大直徑嵌巖樁基承載特性的理論分析和實驗研究.pdf

1、目前，隨著大跨徑復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、設計和構(gòu)建水平的提高，用數(shù)量較少而負荷量較大的樁基取代過去小而多的樁基，在經(jīng)濟、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)場試驗難以進行，在設計中既缺乏類似的經(jīng)驗可循，又沒有具體的規(guī)范可查，更沒有明確的設計方法和依據(jù)，這就使得嵌巖樁承載力的確定以及合理設計成為目前工程實踐中的重點難題之一?？梢?，以實際工程為依托，開展對大直徑

2、嵌巖樁的關鍵技術研究，對指導橋梁建設，提高結(jié)構(gòu)的安全性顯得尤為重要。本課題主要來源于國家科技支撐計劃“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關鍵技術研究及示范工程”（項目編號為2008BAG07B01），以及中國交通建設股份有限公司科研研發(fā)項目“超大直徑嵌巖樁基礎關鍵技術研究”(項目編號為2010-ZJKJ-05-05)。本研究以先進理論為指導，借助室內(nèi)試驗方法、數(shù)值計算工具為手段，同時吸取借鑒國內(nèi)外和行業(yè)內(nèi)外的成功經(jīng)驗對大直徑嵌巖樁進行比較系統(tǒng)的分

3、析研究，內(nèi)容包括大直徑嵌巖樁的承載機理、大直徑樁的尺寸效應研究以及大直徑嵌巖樁基礎整體受力體系的分析等，為深嵌巖樁的合理設計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)，對影響嵌巖樁基承載特性主要因素進行研究與分析，然后將室內(nèi)模型試驗的結(jié)果與有限元分析軟件的結(jié)果進行比較，最后把上述結(jié)果與依托工程的試樁資料進行比較分析，為工程的設計與施工提供技術支持。主要采用的方法是理論研究、室內(nèi)外實驗、計算機有限元數(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，樁端巖體一般不會出現(xiàn)剪切破壞，且存在明顯的尺寸效應。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。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程中是相互作用、相互影響的。
　　⑵基于自平衡測試技術對大直徑嵌巖樁的尺寸效應進行了研究，試驗在同種巖層條件下，對不同樁徑

5、和嵌巖深度嵌巖樁的樁側(cè)阻力進行測試。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，對比試驗表明，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。從不同巖層強度測試結(jié)果來看，樁周巖層的強度對樁側(cè)阻力的影響最為明顯。樁周巖層強度高，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現(xiàn)象。隨著樁徑的增大，樁端阻力減小也較為明顯，巖石強度越高，相應地樁端阻力

6、減小也明顯。
　?、菍τ谇稁r深度超過5倍樁徑的深嵌巖樁也采用了自平衡測試方法對其進行現(xiàn)場原位測試。結(jié)果表明:樁頂荷載與樁頂沉降關系Q-S曲線無明顯的陡降段，即不顯示明顯的破壞特征，所以應以位移控制條件來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)、樁端阻力分布來看，嵌巖深度大小對承載力影響較大。嵌巖比越大，相應的承載力越大，變形越小。當嵌巖深度超過一定限值時，樁端位移一般很小，特別

7、是全長嵌入巖層中的樁，樁端位移小，導致其樁端阻力發(fā)揮程度更小。
　?、炔捎檬覂?nèi)試驗對孔壁粗糙度及尺寸效應進行研究。室內(nèi)試驗研究結(jié)果表明:當粗糙度因子由0變?yōu)?.04時，不論樁底有無沉渣，實測的極限承載力提高幅度都超過50％，且樁底存在沉渣時，提高更為明顯。在巖石強度一定的情況下，試驗樁的極限承載力并不是隨著粗糙度因子的增大而無限增大，相反在樁底為虛底的情況下極限承載力反而會下降，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。從尺寸效應來看，大直徑嵌巖樁基適當增加其嵌巖深度對提高極限承載力是可行的，但增加嵌巖深度對樁基極限承載力的提高幅度與小直徑樁相比并不明顯，說明深嵌巖樁無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為工程依托，運用ABAQUS軟件，對復雜荷載作用下的超大直徑嵌巖樁群樁基礎進行有限元數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明:從整體受力體系來看，隨著承臺頂部荷載的增加，樁頂沉降也增加，Q

9、-S曲線呈線性關系。在外荷載作用下，應力經(jīng)承臺內(nèi)部進行重新分布，然后均勻的傳向承臺下四根樁，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的情況下是正確的。為了研究承臺厚度對群樁基礎整體受力特性的影響，模擬了5.5m，7.5m，9.5m三個不同厚度的承臺受力情況。發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，厚度7.5m承臺的沉降逐漸和厚度9.5m承臺沉降的值靠攏，最后幾乎一致。從樁基受力來看，樁側(cè)摩阻力荷載分擔量隨著承臺厚度的增加

10、而減小，樁端荷載分擔量隨著承臺厚度的增加而增加，承臺下土體反力不隨承臺厚度的變化而變化。為了研究徑對群樁基礎整體受力特性的影響，模擬了3m，4m，5m三個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，隨著承臺頂部荷載的增加，各樁的Q-S曲線呈線性關系，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。為了探討承臺埋深對群樁基礎整體受力特性的影響，在保證樁徑一致(D=4.0m)、承臺厚度一致(H=7.5m)的情況

11、下，模擬了承臺埋深分別為2m，0m和-2m（地面以上2m）三個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。
　?、蕿踅瓨虻墓こ虒嵺`表明：樁側(cè)阻力與樁端阻力采用考慮樁徑效應的雙曲線予以擬合所得到的荷載-位移關系與采用自平衡測試的結(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結(jié)果也較為接近。從擬合的結(jié)果來