桥梁工程中的大型灌注桩竖向承载性状

高广运桥梁工程中的的大型灌注桩桩竖向承载性性状1大型灌注桩在在桥梁建设中中的地位2桩基持力层的的作用3桩基持力层的的定量选择4有效桩长5嵌岩桩基岩风风化程度分带带6扩底墩（桩））7两种大直径桩桩的试验对比比8桩端注浆9花岗岩残积土土中的桩基10结束语1大型灌注桩在在桥梁建设中中的地位表1大型灌注桩的的广泛应用桩长（m）桩直径（m）桥名50～100≥2.5泸州长江大桥、九江长江大桥、常德元江大桥、宜城汉江大桥、三门峡黄河大桥、钱塘江二桥、武汉长江大桥、广东斗门大桥≥3.0湖南石龟山大桥引桥、黄石长江大桥、珠海横琴大桥、益阳资江二桥、江汉四桥、广州鹤洞大桥、芜湖公铁长江大桥、南京长江二桥、广东番禺大桥及新会崖门大桥3.5湖南沅陵大桥及湘潭湘江二桥4.0钢陵长江大桥、南昌新八一大桥、湖南石龟山大桥5.0湖南张家界鹭鸶湾大桥、江西湖口大桥“桥梁成败关键键在基础”是是建桥的名言言，而基础的的趋向应为大大直径桩，因因为它有许多多优越性:(1)可承受很大荷荷载，可减少少水中作业，，因此可加快工期；(2)良好的抗震、抗风稳定性和具有有较强的抵御御冲击能力，故故安全可靠性性高；(3)能减少承台工工作量，因而而总造价相应应会低。所以，大型灌灌注桩在桥梁梁和高层建筑等重重要工程中得到了广泛泛的应用，它它对桥梁建设设具有特殊重重要的意义。。参见“大型灌注桩桩特性研究””，桥梁建设设，2003，26（4）如九江大桥主主跨基础用钻钻孔灌注桩，，此前采用了了不同桩直径径的方案比较较，如表2所示。表2九江大桥主墩墩基础灌注桩桩工程量比较较表桩直径/m桩数/根桩身砼/m3承台砼/m3基础砼总计/m31.56362344250104842.0325634385094842.518487332008073由此可见，桩桩直径小，桩桩数就多、工工程量大、造造价高、工期期也会延长、、河中施工难难度也就大。。2桩基持力层的的作用江阴长江公路路大桥试桩情情况图1图2江阴长江公路路大桥北引桥29墩两根静载试试桩（图1）。桩直径d=1m，桩长l=77.8（桩端未入基基岩）、81.9m（桩端入基岩岩）。从图2可看出，对长长径比(l/d=78-82)已相当大的大大型灌注桩，，持力层的作作用仍很显著著，桩端入和和不入基岩时时其承载性状状、极限承载载力等就有很很大差异。上述分析的是是基岩持力层层，下面分析析持力层是较较硬的土层的的情况。以包包含点面接触触单元的有限限元模型进行行模拟研究。。以苏通大桥为例，桩直径径都为2m，其中一根桩桩长67m，入持力层2m；另一根桩长长64m，桩端离持力力层1m。图3为数值模拟结结果。从图上上也同样可以以看出，桩入入持力层后桩桩的极限承载载力要大很多多，桩的承载载特性也会有有很大区别。。图3苏通长江公路路大桥数值模模拟情况参见“大型灌注桩桩特性研究””，桥梁建设设，2003，26（4）3桩基持力层的的定量选择大型灌注桩由由于其长度大大，穿过的岩岩土层层数多多、厚度大，，为持力层的的选择带来了了困难。传统统的定性确定定法不够精确确，下面用指指标法来实现现持力层的量量化优选。通过综合分析析，可考虑能能反映地层持持力特性的七七项指标：深深度（成本））指标、承载载力大小指标标、持力层厚厚度指标、厚厚度变化率指指标、下卧层层性质指标、、N的标准差指标标、抗震动或或抗沉降效果果指标。（1）深度（成本本）指标深度对桩基持持力层的选择择是一个最重重要的指标。。深度太深在在成本上是极极不划算的。。比如苏通大大桥工程中的的基岩深度290米，所以从成成本上来看几几乎是不可能能的。（2）承载力大小小指标承载力大小是是选择桩基持持力层的又一一重要指标。。某一持力层层的选择必须须保证桩基有有足够的承载载力，才能确确保工程的安安全。