基于荷載傳遞性狀的嵌巖樁抗拔承載力研究

基于荷載傳遞性狀的嵌巖樁抗拔承載力研究

嵌巖樁具有承受高、抗疲勞防滑性能好、樁基沉降小、聯(lián)合樁效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁施工中得到了廣泛使用。在公路橋梁建設(shè)中,樁基嵌巖樁已成為采用較為廣泛的基礎(chǔ)形式,由于基樁嵌入巖層中,單樁軸向容許承載力決定于樁基底處巖石的強(qiáng)度和嵌入巖層的深度,基樁的外力全部傳至樁底巖層,因而它對(duì)成孔時(shí)清孔的要求較高,對(duì)沉淀層厚度有著嚴(yán)格要求。一、樁側(cè)摩擦學(xué)作用根據(jù)80年代以來嵌巖樁的荷載傳遞性狀的原位測(cè)試成果分析,樁的承載力由樁側(cè)摩阻力與樁端阻力組成。樁側(cè)摩阻力與樁端阻力的發(fā)揮需要一定的樁土相對(duì)位移。嵌巖樁開始受荷時(shí),樁身上部的混凝土受到壓縮,樁土界面產(chǎn)生相對(duì)位移,激發(fā)樁身上部樁周土層的樁側(cè)摩阻力,隨著樁頂荷載的逐漸增大,樁身軸力從上往下傳遞,樁身混凝土也自上而下產(chǎn)生壓縮變形,從而激發(fā)樁周土阻力自上而下逐漸發(fā)揮(一般粘性土充分發(fā)揮樁側(cè)阻力所需的最大樁土相對(duì)位移約1~8mm,無粘性土充分發(fā)揮樁側(cè)阻力所需的最大樁土相對(duì)位移約5~12mm,巖石充分發(fā)揮樁側(cè)阻力所需的最大樁巖相對(duì)位移約1~4mm),直到樁身軸力傳遞到樁端。樁側(cè)摩阻力正常發(fā)揮后,再增大樁頂荷載就會(huì)產(chǎn)生樁端位移,從而激發(fā)樁端阻力。樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的發(fā)揮不是同步進(jìn)行的,因樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮所需的樁土相對(duì)位移較小,因此,在樁達(dá)到極限承載力之前,大部分樁側(cè)土層側(cè)阻力均能得到較充分地發(fā)揮,但受樁底沉渣等影響,樁端阻力充分發(fā)揮所需的樁端位移相對(duì)較大,因而在樁達(dá)到正常使用狀態(tài)下的極限承載力時(shí),樁端位移量一般尚不足以充分調(diào)動(dòng)樁端阻力的發(fā)揮。二、樁基巖樁的設(shè)計(jì)策略1.樁身抗拔能力核算嵌巖樁嵌巖長度除了須滿足彈性長樁的長度要求外,還須在驗(yàn)算嵌巖樁的承載力或靜載試樁確定承載力的基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JTJ285—2000要求對(duì)嵌巖樁的軸向抗壓和抗拔承載力、水平力作用下的最小嵌巖長度以及嵌層部分鋼筋砼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行核算。本工程除了進(jìn)行上述核算內(nèi)容外,根據(jù)BS8081:1989的要求,還需核算巖石的抗拔能力是否滿足要求,計(jì)算巖石剪切面以上樁重、土重及巖石的抗剪切力之和是否滿足樁基的抗拔承載能力要求,即G1+G2+2τcosα≥kR,其中G1為樁身的浮重;G2為樁周土體的浮重;τ為巖石的抗剪切強(qiáng)度;α為巖石的假想剪切破裂角;k為安全系數(shù),取1.5;R為樁基的拔樁力標(biāo)準(zhǔn)值。在計(jì)算時(shí)需注意以下幾個(gè)問題:(1)巖石剪切面的起點(diǎn)不應(yīng)取嵌巖樁的底部,應(yīng)取嵌巖段長度的中點(diǎn);(2)巖石抗剪切強(qiáng)度應(yīng)取飽水抗剪強(qiáng)度,沒有該部分的試驗(yàn)資料時(shí)可忽略不計(jì);(3)α角在30°~45°范圍取值,軟質(zhì)巖取小值,硬質(zhì)巖取大值;(4)不計(jì)算樁身的抗拉強(qiáng)度;(5)如樁基密度較大時(shí),應(yīng)扣減鄰近樁側(cè)土體的重疊部分的重量。2.鋼管樁與鋼筋清洗芯樁粘結(jié)力設(shè)計(jì)值的確定嵌巖樁鋼管芯柱進(jìn)入鋼管樁內(nèi)部的高度要求滿足主筋錨固長度要求且不小于1.5倍嵌巖長度,鋼管樁與鋼筋砼芯樁的粘結(jié)力設(shè)計(jì)值在正常使用極限狀態(tài)取0.135mpa,在承載能力極限狀態(tài)取0.184mpa,各樁的芯樁伸入鋼管樁內(nèi)的長度應(yīng)根據(jù)各樁內(nèi)壁與砼芯柱的粘結(jié)力滿足自身樁力的需要進(jìn)行計(jì)算確定,但均不小于1.5倍的嵌巖段長度。