2.3超长钻孔灌注桩群桩承载性能的研究.doc

超长钻孔灌注桩桩基承载性能的研究报 告 简 本1 引言项目组以国内公路桥梁跨江、跨河及跨海大桥为工程背景开展研究，研究内容涵盖：超长钻孔灌注桩现场测试技术、荷载传递机理、荷载传递性状、有限元分析及数值分析、现场实验及室内模型实验、可靠度计算分析、成孔成桩检测与缺陷解决技术等诸多方面该项目研究的目的：提高超长钻孔灌注桩现场测试水平，探究超长钻孔灌注桩界线值，提出超长钻孔灌注桩承载力计算措施、设计参数取值建议等，形成一套较完整的公路桥梁超长钻孔灌注桩实验、检测、设计以及缺陷处治技术项目研究成果应用于大型桥梁桩基本建设，将会大大节省基本建设的资金，提高桥梁的安全性2 重要研究成果 2.1超长钻孔灌注桩单桩现场试技术及荷载实验研究2.1.1现场测试技术研究(1)锚桩反力梁法 常规的锚桩反力梁法采用一般混凝土反力系统，存在锚桩抗拔能力局限性或反力系统抗弯能力局限性，无法达到预期的高实验加载吨位课题组研发了“大吨位基桩静载实验预应力反力系统装置”，使锚桩法试桩的加载吨位得以大大提高，解决了锚桩混凝土在高拔力下会浮现开裂的难题，并能有效运用工程桩、承台和墩身，从而节省了实验的土建投资，该系统已获得国家实用新型专利。

图2.1.1-1、2.1.1-2为反力系统有限元模型仿真示意图有及限元计算模型中预应力束布置图图2.1.1-1有限元模型仿真示意图 2.1.1-2有限元计算模型中预应力束布置图(2)自锚桩法 改善的“自锚桩法荷载箱”能有效的消除荷载箱位移失真，提高测试的精度，并获得国家实用新型专利其核心内容是补偿荷载箱上下混凝土不密实引起的刚度减少图2.1.1-3为该新型荷载箱图片 图2.1.1-3自锚桩法荷载箱2.1.2现场荷载实验研究项目组在浙江、广东、山东等地结合多座大桥和特大桥梁依托推广工程中进行了13根锚桩－反力梁法试桩和7根自锚桩法试桩实验其中，锚桩法试桩加载吨位超过30000kN的共有9组试桩，最大加载吨位达40000kN，创下国内外锚桩－反力梁法试桩加载吨位之最锚桩法及自锚桩法实验状况汇总于表2.1.2-1、表2.1.2-2图2.1.2-1～2.1.1-5为部分试桩现场照片及数据分析曲线锚桩法静荷载实验状况汇总表 表2.1.2-1 序号工程名称试桩数量(根)试桩桩长(m)试桩桩径(cm)计算承载力(kN)最大加载力(kN)1杭州钱塘江四桥263.32φ12023300069.3225000350002杭州钱塘江五桥269.96φ12023300046.8315000205003杭州钱塘江六桥277.29φ12023250080.6424000360004汕头市梅溪河金凤大桥—西港高架桥280.30φ10013000242.50780015湛江海湾大桥260.32φ1200267.823000240006青岛海湾大桥349.00φ120330003800052.00370004000036.503700040000自锚桩法静荷载实验状况汇总表 表2.1.2-2序号工程名称试桩数量(根)试桩桩长(m)试桩桩径(cm)估计加载力(kN)最大加载力(kN)1湛江海湾大桥(双荷载箱)173.5φ120上2*8500上2*9350下2*8500下2*76502东营黄河公路大桥(单荷载箱)4121φ1202*150002*15000121φ1202*150002*1650078φ1002*80002*880078φ1002*80002*66103杭州湾跨海大桥(一种单荷载箱，一种双荷载箱)285φ2502*337502*36850125φ280上2*29000上2*29000下2*13000下2*130004陕西太枣沟特大桥189φ1202*80002*130002*50002*5000 图2.1.2-1 钱塘江四桥桥试桩工程 图2.1.12-2 湛江海湾桥试桩工程 图2.1.2-3 青岛湾桥试桩工程 图2.1.2-4试桩实测P-S曲线图2.1.2-5试桩实测桩身轴力图2.2超长钻孔灌注桩单桩承载力的理论研究 2.2.1超长桩单桩荷载传递基本特点荷载传递是超长桩工作特性的重要内容。

涉及：荷载的分派，传递方式，地基土、桩身及桩端土共同承当外荷载的互相关系，发挥过程和分布规律具有如下特点：① 超长桩具有和一般桩前两阶段相似的特性，即荷载-沉降曲线为缓变型，没有明显的破坏特性；② 桩顶限制沉降较小时桩侧阻力发挥并不充足；③ 超长钻孔桩承载力由沉降控制在杭州钱塘江四桥、五桥、六桥，湛江海湾大桥，东营黄河大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等工程项目的超长钻孔灌注桩荷载实验均得到验证2.2.2桩身荷载传递的刚度法函数解课题研究以超长桩荷载传递机理为核心，以国内正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大桥为依托，在大量的现场试桩资料记录、分析基本上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特性分析，建立了基于桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数的超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度计算法，使超长钻孔灌注桩的计算设计更加贴合实际2.2.2.1桩土传递的函数模型建立(1) 超长钻孔灌注桩轴向荷载作用下的传递函数模型及解答① 桩侧阻力－桩土相对位移的函数模型图2.2.2-1 桩土体系荷载传递在桩身任意深度处取一微分桩段图2.2.2-1，由平衡条件可得桩土体系荷载传递的基本微分方程： (2.2.2-1)其求解取决于桩侧及桩端荷载传递函数的形式。

