人工挖孔嵌石灌注樁承載性狀的試驗與理論分析.pdf

1、隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，對橋梁建設的要求越來越高，許多合理、經(jīng)濟、美觀的橋梁結構形式也被不斷地研究、引進和發(fā)展。高墩大跨連續(xù)剛構橋由于自身得天獨厚的優(yōu)點尤其被設計者所親睞，并得到廣泛應用。
　　 高墩大跨連續(xù)剛構橋的墩、梁、基礎三者固結聯(lián)為一體共同受力，墩身形式、高度等對結構受力有影響。高墩大跨連續(xù)剛構橋的結構受力特點是：墩梁固結，上下部結構共同承擔荷載，減小了墩頂負彎矩；墩的剛度較柔，墩允許較大變位；結構為多次超靜定結構，混凝

2、土收縮、徐變、溫度變化、預應力作用、墩臺不均勻沉降等引起的附加內力對結構影響很大。
　　 由于高墩大跨連續(xù)剛構橋對地基的不均勻沉降量控制較嚴格，所以本文以宦萬鐵路渡口河特大橋群樁基礎的原型觀測為基礎，對施工過程中橋梁群樁基礎的承載性狀進行了試驗和理論分析，對這種橋型基礎的研究提供參考。渡口河特大橋的地基為極軟巖，工程性質不穩(wěn)定，易受外界環(huán)境擾動。渡口河特大橋的5號墩高128 m，對墩身穩(wěn)定性和墩頂偏位要求嚴格，所以被選作原型觀測

3、的對象。渡口河特大橋采用的是人工挖孔樁群樁基礎，其承載性狀受施工過程影響較大，本文的研究目的是分析施工階段樁-土-承臺-橋墩共同作用機理。樁基是高墩大跨連續(xù)剛構橋常用的基礎形式，其施工階段很關鍵，影響貫穿橋梁施工和營運的整個過程；而且一旦出現(xiàn)由樁基引起的問題，補救的代價很高，所以對其研究有重要的理論和實用價值。本文主要研究軟巖地基中全嵌巖單樁的荷載傳遞機理、群樁基礎的承載性狀。本文研究的方法是通過對5號墩施工過程中群樁應力應變長期的原型

4、觀測，并輔以理論分析和數(shù)值模擬，得到了施加上部荷載后樁身的荷載傳遞規(guī)律隨施工進度的變化，以及軟巖地基中群樁基礎承載性狀的一些特征，并利用有限元軟件分析了樁側巖石粗糙度對單樁承載力的影響，具體結論如下：
　　 1)通過原型觀測發(fā)現(xiàn)群樁基礎樁項和樁間巖石內力分布是隨施工進度變化的，它既隨著上部結構的重量和承臺的抗彎剛度增大而變化，同時又受承臺底與地基和樁頂與承臺接觸情況的影響。承臺的抗彎剛度實際包含墩底實心部分貢獻的剛度，它在早期上

5、部結構較低時顯著影響群樁基礎的受力性狀?；鶐r由于水的浸泡和風化而弱化，使得距承臺底一定深度內的地基壓縮性較大而不能承擔上部荷載，所以上部結構施工初期上部荷載主要由樁承受，隨著時間的增長，承臺底地基被壓緊，這部分樁間巖石也逐漸分擔部分上部荷載。樁頂與承臺的接觸和地基與承臺的接觸情況一樣也是隨時間變化的，這也影響基礎所受荷載的空間分布。
　　 本文監(jiān)測過程中橋梁懸臂梁的施工還未完成，由于地基的一部分是從山體開挖出來的新鮮巖石，另一部

6、分是常年受河水侵蝕的巖石，所以存在地基不均勻對群樁內力分布的影響，就目前被監(jiān)測樁的情況來看，中間樁(5-8號、5-15號)承受的荷載大于角樁(5-19號)，且角樁承受荷載狀況很復雜，具體表現(xiàn)為先受拉再受壓。由于其它樁只在樁頂中心埋設了應變計，而通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)樁頂平面內軸向應變的分布是極不均勻的，再考慮到樁頂與承臺的實際接觸情況是新老混凝土的接觸，且由于樁身橫截面積大造成的樁項顯著的應力集中，使得承臺頂內力分布與理論分析的差別很大，所以樁項

