橋梁工程中的大型灌注樁豎向承載性狀[詳細]

1、,高廣運,橋梁工程中的大型灌注樁豎向承載性狀,1 大型灌注樁在橋梁建設(shè)中的地位 2 樁基持力層的作用 3 樁基持力層的定量選擇 4 有效樁長 5 嵌巖樁基巖風(fēng)化程度分帶 6 擴底墩（樁） 7 兩種大直徑樁的試驗對比 8 樁端注漿 9 花崗巖殘積土中的樁基 10 結(jié)束語,1 大型灌注樁在橋梁建設(shè)中的地位,表 1 大型灌注樁的廣泛應(yīng)用,“橋梁成敗關(guān)鍵在基礎(chǔ)”是建橋的名言，而基礎(chǔ)的趨向應(yīng)為大直徑樁，因為它有許多優(yōu)越性: (1)可承受很大荷載，可減少水中作業(yè)，因此可 加快工期； (2)良好的抗震、抗風(fēng)穩(wěn)定性和具有較強的抵御 沖擊能力，故安全可靠性高； (3)能減少承臺工作量，因而總造價相應(yīng)會低。 所以

2、，大型灌注樁在橋梁和高層建筑等重要工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它對橋梁建設(shè)具有特殊重要的意義。 參見“大型灌注樁特性研究”，橋梁建設(shè)，2003，26（4）,如九江大橋主跨基礎(chǔ)用鉆孔灌注樁，此前采用了不同樁直徑的方案比較，如表2所示。 表2 九江大橋主墩基礎(chǔ)灌注樁工程量比較表,由此可見，樁直徑小，樁數(shù)就多、工程量大、造價高、工期也會延長、河中施工難度也就大。,2 樁基持力層的作用,江陰長江公路大橋試樁情況,圖1,圖2,江陰長江公路大橋北引橋29墩兩根靜載試樁（圖1）。樁直徑d=1m ，樁長l=77.8（樁端未入基巖）、81.9m（樁端入基巖）。 從圖2可看出，對長徑比(l/d=78-82)已相當大的

3、大型灌注樁，持力層的作用仍很顯著，樁端入和不入基巖時其承載性狀、極限承載力等就有很大差異。,上述分析的是基巖持力層，下面分析持力層是較硬的土層的情況。以包含點面接觸單元的有限元模型進行模擬研究。以蘇通大橋為例，樁直徑都為2m，其中一根樁長67m，入持力層2m；另一根樁長64m，樁端離持力層1m。 圖3為數(shù)值模擬結(jié)果。從圖上也同樣可以看出，樁入持力層后樁的極限承載力要大很多，樁的承載特性也會有很大區(qū)別。,圖3 蘇通長江公路大橋數(shù)值模擬情況 參見“大型灌注樁特性研究”，橋梁建設(shè)，2003，26（4）,3 樁基持力層的定量選擇,大型灌注樁由于其長度大，穿過的巖土層層數(shù)多、厚度大，為持力層的選擇帶來了

4、困難。傳統(tǒng)的定性確定法不夠精確，下面用指標法來實現(xiàn)持力層的量化優(yōu)選。 通過綜合分析，可考慮能反映地層持力特性的七項指標：深度（成本）指標、承載力大小指標、持力層厚度指標、厚度變化率指標、下臥層性質(zhì)指標、N的標準差指標、抗震動或抗沉降效果指標。,（1）深度（成本）指標 深度對樁基持力層的選擇是一個最重要的指標。深度太深在成本上是極不劃算的。比如蘇通大橋工程中的基巖深度290米，所以從成本上來看幾乎是不可能的。 （2）承載力大小指標 承載力大小是選擇樁基持力層的又一重要指標。某一持力層的選擇必須保證樁基有足夠的承載力，才能確保工程的安全。承載力的計算為持力層端阻力加上樁側(cè)所有分層土側(cè)阻力之和。 （

