（岩土工程专业论文）嵌岩桩受力性状及嵌岩深度的研究.pdf

a b s t r a c t 1 nv i e wo fl o a dt r a n s f e r r i n gc a p a b i l i t y o fr o c k s o c k e t e d p i l e s ，t h i sp a p e r c o m p a r e s r o c k s o c k e t e dp i l e s w i t hn o n r o c k - s o c k e t e d p i l e s ，a n a l y z e si n f l u e n c i n g f a c t o r s ( p i l el e n g t h 、p i l ed i a m e t e r 、p i l e m o d u l u s 、c h a r a c t e ro f b e a r i n gs t r a t u m 、m u d h u l l 、s e d i m e n to f p i l eb o s o ma n dr o u g h n e s s ) o n f o r c ec h a r a c t e r w i t hd i f f e r e n tl o a d t r a n s f e r r i n g f u n c t i o n s ，a s e to fa n a l y t i c a l e q u m i o n f o r s i n g l ep i l e s e t t l e m e n t c a l c u l a t i o no fr o c k s o c k e t e dp i l e sa r ee s t a b l i s h e d ：t h r e es t a g e so fp - sc u r v ef r o m a n a l y t i c a le q u a t i o na r eg a i n e dw h i c ha r es t r a i g h tl i n e 、c u r v e 、s t r a i g h t l i n e ；a n d r e l a t i o n s h i pc u r v e s i nd i f f e r e n t p i l em o d u l u s a n di nd i f f e r e n tr o c k s o c k e t e dl e n g t h b e g i n n i n g w i t h p l e n t i f u le x p e r i m e n t a lb a s e s ，s o m ep r o b l e m s a b o u t p i l e f o u n d a t i o nt e c h n i c a lc r i t e r i o na r ed i s c u s s e d 。s o m es u g g e s t i o n sa b o u t c 、t s 、 f 芦a r ea d v a n c e d ，s o m er u l e sa b o u tr o c k - s o c k e t e do f f e c ta r ee d u c e d ：r o c k s o c k e t e d p i l eh a sc o n c l u s i v e l yr o c k - s o c k e t e do f f e c t ，a n dw h e n r o c k - s o c k e t e dl e t i g t ha c h i e v e sa c e r t a i nv a l u e ，i n c r e a s i n gl e n g t hw i l ln o ti n f l u e n c eb e a r i n gc a p a c i t y , b u tb a s er e s i s t a n c e s t i l ie x i s t s b a s e do nt h en