（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國(guó)鐵塔股份有限公司貴陽(yáng)市分公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

近些年以來(lái)，我國(guó)各種工程基礎(chǔ)類(lèi)中大直徑嵌巖樁得到了不斷推廣與應(yīng)用，關(guān)于大直徑嵌巖樁承受力也得到了更多重視，特別是存在地下水的工程建造中的特性。由于地下水環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，在進(jìn)行施工的過(guò)程中是比較多變的，并且水上的荷載相對(duì)是比較高的，對(duì)于大直徑嵌巖樁的承載力的研究就變得尤其的重要，也成為在工程建設(shè)中的重要方向。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑嵌巖樁的研究是比較多的，本文主要是結(jié)合卸船碼頭以及有限元方法對(duì)大直徑嵌巖樁展開(kāi)研究，主要討論了其嵌巖鋼管合理的嵌巖深度以及其套管在深水處嵌巖樁水平方向上的承受能力。本文研究成果對(duì)于工程設(shè)計(jì)以及施工都具有十分重要的參考價(jià)值。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的分析

1.1 實(shí)驗(yàn)基本概況

本文研究的卸船碼頭位于景區(qū)水庫(kù)附近，其所處的水域相對(duì)較深，為了滿足游船承載力要求，基礎(chǔ)前沿采用鋼管混凝土樁，所用的鋼管套直徑為2.8m，長(zhǎng)度為40m，其嵌深度為5.2m。樁基的基本設(shè)計(jì)過(guò)程是先將鋼套管在強(qiáng)風(fēng)化層打入一定深度，保證樁基穩(wěn)定性；然后架設(shè)嵌巖鉆孔，鉆孔結(jié)束后進(jìn)行澆筑。我國(guó)港口工程建設(shè)的時(shí)候采用大型嵌巖樁基礎(chǔ)相對(duì)比較少，但是碼頭的承載力要求較高。為了設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)前必須進(jìn)行樁基的承載力實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行擬建的時(shí)候選擇兩個(gè)排架，一共8 根樁，具體平面圖如圖1所示。S3、S4 為試驗(yàn)樁，M1、M2、M3、M4 是大直徑嵌巖樁的承受樁，C1 與C2 是觀測(cè)專(zhuān)用的基準(zhǔn)樁。這8 根樁都位于混凝土套箱中。

圖1 試樁平面圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了更準(zhǔn)確的測(cè)量鋼套管嵌巖灌注樁的水平承載力，需進(jìn)行自由樁的承載力實(shí)驗(yàn)，其荷載主要是一個(gè)作用在其樁頂部5.5m 處的集中力，作用力與樁面上的中心的偏移不大于10mm。在進(jìn)行承載力計(jì)算的時(shí)候采用單循環(huán)法進(jìn)行荷載加卸，最大加載量按照荷載的1.5 倍進(jìn)行考慮，將加載過(guò)程中最大的控制值平均分為10 級(jí)。為了更準(zhǔn)確的比較套箱內(nèi)進(jìn)行填砂和不填砂的承載力區(qū)別，分別對(duì)兩根樁進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，S3 中進(jìn)行填砂，在進(jìn)行承載力實(shí)驗(yàn)的時(shí)候保留填砂；S4 樁進(jìn)行無(wú)砂試樁，在施工的時(shí)候全部抽去填砂。

在試驗(yàn)過(guò)程中，水平荷載用2000KN 的千斤頂進(jìn)行加載，對(duì)其采用傳感器控制以及承載力測(cè)定，并對(duì)水平位移進(jìn)行檢測(cè)。在樁身預(yù)埋的時(shí)候，在水平承載力實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要對(duì)側(cè)向變形進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)要對(duì)測(cè)試樁身進(jìn)行變力與軸力的測(cè)量。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）樁頂水平位移

