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西华人学硕十学位论文 泥岩中挖孔灌注桩承载特性研究 专业：岩土工程 研究生：岳耀斌指导教师：王泽云教授 摘要 泥岩地质条件在我国有着广泛分布。泥岩具有遇水泥化、软化和脱水开裂 等特征，属极软岩类。近年来，泥岩地质条件下桩基础承载力的计算成为了工 程实践中的重要课题。但是，对以泥岩作为持力层的桩基础承载特性的研究资 料较少，现行规范对极软岩中的桩基承载力也没有明确完整的计算方法。并且 泥岩的物理性质和承载特性有较大差异，造成试验结果离散，难以得到统计规 律。因此，加强地区性嵌泥岩桩的研究尤为重要。 本文基于现场静载试验和有限元分析方法，对泥岩中桩基的承载性状和承 载模式作了初步探讨。首先，在参考国内外文献的基础上，对桩基础承载力的 研究作了介绍和总结。然后，分析和评价了桩基础承载力计算理论，桩侧阻力 和桩端阻力的发挥规律，阐述了嵌岩桩的工作机理，对嵌岩桩当中的桩土摩阻 力、桩岩摩阻力、桩端阻力作了深入分析，对嵌岩桩整体承载性状进行了总结。 结合试验地区的地质条件，根据地勘和土工实验的参数进行了有限元模拟，分 析了数值模拟的q s 曲线。根据静载试验结果，重点分析了桩侧摩阻力、桩端 阻力和轴向力的发挥规律，并根据实测位移资料，绘制了q s 曲线，运用斜率 指数法对桩基承载力作了预测。结合数值模拟和静载试验，发现桩侧摩阻力对 桩基础承载能力的贡献非常重要，并且在试桩发生很小位移时，桩侧摩阻力已 经有了明显发挥，当试桩位移达到2 m m 3 m m 时，桩侧摩阻力的发挥趋于稳定。 通过数值模拟和静载试验结果与桩基规范两种计算模式计算结果的对比，认为 将该地质条件下的桩基础作为一般桩，即土质条件下的桩基础计算其承载力较 作为嵌岩桩计算其承载力更为合理。 西华大学硕十学位论文 本文只是基于一定的试验资料，对泥岩地质条件下桩基础承载力计算进行 了初步的探讨，希望本文在这方面的探索能对该地区泥岩地质条件下桩基础承 载力计算提供借鉴，对软岩嵌岩桩承载力问题的研究有所帮助。 关键词：泥岩；桩基础；承载性状；有限元；静载试验 西华大学硕十学位论文 s t u d y o nt h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb o r e d p i l e 。m u d s t o n e p i l ei ni l l u u e m a j o r ： g c o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g m dc a n d i d a t e ：y u ey a o b i n t u t o r ：w a n gz e - y u n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t m u d s t o n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r ed i s t r i b u t e db r o a d l yi no u rc o u n t r y w i t h t h en a t u r eo fc e m e n t ，a n ds o f t e n i n ga n dc r a c k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd e h y d r a t i o n ， m u d s t o n ei so n es o f tr o c kc a t e g o r y t h ec a l c u l a t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e f o u n d a t i o ni nm u d s t o n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sb e c o m i n ga ni m p o r t a n ti s s u ei nr e c e n t b u tr e s e a r c ho nb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ei nm u d s t o n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sl e s s t h ee x i s t i n gr e g u l a t i o no ft h ep i l ef o u n d a t i o nt h e r ei sn oc l e a rc a l c u l a t i n gm e t h o d a l s o a sm u d s t o n e sa r ed i f f e r e n ti np h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dl o a d b e a t i n gc a p a c i t y , t h e t e s tr e s u l t sa r ed i s c r e t e ，h a r