大直径嵌岩桩承载机理与设计理论.ppt

1/56,大直径嵌岩桩承载机理与设计理论,第四界“深基础”会议,东南大学汇报人：龚维东南大学土木学院,2/56,目录,二、荷载传递机理分析,三、理论研究,四、室内实验研究,五、现场原位试验,六、嵌岩桩承载力计算,七、工程应用,八、取得成果,东南大学土木学院,3/56,嵌岩桩是指桩身一部分或全部埋设于岩石中的桩基础。与其它桩基相比，嵌岩桩具有明显的优点，逐渐被广泛地应用到各种重要的建筑、水利、桥梁工程中。由于岩层种类繁多，岩石强度差异较大，嵌岩桩特别是大直径深长嵌岩桩承载机理复杂，且很难进行破坏试验，诸多原因制约了人们对其承载性能认识。,嵌岩桩定义：,一、研究背景,1,研究背景,东南大学土木学院,4/56,国内大部分规范如建筑桩基08规范，公路桥涵07规范(铁路)，都规定把嵌入中风化（未分化）岩层以上的桩称之为嵌岩桩，全风化和强风化（中风化）按土层考虑，这一点相对于国外规范还有一定保守，国外规范一般规范都认为只要嵌入岩层的桩都是嵌岩桩，不管是嵌入强风化还是全风化岩层。,国内外对嵌岩桩定义的区别,一、研究背景,东南大学土木学院,5,重庆寸滩码头,在土木工程基础中，桩基础的使用占70%以上。每年使用量约300万根以上。嵌岩桩是桩基础的两种形式之一。广泛地应用到桥梁、建筑、港口、铁路、水利工程中。,南京德基广场,一、研究背景,东南大学土木学院,6/56,部分重点工程,润扬长江大桥,荆岳长江大桥,一、研究背景,东南大学土木学院,7/56,工业与民用建筑,港口工程,公路工程,铁路工程,其他应用领域,地铁工程,水利工程,一、研究背景,东南大学土木学院,8/56,随着桥梁跨径增大、房屋向超高发展，嵌岩桩直径及嵌岩深度越来越大。,嵌岩桩发展趋势,乌江特大桥桩径4.0m,椒江二桥桩长136m,紫峰大厦桩径2.0m,一、研究背景,东南大学土木学院,9/56,超大直径嵌岩桩的主要技术难题,缺乏对超大直径（d2m）嵌岩桩承载机理的研究。尺寸效应对桩基承载力的影响研究不足。虽对嵌岩桩的嵌岩深度做了必要的探讨，但对目前采用的深嵌岩桩的承载特性缺乏分析。现有桩基规范不足。,一、研究背景,东南大学土木学院,10/56,a）桩土体系的荷载传递分析,当竖向荷载施加于桩顶，桩身的上部首先受到压缩而发生桩土相对位移，使桩周土产生剪切变形，于是桩周土在桩侧界面产生向上的摩阻力,桩顶荷载通过摩擦力传递到周边土层，荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。,二、荷载传递机理,2,荷载传递机理,东南大学土木学院,11/56,现有：仅与岩石单轴抗压强度有关,破坏机理：粘结-滑移-膨胀,b）桩岩体系的荷载传递分析,自重引起法向应力,径向约束,考虑：,二、荷载传递机理,东南大学土木学院,12/56,“滑移-剪胀机理”桩岩界面的粘聚力先发挥作用,桩岩之间将发生相对滑移。桩身在孔壁方向发生侧向剪胀，提高桩岩的侧阻力。随着外荷载的增加，滑移机制变为剪切机制，此时孔径不再膨胀。在桩岩界面发生剪切破坏前，桩侧阻力达到峰值；发生剪切后的桩侧阻力会有不同程度的降低。,b）桩岩体系的荷载传递分析,二、荷载传递机理,东南大学土木学院,2019/11/21,相对位移曲线中风化以上的岩层提供的侧阻力要比土层高十几倍，甚至几十倍，达到极限所需的相对位移却比土体要小的多。