基于自平衡試樁法大直徑嵌巖樁尺寸效應(yīng)分析

龔成中 ，何春林龔維明，戴國(guó)亮

（1. 淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001；2. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096）

1 引 言

嵌巖樁具有承載力高、沉降小，抗震性能好等特點(diǎn)，近年來(lái)在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用。嵌巖樁的承載特性研究也成為國(guó)內(nèi)外工程和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1－5]。國(guó)外學(xué)者對(duì)嵌巖樁的研究比國(guó)內(nèi)起步要早。早在1969 年Reese 等[6]在第7 屆國(guó)際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程會(huì)議上就發(fā)表了世界上較早的一根埋設(shè)量測(cè)元件的嵌巖樁樁頂荷載隨深度傳遞的量測(cè)資料。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其研究雖較西方學(xué)者晚，但也取得了一些長(zhǎng)足的進(jìn)步。

目前，隨著高層建筑和超高層建筑的大量興建，上部結(jié)構(gòu)的荷載也越來(lái)越大，大直徑嵌巖樁甚至是超大直徑嵌巖樁在工程中得到了廣泛的使用。盡管我國(guó)現(xiàn)行的各種規(guī)范中計(jì)算嵌巖樁的承載力的方法不盡相同，但從計(jì)算模式中不難看出，增大樁徑對(duì)提高嵌巖樁的承載力是有利的。需要注意的是對(duì)大直徑嵌巖樁而言，隨著樁徑的增大，在樁身軸力作用下，樁的側(cè)向變形會(huì)減小，作用在樁周巖石上的法向應(yīng)力隨之下降，必將導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的下降。Pells 等[7]較早注意到這個(gè)問(wèn)題并進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，模型試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)樁徑小于500 mm 時(shí)，樁側(cè)阻力計(jì)算系數(shù)隨樁徑增加略有減小，由于樁徑增加引起面積的增加而增加的側(cè)阻力甚至?xí)蛔阋詮浹a(bǔ)側(cè)阻力計(jì)算系數(shù)的減小而減小的側(cè)阻力，導(dǎo)致樁側(cè)阻力降低。對(duì)于考慮尺寸效應(yīng)的樁側(cè)阻力求解問(wèn)題，O`Neil 等[8]提出了雙曲線型式的樁側(cè)荷載傳遞模型，該模型建立在樁巖石界面粗糙度均勻，且樁身材料與周圍巖體膠結(jié)良好，此模型公式為

式中：D 為樁徑；mE 為巖石的彈性模量； ( )zω 為樁-巖相對(duì)位移；( )zτ 為嵌巖段樁側(cè)摩阻力；max( )zτ為嵌巖段樁側(cè)極限摩阻力，目前該式已逐漸被國(guó)外大多數(shù)學(xué)者所接受。

我國(guó)學(xué)者對(duì)嵌巖樁的尺寸效應(yīng)研究較少，張建新等[9]利用有限元分析軟件，分析了樁的尺寸效應(yīng)對(duì)嵌巖樁承載形狀的影響。研究表明：在其他條件一定時(shí)，隨著樁徑的增加，嵌巖深徑比減小，樁的承載力有增大的趨勢(shì)，得出增大樁徑比增大嵌巖深度對(duì)提高承載力更為有效的結(jié)論，但該文主要研究了樁側(cè)阻力的分布規(guī)律，對(duì)大直徑尺寸效應(yīng)的影響則介紹較少。我國(guó)2008 年出版的《建筑樁基規(guī) 范》[10]雖考慮了大直徑樁的尺寸效應(yīng)，如對(duì)樁基直徑 D ＞ 0.8 m 的樁，對(duì)樁側(cè)阻力、樁端阻力采用了(0.8/ D )n的折減系數(shù)，但上述折減系數(shù)主要適用于土層，規(guī)范并沒(méi)有涉及到巖石的情況。

由于大直徑嵌巖樁承受荷載較大，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)費(fèi)用比較高，且難以準(zhǔn)確測(cè)試，因此，基于尺寸效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的原位測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)?zāi)壳斑€比較匱乏，本文基于某電網(wǎng)調(diào)度中心大樓現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試報(bào)告，對(duì)嵌巖樁的尺寸效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 試驗(yàn)原理及方法

該電網(wǎng)調(diào)度中心大樓高200 多米，考慮到工程的重要性，為了減少測(cè)試過(guò)程中上覆土層的影響并準(zhǔn)確測(cè)得嵌巖段部分的樁側(cè)阻力和樁端阻力，待試樁挖孔至巖土交界面時(shí)，根據(jù)要求在孔底巖層中分別挖取直徑D 不同、深度h 不同的孔洞并澆筑混凝土成樁（見(jiàn)圖1）。通過(guò)測(cè)試嵌巖段部分的樁側(cè)阻力和樁端阻力來(lái)確定試樁承載力并分析尺寸效應(yīng)對(duì)承載力的影響。

