深厚軟基超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載性狀試驗(yàn)研究

1、深厚軟基超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載性狀試驗(yàn)研究魏棟梁1，楊昌正2,譚曉琦3(1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明650011；2.昆明市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，云南 昆明 650011；3.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究所，云南 昆明 650051)摘要：為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)所取的參數(shù)是否可靠，采用單樁靜載試驗(yàn)方法研究深厚軟基超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁的承載性狀，對(duì)不同荷載作用下樁的沉降量、承載性能、荷載的傳遞規(guī)律和樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律進(jìn)行了分析。同時(shí)，基于試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)合大理洱海地區(qū)具體土層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特點(diǎn)，用有限元法對(duì)鉆孔灌注樁受力性狀進(jìn)行仿真模擬。研究結(jié)果表明, 樁承載能力

2、完全能滿足設(shè)計(jì)荷載要求，并且尚有較大的富裕承載能力。研究成果對(duì)該地區(qū)及類似地質(zhì)條件下超長(zhǎng)大直徑樁的設(shè)計(jì)提供有益的參考。關(guān)鍵詞：橋梁樁基；深厚軟基；超長(zhǎng)大直徑樁；有限元法；樁土相互作用；靜載試驗(yàn)；承載性狀Test and Research on the Load Bearing Properties of the Super-long and large-diameter Bored-Pile in Deep Soft BasementWei DongLiang1 ,Yang ChangZheng2,Tan XiaoQi3(1. Chongqing Jiaotong University , C

3、hongqing 400074.Yunnan Provincial Plan Design&Research Institute of Communications, Kunming Yunnan 650011;2. Municipal Engineering Quality supervisory department of Kunming, Kunming Yunnan 650011;3. Highway Science and Technology Research Institute of Yunnan Province, Kunming Yunnan 650051)

4、Abstract ：To verify the reliability of the design parameters,using single-pile-static-load-test to study the load bearing properties of the super-long and large-diameter bored-pile in deep soft basement.The study items include: the subsiding quantity of the pile,load-bearing-capabilities of the pile

5、,the load transferring regular of the pile,and the distribution regular of the side friction under different load action. Based on the test results, the paper simulates the load bearing properties on deep soft soil by finite elements in Dali-er-sea area. It indicates that the carrying capacity of th

6、e pile is greater than the design load.The research results are beneficial to the design of the super-long and large-diameter bored-pile under the special or analogous geological conditions in Dali-er-sea area.Key words ：piles of bridge；deep soft basement；super-long and large-diameter pile；finite el

7、ement method；the interaction between single pile and soil ；static load test；load bearing properties0 引言橋梁工程中，超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁雖已得到了廣泛的應(yīng)用，但其承載機(jī)理、樁土之間的荷載傳遞機(jī)理到目前為止還不是很清楚 。在實(shí)際工程中，往往是根據(jù)基于中短樁研究基礎(chǔ)上建立起來(lái)的規(guī)范進(jìn)行超長(zhǎng)樁的設(shè)計(jì)，還存在諸多不合理之處，使得樁設(shè)計(jì)較為保守，其承載力與實(shí)測(cè)結(jié)果有較大出入。因此, 研究深厚軟基中超長(zhǎng)大直徑樁的承載性狀，對(duì)在軟基及類似地質(zhì)條件下樁的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)大理興盛大橋單樁靜載試

8、驗(yàn)來(lái)研究超長(zhǎng)大受力性狀和荷載傳遞特性征，并采用有限元法來(lái)對(duì)樁的承載性狀作進(jìn)一步分析。直徑樁在深厚軟基中的1 工程概況大理興盛大橋位于云南大理市東北部西洱河上游，是連接大理下關(guān)城區(qū)西洱河兩岸的重要橋梁，也是大理州、市乃至滇西路網(wǎng)的重要組成部分，具有分流過(guò)境交通和城市交通雙重功能。大橋?yàn)榭傞L(zhǎng)235米的五跨上承式連拱橋，跨徑組合為30+55+65+55+30米。橋型布置見(jiàn)圖1。圖1 橋型布置圖Fig.1 The array chart of bridge 主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力體外索平衡水平推力的上承式五跨連拱橋, 主橋下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁群樁樁基礎(chǔ)，全橋共196根，樁徑分別為1.5m和1.2m兩種

