龍碧英

(湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 吉首 416000)

超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁是大型橋梁工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要樁型［1，2］，實(shí)踐證明其在深厚軟基加固處理中效果良好，有效控制了基礎(chǔ)沉降變形，滿足了結(jié)構(gòu)工程高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)變形控制要求。盡管超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但由于不同工程現(xiàn)場(chǎng)條件、受力狀態(tài)差異很大［3，4］，使得超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁仍沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，它的承載特性也不十分明確，因此其設(shè)計(jì)理論并不是建立變形機(jī)理基礎(chǔ)上。往往需要在建設(shè)過(guò)程中作大量樁體承載試驗(yàn)［5］，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)。受限于不同工程受力特性與工作機(jī)理的不同，這類(lèi)樁基礎(chǔ)仍具有先實(shí)踐后理論的特點(diǎn)。由此，本文開(kāi)展超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁加固深厚軟基承載性狀研究，為進(jìn)一步完善此類(lèi)型樁的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考幫助。

1 工程特性與施工工藝

1.1 超長(zhǎng)鉆孔樁基本工程特性

不同的工程地質(zhì)條件與成樁工藝，造成不同建設(shè)項(xiàng)目中超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁承載特性也各不相同。但通過(guò)大量工程實(shí)踐與試驗(yàn)總結(jié)可知［6，7］，超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁具有以下幾點(diǎn)共同特征:

1)P－S 曲線。超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁P－S 曲線主要呈緩變型，多數(shù)沒(méi)有第二拐點(diǎn)。由于大多工程樁試驗(yàn)為非破壞性試驗(yàn)，所以主要通過(guò)樁頂沉降量來(lái)控制樁極限荷載。

2)使用荷載作用下超長(zhǎng)大直徑樁主要為摩擦樁，樁端荷載很小甚至不承受荷載。

3)樁與土的剛度之比、樁的長(zhǎng)徑比是影響超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁荷載傳遞規(guī)律和變形規(guī)律的主要因素。

4)樁側(cè)摩阻力分布。超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁長(zhǎng)徑比越大，樁體彈性壓縮越大，上部樁體與土的相對(duì)位移較大，下部相對(duì)位移較小，結(jié)果造成上部土體摩阻力充分發(fā)揮，而下部土體摩擦阻力遠(yuǎn)未達(dá)到極限值。

1.2 大直徑超長(zhǎng)鉆孔樁施工工藝

超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁施工流程為:施工前準(zhǔn)備、鉆進(jìn)成孔、清孔、下鋼筋骨架、混凝土灌注。

施工前準(zhǔn)備具體包括:①場(chǎng)地準(zhǔn)備，施工隊(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，首先解決“三通一平”(即路通、水通、電通、場(chǎng)地平整);②技術(shù)準(zhǔn)備，根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制施工組織設(shè)計(jì)，明確鉆機(jī)類(lèi)型、鉆頭型式、護(hù)筒深度、放線定點(diǎn)等工作內(nèi)容;③機(jī)具準(zhǔn)備，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)配備數(shù)量足夠的施工機(jī)具;④材料準(zhǔn)備，開(kāi)工前準(zhǔn)備好混凝土配合比設(shè)計(jì)，泥漿備料調(diào)制等工作。

成孔操作要點(diǎn)具體包括:①場(chǎng)地平整;②埋設(shè)護(hù)筒，保護(hù)孔口不坍塌并保證孔內(nèi)水位高出地下水以形成靜水壓力;③泥漿，由于泥漿相對(duì)密度大于水，故泥漿靜水壓力比水大，依靠泥漿靜水壓力作用保護(hù)孔壁以免坍塌;④隨鉆進(jìn)土性不同，隨時(shí)調(diào)制泥漿相對(duì)密度、粘度等指標(biāo)。鉆孔時(shí)應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，注意降低鉆孔機(jī)具的重心，防止傾斜。根據(jù)土層、孔徑、孔深等因素合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)。

清孔目的是降低原有泥漿相對(duì)密度、粘度等指標(biāo)，減少孔底沉淀防止其影響樁體承載力，同時(shí)為灌注混凝土創(chuàng)造良好條件，保證混凝土質(zhì)量。