由于傳統(tǒng)加載方法難以在孔底進(jìn)行加壓測(cè)試，本次試驗(yàn)采用自平衡測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試[11]。其主要加載設(shè)備為荷載箱，其由活塞、頂蓋、底板及箱壁等組成。荷載箱中的壓力可用壓力表測(cè)得，上下蓋板的位移可用位移傳感器測(cè)得。豎向加載時(shí)，可通過(guò)高壓油泵向荷載箱內(nèi)腔加壓，隨著壓力的增加，荷載箱將同時(shí)向上、向下發(fā)生變位，促使樁側(cè)、樁端阻力的發(fā)揮，其測(cè)試原理如圖2 所示。

圖1 測(cè)試示意圖 Fig.1 Test diagram

圖2 自平衡測(cè)試原理圖 Fig.2 Schematic of the self-balanced test

為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，在樁底的荷載箱下方還設(shè)置了50 mm 厚的砂墊層。

本文選取7 根實(shí)測(cè)的試樁數(shù)據(jù)對(duì)樁基的尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，試樁基本參數(shù)如表1 所示。

表1 試樁參數(shù) Table 1 Parameters of test pile

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 樁巖側(cè)阻力試樁尺寸效應(yīng)測(cè)試與分析

本文以試樁S1、S3 為研究對(duì)象，2 根試樁除了直徑不同外，其他條件完全相同。實(shí)測(cè)的嵌巖段平均樁側(cè)阻力與位移關(guān)系曲線如圖3 所示。

從圖中可以看出，在巖質(zhì)條件和嵌巖深度相同的條件下，嵌巖段的平均樁側(cè)阻力與位移關(guān)系呈曲線分布，并且兩者的樁側(cè)摩阻力大小也并不相同。在相同的位移情況下，S3 與S1 相比，隨著樁徑的增大，其對(duì)應(yīng)的樁側(cè)阻力發(fā)揮略有減小，造成這一現(xiàn)象的主要原因：一是大直徑樁應(yīng)力松弛現(xiàn)象與小直徑樁相比較為明顯；二是隨著樁徑的增大，樁身的截面剛度也比較大，在豎向軸力的作用下，樁的側(cè)向變形減小，作用在樁周巖石上的法向應(yīng)力也隨之減小，勢(shì)必導(dǎo)致樁側(cè)的切向應(yīng)力，即樁側(cè)阻力的減小。這也說(shuō)明了嵌巖樁在嵌巖段部分由于尺寸效應(yīng)存在著一定的樁側(cè)阻力減小現(xiàn)象。

圖3 S1、S3 樁側(cè)阻力-位移曲線 Fig.3 Curves of shaft resistance-displacement of S1, S3

3.2 樁巖側(cè)阻力嵌巖深度影響分析

本次試驗(yàn)還對(duì)同一巖層采用了不同孔深、不同孔徑的形式做了對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)嵌巖樁的深度效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試與研究。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 側(cè)阻力與位移的關(guān)系 Table 2 Relations of shaft resistance and displacement

從表可以看出，在相同巖層的情況下，嵌巖深度不同時(shí)樁側(cè)阻力也并不相同。如試樁S4 和S5 嵌巖部分的巖層都是中風(fēng)化礫巖，兩者孔徑也相同 （D =1.0 m）；不同之處在于試樁S4 的嵌巖深度為2 倍樁徑，而試樁S5 的嵌巖深度為1 倍樁徑。從測(cè)試結(jié)果看，嵌巖深度大的樁，其極限樁側(cè)阻力也相對(duì)小一些。主要原因是嵌巖樁嵌巖段部分的樁側(cè)阻力的發(fā)揮也是一個(gè)漸次的過(guò)程。在荷載箱提供的壓力作用下，嵌巖深度小的嵌巖樁其極限側(cè)阻力的發(fā)揮就比較完全，樁側(cè)阻力分布也比較接近；嵌巖深度較大的嵌巖樁，不同位置處的樁側(cè)阻力發(fā)揮則并不相同，在極限荷載作用下，靠近荷載位置處的樁側(cè)阻力已達(dá)到其極限側(cè)阻力，而距離荷載較遠(yuǎn)處樁側(cè)阻力并未充分發(fā)揮，導(dǎo)致其平均極限側(cè)阻力小于嵌巖深度較小的狀況。

試樁S6 和試樁S7 也是如此，該試樁嵌巖部分的巖層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。S6 嵌巖深度為1.5 倍樁徑，而S7 嵌巖深度為1 倍樁徑，在其他條件相同的情況下，嵌巖深度小的樁，其側(cè)阻力也相對(duì)大一些。

本次試驗(yàn)也從另一個(gè)方面證實(shí)，樁周巖層的特性對(duì)樁側(cè)阻力的影響更為明顯。巖體抗壓強(qiáng)度高的中風(fēng)化礫巖其實(shí)測(cè)的極限側(cè)阻力也遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度比較低的中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

