基于自平衡法的較破碎巖石地基嵌巖樁承載性狀研究＊

王田龍，黃質(zhì)宏 ，張 飛，劉 豪，楊 成

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽550025)

自平衡試樁法，由于其比傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法有著節(jié)約時(shí)間、節(jié)約資金、操作自動(dòng)化和不受場地限制等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，且可以應(yīng)用于多種類型的樁基礎(chǔ)。很多專家學(xué)者針對此問題進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐與理論研究，取得了豐碩的成果。侯希承，李洪濤，趙永軍［14］采用自平衡試樁法成功地進(jìn)行了120000 kN 大直徑鉆孔灌注樁靜載荷試驗(yàn)。該試驗(yàn)表明了自平衡試樁法試樁能突破常規(guī)法試樁噸位的限制。他們還對簡化法和精確轉(zhuǎn)換法進(jìn)行了比較研究，得到在同一荷載水平下，簡化法對應(yīng)的沉降量稍大于精確轉(zhuǎn)換法對應(yīng)的值。他們建議在工程實(shí)踐中宜采用簡化轉(zhuǎn)換法。朱瑤宏，程曄，龔維明［15］在杭州灣大橋試樁工程中，采用自平衡試樁法對鉆孔灌注樁承載力進(jìn)行測試。結(jié)果表明，在海洋的條件下，自平衡試樁法具有無法比擬的優(yōu)越性。而且他們還指出，該方法不僅可以節(jié)約大量地時(shí)間，而且可以大大節(jié)省工程的資金投入，與普通工程相比，至少可節(jié)約費(fèi)用約30%左右。龔維明，戴國亮［19］收集了大量的自平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析研究了該方法在人工挖孔樁、鉆孔灌注樁、橋梁工程以及特殊類土中的應(yīng)用。

對于嵌巖樁的研究，國內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行了長時(shí)間的工程實(shí)踐與理論研究，得到了豐富的研究成果。董平，秦然［11］基于剪脹理論建立了適用于弱質(zhì)巖石地基嵌巖樁嵌巖段的荷載傳遞函數(shù)，并得到了相應(yīng)的解析解。他們通過研究分析還指出樁端阻力分擔(dān)比隨嵌巖比的增加而減小。王勇剛，李鏡培［12］引入Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，求解出了嵌巖段樁側(cè)阻力的表達(dá)式。宋強(qiáng)輝，劉東升，趙燕明［16］通過ANSYS 建立嵌巖樁單樁模型，采用隨機(jī)有限元法對軟巖中的嵌巖樁變形和等效應(yīng)力進(jìn)行了可靠度分析。該方法是有限元理論與可靠度理論的有機(jī)結(jié)合，可以為特別復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠度分析與設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展及研究方向。劉利民，張洪文，張建新［17］通過對不同場地五根嵌巖樁載荷試驗(yàn)結(jié)果的灰色關(guān)聯(lián)分析，為嵌巖樁的設(shè)計(jì)和承載力的計(jì)算提供了新的思路。通過以上論述可知，自平衡法在超大噸位荷載試驗(yàn)、特殊類巖土以及特殊工程環(huán)境中有著獨(dú)特的優(yōu)勢，在工程中得到廣泛應(yīng)用，而且可以節(jié)約時(shí)間與資金。對于嵌巖樁的研究，專家學(xué)者們對嵌巖樁的承載性狀、傳力機(jī)理、影響因素進(jìn)行了理論分析及數(shù)值模擬，得到了豐碩的研究成果。但是對于較破碎巖石地基上嵌巖樁的研究尚不夠完善，該領(lǐng)域的研究成果不足。本文在已有的理論研究基礎(chǔ)上，通過對相關(guān)國家規(guī)范的理解學(xué)習(xí)，并結(jié)合現(xiàn)場自平衡樁基載荷試驗(yàn)，對較破碎巖石地基上的嵌巖樁的承載性狀性進(jìn)行分析研究，并探討影響嵌巖樁承載性狀的相關(guān)因素。

1 自平衡法原理

自平衡試樁法是利用埋設(shè)在樁身適當(dāng)部位(該部位通常稱為平衡點(diǎn))的荷載箱向樁身上下同時(shí)加載，使得上段樁的側(cè)摩阻力與樁體自重之和等于下段樁端阻加上側(cè)摩阻力之和，從而得到樁的極限承載力。試驗(yàn)時(shí)，通過油泵給荷載箱加壓實(shí)現(xiàn)豎向加載(向上向下同時(shí)加載)，此時(shí)荷載箱頂板與底板會(huì)分別發(fā)生相應(yīng)的位移，樁端阻力和樁側(cè)摩阻力也相應(yīng)的發(fā)揮。通過預(yù)先在荷載箱頂、底蓋上安裝的位移計(jì)、樁頂?shù)奈灰朴?jì)以及樁身內(nèi)埋設(shè)的鋼筋應(yīng)力計(jì)，從而可以得到上、下段樁達(dá)到極限荷載時(shí)各自的位移、樁頂位移及樁身軸力。根據(jù)試驗(yàn)可以得到的上、下段樁的Q-s 曲線、s ～lgt 曲線、s ～lgQ曲線以及樁身軸力圖。通過對上、下段樁極限承載力的疊加處理，就可得到豎向單樁極限承載力。圖1、圖2 分別為自平衡試驗(yàn)原理及示意圖。