下放鋼筋骨架。在加工場(chǎng)地制作完成鋼筋骨架，采用大型機(jī)具將鋼筋骨架豎向垂直吊入孔內(nèi)，注意保持鋼筋骨架垂直。

灌注混凝土:超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁一般采用導(dǎo)管法灌注。隨灌注高度上升及時(shí)提升導(dǎo)管，提升時(shí)保證導(dǎo)管底端埋入混凝土4～6 m，導(dǎo)管底端嚴(yán)禁提出混凝土。成樁后應(yīng)對(duì)樁身完整性、沉渣進(jìn)行檢測(cè)。采用低應(yīng)變應(yīng)力波動(dòng)力檢測(cè)樁身完整性，確定樁身缺陷的類(lèi)型及位置，評(píng)定樁身質(zhì)量。還需對(duì)個(gè)別樁進(jìn)行鉆孔取芯，直觀判別樁身混凝土完整程度及混凝土強(qiáng)度，結(jié)果與動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證。

2 承載特性試驗(yàn)研究

2.1 工程概況

嘉紹大橋是嘉紹公路跨越錢(qián)塘江的一座特大型橋梁，設(shè)計(jì)車(chē)速100 km/h，雙向八車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，大橋橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為40.5 m，全長(zhǎng)10.207 km，主航道橋橋跨為六塔斜拉橋。嘉紹大橋水中區(qū)引橋樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)116 m，樁徑3.8 m，為典型的超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁。深100 m 范圍內(nèi)以粘土和砂土為主，基巖埋置很深，持力層無(wú)法設(shè)于基巖上。如此深厚地基上建筑大型斜拉橋?qū)A(chǔ)設(shè)計(jì)提出很高的要求，而由于基巖埋藏很深無(wú)法直接作為持力層，因此給設(shè)計(jì)施工帶來(lái)很大難題。

2.2 工藝樁靜載試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)是否可靠，檢驗(yàn)成樁質(zhì)量，明確超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁承載性狀及荷載傳遞特性，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展工藝試樁靜載試驗(yàn)。見(jiàn)圖1。

圖1 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容主要有設(shè)計(jì)荷載與極限荷載作用下獲取超長(zhǎng)大直徑灌注樁受力機(jī)理與沉降變形。具體有測(cè)試各級(jí)靜載作用下樁頂沉降變形;樁內(nèi)預(yù)埋鋼筋計(jì)，樁間土預(yù)埋土壓力盒，測(cè)試各級(jí)荷載作用下樁身截面內(nèi)力分布及樁周土側(cè)摩阻力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2P－S 曲線可知，試驗(yàn)得到的曲線呈超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁較為典型的緩變型曲線，加載至預(yù)估極限承載力13 580 kPa 未出現(xiàn)向下折段，與其他超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁的P－S 曲線類(lèi)似，此次試驗(yàn)曲線沒(méi)有明顯的第二拐點(diǎn)。P－S 曲線在設(shè)計(jì)容許承載力加載至預(yù)估極限承載力階段呈線性變化，說(shuō)明樁處于彈性變形階段，工作狀況良好。

圖2 P－S 曲線

各級(jí)荷載作用下樁身截面應(yīng)力測(cè)試得到如圖3所示樁體軸力沿深度分布曲線。由圖可知，樁身軸力衰減速率較快，在67.5 m 后線性衰減至零;荷載越小，樁身軸力衰減越快。荷載增大到6 730 kN時(shí)，樁端反力出現(xiàn)，但非常小。加載至預(yù)估極限荷載后樁端反力增幅非常有限，說(shuō)明了樁側(cè)摩阻力作用并承擔(dān)全部荷載，即該超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁為純摩擦樁。

圖3 樁體軸力分布曲線

圖4 樁側(cè)摩阻力－深度－荷載分布曲線

圖4為試驗(yàn)得到的樁側(cè)摩阻力－荷載級(jí)別－深度分布規(guī)律，可知，樁側(cè)摩阻力隨荷載增大而變大，其中樁上部(11.5 m)側(cè)摩阻力顯著大于樁中下部，最大為115.6 kPa。這與以往工程經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)果相似，即超長(zhǎng)樁上部充分發(fā)揮摩阻力作用，而下部則遠(yuǎn)未達(dá)到極限值。