e u r a ln e t w o r km o d e lo fl i m i tl o a do fr o c k - s o c k e t e ds e g m e n to f p i l e s ，t h ea n a l y s i s m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si s p r o p o s e db ym e a n so f s e l f - o r g a n i z i n g c h a r a c t e rm a pn e t w o r k t h e a n a l y s i s r e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t h p r a c t i c a lr e s u l t s e s t a b l i s h i n g3 - d i m e n s i o n s f i n i t ee l e m e n tm o d e lb ya n s y s ，t h i sp a p e ra n a l y z e s a n dr e s e a r c h e st h el a wo f d i s p l a c e m e n tf i e l d ，s t r e s sf i e l da n d s t r a i nf i e l dw h i c h v a l i d a t e st h er e s u l t so f c h a p t e r3 ：r o c k - s o c k e t e dp i l eh a s t h eb e s ts o c k e tl e n g t h ，b u ti t h a s n tt h el o n g e s ts o c k e tl e n g t h , t h i s p a p e r r e c o m m e n d st h eb e s ts o c k e tl e n g t h2m t h er e s u l t sw i l lb e h e l p f u lf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n dm o r er e s e a r c ha b o u t r o c k s o c k e t e dp i l e s k e y w o r d s ：r o c k s o c k e t e dp i l e s ，f o r c ec h a r a c t e r , r o c k - s o c k e t e dl e n g t h ，b pn e u r a l n e t w o r k ，a n s y sf i n i t ee l e m e n t l i 浙江大学硕士学位论文 第一章缔论 2 0 0 3 年2 月 1 1 工程背景 第一章绪论 嵌岩桩作为一种特定的桩基类型在我国九十年代得到了广泛应用和研究，嵌 岩桩特性的理论研究和嵌岩桩的工程应用国内外均有报道。然而我们也认识到嵌 岩桩理论研究还有许多问题有待进一步探讨，一些模糊的认识需要纠正。 1 1 1 传统观念的否定 嵌岩桩的承载性状是近年来国内外工程界和学术界十分关注的一个热点。迄 今人们的传统观念和土力学及基础工程教科书都把嵌岩桩作为端承桩的典型例 子。世界许多国家的地基规范( 包括我国现行的g b j 7 8 9 ) 都规定嵌岩桩按端承 桩设计，完全不考虑桩侧阻力；有的规范虽考虑嵌岩段的侧阻力，却忽略覆盖土 层的侧阻力。然而和传统观念相反，早期国内外探索性的实测资料以及随后和近 年国内外大量的实测资料都表明，嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下或长径比 l d 5 的短桩，并非一律是端承桩，而较长的嵌岩桩大多属于摩擦桩，很长的嵌 岩桩完全属于摩擦桩。因此不加区分地把嵌岩桩一律视为端承桩是不符合实际 的。