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寶雞市青少年科技活動(dòng)中心設(shè)計(jì)... 閱讀 5555 次 濕陷性黃土嵌巖灌注樁對(duì)側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)試驗(yàn)研究
摘要：本文通過對(duì)大直徑旋挖嵌巖灌注樁靜載荷試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測(cè)試，對(duì)其樁身內(nèi)力、荷載傳遞、側(cè)阻力大小、分布規(guī)律及樁端阻力與樁側(cè)阻力的相互關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）良好的嵌巖樁樁端巖性強(qiáng)度對(duì)于上覆土層樁側(cè)摩阻力有很大的影響；2）樁端承性狀對(duì)側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生的前提條件是端阻力要有一定的作用。3）樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)不僅表現(xiàn)在樁端附近，在樁身上部土層中也有強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象。上述關(guān)系可以提高嵌巖樁樁側(cè)摩阻力及單樁承載力，進(jìn)一步優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)。...
濕陷性黃土嵌巖灌注樁對(duì)側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)試驗(yàn)研究
黃雪峰 馬良榮 張建華
（1后勤工程學(xué)院建筑工程系,重慶 401311 2寧夏電力設(shè)計(jì)院,寧夏 銀川 750000；3蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050）
Test and studying of strengthen effect of shaft resistance of rock-socket pile because of tip bearing characters
HUANG xue-feng, MA lian-rong, ZHANG jian-hua,
(Logistical engineering University,Chongqing Lan Zhou University of Technology, Lanzhou 730050)
Abstract：Upon the pile load test and axial stress tests of large diameter bored cast-in-place piles in rock under loading，the datum of characteristic of tip resistance and shaft resistance and P～S curve were analyzed，and the relationship between the shaft resistance and the tip resistance was discussed. Analysis suggests:1)Due to the tip resistance,the strengthen sffect of the shaft resistance not noly shown the nearby of the tip resistance,but also the whole pile.2)The good cementation of pile and rock is useful to improvement of the shaft resistance.The load-bearing capability of pile will be improved by using the relationship above so as to optimize the design method of pile.
Key words：rock-socket pile; pile load test; shaft resistance; tip resistance; strengthen effect
1、引言
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為樁端阻力與樁側(cè)阻力的受力模型是相互獨(dú)立，其承載力只是側(cè)阻力與端阻力的簡(jiǎn)單疊加，因此在計(jì)算樁側(cè)阻力時(shí)普遍都認(rèn)為側(cè)阻只與樁的設(shè)計(jì)尺寸、樁周巖土條件及成樁方式有關(guān)，在這些因素確定的情況下樁側(cè)單位面積上的阻力就是一個(gè)常數(shù)，這就是傳統(tǒng)觀念認(rèn)為的樁側(cè)阻力與樁端阻力是相互獨(dú)立，互不影響概念在規(guī)范中予以體現(xiàn)。然而，近年來的一些試驗(yàn)資料顯示，端阻力與側(cè)阻力并非毫無關(guān)系，二者之間具有相互作用，即樁端阻力對(duì)樁側(cè)摩阻力具有強(qiáng)化效應(yīng)，這種強(qiáng)化效應(yīng)普遍發(fā)生在樁端附近，反過來，樁側(cè)阻力對(duì)樁端阻力也有影響。
