孔嵌石灌注樁承載性狀的試驗(yàn)與理論分析.pdf

1、隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，對(duì)橋梁建設(shè)的要求越來(lái)越高，許多合理、經(jīng)濟(jì)、美觀(guān)的橋梁結(jié)構(gòu)形式也被不斷地研究、引進(jìn)和發(fā)展。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋由于自身得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)尤其被設(shè)計(jì)者所親睞，并得到廣泛應(yīng)用。
　　 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的墩、梁、基礎(chǔ)三者固結(jié)聯(lián)為一體共同受力，墩身形式、高度等對(duì)結(jié)構(gòu)受力有影響。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)是：墩梁固結(jié)，上下部結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載，減小了墩頂負(fù)彎矩；墩的剛度較柔，墩允許較大變位；結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，混凝

2、土收縮、徐變、溫度變化、預(yù)應(yīng)力作用、墩臺(tái)不均勻沉降等引起的附加內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大。
　　 由于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Φ鼗牟痪鶆虺两盗靠刂戚^嚴(yán)格，所以本文以宦萬(wàn)鐵路渡口河特大橋群樁基礎(chǔ)的原型觀(guān)測(cè)為基礎(chǔ)，對(duì)施工過(guò)程中橋梁群樁基礎(chǔ)的承載性狀進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析，對(duì)這種橋型基礎(chǔ)的研究提供參考。渡口河特大橋的地基為極軟巖，工程性質(zhì)不穩(wěn)定，易受外界環(huán)境擾動(dòng)。渡口河特大橋的5號(hào)墩高128 m，對(duì)墩身穩(wěn)定性和墩頂偏位要求嚴(yán)格，所以被選作原型觀(guān)測(cè)

3、的對(duì)象。渡口河特大橋采用的是人工挖孔樁群樁基礎(chǔ)，其承載性狀受施工過(guò)程影響較大，本文的研究目的是分析施工階段樁-土-承臺(tái)-橋墩共同作用機(jī)理。樁基是高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋常用的基礎(chǔ)形式，其施工階段很關(guān)鍵，影響貫穿橋梁施工和營(yíng)運(yùn)的整個(gè)過(guò)程；而且一旦出現(xiàn)由樁基引起的問(wèn)題，補(bǔ)救的代價(jià)很高，所以對(duì)其研究有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。本文主要研究軟巖地基中全嵌巖單樁的荷載傳遞機(jī)理、群樁基礎(chǔ)的承載性狀。本文研究的方法是通過(guò)對(duì)5號(hào)墩施工過(guò)程中群樁應(yīng)力應(yīng)變長(zhǎng)期的原型

4、觀(guān)測(cè)，并輔以理論分析和數(shù)值模擬，得到了施加上部荷載后樁身的荷載傳遞規(guī)律隨施工進(jìn)度的變化，以及軟巖地基中群樁基礎(chǔ)承載性狀的一些特征，并利用有限元軟件分析了樁側(cè)巖石粗糙度對(duì)單樁承載力的影響，具體結(jié)論如下：
　　 1)通過(guò)原型觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)群樁基礎(chǔ)樁項(xiàng)和樁間巖石內(nèi)力分布是隨施工進(jìn)度變化的，它既隨著上部結(jié)構(gòu)的重量和承臺(tái)的抗彎剛度增大而變化，同時(shí)又受承臺(tái)底與地基和樁頂與承臺(tái)接觸情況的影響。承臺(tái)的抗彎剛度實(shí)際包含墩底實(shí)心部分貢獻(xiàn)的剛度，它在早期上

5、部結(jié)構(gòu)較低時(shí)顯著影響群樁基礎(chǔ)的受力性狀?；鶐r由于水的浸泡和風(fēng)化而弱化，使得距承臺(tái)底一定深度內(nèi)的地基壓縮性較大而不能承擔(dān)上部荷載，所以上部結(jié)構(gòu)施工初期上部荷載主要由樁承受，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，承臺(tái)底地基被壓緊，這部分樁間巖石也逐漸分擔(dān)部分上部荷載。樁頂與承臺(tái)的接觸和地基與承臺(tái)的接觸情況一樣也是隨時(shí)間變化的，這也影響基礎(chǔ)所受荷載的空間分布。
　　 本文監(jiān)測(cè)過(guò)程中橋梁懸臂梁的施工還未完成，由于地基的一部分是從山體開(kāi)挖出來(lái)的新鮮巖石，另一部

6、分是常年受河水侵蝕的巖石，所以存在地基不均勻?qū)θ簶秲?nèi)力分布的影響，就目前被監(jiān)測(cè)樁的情況來(lái)看，中間樁(5-8號(hào)、5-15號(hào))承受的荷載大于角樁(5-19號(hào))，且角樁承受荷載狀況很復(fù)雜，具體表現(xiàn)為先受拉再受壓。由于其它樁只在樁頂中心埋設(shè)了應(yīng)變計(jì)，而通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)樁頂平面內(nèi)軸向應(yīng)變的分布是極不均勻的，再考慮到樁頂與承臺(tái)的實(shí)際接觸情況是新老混凝土的接觸，且由于樁身橫截面積大造成的樁項(xiàng)顯著的應(yīng)力集中，使得承臺(tái)頂內(nèi)力分布與理論分析的差別很大，所以樁項(xiàng)

