淺析大直徑嵌巖樁的承受力特性

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0 引言

近些年以來，我國各種工程基礎類中大直徑嵌巖樁得到了不斷推廣與應用，關于大直徑嵌巖樁承受力也得到了更多重視，特別是存在地下水的工程建造中的特性。由于地下水環境相對比較復雜，在進行施工的過程中是比較多變的，并且水上的荷載相對是比較高的，對于大直徑嵌巖樁的承載力的研究就變得尤其的重要，也成為在工程建設中的重要方向。目前國內外對大直徑嵌巖樁的研究是比較多的，本文主要是結合卸船碼頭以及有限元方法對大直徑嵌巖樁展開研究，主要討論了其嵌巖鋼管合理的嵌巖深度以及其套管在深水處嵌巖樁水平方向上的承受能力。本文研究成果對于工程設計以及施工都具有十分重要的參考價值。

1 現場試驗的分析

1.1 實驗基本概況

本文研究的卸船碼頭位于景區水庫附近，其所處的水域相對較深，為了滿足游船承載力要求，基礎前沿采用鋼管混凝土樁，所用的鋼管套直徑為2.8m，長度為40m，其嵌深度為5.2m。樁基的基本設計過程是先將鋼套管在強風化層打入一定深度，保證樁基穩定性；然后架設嵌巖鉆孔，鉆孔結束后進行澆筑。我國港口工程建設的時候采用大型嵌巖樁基礎相對比較少，但是碼頭的承載力要求較高。為了設計合理，設計前必須進行樁基的承載力實驗，在進行擬建的時候選擇兩個排架，一共8 根樁，具體平面圖如圖1所示。S3、S4 為試驗樁，M1、M2、M3、M4 是大直徑嵌巖樁的承受樁，C1 與C2 是觀測專用的基準樁。這8 根樁都位于混凝土套箱中。

圖1 試樁平面圖

1.2 實驗方法

為了更準確的測量鋼套管嵌巖灌注樁的水平承載力，需進行自由樁的承載力實驗，其荷載主要是一個作用在其樁頂部5.5m 處的集中力，作用力與樁面上的中心的偏移不大于10mm。在進行承載力計算的時候采用單循環法進行荷載加卸，最大加載量按照荷載的1.5 倍進行考慮，將加載過程中最大的控制值平均分為10 級。為了更準確的比較套箱內進行填砂和不填砂的承載力區別，分別對兩根樁進行不同的實驗，S3 中進行填砂，在進行承載力實驗的時候保留填砂；S4 樁進行無砂試樁，在施工的時候全部抽去填砂。

在試驗過程中，水平荷載用2000KN 的千斤頂進行加載，對其采用傳感器控制以及承載力測定，并對水平位移進行檢測。在樁身預埋的時候，在水平承載力實現的過程中需要對側向變形進行測量，同時要對測試樁身進行變力與軸力的測量。

1.3 實驗結果

（1）樁頂水平位移

S3、S4 的承載力與作用點的具體關系如圖2所示，主要特征值如表1所示。根據圖2中可以得知，S3、S4 樁的位置變化都是正常形態下的變化，屬于正常現象。實驗荷載及發生的位移都在控制范圍之內，滿足設計具體要求。由圖2中可以得到，S3 的水平承載力是342KN，在對應情況之下樁身發生的水平位移為35.48mm。S4 承載力大小為312KN，對應的樁身位移為38.92mm。

圖2 試樁承載力H 與水平位移Y 曲線

表1 S3 與S4 樁位移測試特征數值表

（2）樁身彎矩

樁身彎矩的具體分布可以根據具體的測試截面值來進行計算，具體結果為圖3所示，對于嵌巖段的樁徑大小為2.6m。經過測驗之后，S3 的最大彎矩是在-27m 處，最大的數值為17000KN/m；S4 的最大彎矩在-29m 處，最大值為15000KN/m。這兩個測試樁都在樁底0.5m 以上存在彎矩，最大承載力分別為2200KN/m 和5500KN/m。在樁身到強風化巖石層之間相距3m 位置處，即是樁身變形的位置，又是起始位置。所以，在這一點處的彎矩相對比較大，并有集中力，如果承受力超過一定的限度，對于這一段樁身而言就可能會出現裂縫現象。