dt of i n dt h es t a t i s t i c a ll a w f o rt h er e a s o nt h a t ， s t r e n g t h e n i n gr e g i o n a ls o f l r o c k - s o c k e t e dp i l er e s e a r c hi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t b a s e do ns t a t i cl o a dt e s ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s ，t h ep i l eb e a r i n g c a p a c i t yi nm u d s t o n ei sd i s c u s s e d i nr e f e r e n c et ot h el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d t h er e s e a r c ho nt h eb e a r i n g c a p a c i t y o fp i l ef o u n d a t i o nw e r e p r e s e n t e d a n d s u m m a r i z e d t h e n ，a n a l y s i sa n de v a l u a t i o na b o u tt h e o r i e so nc a l c u l a t i o no fp i l e f o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y , t h el a wo fp i l es i d er e s i s t a n c ea n dt i pr e s i s t a n c eo fp i l e s t op l a ya r ep r e t e n d e d w o r km e c h a n i s mo fr o c k - s o c k e t e d ，e s p e c i a l l yt h ep i l e - s o i l f r i c t i o n , f r i c t i o nr o c kp i l e s ，p i l et i pr e s i s t a n c ea r ea n a l y s i si nd e p t h t h ew h o l e r o c k s o c k e t e dp i l el o a d - b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d c o m b i n e dw i t ht h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft h e a r e a , a c c o r d i n gt o t h e g e o l o g i c a ls u r v e ya n d g e o t e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t ，t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni se x e c u t e d m 西华人学硕十学位论文 t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h eq sc u r v e ，a n dt h ec o m p a r i s o no f c a l c u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt w om e t h o d si nr e g u l a t i o n ，a r g u et h a tc a l c u l a t e dt h e b e a r i n gc a p a c i t yo fp i l eb a s e do ns o i lc o n d i t i o n si sr e a s o n a b l e a c c o r d i n gt ot h et r i a l d a t a , t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h el a t e r a lf r i c t i o np i l e s ，p i l et i pr e s i s t a n c ea n dt h ea x i a l f o r c eo ft h el a wt op l a y a n db a s e do nt h em e a s u r e dd i s p l a c e m e n td a t a , q sc u r v e i sd r a w n ，u s i n gt h es l o p ei n d e xm e t h o dt op r e d i c tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l