承载力力的计算为持持力层端阻力力加上桩侧所所有分层土侧侧阻力之和。。（3）持力层厚度度指标持力层一般有有较大的端阻阻力和侧阻力力，但这是以以持力层有足足够的厚度为为保证的。地地层太薄的话话，是谈不上上持力性的。。所以厚度也也是选择持力力层的一个指指标。（4）厚度变化率率指标一座桥梁一般般有很多根桩桩，它们分布布在一定范围围内，则此范范围内的持力层必须厚厚度稳定，才能保证所所有的桩有足足够和类似的的承载性状。。否则的话就就会产生差异异沉降等问题题，影响桥梁梁安全。（5）下卧层性质质指标下卧层性质也也是一个不可可忽视的指标标，因为它太太软弱的话会会对持力层带带来隐患。这这里以极限端端阻力来表示示下卧层性质质，因为极限限端阻力在一一定程度上反反映了下卧层层的综合性质质。（6）N的标准差指标标N为标贯或动探探试验击数，，它能反映土土层的动力特特性。（7）抗震动或抗抗沉降效果指指标这是一个综合合性的指标。。一般情况是是，地层的抗抗震动或抗沉沉降的效果越越好，则该地地层的持力性性越强。各指标的因子子值和权重值值确定好后，，就可以计算算各备选方案案的综合值了了。某备选方方案的综合值值等于各指标标因子值与权权重值之积（（即指标值））的和。具体的综合值值计算公式为为：Ri=（I1i×W1)+（I2i×W2)+（I3i×W3)（I4i×W4)+（I5i×W5)+（I6i×W6)+（I7i×W7)其中Ri为综合值；W1～W7为权重值(各自为5级)；I1i～I7i为因子值(与权重值对应应，取值范围围是0.01-1.00)。综合值Ri最大者即为选选中的持力层层。参见“大型灌注桩桩特性研究””，桥梁建设设，2003，26（4）4有效桩长4.1静载试验研究究试桩直径1m，1号桩长24m，2号桩长32m。两试桩的荷荷载-沉降曲线如图4所示，两曲线线都为缓变型型，2号桩的曲线更更为平缓，说说明2号桩的承载能能力强、沉降降小。试桩没没达到破坏状状态。由图可可得当桩顶都都下降15mm时，1号桩的桩顶荷荷载为2273kN，2号桩的的桩顶顶荷载载为3409kN。图4河南安安新高高速公公路试试桩图5太原市市物资资贸易易中心心营业业楼试试桩桩直径径d=0.8m，以粗粗砾砂砂层为为持力力层，，W1桩长29m，入持持力层层深度度2.75m（3.4d）；W3桩长34m，入持持力层层深度度7.75m（9.7d）。由由图5Q~S曲线可可得W1桩极限限荷载载为5000kN，W3桩极限限荷载载为7000kN。图6太原市市轻工工展厅厅大楼楼试桩桩桩直径径d=0.8m，以砂砂层为为持力力层，，Q1桩长22.5m，入持持力层层2.5m（3.1d）；Q2桩长20.5m，入持持力层层0.5m（0.6d）。两桩桩的试试桩剖剖面示示意图图如图6所示，，从两两桩的的荷载载-沉降曲曲线可可看出出，Q1桩承载载力远远大于于Q2桩。图7太原第一热热电厂厂Ⅴ期工程程试桩桩剖面面及荷荷载-沉降曲曲线桩直径径d=0.8m，以粗粗砾砂砂层为为持力力层，，D4桩长22.8m，入持持力层层0.55m(0.7d)，极限限荷载载4200kN；D5桩桩长长23.9m，入持持力层层1.65m(2.1d)，极限限荷载载4800kN（图7）。图8山东某某洗煤厂厂桩基基试验验剖面面及荷荷载-沉降曲曲线前面几几组对对比试试验桩桩都是是以粗粗砂或或砾砂砂为持持力层层，但但这一一组对对比试试验桩桩发生生了变变化。。T1桩桩长长25m，直径径1.1m，以粗粗砂层层为持持力层层；T2桩桩长长27m，直径径1.1m，穿过过粗砂砂层进进入下下伏较较软弱弱的粘粘土层层（图8）。两试桩桩用慢慢速法法进行行试验验，两两桩的的荷载载-沉降曲曲线如如图8所示。。