3 承載特性數(shù)值分析

3.1 有限元模型建立

考慮工藝性試樁局限性(主要體現(xiàn)在地基條件、工況差異)，本文通過(guò)數(shù)值建模進(jìn)一步對(duì)超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁承載特性進(jìn)行計(jì)算分析。在此采用有限元計(jì)算方法，有限元數(shù)值分析是否合理，取決于本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)的合理選擇。本文模型采用的材料模型主要為:

1)樁。考慮樁為鋼筋混凝土，在荷載作用下基本處于彈性狀態(tài)，故采用彈性模型。本文樁體彈性模量采用等效換算，取值為2.8 ×104～3.0 ×104MPa。

2)土。Mohr－Coulomb 模型參數(shù)少，容易通過(guò)土工試驗(yàn)得到，因此本文土體材料采用Mohr－Coulomb模型。

3)樁—土接觸面。樁土相互作用除考慮二者各自特性，還必須對(duì)樁土接觸面作特殊分析。模型在樁土之間設(shè)置接觸單元以充分反映接觸面受力特性。接觸單元尺寸為樁周0.3 m，彈性模量1.0 ×103MPa。

樁土作用分析可看做軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，故取樁的1/4 建模，如圖5所示。取10 倍樁徑范圍的樁周土做分析，樁土模型均為8 節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元。模型對(duì)稱(chēng)面為對(duì)稱(chēng)約束，圓弧側(cè)面與底部固定約束。

圖5 有限元模型及局部放大示意圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算主要獲取樁頂位移與荷載關(guān)系、樁身荷載與樁側(cè)摩阻力分布，基于此分析了解以超長(zhǎng)大直徑鉆孔工作性狀。

計(jì)算得到樁頂沉降曲線如圖6所示，可見(jiàn)，計(jì)算與試驗(yàn)P－S 曲線基本規(guī)律一致。但有限元計(jì)算P－S 曲線比試驗(yàn)曲線更陡，相同荷載作用下沉降量更大。這是由于有限元計(jì)算不區(qū)別靜摩擦與動(dòng)摩擦，采用統(tǒng)一的摩擦系數(shù)，且實(shí)際施工過(guò)程中，樁上部土體往往進(jìn)行處理改造，由此造成模型參數(shù)與實(shí)際存在差異，計(jì)算值更為保守安全。

圖6 計(jì)算P－S 曲線

計(jì)算得到樁身軸力分布如圖7所示。荷載級(jí)別較小時(shí)，樁側(cè)摩阻力未發(fā)揮，因此樁身軸力傳遞快。隨荷載增加，樁身軸力以剪應(yīng)力方式傳遞到樁周土，樁身軸力衰減速率明顯增快。對(duì)比可知，計(jì)算速率比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)快，但趨勢(shì)一致。

圖7 計(jì)算軸力分布曲線

圖8所示為極限荷載作用下樁側(cè)摩阻力分布曲線，曲線呈現(xiàn)近似“R”型分布，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)揮了極限摩阻力。計(jì)算與實(shí)測(cè)摩阻有一定差異，這種差異主要體現(xiàn)在樁的中下部摩阻力值，該位置計(jì)算得到的量值明顯大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。分析認(rèn)為是由于簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程中對(duì)樁端位置樁土相互作用難以完全與實(shí)際相符，計(jì)算過(guò)程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域受力變形出現(xiàn)異常。

圖8 極限側(cè)摩阻力深度分布曲線

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果分析可知，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，量值偏大，更為保守，隨著有限元計(jì)算方法進(jìn)一步完善，采用該方法可為超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁的設(shè)計(jì)提供有益的補(bǔ)充。

4 結(jié)論

本文針對(duì)超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁加固深厚軟基工程問(wèn)題開(kāi)始試驗(yàn)研究與理論計(jì)算，得到以下主要結(jié)論:

1)超長(zhǎng)大直徑鉆孔樁為大型橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要樁型，設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)與建筑要求確定，必須依靠工藝試驗(yàn)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，該樁為純摩擦樁，在各級(jí)荷載作用下工作狀況良好，設(shè)計(jì)施工滿足要求。

3)試驗(yàn)與計(jì)算互為補(bǔ)充，得到樁身軸力分布、樁頂沉降、樁側(cè)阻力分布等規(guī)律，可為今后設(shè)計(jì)提供參考。

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