圖1 自平衡試樁法原理圖

2 自平衡樁基載荷試驗(yàn)

以貴陽市一組自平衡樁基載荷試驗(yàn)為例，該試驗(yàn)的樁端巖體為較破碎巖石，具體的試樁參數(shù)所下所示:

中風(fēng)化白云巖:淺灰、灰白色，薄至中厚層狀，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，分布于整個(gè)擬建場地。巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=36.399 MPa，為較硬巖，巖體縱波速值Vp =3660 ～4443 m/s，平均Vp=3910 m/s，完整性指數(shù)kv =0.42，為較破碎巖體。巖石基本質(zhì)量指標(biāo)BQ =305.97，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)。巖石地基承載力建議值為4500 kPa。

圖2 自平衡試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)的三根樁樁長分別為16.3，16.1，15.9，平均長度取16 m 計(jì)算。試樁直徑為1.0 m，樁端嵌入中風(fēng)化較破碎白云巖約4 m。

樁基試驗(yàn)的結(jié)果如表1 所示。

表1 試樁實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由所得到的極限樁端承載力及極限樁側(cè)承載力，對嵌巖樁的承載力進(jìn)行計(jì)算。通常在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，樁側(cè)土體的側(cè)阻力不計(jì)，作為安全儲(chǔ)備。

a、由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 -2008)計(jì)算:

式中:frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;

Qsk、Qrk—分別為土總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

qsik—為樁周第i 層土的極限側(cè)阻力;

ξr—為嵌巖段側(cè)阻與端阻綜合系數(shù);

u—為樁身周長;

Ap、li—分別為樁身截面面積、第i 層土的厚度。

將所得已知數(shù)據(jù)帶入，計(jì)算得到:Ra= 14858 kN。

b、由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007 -2011)計(jì)算得到:

式中:qpa、qsia分別為樁端巖石承載力特征值與樁側(cè)阻力特征值，由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗(yàn)結(jié)果分析得到;li為第i 層巖(土)體的厚度。

將所得已知數(shù)據(jù)帶入，計(jì)算得到:Ra= 13031 kN。

通過兩個(gè)結(jié)果的對比分析可知，由樁基規(guī)范與地基規(guī)范得到承載力均偏大，樁基規(guī)范公式中主要考慮樁端為完整、較完整的情況進(jìn)行使用，忽略了樁端為較破碎巖石的情況。因此，對于樁端為較破碎的巖體的嵌巖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表2 計(jì)算結(jié)果對比

因此在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算中，建議采用樁基載荷試驗(yàn)所得的結(jié)果對中風(fēng)化較破碎巖石地基的嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 嵌巖樁承載性狀的影響因素

劉樹亞，劉祖德［18］明確嵌巖樁的定義和分類，對嵌巖樁的承載機(jī)理、臨界嵌入深度、設(shè)計(jì)理論和數(shù)值模擬方法等問題進(jìn)行討論，并對未來的工作進(jìn)行論述及展望。另外，他們還討論了最大嵌巖深度與最佳嵌巖深度之間的聯(lián)系，介紹了嵌巖樁設(shè)計(jì)的國內(nèi)外的一些方法，并提出了一些建議和看法。劉興遠(yuǎn)，鄭穎人［9］以BP 網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，對影響嵌巖樁嵌巖段極限承載力的參數(shù)進(jìn)行分析，得到風(fēng)化程度是影響嵌巖段極限承載力的主要因素，樁徑對極限承載力的影響呈非線性關(guān)系，巖石強(qiáng)度、嵌巖深度對極限承載力的影響基本上呈線性關(guān)系，且他們認(rèn)為存在影響極限承載力的最優(yōu)樁長。王啟云，熊智彪，張家生等［10］對紅砂巖的摩擦阻力特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。他們指出樁長及樁端剛度均會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。樁的長度越長，側(cè)阻力的發(fā)揮效率越低，極限側(cè)摩阻力也越小，而且樁側(cè)阻力明顯集中于樁身上部。樁端剛度越大，側(cè)阻力分擔(dān)比越小，側(cè)阻力發(fā)揮速度也越快，且樁側(cè)阻力也明顯集中于樁身上部。王勇強(qiáng)［13］對軟巖嵌巖段的側(cè)阻力進(jìn)行了研究，他認(rèn)為側(cè)阻力的發(fā)揮受剪切機(jī)理和膨脹滑移機(jī)理的影響，且其大小受樁表面的法向剛度所控制。他還指出，巖石強(qiáng)度、模量、界面粗糙程度、巖石初始應(yīng)力等也會(huì)對樁側(cè)阻力產(chǎn)生一定的影響。