在设计中，尤其是当覆盖土层较深厚时，不适当地把桩端嵌入中等风化程度 以上的基岩，甚至加深嵌岩深度或扩大桩端尺寸，都无助于调动基岩的端承作用， 却徒然造成浪费并增加施工难度。 1 1 2 嵌崧桩成为端承桩的条件 从已有实测研究和原位长期观测，可以认为嵌岩桩唯有在下列条件下才可能 较多地发挥端阻作用而成为端承桩或摩擦端承桩： a )桩短而粗，其l d 很小，且嵌岩不深( 例如h ，d o 5 ) ，桩底沉渣已 被清除。这类桩受荷后桩身弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位 移都较小，于是桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。 b ) 嵌岩中长桩，其三d 较大，覆盖土层较厚而性质差，或可能因受水位 冲刷等影响，潜在的摩阻力小，残积土或风化岩层厚度小，桩端嵌岩 不深似d 2 ) ，施工沉渣清除较好，桩受荷后桩端产生少量位移即能 浙江大学硕士学位论文 第一章缔论 2 0 0 3 年2 月 1 1 工程背景 第一章绪论 嵌岩桩作为一种特定的桩基类型在我国九十年代得到了广泛应用和研究，嵌 岩桩特性的理论研究和嵌岩桩的工程应用国内外均有报道。然而我们也认识到嵌 岩桩理论研究还有许多问题有待进一步探讨，一些模糊的认识需要纠正。 1 1 1 传统观念的否定 嵌岩桩的承载性状是近年来国内外工程界和学术界十分关注的一个热点。迄 今人们的传统观念和土力学及基础工程教科书都把嵌岩桩作为端承桩的典型例 子。世界许多国家的地基规范( 包括我国现行的g b j 7 8 9 ) 都规定嵌岩桩按端承 桩设计，完全不考虑桩侧阻力；有的规范虽考虑嵌岩段的侧阻力，却忽略覆盖土 层的侧阻力。然而和传统观念相反，早期国内外探索性的实测资料以及随后和近 年国内外大量的实测资料都表明，嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下或长径比 l d 5 的短桩，并非一律是端承桩，而较长的嵌岩桩大多属于摩擦桩，很长的嵌 岩桩完全属于摩擦桩。因此不加区分地把嵌岩桩一律视为端承桩是不符合实际 的。在设计中，尤其是当覆盖土层较深厚时，不适当地把桩端嵌入中等风化程度 以上的基岩，甚至加深嵌岩深度或扩大桩端尺寸，都无助于调动基岩的端承作用， 却徒然造成浪费并增加施工难度。 1 1 2 嵌崧桩成为端承桩的条件 从已有实测研究和原位长期观测，可以认为嵌岩桩唯有在下列条件下才可能 较多地发挥端阻作用而成为端承桩或摩擦端承桩： a )桩短而粗，其l d 很小，且嵌岩不深( 例如h ，d 9 5 的情况；当覆盖层厚度大而l d 3 m 时，持力层性状对传到桩端的荷载影响已经 不大，当日e 5 0 时，嵌岩所提供的侧摩阻力对不同的嵌岩深度变化不大。 ( 5 ) 泥皮对受力性状的影响 图2 1 6泥皮对荷载传递的影响 文献 2 6 通过有限元分析泥皮越厚，泥皮性质越差，桩侧摩阻力的发挥程度 就越低。其原因是钻孔使粘土软化，如果用泥浆护壁，则不致发生由于侧阻力减 轻而有孔隙水自粘土中转移的现象，也不致于发生来自任何裂隙中水流的现象； 但是当其灌注混凝土时，泥浆不可能完全从粘土及混凝土的交界面之间除去，从 而在接触面上将出现软的泥浆现象。桩孔壁上土性的改变对桩侧摩阻力有显著的 影响，泥皮厚，桩土界面粗糙度低，则单位侧摩阻力低。 ( 6 ) 桩底沉渣对受力性状的影响 图2 1 7 沉渣对桩端沉降的影响 从传统观念出发，嵌岩桩的桩底是不允许留有虚士和沉渣的，随着对嵌岩桩 认识的深化，人们已经发现，桩底残留沉渣和虚土问题也就不再那么敏感，更何 况当采用泥浆护壁成孔，入土深度又较深的嵌岩桩，要想干净的清除孔底沉渣几 乎是不可能的，图2 1 7 给出了沉渣的厚度及性质对桩端沉降的影响，从图中可 看出沉渣越厚，且沉渣的性质越差，桩端沉降的增量就越大。 ( 7 ) 粗糙度对受力性状的影响 孔壁粗糙度对钻孔桩承载力影响的试验研究 在分析各地大量钻孔灌注桩试桩资料的过程中，曾发现同一工地桩的规格和 桩周土性质相同，但承载力却相差很大。在排除桩身材料强度、桩身质量和孔底 沉渣等因素的影响后，可以认为施工工艺的差异和由此造成的孔壁粗糙的不同是 导致同一场地中钻孔灌注桩承载力差异的主要原因。