S3、S4 的承載力與作用點(diǎn)的具體關(guān)系如圖2所示，主要特征值如表1所示。根據(jù)圖2中可以得知，S3、S4 樁的位置變化都是正常形態(tài)下的變化，屬于正常現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)荷載及發(fā)生的位移都在控制范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)具體要求。由圖2中可以得到，S3 的水平承載力是342KN，在對(duì)應(yīng)情況之下樁身發(fā)生的水平位移為35.48mm。S4 承載力大小為312KN，對(duì)應(yīng)的樁身位移為38.92mm。

圖2 試樁承載力H 與水平位移Y 曲線

表1 S3 與S4 樁位移測(cè)試特征數(shù)值表

（2）樁身彎矩

樁身彎矩的具體分布可以根據(jù)具體的測(cè)試截面值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果為圖3所示，對(duì)于嵌巖段的樁徑大小為2.6m。經(jīng)過(guò)測(cè)驗(yàn)之后，S3 的最大彎矩是在-27m 處，最大的數(shù)值為17000KN/m；S4 的最大彎矩在-29m 處，最大值為15000KN/m。這兩個(gè)測(cè)試樁都在樁底0.5m 以上存在彎矩，最大承載力分別為2200KN/m 和5500KN/m。在樁身到強(qiáng)風(fēng)化巖石層之間相距3m 位置處，即是樁身變形的位置，又是起始位置。所以，在這一點(diǎn)處的彎矩相對(duì)比較大，并有集中力，如果承受力超過(guò)一定的限度，對(duì)于這一段樁身而言就可能會(huì)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

圖3 試樁泥面以下測(cè)試的截面彎矩曲線圖

（3）樁身側(cè)向移動(dòng)

實(shí)驗(yàn)樁軸線的側(cè)向位移是通過(guò)測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，圖4是對(duì)樁身側(cè)向移動(dòng)的具體描述圖。雖然樁頂?shù)奈灰葡鄬?duì)比較大，但是由于在泥面上的自由度相對(duì)比較大，在泥面以下的位移相對(duì)會(huì)小一些。在樁底附近位置時(shí)，樁身側(cè)向移動(dòng)會(huì)出現(xiàn)接近于零，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值，但是偏移量都很小。實(shí)際上樁身側(cè)向移動(dòng)曲線可以表現(xiàn)出S3、S4 樁身的側(cè)向移動(dòng)。

圖4 試樁側(cè)身位移Y 曲線圖

（4）樁身側(cè)基土的抗力

在泥面以下樁身側(cè)的抗力q 主要是根據(jù)彎矩以及剪力來(lái)計(jì)算，具體圖像如圖5所示。S3 測(cè)試樁在標(biāo)高-26m 的時(shí)候抗力明顯增大，直到-28m 時(shí)達(dá)到了地基抗力最大值，在這一位置繼續(xù)往下就會(huì)出現(xiàn)反向遞減，一直到達(dá)-30.5m 時(shí)，測(cè)試樁的地基抗力成為零，再繼續(xù)往下就是正值。對(duì)于測(cè)試樁S4 的地基抗力在-27.3m 處出現(xiàn)的負(fù)值比較大，一直延續(xù)到了-29.3m 處，在這一點(diǎn)到達(dá)了-258KN/m，再繼續(xù)往下數(shù)值又會(huì)出現(xiàn)逐漸遞減。通過(guò)S3、S4測(cè)試樁的身側(cè)的地基抗力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有效的地基抗力都是相同的，其位置出現(xiàn)在6m 位置左右。

圖5 試樁地基抗力具體分布圖

2 大直徑嵌巖樁具體分析

本文為了更好的對(duì)大直徑嵌巖樁進(jìn)行分析，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行具體探究，在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量及計(jì)算之后，采用有限元法對(duì)測(cè)試樁及巖石的作用進(jìn)行具體的數(shù)值分析。