本文通過對(duì)某電廠工程大直徑旋挖嵌巖灌注樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，并結(jié)合對(duì)其樁身的應(yīng)力測(cè)試，分析了嵌巖樁承載性狀以及樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)關(guān)系。樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)的存在對(duì)傳統(tǒng)的樁基承載力計(jì)算模式有了新的認(rèn)識(shí)，并可能由此萌發(fā)出樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化的新思路，利用此種相互作用關(guān)系對(duì)提高樁的承載力，節(jié)約工程投資具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2、試驗(yàn)場(chǎng)地的巖土工程條件
根據(jù)試驗(yàn)地質(zhì)資料，由上而下各地層主要特征分別為：①層粉砂（Q4eol），黃色，干燥，松散，為風(fēng)積砂，層厚0.20～0.60m；②層黃土狀粉土（Q3eol），褐黃色，干燥～稍濕，堅(jiān)硬，中密～密實(shí)，該層具濕陷性，揭露厚度12.00～14.70m；③層殘積土（Q3el），棕紅色，為泥巖風(fēng)化后的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，土質(zhì)較松散，局部分布，揭露厚度0.50～2.90m；④層泥巖、砂巖（N），棕紅色，該層屬于第三系中漸新統(tǒng)清水營(yíng)組，以泥巖為主，夾中薄層砂巖、粉砂巖，為強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化，層厚大于50m。 各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見表1。
3、試樁概況
3.1試樁布置與儀器埋設(shè)
試驗(yàn)樁采用機(jī)械旋挖鉆孔混凝土灌注樁，樁徑0.8m，樁長(zhǎng)16m，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化泥巖8m，在試樁鋼筋籠中對(duì)向每隔2.5m埋設(shè)有應(yīng)變式鋼筋應(yīng)力計(jì)，用于量測(cè)鋼筋豎向應(yīng)變和樁身應(yīng)變，進(jìn)而推算樁身軸向力和樁側(cè)摩阻力。
鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)截面位置見圖1。該應(yīng)力計(jì)適用于監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的軸向應(yīng)變，其傳感器具有良好的溫度自補(bǔ)償和自防護(hù)能力，通過電阻應(yīng)變儀測(cè)量鋼筋的工作應(yīng)力引起的應(yīng)變值，然后通過計(jì)算求出試樁的軸力和樁側(cè)摩阻力。鋼筋應(yīng)力計(jì)在埋入之前進(jìn)行標(biāo)定，在水中浸泡，檢查其穩(wěn)定性；在埋入過程中嚴(yán)格按照有關(guān)說明進(jìn)行。
4、試驗(yàn)成果分析
4.1 Q~S曲線及特征分析
試樁加載至6600kN，累計(jì)沉降7.79mm。由圖3可見， Q~S曲線屬緩變型，無明顯拐點(diǎn)，樁加荷到極限破壞狀態(tài)，說明該試樁還具有較大的承載潛力。
4.2樁側(cè)摩阻力、端阻力與樁頂荷載的關(guān)系
根據(jù)樁頂分級(jí)加荷量及樁身應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的換算樁側(cè)摩阻力、端阻力與樁頂荷載的關(guān)系見圖4。最初加荷時(shí)，樁側(cè)摩阻力承擔(dān)上部全部荷載，樁端幾乎不受力，隨著荷載的增加，軸力逐漸傳至樁底使得端阻力得以逐步發(fā)揮。在最大加荷條件下，摩阻力與端阻力分配比例關(guān)系為29：1，可見在嵌巖樁受力過程中，摩阻力占據(jù)很大的比例，明顯表現(xiàn)為端承摩擦樁的性狀。
4.3樁身軸力傳遞特征分析
在各級(jí)荷載作用下樁身軸力隨深度分布見圖5。由圖可見，加荷初期，樁頂荷載與樁身摩阻力相平衡，樁端不受力；隨著樁頂荷載的增加，軸力逐漸向下傳遞并達(dá)到樁底，端阻力逐步得到發(fā)揮。從應(yīng)力的傳遞特征分析，8m以上土層段曲線斜率較大，樁身軸力差較大，說明上覆土層承擔(dān)了較大的樁頂荷載。與此相反，8m以下嵌巖段曲線斜率較小，樁身軸力差較小，反映了嵌巖段承擔(dān)的樁頂荷載較小，明顯反映出上覆土層在承擔(dān)樁頂荷載過程中發(fā)揮了重要的作用。
4.4樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀分析
各級(jí)荷載作用下樁單位側(cè)摩阻力隨深度變化曲線見圖6。試驗(yàn)得出：當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，土層上部承擔(dān)了絕大多數(shù)的荷載，土層下部及嵌巖段較小，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮最大值處于樁頂下3m左右；隨著樁頂荷載的增加，摩阻力峰值逐漸下移，土層下部及嵌巖段摩阻力逐步被調(diào)動(dòng)起來，樁端阻力也得到了一定的發(fā)揮，在此次加載到最大荷載時(shí)（嵌巖樁很難壓出極限），摩阻力峰值位于樁頂下6m左右。從整個(gè)加荷過程可以看出，上覆土層承擔(dān)了絕大部分樁頂荷載，嵌巖段較小，嵌巖段樁端阻力發(fā)揮的更小，在最大加荷條件下，端阻力占樁頂荷載的比例不到5%。
