高速公路大直径钻孔灌注桩的沉降计算研究

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摘要：随着我国高速事业的不断高速发展，高速公路为控制沉降，大量使用大直径钻孔灌注桩。由于现有桩轴向荷载-沉降计算方法在理论上仍存在各自的缺陷、在应用上又难以满足各方面的要求的情况下, 根据大直径钻孔灌注桩的实际情况,采取一些合理的简化措施后,提出了一种实用的桩基沉降计算方法,实例分析表明,该方法可较好地预测桩的沉降量。

关键词：钻孔灌注桩，沉降，侧阻力，端阻力

中图分类号：U443.15+4文献标识码： A 文章编号：

1前言

随着国民经济的快速增长，我国的建筑事业繁荣发展，特别是公路事业正处于空前的高速增长时期，建筑物的基础质量也有了显著的提高，尤其在桩基承载力方面，对具有较高单桩承载力的大直径钻孔灌注桩的使用变得更为普遍。但对于该类型桩的承载特性，到目前为止还不是很清楚，至今仍没有合理的计算方法。现行规范的设计方法不能充分反映大直径桩的承载机理，理论与实际之间存在着矛盾，因此，开展大直径桩承载性能研究不仅是桩基理论自身发展的需要，更是工程界的迫切要求[1]。

2桩沉降因素分析

对于桩基础竖向承载力研究，由于涉及到承台—桩—土三者的相互作用，所以承载力性状十分复杂。影响桩基础竖向承载力的因素很多，主要受到桩侧和桩端土层性质的影响及钻孔孔壁性状的影响，同时也要受到施工工艺和技术的影响。

上覆土层良好的大直径钻孔灌注长桩，桩端持力层为砂砾石、强风化、中风化或微风化基岩，只要沉渣厚度不是非常厚，都可认为是摩擦端承桩。大直径钻孔灌注桩由于桩较长，桩侧摩阻力的发挥段较长。不同桩身处、不同强度土的屈服发展进程是不一致的，且相互制约。桩周土摩阻力的部分恢复和进一步屈服是同时发生的，没有明确界限。桩端阻力开始发展的初期实质上是孔底沉渣和扰动土的压实[2,3]。

3力学模型和数学推导

宏观上看，桩基础竖向承载力由桩身材料强度和土两方面因素控制。由桩、土的荷载传递机理可知，桩基竖向承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成，若忽略二者的相互影响，则基桩竖向极限承载力可表示为：

（1）

式中——桩侧土体极限侧阻力

——桩侧土体极限端阻力

图1计算模型图

取土体一微段（如图1所示），进行分析。列平衡方程如下：

（2）

整理上式，可得

（3）

式中——Z深度处桩身轴力，

——桩身断面周长，

——桩侧分布摩擦力，

桩身材料相对与土体的受荷载变形小得多，故对其一般按照弹性材料计算。微段桩的轴向压缩变形及的关系为

（4）

式中——桩身压缩沉降，

——桩身弹性模量，

——桩身断面积，

将（3）式代入（4）式得单桩轴向荷载传递的基本微分方程：

（5）

采用理想弹塑性关系的传递函数【4】（如图2所示），即

图2线弹性全塑性传递曲线图

（6）

式中，—土的抗剪刚度变形系数，

—桩土界面相对位移，

—桩侧摩阻力充分发挥时的桩土界面相对位移，

—桩侧极限摩阻力，

运用文克尔地基模型，文克尔地基模型假定地基土表面上任一点处的变形与该点所承受的压力强度成正比，而与其他点上的压力无关，即其中，称为地基抗力系数（）。

在弹性剪切阶段，桩周土未达到极限摩阻力，即，将此式代入（3.1），得

（7）

桩土相对位移=桩身混凝土的压缩量+桩端沉降量—桩周土的沉降量。在这里，未考虑桩周土的沉降量[5,6]。

（8）

令得：

（9）

（10）

引入边界条件得，

（11）

（12）

将（11）式，（12）式代入（9）式，（10）式得到桩的沉降位移和轴力的计算公式：

（13）

（14）

4工程实例分析

以济南至乐陵高速公路LQSG-5标德惠新河大桥3#墩为例，其基础采用钻孔灌注桩,选取部分桩基，基坑开挖深度为4.3m,桩直径为1500mm,桩长44m,桩的极限承载力为5099kN,桩端持力层为粘土,桩端土承载力极限值为200 kPa。地基土按土质可分为11层,桩身砼为C25,平均弹性模量取为28 GPa。

采用自编程序计算,按前述方法输入所需原始数据,可算得桩身的总压缩量为3.23 mm。同样由程序计算可知,桩端平面处岩层附加应力为29153 kPa,而此处岩层的自重应力就达356kPa。由此可知,此处岩层的附加应力已小于自重应力的20%,这样即可认为桩基的沉降量主要是桩身的压缩量,而忽略桩端平面以下岩层的压缩量。实测此工程桩基沉降为2.15 mm,与计算结果基本吻合[7,8,9]。

5结论

本文在现有桩轴向荷载-沉降计算方法在理论上仍存在各自的缺陷、在应用上又难以满足各方面的要求的情况下,根据钻孔灌注桩的具体特性,考虑影响其沉降的一些主要因素,在常用的计算理论上予以简化,为钻孔灌注桩的沉降计算提供了一种实用的方法,方便设计人员运用,桩基沉降计算结果与实际结果基本吻合。

参考文献

[1]刘齐建.大直径桥梁桩基竖向承载力分析及试验研究[D]. 湖南大学硕士学位论文，2002.

[2]Coyle.H.M and Reese. L.C.Load transfer for axially loaded pile in clay[J].Soil Mech Found.Div,1966，92(SM2):1-26.

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[4]佐藤悟.基桩承载力机理[J].土木工程技术，Vo1.20，No1-5.

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[6]曹汉志.桩的轴向荷载传递及荷载—沉降曲线的数值计算方法[J].岩土工程学报，1986，8(6)：37-48.

[7]Randolph M F.Worth C P(1978).Analysis of deformation of vertically loaded pile[J].Journal of theGeotechnical Engineering Division,1978.

[8]Kraft,L.M,Ray,R.P and Kagawa,T.(1981).Theoretical t-z curves,J.Geotech,Vol07,No.GT11.

[9]梅钮，方平，万建和等.单桩承载力动静试验对比分析.桩基工程技术[M].北京：中国建材工业出版社，1996.

作者简介：常兆华（1985-），男，汉族，河北辛集人，助理工程师，主要从事路桥施工工作。