尚峰利

（河北路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

荷載傳遞是超長樁工作特性的重要內(nèi)容，包括：荷載的分配，傳遞方式，地基土、樁身及樁端土共同承擔外荷載的相互關(guān)系，發(fā)揮過程和分布規(guī)律。具有以下特點：超長樁具有和普通樁前兩階段相似的特性，即荷載—沉降曲線為緩變型，沒有明顯的破壞特征；樁頂限制沉降較小時樁側(cè)阻力發(fā)揮并不充分；超長鉆孔樁承載力由沉降控制。上述特點在杭州錢塘江四橋、五橋、六橋，湛江海灣大橋，東營黃河大橋、青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋等工程項目的超長鉆孔灌注樁荷載試驗均得到驗證。

筆者以超長樁荷載傳遞機理為核心，以我國正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大橋為依托，在大量的現(xiàn)場試樁資料統(tǒng)計、分析基礎(chǔ)上，通過樁土剛度與樁長的關(guān)系分析和超長鉆孔灌注樁的受力特征分析，建立了基于樁土總剛度、樁土剪切剛度、樁端土抗壓剛度等參數(shù)的超長鉆孔灌注樁單樁承載力剛度計算法，使超長鉆孔灌注樁的計算設(shè)計更加貼合實際。

1 樁土傳遞的函數(shù)模型建立

1.1 樁側(cè)阻力—樁土相對位移的函數(shù)模型

在樁身任意深度處取一微分樁段（如圖1所示），由平衡條件可得樁土體系荷載傳遞的基本微分方程：

其求解取決于樁側(cè)及樁端荷載傳遞函數(shù)τ—S的形式。

圖1 樁土體系荷載傳遞

1.2 樁側(cè)土荷載傳遞函數(shù)模型

通過大量的室內(nèi)、室外試驗可知，雙曲線型傳遞函數(shù)能較好的對樁土τ～S進行擬合，且擬合方法簡單、精度高，并可用相關(guān)系數(shù)來評價τ～S曲線的擬合效果，如圖2所示。

圖2 雙曲線函數(shù)模型

雙曲線型荷載傳遞函數(shù)表達式為：

1.3 樁端土的荷載傳遞函數(shù)模型

超長鉆孔灌注樁樁端土的力學模型即可采用雙曲線函數(shù)，也可簡化為雙折線函數(shù)近似模擬其荷載傳遞性能。

樁端土承載力雙曲線型表達式：

樁端承載力雙折線型表達式：

1.4 樁身荷載傳遞的剛度法函數(shù)解

基于雙曲線函數(shù)模型的荷載傳遞剛度法函數(shù)解是本研究提出的超長鉆孔灌注樁單樁承載力新計算體系，它使超長鉆孔灌注樁的設(shè)計、計算更加精細化，計算更符合實際情況。

圖3和4分別為樁土計算模型、簡化計算模型，若采用矩陣剛度法進行樁基結(jié)構(gòu)計算，其基本方程為：

圖3 樁土計算模型

圖4 樁土簡化計算模型

超長鉆孔灌注樁樁頂受到一個樁頂力P，得到沉降量為S總：

在樁頂荷載作用下，第n段樁第i分段的樁側(cè)摩阻力τi可按雙曲線函數(shù)表示為：

樁端反力σR可表示為：

若-Si為樁側(cè)的樁土位移，設(shè)-Ki為樁側(cè)的樁土剪切剛度，則樁側(cè)摩阻力Ti及樁端反力可表示為：

第i分段的彈性壓縮量ΔSi為：

各段樁樁身壓縮量與樁土間相對位移有如下關(guān)系：

經(jīng)推導可得：

式中：P為單樁樁頂軸向受力，kN；τi為第i段樁對應的樁側(cè)摩阻力，kPa；σR為樁端土承載力，kPa；u為樁的周長，m；A為樁底截面面積，m2；n為鉆孔樁總段數(shù)；li為各-土層的厚度，m；KnA為樁土總剛度（kN/mm）；Ki為第i段樁樁與土的剪切剛度，kN/mm；Ki為第i段樁樁身豎向彈性剛K0為樁端處土的彈性抗壓剛度系數(shù)，kPa/mm。