e f o u n d a t i o n r e f e r e n c et on u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds t a t i cl o a dt e s t ，f o u n dt h a tl a t e r a l f r i c t i o nf o r c eo nt h ec o n t r i b u t i o no ft h ep i l ef o u n d a t i o nl o a d b e a r i n gc a p a c i t yi sv e r y i m p o r t a n t w h e ns m a l ld i s p l a c e m e n te m e r g e d ，t h el a t e r a lf r i c t i o nf o r c ea p p e a r e d w h e nt h ed i s p l a c e m e n tr e a c h e d2m m - 3m m ，t h el a t e r a lf r i c t i o nf o r c ec a m et o s t a b i l i z e ds t a t u s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h et w oc a l c u l a t i o nm o d e l si nr e g u l a t i o n a n dp r e d i c t i v ev a l u e ，s u g g e s tt h a ts o i lc o n d i t i o n st oc a l c u l a t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo f p i l ef o u n d a t i o ni sm o r er e a s o n a b l et h a nc a l c u l a t ei nr o c k - s o c k e dp i l ep a t t e r n t h i sa r t i c l ei sj u s tb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，e x e c u t e dap r e l i m i n a r ya n a l y s i s o nb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o no fp i l eu n d e rt h em u d s t o n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 1 h o p et h i sa r t i c l e se x p l o r a t i o ni nt h i sa r e aa n dp r a c t i c e sc a nc o n t r i b u t et os o l v et h e p r o b l e m o fc a l c u l a t i n gt h e b e a r i n gc a p a c i t y o fp i l ef o u n d a t i o ni nm u d s t o n e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m u d s t o n e ；p i l ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gb e h a v i o r ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；s t a t i cl o a dt e s t l v 西华大学硕士学位论文 西华大学硕士学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 6 只穆b 占旯甥r 两华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密酣适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 指导教师签名： 日期。万, 多- 3 两华大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 桩基础概述 桩是完全或部分埋置于土或岩面以下，成竖直或倾斜状，可通过侧壁和底 端将荷载传至周围土体的深层地基。严格的说，工程实践中的桩是指桩基，是 包括桩和桩间土在内的一种深基础1 1 0 l 。 桩基是一种古老的、传统的基础形式。它不仅能有效地承受竖向荷载，还 能承受水平荷载和上拔力，并且能作为抗震地区的减震措施。由于桩基具有承 载力高、稳定性好、沉降量小、便于机械化施工、适应性强等突出优点，得到 了广泛的应用。尤其是随着我国经济建设的发展，高层建筑和大跨度桥梁的增 多，桩基的使用也更加普遍。