考虑桩底沉渣影响的大直径钻孔灌注桩承载力分析

郭时安 吴东强

(深圳市交通运输委员会,广东深圳 518040)

1 概述

我国自20世纪80年代以来,随着城市超高层建筑以及交通干线上大跨度桥梁等建(构)筑物的修建,为满足上述结构的高层、大跨、重荷载及不同复杂地质条件的要求,工程上越来越多地采用大直径桩基础。

在大直径桩的实际施工过程中,由于施工队伍的素质、技术水平和施工工艺的限制,对于成孔后就地灌注混凝土的灌注桩来说,由于清孔不彻底或孔底沉渣不易清理干净,桩底极易形成沉渣。桩底沉渣对单桩的竖向承载力影响较大,桩底沉渣厚度越大,桩端持力层的承载力越小,单桩的竖向承载力亦越小[1]。

因此,分析并了解桩底沉渣对大直径钻孔灌注桩竖向承载力的影响,对确定单桩竖向承载力是非常重要的。肖宏彬以及Seed和Reese等[2]提出的桩身荷载传递函数的双曲线模型,考虑桩土(岩)共同作用,导出数值分析模型,通过迭代计算得到了桩的P-S曲线[3-4]。本文在此基础上,考虑桩端沉渣的影响,分析大直径钻孔灌注桩的竖向承载力。

2 大直径灌注桩的荷载传递函数形式及参数的确定

对于分层均质土(岩)来说,在桩土(岩)侧界面和桩端仍采用双曲线荷载传递函数形式,即

在桩土(岩)侧界面有：

在桩端底界面有：

对于桩端处有沉渣(虚土)的情况,根据文献[5],采用如下的双曲线荷载传递函数形式,即在桩端沉渣界面有：

在式(1)～(3)中,

τ、σb、σ1— —分别为桩土 (岩)侧界面摩阻力 、桩端反力和桩底沉渣反力；

ss、sb、s1— —分别为桩土 (岩 )相对位移 、桩端沉降和桩底沉渣的压缩量；

as,bs；ab,bb；a1,b1——分别为桩土 (岩 )侧界面 、桩端岩层和桩底沉渣的荷载传递参数。

对于桩土侧界面的荷载传递参数,可按第二章中的有关方法确定。

对于桩端沉渣层的荷载传递参数,由式(3)可得[5]

设沉渣层厚度为t,则由式(3)可得

因为当s1→t时,σ1→∞。所以,由式(5)得

即

实际上,大直径灌注桩桩底沉渣层的压缩变形,可以认为是在完全侧限的三向应力状态下的压缩变形。因此,对于沉渣层的荷载传递参数,采用室内压缩试验方法亦可得到。由于沉渣层的厚度一般较小,可以认为沉渣层顶面所受到的压应力与沉渣层底面的岩石所受到的压应力相等。因此,当桩底有沉渣情况时

桩端总沉降为

3 大直径钻孔灌注桩的荷载传递分析

3.1 桩身荷载传递的迭代模型及单元划分

如图1所示,设桩穿过两种不同的土层(实际上可为任意种土层),桩长为L,桩在各土层中的长度分别为L1和L2。各土层的荷载传递参数分别为as1、bs1和as2、bs2。桩端土层的荷载传递参数为ab和bb。在桩顶荷载P0作用下,桩顶产生的沉降为s0,桩端产生的沉降为sb。迭代计算的过程是：先将桩分为n个小分段,各分段的长度可以相同也可以不同,视计算要求而定,但必须保证各天然土层的分界面亦为桩的单元分界面。