張穎輝［4］對樁徑、長徑比、嵌巖深度、巖石強(qiáng)度、上覆土層厚度、成樁工藝、樁底沉渣、樁端巖石蠕變等因素進(jìn)行了分析。他指出，隨著樁徑的增大，嵌巖段的側(cè)阻力逐漸增大。當(dāng)樁徑為0.8 ～1.2 m 時(shí)側(cè)阻力有減小的趨勢;當(dāng)達(dá)到1.8 ～2.5 m以后，側(cè)阻力明顯減小了。隨著長徑比的增加，端阻力逐漸減小，而側(cè)阻力則逐漸增大;隨著深徑比的增加，樁端阻力分擔(dān)樁頂荷載的的比例逐漸減小。他認(rèn)為存在嵌巖效應(yīng)，即當(dāng)嵌巖深度大于某一個(gè)值時(shí)，再增加嵌巖深度對樁承載能力的提高效果并不明顯;對于施工工藝，他指出人工挖孔樁的成樁效果要優(yōu)于鉆孔樁的成樁效果。因?yàn)樵阢@孔施工過程中會(huì)形成泥皮，這會(huì)影響樁側(cè)阻力的發(fā)揮;樁底沉渣會(huì)對樁端阻力的發(fā)揮產(chǎn)生影響。

宋仁乾［5］基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對樁徑、巖石強(qiáng)度、風(fēng)化程度、樁長及嵌巖深度對嵌巖樁承載性狀進(jìn)行了分析。他得出巖石的風(fēng)化程度對嵌巖樁的極限承載力影響最大;樁徑對嵌巖樁的影響呈非線性關(guān)系;樁長對嵌巖樁的影響不是很明顯;巖石強(qiáng)度與嵌巖深度對嵌巖樁的影響基本呈線性關(guān)系，且存在一個(gè)最佳嵌巖深度。

黃亞琴［6］分別對人工挖孔樁的樁側(cè)阻力及樁端阻力的影響因素進(jìn)行了分析。對于樁側(cè)阻力她分析了樁巖界面粗糙度、巖樁的模量比、巖石破碎程度、樁底基巖、嵌巖深度對其的影響。隨著粗糙度的增加，側(cè)阻力的比例將增大;其它條件一定的情況下，嵌巖段側(cè)阻力隨著巖石剛度的增大而增加;基巖剛度越高，側(cè)阻力的發(fā)揮越大。她研究了長徑比、嵌巖比、樁巖模量比、巖石蠕變、樁端擴(kuò)徑比對樁端阻力的影響。隨著長徑比的增加，樁端阻力占樁頂荷載的比例呈減小趨勢;隨著嵌巖深徑比的增加，樁端阻力占總承載力的比例逐漸減小;在相同的嵌巖深度的前提下，樁巖模量比越小，端阻力的貢獻(xiàn)就越小;端阻力分擔(dān)的荷載隨著樁端擴(kuò)徑比的增大而增加。

近年來國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過大量的工程實(shí)踐與理論研究得出，樁徑、樁長、樁端巖性、嵌入巖石的深度、樁身材料強(qiáng)度、孔壁粗糙度、樁底沉渣及施工工藝對嵌巖樁的承載性狀都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)語

通過以上的論述可以得出:

(1)自平衡法樁基載荷試驗(yàn)有很多優(yōu)點(diǎn)，其比傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法有著節(jié)約時(shí)間、節(jié)約資金、操作自動(dòng)化和不受場地限制等突出優(yōu)點(diǎn)，并且在較大噸位、特殊類巖土以及特殊工程環(huán)境中有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

(2)對于較破碎巖石地基上的嵌巖樁極限承載力的計(jì)算，建議采用現(xiàn)場載荷試驗(yàn)的方法確定嵌巖樁單樁承載力。

(3)影響嵌巖樁單樁承載力的因素有樁徑、樁長、樁端巖性、嵌入巖石的深度、樁身材料強(qiáng)度、孔壁粗糙度、樁底沉渣及施工工藝等。

(4)在嵌巖樁樁基施工方面應(yīng)注意以下兩點(diǎn):

1)由于本試驗(yàn)場區(qū)內(nèi)為中風(fēng)化白云巖，其巖基承載性能受外界因素影響較大，當(dāng)采用機(jī)械成孔方式挖掘至離設(shè)計(jì)標(biāo)高10 cm ～20 cm 時(shí)，須停止鉆進(jìn)(或掘進(jìn))，待地勘人員驗(yàn)槽確認(rèn)后再挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。一旦驗(yàn)槽合格，應(yīng)立即采用高標(biāo)號(hào)砼封閉，以防基巖暴露后風(fēng)化。

2)在進(jìn)行樁基成孔施工時(shí)，應(yīng)避免爆破，否則引起巖基受震后松動(dòng)，導(dǎo)致基樁的巖石極限端阻力和極限側(cè)阻力降低。

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