与此同时，随着生产水平提高和科学技术的发展， 桩的种类、施工机具和工艺以及桩基设计理论也得到了高速发展。在近代土木 工程中，桩基础发挥着越来越重要的作用，已经成为高层建筑、桥梁、码头和 海洋石油平台不可或缺的基础形式1 1 6 1 。 1 1 1 桩基础的发展 桩基础的发展可以划分为三个阶段【l o l 。初期阶段( 1 9 世纪以前) ，主要形式 是木桩和石桩，呈现桩身短，桩径小的特点，采用简单人工捶打的方法沉桩， 主要设置于地基条件不利的河谷及洪积地区，用于传递房屋的竖向荷载；发展 阶段( 1 9 世纪中叶一2 0 世纪2 0 年代、) 在天然材料桩的基础上，混凝土桩和钢筋混 凝土桩得到了发展，水泥工业的产生促进了桩基技术的进步，机械沉桩也得到 了初步发展，桩基理论和现代施工技术处于萌芽阶段；现代化阶段( 二战后一至 今1 在钢筋混凝土桩的基础上发展了多种桩系，例如：钢桩系列，水泥土桩系列， 以及特种桩系列( 超高强度、超大直径、变截面等) 及天然材料的砂桩、灰土桩和 石灰桩。在现代化阶段，桩基技术在引进了其它领域的先进科学成果后，得到 了很大提高，大大拓展了桩基技术的研究深度和广度，桩的应用范围迅速扩展， 西华大学硕十学位论文 施工工艺也由人工转变为复杂的机械化。 ， 在桩基技术现代化的过程中，呈现出了多种发展趋势。单桩设计承载力越 来越大是一个重要方面，为了满足设计承载力的要求，从桩身材料优选、桩身 截面增大、最大限度的提高桩身混凝土强度等多种途径提高桩的承载能力，出 现了各种新型改良桩系；电子计算机和数值方法的快速发展，高分子化学在岩 土力学领域的研究成果也极大的推动了桩基技术的提高：桩基的施工进步满足 了多种桩型设计的需要和复杂多变的工程地质和水文地质条件，施工机械也趋 于专门化和复杂化，桩基新品种、施工工艺和应用范围也在不断发展。 1 1 2 桩基础特点及应用 桩基础通过桩的侧面和土接触，将荷载传递给桩周土体，或深层岩层、砂 层或坚硬的粘土层，从而获得较大的承载能力以支承重型建筑物；对于液化的 地基，为了在地震时仍保持建筑物的安全，桩穿过液化土层将荷载传递给稳定 的未液化土层；桩基础具有很大的竖向刚度，因而采用桩基础的建筑物，沉降 较小，而且比较均匀，可以满足上部结构的安全需要和使用要求；桩具有很大 的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平力、上拔力和倾覆 力矩，保持高耸结构物和高层建筑的安全；桩还可用于改变地基基础的动力特 性，提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证机械设备的正常运转。因此， 桩基础具有良好的适用性。随着我国建设事业的发展，高层建筑、大型桥梁、 高耸塔架、海洋平台、地铁、高速公路等基础设施的大量兴建，对基础工程提 出了更高要求，也为桩基工程的发展提供了广阔的前景。 根据工程实践经验，一般在下述情况下可考虑选择桩基础方案【1 6 l ； ( 1 ) 不允许地基有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑或其他重要的建筑物； ( 2 ) 荷载较大，地基的上部土层软弱，持力层埋深较大时； ( 3 ) 承受较大的水平荷载和上拔力，对倾斜度有特殊要求时； ( 4 ) 对地基沉降与沉降速率有严格要求的精密或大型设备基础，需要控制基 础振幅、软弱基础、振动的动力设备基础； ( 5 ) 河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易准确计算，若采用浅基础施 2 西华人学硕十学位论文 工困难或不能保证基础安全时； ( 6 ) 软弱地基或某些特殊土上的各类永久性建筑物，或地震区地基存在可液 化的土层时； ( 7 ) 用于解决相邻建筑物地基产生的相互影响。 1 2 泥岩性质概述 泥岩，广泛分布于全国各地，强度介于岩与土之间，按工程分类归属于 软质岩石。具有质软，节理发育，岩芯多呈碎块状，遇水浸泡后极易风化软化， 曝晒后开裂等特征。在建筑物荷载作用下，表现出承载力低、变形大、复杂易 变等工程特性。已有硬质岩石工程的施工工艺、设计规范不能照搬用于软岩工 程1 2 5 1 。过去，国内外对泥岩问题的研究主要集中在地下洞室支护等方面，而将 泥岩视为地基研究其承载力的较少。但随着城市建设迅猛发展，建设规模不断 扩大，以高、重、大、深为特征的高层建筑物及大荷载构筑物成为城市土木工 程建设的重点。桩基础的发展也使泥岩的基础工程问题，泥岩的承载力问题成 为工程界的研究热点。 通过对所收集泥岩的实验资料和参考文献进行分析，并根据现场试验地区 泥岩的室内土工试验，对泥岩的物理力学性质及承载特性作了如下总结1 5 5 。 ( 1 ) 泥岩的物理性质有：容重、比重、孔隙性、水理性、吸水性、透水性、 软化性、抗冻性。物理实验结果可以看出其力学性质的好坏。各种泥岩的物理 力学性质不同主要是由于组成泥岩的原生矿物、次生矿物及有机质和泥岩的物 理结构( 如节理、裂隙) 不同所致。 ( 2 ) 泥岩强度低、遇水极易崩解软化，在做单轴抗压试验时大都不易制成标 准试件，因而只能做天然湿度状态下的湿单轴抗压试验，而不易做饱和单轴抗 压试验。 ( 3 ) 泥岩的岩块点荷载试验结果表明，通过试验能判断其岩块强度的高低， 但由于试验数据极为离散，难以通过相关的公式推断单轴抗压强度值，主要是 因为结构( 节理裂隙发育等) 很复杂及采样不均。