从图图上可可看出出其与与前面面几组组试桩桩有区区别。。加载载5000kN以前，，较长长的T2桩的沉沉降较较短的的T1桩大，，以后后T2桩的沉沉降才才小于于T1桩，且且两试试桩曲曲线靠靠得很很近。。可得得出T1桩极限限荷载载为7350kN，而T2桩极限限荷载载只比比T1桩稍大大，为为7700kN。综上所所述，，从5个场地地的不不同桩桩长的的对比比试验验中可可发现现：（1）当两对对比桩桩都以以粗砂砂、砾砾砂等等较好好的岩岩土层层为持持力层层时，，长桩桩的荷荷载-沉降曲曲线都都位于于短桩桩的右右侧，，表现现出良良好的的承载载性能能，且且曲线线第二二拐点点前更更为平平缓（（图5～图8）；（2）对比桩桩中（（如山山东兖兖州某某洗煤煤厂试试桩）），当当长桩桩穿过过密实实持力力层（（粗砂砂）进进入下下伏较较软弱弱层（（粘土土）时时，长长桩的的承载载力和和沉降降并不不显得得比较较短桩桩优越越。此此时较较长桩桩的加加长部部分显显得没没有必必要。a荷载-桩长关关系图图b荷载-长径比比关系系图图9桩顶荷荷载与与桩长长、长长径比比关系系曲线线（3）桩顶荷荷载与与桩长长和长长径比比的关关系曲曲线如如图9，其中中桩顶顶荷载载为极极限值值（仅仅安新新公路路为桩桩顶下下降15mm时的荷荷载））。从从图上上可看看出有有3组对比比桩都都是桩桩顶荷荷载随随着桩桩长或或长径径比的的增大大而明明显增增大，，说明明长桩桩的承承载性性能好好。而另外外两组组（即即洗煤煤厂和和安新新公路路），，不论论是桩桩顶荷荷载与与桩长长关系系曲线线还是是桩顶顶荷载载与长长径比比关系系曲线线，其其直线线较其其它三三组平平缓。。这是是因为为洗煤煤厂试试桩中中较长长桩进进入了了软弱弱下卧卧层；；而安安新公公路试试桩没没达到到极限限状态态。参见①“桩长长对大大直径径摩擦擦桩影影响的的试验验研究究”，，勘察察科学学技术，，2003，21（5）；②“大型型灌注注桩特特性研研究””，桥桥梁建建设，，2003，26（4）a桩顶沉沉降-桩长关关系图图a桩顶沉沉降-长径比比关系系图图10沉降与与桩长长、长长径比比关系系沉降降曲线线（4）桩顶沉沉降与与桩长长、长长径比比的关关系曲曲线如如图10，其中中桩顶顶沉降降是极极限荷荷载状状态时时的沉沉降（（仅安安新公公路指指的是是桩顶顶荷载载为2458kN时的沉沉降）），从从图上上可看看出4组对比比桩都都是桩桩顶沉沉降随随着桩桩长或或长径径比的的增大大而减减小，，说明明长桩桩不仅仅承载载性能能好，，而且且桩顶顶沉降降也小小。图11桩顶荷荷载-入持力力层相相对深深度H/d关系曲曲线图图（5）以粗砂砂或砾砾砂为为持力力层的的三组组试桩桩的桩桩顶荷荷载与与桩入入持力力层相相对深深度H/d关系曲曲线如如图11。由图图可知知，随随着桩桩入持持力层层相对对深度度H/d的增大大（H/d最大可达9以上）），桩桩顶荷荷载也也大幅幅度增增大。。4.2数值模模拟在考虑虑土的的非线线性、、桩周周土分分层、、桩土土间非非线性性相互互影响响、桩桩端有有沉渣渣、桩桩底及及桩侧侧注浆浆加固固、桩桩长及及桩直直径变变化等等因素素时，，有限限元法法是现现阶段段最适适用的的方法法，它它能解解决由由于试试桩困困难及及实测测费用用大而而无法法大量量进行行的问问题。。对灌灌注桩桩，有有限元元法能能模拟拟其施施工过过程，，即土土体自自重应应力场场→成成孔（（泥浆浆护壁壁）→→灌注注钢筋筋混凝凝土→→桩受受力计计算。。◆桩身单单元模模型和和桩周周土的的本构构模型型考虑到到由群群桩向向大直直径单单桩发发展是是目前前的趋趋势，，所以以这里里的理理论分分析主主要以以大直直径单单桩为为主。。其单单桩的的轴向向受荷荷有限限元分分析，，可简简化为为轴对对称问问题。。此时时的桩桩周土土体可可划分分为一一般的的平面面实体体单元元。