7、只埋沒(méi)一個(gè)測(cè)點(diǎn)不能反映樁頂應(yīng)變分布的全貌。實(shí)際的樁頂應(yīng)力分布是不對(duì)稱(chēng)的，要想深入了解群樁基礎(chǔ)樁頂應(yīng)力的真實(shí)分布，還需要在樁頂增加應(yīng)變計(jì)的個(gè)數(shù)。
　　 2)通過(guò)對(duì)大直徑群樁基礎(chǔ)基樁荷載傳遞性狀的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，群樁樁頂?shù)暮奢d分布復(fù)雜且隨空間位置各異，隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，基樁樁頂軸力分布與理想狀態(tài)下的理論結(jié)果有較大差異，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
　　 軟巖地基中基樁的荷載傳遞特性分析的結(jié)果是：側(cè)阻力承擔(dān)絕大部分上部荷

8、載，所以可認(rèn)為其是端承摩擦樁；由于人工挖孔樁的樁側(cè)粗糙程度沿樁身變異很大，使得基樁的樁側(cè)阻力的分布特征復(fù)雜，其沿樁身的側(cè)阻力曲線(xiàn)有多個(gè)峰值；通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)大直徑嵌巖樁的軸向剛度大，樁頂沉降小，承載能力高，是一種適合于高、大、重結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式。
　　 3)考慮樁側(cè)土非線(xiàn)性軟化的荷載傳遞函數(shù)法能較好的與試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合，并能反映樁的漸進(jìn)破壞特征。而且由于荷載傳遞函數(shù)法的靈活性，基于本方法開(kāi)發(fā)的程序能夠模擬多層土中樁的荷載-傳遞特性，但是要

9、精確模擬還需要具體的工程數(shù)據(jù)。
　　 4)嵌巖樁的樁巖界面與樁土界面不同，界面的粗糙度對(duì)基樁承載力影響顯著。目前，樁巖界面的粗糙程度可用無(wú)量綱的凹凸度因子表征，本文通過(guò)對(duì)樁巖界面粗糙形狀的有限元模擬，不僅證實(shí)樁頂沉降量與凹凸度因子成反比，還發(fā)現(xiàn)其與粗糙突起的形狀因子成正比，突起高度對(duì)承載力的影響比突起半波長(zhǎng)的影響顯著。樁頂位移實(shí)際上是隨樁頂荷載的增大而增大的，所以在相同的荷載下減少樁頂位移就是提高承載力。在實(shí)際工程中，要提高嵌巖

10、樁的承載力有兩種措施，其一是當(dāng)樁長(zhǎng)可以加長(zhǎng)時(shí)，盡量利用提高嵌巖樁接觸面突起高度的方法來(lái)提高樁的承載力，當(dāng)然這種方法不是很經(jīng)濟(jì)，但提高承載力幅度較大；其二是在樁長(zhǎng)不可調(diào)時(shí)，盡量利用制造“短粗型突起”來(lái)提高樁的承載力，這種方法比較經(jīng)濟(jì)。
　　 5)根據(jù)5號(hào)墩T構(gòu)整體有限元分析，可知橋身自重荷載是群樁基礎(chǔ)力學(xué)響應(yīng)的主要影響因素；在施工階段，橋梁的風(fēng)荷載在橋墩和懸臂梁上引起的混凝土拉應(yīng)力不容忽視，特別是橋墩混凝土沒(méi)有做預(yù)應(yīng)力，容易開(kāi)裂；

11、群樁基礎(chǔ)的受力分布是中間樁承受荷載大，周邊樁承受荷載小，這與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果大體一致。根據(jù)5號(hào)墩T構(gòu)整體有限元穩(wěn)定性分析，可知在施工階段的最不利荷載組合下，橋梁的失穩(wěn)模態(tài)主要是沿縱橋向整體傾覆；地基局部軟化降低橋梁整體失穩(wěn)的特征值。
　　 5號(hào)墩為同類(lèi)型鐵路橋梁中國(guó)內(nèi)最高墩，通過(guò)首次對(duì)高墩群樁基礎(chǔ)所做的原型觀(guān)測(cè)以及分析，本文工作存在如下創(chuàng)新之處：
　　 1)首次完成了軟巖地基中嵌巖灌注樁樁群樁基礎(chǔ)的原型觀(guān)測(cè)工作，分析了單樁的

12、荷載傳遞特征和群樁的承載性狀隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律，為相同地質(zhì)情況下的研究提供了依據(jù)。
　　 2)在考慮樁側(cè)土非線(xiàn)性軟化的前提下，利用荷載傳遞函數(shù)法分析多層土中樁的荷載-沉降曲線(xiàn)，得到了較好的結(jié)果。
　　 3)利用有限元優(yōu)化分析工具證實(shí)了嵌巖樁樁側(cè)粗糙度對(duì)其承載性狀的影響，并提出了用于表征單個(gè)突起形狀對(duì)嵌巖樁承載力影響的突起形狀因子的概念。當(dāng)樁長(zhǎng)一定時(shí)，突起形狀因子可以衡量單個(gè)突起的形狀對(duì)樁的承載力的影響，并通過(guò)推理發(fā)現(xiàn)，