因此对于此类节理裂隙发育，规 律性不强的泥岩不能用点荷载试验推断岩石的单轴饱和抗压强度值。 3 两华人学硕十学位论文 ( 4 ) 泥岩在饱和后的抗压、抗拉、抗剪、点荷载强度迅速降低，随饱和时间 的延长，软岩的抗压、抗拉、抗剪强度下降的幅度增大。 1 3 泥岩中单桩竖向承载特性研究现状 若把泥岩定义为极软岩石，则泥岩中桩基础的设计应当按嵌岩桩的有关设 计理论和方法考虑。在深基础的研究中，嵌岩桩是国内外工程界和学术界关注 的热点问题。以往人们把嵌岩桩看成典型的端承桩，也不区分嵌入的基岩是软 岩还是硬岩。常规设计中的嵌岩桩按端承桩设计，完全不考虑桩侧阻力，有的 虽考虑嵌岩段侧阻力，却忽略上覆土层侧阻力。嵌泥岩桩的承载性状与经典的 嵌岩桩的设计理论存在一定的矛盾。 1 9 6 8 年，美国r e s e e 等在第七届国际土力学与基础工程会议上，发表了世 界较早的一根埋设量测元件的嵌岩桩荷载随深度变化的实测资料，开创了嵌岩 桩理论及试验研究的先河。2 0 世纪7 0 至8 0 年代，许多学者注意到嵌岩桩嵌岩 段提供的侧摩阻力，通过大量现场测试和室内模型试验，对嵌岩段侧摩阻力作 了较深入的研究。1 9 8 0 年在悉尼召开的“岩基上的结构基础”国际会议，在嵌 岩桩的试验研究、机理分析、设计方法等方面取得了较大进步。目前，国内外 对于软岩中嵌岩灌注桩的研究主要集中在以下几个方面1 2 9 j 【2 3 jl 船j 1 4 4 1 。 1 3 1 桩岩界面及侧阻力的研究 w i l l i a m s ，j o h n s t o n 和d o n a l d 在悉尼泥岩中，对嵌岩桩嵌岩段的孔壁粗糙 度作了一些试验。试验表明，当桩岩界面光滑，沉降不大时桩就突然破坏，承 载力显著丧失，残余承载力由桩岩界面j 下应力产生的摩阻力组成：当桩岩界面 粗糙时，沉降缓慢增加，且不发生突然破坏，正应力也随荷载增大而增大，正 应力产生的侧摩阻力接近峰值。 p e l l s ，r o w e 和t u m e r y 6 3 j 鉴于嵌岩桩侧阻取值的任意性，针对悉尼地区砂 岩，进行了有意义的侧阻嵌岩桩室内模型试验和现场试验研究，并得出了一些 4 两华人学硕七学位论文 有意义的结论1 1 7 】： ( 1 ) 桩岩界面的粗糙度是影响荷载位移曲线呈强化，弱化或屈服的主要因素， 桩岩交界面清洁程度对侧阻力也有重要影响，当界面光滑时，清洁程度决定了 侧阻发挥的程度； ( 2 ) 泥浆护壁钻孔灌注嵌岩桩中的泥浆，对侧阻会有削弱作用，桩岩界面越 光滑，削弱的越严重； ( 3 ) 对风化程度不太严重的岩石，可以建立极限侧阻与无侧限抗压强度的相 关关系； ( 4 ) 侧阻值与直径和l d 值无关，但试验研究尚局限在桩的整体受荷反应 上，没有涉及桩岩界面各点侧剪应力的变化。之后，r o w e 和p e l l s 对影响桩岩 界面侧剪应力一位移关系硬化，屈服或者软化的因素进行了弹塑性有限元理论 研究。通过理论分析认为，桩岩模量比b e 。和相对嵌入深度对侧阻的影响显 著。同时，软岩中桩的侧阻比硬岩中桩的侧阻更容易出现弱化现象，短桩比长 桩侧阻力更容易出现弱化现象，在荷载作用下短桩桩侧可能会出现滑动界面， 但只要桩端不出现破坏，由此引起的位移增加值不大。 张帆通过对3 6 根桩的实测数据统计和分析提出了，软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩 桩的土层侧阻发挥系数关于长径比l d 的函数【5 5 】： 对于软岩嵌岩桩，按下式计算： i 乞。0 0 0 4 l d + 0 4 8 5 ( 1 1 ) 对于硬岩嵌岩桩，( 按下式计算 l 芒3 5 1 0 6 0 2 4 5 x a 6 + 0 7 1 7 ( 1 - 2 ) 1 3 2 嵌岩深度研究 黄求顺【1 7 1 在对山区嵌岩桩试验的基础上，提出嵌岩桩的承载力由岩体的嵌 固力和桩底反力组成，并提出了最大嵌岩深度和最佳嵌岩深度的概念，认为当 嵌岩深度大于5 倍桩径时，桩端以下无端阻存在，这时的侧阻已完全平衡了外 5 西华人学硕+ 学位论文 荷载，称5 d ( d 为桩径) 为最大嵌岩深度。当桩嵌岩深度等于3 倍桩径时，桩的 侧阻和端阻可以得到最佳配合，嵌入深度超过3 d ，桩的承载力增加甚微，称 3 d 为最佳嵌岩深度。 明可前【6 l 认为，钻孔嵌岩灌注桩的承载力主要由嵌固力与端承力两部分组 成。承载力大小决定于嵌岩部分岩石单轴抗压强度和嵌岩深度，且嵌岩深度为 口( 最佳嵌岩深度比例系数) 倍桩径时，其承载力发挥最好。 吕福庆i _ 7 】等根据7 1 根嵌岩桩的试验结果，认为对于最佳嵌岩深度和最大嵌 岩深度，应当根据具体工程进行具体分析；张忠苗认为，不存在一个使端阻力 为零的最大临界嵌岩深度，但从桩的承载力、经济性和施工方便角度考虑，确 实存在一个最优的嵌岩深度，其值约为1 0 m - 2 5 m ，且不与d 成正比。 刘树亚【2 5 l 认为影响嵌岩桩承载性能的因素众多，每个因素都会影响到端阻 分担荷载的比例，嵌岩桩侧阻和端阻的发挥不一致，端阻力和侧阻力各发挥承 载力的多少份额，算是最佳配合难以定论。因此，最大嵌岩深度和最佳嵌岩深 度为一个定值的说法缺乏理论基础。 1 3 3 承载力影响因素研究 俞炯奇、张土乔、龚晓南1 3 1 l 根据统计的试验桩，得到桩基的极限承载力只与 桩顶沉降s 。