3.2 桩的荷载-沉降关系的迭代计算方法

一般取各分段长度为 Δli=1 m左右即能得到很好的计算精度。然后假定桩端土产生一个压缩沉降量为sb,根据式(2)计算桩端反力Rb,即

式中,Ap为桩端面积；Pb为桩端轴力。

图1 桩身迭代单元划分

根据式(1),计算第n分段的桩侧摩阻力(注意：图1中,第n分段位于第二天然土层),即

根据 τn分别计算第n分段顶面处的桩身轴力增量 ΔPn和桩身轴力 Pn,即

式(12)中,up为桩身周长。

根据Pn计算第n分段的平均轴力¯Pn为

根据¯Pn分别计算第n分段的弹性压缩量Δsn和第n分段顶面处的桩身沉降量sn为

由于在上面的计算中假定了第n分段的桩侧摩阻力沿桩身是均匀分布的,而实际上桩身不同深度处的沉降是不同的,所以桩侧摩阻力沿桩身的分布也是变化的。文献[4]推导了求解桩身荷载-沉降关系的迭代计算模型

式中,Ep为桩的弹性模量。

因此,把上面计算得到的Pn、sn和 Δsn代入式(17),对第n分段进行迭代计算,才能得到满意的结果。即

将Pn和sn作为第n-1分段底面处的桩身轴力和沉降代入式(11)～式(22),对第n-1分段进行同样的迭代计算可分别得到Pn-1和sn-1……,如此类推,一直计算到桩顶可得到P0和s0。在计算过程中要注意不同的土层应选用不同的as和bs(如as1、bs1；as2、bs2……等)。

这样,每给定不同的sb可计算出不同的桩顶荷载P0和桩顶沉降s0,从而可绘出桩顶荷载与沉降关系的P-S曲线。

3.3 考虑桩端沉渣的迭代计算方法

当考虑桩底有沉渣层时,取sb=1、2、……,代入式(2)可计算出不同的 σb,将 σb代入式(8)可计算出不同的 σ1,再将 σ1代入式(3)可计算出不同的s1,然后将sb和s1代入式(9)可计算出不同的sb1,用sb1代替3.2节有关公式中的sb,并按3.2节中同样的方法可以确定考虑桩端沉渣的大直径钻孔灌注桩的荷载-沉降关系。

4 实例计算与分析

文献[1]曾实测分析了某大桥试验桩。该桩桩径为0.8 m,桩长12 m,桩底下有10 cm厚的沉渣。参考文献[1]中的有关材料参数,亚黏土：1/as=8 MN/m3,1/bs=0.06 MPa；淤泥质亚黏土 ：1/as=6 MN/m3,1/bs=0.03 MPa；卵石土 ：1/ar=40 MN/m3,1/br=0.12 MPa；桩端：1/ab=220 MN/m3,1/bb=5.3 MPa；沉渣 ：1/a1=50 MN/m3,1/b1=1.1 MPa；桩的弹性模量取为Ep=34 500 MPa。本文的理论计算结果如图 2中所示。

图2 荷载-沉降曲线

图2 所示的荷载-沉降曲线表明：本文理论计算结果与实测的结果十分接近。从而证明本文所提出的理论具有较高的计算精度和较强的实用性。

5 结论

(1)采用本文所提出的数值模拟方法模拟得到的P-S曲线与实测曲线非常吻合,且具有方法简单、实用性强、计算精度高等优点。用数值模拟分析出的P-S曲线确定桩的极限承载力也是完全可靠的。

(2)该方法为进一步分析桩底沉渣对大直径钻孔灌注桩承载力的影响分析提供了可靠、简便的分析手段。

[1]喻小明,潘 军,杨年宏,等.桩底沉渣与桩周泥皮对大直径钻孔灌注桩竖向承载力的影响分析[J].矿冶工程,2006,26(6)：9-12

[2]Seed H B,Reese L C.The Action of Soft Clay Along Friction Piles[J].Trans.ASCE,1955,122：731-754

[3]Xiao H B,Luo Q Z,et al.Prediction of load-settlement relationship for large-diameter piles[J].The Structural Design of Tall Buildings,2002,11(4)：241-258

[4]肖宏彬,钟辉虹.单桩荷载-沉降关系的数值模拟方法[J].岩土力学,2002,23(5)：592-596

[5]刘树亚.嵌岩桩桩-土-岩共同作用分析方法[J].土工基础,2000,14(2)：14-19