破碎岩体的约为粘性土的1/2，完整岩体约为粘性土的1/4。曲线具有如下特征：1：达到极限值所需的相对位移小于土层所需的；2：完整基岩中，摩阻力呈脆性破坏，由峰值减小到某一残余强度。,岩体发挥极限侧阻的相对位移,14/56,基于Hoek-Brown嵌岩段桩-岩侧阻力计算方法,小孔扩张理论自重应力的算法,桩侧摩阻力分析模型,二、荷载传递机理,东南大学土木学院,基于Hoek-Brown嵌岩段桩-岩侧阻力计算方法,通用Hoek-Brown准则,1和2为破坏时大、小主应力，m和s为与岩体类型、完整性、风化程度等因素有关的常数GSI=RMR-5；mi(见附录2)；RMR(%)(见附录4)D(见附录1)为岩块的扰动系数，c为完整岩石的无侧限抗压强度，n与岩破碎程度有关的参数(n=0.50.65),(2=3),2019/11/21,嵌岩桩桩端基岩的破坏模式,桩直接支撑在基岩上，当基岩达到极限承载力时，桩端形成楔形体的破坏模式，图中符号（1）类似于主动区，图中符号(2)区为被动区,桩端产生滑移和偏转。,当嵌岩比(HR/D)大于2时，当基岩达到极限承载力时，桩端产生冲切破坏,桩端下岩体破裂形成截锥塞(b)。,(a)桩端直接支承在基岩上（b）嵌岩比大于2,17/56,破坏过程：分四个阶段,提出：基于三维Hoek-Brown计算方法,c）桩端阻力研究,现有：仅与单轴抗压强度有关,二、荷载传递机理,东南大学土木学院,基于二维Hoek-Brown破坏准则嵌岩桩桩端阻力计算,ZhangandEinstein（1998）运用二维Hoek-Brown破坏准则并考虑上覆土(岩)层影响的桩端阻极限承载力的确定方法:,对于平面应变问题:,ZONEB:,ZONEB过渡到ZONEA条件:,ZONEA:,(2=3),分析模型方程,Mindlin解,2019/11/21,岩块分类指标RockmassclassificationA.4表A.5岩块分类系统(AfterBieniawski1989)TableA.5:RockMassRatingSystem(AfterBieniawski1989).,2019/11/21,:不同岩石mi值,24/56,d）成桩工艺影响嵌岩桩承载特性机理,施工工艺：孔壁粗糙度、桩底沉渣厚度、泥皮厚度，影响着桩岩侧阻力及整体承载力的表现。,二、荷载传递机理,承载特性机理,东南大学土木学院,研究思路,工程应用,提出合理的设计方法,揭示嵌岩桩的承载机理,26/56,1、尺寸效应研究,尺寸效应明显存在，相关公式难以实际应用。,三、理论研究,某电网调度中心大楼现场实测结果,3,理论研究,东南大学土木学院,27/56,研究思路,现场测试试桩处岩层的桩侧与桩端阻力,对超大直径桩实测结果进行验证并结合有限元进行比对分析。,根据ONeil和Hassan(1994)提出的双曲线荷载传递模型理论对超大直径嵌岩桩进行拟合分析；,三、理论研究,东南大学土木学院,28/56,某大桥现场d=1.0m小桩的对比分析,三、理论研究,东南大学土木学院,29/56,推导D=4.0m的荷载与沉降关系曲线,三、理论研究,东南大学土木学院,30/56,2、孔壁粗糙度研究,三、理论研究,1982年，加拿大的Horvath提出了用凹凸度因子RF来描述孔壁粗糙度的定量方法（成孔仪测）,为孔壁半径的平均值（mm）,为钻孔的深度,为沿着钻孔深度方向剖面曲线的总长度（mm）,为凸出部分径