竖向荷载作用下的钻孔灌注长桩单桩承载变形特性分析

  桩基础己成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海上石油平台等采用的主基础形式,而且随着工程的需,人们在桩的施工技术、桩型的开发应用和设计理论方面又不断研究探索,使桩基技术得到蓬勃发展。近些年来,我国每年设桩数量超过一千万根。
   关键词竖向荷载;钻孔灌注;长桩单桩;承载变形
   Abstract The pile foundation has become the main basis in the form of high-rise buildings, large bridges, deep-water wharf and offshore oil platforms, and along with the needs of the project, the construction technology of the pile, pile development and application of design theory, continue toresearch and exploration, pile technology to flourish. In recent years, China’s annual number of established pile more than ten million.
  Key words vertical load; bored; long Pile; bearing deformation
  中图分类号 U443.15+4文献标识码A文章编号
  
  一、单桩荷载传递机理
   桩的作用是将上部荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到土层中去,使应力得到扩散。作用在桩顶的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受。桩侧摩阻力将荷载以剪应力形式传递给桩周土体,桩端持力层受桩端荷载和桩侧荷载共同作用而产生压缩变形导致桩基产生沉降,同时在竖向荷载作用下由于桩身的压缩也使桩顶产生沉降。因此,正确评价单桩在竖向荷载作用下的承载力和沉降,必须研究单桩在竖向荷载作用下的荷载传递机理。
   (一)桩土间的静力平衡
   单桩承载力一般取决于桩周岩土对桩的阻力,土对桩的阻力由两部分组成,其一为桩侧阻力,其二为桩端阻力。根据静力平衡条件,桩顶荷载Q与桩侧阻力Qs和桩端阻力Qb,之间的关系为Q=Qs+Qb。
   (二)桩土体系荷载传递的过程
   桩顶在轴向压力作用下,桩身将发生轴向弹性压缩,桩身的压缩变形使桩土之间产生相对位移(或相对位移趋势),从而导致桩侧土体对桩产生向上的摩阻力。由于桩侧摩阻力的作用桩身轴力和桩身压缩变形随深度衰减。随着荷载的增加,桩身压缩量和位移量不断增大,桩身下部的摩阻力逐步发挥出来,桩底土层也受到压缩而产生端阻力,桩端土层的压缩加大了桩土相对位移,从而使桩侧摩阻力进一步发挥出来。当桩侧摩阻力达到极限值后,若继续加载,其荷载增量将全部由桩端阻力分担。最后由于桩端持力层的不断压缩,桩顶的位移增长速率明显增加,直至桩端阻力达到极限,桩顶的位移急剧增大而破坏,此时桩所受的荷载就是桩的极限承载力。通过桩侧摩阻力和桩端阻力,桩将的上部结构的荷载扩散传给了桩侧和桩端的土中。桩侧阻力和桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载传递的过程。
  二、桩侧阻力的分析研究
   (一)桩侧阻力的发挥特性
   长桩桩侧摩阻力发挥,随着加载过程,首先是桩身上部桩侧摩阻力最先发挥;接着是中部侧摩阻力逐步发挥;但是,桩下部摩阻力发挥未必能充分发挥。显然,桩身下部的侧摩阻力发挥与桩结构特征和边界条件有关。此外,桩侧摩阻力分布不仅与荷载水平有关,土层性质对其也有直接影响,尤其是桩侧极限摩阻力的大小。
   1.实测桩侧摩阻力不同于理想状态下的摩阻力分布
   不同位置桩侧摩阻力的分布趋势是相同的,呈抛物线型分布。同时不同土)丢的桩侧摩阻力的变化趋势也是相同的。一长桩由于其一长度大,穿过的岩土的厚度大,层数多,所以有必对特性各异的岩土层分别分析,弄清楚各岩土层对桩承载力贡献的大小,为做到这一点,先划分出层组,再在层组中找出优势层(持力优势层、敏感优势层)。持力优势层一一指力学性质好、承载力大、厚度稳定且深度适宜可作为持力层的地层(即硬层);敏感优势层一一指力学性质软弱、易液化、承载力小、厚度稳定的地层(即软土层、液化土层)
   2.桩身摩阻力出现退化现象
   桩侧摩阻力沿桩身一定深度范围内,随着深度呈非线性增长,这一趋势直至深度为25m左右,再往下,桩侧摩阻力不再增加。
   3.桩端附近局部区域的侧摩阻力的分布呈典型的“R”形从理论上讲,桩的侧摩阻和端阻均是桩土相对位移的函数。当位移较小时,侧摩阻力沿桩身的分布曲线呈典型的上大下小的倒葫芦形。但是,由上图可知,桩阻抗的发挥和实际分布复杂得多。当荷载较大时,桩端附近局部区域的侧摩阻力的分布呈典型的“R”形。这是因为桩的侧摩阻和端阻间一般存在着相互影响和相互制约的关系,当桩的荷载较大时,则位移较大,桩的端阻就会在桩的总阻抗中占据相当重的地位并且明显地增强桩的侧摩阻。
   在外荷载作用下,桩身向下运动使桩端土层产生压缩,桩的端阻得以产生和发挥,桩端土的压缩超过一定限度后会在地基中形成剪切滑动面。由于桩基础埋置较深,故滑动面不会延伸到地面,又因为桩的对称性,所以滑动面应是轴对称的。通过桩轴线的任一截面所截得的图形可以取为梅耶霍夫在求解深基础的极限承载力时所取用的破坏图式。
   (二)桩侧阻力的影响因素
   影响桩侧阻力的因素很多,并且比较复杂,包括桩的设置方法、桩周土性质、桩土相对位移、桩径、桩土界面条件、桩端条件、桩身刚度、施工工艺等等。
   1.桩周土的性质
   桩周土的性质是影响桩侧摩阻力最直接的决定性因素。一般而一言,桩周土强度越高,相应的桩侧阻力就越大。由于桩侧阻力产生自桩土界面的摩擦特性,因而侧阻力实际是通过桩周土的剪切变形来传递的,其值大小与土的剪切模量有关。对于粘性土,液性指数直接影响到桩侧阻力的大小,在其它条件相同的情况下,液性指数越小,桩侧阻力就越大;对于砂性土,密实程度是影响桩侧阻力大小的决定因素,密实状态下的桩侧阻力明显比疏松状态下大。
   2.桩土相对位移
   桩土之间产生相对位移(或产生相对位移的趋势)是侧阻力发挥的前条件,随着荷载的增加,桩土相对位移不断增加,侧阻力呈现从上至下逐步发挥的过程,当荷载较大时,桩侧摩阻力却不再增加而趋于基本定值,即桩侧摩阻力达到极限值时,其所对应的桩土相对位移被称之为临界位移。发挥桩侧阻力所需桩顶相对位移趋于定值的结论,是Whitaker(1966)、Reese(1969)等根据少量桩的试验结果得出的。随着近年来大直径灌注桩应用的不断增多,对大直径桩承载性状的认识逐步深化。就桩侧阻力的发挥性状而言,大量测试结果表明,发挥极限侧阻所需桩顶相对位移并非定值,与桩径大小、施工工艺、土层性质及分布位置有关。
   3.桩土界面条件
   桩土界面特征是埋设于土中的桩与桩周土接触面的形态特性,对于预制桩和钢桩,桩土界面特征主取决于桩表面的粗糙程度。对于钻孔灌注桩,桩土界面特征一般表现为孔壁的粗糙程度,而这与桩周土层的性质和施工工艺有关,一般情况下不带套管的钻孔灌注桩,其桩身非常粗糙,其侧阻力相对较大。