9、，樁長(zhǎng)80.690m，樁身混凝土等級(jí)為C25。橋址地質(zhì)主要為填筑土、第四系湖積層淤泥、粘土、亞粘土、亞砂土、細(xì)砂及礫砂、圓礫砂土。樁基按規(guī)范設(shè)計(jì)為純摩擦樁，并對(duì)樁周土進(jìn)行了壓漿處理。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的需要，將P2墩29#工程樁作為試驗(yàn)樁，采用靜載方法進(jìn)行試驗(yàn)。試樁主要參數(shù)見(jiàn)表1 , 地質(zhì)資料見(jiàn)表2。表1 試樁主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of piles for test橋墩試樁編號(hào)混凝土等級(jí)設(shè)計(jì)直徑/m設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)/m設(shè)計(jì)容許荷載值/kN預(yù)估加載值/kN備 注P229#C251.587.3685113700已壓漿表2 樁位各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Main physi

10、cal-mechanical index of soil layers 土層編號(hào)土層 名稱層 厚 (m)土的重度(kN/m3)壓縮模量E(MPa)內(nèi)聚力標(biāo) 準(zhǔn)值C (kPa)內(nèi)摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值（°）容許承載力o(kPa)鉆孔樁周土極限摩阻力i(kPa)1填筑土01.0417/7020 2淤泥1.0432.1415.51.751535012 3粘土32.1443.7416.52.52346030 3_2礫砂43.7445.651910151520072 4亞砂土45.6547.5419830914060 5_1粘土47.5451.7417.56.540712538 6礫砂51.7458.7

11、41910201721065 8亞粘土58.7461.3419635714025 9細(xì)砂61.3463.5419925814030 10粘土63.5467.6418.5740716032 11亞砂土67.6471.4419.583511.517050 11_1細(xì)砂71.4473.3419.58251715040 11亞砂土73.3487.3019.583511.517050 2 工程樁試驗(yàn)情況樁的靜載試驗(yàn)是確定單樁軸向承載力、了解樁的受力性狀最為可靠的方法。具體做法是按一定要求將荷載分級(jí)加到樁上，在樁下沉未達(dá)到某規(guī)定的相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)前，每級(jí)荷載維持不變；當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，繼續(xù)加下級(jí)荷載；當(dāng)達(dá)到規(guī)

12、定的終止試驗(yàn)條件時(shí)停止加載；然后再分級(jí)卸載至零。2.1 靜載試驗(yàn)情況試驗(yàn)樁P229#預(yù)估極限承載力為設(shè)計(jì)容許承載力的2倍，即2×6850=13700KN，每級(jí)加載為預(yù)估極限承載力的1/10，每級(jí)卸載為預(yù)估極限承載力的1/5。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證樁基設(shè)計(jì)的安全性，而非破壞性試驗(yàn)，試樁加載未到極限荷載，只加載到預(yù)估極限承載力13700KN后便停止加載，并開始卸載。設(shè)計(jì)容許承載力6850kN對(duì)應(yīng)樁的沉降量為5.26mm，預(yù)估極限承載力13700kN對(duì)應(yīng)樁的沉降量為27.09mm。試驗(yàn)殘余沉降量為10.84mm，樁身彈性壓縮量為16.25mm。實(shí)測(cè)PS曲線、Slogt曲線如圖2、圖3所示

13、。圖2PS曲線Fig.2 The P-S curve of the tested pile圖3Slogt曲線Fig.3 The S-logt curve of the tested pile2.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)結(jié)果整理、分析是否正確，對(duì)樁在靜荷載作用下性狀的了解起著十分重要的作用。 曲線特征從圖2可知，P-S曲線呈典型的緩變型，當(dāng)加載至預(yù)估極限承載力后，沒(méi)有出現(xiàn)向下折段，且無(wú)第二拐點(diǎn)。在設(shè)計(jì)容許承載力至預(yù)估極限承載力之間，P-S曲線呈線性變化，說(shuō)明此期間樁處于良好的彈性工作狀況，樁自身的彈性壓縮量較大，占整個(gè)沉降量的60%；從圖3可知，Slogt曲線斜率非常平穩(wěn)，無(wú)陡增或向下曲折現(xiàn)象。

14、P-S、Slogt的曲線特征均表明試驗(yàn)樁沒(méi)有達(dá)到極限狀態(tài)。 樁身軸力的傳遞規(guī)律各級(jí)荷載作用下，試驗(yàn)樁各斷面軸力值沿深度分布規(guī)律、隨加載變化關(guān)系如圖4、圖5所示。 圖4樁身軸力隨深度分布圖 圖5各斷面軸力隨荷載變化曲線Fig.3 Distribution chart of the axial loads of the pile along the depth Fig.5 the axial loads curve of transects adopting to test load(1)由圖可知，樁身軸力隨深度分布曲線呈上凸?fàn)?，樁身頂部軸力衰減速率很快，在58.74m后呈線性比例衰減至零；荷載越