向扩大尺寸的平均值（mm）,东南大学土木学院,31/56,在桩顶荷载作用下，桩首先发生轴向位移，并且沿孔壁方向发生侧向剪胀，孔壁的凹凸限制了桩的滑移，增强了法向应力，进而提高了桩侧的阻力，孔壁粗糙时的径向和切向应力都大于孔壁光滑时的相应值，,承载机理,三、理论研究,东南大学土木学院,32/56,影响嵌岩桩孔壁粗糙度的因素,施工工艺对粗糙度的影响,岩石强度对孔壁粗糙度的影响,岩石节理对孔壁粗糙度的影响,岩石的成层性对孔壁粗糙度的影响,三、理论研究,东南大学土木学院,33/56,3、桩底沉渣对嵌岩桩承载特性影响,无论是在嵌岩桩的理论计算还是设计施工时，桩底沉渣始终是一个很棘手的问题，我们必须承认这样一个事实，实际操作时桩底沉渣不可能保证百分之百的清除干净，如何确定桩底沉渣厚度及其对嵌岩桩承载力的影响就成为一个亟待解决的问题。,通过引用典型事例探讨桩端沉渣对嵌岩桩承载性状的影响。,三、理论研究,东南大学土木学院,34/56,a)L=1Db)L=2Dc)L=3Dd)L=5De)L=10D1轴力传递曲线（无沉渣）2轴力传递曲线（有沉渣）3桩侧阻力曲线（有沉渣）4桩侧阻力曲线（无沉渣）,桩底沉渣,三、理论研究,东南大学土木学院,35/56,最佳嵌岩深度,三、理论研究,东南大学土木学院,36/56,室内模型试验一,试验研究,室外原位试验,室内模型试验二,尺寸效应对嵌岩桩承载特性影响,孔壁粗糙度及桩底沉渣对嵌岩桩承载特性影响,四、室内试验研究,4,室内试验研究,东南大学土木学院,37/56,试验1：尺寸效应对嵌岩桩承载特性影响,主要思路：改变桩径大小及嵌岩深度。,四、室内试验研究,岩体：采用砂子、水泥、石膏粉、水的以一定的配合比搅拌后形成。,桩体：采用有机玻璃,东南大学土木学院,38/56,四、室内试验研究,东南大学土木学院,39/56,试验设施及加载系统,反力架,试验槽,加载油泵,油压千斤顶,四、室内试验研究,东南大学土木学院,40/56,试验准备工作,四、室内试验研究,东南大学土木学院,41/56,试验结果,四、室内试验研究,东南大学土木学院,42/56,各试桩Q-S曲线会随着嵌岩比的增大而变得平缓，在相同桩顶荷载作用下,其桩顶沉降会随嵌岩比的增大而减小,四、室内试验研究,东南大学土木学院,43/56,当桩径相同而嵌岩比增加时，图中三条直线的斜率总的来说会随嵌岩比的增加而变得越平缓。,四、室内试验研究,嵌岩深度的影响,东南大学土木学院,44/56,试验轴力,四、室内试验研究,东南大学土木学院,45/56,四、室内试验研究,桩侧阻力,东南大学土木学院,46/56,桩径、嵌岩比与嵌岩比与桩端荷载桩侧摩阻力的关系占桩顶荷载百分比的关系,桩径增大，侧向变形减小，作用在桩周岩石上的法向应力随之减小，导致桩侧摩阻力的下降。Qb/Q(%)(桩端荷载占桩顶荷载比)随嵌岩比n=HR/D增大而减小，4嵌岩比n6时，Qb/Q(%)递减明显；当6嵌岩比n8时，Qb/Q(%)递减平缓，此时，桩顶荷载主要由桩-岩侧阻力来承担。桩较长时，桩身压缩较大，桩岩相对位移较大，足以使侧阻充分发挥。,四、室内试验研究,东南大学土木学院,47/56,试验2：孔壁粗糙度及桩底沉渣的影响,孔壁粗糙度的定量计算方法：,四、室内试验研究,东南大学土木学院,48/56,桩底沉渣的模拟和实际有些差别，桩底沉渣在实际工程中弹模很小，变形很大，基本不具备太大的承载力，为了减小试验的难度，决定采用3cm厚泡沫模模拟。