桥梁工程中的大型灌注桩竖向承载性状

1、 高广运桥梁工程中的大型灌注桩竖向承载性状 1 大型灌注桩在桥梁建设中的地位2 桩基持力层的作用3 桩基持力层的定量选择4 有效桩长5 嵌岩桩基岩风化程度分带6 扩底墩（桩）7 两种大直径桩的试验对比8 桩端注浆9 花岗岩残积土中的桩基10 结束语1 大型灌注桩在桥梁建设中的地位表 1 大型灌注桩的广泛应用桩长（m）桩直径（m）桥 名501002.5泸州长江大桥、九江长江大桥、常德元江大桥、宜城汉江大桥、三门峡黄河大桥、钱塘江二桥、武汉长江大桥、广东斗门大桥3.0湖南石龟山大桥引桥、黄石长江大桥、珠海横琴大桥、益阳资江二桥、江汉四桥、广州鹤洞大桥、芜湖公铁长江大桥、南京长江二桥、广东番禺大桥及

2、新会崖门大桥3.5湖南沅陵大桥及湘潭湘江二桥4.0钢陵长江大桥、南昌新八一大桥、湖南石龟山大桥5.0湖南张家界鹭鸶湾大桥、江西湖口大桥 “桥梁成败关键在基础”是建桥的名言，而基础的趋向应为大直径桩，因为它有许多优越性:(1)可承受很大荷载，可减少水中作业，因此可 加快工期；(2)良好的抗震、抗风稳定性和具有较强的抵御 冲击能力，故安全可靠性高；(3)能减少承台工作量，因而总造价相应会低。 所以，大型灌注桩在桥梁和高层建筑等重要工程中得到了广泛的应用，它对桥梁建设具有特殊重要的意义。 参见“大型灌注桩特性研究”，桥梁建设，2003，26（4）如九江大桥主跨基础用钻孔灌注桩，此前采用了不同桩直径的

3、方案比较，如表2所示。表2 九江大桥主墩基础灌注桩工程量比较表桩直径/m桩数/根桩身砼/m3承台砼/m3基础砼总计/m31.56362344250104842.0325634385094842.518487332008073 由此可见，桩直径小，桩数就多、工程量大、造价高、工期也会延长、河中施工难度也就大。2 桩基持力层的作用江阴长江公路大桥试桩情况 图1图2 江阴长江公路大桥北引桥29墩两根静载试桩（图1）。桩直径d=1m ，桩长l=77.8（桩端未入基岩）、81.9m（桩端入基岩）。从图2可看出，对长径比(l/d=78-82)已相当大的大型灌注桩，持力层的作用仍很显著，桩端入和不入基岩时其

4、承载性状、极限承载力等就有很大差异。 上述分析的是基岩持力层，下面分析持力层是较硬的土层的情况。以包含点面接触单元的有限元模型进行模拟研究。以苏通大桥为例，桩直径都为2m，其中一根桩长67m，入持力层2m；另一根桩长64m，桩端离持力层1m。 图3为数值模拟结果。从图上也同样可以看出，桩入持力层后桩的极限承载力要大很多，桩的承载特性也会有很大区别。图3 苏通长江公路大桥数值模拟情况参见“大型灌注桩特性研究”，桥梁建设，2003，26（4） 3 桩基持力层的定量选择 大型灌注桩由于其长度大，穿过的岩土层层数多、厚度大，为持力层的选择带来了困难。传统的定性确定法不够精确，下面用指标法来实现持力层的

5、量化优选。 通过综合分析，可考虑能反映地层持力特性的七项指标：深度（成本）指标、承载力大小指标、持力层厚度指标、厚度变化率指标、下卧层性质指标、N的标准差指标、抗震动或抗沉降效果指标。（1）深度（成本）指标 深度对桩基持力层的选择是一个最重要的指标。深度太深在成本上是极不划算的。比如苏通大桥工程中的基岩深度290米，所以从成本上来看几乎是不可能的。（2）承载力大小指标 承载力大小是选择桩基持力层的又一重要指标。某一持力层的选择必须保证桩基有足够的承载力，才能确保工程的安全。承载力的计算为持力层端阻力加上桩侧所有分层土侧阻力之和。（3）持力层厚度指标 持力层一般有较大的端阻力和侧阻力，但这是以持