至至于桩桩周土土的本本构模模型，，本文文采用用Drucker-Prager模型，，这种种模型型在岩岩土工工程中中应用用较多多，能能反映映土体体的剪剪胀效效应。。桩体体采用用弹性性模型型。◆桩与土土的接接触面面模型型本文用用的是是包含含点面面接触触单元元的有有限元元模型型，这这种接接触面面模型型和Goodman模型型相相比比具具有有它它的的优优越越性性。。Goodman单元元（（即即无无厚厚度度节节理理单单元元））模模型型虽虽然然能能模模拟拟接接触触面面的的相相对对滑滑移移和和张张开开，，但但量量值值较较小小，，当当产产生生较较大大滑滑移移、、张张开开、、重重叠叠后后往往往往引引起起解解的的不不收收敛敛。。而而点点面面接接触触模模型型能能克克服服这这些些缺缺陷陷。。图12轴对对称称有有限限元元计计算算网网格格图13江阴阴大大桥桥数数值值模拟拟与与试试验验结结果果比比较较表3桩土土主主要要参参数数表表图14极限限荷荷载载与与桩桩长长关关系系曲曲线线参见见“大大直直径径超超长长桩桩有有效效长长度度的的数数值值模模拟拟””，，建建筑筑科科学学，，2003，19(3)。5嵌岩岩桩桩基基岩岩风风化化程程度度分分带带嵌岩岩桩桩具具有有单单桩桩承承载载力力高高、、沉沉降降小小且且收收敛敛快快、、抗抗震震性性能能好好、、群群桩桩效效应应小小等等特特点点，，成成为为大大型型构构（（建建））筑筑物物重重要要的的基基础础形形式式。。当当桩桩长长、、桩桩直直径径和和基基岩岩上上覆覆土土层层确确定定的的情情况况下下，，决决定定它它的的承承载载性性状状的的往往往往是是基基岩岩的的性性质质、、桩桩所所进进入入基岩岩的的层层位位（（深深度度））。而而这这些些与与基基岩岩的的风风化化程程度度密密切切相相关关，，所所以以，，正正确确划划分分基基岩岩风风化化带带是是使使嵌嵌岩岩桩桩嵌嵌入入合合理理层层位位和和深深度度的的有有效效途途径径。。岩体体中中的的结构构面面对岩岩体体的的稳稳定定性性和和岩岩体体质质量量等等起起控控制制作作用用。。岩岩体体风风化化后后在在岩岩体体结结构构方方面面就就有有所所反反映映。。从从强强风风化化带带、、中中等等风风化化带带、、微微风风化化带带到到新新鲜鲜岩岩石石，，岩岩体体中中结结构构面面的的数数量量逐逐渐渐减减少少，，完完全全体体现现了了岩岩体体在在接接受受风风化化营营力力作作用用后后岩岩体体裂裂纹纹扩扩展展、、增增长长和和新新的的裂裂隙隙产产生生的的特特征征。。研究究岩岩体体风风化化带带的的划划分分，，应应当当围围绕绕“岩岩体体结结构构””这一一控控制制岩岩体体工工程程地地质质性性质质和和岩岩体体稳稳定定的的基基本本条条件件来来进进行行，，充充分分利利用用岩岩体体结结构构的的特特征征指指标标。。岩体体是是由由结结构构面面和和结结构构体体（（岩岩块块））组组成成，，所所以以，，量化化指标标的的选选取取应应有有三三方方面面的的考考虑虑：：（1）岩岩体体总总体体结结构构上上的的变变化化；；（2）结构构面面的变变化化----主要要指指结结构构面面的的发发育育程程度度及及其其性性质质的的变变化化。。（3）结结构构体体（（即即岩岩块块））的的变变化化----主要要指指岩岩块块的的强强度度变变化化。。参见见“嵌嵌岩岩灌灌注注桩桩基基岩岩风风化化程程度度分分带带探探讨讨””，，探探矿矿工工程程，，2003，40(5)。针对对嵌嵌岩岩桩桩的的特特点点，，经经综综合合分分析析用用下下式式来来定量量划分分基基岩岩岩岩体体的的风风化化程程度度：：J1———单位位岩岩芯芯长长度度上上的的结结构构面面数数；；RQD————岩体体质质量量或或岩岩芯芯完完整整率率；；J2———结构构面面蚀蚀变变程程度度系系数数；；R1———新鲜鲜岩岩石石的的点点荷荷载载强强度度；；R2——风化岩石石的点荷荷载强度度；因为为有的风风化岩石石不好取取样，所所以不能能采用抗抗压强度度指标。。