從圖中還可以看出，樁頂荷載較小時(shí)樁側(cè)摩阻力無強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生，當(dāng)樁頂荷載大于2400kN后，樁端附近表現(xiàn)出很明顯的強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象。因?yàn)楹奢d較小時(shí)，樁端阻力還沒有發(fā)揮或很小，上部荷載幾乎都由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，隨著荷載的增大，端阻力逐漸發(fā)揮，強(qiáng)化效應(yīng)得以顯現(xiàn)，反映出嵌巖樁樁側(cè)摩阻力強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生的前提條件是有一定端阻力的發(fā)揮。
從圖6曲線中可以看出樁端附近樁側(cè)阻力表現(xiàn)為明顯的強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象，有些試驗(yàn)資料表明：樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生在樁端附近的一定范圍內(nèi)，此次試驗(yàn)結(jié)果表明：這種強(qiáng)化效應(yīng)表現(xiàn)在整個(gè)樁側(cè)范圍內(nèi)。當(dāng)樁頂荷載為2400kN時(shí)，上覆黃土狀粉土層單位摩阻力發(fā)揮最大值為103.6kPa，此時(shí)的樁端阻力已開始發(fā)揮，樁端附近樁側(cè)阻力也明顯提高，表現(xiàn)出了樁端對(duì)樁側(cè)強(qiáng)化效應(yīng)；當(dāng)加荷至最大荷載時(shí)，上覆土層的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的最大值則高達(dá)232.2kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范給定的最大參考值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，樁側(cè)摩阻力的大小除了與樁側(cè)土、樁端土的性質(zhì)，成樁方式等因素有關(guān)外，更重要的結(jié)論是：由于樁端土的性質(zhì)與端阻力發(fā)揮的大小對(duì)樁側(cè)摩阻力的增大是有明顯的強(qiáng)化作用，由于樁端阻力的作用，不僅使樁端附近的樁側(cè)阻力得到強(qiáng)化，并且上覆土層平均摩阻力也得到顯著的提高。
在樁側(cè)巖石與土交界面以下，即樁嵌入巖石8~12m之間段的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較小，其摩阻力的發(fā)揮隨深度呈近似線性遞減關(guān)系，這是由于樁嵌巖部分的巖石強(qiáng)度較高，抗剪強(qiáng)度大，在上部荷載作用下，抗剪強(qiáng)度完全可以承擔(dān)傳遞至嵌巖段的軸力，樁巖相對(duì)位移較小，使得上覆土層承擔(dān)了較大的樁頂荷載。筆者認(rèn)為，良好的樁巖交接狀況，不僅可以提高嵌巖段的極限摩阻力，而且對(duì)上覆土層樁側(cè)摩阻力也有極大地提高。
4.5 端阻對(duì)側(cè)阻的強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象分析
關(guān)于端阻對(duì)側(cè)阻的強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象，目前在國(guó)內(nèi)外刊物上很少見到系統(tǒng)地闡述，僅有的幾篇文獻(xiàn)則都普遍都認(rèn)為樁端阻對(duì)側(cè)阻的強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生在樁端附近，其大小與樁端巖土層強(qiáng)度有關(guān)，并隨樁端持力層強(qiáng)度增大而增大，對(duì)增強(qiáng)效應(yīng)的討論大多從樁基礎(chǔ)破壞模式上加以解釋。
本文通過對(duì)嵌巖灌注樁的實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，上覆黃土狀粉土層發(fā)揮的樁側(cè)單位平均摩阻力遠(yuǎn)高于規(guī)范值，同時(shí)，在樁端附近側(cè)阻也有明顯增大現(xiàn)象，考慮到樁周和樁側(cè)土層條件、成樁方式等因素外，筆者認(rèn)為樁端阻力不僅對(duì)樁端附近側(cè)阻有強(qiáng)化效應(yīng)，而且對(duì)樁身上部土層樁側(cè)摩阻力也有強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)認(rèn)為的端阻對(duì)側(cè)阻的強(qiáng)化效應(yīng)只發(fā)生在樁端附近的結(jié)論不一致。
表2不同樁端條件下載荷試驗(yàn)結(jié)果
|
組號(hào) |
樁長(zhǎng)
（m） |
樁徑
(m) |
樁端土層 |
試驗(yàn)條件 |
極限承載力 (kN) |
平均極限承載(kPa) |
極限端阻力(kPa) |
平均極限側(cè)阻提高值 |
|
1 |
11.75 |
0.8 |
微風(fēng)化巖層 |
空底
實(shí)底 |
3840
7600 |
130
155 |
0
6013 |
19.23% |
|
2 |
25 |
0.8 |
密實(shí)細(xì)砂 |
空底
實(shí)底 |
4520
5420 |
72
80 |
0
781 |
11.11% |
|
3
|
25 |
0.8 |
濕陷性黃土層 |
空底 |
3600 |
64.3 |
0 |
25.97% |
|
40 |
0.8 |
壌土層 |
實(shí)底 |
8400 |