5、3）持力層厚度指標 持力層一般有較大的端阻力和側(cè)阻力，但這是以持力層有足夠的厚度為保證的。地層太薄的話，是談不上持力性的。所以厚度也是選擇持力層的一個指標。,（4）厚度變化率指標 一座橋梁一般有很多根樁，它們分布在一定范圍內(nèi)，則此范圍內(nèi)的持力層必須厚度穩(wěn)定，才能保證所有的樁有足夠和類似的承載性狀。否則的話就會產(chǎn)生差異沉降等問題，影響橋梁安全。 （5）下臥層性質(zhì)指標 下臥層性質(zhì)也是一個不可忽視的指標，因為它太軟弱的話會對持力層帶來隱患。這里以極限端阻力來表示下臥層性質(zhì)，因為極限端阻力在一定程度上反映了下臥層的綜合性質(zhì)。 （6）N的標準差指標 N為標貫或動探試驗擊數(shù)，它能反映土層的動力特性。,（7

6、）抗震動或抗沉降效果指標 這是一個綜合性的指標。一般情況是，地層的抗震動或抗沉降的效果越好，則該地層的持力性越強。 各指標的因子值和權(quán)重值確定好后，就可以計算各備選方案的綜合值了。某備選方案的綜合值等于各指標因子值與權(quán)重值之積（即指標值）的和。,具體的綜合值計算公式為： Ri=（I1iW1) + （I2iW2) + （I3iW3) （ I4iW4) + （I5iW5) + （I6iW6 ) +（I7iW7) 其中 Ri為綜合值；W1W7為權(quán)重值(各自為5級)； I1iI7i為因子值(與權(quán)重值對應(yīng)，取值范圍是0.01-1.00)。 綜合值Ri最大者即為選中的持力層。 參見“大型灌注樁特性研究”，

7、橋梁建設(shè)，2003，26（4）,4 有效樁長,4.1 靜載試驗研究,試樁直徑1m， 1號樁長24m，2號樁長32m。兩試樁的荷載-沉降曲線如圖4所示，兩曲線都為緩變型，2號樁的曲線更為平緩，說明2號樁的承載能力強、沉降小。試樁沒達到破壞狀態(tài)。由圖可得當樁頂都下降15mm時，1號樁的樁頂荷載為2273kN，2號樁的樁頂荷載為3409kN。,圖4河南安新高速公路試樁,圖5 太原市物資貿(mào)易中心營業(yè)樓試樁,樁直徑d=0.8m，以粗礫砂層為持力層，W1樁長29m，入持力層深度2.75m（3.4d）；W3樁長34m，入持力層深度7.75m（9.7d）。由圖5QS曲線可得W1樁極限荷載為5000kN，W3樁

8、極限荷載為7000kN。,圖6 太原市輕工展廳大樓試樁,樁直徑d=0.8m，以砂層為持力層，Q1樁長22.5m，入持力層2.5m（3.1d）；Q2樁長20.5m，入持力層0.5m（0.6d）。兩樁的試樁剖面示意圖如圖6所示，從兩樁的荷載-沉降曲線可看出，Q1樁承載力遠大于Q2樁 。,圖7 太原第一熱電廠期工程試樁剖面及荷載-沉降曲線,樁直徑d=0.8m，以粗礫砂層為持力層，D4樁長22.8m，入持力層0.55m (0.7d) ，極限荷載4200 kN；D5樁樁長23.9m，入持力層1.65m (2.1d) ，極限荷載4800kN（圖7）。,圖8 山東某洗煤廠樁基試驗剖面及荷載-沉降曲線,前面幾