6、力层有足够的厚度为保证的。地层太薄的话，是谈不上持力性的。所以厚度也是选择持力层的一个指标。（4）厚度变化率指标 一座桥梁一般有很多根桩，它们分布在一定范围内，则此范围内的持力层必须厚度稳定，才能保证所有的桩有足够和类似的承载性状。否则的话就会产生差异沉降等问题，影响桥梁安全。（5）下卧层性质指标 下卧层性质也是一个不可忽视的指标，因为它太软弱的话会对持力层带来隐患。这里以极限端阻力来表示下卧层性质，因为极限端阻力在一定程度上反映了下卧层的综合性质。（6）N的标准差指标 N为标贯或动探试验击数，它能反映土层的动力特性。 （7）抗震动或抗沉降效果指标 这是一个综合性的指标。一般情况是，地层的抗震

7、动或抗沉降的效果越好，则该地层的持力性越强。各指标的因子值和权重值确定好后，就可以计算各备选方案的综合值了。某备选方案的综合值等于各指标因子值与权重值之积（即指标值）的和。具体的综合值计算公式为：Ri=（I1iW1) + （I2iW2) + （I3iW3) （ I4iW4) + （I5iW5) + （I6iW6 ) +（I7iW7)其中 Ri为综合值；W1W7为权重值(各自为5级)； I1iI7i为因子值(与权重值对应，取值范围是0.01-1.00)。综合值Ri最大者即为选中的持力层。参见“大型灌注桩特性研究”，桥梁建设，2003，26（4）4 有效桩长4.1 静载试验研究 试桩直径1m， 1

8、号桩长24m，2号桩长32m。两试桩的荷载-沉降曲线如图4所示，两曲线都为缓变型，2号桩的曲线更为平缓，说明2号桩的承载能力强、沉降小。试桩没达到破坏状态。由图可得当桩顶都下降15mm时，1号桩的桩顶荷载为2273kN，2号桩的桩顶荷载为3409kN。 图4河南安新高速公路试桩 图5 太原市物资贸易中心营业楼试桩 桩直径d=0.8m，以粗砾砂层为持力层，W1桩长29m，入持力层深度2.75m（3.4d）；W3桩长34m，入持力层深度7.75m（9.7d）。由图5QS曲线可得W1桩极限荷载为5000kN，W3桩极限荷载为7000kN。图6 太原市轻工展厅大楼试桩 桩直径d=0.8m，以砂层为持力

9、层，Q1桩长22.5m，入持力层2.5m（3.1d）；Q2桩长20.5m，入持力层0.5m（0.6d）。两桩的试桩剖面示意图如图6所示，从两桩的荷载-沉降曲线可看出，Q1桩承载力远大于Q2桩 。图7 太原第一热电厂期工程试桩剖面及荷载-沉降曲线 桩直径d=0.8m，以粗砾砂层为持力层，D4桩长22.8m，入持力层0.55m (0.7d) ，极限荷载4200 kN；D5桩桩长23.9m，入持力层1.65m (2.1d) ，极限荷载4800kN（图7）。 图8 山东某洗煤厂桩基试验剖面及荷载-沉降曲线 前面几组对比试验桩都是以粗砂或砾砂为持力层，但这一组对比试验桩发生了变化。T1桩桩长25m，直径

10、1.1m，以粗砂层为持力层；T2桩桩长27m，直径1.1m，穿过粗砂层进入下伏较软弱的粘土层（图8）。 两试桩用慢速法进行试验，两桩的荷载-沉降曲线如图8所示。从图上可看出其与前面几组试桩有区别。加载5000kN以前，较长的T2桩的沉降较短的T1桩大，以后T2桩的沉降才小于T1桩，且两试桩曲线靠得很近。可得出T1桩极限荷载为7350kN，而T2桩极限荷载只比T1桩稍大，为7700kN。 综上所述，从5个场地的不同桩长的对比试验中可发现：（1）当两对比桩都以粗砂、砾砂等较好的岩土层为持力层时，长桩的荷载-沉降曲线都位于短桩的右侧，表现出良好的承载性能，且曲线第二拐点前更为平缓（图5图8）； （2

