高墩大跨刚构连续组合体系特大桥群桩效应研究

高墩大跨刚构连续组合体系特大桥群桩效应研究

1群桩效应的确定桩基本是土木工程中常见的基本形式，在建筑、桥梁、港口和其他项目中得到广泛应用。它是土木工程工程的一个重要领域。群桩作为桩基的一种主要形式,其受力变形特性的研究一直受到人们的重视。对于群桩的分析,工程上最为关心的是确定群桩的承载力和预测沉降。对群桩承载能力的估算,在工程上广泛应用的简单方法是以各单桩极限承载力之和乘以群桩效应η。单桩极限承载力的确定方法较多,而且比较成熟。目前确定群桩效应η主要有5种方法:(1)考虑群桩实体基础周边长的方法;(2)Conrerse-Labrre群桩效应公式;(3)Seiler-Keeney群桩效应公式;(4)考虑应力叠加的群桩效应公式;(5)考虑承台、桩、土相互作用分项群桩效应系数计算法(《建筑桩基技术规范》)。但以上各方法都有一定的限制条件或依赖于一些经验系数,因此,如何确定群桩效应η有必要进行深入的研究。笔者结合内昆线一高墩、大跨刚构连续组合体系特大桥超大规模群桩基础的模型试验,就群桩的承载性状、群桩效应进行了研究。2试验设计2.1材料表面根据量测精度和试验设备条件,确定试验模型几何比例为1∶30。(1)砂、重晶石粉、石英砂现场地质情况见表1。根据相似理论确定模型土岩主要成分为普通砂、重晶石粉和石英砂。其配合比和各项参数见表2。现场桩底应力影响范围取20m,为桩长的1/2,对应模型试验约为70cm,故第3层结合桩长取100cm。(2)铝管弹性模量p的确定根据刚度相似条件确定桩身材料,即(EI)m=CEI(EI)p。结合市场材料的实际情况,采用外径d=25mm,壁厚3mm的铝管。铝管弹性模量E=68GPa;桩长L=53.2d=1330mm。(3)水泥、中砂、石膏和水泥等用量对骨料冲压的影响根据强度相似准则,采用与原型同等强度C20的碎石混凝土。其配合比水泥∶粗骨料∶细骨料为1∶3.01∶2.005;水灰比为0.65。选用42.5水泥、中砂和石子最大粒径为10mm,并且承台和桥墩依据强度条件按相同的配筋率进行配筋。试验中桥墩的作用仅作为传力构件,因而主要对桥墩与承台的接触面积予以控制,桥墩的高度取70cm。2.2模型堆栈参数(1)平面、剖面原型群桩参数见表3,试验场地地层柱状图和试验群桩平面、剖面如图1所示。采用与现场一致的低承台摩擦桩,桩长133cm,桩距Sa=5.2d=130mm,桩数为5×10,入土深度133cm。(2)现场考虑群桩平面应力影响范围为承台尺寸的3倍,取为90m×90m×60m。依据模型群桩与试验槽壁和底部的距离应满足内填介质为半无限体的条件,选用西南交通大学岩土试验中心3m×3m×3m的模槽。2.3加载和数据采集试验(1)测量点的配置沿桩身的测点布置见图2。无论是单桩试验还是群桩试验,测点沿桩身布置都是如此。(2)单桩竖向荷载控制采用慢速维持荷载法,用千斤顶通过桥墩轴心加载,其竖向荷载量由油压表控制。考虑到单桩的承载力较群桩小,单桩竖向荷载增量为0.5kN,最后加载至破坏。其破坏条件由位移控制。(3)数据收集用7Ⅴ13、7Ⅴ14数据采集仪采集桩身应变值,用4只百分表量测承台4个角的沉降量。百分表用磁性表座固定在基准梁上。3不同桩型的极限位移当桩的承载能力达到或接近其极限承载能力时,其P-S曲线往往发生明显的转折或陡降,按建筑桩基规范可将曲线陡降段的起始点作为桩的极限荷载。在工程实际中,大部分桩的P-S曲线表现为缓变曲线,对于此类曲线,极限荷载只能通过限定其极限位移的方法获得。