浅析大直径嵌岩桩的承受力特性

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0 引言

近些年以来，我国各种工程基础类中大直径嵌岩桩得到了不断推广与应用，关于大直径嵌岩桩承受力也得到了更多重视，特别是存在地下水的工程建造中的特性。由于地下水环境相对比较复杂，在进行施工的过程中是比较多变的，并且水上的荷载相对是比较高的，对于大直径嵌岩桩的承载力的研究就变得尤其的重要，也成为在工程建设中的重要方向。目前国内外对大直径嵌岩桩的研究是比较多的，本文主要是结合卸船码头以及有限元方法对大直径嵌岩桩展开研究，主要讨论了其嵌岩钢管合理的嵌岩深度以及其套管在深水处嵌岩桩水平方向上的承受能力。本文研究成果对于工程设计以及施工都具有十分重要的参考价值。

1 现场试验的分析

1.1 实验基本概况

本文研究的卸船码头位于景区水库附近，其所处的水域相对较深，为了满足游船承载力要求，基础前沿采用钢管混凝土桩，所用的钢管套直径为2.8m，长度为40m，其嵌深度为5.2m。桩基的基本设计过程是先将钢套管在强风化层打入一定深度，保证桩基稳定性；然后架设嵌岩钻孔，钻孔结束后进行浇筑。我国港口工程建设的时候采用大型嵌岩桩基础相对比较少，但是码头的承载力要求较高。为了设计合理，设计前必须进行桩基的承载力实验，在进行拟建的时候选择两个排架，一共8 根桩，具体平面图如图1所示。S3、S4 为试验桩，M1、M2、M3、M4 是大直径嵌岩桩的承受桩，C1 与C2 是观测专用的基准桩。这8 根桩都位于混凝土套箱中。

图1 试桩平面图

1.2 实验方法

为了更准确的测量钢套管嵌岩灌注桩的水平承载力，需进行自由桩的承载力实验，其荷载主要是一个作用在其桩顶部5.5m 处的集中力，作用力与桩面上的中心的偏移不大于10mm。在进行承载力计算的时候采用单循环法进行荷载加卸，最大加载量按照荷载的1.5 倍进行考虑，将加载过程中最大的控制值平均分为10 级。为了更准确的比较套箱内进行填砂和不填砂的承载力区别，分别对两根桩进行不同的实验，S3 中进行填砂，在进行承载力实验的时候保留填砂；S4 桩进行无砂试桩，在施工的时候全部抽去填砂。

在试验过程中，水平荷载用2000KN 的千斤顶进行加载，对其采用传感器控制以及承载力测定，并对水平位移进行检测。在桩身预埋的时候，在水平承载力实现的过程中需要对侧向变形进行测量，同时要对测试桩身进行变力与轴力的测量。

1.3 实验结果

（1）桩顶水平位移

S3、S4 的承载力与作用点的具体关系如图2所示，主要特征值如表1所示。根据图2中可以得知，S3、S4 桩的位置变化都是正常形态下的变化，属于正常现象。实验荷载及发生的位移都在控制范围之内，满足设计具体要求。由图2中可以得到，S3 的水平承载力是342KN，在对应情况之下桩身发生的水平位移为35.48mm。S4 承载力大小为312KN，对应的桩身位移为38.92mm。

图2 试桩承载力H 与水平位移Y 曲线

表1 S3 与S4 桩位移测试特征数值表

（2）桩身弯矩

桩身弯矩的具体分布可以根据具体的测试截面值来进行计算，具体结果为图3所示，对于嵌岩段的桩径大小为2.6m。经过测验之后，S3 的最大弯矩是在-27m 处，最大的数值为17000KN/m；S4 的最大弯矩在-29m 处，最大值为15000KN/m。这两个测试桩都在桩底0.5m 以上存在弯矩，最大承载力分别为2200KN/m 和5500KN/m。在桩身到强风化岩石层之间相距3m 位置处，即是桩身变形的位置，又是起始位置。所以，在这一点处的弯矩相对比较大，并有集中力，如果承受力超过一定的限度，对于这一段桩身而言就可能会出现裂缝现象。