9、組對比試驗樁都是以粗砂或礫砂為持力層，但這一組對比試驗樁發(fā)生了變化。T1樁樁長25m，直徑1.1m，以粗砂層為持力層；T2樁樁長27m，直徑1.1m，穿過粗砂層進入下伏較軟弱的粘土層（圖8）。,兩試樁用慢速法進行試驗，兩樁的荷載-沉降曲線如圖8所示。從圖上可看出其與前面幾組試樁有區(qū)別。加載5000kN以前，較長的T2樁的沉降較短的T1樁大，以后T2樁的沉降才小于T1樁，且兩試樁曲線靠得很近。可得出T1樁極限荷載為7350kN，而T2樁極限荷載只比T1樁稍大，為7700kN。,綜上所述，從5個場地的不同樁長的對比試驗中可發(fā)現(xiàn)： （1）當兩對比樁都以粗砂、礫砂等較好的巖土層為持力層時，長樁的荷載-

10、沉降曲線都位于短樁的右側(cè)，表現(xiàn)出良好的承載性能，且曲線第二拐點前更為平緩（圖5圖8）；,（2）對比樁中（如山東兗州某洗煤廠試樁），當長樁穿過密實持力層（粗砂）進入下伏較軟弱層（粘土）時，長樁的承載力和沉降并不顯得比較短樁優(yōu)越。此時較長樁的加長部分顯得沒有必要。,a 荷載-樁長關(guān)系圖,b 荷載-長徑比關(guān)系圖,圖9 樁頂荷載與樁長、長徑比關(guān)系曲線,（3）樁頂荷載與樁長和長徑比的關(guān)系曲線如圖9，其中樁頂荷載為極限值（僅安新公路為樁頂下降15mm時的荷載）。從圖上可看出有3組對比樁都是樁頂荷載隨著樁長或長徑比的增大而明顯增大，說明長樁的承載性能好。,而另外兩組（即洗煤廠和安新公路），不論是樁頂荷載與樁

11、長關(guān)系曲線還是樁頂荷載與長徑比關(guān)系曲線，其直線較其它三組平緩。這是因為洗煤廠試樁中較長樁進入了軟弱下臥層；而安新公路試樁沒達到極限狀態(tài)。 參見 “樁長對大直徑摩擦樁影響的試驗研究”，勘察科學(xué) 技術(shù)，2003，21（5）； “大型灌注樁特性研究”，橋梁建設(shè)，2003，26（4）,a 樁頂沉降-樁長關(guān)系圖,a 樁頂沉降-長徑比關(guān)系圖,圖10 沉降與樁長、長徑比關(guān)系沉降曲線,（4）樁頂沉降與樁長、長徑比的關(guān)系曲線如圖10 ，其中樁頂沉降是極限荷載狀態(tài)時的沉降（僅安新公路指的是樁頂荷載為2458kN時的沉降），從圖上可看出4組對比樁都是樁頂沉降隨著樁長或長徑比的增大而減小，說明長樁不僅承載性能好，而且

12、樁頂沉降也小。,圖11 樁頂荷載-入持力層相對深度H/d關(guān)系曲線圖,（5）以粗砂或礫砂為持力層的三組試樁的樁頂荷載與樁入持力層相對深度H/d關(guān)系曲線如圖11。由圖可知，隨著樁入持力層相對深度H/d的增大（H/d最大可達9以上），樁頂荷載也大幅度增大。,4. 2 數(shù)值模擬,在考慮土的非線性、樁周土分層、樁土間非線性相互影響、樁端有沉渣、樁底及樁側(cè)注漿加固、樁長及樁直徑變化等因素時，有限元法是現(xiàn)階段最適用的方法，它能解決由于試樁困難及實測費用大而無法大量進行的問題。對灌注樁，有限元法能模擬其施工過程，即土體自重應(yīng)力場成孔（泥漿護壁）灌注鋼筋混凝土樁受力計算。,樁身單元模型和樁周土的本構(gòu)模型 考慮到