，及桩的长径比d 有关。 鼠只一口瓯+ 6 ；只- a l l d + b l ( 1 3 ) 桩侧极限阻力；民- a 2 只+ 如，易- 口，l d + 6 3 桩端极限阻力：气；a 4 + 舒翔、黄雨【4 】认为，当桩基其它条件( 桩的形状、截面积大小、桩身材料等) 和地基土的特性一定时，随着桩长的增大，基桩承载力的增加渐趋缓慢，当桩 长达到某一定值时，承载力的增加几乎为零，并把这个定值称为桩的有效桩长。 基桩承载力主要由有效桩长以内的桩侧摩阻力承担，桩端阻力占整个桩承载力 的比例较小，因而有效桩长的概念只适用于摩擦桩，而不适于端承桩、摩擦端 承桩和端承摩擦桩。 ， 针对泥质软岩，h a s s a n 6 l 】( 1 9 9 7 ) 认为桩侧阻和端阻都是桩顶沉降的函数， 6 两华大学硕十学位论文 其设计公式为： q f 一万说吼。+ 等q 。 ( 1 - 4 ) q f = 万d l f l f ，懈+ 等q b ( 1 - 5 ) - | 式中：为界面极限侧阻力。上述两式分别适用于界面滑动破坏前和滑 动破坏后的情况，式中口，卢，厂眦。都是桩顶沉降的函数，而函数关系是通过 有限元分析得到的。因此，h a s s a n 的方法在应用到嵌岩桩承载力计算之前，必 须经过试验或理论分析，验证其是否适合。 另外，广西大学的黄绍铿教授针对南宁地区嵌泥岩桩，进行了广泛和深入 的研究。探讨了嵌岩深度、围岩应力、基岩特性等对嵌岩桩荷载传递和破坏模 式的影响，并认为软岩嵌岩桩设计时，最大嵌岩深度应考虑软岩强度；桩岩侧 阻滑动面发生在岩石内部时，可按岩石抗剪强度来计算桩侧阻力i 删。 1 4 本文主要研究意义和内容 随着工程建设的发展，越来越多的建( 构) 筑物选择泥岩作为基础持力层。由 于地质条件、施工条件的差异，不同泥岩地区桩基础的承载性状有其自身的规 律，研究区域性桩基础承载性状己成为当前岩土工作者的重要课题。如何根据 地质条件和工程特点做出具体规定和补充，做到因地制宜，设计与实际工程相 符合，保证安全和正常使用，尽快解决地区性泥岩工程问题十分迫切。嵌泥岩 桩承载特性的进一步研究，可以更加清晰地了解嵌泥岩桩的承载性状，具有显 著地现实意义。本文结合“康定一崇州5 0 0 k v 双回路线路新建工程桩基础研究” 科研项目( 0 7 2 0 6 1 1 4 ) ，以如下两个问题为背景，对嵌泥岩桩的承载特性作了初步 探讨。 ( 1 ) 极软岩与硬土的界定 在我国现行岩体分级标准和岩土工程勘察规范中，将饱和单轴抗压强度小 于3 0 m p a 的作为软质岩，并将小于5 m p a 的作为极软岩，但并没有给出其下限 7 两华人学硕十学位论文 ( 表1 1 ) 。工程地质手册在粘性土软硬程度的工程分类中，将无侧限抗压强度 大于0 2 4 m p a 的土划为硬土，同样没有给出硬土的上限。在国外的有关标准中 也存在类似的问题，如国际岩石力学学会( i s r m ) 对极强至极软的岩石和极硬至 极软的粘性土都有清楚、定量的定义，其中，极软岩石的单轴抗压强度小于 1 2 5 m p a ，极硬粘性土的单轴抗压强度大于0 3 m p a ，但是对于极软岩石和投 硬粘性土之间的界限并没有给出。当前，岩石和土的分级一个无下限，一个无 上限的现状，这充分说明这种岩土体性质比一般土和岩石都复杂，目前对其认 识尚不成熟。本次试验地区泥岩的饱和单轴抗压强度介于0 4 m p a 一1 0 m p a ， 若按岩石分级可定为极软岩，若按土的软硬程度分级，就可以定为极硬土，而 按不同的分类，所采用的计算模式及计算结果有很大的差异。 表1 1 岩类坚硬程度划分标准表 坚硬稃度类别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 饱和单轴抗压强 度标准值 厶 6 06 0 2 厶 3 03 0 厶 1 51 5 厶 5 f r , 5 表l - 2 岩类风化程度划分标准表 t a b l e1 - 2c r i t e r i ao fr o c k t y p ei nw e a t h e r e dd e g r e e 风化程度参考指标 风化程度野外特征 波速比风化系数 朱风化岩质新鲜，偶见风化痕迹 0 9 - 1 00 9 - 1 0 结构基本朱变，仅：缸理面有渲染或略有变 微风化0 8 0 9o 8 d 9 色，有少鼙风化裂隙。 结构部分破坏，沿+ 1 ，理面有次生矿物，风化 中等风化 0 6 加8o 4 d 8 裂隙发育，岩体被切割成岩块 结构人部分破坏，矿物成份显菥变化，风化 强风化裂隙发育，岩体破碎，有镐可挖，干钻不易 0 4 - 0 6 o 4 钻进 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强 全风化0 2 一d 4 度，可用镐挖，干钻可钻进 ( 2 ) 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 认为嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值 8 西华人学硕十学位论文 由桩周土总侧阻、嵌岩段总侧阻和总端阻三部分组成： 如一纵+ 纵+ ( 1 - 4 ) 级一“乏氏9 姒 ( 1 - 5 ) q k 一“考，l h , ( 1 6 ) 纵- 乞厶a p ( 1 7 ) 式中： ，q 耻分别为土的总极限侧阻力，嵌岩段总侧阻力，和总 端阻力标准值； 毛f 覆盖层第f 层土的侧阻力发挥系数；当桩的长径比三d - ：3 0 ，桩端 置于新鲜或微风化硬质岩中且桩底无残渣时，对于粘性土，粉土，取昆- 0 8 ； 对于砂类土及碎石类土，取髭一0 7 ；对于其他情况，取岛- l ； 玻桩周第f 层土的极限侧阻力标准值； t 岩石饱和单轴抗压强度标准值，对于粘性土岩质取天然湿度单轴抗 压强度标准值： 睡桩身嵌岩( 中等风化，微风化，新鲜基岩) 深度，超过5 d 时取 ，- 5 d ，当岩层表面倾斜时，以坡下方的嵌岩深度为准； 六，乞嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比一d 有关， 按规范采用。 