通過引入的樁土剛度各參數(shù)及樁身荷載傳遞的剛度法函數(shù)解可對超長鉆孔灌注樁的界定長度及有效樁長進行判定、分析。

2 樁土傳遞的函數(shù)模型擬合分析

對大量樁土位移室外現(xiàn)場原位試驗及室內(nèi)模型試驗數(shù)據(jù)進行分析表明，雙曲線函數(shù)能夠較好地擬合側(cè)摩阻力與樁土位移之間的關(guān)系，且擬合方法簡單，參數(shù)少，擬合精度高（見圖5～圖8）。室內(nèi)各類土試驗及模型樁試驗數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，試樁實測各土層的擬合相關(guān)系數(shù)大于0.8的為98%以上。

圖5 室內(nèi)試驗各類土的τ —S擬合曲線圖

圖6 模型樁樁土τ —S擬合曲線圖

圖7 原型試樁樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移擬合曲線圖

圖8 原型試樁樁端土τ —S線圖

利用各原型試樁得到樁側(cè)樁端荷載傳遞函數(shù)后，對樁頂實測P—S曲線進行擬合，圖9和圖10為部分原位超長樁試樁擬合結(jié)果，從圖中可以看出用雙曲線傳遞函數(shù)能較好地對樁頂P—S曲線進行擬合，誤差較小。

圖9 錢江四橋?qū)崪y與計算P—S曲線

圖10 錢江五橋?qū)崪y與計算P—S曲線

3 不同參數(shù)對超長樁承載性能的影響

筆者主要分析樁側(cè)土剪切模量、樁身混凝土模量、長徑比、樁長和樁徑等超長鉆孔灌注樁荷載傳遞性狀影響因素。圖11～圖15為部分不同參數(shù)下計算曲線。各參數(shù)對樁基承載性狀有不同程度的影響，設(shè)計時應選擇合適的長徑比，在盡量減少工程量的同時，達到設(shè)計要求的承載能力和樁頂容許位移的要求。

圖11 樁側(cè)土不同剪切模量下P—S曲線

圖12 不同長徑比單樁荷載P—S曲線

圖13 不同樁長單樁荷載P—S曲線

圖14 不同樁徑單樁荷載P—S曲線

圖15 不同樁身彈模單樁P—S曲線

4 超長樁有限元分析計算

本研究借助大型通用有限元軟件ANSYS對鉆孔灌注樁進行三維空間仿真分析，通過計算實例分別分析了樁長、樁徑、土體黏聚力c值、樁側(cè)土體剛度、樁端土體剛度對樁基承載性能的影響程度。圖16為計算模型示例，圖17～圖21為部分計算結(jié)果曲線。

圖16 計算模型示例圖片

圖17 不同樁長樁基Q—S曲線

圖18 不同樁徑樁基Q—S曲線

圖19 不同c值樁基Q—S曲線

圖20 樁側(cè)土不同剪切剛度樁基Q—S曲線

圖21 不同樁端土剛度樁基Q—S曲線

分析結(jié)論如下：

（1）極限承載力隨樁體長度的增加而加大，但對應的樁基沉降也隨之增大，所以不能一味的靠增加樁長來提高承載力；

（2）可以通過增大樁基樁徑來提高樁基極限承載力，但樁徑增大，工程材料用量也將增大；

（3）黏聚力c值對超長鉆孔灌注樁樁體豎向承載性能的影響不大；

（4）樁側(cè)土體剛度對樁基沉降影響較大，當樁側(cè)土體剪切剛度增加，樁基沉降就會減小，反之，樁基沉降就會增大；

（5）樁端土體剛度增加，超長鉆孔灌注豎向承載力增長不明顯，所以希望通過加大樁長，將樁端支承在很深的硬土層上以獲得高的端阻力的方法是很不經(jīng)濟的，增加了工程造價但并不能提高很多的承載力。

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