公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算

第3 2 卷， 第 1 期 2007年 2月 中南公路工程 C e n t ra l s o u t hH i g h w a yE n g i n e e ri n g V o l . 3 2 ， N o . 1 F e b.， 2 0 0 7 公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算 赵明华， 张玲， 刘建华 ( 湖南大学 岩土工程研究所， 湖南 长沙41008 2) 摘要 本文深人探讨了嵌岩桩的荷载传递机理， 对目前规范采用的嵌岩桩嵌岩深度计算方法进行了深人 分析， 针对规范方法没有考虑桩身转动时桩尖断面与基底岩接触面上产生的反力矩等有利条件的影响而导致最后 的计算结果偏大的不足， 提出了两种修正方法。最后还通过具体计算实例进行了分析验证。 【 关键词嵌岩桩; 荷载传递机理; 嵌岩深度 中图分类号 U443 . 1 5 文献标识码A 文章编号1 (X)2 一 1 2 0 5 ( 2 0()7 ) 0 1 一 0 0 0 1 一 04 C a l c u I a t i o nMe th o d s fo r S o c k e te dL e n g t ho f R o c k 一 s o c k e t e dRl e Z H A OMi n g h u a ， Z H A N GL i n g ， L I UJ i a n h u a ( G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g l n s t i t u t e ， H u n a nU n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t Loa d i n g t r a n s fe r m e c h a n i s mo f ro c k 一 s o c k e t e d p i l e i s d i s c u s s e d . T h e n ， c a l c u l a t i o n m e t h - o d s m e n t i o n e di nt h et e c h n i c a l c o d e s a r e a n a l y z e d . T h e i n s u ffic i e n t i s t h a t t h ec o d em e t h o d s d o e s n t c o n - s i d e r s o m e u s e fu l e ffec t s ， s u c h a s t h e m o m e n t o n p i l e t i p fo rme d b y p i l e ro l l i n g m o t i o n . T w o m o d i fi e d c a l - c u l a t i o nm e t h o d s a rep ro p o s e dt o m a k e u pt h i s i n s u ffi c i e n t . F i n a l l y ， a ne x a m p l e s i s e m p l o y e dt ov a l i d a t e t h e m e t h o d p ro p o s e di nt h i s p a p e r . T h e c a l c u l a t i o n re s u l t s s h o wt h att h e m e t h o di s m u e hfe a s i b i l i t y . K e y w o r d s r o c k 一 s o c k e t e d p i l e ; l o a d i n g t ra n s fe r m e c h a n i s m ; s o c k e t e d l e n g t h 0 前言 嵌岩桩因其单桩承载力高、 群桩效应小、 沉降收 敛快等特点， 在桥梁工程中应用广泛。有关其受力 特性及设计理论研究己有大量报道 一 J 。然而， 由 于嵌岩桩承载力大、 试验耗费高且很难进行破坏性 试验， 因而系统完整的试桩资料和实测资料并不多 见， 从而制约了对其承载性状的全面认识， 导致设计 人员在嵌岩桩设计时多持保守态度。