大直徑鉆孔灌注樁承載特性影響因素研究

趙 金 亮

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0二隊(duì)，遼寧 鞍山 114000)

大直徑鉆孔灌注樁承載特性影響因素研究

趙 金 亮

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0二隊(duì)，遼寧 鞍山 114000)

為了研究大直徑鉆孔灌注樁承載特性，用ADINA仿真手段結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗(yàn)進(jìn)行對比，研究表明：在一定范圍內(nèi)，隨著樁徑的增加，承載能力增強(qiáng)，樁頂位移較小，而樁徑過大則會(huì)影響大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力；在實(shí)際工程實(shí)踐中，極大提高樁身混凝土等級，對樁基承載力的提高不明顯。

鉆孔灌注樁，承載特性，影響因素

大直徑樁具有適用性廣，施工速度快，質(zhì)量可靠，承載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此也成為高層建筑，地下工程，公路和鐵路橋梁，港口工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)越來越常用的基礎(chǔ)形式[1-3]。為了能夠全面研究樁土作用中承載力的影響，通常需要確定樁身的尺寸參數(shù)、材料力學(xué)參數(shù)、土的力學(xué)參數(shù)。本文結(jié)合工程實(shí)際，用ADINA仿真手段結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗(yàn)進(jìn)行對比研究。并通過參數(shù)調(diào)整，研究各個(gè)影響因素對大直徑鉆孔灌注樁承載特性影響，并對其承載規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程概況

該工程布設(shè)地質(zhì)勘探孔6個(gè)，最大探深34.00 m，總進(jìn)米169.60 m；原位測試中標(biāo)貫21次，并進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)。分析了粉土、中粗砂、砂礫含角礫以及中風(fēng)化砂頁巖的土層性質(zhì)，根據(jù)勘察及原位測試實(shí)驗(yàn)得出了地基承載能力及土層物理力學(xué)參數(shù)，為計(jì)算分析奠定了基礎(chǔ)。

1)該場地地層較為簡單，變化不大。

2)雜填土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。

3)粉土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。

4)中粗砂及礫砂含角礫層分布較為均勻。

5)中風(fēng)化巖為場地內(nèi)穩(wěn)定地層，無軟弱夾層及下臥層，強(qiáng)度較高，可以作為橋墩基礎(chǔ)持力層，建議采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。

6)各地層承載力容許值及有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

該場地為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類。抗震烈度6度，標(biāo)

準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.40 m。

2 有限元仿真模擬及荷載試驗(yàn)

2.1 模擬思路

1)邊界條件。根據(jù)工程情況建立3D實(shí)體模型進(jìn)行模擬，有限元模型側(cè)面采用水平約束，底面采取固定約束。采用實(shí)體單元類型，節(jié)點(diǎn)自由度為3個(gè)平移自由度；材料參數(shù)按照地質(zhì)勘察資料進(jìn)行選取。

2)荷載條件將上部傳遞的荷載等效均布于樁頂，進(jìn)行樁土作用分析，模擬剖面示意圖如圖1所示。

2.2 現(xiàn)場單樁靜載實(shí)驗(yàn)

以該項(xiàng)目3號樁為研究對象，將單樁靜載實(shí)驗(yàn)和單樁3D仿真模擬仿真進(jìn)行對比分析，模擬仿真參數(shù)均取值于工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，單樁靜載數(shù)據(jù)取自于實(shí)測實(shí)驗(yàn)。

2.3 結(jié)果對比分析

結(jié)果如表2所示，樁頂加載10 000 kN以內(nèi)，模擬值與計(jì)算值接近，說明有限元數(shù)值模擬精度較高，但模擬值更接近于線性變化。原因在于模擬值計(jì)算過程中將樁體及土層進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，與實(shí)際土體、樁體參數(shù)不完全相符所導(dǎo)致。樁體加載實(shí)驗(yàn)加到10 000 kN便進(jìn)行了卸載，因此沒有后半程曲線，模擬值中所表示10 000 kN以上樁頂位移開始擺脫線性變化，變?yōu)槎冈?，因此可以確定樁基已經(jīng)達(dá)到了極限承載能力。

表2 模擬值與實(shí)驗(yàn)值

3 樁基承載力影響因素分析

3.1 樁體長度影響

只考慮長度影響，因此選取固定樁體直徑為1.0 m。長度分別采取圖2中數(shù)值，每種情況進(jìn)行一次3D模擬計(jì)算，算出樁頂位移列入圖2中。

由曲線圖2可以明顯看到，樁頂荷載在0 kN～8 000 kN的范圍內(nèi)，在相同樁頂荷載作用下，隨著樁長的增加，樁頂位移逐漸減小。抵抗樁沉降變形由樁端的端承載和樁體與土體的摩阻力所承擔(dān)，在一定范圍內(nèi)隨著樁長的增加樁周摩阻力也是增加的，這就增加了樁體抵抗受壓荷載的能力。當(dāng)樁頂荷載超過8 000 kN以后，樁頂沉降位移陡然增加，長樁與短樁的樁頂位移差別依然很大。而實(shí)際樁體工作中，超出一定的沉降范圍，就認(rèn)為樁體已經(jīng)達(dá)到極限承載力而不能繼續(xù)使用了，所以提高樁長增加豎向承載力在一定范圍內(nèi)是有效的，而超出了這個(gè)范圍一味增加樁長則沒有太大意義，而且大的樁長會(huì)導(dǎo)致施工難度增加，經(jīng)濟(jì)投入加大，經(jīng)濟(jì)性以及施工質(zhì)量都難以保證。