,桩底泡沫,桩底泡沫固定,四、室内试验研究,东南大学土木学院,49/56,四、室内试验研究,分组情况,东南大学土木学院,50/56,（a）桩底存在沉渣,（b）桩底密实,桩身光滑与粗糙时的承载力,四、室内试验研究,不论桩底密实与否，孔壁粗糙的影响是显而易见的。,东南大学土木学院,51/56,（a）桩底存在沉渣,（b）桩底密实,不同粗糙度下试桩Q-S曲线,四、室内试验研究,东南大学土木学院,52/56,孔壁粗糙度对侧阻力的影响,（a）试桩P1,（a）试桩P2,（b）试桩P3,（b）试桩P4,四、室内试验研究,东南大学土木学院,53/56,孔壁粗糙度对端阻力的影响,当粗糙度较小时，试桩P4、P6桩端阻力与桩端位移基本成直线分布，当试桩P8粗糙度因子增大到0.127，曲线也开始较为平缓，说明端阻力发挥所需要的位移也相对较小，曲线后半段慢慢下降，说明桩端阻力逐渐得到发挥。当试桩P10粗糙度因子增大到0.232，桩端阻力和位移又几乎为直线分布，且同试桩P6的曲线比较接近，说明孔壁粗糙度的对提高桩端阻力的发挥是有利的，但也不是越大越好，超过一定数值反而有所减弱。,四、室内试验研究,桩端密实,东南大学土木学院,国外文章要求？,54/56,对国内外1000多根嵌岩桩进行了现场测试于分析。,如：贵州坝陵河大桥重庆乌江特大桥青岛海湾大桥浙江西喉门大桥南京长江三桥南京紫峰大厦,主要工程,五、现场原位试验,5,现场原位试验,东南大学土木学院,55/56,数值模拟对比分析,五、现场原位试验,东南大学土木学院,56/56,六、嵌岩桩承载力计算,6,嵌岩桩承载力计算,建筑地基基础设计规范(GB500072011),对嵌岩桩设计尚未明确设计方法，当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩石中，按端承桩公式估算单桩竖向承载力。,东南大学土木学院,57/56,六、嵌岩桩承载力计算,建筑桩基设计规范(JGJ942008),规定桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：,东南大学土木学院,58/56,六、嵌岩桩承载力计算,公路桥涵地基与基础设计规范(JTGD63-2007),规定支承在基岩上或嵌入基岩内的单桩轴向受压容许承载力按下式计算：,东南大学土木学院,建立了线性分段函数的经验计算方法，提出了最大嵌岩深度和最佳嵌岩深度设计理念。,本课题研究成果：,桩端,嵌岩深度统计结果,嵌岩段极限阻力计算公式,桩侧,桩基承载力的确定及嵌岩深度,嵌岩桩综合设计方法,62/56,本课题嵌岩桩承载力公式：,当岩层孔壁粗糙度可以确定时,c2应乘以粗糙度影响系数,六、嵌岩桩承载力计算,东南大学土木学院,63/56,六、嵌岩桩承载力计算,东南大学土木学院,嵌岩超长桩?100m,64/56,为了验证建议公式的可行性与合理性，本文还列出了对于多根试桩用现行规范计算的结果和误差，详见下表。,六、嵌岩桩承载力计算,东南大学土木学院,65,乌江大桥节省资金200万元,南京三桥节省节省资金220万元,贵州坝陵河桥节省资金500万元,南京宋都大厦节省资金800万元,荆岳长江大桥节省资金200万元,北盘江大桥节省资金320万元,七、工程应用,7,工程应用证明,东南大学土木学院,66,赤石大桥节省资金500万元