工程实践表明，嵌岩桩的孔 壁粗糙度比较容易控制且可在较大的范围内变动，利用嵌岩桩来研究孔壁粗糙度 对灌注桩承载力的影响具有典型性和代表性。 荷载 图2 1 8 不同粗糙度时嵌岩桩的承载特征( 引文献【2 7 】) 图2 1 8 是桩底悬空、孔壁粗糙度不同的4 根试桩的荷载沉降曲线，此时桩顶 荷载完全由桩侧胆力来承担。其中s 1 2 和c 2 孔壁光滑、a 3 和s 3 孔壁粗糙。从 图中可以看出，孔壁的粗糙度对桩侧阻力最大值、桩侧阻力残余值以及与之相对 应的位移量均有很大的影响。在孔壁光滑的情况下，嵌岩桩平均侧阻力与桩的沉 浙江大学硕士学位论文 第二章嵌岩桩的受力性状分析 2 0 0 3 年_ 2 旦 降呈加工软化型响应( 脆性破坏) ：当桩的沉降值很小时，嵌岩桩的平均侧阻力 已经达到最大值，随沉降值增加，侧阻力从最大值减小至残余值，且最大值和残 余值的差异较大，如图中的s 1 2 和c 2 。在孔壁粗糙的情况下，嵌岩桩的平均侧 阻力与桩的沉降呈加工硬化型响应：屈服过程平缓，平均侧阻力的残余值与最大 值非常接近，与平均侧阻力最大值所对应的沉降值要比光滑孔中小许多，如图中 的a 3 和s 3 。从图2 ，】8 中还可以看出，在岩性相同的条件下，随孔壁粗糙度增 加，平均侧阻力的最大值和残余值都将增大。亦即桩周岩土的侧阻力并不是一个 确定的值，它完全可以由于施工因素的影响而发生变化。 孔壁粗糙度影响桩侧阻力的机理 图2 1 9 是桩顶荷载作用前后嵌岩桩的状态，图2 2 0 是孔里光滑和凹凸时嵌 岩桩法向应力和侧阻力的对比。从中可以清楚地看出，在桩顶荷载作用下，桩首 先发生轴向位移，并且沿孔壁方向发生侧向剪胀，孔里的凹凸限制了桩的滑移， 增强了法向应力，进而提高了桩侧的阻力。孔壁粗糙时的径向和法向应力都大于 孔壁光滑时的相应值。文献已经从理论上证明了该理论的正确性。 一o h 0 + a 0 h 寸 沉降发生前 沉降发生后 图2 1 9 嵌岩桩受力前后的状态 塑坚查兰夔主兰堡笙壅 苎三童堂宣壁塑星垄丝鉴坌堑j 堡塑! ! ! 旦 051 01 52 d2 53 0 “一) 05l o1 52 0巧3 0 钿m ) 图2 2 0 不同粗糙度时嵌岩桩的法向和侧阻力 粗糙度的影响因素 影响嵌岩桩孔壁粗糙度的因素很多，归纳起来有以下三方面： ( a ) 岩石强度对孔壁粗糙度的影响。一般来说，岩石的强度越高，钻孔的粗糙 度就越低。对于无侧限强度q u 大于l o m p a 的中等强度和高强度岩石已经很难钻 孔，要钻出粗糙孔难度更大，在这类岩石中侧阻力与无侧限抗压强度之比f 。q 。 较低：对于无侧限强度吼小于l o m p a 的低强度岩石或者软岩，已经能够钻出比较 粗糙的孔，这类岩石中侧阻力与无侧限抗压强度之比f 。吼较高。如图2 2 1 所示： 1 9 - b 6 2 0 一-5-。_u 日 5 4 2 0 ( 1 b 5 - b 订 塑翌查兰堡主兰堡丝奎 蔓兰兰壁量竺塑墨查丝鉴! 坠一兰翌型兰三旦 f 。q 。 0 5 011 01 0 0 岩石抗压强度q ( x p a ) 图2 2 1 岩石强度对桩侧阻力的影响 ( b ) 岩石节理对孔壁粗糙度的影响。岩石的节理对嵌岩桩侧阻力的影响比较复 杂，节理发育，岩石的结构强度较低。但从提高孔壁租糙度的角度来看节理的 存在有利于孔壁粗糙度的提高。一般说来，岩石节理的存在对提高孔壁的粗糙度 乃至侧阻力都是有利的。 ( c ) 孔壁粗糙度的施工影响因素。进尺较慢有利于提高孔壁粗糙度；采用正循 环法施工比采用反循环施工具有较大的孔壁粗糙度；充盈系数大的钻孔灌注桩具 有较大的孔壁粗糙度：使用稳定性差的钻机可以得到较大的孔壁粗糙度；上下移 动导管有利于提高孔壁的粗糙度。 2 4 嵌岩桩的荷载一沉降曲线的一种解析算式 尽管桩基是国内外应用最广的一类基础形式，但由于它是一种非常复杂的力 学体系，其工程设计方法仍处于半理论半经验的状态，为了能反映桩土体系的主 要工作机理，同时计算分析又不致于太复杂，本文在研究嵌岩桩的荷载传递函数 特性上，根据所选用的荷载传递函数进行一些简单的数值运算便可得一种桩的荷 载一沉降曲线，并由此分析嵌岩桩的工程性状。 现行规范”1 中对于桩基的沉降计算是采用分层总和法计算桩端土变形