13、由群樁向大直徑單樁發(fā)展是目前的趨勢，所以這里的理論分析主要以大直徑單樁為主。其單樁的軸向受荷有限元分析，可簡化為軸對稱問題。此時的樁周土體可劃分為一般的平面實體單元。至于樁周土的本構(gòu)模型，本文采用Drucker-Prager模型，這種模型在巖土工程中應(yīng)用較多，能反映土體的剪脹效應(yīng)。樁體采用彈性模型。,樁與土的接觸面模型 本文用的是包含點面接觸單元的有限元模型，這種接觸面模型和Goodman模型相比具有它的優(yōu)越性。Goodman單元（即無厚度節(jié)理單元）模型雖然能模擬接觸面的相對滑移和張開，但量值較小，當產(chǎn)生較大滑移、張開、重疊后往往引起解的不收斂。而點面接觸模型能克服這些缺陷。,圖 12 軸對稱

14、有限元計算網(wǎng)格,圖13 江陰大橋數(shù)值模擬與試驗結(jié)果比較,表3 樁土主要參數(shù)表,圖14 極限荷載與樁長關(guān)系曲線 參見“大直徑超長樁有效長度的數(shù)值模擬”，建筑科學(xué)，2003，19(3)。,5 嵌巖樁基巖風(fēng)化程度分帶,嵌巖樁具有單樁承載力高、沉降小且收斂快、抗震性能好、群樁效應(yīng)小等特點，成為大型構(gòu)（建）筑物重要的基礎(chǔ)形式。當樁長、樁直徑和基巖上覆土層確定的情況下，決定它的承載性狀的往往是基巖的性質(zhì)、樁所進入基巖的層位（深度）。而這些與基巖的風(fēng)化程度密切相關(guān)，所以，正確劃分基巖風(fēng)化帶是使嵌巖樁嵌入合理層位和深度的有效途徑。,巖體中的結(jié)構(gòu)面對巖體的穩(wěn)定性和巖體質(zhì)量等起控制作用。巖體風(fēng)化后在巖體結(jié)構(gòu)方面就

15、有所反映。從強風(fēng)化帶、中等風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶到新鮮巖石，巖體中結(jié)構(gòu)面的數(shù)量逐漸減少，完全體現(xiàn)了巖體在接受風(fēng)化營力作用后巖體裂紋擴展、增長和新的裂隙產(chǎn)生的特征。 研究巖體風(fēng)化帶的劃分，應(yīng)當圍繞“巖體結(jié)構(gòu)”這一控制巖體工程地質(zhì)性質(zhì)和巖體穩(wěn)定的基本條件來進行，充分利用巖體結(jié)構(gòu)的特征指標。,巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體（巖塊）組成，所以，量化指標的選取應(yīng)有三方面的考慮： （1）巖體總體結(jié)構(gòu)上的變化； （2）結(jié)構(gòu)面的變化-主要指結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及其性質(zhì)的變化。 （3）結(jié)構(gòu)體（即巖塊）的變化-主要指巖塊的強度變化。 參見“嵌巖灌注樁基巖風(fēng)化程度分帶探討”，探礦工程， 2003，40(5)。,針對嵌巖樁的特點，經(jīng)綜

16、合分析用下式來定量劃分基巖巖體的風(fēng)化程度：,J1單位巖芯長度上的結(jié)構(gòu)面數(shù)；RQD巖體質(zhì)量或巖芯完整率；J2結(jié)構(gòu)面蝕變程度系數(shù)；R1新鮮巖石的點荷載強度；R2風(fēng)化巖石的點荷載強度；因為有的風(fēng)化巖石不好取樣，所以不能采用抗壓強度指標。 以F值基巖風(fēng)化程度劃分界限： 全風(fēng)化 F 200； 強風(fēng)化 F=9.32-200； 中風(fēng)化 F=1.25-9.32； 微風(fēng)化 F=0.37-1.25； 未風(fēng)化 F0.37,6 擴底墩（樁）,6.1 樁長6.0m左右,圖15 擴底墩受力示意圖,大直徑擴底墩得到了越來越廣泛的應(yīng)用，圖15為其受力示意圖。由于拉裂縫的出現(xiàn)，使得墩身摩阻力和端阻力處于分離狀態(tài)，可近似用純摩擦