② 桩侧土荷载传递函数模型通过大量的室内、室外实验可知，双曲线型传递函数能较好的对桩土进行拟合，且拟合措施简朴、精度高，并可用有关系数来评价曲线的拟合效果，如图2.2.2-2所示图2.2.2-2 双曲线函数模型双曲线型荷载传递函数体现式为： (2.2.2-2)③ 桩端土的荷载传递函数模型超长钻孔灌注桩桩端土的力学模型即可采用双曲线函数，也可简化为双折线函数近似模拟其荷载传递性能桩端土承载力双曲线型体现式： (2.2.2-3)桩端承载力双折线型体现式： (2.2.2-4)④ 桩身荷载传递的刚度法函数解基于双曲线函数模型的荷载传递刚度法函数解是本研究课题提出的超长钻孔灌注桩单桩承载力新计算体系，它使超长钻孔灌注桩的设计、计算更加精细化，计算更符合实际状况 图2.2.2-3 桩土计算模型 图2.2.2-4 桩土简化计算模型图2.2.2-3和2.2.2-4分别为桩土计算模型、简化计算模型，若采用矩阵刚度法进行桩基构造计算，其基本方程为： (2.2.2-5)超长钻孔灌注桩桩顶受到一种桩顶力，得到沉降量为： 为桩土总刚度 (2.2.2-6)在桩顶荷载作用下，第n段桩第i分段的桩侧摩阻力可按双曲线函数表达为： (2.2.2-7)桩端反力可表达为： (2.2.2-8)若为桩侧的桩土位移，设为桩侧的桩土剪切刚度，则桩侧摩阻力及桩端反力可表达为： (2.2.2-9)第i分段的弹性压缩量： (2.2.2-10)各段桩桩身压缩量与桩土间相对位移有如下关系： (2.2.2-11)经推导可得： (2.2.2-12)或 (2.2.2-13)P——单桩桩顶轴向受力（kN）——第段桩相应的桩侧摩阻力（kPa）；——桩端土承载力（kPa）；u——桩的周长（m）；A——桩底截面面积（m2）；n——钻孔桩总段数；——各土层的厚度（m）；——桩土总刚度（kN/mm）；——第段桩桩与土的剪切刚度（kN/mm）；——第段桩桩身竖向弹性刚度（kN/mm）；K0——桩端处土的弹性抗压刚度系数（kPa/mm）。

通过引入的桩土刚度各参数及桩身荷载传递的刚度法函数解可对超长钻孔灌注桩的界定长度及有效桩长进行鉴定、分析2.2.2.2 桩土传递的函数模型拟合分析通过对大量桩土位移室外现场原位实验及室内模型实验数据进行分析，表白双曲线函数可以较好的拟合侧摩阻力与桩土位移之间的关系，且拟合措施简朴，参数少，拟合精度高（见图2.2.2-5～2.2.2-8）室内各类土实验及模型桩实验数据拟合有关系数均在0.99以上，试桩实测各土层的拟合有关系数不小于0.8 的为98%以上图2.2.2-5 室内实验各类土与土拟合曲线图图2.2.2-6 模型桩桩土拟合曲线图2.2.2-7 原型试桩桩侧摩阻力与桩土相对位移拟合曲线图图2.2.2-8 原型试桩桩端土曲线图③ 桩基的P－S曲线拟合运用各原型试桩得到的桩侧桩端荷载传递函数后，对桩顶实测P～S曲线进行拟合，图2.2.2-9和图2.2.2-10为部分原位超长桩试桩拟合成果，从图中可以看出用双曲线传递函数能较好的对桩顶P～S曲线进行拟合，误差较小2号试桩3号试桩图2.2.2-9 钱江四桥实测与计算曲线1号试桩2号试桩图2.2.2-10 钱江五桥实测与计算曲线2.2.2.3 不同参数对超长桩承载性能的影响项目组重要分析桩侧土剪切模量、桩身混凝土模量、长径比、桩长和桩径等对超长钻孔灌注桩荷载传递性状影响因素。

图2.2.2-11～2.2.2-15为部分不同参数下计算曲线各参数对桩基承载性状有不同限度的影响，设计时应选择合适的长径比，在尽量减少工程量的同步，达到设计规定的承载能力和桩顶容许位移的规定图2.2.2-11 桩侧土不同剪切模量下曲线 图2.2.2-12 不同长径比单桩荷载P～S曲线图2.2.2-13 不同桩长单桩荷载P～S曲线 图2.2.2-14 不同桩径单桩荷载P～S曲线 图2.2.2-15 不同桩身弹模单桩P～S曲线2.2.2.4 超长桩有限元分析计算本研究借助大型通用有限元软件ANSYS对钻孔灌注桩进行三维空间仿真分析，通过计算实例分别分析了桩长、桩径、土体粘聚力c值、桩侧土体刚度、桩端土体刚度对桩基承载性能的影响限度图 2.2.2-16为计算模型示例，图2.2.2-17～图2。