表 1 所列为一 些工程中嵌岩桩的嵌岩深度， 可见嵌岩深度均较大， 表 1 部分公路桥嵌岩桩的嵌岩深度情况 大多在2一 7 m之间。众所周知， 在基岩中钻孔过程 极为困难， 因此， 嵌岩深度选取的合理与否， 将直接 影响工程进度及工程造价。 为此， 合理确定嵌岩桩的嵌岩深度极为必要， 本 文针对嵌岩桩的特点， 提出一种新的嵌岩深度的计 算方法， 以供设计参考。 T a b l e l S o c k e t e dl e n g t ho fP a rt i a lro c k 一 s o c k e t e dP i l ei n h i g h w a ye n g i n e e ri n g 序号名称嵌岩深度 6 . 5一1 4 . 1 3 . 0 7 . 0 8 . 09 ， 0 2 . 0一4. 0 岩层类别 四川徐治二桥 四川南充嘉陵江桥 山西唐河桥 山西上寨桥 广东赤雁桥 河北长桑桥 长春地区马架子桥 长春地区周家窑桥 3 67 砂岩 . 粘土页岩 风化片麻岩 石灰岩 风化花岗岩 片麻岩 砂岩 泥灰岩 1 嵌岩桩荷载传递机理 嵌岩桩在竖向荷载作用下， 桩身上段受到压缩 而产生相对于土( 岩) 的向下位移， 与此同时桩侧表 面受到土( 岩) 的向上摩阻力， 从而将部分桩身荷载 传递给桩侧土( 岩) ， 故桩身荷载和桩身压缩变形随 深度递减。在桩土( 岩) 相对位移等于零处， 其桩侧 阻力难以发挥而等于零。随着荷载的不断增加， 桩 身压缩和位移量不断增大， 桩身下段侧阻力也随之 发挥， 直至桩端受到压缩而产生桩端阻力。桩端的 压缩又加大了桩土( 岩) 相对位移， 导致桩侧阻进一 步发挥。当桩侧阻被完全发挥达极限值后， 若继续 增加荷载， 则荷载增量将全部由桩端阻承担。故嵌 收稿日期1 2 006 一 1 1 一 2 6 【 蓦金项目国家自然科学基金资助项目( 5 0 3 7 8 0 3 6) 作者简介 赵明华( 1 9 56一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事桩基础及特殊土地基处理等研究工作。 公路工程3 2卷 .南 中 岩桩的承载力由位于上覆土层中桩段侧阻、 桩身嵌岩 段侧阻及基岩对桩端的端阻三部分组成( 见图1 ) 。 弯矩M ， 作用下， 绕h ， 的1/ 2 处转动; h ， 范围内 应力呈三角形分布( 见图2); 口 .1 二1 . 2 7 万 图 1 嵌岩桩受力分析图 F i ，化I S t re s o a n al y s i o o f ro c k 唱 o c k e t e dP i l e 对于桥梁桩基， 由于水流的冲刷， 往往使上覆土 层中桩段的侧阻难以发挥， 为偏于安全， 可忽略上覆 土层的侧阻作用。即嵌岩桩的承载力主要由桩身嵌 岩段侧阻及基岩对桩端的端阻两部分所组成。 2 嵌岩深度常用确定方法 嵌岩桩的嵌岩深度一般应分别桩身稳定及竖向 承载力的要求， 以最不利状况控制设计。 2 . 1 按轴向承载力确定最小嵌岩深度 如前所述， 当不计上覆土层侧阻作用时， 单桩轴 向受压容许承力【 尸 可按下式计算 : P =( C ， A+ C Z U h r ) R 。( 1 ) 式中: R 。 为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度， kPa;h ; 为桩嵌人基岩的深度， m ， 不包括风化层; U 为桩嵌入基岩部分的横截面周长;A 为桩底横断面 面积; C 。 、 C : 为根据孔底清孔情况而定的系数， 可 按表2 采用。 衰2 系数C : 、 C : 值 T a b l e Z T h e v a l u e o f c oeffi c i e n t C ， ， C Z 圈2 嵌入岩层最小深度计算图式 F i g u reZ M i n i m u md e p t h c al c u l a t i o nd i 昭ra mo f s o c k e te d l e n g t h 不计桩端与岩层的摩阻力; 因桩侧为圆柱状曲面， 四周受力不均匀， 设 桩侧最大压应力为平均压应力的1 ， 2 7 倍; 不计桩端抵抗弯矩， M ， 由桩侧岩层产生的 水平抗力平衡。 根据上述假定， 由静力平衡条件( 叉 M二 0 ) ， 可 得 0 : 1m 。 ， 叽 二 言. 亡 亩 于h r hr-2 d. 故有: h ，= 7 . 6 2 M分 口 m a : d ( 3 ) 岩石层破碎程 度及清底情况 备注 式中: d 为嵌岩桩嵌岩部分的设计直径。 