17、樁和深層載荷試驗結(jié)果來區(qū)分墩的摩阻力和端阻力。因此這里以原型擴底墩、摩擦樁、墩端深層載荷試驗研究擴底墩的荷載分配和傳遞性狀。,表4 試驗方案,參見 “砂卵石層上大直徑擴底短墩豎向承載性狀”， 巖土力學(xué)，2004，25(3)。,圖16 S2、S3墩試驗剖面及荷載-沉降曲線,圖16為S2、S3墩基試驗剖面及荷載-沉降曲線圖，由a圖可知，兩墩除入土長度、持力層不同外，其余都相同。S2墩埋深6.20m，以砂層為持力層；S3墩埋深6.75m，以卵石層為持力層。從b圖可看出，S3墩基承載力比S2墩大，主要是S3墩的持力層土性比SD2墩好。如墩頂沉降15mm時，S3墩的承載力為3441.6kN，而S2墩的承

18、載力只有2061.5kN。,圖17 摩擦樁和深層載荷試驗剖面,圖18 荷載-沉降曲線,摩擦樁和深層載荷試驗剖面見圖17，兩者的直徑都為0.8m，與上述兩墩的墩身直徑相同，深度相當。從圖18上可發(fā)現(xiàn)兩者的承載力比擴底墩小，該試驗中的樁端填塞稻草的相當于純摩擦樁，深層載荷試驗相當于直身墩。可以看出，直徑相同和深度相當時，擴底墩的承載力比純摩擦樁和不擴底的直身墩（樁）的承載力大。,6.2 樁長14.5m左右,表5 試驗方案,參見 “兩種靜載試驗確定大直徑擴底樁豎向承載力”，地下空間， 2003，23(3)。,圖19 荷載-沉降曲線圖,通過以上的試驗結(jié)果分析，可得出以下結(jié)論： （1）純摩擦樁和深層載荷

19、的試驗?zāi)苡脕韰^(qū)分擴底墩的墩身摩阻力和端阻力、間接求擴底墩的承載力。 （2）兩種試驗方法得到的SD1、SD2墩的極限承載力的誤差分別是5和10。,（3）SD1墩的極限承載力為9600kN，此時端阻力為8266.9kN，占極限承載力的86；SD2墩的極限承載力為6850kN，此時端阻力為5523.2kN，占極限承載力的81。 （4）當墩頂沉降18.7mm左右時，SD1、SD2墩摩阻力已充分發(fā)揮；而端阻力充分發(fā)揮時，SD1、SD2墩頂沉降分別達31.9mm、29.3mm。 （5）在直徑相同的情況下，擴底墩的承載力比純摩擦樁和等直徑豎井的承載力大很多。,7 兩種大直徑樁的試驗對比,表6 各場地對比試驗

20、情況,圖20 場地1對比試驗剖面及荷載-沉降曲線,圖21 場地2對比試驗剖面及荷載-沉降曲線,圖22 場地3對比試驗剖面及荷載-沉降曲線,（1）3組樁端填稻草的純摩擦樁的荷載-沉降曲線都是陡降型，而與其對比的3組摩擦端承樁的荷載-沉降曲線要平緩得多，特別是當樁端土性較強時。因此對大直徑樁要盡可能清除樁端沉渣，以提高其承載力和降低沉降。并應(yīng)以土性強的巖土層為持力層。,（2）對場地2場地3中長徑比相當?shù)哪Σ炼顺袠?，當持力層由弱到強（即粉質(zhì)粘土粉細砂卵石），極限端阻力所占樁頂極限荷載的百分比由小到大（即506485）。 參見 “擴底墩、楔形樁、等直徑樁對比試驗研究”， 巖土工程學(xué)報，2003，25(6)； “同場地大直徑純摩擦樁和端承摩擦樁對比研究”， 工業(yè)建筑，2003，33(10)。,（3）對場地1摩擦端承樁C2和場地4（未詳細提供）摩擦端承樁S7，雖然兩者樁端土性相當，可是長徑比大的C2（l/d=28.41）極限端阻力所占樁頂極限荷載的百分比（為25）比長徑比小