2.1 分析具體模型

運(yùn)用有限元模型對(duì)S3 樁進(jìn)行具體分析，有限元模型圖如圖6所示。在圖中把套箱中的填砂進(jìn)行了簡(jiǎn)化調(diào)整，也就是在標(biāo)高-28.35m 處，因?yàn)樵谶\(yùn)用有限元進(jìn)行模型建立的時(shí)候，需要保證這一模型的對(duì)稱性，所以選擇模型的一半進(jìn)行模型建立。其地基長(zhǎng)為40m，寬為20m，高為40m。

圖6 有限元模型圖

有限元模型的建立，需要考慮在試驗(yàn)時(shí)加載的強(qiáng)度是相對(duì)較低的，所以需要考慮其彈性模量以及相應(yīng)的泊松比。樁身、鋼套管彈性模量分別為39000MPa、201000MPa，泊松比分別為0.2、0.15；經(jīng)過(guò)相關(guān)材料調(diào)查，粗砂、強(qiáng)風(fēng)化巖以及中風(fēng)化巖的彈性模量分別為80MPa，1000MPa，12000MPa，泊松比分別為0.3，0.2，0.2。數(shù)值的相關(guān)計(jì)算以及實(shí)際測(cè)量都與342KN 的結(jié)果進(jìn)行了比較，因?yàn)槟Ｐ褪蔷哂袑?duì)稱性的，所以其數(shù)值為171KN。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

將計(jì)算數(shù)值與實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行比較，圖7為對(duì)比分析圖。經(jīng)過(guò)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)運(yùn)用有限元模型進(jìn)行計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本吻合。如果對(duì)樁身位移進(jìn)行比較，則會(huì)存在一定誤差。實(shí)際測(cè)量與計(jì)算的微風(fēng)化巖的位移分別為0.42m、0.24m，計(jì)算與實(shí)測(cè)位移最大值分別出現(xiàn)在-31.2m、-31.5m。由于大直徑嵌巖樁的施工過(guò)程是采用機(jī)械施工方式，所以對(duì)嵌巖樁造成了一定的破壞，這也是導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量與計(jì)算過(guò)程出現(xiàn)誤差的重要原因之一。除此之外，材料的選擇也是其中的一個(gè)重要的原因。

圖7 試樁S3 的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

2.3 嵌巖樁的參數(shù)分析

由于S3 實(shí)際嵌入中風(fēng)化層的位置為5.2m，其實(shí)際測(cè)量的彎矩大于1MN·m，因此有必要加深對(duì)嵌巖的深度。所以建立深度為6.1m 與10m 的模型進(jìn)行比較，并進(jìn)行具體的分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對(duì)巖石以上的樁身進(jìn)行位移之后沒(méi)有明顯差距，具體的位移如表2所示。同時(shí)為了分析鋼管套的加固作用，對(duì)沒(méi)有加固鋼管的樁身進(jìn)行位移計(jì)算，具體如表2及圖8所示。在沒(méi)有鋼材套管的樁身砂層位置上面發(fā)生了較大的偏移量，但是其它部位沒(méi)有太大的變化。

表2 樁身位移的具體變化

圖8 樁身的位移曲線比較

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，主要得到以下三個(gè)結(jié)論。（1）大直徑嵌巖樁在水平方向的承載力主要依靠對(duì)樁前巖的壓縮，因其承擔(dān)了大多數(shù)水平方向的承載力。（2）鋼管套與混凝土樁的變形在一定荷載范圍之內(nèi)可以對(duì)整體起到有效的控制，超過(guò)這一范圍之后，鋼套管與混凝土的變形是不一致的。（3）采用有限元對(duì)大直徑嵌巖樁水平承載力的分析，可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行很好的反應(yīng)，相關(guān)參數(shù)的研究證明超過(guò)其臨界值的時(shí)候，承載力不會(huì)再有明顯的變化。本文對(duì)大直徑嵌巖樁的研究有助于工程類(lèi)項(xiàng)目的順利實(shí)施。