为保证桩在岩层中嵌固牢靠， 桩周岩层产生的 最大侧向 压应力。 m a : 不应超过岩层侧向容许抗力 。 ， 即: 良好的 一般的 较差的 0 . 6 0. 5 O . O 1 . 当h r 0 . s m时， C ， 采用表列 数值的。 . 7 5 倍， C : 二 。 ; ， 1粤 ， ; c 才 、 ( 4 ) 0 40 . 2 . 对于钻孔桩， 系数C ， 、 C : 值可 降低 2 0 %采用。 式中: K为安全系数， 可取K 二 2 消为岩石垂直极限 抗压强度换算为水平极限抗压强度的折减系数尹= 0 . 5 一 1 . 0 ， 岩石侧面节理发达的取小值， 不发达的取 大值; R 。 为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度， k P a 。由此可得圆形截面嵌岩桩的最小嵌岩深度为: 050403 2 。 2 由 式( 1)可得最小嵌岩深度h r : l r P I_. 、/ _， ， h 二 ( 澎一 “ !A ) / “ Z U 2 ) 按桩身稳定确定最小嵌岩深度 考虑桩身稳定时， 为简化计算作如下假定: 忽略嵌固处水平剪力影响， 桩在岩面处桩身 h ，= M付 0 . 0 6 6 口 R 。 d ( 5 ) 第 1 期赵明华， 等: 公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算 当桩身为矩形截面时， 桩侧最大压应力与平均 压应力相等， 即， m a : 二 万 ， 由此可得: 令 。 = 一 塑 ， 。 = J 3 ，则 ( 1 2 阿转 化 为 : r . a h ，二 MH 0 . 0 8 3 3 口 R 。 d h 几+ a h 。+ b = 0 ( 1 3 ) ( 6 ) 此时d 为矩形的边长。 我国现行 公路桥涵地基基础设计规范 和 铁 路工程( 桥涵) 技术规范 均按 该方法 确定嵌岩深 度h r 。 3 嵌岩深度计算新方法 3 . 1 基本思路 前述最小嵌岩深度计算公式( 5)或( 6) 中均未 考虑桩身转动时， 桩端断面与基岩接触面上产生的 ， 反力矩等有利条件的影响， 从而使得计算结果偏大。 为此， 本文采用如下方法进行改进。 3 . 2 方法一 在前述假定基础上， 设桩周岩层产生最大侧向 压应力。 m a : 时， 桩端压应力为a ， m a : ， 故桩端断面与 基岩 接触面 上产生的 反力矩M k 为: M * =a m a 二 W( 7 ) 式中: a为小于1 . 0的系数; 平为桩底截面模量。 令， m a : 蕊 ， ， 则可得基桩最小嵌岩深度h 。 仍 、 圈3 嵌入岩层最小深度计算图式 考虑墓底反力矩 F i g u re3 M i n i m u md e p t hc a l c u l a t i o n d i a g ra mOfS o c k e t e d l e n g t h( c o n s i d e r c o u n t e r m o m e n t o f b o t t o m) 式( 13) 为一元三次方程， 求解可得方程的三个 根h rZ ， ; ， h 心 ，: ， h rZ ，3 分别为: .，r一、.尸了一一、1.J尹一一、.甲产一一、性.，尹一一、.产 a-气J一一a一，J一-a-内J一-a一丹J-a-月J-一a一，J 、飞.f尹一-、1矛一一、1.万了-、1.产-、.产一-.1了 ，口一，-LU-，白一-.白一，山一一6-，-一.0-，一一人口-， h rZ . 1 =只 b 一 + 2 b 2 .一。一。一2 飞iJ，相， 为: 3 。 3 _ _ _ 二 _ _ . _ _I M。一M; ( 圆 形 截 面 桩 二 刁 6 万 后 而 天 抽 ， = h rZ . 2 M 。 一 0 ， 5 明R 。 W 气 . ( 矩形截面桩)= 0 . 0 6 6 刀 R 。 d M万一M 壳 ( 8 ) h rZ ， 3 0 . 0 8 3 3 刀 R 。 d M 。 一 0 . 5 叨R “ W b 一 + 2 b 2 田+ 2 田 . 2 + 田 V o 0 0 8 3 刀 R a J 方法二 假定桩端处竖向应力分布如图3所示 ( 9 ) 式中: 。 = 一 1 + 丫 了1 2 ， 桩径 d 其判别式为: .-2 a一3 一- 与嵌岩深度h 心 的比 值， 设桩端边缘处的 平均最大竖 向应力为万 ， ， 即: 、 ， 二 杀 ; . r Z 根据力矩平衡条件( 艺 M二 0 ) ， 则有: ( 1 0 ) MH ( 一 脊 ) (誓 ) = (誓 一 翻 (手 罕 黝 _，d .a .