以F值基岩风风化程度度划分界界限：全风化F〉200；强强风化化F=9.32-200；中风化F=1.25-9.32；微微风化F=0.37-1.25；未风化F〈0.376扩底墩（（桩）6.1桩长6.0m左右图15扩底墩受受力示意意图大直径扩扩底墩得得到了越越来越广广泛的应应用，图15为其受力力示意图图。由于于拉裂缝缝的出现现，使得得墩身摩摩阻力和和端阻力力处于分分离状态态，可近近似用纯纯摩擦桩桩和深层层载荷试试验结果果来区分分墩的摩摩阻力和和端阻力力。因此此这里以以原型扩扩底墩、、摩擦桩桩、墩端端深层载载荷试验验研究扩扩底墩的荷载载分配和和传递性性状。表4试验方案案参见“砂卵石石层上大大直径扩扩底短墩墩竖向承承载性状状”，岩土力学学，2004，25(3)。图16S2、S3墩试验剖剖面及荷荷载-沉降曲线线图16为S2、S3墩基试验验剖面及及荷载-沉降曲线线图，由由a图可知，，两墩除除入土长长度、持持力层不不同外，，其余都都相同。。S2墩埋深6.20m，以砂层层为持力力层；S3墩埋深6.75m，以卵石石层为持持力层。。从b图可看出出，S3墩基承载载力比S2墩大，主主要是S3墩的持力力层土性性比SD2墩好。如如墩顶沉沉降15mm时，S3墩的承载载力为3441.6kN，而S2墩的承载载力只有有2061.5kN。图17摩擦桩和和深层载载荷试验验剖面图18荷载-沉降曲线线摩擦桩和和深层载载荷试验验剖面见见图17，两者的的直径都都为0.8m，与上述述两墩的的墩身直直径相同同，深度度相当。。从图18上可发现现两者的的承载力力比扩底底墩小，，该试验验中的桩桩端填塞塞稻草的的相当于于纯摩擦擦桩，深深层载荷荷试验相相当于直直身墩。。可以看看出，直直径相同同和深度度相当时时，扩底底墩的承承载力比比纯摩擦擦桩和不不扩底的的直身墩墩（桩））的承载载力大。。6.2桩长14.5m左右表5试验方案案参见“两种静静载试验验确定大大直径扩扩底桩竖竖向承载载力”，，地下空空间，2003，23(3)。图19荷载-沉降曲线线图通过以上上的试验验结果分分析，可可得出以以下结论论：（1）纯摩擦擦桩和深深层载荷荷的试验验能用来来区分扩扩底墩的的墩身摩摩阻力和和端阻力力、间接接求扩底底墩的承承载力。。（2）两种试试验方法法得到的的SD1、SD2墩的极限限承载力力的误差差分别是是5％和10％。（3）SD1墩的极限限承载力力为9600kN，此时端端阻力为为8266.9kN，占极限限承载力力的86％；SD2墩的极限限承载力力为6850kN，此时端端阻力为为5523.2kN，占极限限承载力力的81％。（4）当墩顶顶沉降18.7mm左右时，，SD1、SD2墩摩阻力力已充分分发挥；；而端阻阻力充分分发挥时时，SD1、SD2墩顶沉降分分别达31.9mm、29.3mm。（5）在直径相相同的情况况下，扩底底墩的承载载力比纯摩摩擦桩和等等直径竖井井的承载力力大很多。。7两种大直径径桩的试验验对比表6各场地对比比试验情况况图20场地1对比试验剖剖面及荷载载-沉降曲线图21场地2对比试验剖剖面及荷载载-沉降曲线图22场地3对比试验剖剖面及荷载载-沉降曲线（1）3组桩端填稻稻草的纯摩擦桩的荷载-沉降曲线都都是陡降型，而与其对对比的3组摩擦端承桩桩的荷载-沉降曲线要要平缓得多，特别别是当桩端端土性较强强时。因此此对大直径径桩要尽可可能清除桩端沉沉渣，以提高其其承载力和和降低沉降降。并应以以土性强的的岩土层为为持力层。。（2）对场地2～场地3中长径比相相当的摩擦擦端承桩，，当持力层层由弱到强强（即粉质质粘土