7、只埋沒一個測點不能反映樁頂應變分布的全貌。實際的樁頂應力分布是不對稱的，要想深入了解群樁基礎樁頂應力的真實分布，還需要在樁頂增加應變計的個數(shù)。
　　 2)通過對大直徑群樁基礎基樁荷載傳遞性狀的長期監(jiān)測，群樁樁頂?shù)暮奢d分布復雜且隨空間位置各異，隨時間動態(tài)變化，基樁樁頂軸力分布與理想狀態(tài)下的理論結果有較大差異，所以應該根據(jù)實際情況來調節(jié)群樁基礎的設計。
　　 軟巖地基中基樁的荷載傳遞特性分析的結果是：側阻力承擔絕大部分上部荷

8、載，所以可認為其是端承摩擦樁；由于人工挖孔樁的樁側粗糙程度沿樁身變異很大，使得基樁的樁側阻力的分布特征復雜，其沿樁身的側阻力曲線有多個峰值；通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)大直徑嵌巖樁的軸向剛度大，樁頂沉降小，承載能力高，是一種適合于高、大、重結構的基礎形式。
　　 3)考慮樁側土非線性軟化的荷載傳遞函數(shù)法能較好的與試驗曲線吻合，并能反映樁的漸進破壞特征。而且由于荷載傳遞函數(shù)法的靈活性，基于本方法開發(fā)的程序能夠模擬多層土中樁的荷載-傳遞特性，但是要

9、精確模擬還需要具體的工程數(shù)據(jù)。
　　 4)嵌巖樁的樁巖界面與樁土界面不同，界面的粗糙度對基樁承載力影響顯著。目前，樁巖界面的粗糙程度可用無量綱的凹凸度因子表征，本文通過對樁巖界面粗糙形狀的有限元模擬，不僅證實樁頂沉降量與凹凸度因子成反比，還發(fā)現(xiàn)其與粗糙突起的形狀因子成正比，突起高度對承載力的影響比突起半波長的影響顯著。樁頂位移實際上是隨樁頂荷載的增大而增大的，所以在相同的荷載下減少樁頂位移就是提高承載力。在實際工程中，要提高嵌巖

10、樁的承載力有兩種措施，其一是當樁長可以加長時，盡量利用提高嵌巖樁接觸面突起高度的方法來提高樁的承載力，當然這種方法不是很經(jīng)濟，但提高承載力幅度較大；其二是在樁長不可調時，盡量利用制造“短粗型突起”來提高樁的承載力，這種方法比較經(jīng)濟。
　　 5)根據(jù)5號墩T構整體有限元分析，可知橋身自重荷載是群樁基礎力學響應的主要影響因素；在施工階段，橋梁的風荷載在橋墩和懸臂梁上引起的混凝土拉應力不容忽視，特別是橋墩混凝土沒有做預應力，容易開裂；

11、群樁基礎的受力分布是中間樁承受荷載大，周邊樁承受荷載小，這與實際監(jiān)測結果大體一致。根據(jù)5號墩T構整體有限元穩(wěn)定性分析，可知在施工階段的最不利荷載組合下，橋梁的失穩(wěn)模態(tài)主要是沿縱橋向整體傾覆；地基局部軟化降低橋梁整體失穩(wěn)的特征值。
　　 5號墩為同類型鐵路橋梁中國內最高墩，通過首次對高墩群樁基礎所做的原型觀測以及分析，本文工作存在如下創(chuàng)新之處：
　　 1)首次完成了軟巖地基中嵌巖灌注樁樁群樁基礎的原型觀測工作，分析了單樁的

12、荷載傳遞特征和群樁的承載性狀隨施工進度的變化規(guī)律，為相同地質情況下的研究提供了依據(jù)。
　　 2)在考慮樁側土非線性軟化的前提下，利用荷載傳遞函數(shù)法分析多層土中樁的荷載-沉降曲線，得到了較好的結果。
　　 3)利用有限元優(yōu)化分析工具證實了嵌巖樁樁側粗糙度對其承載性狀的影響，并提出了用于表征單個突起形狀對嵌巖樁承載力影響的突起形狀因子的概念。當樁長一定時，突起形狀因子可以衡量單個突起的形狀對樁的承載力的影響，并通過推理發(fā)現(xiàn)，