3.2 樁體直徑的影響

為了研究大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)直徑因素對樁體豎向承載力的影響，選用固定樁長為40 m,直徑分別采取如圖3所示，每種情況進(jìn)行一次3D模擬計(jì)算，算出樁頂位移列入圖3中，土體以及樁體模擬參數(shù)選取與3.1均相同。

在一定范圍內(nèi)，隨著樁徑的增加，承載能力也就增強(qiáng)，樁頂位移較小。如圖3所示，在荷載15 000 kN以內(nèi)，樁徑的增加所提高的承載能力是非常明顯的。但一味增加樁徑來提高樁的承載力也是不可取的。樁體承載主要取決于兩部分，一部分是端承載，另一部分是樁側(cè)摩阻。當(dāng)樁徑增加勢必導(dǎo)致樁周土體孔徑增大，土體之間的粘聚力就會(huì)減小，從而導(dǎo)致樁側(cè)土體松弛，摩阻力下降。因此在建筑樁基技術(shù)規(guī)范當(dāng)中也對大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力進(jìn)行了相應(yīng)的折減。

3.3 樁身彈性模量影響

研究樁身彈性模量對大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力的影響，該次仿真計(jì)算中選取樁長為40 m，樁徑為1.0 m進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算中其他模量均與前述相同。樁身彈性模量如圖4所示。

在針對樁基豎向承載力計(jì)算中，考慮樁身承載和樁土共同作用承載，承載力取二者最小值，因此提高樁身承載也是非常必要的。由曲線圖4可見，當(dāng)樁身彈性模量從20 GPa增加到30 GPa時(shí)，樁身承載增加的效果非常明顯，而超過20 GPa之后，則區(qū)別不大。因?yàn)闃渡磉_(dá)到一定強(qiáng)度后，可以認(rèn)為樁體承載能力已經(jīng)足夠大了，而相對于樁土共同作用則起到主要影響，即繼續(xù)加載樁土共同作用達(dá)到極限承載力，雖然樁沒有破壞，但基礎(chǔ)已經(jīng)達(dá)到極限承載了。在實(shí)際工程實(shí)踐中，完全沒必要極大提高樁身混凝土等級，對樁基承載力的提高不是很明顯，而且還會(huì)造成工程施工困難以及材料的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

1)通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知仿真計(jì)算精度較高；2)通過提高樁長增加豎向承載力在一定范圍內(nèi)是有效的，而超出了這個(gè)范圍一味增加樁長則沒有太大意義，而且大的樁長會(huì)導(dǎo)致施工難度增加，經(jīng)濟(jì)投入加大，經(jīng)濟(jì)性以及施工質(zhì)量都難以保證；3)在一定范圍內(nèi)，隨著樁徑的增加，承載能力也就增強(qiáng)，樁頂位移較小。而樁徑過大則會(huì)影響大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力；在實(shí)際工程實(shí)踐中，完全沒必要極大提高樁身混凝土等級，對樁基承載力的提高不是很明顯，而且還會(huì)造成工程施工困難以及材料的浪費(fèi)。

[1] 池躍君,顧曉魯.大直徑超長灌注樁承載性狀的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2000,30(8):26-29.

[2] 胡振陽,蔣榮慶,白鴻雁.超深大直徑鉆孔灌注樁施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2003,15(9):4-6.

[3] 李玲玲,王立忠,邢月龍.大直徑鉆孔灌注樁負(fù)摩阻力試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(3):583-590.

Large diameter bored pile bearing characteristics influencing factors

ZHAO Jin-liang

(LiaoningMetallurgicalGeologicalExplorationBureau402Teams,Anshan114000,China)

In order to study the large-diameter bored pile bearing properties, combined with on-site load test using ADINA simulation methods were compared. Studies show that: within a certain range, with the increase the diameter of the pile bearing capacity also increased, smaller displacement pile, and the pile diameter is too large vertical bearing capacity of large diameter bored impact, in actual engineering practice, greatly increasing pile of concrete grade, to improve the bearing capacity of the pile is not very obvious.

bored pile， bearing characteristics, influencing factors

1009-6825(2014)22-0075-02

2014-05-12

趙金亮(1982- )，男，工程師

TU473.14

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