种 : ， . Z 2 ， : ，a 3 根据判别式的情况， 方程有不同的根: IJ、.L 工工 ( 1 1 ) 0 ， 有一个实根与一对共扼复根; =0 ， 有三个实根， 其中有两个相等; 0 . sm 按公式( 8)计算。 取a 二 0 . 5 ， h ，二 M ， 一 0 ， 5 够R 。 圆形截面桩 : 当 M甘 恙 时 ， 恙 时 ， 恙 时 ， 0 . 0 6 6 口 R 。 D 9 2一0 . 5 x0 . 5 x0 . 5x3 0 0 一二 二 判别式乙 0 ; 判别式乙= 0 ; 习 0 . 0 6 6x 0 . 5x 3 0 0 xl . 5 1 . 9 2m 0 . sm 按公式( 13) 计算。 判别式d 0 ; 当 M衬 判别式二二 0 ; 臀一 时， 石 刀 d ， 判别式d29 O 0k N 当h r 二 0 . s m时其承载力已能满足要求。 结论 嵌岩桩的嵌岩深度直接关系到工程的进度和 施工成本， 因此确定嵌岩桩的合理嵌岩深度极为重要。 本文在我国现行规范推荐的嵌岩深度计算 公式的基础上， 考虑桩身转动时， 桩端断面与基岩接 触面上产生的反力矩等有利条件的影响， 提出了两 种修正计算方法， 弥补了规范方法所得结果偏于保 守的不足。 通过计算实例验证了本文方法的可行性， 计 算结果表明本文方法更为经济合理。 图4 计算参数 F i ，re4 C a l c u l a t i o nP a ra m e t e rs 参考文献 【 1宋功河. 桩基嵌岩段合理深度的探讨【 J. 华东交通大学学报， ( 下转第36 页) 36，中南公路工程32 卷 杆件号相同， 分别为F ， 、 F ; 、 5 ， 、 5 ; 、 X Z 、 X 三 。主要承 受轴力与纵向剪力以及竖弯弯矩。 主桥结构不管在横桥向地震波作用下还是 竖向地震波作用下， 腹杆、 上弦杆、 下弦杆以及中跨 跨中主梁的内力值均较小， 不控制设计。而3 # 墩墩 底无论在哪种激励下， 内力值均较大， 还需要进行截 面应力验算。 6 结论 通过运用大型空间有限元程序 A N S Y S ， 分析了 卡子湾斜拉析架桥梁的动力特性， 以及在不同地震 波作用方式下的位移反应及内力反应， 并与有关文 献中的上海南浦大桥、 徐浦大桥等斜拉桥的抗震性 能作比较， 以此得出斜拉析架体系桥梁的一般的抗 震特性。 斜拉析架体系桥梁的一阶振动为横桥向侧 弯， 自振周期较长， 上部结构刚度较大， 相对较柔的是 桥墩部分。漂浮体系的大跨度斜拉桥斜的一阶振动 为纵桥向漂移， 柔度较大， 自 振周期长， 固有频率低。 斜拉柑架体系桥梁对横桥向地震较敏感， 在 横桥向地震波作用下， 以面外振动为主， 面内振动较 小。大跨斜拉桥在纵桥向地震波的作用下， 以面内 振动为主， 面外振动极小， 几乎可以忽略不计。在横 桥向地震波的作用下， 大跨斜拉桥的振动不仅有较 大的面外振动， 而且面内振动也比较大。 横桥向地震作用下， 斜拉衍架体系桥梁最大 横桥向位移发生在析顶处， 最大竖向位移发生在中 跨跨中， 纵向位移值较小。说明结构最大位移反应 发生在与地震作用方向相同的方向上。 斜拉衔架体系桥梁结构位移反应与地震波 的频率周期有关， 随着地震波峰值加速度的增大而 增大， 但不成正比。 在竖向地震作用下斜拉析架体系桥梁结构 位移响应不明显， 说明结构的竖向刚度比较大。 不管在哪种地震波激励下， 结构的位移最大 值均为结构所容许。但横桥向位移较大， 应该引起 注意。 当地震波输人方向改变之后， 主梁的受力特 征也随着变化， 总体来说， 主梁变形与地震波的输人 方向是一致的， 主要受力也与地震波输人方向保持 一致。 斜拉析架体系桥梁结构不管在横桥向地震 波作用下还是竖向地震波作用下， 腹杆、 上弦杆、 下 弦杆以及中跨跨中主梁的内力值均较小， 不控制设 计。 如果存在高墩问题， 最高墩墩底为地震作用 下全桥最不利点， 需要另外进行截面应力验算， 以保 证地震作用下全桥的安全性。 由于斜拉析架体系桥梁的横桥向刚度较小， 因此在设计时应特别注意加强结构的横向联系， 以 增强横向刚度。 1 2 3 4 参考文献 范立础. 桥梁抗震【 M . 上海: 同济大学出版社， 1 9 97. 何度心， 黄龙生， 陆千文， 等. 桥梁抗震计算【 M北京: 地震出 版社， 1 9 91. 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