在每級(jí)荷載作用下，樁側(cè)阻力與位移關(guān)系如圖4 所示。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，試樁S1、S2、S3 巖層條件相同，皆為中風(fēng)化砂巖。試樁S1、S3 在嵌巖深度相同的條件下，盡管兩者樁徑不同，但樁側(cè)摩阻力大小相差不大；而試樁S2 同試樁S1、S3 相比，隨著樁端荷載的增大，嵌巖深度越大的樁其巖層的樁側(cè)阻力折減越明顯。同樣，樁周巖層為微風(fēng)化礫巖的試樁S4、S5 以及樁周巖層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖的試樁S6、S7 都存在相同現(xiàn)象，即在樁側(cè)位移超過(guò)一定數(shù)值后，相同巖層不同嵌巖深度的樁側(cè)摩阻力隨荷載增大兩者差值也越來(lái)越突出。

可以看出，在巖石條件相同的情況下，嵌巖深度增大導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的折減要比孔徑增大而導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的折減更為明顯。這也說(shuō)明一味的增大樁端的嵌巖深度來(lái)提高樁基整體的承載能力還不如采用增大樁的直徑的方法更為有效。

3.3 樁端阻力尺寸效應(yīng)分析

為測(cè)試樁端阻力的尺寸效應(yīng)，在荷載箱下方設(shè)置了不同尺寸的載荷板?？紤]到工程的實(shí)際需要，最小載荷圓板的直徑都超過(guò)了300 mm。表3 列出了不同巖層條件下，不同底板尺寸的試驗(yàn)結(jié)果。為研究同一巖層在同等加載條件下尺寸大小對(duì)端阻力的影響，試樁S2、S3 及試樁S5、S7 的加載值、端阻力、向下位移均為利用實(shí)測(cè)數(shù)值而擬合的結(jié)果。由于試樁S2 的擬合數(shù)值較大，故應(yīng)予以舍去。

圖4 側(cè)摩阻力與位移曲線 Fig.4 Curves of shaft resistance-displacement

表3 端阻力與位移關(guān)系 Table 3 Relations of tip resistance and displacement

從表3 中可以看出，在本工程的3 種巖層中，在相同壓應(yīng)力的條件下，底板尺寸大的樁對(duì)應(yīng)的位移也大。即試樁S3、S5、S7 的底板尺寸分別大于相應(yīng)的試樁S1、S4、S6，它們向下位移也較大。即在相同的巖層中，樁端阻力的數(shù)值也并不完全相同。在相同樁端應(yīng)力作用下，樁端面積越大，樁端沉降也越大。當(dāng)以樁基的沉降量為控制條件來(lái)確定樁基承載力時(shí)，樁端承載力與樁徑大小有關(guān)。在滿足位移相等的條件下，樁徑越大，其單位端阻力就越低。因此，計(jì)算大直徑嵌巖樁的端承載力時(shí)，應(yīng)根據(jù)樁端尺寸大小適當(dāng)予以折減。

3.4 樁端阻力折減系數(shù)分析

取中風(fēng)化巖層討論，在相同位移的情況下，試樁S1、S3、S4、S5 端阻力的大小如表4 所示。假設(shè)大直徑嵌巖樁的樁端阻力隨樁徑增大呈雙曲線形式減小，即如下式所示：

則

式中：1D 為變化前的樁徑；2D 為樁徑改變后的樁徑；p1q 是樁徑為1D 時(shí)對(duì)應(yīng)的樁端阻力；p2q 是樁徑為 2D 時(shí)對(duì)應(yīng)的樁端阻力；n 為巖層樁端阻力隨樁徑變化的折減指數(shù)值。

采用上述計(jì)算方法可求得該測(cè)試巖層的n 值，如表4 所示。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)中風(fēng)化的砂巖數(shù)值為2.30；中風(fēng)化的礫巖為4.32?？梢钥闯?，樁端的尺寸效應(yīng)隨樁徑的增大，數(shù)值變化比較明顯。而且?guī)r石的強(qiáng)度越高，數(shù)值減小就越明顯。

表4 系數(shù)值n Table 4 Values of n

4 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)在同種巖層條件下，對(duì)不同嵌巖樁的樁側(cè)阻力進(jìn)行測(cè)試與分析，結(jié)果表明，隨著樁徑的增大，大直徑嵌巖樁的樁側(cè)阻力存在一定的減小現(xiàn)象。

（2）在不同嵌巖深度的條件下，對(duì)比試驗(yàn)表明，隨著孔深的增大樁側(cè)阻力存在著明顯減小現(xiàn)象，且嵌巖深度的影響較孔徑變化的影響更為明顯。

（3）從不同巖層測(cè)試結(jié)果來(lái)看，樁周巖層的強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)阻力的影響最為明顯，樁周巖層強(qiáng)度高，樁側(cè)阻力的發(fā)揮也大。

（4）嵌巖樁的樁端阻力也存在著明顯的尺寸效應(yīng)。隨著樁徑的增大，樁端阻力減小也較為明顯，巖石強(qiáng)度越高，相應(yīng)地樁端阻力減小也越大。

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