三、在道路橋梁樁的基礎(chǔ)上，混凝土樁的施工1.座平臺(tái)式無砂混凝土成孔目前,嵌巖樁施工所采用的成孔設(shè)備不下十幾種,部分只允許鉆直孔,部分既可成直孔,也可成斜孔。依排渣方式分又可分為正、反循環(huán),氣舉正、反循環(huán),風(fēng)排,泵吸反循環(huán)等方法,依設(shè)備的固定方式可分為座平臺(tái)式和座樁式,本工程采用了座平臺(tái)式的氣帶反循環(huán)排渣方式工藝進(jìn)行成孔,其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、機(jī)身輕便、不需要大型吊船設(shè)備移機(jī),而且排渣效果較佳等,但也存在一些缺點(diǎn):斜孔的最大斜率須不小于5∶1,鉆桿不易與鋼管的中軸線對(duì)準(zhǔn)等。如成孔斜率要求小于5∶1,則一般國產(chǎn)鉆機(jī)均難以完成,需采用國外生產(chǎn)的鉆機(jī)如德國產(chǎn)的WIRTH-B6、B12等型號(hào)的鉆孔,成孔費(fèi)用將大幅度提高。因此,在設(shè)計(jì)嵌巖樁斜率時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際施工時(shí)采用何種成孔機(jī)械并應(yīng)進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后才能確定。2.鋼管樁的基礎(chǔ)高程和收錘標(biāo)準(zhǔn)的確定鋼管樁樁尖如在沉樁過程中出現(xiàn)卷邊,將對(duì)嵌巖樁的基巖成孔造成很大的困難,因此在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)對(duì)鋼管樁的樁尖高程及沉樁的收錘標(biāo)準(zhǔn)給予高度的重視。為了防止卷邊,鋼管樁的沉樁收錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用貫入度為主,高程為輔。3.樁尖高程的確定“嵌巖樁樁端宜嵌入新鮮基巖或微風(fēng)化巖中,經(jīng)論證后,也可嵌入中等風(fēng)化巖”。雖然設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的鉆探和物探資料在施工圖中初步確定了嵌巖段的長度,但在實(shí)際施工時(shí)由于巖石巖性及巖石頂面高度的變化,鋼管樁樁尖高程總是與設(shè)計(jì)高程存在一定差異,因此在施工中確定嵌巖長度是否滿足了設(shè)計(jì)的要求也是一大難題,本工程采用鉆孔檢驗(yàn)及成孔速度參照法進(jìn)行嵌巖段長度的確定。對(duì)沉樁收錘貫入度大于收錘標(biāo)準(zhǔn)貫入度的樁,選擇貫入度最大的1根進(jìn)行樁內(nèi)鉆孔取芯確定嵌巖段的長度,其余類似樁的嵌巖長度也按該長度確定;對(duì)貫入度滿足收錘標(biāo)準(zhǔn),但樁尖高程未達(dá)到設(shè)計(jì)高程的樁,也采取抽樣進(jìn)行樁內(nèi)鉆孔,以確定強(qiáng)風(fēng)化層的厚度及嵌巖段的長度,其余類似樁則參照抽樣樁的成孔鉆進(jìn)速度最終確定嵌巖樁的長度;對(duì)于貫入度及樁尖高程均滿足設(shè)計(jì)要求的樁在成孔時(shí)基本按設(shè)計(jì)確定嵌巖段的長度,但也輔助采用成孔鉆進(jìn)速度對(duì)巖性進(jìn)行校核。4.錨固樁頂面離鋼管樁頂距離較低,施工難度較嵌巖樁砼的澆筑質(zhì)量對(duì)嵌巖樁的承載能力影響巨大。JTJ285—2000設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定可采用低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法及鉆孔取芯檢測(cè)法進(jìn)行檢驗(yàn),實(shí)際運(yùn)用中由于砼芯柱進(jìn)入鋼管樁尖內(nèi)僅為7m~10m,其頂面離鋼管樁頂距離很大,如采用超聲波則須在砼內(nèi)填鋼管,且鋼管需伸出樁頂外,施工難度極大。