15、小，樁身軸力傳遞速率越快。(2)當(dāng)荷載較小時(shí)，樁頂荷載完全被各土層產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力抵消，樁底反力為零。當(dāng)荷載增大到8220kN時(shí)，下層土層產(chǎn)生剪切變形，樁端反力出現(xiàn)，但很小，僅占總荷載的0.047%(也可能是在加載過(guò)程中某些因素?cái)_動(dòng)影響產(chǎn)生的)。當(dāng)加載至預(yù)估極限荷載后，樁端反力均保持為不變，說(shuō)明隨著荷載增大，沿樁身深度側(cè)摩阻力逐漸產(chǎn)生作用并承擔(dān)全部荷載，該樁為純摩擦樁。(3)軸力在地面以下12m范圍內(nèi)衰減很快，12m以下樁身軸力變化逐漸緩慢，說(shuō)明樁頂原填筑土和淤泥在壓漿后，已形成摩阻力很大的土體，并且隨著荷載的增大，其摩阻力得到充分的發(fā)揮。 樁側(cè)摩阻力的分布特性深厚軟基中，橋梁樁基一般均設(shè)計(jì)為

16、純摩擦樁，故通過(guò)試驗(yàn)得出樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值、了解其分布特性是十分關(guān)鍵的。斷面摩阻力隨荷載變化曲線、摩阻力沿深度分布規(guī)律如圖6、7所示。 圖6摩阻力隨荷載變化曲線 圖7各截面間土層的平均摩阻力分布圖Fig.6 Friction curves adopting to test load Fig.7 Distribution chart of the average friction （1）從圖6可看出，各截面間土層的平均摩阻力分布曲線呈“R”型趨勢(shì)。隨著樁頂荷載的增加，各土層樁側(cè)摩阻力逐漸變大，但在小范圍內(nèi)有下降波動(dòng)，樁與土層間產(chǎn)生少許相對(duì)滑移。特別是樁頂部分的土體，當(dāng)荷載增大到一定程度后，出現(xiàn)了較

17、大塑性變形，摩擦阻力隨之降低，并產(chǎn)生相對(duì)滑移。當(dāng)繼續(xù)加大荷載后，下層土體摩阻力發(fā)揮作用，樁頂相對(duì)下沉量變小，樁頂周圍土體又能發(fā)揮其承載潛力，樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增大而增大。（2）圖7表明，樁側(cè)摩阻力有隨著樁頂荷載的增加而變大的趨勢(shì)，但摩阻承載力主要在地表以下60米范圍內(nèi)。于地面以下約47m后，壓漿的樁周土實(shí)測(cè)極限摩阻力均比工程地質(zhì)勘察報(bào)告中所提供的值小1.44倍，說(shuō)明此范圍內(nèi)的土體并沒(méi)有充分發(fā)揮其承載能力，也說(shuō)明了該樁還有較大的富裕承承載能力。3 極限承載力的確定由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載未到極限荷載，采用PS曲線拐點(diǎn)法、PS曲線坐標(biāo)變換確定法和沉降速率等方法均無(wú)法判斷樁的極限承載能力，能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樁的

18、極限承載力對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有很大的影響。本次試驗(yàn)較為保守地以樁頂總沉降量為40mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載，并采用有限元法和雙曲線法綜合比較來(lái)確定樁的極限承載能力。 有限元法在進(jìn)行有限元分析時(shí)，樁周壓漿土體相關(guān)參數(shù)的確定，采用了反算的方法，即將參照設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁幾何尺寸建模，以實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)試算不同壓漿土體的相關(guān)參數(shù)，使其得出的荷載-位移曲線與靜載試驗(yàn)結(jié)果接近。圖8 樁土相互作用有限元模型Fig.8 The finite element model of the interaction between single pile and soil(1) 計(jì)算參數(shù)的選取土樁周土特性采用地勘資料所提

19、供的參數(shù)。壓縮模量Es是室內(nèi)土工試驗(yàn)中，土在完全側(cè)限條件下的豎向附加壓應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽恐戎?。它與有限元分析中材料彈塑性模型中彈性階段對(duì)應(yīng)彈性模量有相關(guān)性，但不能直接將壓縮模量作為彈性模量。參考相關(guān)資料后，本研究中采用E=1.5Es。樁樁身材料由水下混凝土制成，其受荷變形遠(yuǎn)小于土體，在荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)，故其材料定義為彈性材料。分析時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)考慮樁內(nèi)鋼筋的影響，其彈性模量取值范圍為 2.81e4Mpa3.08e4MPa。壓漿體壓漿體的材料特性及滲透范圍按經(jīng)驗(yàn)值取。其材料特性為彈性材料，彈性模量取1.0e3MPa；壓漿滲透范圍為：樁周取0.3m，樁底取0.2m。樁土界面采用三維接

