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原文传递大直径嵌岩桩基承载特性的理论分析和实验研究

论文题名：	大直径嵌岩桩基承载特性的理论分析和实验研究
关键词：	桥梁工程;嵌岩桩基;桩端阻力;孔壁粗糙度
摘要：	目前，随着大跨径复杂桥梁工程的日益增多，大吨位的桩基也随之增多，而且随着桩基材料、设计和构建水平的提高，用数量较少而负荷量较大的桩基取代过去小而多的桩基，在经济、性能上比较有利。因此，在桥梁工程中大直径嵌岩桩的使用也日趋增多，但是由于现场试验难以进行，在设计中既缺乏类似的经验可循，又没有具体的规范可查，更没有明确的设计方法和依据，这就使得嵌岩桩承载力的确定以及合理设计成为目前工程实践中的重点难题之一。可见，以实际工程为依托，开展对大直径嵌岩桩的关键技术研究，对指导桥梁建设，提高结构的安全性显得尤为重要。本课题主要来源于国家科技支撑计划“跨海特大跨径钢箱梁悬索桥关键技术研究及示范工程”（项目编号为2008BAG07B01），以及中国交通建设股份有限公司科研研发项目“超大直径嵌岩桩基础关键技术研究”(项目编号为2010-ZJKJ-05-05)。本研究以先进理论为指导，借助室内试验方法、数值计算工具为手段，同时吸取借鉴国内外和行业内外的成功经验对大直径嵌岩桩进行比较系统的分析研究，内容包括大直径嵌岩桩的承载机理、大直径桩的尺寸效应研究以及大直径嵌岩桩基础整体受力体系的分析等，为深嵌岩桩的合理设计提供必要的理论依据。本研究主要内容包括：　　⑴从理论研究出发，对影响嵌岩桩基承载特性主要因素进行研究与分析，然后将室内模型试验的结果与有限元分析软件的结果进行比较，最后把上述结果与依托工程的试桩资料进行比较分析，为工程的设计与施工提供技术支持。主要采用的方法是理论研究、室内外实验、计算机有限元数值分析等。理论研究表明:大直径嵌岩桩的荷载～位移曲线一般以缓变形为主，桩端岩体一般不会出现剪切破坏，且存在明显的尺寸效应。通常情况下，大直径嵌岩桩的桩顶荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。荷载从上到下逐渐传递到嵌岩段，上覆土层的侧摩阻力是存在的，完全忽略上覆土层的有利影响在有些情况下并不合理。桩侧阻力、桩端阻力在荷载传递过程中是相互作用、相互影响的。　　⑵基于自平衡测试技术对大直径嵌岩桩的尺寸效应进行了研究，试验在同种岩层条件下，对不同桩径和嵌岩深度嵌岩桩的桩侧阻力进行测试。结果表明:随着桩径的增大，大直径嵌岩桩的桩侧阻力存在一定的减小现象。在不同孔深的条件下，对比试验表明，随着孔深的增大桩侧阻力存在着明显的减小现象，且嵌岩深度的影响较孔径变化的影响更为明显。从不同岩层强度测试结果来看，桩周岩层的强度对桩侧阻力的影响最为明显。桩周岩层强度高，桩侧阻力的发挥也大。嵌岩桩的桩端阻力也存在着明显的尺寸效应现象。随着桩径的增大，桩端阻力减小也较为明显，岩石强度越高，相应地桩端阻力减小也明显。　　⑶对于嵌岩深度超过5倍桩径的深嵌岩桩也采用了自平衡测试方法对其进行现场原位测试。结果表明:桩顶荷载与桩顶沉降关系Q-S曲线无明显的陡降段，即不显示明显的破坏特征，所以应以位移控制条件来确定大直径桩的极限承载力取值。在软岩地区，深嵌岩段的桩基承载特性类似于摩擦桩的受力形态。从桩侧、桩端阻力分布来看，嵌岩深度大小对承载力影响较大。嵌岩比越大，相应的承载力越大，变形越小。当嵌岩深度超过一定限值时，桩端位移一般很小，特别是全长嵌入岩层中的桩，桩端位移小，导致其桩端阻力发挥程度更小。　　⑷采用室内试验对孔壁粗糙度及尺寸效应进行研究。室内试验研究结果表明:当粗糙度因子由0变为0.04时，不论桩底有无沉渣，实测的极限承载力提高幅度都超过50％，且桩底存在沉渣时，提高更为明显。在岩石强度一定的情况下，试验桩的极限承载力并不是随着粗糙度因子的增大而无限增大，相反在桩底为虚底的情况下极限承载力反而会下降，所以一味的增加桩侧孔壁粗糙度也并一定能起到增加极限承载力的效果。从尺寸效应来看，大直径嵌岩桩基适当增加其嵌岩深度对提高极限承载力是可行的，但增加嵌岩深度对桩基极限承载力的提高幅度与小直径桩相比并不明显，说明深嵌岩桩无条件的增大嵌岩深度并不可取，增加嵌岩桩的深度还不如增加桩径更为有利。　　⑸以在建的乌江大桥群桩基础为工程依托，运用ABAQUS软件，对复杂荷载作用下的超大直径嵌岩桩群桩基础进行有限元数值模拟。研究结果表明:从整体受力体系来看，随着承台顶部荷载的增加，桩顶沉降也增加，Q-S曲线呈线性关系。在外荷载作用下，应力经承台内部进行重新分布，然后均匀的传向承台下四根桩，传力方向非常明确，受压区也非常明显，因此，空间桁架理论中的压杆理论在厚承台的情况下是正确的。为了研究承台厚度对群桩基础整体受力特性的影响，模拟了5.5m，7.5m，9.5m三个不同厚度的承台受力情况。发现，随着荷载的增加，厚度7.5m承台的沉降逐渐和厚度9.5m承台沉降的值靠拢，最后几乎一致。从桩基受力来看，桩侧摩阻力荷载分担量随着承台厚度的增加而减小，桩端荷载分担量随着承台厚度的增加而增加，承台下土体反力不随承台厚度的变化而变化。为了研究径对群桩基础整体受力特性的影响，模拟了3m，4m，5m三个不同桩径的群桩受力情况。数值模拟表明:在三种不同桩径情况下，随着承台顶部荷载的增加，各桩的Q-S曲线呈线性关系，但直径大的桩其曲线较为平缓。随着桩径的增加，桩顶沉降逐渐减小。为了探讨承台埋深对群桩基础整体受力特性的影响，在保证桩径一致(D=4.0m)、承台厚度一致(H=7.5m)的情况下，模拟了承台埋深分别为2m，0m和-2m（地面以上2m）三个不同深度的群桩受力情况。数值模拟表明:随着埋深深度的增加，群桩体系整体沉降逐渐减小。　　⑹乌江桥的工程实践表明：桩侧阻力与桩端阻力采用考虑桩径效应的双曲线予以拟合所得到的荷载-位移关系与采用自平衡测试的结果(D=1.0m)比较接近，故大直径嵌岩桩采用双曲线模式是可行的。利用该模式所拟合的超大直径桩(D=4.0m)的荷载—位移曲线与沉降观测结果也较为接近。从拟合的结果来看，超大直径嵌岩桩的荷载位移关系曲线基本呈直线分布;在竖向荷载作用下，大直径嵌岩桩的桩顶的沉降较小，从变形控制来看，采用超大直径嵌岩桩是较为有利的。
作者：	龚成中
专业：	岩土工程
导师：	龚维明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文