5.微膠囊性漏漿坍孔產(chǎn)生的主要原因有護(hù)筒埋設(shè)過淺、周邊回填土不密實(shí)、施工水位過高、泥漿比重過低等;漏漿主要是因?yàn)榭妆诘貙硬幻軐?shí),空隙率大,透水性強(qiáng)。處理辦法是可加大護(hù)筒埋深,適當(dāng)加大泥漿比重,并于坍孔、漏漿處全部用砂礫石或粘土夾片石回填,然后反復(fù)沖擊,增加孔壁穩(wěn)定性。(2)地層磨損率的計(jì)算沖孔施工中卡錘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。防止辦法是:(1)隨時(shí)檢查鉆錘直徑,若發(fā)現(xiàn)鉆錘直徑已小于設(shè)計(jì)樁徑時(shí),除及時(shí)補(bǔ)焊外,對(duì)孔內(nèi)應(yīng)適當(dāng)回填一定高度后重鉆;(2)統(tǒng)計(jì)鉆錘在不同地層(特別是中風(fēng)化巖層)的磨損率,根據(jù)嵌巖深度在進(jìn)入中風(fēng)化巖層時(shí)一次將鉆錘加足?？ㄥN的處理方式是:對(duì)輕微卡錘,可用鉆機(jī)或配以起重機(jī)提錘;對(duì)嚴(yán)重卡錘的,可先實(shí)施水下微量爆破,將鉆錘周邊巖層爆松后再將鉆錘提起。(3)知識(shí)產(chǎn)權(quán)鉆錘沖擊孔底梅花孔的形成主要是因?yàn)槟酀{太稠、沖程太小等,鉆錘未能有效旋轉(zhuǎn),始終以同一個(gè)方向沖擊孔底而成。防止辦法是:(1)根據(jù)巖層的硬度,選擇適當(dāng)?shù)臎_程,使鉆錘有足夠時(shí)間旋轉(zhuǎn);(2)及時(shí)清渣,進(jìn)入中風(fēng)化巖層后進(jìn)尺50cm左右即應(yīng)清渣,否則泥漿含渣過多,粘滯性加重,防礙鉆錘旋轉(zhuǎn)。(4)回填微砂,重新鉆進(jìn)偏孔是當(dāng)?shù)貙榆浻膊痪鶆?或孔壁含有孤石、探頭石時(shí)發(fā)生。處理加法是:當(dāng)發(fā)生輕微偏孔時(shí),可先用砂礫石回填至該位置以上1m左右,再重新鉆進(jìn);當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重偏斜時(shí),可先在偏斜處進(jìn)行水下微量爆破,再用砂礫石回填至該位置以上1m左右,再重新鉆進(jìn)(5)砂粒沉淀嚴(yán)重用沖擊法成孔再成樁的過程中,一般要進(jìn)行兩次清孔,第一次清孔是在終孔后下鋼筋籠之前;第二次清孔是在下鋼筋籠之后,水下砼灌注之前。而在二次清孔過程中,很容易出現(xiàn)清孔失效現(xiàn)象。其主要原因是:二次清孔時(shí)加水調(diào)泥漿的速度沒有控制好,致使泥漿的砂率過高,而粘度過低,使砂粒在孔內(nèi)過快沉淀,且沉淀厚度超過規(guī)范要求的5cm。清孔失效的判斷方法是:在水下砼灌注前量測(cè)孔深時(shí),在打開和關(guān)閉泥漿泵的兩種情況對(duì)比下,在5~10分鐘內(nèi),孔深相差10~30cm(其反映的實(shí)質(zhì)是孔內(nèi)沉淀為10~30cm);嚴(yán)重的特例,在1小時(shí)內(nèi),孔深相差50~100cm,即孔內(nèi)沉淀為50~100cm。對(duì)此處理辦法有兩種:一種是同別的樁孔換泥漿,即換用較稠的泥漿進(jìn)行循環(huán)清孔,直至將泥漿砂率慢慢降至合格水平。但此法由于換漿循環(huán)慢,耗時(shí)長,延緩了水下砼灌注,對(duì)成樁不利;第二種是在緊急情況下(如天氣突變,或水位暴漲,水下砼灌注不能延遲),可在儲(chǔ)漿池處往泥漿里面加入水泥或膨潤土(用量視孔內(nèi)沉淀厚度及現(xiàn)有泥漿的粘度而定),將其攪拌均勻后進(jìn)入循環(huán)清孔流程;其主要目的是快速提高泥漿的粘度,加大懸浮能力,使孔內(nèi)沉淀快速懸浮,為抓緊進(jìn)行水下砼灌注創(chuàng)造先決條件。(6)爆破質(zhì)量控制在人工挖孔嵌巖樁成孔施工過程中,遇到基巖時(shí)采用爆破作業(yè)向下炸巖進(jìn)行松動(dòng)爆破、鑿除處理。為此,必須事先編制爆破作業(yè)方案,由專業(yè)爆破作業(yè)人員進(jìn)行。火藥爆破應(yīng)合理布孔,孔距、排距、深度和裝藥量須經(jīng)計(jì)算確定,以盡量減小沖