20、觸面單元(targe170和conta173)(2)建模樁土共同作用分析建模時(shí)，對(duì)象為軸對(duì)稱，取其 1/4 建模分析。土體范圍：樁周土取 20 倍的樁徑，樁端以下土體取一倍樁長(zhǎng)。樁與土體模型均采用8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元即solid45單元。對(duì)稱面采用對(duì)稱約束，圓弧側(cè)面及模型底部施加固定約束。有限元模型如圖8所示。 (3)計(jì)算結(jié)果分析采用有限元法計(jì)算出樁的極限荷載為17810kN。P-S曲線、13700kN級(jí)樁身軸力分布曲線和樁側(cè)摩分布曲線的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較如圖911所示。圖9 P-S曲線Fig.9 the P-S curve從圖9可看出，計(jì)算值和靜載試驗(yàn)得到的P-S曲線基本規(guī)律是一致的。由于有限

21、元計(jì)算時(shí)并不考慮靜摩擦與動(dòng)摩擦的區(qū)別，且有限元模型參數(shù)的選取不可能與工程實(shí)際情況完全相同，故計(jì)算值與實(shí)測(cè)值必然存在差別。用有限元法計(jì)算得的P-S曲線要比靜載試驗(yàn)得到的要陡，即在相同荷載作用下產(chǎn)生的沉降更大。特別是在開始階段，有限元法計(jì)算的沉降量明顯大于實(shí)測(cè)值。圖10 13700kN級(jí)荷載時(shí)樁身軸力分布曲線Fig.10 The axial loads distribution curves of the pile along the depth in 13700kN grade由圖10可知，計(jì)算的軸力傳遞速率要比實(shí)測(cè)的快，但其基本趨勢(shì)一致。實(shí)際工程中，樁表面并非理論上的光滑、圓形，而是凹凸不平，

22、這樣勢(shì)必增加樁側(cè)摩阻力，從而使樁身軸力衰減較快。圖11 摩阻力分布曲線Fig.11 Distribution curves of the friction由圖11可看出，計(jì)算摩阻力與實(shí)測(cè)摩阻力基本趨勢(shì)一致，采用有限元法計(jì)算出的樁底極限荷摩阻力與實(shí)測(cè)的樁頂極限荷摩阻力大小較吻合。主要是壓漿后，樁周土體性性狀得到改善，使得樁周土體接近均質(zhì)土，其極限摩阻力大小相等。通過(guò)比較，驗(yàn)證了采用有限元法來(lái)分析樁承載性狀的可行性。在工程實(shí)踐中，用試驗(yàn)及有限元法來(lái)綜合研究樁的工作性狀是合理、經(jīng)濟(jì)而有效的。 雙曲線法根據(jù)靜荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用由馬來(lái)西亞陳風(fēng)克（Chin FunKee，1972年）提出，假定樁的PS

23、曲線為雙曲線和我國(guó)學(xué)者陳宗岳按最小曲率半徑導(dǎo)出的Pu計(jì)算式外推出樁的極限承載能力分別為14231.25kN和13478.75kN。 容許承載力乘以安全系數(shù)法先以回彈曲線割線斜率法確定樁的容許承載力，再乘以安全系數(shù)來(lái)確定樁的極限荷載。自P一S曲線原點(diǎn)作一斜線平行于卸載回彈曲線的割線，斜線與P一S曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載為容許荷載。據(jù)此法可求得本次試驗(yàn)樁的極限承載能力為2×8756=17512kN。 極限荷載的確定上述各種方法計(jì)算出樁的極限荷載如表3所示。表3 不同計(jì)算方法的極限荷載值Tab.3 The limit value of the different calculation methods 方 法有限元法雙曲線法容許承載力乘安全系數(shù)法極限荷載(kN)1781014231.2513478.7517512按雙曲線最小曲率半徑導(dǎo)出的Pu值顯然與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值不符，而有限元法與容許承載力乘安全系數(shù)法所計(jì)算得的結(jié)果較為吻合。故建議此次靜載試驗(yàn)樁的極限承載力為17810kN，其值為預(yù)