81 |
1550 |
表2中第1、2組是文獻(xiàn)提供的為研究樁端條件對(duì)樁側(cè)阻力影響而收集的國(guó)內(nèi)不同地點(diǎn)所進(jìn)行的不同樁端土條件下空底和實(shí)底樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果。從中可以看出，不論樁端土層條件如何，實(shí)底時(shí)樁的平均極限側(cè)阻力都比空底時(shí)有所提高，樁側(cè)阻力提高的這種現(xiàn)象顯然是由于樁端條件不同引起的，而提高幅度上的差異則是由于樁端土層性質(zhì)的差異引起的，樁端土層的強(qiáng)度越高，樁極限側(cè)阻力提高的幅度就越大，樁側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)就越明顯，反之亦然。第3組是文獻(xiàn)在濕陷性黃土層中所做的在不同樁端條件下的樁基靜載荷試驗(yàn)，從中可以看出，實(shí)底時(shí)平均極限側(cè)阻力比空底時(shí)高很多，這除了與樁端和樁側(cè)土層、樁長(zhǎng)及施工因素等有關(guān)外，筆者認(rèn)為更重要的原因是由于樁端阻力對(duì)整個(gè)樁側(cè)摩阻力的強(qiáng)化效應(yīng)。
上述資料表明，樁端阻力的存在的確影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，這種影響普遍表現(xiàn)為強(qiáng)化效應(yīng)。樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象可簡(jiǎn)單描述為：假設(shè)試樁無樁周土層存在，只有樁端持力層，如圖7（a）所示，在樁頂荷載作用下，端阻力承擔(dān)全部荷載，沒有樁側(cè)摩阻力，因?yàn)闃渡砣我鈨山孛骈g的軸力差為零；當(dāng)樁底為空心時(shí)，即只有側(cè)阻而無端阻力存在，如圖7（b），樁頂荷載全部由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，隨著荷載的加大，摩阻力逐漸發(fā)揮并達(dá)到極限值，之后再繼續(xù)加載，樁頂位移急劇增大，樁失去承載力，發(fā)生沖切破壞，此時(shí)所測(cè)得的摩阻力即為樁側(cè)土層發(fā)揮的真正意義上的極限摩阻力； 而當(dāng)樁底為實(shí)心時(shí)，即既有側(cè)摩阻力，也有端阻力，如圖7（c），在同樣的試樁條件下，由于端阻力的存在，改變了樁的受力模式，使得整個(gè)樁側(cè)土層極限摩阻力較空底時(shí)有較大幅度的提高，普遍表現(xiàn)為強(qiáng)化效應(yīng)的特點(diǎn)，其原因就是由于端阻力的作用。遺憾的是本次試驗(yàn)未進(jìn)行相同條件下的空底樁測(cè)試，二者不能進(jìn)行對(duì)比分析，建議以后應(yīng)對(duì)此進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，以便驗(yàn)證筆者所提出的結(jié)論。
圖7 不同的樁側(cè)，樁端條件
5、結(jié)論
本文通過對(duì)大直徑旋挖嵌巖灌注樁靜載荷試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測(cè)試，分析了嵌巖樁的承載性狀及其影響因素，得出了以下結(jié)論：
1) 樁巖膠結(jié)狀況不僅對(duì)嵌巖段側(cè)阻力有影響，而且對(duì)非嵌巖段土層側(cè)阻力也有很大的影響。良好的樁巖膠結(jié)狀況能夠抑制嵌巖段樁土相對(duì)位移，使上覆土層承擔(dān)更大的荷載，進(jìn)而提高了嵌巖樁的承載力。
2) 本次試驗(yàn)中，當(dāng)荷載小于2400kN時(shí)，樁端阻力很小，樁側(cè)無強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生；當(dāng)荷載大于2400kN后，樁端阻力有了一定的發(fā)揮，樁側(cè)明顯表現(xiàn)出強(qiáng)化效應(yīng)的現(xiàn)象，反映出樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生的前提條件是有一定端阻力的發(fā)揮。
3) 樁端阻力的存在對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮有很大的影響，這種影響普遍表現(xiàn)為強(qiáng)化效應(yīng)。樁側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)不僅表現(xiàn)在樁端附近，而且表現(xiàn)在整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)。強(qiáng)化效應(yīng)現(xiàn)象能夠極大地提高樁的承載力，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。關(guān)于強(qiáng)化效應(yīng)理論的量化表達(dá)目前還存在一定難度，對(duì)于強(qiáng)化效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際工程還需工程技術(shù)人員的共同努力。
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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì) 文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯 劉真 審核）