圖3 試樁泥面以下測試的截面彎矩曲線圖

（3）樁身側向移動

實驗樁軸線的側向位移是通過測試儀器進行測試，圖4是對樁身側向移動的具體描述圖。雖然樁頂的位移相對比較大，但是由于在泥面上的自由度相對比較大，在泥面以下的位移相對會小一些。在樁底附近位置時，樁身側向移動會出現接近于零，甚至會出現負值，但是偏移量都很小。實際上樁身側向移動曲線可以表現出S3、S4 樁身的側向移動。

圖4 試樁側身位移Y 曲線圖

（4）樁身側基土的抗力

在泥面以下樁身側的抗力q 主要是根據彎矩以及剪力來計算，具體圖像如圖5所示。S3 測試樁在標高-26m 的時候抗力明顯增大，直到-28m 時達到了地基抗力最大值，在這一位置繼續往下就會出現反向遞減，一直到達-30.5m 時，測試樁的地基抗力成為零，再繼續往下就是正值。對于測試樁S4 的地基抗力在-27.3m 處出現的負值比較大，一直延續到了-29.3m 處，在這一點到達了-258KN/m，再繼續往下數值又會出現逐漸遞減。通過S3、S4測試樁的身側的地基抗力進行對比，發現有效的地基抗力都是相同的，其位置出現在6m 位置左右。

圖5 試樁地基抗力具體分布圖

2 大直徑嵌巖樁具體分析

本文為了更好的對大直徑嵌巖樁進行分析，對其機理進行具體探究，在對基礎數據進行相關測量及計算之后，采用有限元法對測試樁及巖石的作用進行具體的數值分析。

2.1 分析具體模型

運用有限元模型對S3 樁進行具體分析，有限元模型圖如圖6所示。在圖中把套箱中的填砂進行了簡化調整，也就是在標高-28.35m 處，因為在運用有限元進行模型建立的時候，需要保證這一模型的對稱性，所以選擇模型的一半進行模型建立。其地基長為40m，寬為20m，高為40m。

圖6 有限元模型圖

有限元模型的建立，需要考慮在試驗時加載的強度是相對較低的，所以需要考慮其彈性模量以及相應的泊松比。樁身、鋼套管彈性模量分別為39000MPa、201000MPa，泊松比分別為0.2、0.15；經過相關材料調查，粗砂、強風化巖以及中風化巖的彈性模量分別為80MPa，1000MPa，12000MPa，泊松比分別為0.3，0.2，0.2。數值的相關計算以及實際測量都與342KN 的結果進行了比較，因為模型是具有對稱性的，所以其數值為171KN。

2.2 計算結果分析

將計算數值與實際測量數值進行比較，圖7為對比分析圖。經過對比后發現運用有限元模型進行計算與實際測量結果基本吻合。如果對樁身位移進行比較，則會存在一定誤差。實際測量與計算的微風化巖的位移分別為0.42m、0.24m，計算與實測位移最大值分別出現在-31.2m、-31.5m。由于大直徑嵌巖樁的施工過程是采用機械施工方式，所以對嵌巖樁造成了一定的破壞，這也是導致實際測量與計算過程出現誤差的重要原因之一。除此之外，材料的選擇也是其中的一個重要的原因。

圖7 試樁S3 的計算與實測結果比較

2.3 嵌巖樁的參數分析

由于S3 實際嵌入中風化層的位置為5.2m，其實際測量的彎矩大于1MN·m，因此有必要加深對嵌巖的深度。所以建立深度為6.1m 與10m 的模型進行比較，并進行具體的分析。結果發現在對巖石以上的樁身進行位移之后沒有明顯差距，具體的位移如表2所示。同時為了分析鋼管套的加固作用，對沒有加固鋼管的樁身進行位移計算，具體如表2及圖8所示。在沒有鋼材套管的樁身砂層位置上面發生了較大的偏移量，但是其它部位沒有太大的變化。

表2 樁身位移的具體變化

圖8 樁身的位移曲線比較

3 結論

通過本文的研究，主要得到以下三個結論。（1）大直徑嵌巖樁在水平方向的承載力主要依靠對樁前巖的壓縮，因其承擔了大多數水平方向的承載力。（2）鋼管套與混凝土樁的變形在一定荷載范圍之內可以對整體起到有效的控制，超過這一范圍之后，鋼套管與混凝土的變形是不一致的。（3）采用有限元對大直徑嵌巖樁水平承載力的分析，可以對實際情況進行很好的反應，相關參數的研究證明超過其臨界值的時候，承載力不會再有明顯的變化。本文對大直徑嵌巖樁的研究有助于工程類項目的順利實施。