图3 试桩泥面以下测试的截面弯矩曲线图

（3）桩身侧向移动

实验桩轴线的侧向位移是通过测试仪器进行测试，图4是对桩身侧向移动的具体描述图。虽然桩顶的位移相对比较大，但是由于在泥面上的自由度相对比较大，在泥面以下的位移相对会小一些。在桩底附近位置时，桩身侧向移动会出现接近于零，甚至会出现负值，但是偏移量都很小。实际上桩身侧向移动曲线可以表现出S3、S4 桩身的侧向移动。

图4 试桩侧身位移Y 曲线图

（4）桩身侧基土的抗力

在泥面以下桩身侧的抗力q 主要是根据弯矩以及剪力来计算，具体图像如图5所示。S3 测试桩在标高-26m 的时候抗力明显增大，直到-28m 时达到了地基抗力最大值，在这一位置继续往下就会出现反向递减，一直到达-30.5m 时，测试桩的地基抗力成为零，再继续往下就是正值。对于测试桩S4 的地基抗力在-27.3m 处出现的负值比较大，一直延续到了-29.3m 处，在这一点到达了-258KN/m，再继续往下数值又会出现逐渐递减。通过S3、S4测试桩的身侧的地基抗力进行对比，发现有效的地基抗力都是相同的，其位置出现在6m 位置左右。

图5 试桩地基抗力具体分布图

2 大直径嵌岩桩具体分析

本文为了更好的对大直径嵌岩桩进行分析，对其机理进行具体探究，在对基础数据进行相关测量及计算之后，采用有限元法对测试桩及岩石的作用进行具体的数值分析。

2.1 分析具体模型

运用有限元模型对S3 桩进行具体分析，有限元模型图如图6所示。在图中把套箱中的填砂进行了简化调整，也就是在标高-28.35m 处，因为在运用有限元进行模型建立的时候，需要保证这一模型的对称性，所以选择模型的一半进行模型建立。其地基长为40m，宽为20m，高为40m。

图6 有限元模型图

有限元模型的建立，需要考虑在试验时加载的强度是相对较低的，所以需要考虑其弹性模量以及相应的泊松比。桩身、钢套管弹性模量分别为39000MPa、201000MPa，泊松比分别为0.2、0.15；经过相关材料调查，粗砂、强风化岩以及中风化岩的弹性模量分别为80MPa，1000MPa，12000MPa，泊松比分别为0.3，0.2，0.2。数值的相关计算以及实际测量都与342KN 的结果进行了比较，因为模型是具有对称性的，所以其数值为171KN。

2.2 计算结果分析

将计算数值与实际测量数值进行比较，图7为对比分析图。经过对比后发现运用有限元模型进行计算与实际测量结果基本吻合。如果对桩身位移进行比较，则会存在一定误差。实际测量与计算的微风化岩的位移分别为0.42m、0.24m，计算与实测位移最大值分别出现在-31.2m、-31.5m。由于大直径嵌岩桩的施工过程是采用机械施工方式，所以对嵌岩桩造成了一定的破坏，这也是导致实际测量与计算过程出现误差的重要原因之一。除此之外，材料的选择也是其中的一个重要的原因。

图7 试桩S3 的计算与实测结果比较

2.3 嵌岩桩的参数分析

由于S3 实际嵌入中风化层的位置为5.2m，其实际测量的弯矩大于1MN·m，因此有必要加深对嵌岩的深度。所以建立深度为6.1m 与10m 的模型进行比较，并进行具体的分析。结果发现在对岩石以上的桩身进行位移之后没有明显差距，具体的位移如表2所示。同时为了分析钢管套的加固作用，对没有加固钢管的桩身进行位移计算，具体如表2及图8所示。在没有钢材套管的桩身砂层位置上面发生了较大的偏移量，但是其它部位没有太大的变化。

表2 桩身位移的具体变化

图8 桩身的位移曲线比较

3 结论

通过本文的研究，主要得到以下三个结论。（1）大直径嵌岩桩在水平方向的承载力主要依靠对桩前岩的压缩，因其承担了大多数水平方向的承载力。（2）钢管套与混凝土桩的变形在一定荷载范围之内可以对整体起到有效的控制，超过这一范围之后，钢套管与混凝土的变形是不一致的。（3）采用有限元对大直径嵌岩桩水平承载力的分析，可以对实际情况进行很好的反应，相关参数的研究证明超过其临界值的时候，承载力不会再有明显的变化。本文对大直径嵌岩桩的研究有助于工程类项目的顺利实施。