深嵌岩桩承载特性及其荷载传递法应用
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摘要：为了弥补大直径深嵌岩桩（嵌岩比hr/b≥5）承载特性研究领域的不足，利用青岛海湾大桥试桩zh12的自平衡测试结果，对大直径深嵌岩桩的承载特性进行了分析。研究了深嵌岩桩嵌岩段实测的桩侧摩阻力与位移关系以及桩端阻力与位移关系，并与采用双曲线分布模式的荷载传递法进行了比较。研究结果表明：在软岩地区，大直径深嵌岩桩基桩顶处的荷载位移曲线为缓变型，近似为直线分布形态。从实测曲线的拟合结果来看，岩层处的侧摩阻力与位移关系采用双曲线拟合是可行的，参数1/b也能反映出桩侧极限摩阻力的数值；桩端岩层实测的荷载位移曲线也与双曲线形态比较相似；利用拟合曲线所得到的参数a、b反演计算所得到桩顶荷载位移曲线也与自平衡测试方法的实测结果接近。最后，根据实测结果分析了在不同单轴抗压强度状态下，桩侧极限摩阻力经验公式中参数α的取值范围。
关键词：桥梁工程；深嵌岩桩；荷载传递法；承载特性；桩侧摩阻力
中图分类号：U443.15
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0084-05
由于大直径嵌岩桩能够将上部结构的荷载传递到深层稳定的基岩中去，从而大大提高桩基础的承载力并能减少基础的沉降，所以大直径嵌岩桩基础在桥梁工程有着广泛的应用[1-3]。研究表明，当嵌岩深度为2～3倍桩径时，岩层的地基承载力发挥比较充分，嵌岩深度比较合理。但是随着大跨度桥梁工程的建设和上部结构荷载的增大，在一些地区已出现嵌岩深度超过5倍桩径的深长嵌岩桩基（嵌岩比hr/b≥5 ）。如浙江西堠门大桥[4]、青岛海湾大桥[5]、贵州北盘江大桥[6]等，本文所说的深嵌岩桩，主要是指此类桩型。由于该类桩基嵌岩深度较大，传统的静载荷试验难以加载至破坏状态且费用较高，采用自平衡试桩法可较好地解决此类问题，有关自平衡测试方法的优点可参见文献[7-8]。目前，对深嵌岩桩的相关理论研究和现场测试数据还比较缺乏[9-10]。在工程实践中如何利用已有的一些测试数据来预测该地区其他类似桩基的承载力就显得尤为必要。荷载传递法是一种概念明确、计算简单、实用性强的方法[11]。本文依托青岛海湾大桥zh12号桩的自平衡静载荷试验结果，对软岩地区深嵌岩桩的承载特性进行了分析，并利用实测桩端、桩侧摩阻力荷载位移曲线与双曲线位移模式的荷载传递法进行了对比分析，验证了该法在深嵌岩桩承载特性分析中应用可靠性。
1荷载传递函数形式及参数的确定
研究表明，对于一般粘土和砂土，桩侧摩阻力与桩身位移之间的双曲线关系是存在的，而对于软岩地区的深嵌岩桩，嵌岩段岩层的桩侧摩阻力与位移关系是否满足双曲线关系，文献却鲜有介绍。本文采用Reese采用的双曲线传递函数来拟合大直径深嵌岩桩的桩侧摩阻力、桩端阻力及其位移的关系。双曲线模型公式如下所示：
3实测阻力及荷载传递法拟合分析
3.1桩侧摩阻力及拟合分析
通过预先埋设在桩身的应变计可以比较方便的测出不同桩身截面处的轴力，进而计算出桩身的侧摩阻力。本文主要讨论深嵌岩桩嵌岩段桩侧摩阻力与位移关系双曲线函数形式的a、b值。
实测的各嵌岩段桩侧摩阻力与位移关系曲线如图4所示。从图4（a）中可以看出强风化粉砂质泥岩桩侧摩阻力与位移关系的双曲线特性并不明显。可能的原因是由于该土（岩）层的位置距离荷载箱的位置较远，桩侧摩阻力的发挥较小，且实测的数据存在一定程度的离散性所导致。对于弱风化粉砂质泥岩而言（标高分布范围为-4.41～ -11.21 m，如图4（b）所示），采用双曲线来拟合实测曲线，两者非常接近，说明该桩侧范围桩侧摩阻力与位移关系用双曲线模拟式是可行的。对于中风化角砾岩同样如此。
对于弱风化角砾岩，从曲线的拟合来看，尽管a、b取值略有不同，但拟合曲线与实测曲线的相关性还是比较理想的。
经对比分析可以看出，采用双曲线来拟合深嵌岩桩的桩侧摩阻力与位移关系与实测结果较为吻合，说明采用该法是可行的。
桩侧极限摩阻力与位移关系经过双曲线拟合后，各岩层处对应的a、b平均值结果如表3所示。
从表中可以看出，当单轴抗压强度采用天然单轴抗压强度时，α的数值一般介于0.2～0.3左右；采用饱和单轴抗压强度时，α的数值一般介于0.3～0.5左右；采用干燥单轴抗压强度时，α的数值一般介于0.05～0.1左右。本工程采用天然单轴抗压强度状态下所得到的α数值范围与Carter 和Kulhawy等的研究结果比较接近。
4结论
利用自平衡试桩法对软岩地区大直径深嵌岩桩承载特性进行了测试与分析，并把测试结果与荷载传递法进行了拟合分析。
从实测的结果来看，深嵌岩桩基在大吨位荷载作用下采用自平衡测试方法是可行的。实测结果表明，在软岩地区深嵌岩桩桩顶荷载位移曲线没有明显的陡降段，呈现为近似直线的分布形态，这与普通桩基受力形态明显不同。从勘察报告提供的极限侧摩阻力数据来看，实测的弱风化粉砂质泥岩、中等风化角砾岩数值与之相比，两者相差不大。而弱风化角砾岩极限摩阻力与勘探报告的预估值相差悬殊，在设计中应引起注意。
从拟合的结果来看，在软岩地区，深嵌岩桩桩侧摩阻力与桩身位移关系以及桩端阻力与位移关系是比较符合双曲线分布形态的。按照双曲线模型这种荷载传递函数进行模拟所得到的荷载位移关系同自平衡测试方法的实测结果比较吻合。证实了利用双曲线荷载传递函数对大直径深嵌岩桩进行模拟分析是完全可行的。在工程实践中如能利用测试数据得到相关岩层的a、b值，就可以利用荷载传递法预估其承载力，这对深嵌岩桩的设计是非常有利的。
研究结果表明：当桩侧极限摩阻力经验公式中，岩石强度如采用饱和单轴抗压强度时，α的数值一般介于0.3～0.5左右。
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