极限位移的确定可以通过上部结构的计算分析得出,其原则是当位移达到此值时将会影响结构的正常使用或危及上部结构的安全。当试桩的位移很小以至于难以由此推求试桩的极限荷载时,则可根据试验时桩土体系的反应,由试桩的容许位移,推求试桩的容许荷载或容许承载力;试桩的容许位移由对上部结构的分析后得出。4试验结果4.1荷载传递特性试验群桩竖向位移由桩间土压缩变形和桩底平面地基土整体压缩变形两部分组成。群桩的P-S曲线一开始就呈现出明显的非线性性质,且曲线斜率随荷载的增加呈增大趋势。这一点反映了群桩的荷载传递特性,小荷载下桩身下部桩侧阻力先行发挥,即先是桩端土的压缩变形,再发生桩间土的压缩变形,与单桩的荷载传递特性显著不同。单桩的荷载位移曲线存在比较明显的转折点,当荷载超过1.0kN后,单桩的沉降急剧增大,以至很快丧失了承载能力。由试验结果得出的P-S曲线见图3和图4。群桩在荷载超过61.98kN后,位移增加较快,下一级荷载对应的位移比本级荷载对应的位移增加了约4倍。在61.98kN的荷载作用下,位移量仅为0.41mm,说明其设计是安全可靠的。卸载后回弹量很小,此时群桩丧失了承载能力。4.2桩基承载力分析(1)实测群桩效应群桩荷载超过61.98kN后,位移急剧增加。参照建筑桩基规范,确定61.98kN为群桩的极限承载力。单桩在荷载超过1.0kN后,位移急剧增加,在P-S曲线中反映出明显的转折点,属于陡降型曲线。按照规范确定其极限承载力为1.0kN。则按照群桩综合效应系数的定义有:ηsp=群桩中各基桩平均极限承载力单桩极限承载力=61.98/501.0≈1.24ηsp=群桩中各基桩平均极限承载力单桩极限承载力=61.98/501.0≈1.24在本试验条件下,群桩综合效应系数大于1,即在此条件下,群桩的承载力较单桩承载力之和大。(2)按现行《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)计算,本试验对现场地质条件的模拟主要是基于C、φ的相似条件,因而最后得到的模拟岩土基本上属于砂粘土,更接近于砂土。考虑到实际桩型为低承台摩擦群桩,其承载能力几乎全部由桩侧摩阻力承担,则按群桩侧阻效应系数公式计算群桩效应系数:ηs=Gs⋅CsCs=1+0.1Sad−0.8[Bcl−ln(0.2Bcl+1)]ηs=Gs⋅CsCs=1+0.1Sad-0.8[Bcl-ln(0.2Bcl+1)]Gs的值根据Sa/d=13025=5.2Sa/d=13025=5.2取为1.08,将Bcl=6101330Bcl=6101330代入上式,最后计算得:ηs=1.08×1.223≈1.32这与试验结果群桩综合效应系数ηsp=1.24基本一致,当然由于以群桩侧阻效应代替群桩综合效应,两者之间存在差值是正常的。(3)差值讨论实测和按《建筑桩基技术规范》计算的群桩效应系数均大于1,这说明在本试验的地质条件下,群桩承载力大于单桩承载力之和。这是由于承台和桩壁传递的竖向荷载,使桩间土的竖向压力和侧向压力增大,从而提高了土的强度的缘故。在按规范计算时,由于仅考虑了群桩的侧阻效应,尚未考虑承台削弱效应的影响,低承台直接与土面接触,限制了群桩上部桩土的相对位移,使群桩上部侧摩擦阻力减小。而计算得出的侧阻群桩效应系数大于实测的综合群桩效应系数,也说明了承台对侧阻具有削弱作用。因而在理论上,群桩的综合效应系数应小于1.32。由此可见,试验结果与理论计算值是相符的。5群桩效应系数(1)在本试验条件下,群桩综合效应系数大于1,群