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 2 0 0 8 ) 认为嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值 由桩周土总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力两部分组成： 。 q t q t 。+ 级 ( 1 8 ) 9 西华大学硕十学位论文 瓯l “萃 q 噍i 薯 f 噍a p ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 式中： 色嵌岩段侧阻和端阻综合系数。与深径比，岩石软硬程度及施工工艺 有关。 厶岩石饱和单轴抗压强度标准值，对于黏土岩质取天然湿度单轴抗压 强度标准值； 而如若采用硬土的模式进行计算则采用公式： 如一h + q p k a p ( 1 - 1 1 ) 式中： - 口，桩周第f 层土的极限阻力标准值，按规范选取； 。j i 斥 曰麻极限端阻力标准值，按规范选取； 其余符号意义同前。 桩基规范考虑到了嵌岩桩中桩土相互作用与非嵌岩桩中桩土作用的区别， 所以乘以系数。对于端承嵌岩桩和全阻嵌岩桩，嵌岩桩由于受到桩端嵌入岩石 的影响，这样考虑有一定的合理性，而对于软岩地质条件下，侧阻嵌岩桩由于 侧阻力发挥作用较大，桩的整体承载性状有别于规范中嵌岩桩的计算模式。 本文采用理论分析与试验研究相结合的方法进行。首先探讨单桩承载力的 主要计算理论，在有限元分析的基础上，结合现场桩基础的静荷载试验资料， 分析泥岩中桩的轴向力，桩侧摩阻力和桩端承载力分布趋势和传递规律，并在 现行规范的基础上，探讨泥岩中桩侧摩阻力和桩端承载力的计算方法和计算模 式，为类似地质条件下桩基础的研究提供参考依据。 本文的主要工作是： ( 1 ) 对试验场地地勘取样的室内实验结果进行分析，总结出该地质条件下泥 岩的物理力学性质及特点； 1 0 两华大学硕十学位论文 ( 2 ) 竖向荷载下单桩的计算理论探讨与分析； ( 3 ) 结合试验资料，对单桩承载力问题进行计算机模拟分析； ( 4 ) 根据试验资料分析试桩的轴向力、侧摩阻力和桩端阻力的分布和发挥规 律，得出该地质条件下单桩的承载力； ( 5 ) 根据试验资料，结合有限元分析探索符合该地区地质条件的计算模式， 嵌岩灌注桩侧摩阻和端阻的计算方法。 l h i 华大学硕十学位论文 第2 章嵌岩桩计算理论分析 2 1 单桩竖向承载性状分析方法 桩基础的竖向承载机理是软岩嵌岩桩承载力分析的基础，从单桩承载特性 出发，对全面、正确的分析嵌泥岩桩竖向承载力具有指导意义。现阶段，研究 桩基础承载性状理论的分析方法主要有荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法。 2 1 1 荷载传递法 2 1 1 1 荷载传递原理 s e e d 最先提出了载荷传递法，其基本思路是把桩沿长度方向离散成若干弹 性单元，土体对单元的作用，用独立的线性或非线性弹簧描述。这些非线性弹 簧的应力应变关系，即表示桩侧摩阻力鼋。与剪切位移s 问的关系，这一关系 称为荷载传递函数。桩体单元之间的相互作用忽略不计，即桩体中任一点的位 移只与该点的侧摩阻力有关，而与其他点的侧摩阻力无关，土体被假定为离散 的弹性介质i 刈1 1 3 1 。 d 幻曲 d f i g 2 - 1l o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m o fp i l e 图2 - l 单桩轴向荷载传递分析图 a ：传力示意b ：沉降分布c ：摩擦分布d ：轴力分布 1 2 两华火学硕十学位论文 如图2 - 1 所示，在某一深度z 处取微桩段如，其竖向受力平衡方程为： n ( z ) + a n ( z ) + u q , ( z ) d z - n ( z ) = 0 ( 2 1 ) 整理上式，可得 吼( z ) 一专掣 协2 ) 式中： ( z ) z 深度处桩身轴力，k n ； u 一桩身断面周长，m ； 口，0 ) 桩侧分布摩擦力，k p a 。 微桩段d z 的轴向压缩变形d s ( z ) 及( z ) 的关系可按式( 2 3 ) 确定： 【z ) 。一尉掣 ( 2 3 ) 式中： s ( z ) 桩身的沉降，m ； e 桩身弹性模量，k p a ； a 桩身断面积，m 2 。 将公式( 2 - 3 ) 带入( 2 - 2 ) 得到： 幻( z ) 。一e ad ：s(z)(2-4) “d z 2 根据上式，若已知留，( z ) ，则可以得出桩身轴力的分布为： ( z ) 一q f o 翻( z ) 出 ( 2 - 5 ) 口 上式中，当z - - 0 ，( o ) = q ，为桩顶荷载；z 一，j v ( 1 ) = q p ，g 为桩端 阻力，而令比( z ) 出。g ，即为桩侧总摩擦力。 桩顶受竖向荷载后，桩身压缩而向下位移，桩侧表面受到土的向上摩阻力， 桩身荷载通过发挥出来的侧摩阻力传递到桩周土层中去，从而使桩身荷载与桩 身压缩变形随深度递减。随着荷载的增加，桩端出现竖向位移和桩端反力。桩 撕华人学硕十学位论文 端位移加大了桩身各截面位移，并促使桩侧阻力进一步发挥。一般来说，靠近 桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥出来，而侧阻力先于端阻力发挥出来。 2 1 1 2 桩侧摩阻力的传递函数 桩侧摩阻力吼是桩截面对桩周土体的相对位移6 的函数。荷载传递的关键 在于确定传递函数吼一6 ，这一函数即为侧摩阻力传递函数q j - q , ( 龟，z ) 。传递 函数l 删1 1 6 l 主要有下面几种形式： ( 1 ) k e z d i 法 如图2 2 所示：k e z d i 假定传递函数为指数曲线，即： 铲y z t a n c p 卜“卷) 】 6 ) 式中： 土的静止侧压力系数； y 土的重度，枷胴3o 妒土的内摩擦角，( d ) 5 k 与土的类别及密实度有关的系数； 戌桩侧摩阻力充分发挥时桩土界面临界相对位移，m 。 1 4 两华大学硕十学位论文 q ，( ：) j q s ( z ) - 酗胁驴卜( 毒) 】 吼i 了了广 6 f i g 2 - 2k e z d i t r a n s f e rm e c h a n i s mf u n c t i o n 图2 2 k e z d i 传递函数 q ，( z ) l q s ( z ) 。q s h ( z ) q s ( z ) - c s f i g 2 - 3s a t os a t o r ut r a n s f e rm e c h a n i s m f u n c t i o n 图2 - 3 佐藤悟传递函数 ( 2 ) 佐藤悟法 如图2 3 所示，佐藤悟假定传递函数是线弹性一理想塑性关系，即： ( z ) 一c 1 66 ( 2 7 ) 两华大学硕十学位论文 ( z ) 一q s u ( z ) 6 6 。 式中：e 土的剪切变形系数，k n m 3 。 ( 3 ) g a r d n e r 法 如图2 4 所示，g a r d n e r 假定传递函数为双曲线函数，即 呼叫面) 式中： k 试验常数； 4 试验常数，为彳。卫址+ 1 。 k 6 魄，忽啪( 赤) 1l ，一 a k f i g 2 - 4g a r d n e rt r a n s f e rm e c h a n i s mf u n c t i o n 图2 4g a r d n e r 传递函数 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 4 ) i q a f t 法 计算时考虑土的应力一应变非线性特征时，用双曲线表示应力应变关 系。则可以得到作用的切应力为q ，( z ) 时的割线切变模量g 为： g i 瓯( 卜豢吩) 式中： g ，；土体小应变时的初始切变模量，k p a ； r ，应力应变曲线拟合常数，常可取0 9 。1 0 。 考虑土体非线性特征时的传递函数表达式为： 1 6 西华人学硕+ 学位论文 小卜南 r 0 桩截面半径，所； 乙桩沉降影响半径区，所； 驴阻力发挥系数。 ( 5 ) h e y d i n g e r - o n e l l 法 ( z ) 1 + 6 占驴i “( z ) ( 2 1 2 ) 式中： 置 “( z ) 与云关系的初始模量，k p a ； d 桩径，m ， m 形状系数。 由于荷载传递函数法假定桩侧任意一点的位移只与该点的摩阻力有关，而 与其他点的应力情况无关，忽视了土的连续性，在理论上具有一定的局限性。 要使传递函数法在实际应用中取得比较好的结果，关键是如何取得符合实际情 况的传递函数。比较合理的方法是在桩的静荷载试验中，实测桩身轴力分布及 沉降，由此得到实测的传递函数关系。 另外，传递函数法是以桩体为研究对象，传递函数中的位移是桩身位移， 不考虑土体的连续就不能考虑由于桩侧摩阻力向下传递而引起的桩端土体压缩 所产生的桩端沉降。因此，就不能准确的分析桩端及桩身下部受力状况与位移。 由于桩土间的相互作用与荷载传递机理很复杂，其影响因素很多，荷载传递法 1 7 两华大学硕十学位论文 也只是近似模拟方法。 2 1 2 弹性理论法 弹性理论法以弹性连续介质模拟桩周土体的荷载响应，使用m i n d l i n 方程求 解。m i n d l i n 给出了在均匀、各向同性的弹性半空间内作用单位竖向荷载的情况 下，半无限空间内任一点处的应力、位移的积分形式。弹性理论法把土体看作 线弹性体，用弹性模量e 。和泊松比从，两个变形指标表示土的性能。采用该法 计算单桩沉降的可靠性已经得到工程技术界的重视1 4 7 】【2 9 】。 弹性理论法作了四个假定旧： ( 1 ) 将士体视为均质的、各向同性的弹性半无限空间体。具有弹性模量e 。和 泊松比从，他们都不因