11、）对比桩中（如山东兖州某洗煤厂试桩），当长桩穿过密实持力层（粗砂）进入下伏较软弱层（粘土）时，长桩的承载力和沉降并不显得比较短桩优越。此时较长桩的加长部分显得没有必要。a 荷载-桩长关系图 b 荷载-长径比关系图 图9 桩顶荷载与桩长、长径比关系曲线 （3）桩顶荷载与桩长和长径比的关系曲线如图9，其中桩顶荷载为极限值（仅安新公路为桩顶下降15mm时的荷载）。从图上可看出有3组对比桩都是桩顶荷载随着桩长或长径比的增大而明显增大，说明长桩的承载性能好。 而另外两组（即洗煤厂和安新公路），不论是桩顶荷载与桩长关系曲线还是桩顶荷载与长径比关系曲线，其直线较其它三组平缓。这是因为洗煤厂试桩中较长桩进入了

12、软弱下卧层；而安新公路试桩没达到极限状态。 参见 “桩长对大直径摩擦桩影响的试验研究”，勘察科学 技术，2003，21（5）； “大型灌注桩特性研究”，桥梁建设，2003，26（4）a 桩顶沉降-桩长关系图 a 桩顶沉降-长径比关系图 图10 沉降与桩长、长径比关系沉降曲线 （4）桩顶沉降与桩长、长径比的关系曲线如图10 ，其中桩顶沉降是极限荷载状态时的沉降（仅安新公路指的是桩顶荷载为2458kN时的沉降），从图上可看出4组对比桩都是桩顶沉降随着桩长或长径比的增大而减小，说明长桩不仅承载性能好，而且桩顶沉降也小。 图11 桩顶荷载-入持力层相对深度H/d关系曲线图 （5）以粗砂或砾砂为持力层的

13、三组试桩的桩顶荷载与桩入持力层相对深度H/d关系曲线如图11。由图可知，随着桩入持力层相对深度H/d的增大（H/d最大可达9以上），桩顶荷载也大幅度增大。4. 2 数值模拟 在考虑土的非线性、桩周土分层、桩土间非线性相互影响、桩端有沉渣、桩底及桩侧注浆加固、桩长及桩直径变化等因素时，有限元法是现阶段最适用的方法，它能解决由于试桩困难及实测费用大而无法大量进行的问题。对灌注桩，有限元法能模拟其施工过程，即土体自重应力场成孔（泥浆护壁）灌注钢筋混凝土桩受力计算。 桩身单元模型和桩周土的本构模型 考虑到由群桩向大直径单桩发展是目前的趋势，所以这里的理论分析主要以大直径单桩为主。其单桩的轴向受荷有限元

14、分析，可简化为轴对称问题。此时的桩周土体可划分为一般的平面实体单元。至于桩周土的本构模型，本文采用Drucker-Prager模型，这种模型在岩土工程中应用较多，能反映土体的剪胀效应。桩体采用弹性模型。桩与土的接触面模型 本文用的是包含点面接触单元的有限元模型，这种接触面模型和Goodman模型相比具有它的优越性。Goodman单元（即无厚度节理单元）模型虽然能模拟接触面的相对滑移和张开，但量值较小，当产生较大滑移、张开、重叠后往往引起解的不收敛。而点面接触模型能克服这些缺陷。图 12 轴对称有限元计算网格 图13 江阴大桥数值模拟与试验结果比较 表3 桩土主要参数表 图14 极限荷载与桩长关

15、系曲线 参见“大直径超长桩有效长度的数值模拟”，建筑科学，2003，19(3)。5 嵌岩桩基岩风化程度分带 嵌岩桩具有单桩承载力高、沉降小且收敛快、抗震性能好、群桩效应小等特点，成为大型构（建）筑物重要的基础形式。当桩长、桩直径和基岩上覆土层确定的情况下，决定它的承载性状的往往是基岩的性质、桩所进入基岩的层位（深度）。而这些与基岩的风化程度密切相关，所以，正确划分基岩风化带是使嵌岩桩嵌入合理层位和深度的有效途径。 岩体中的结构面对岩体的稳定性和岩体质量等起控制作用。岩体风化后在岩体结构方面就有所反映。从强风化带、中等风化带、微风化带到新鲜岩石，岩体中结构面的数量逐渐减少，完全体现了岩体在接受风

16、化营力作用后岩体裂纹扩展、增长和新的裂隙产生的特征。 研究岩体风化带的划分，应当围绕“岩体结构”这一控制岩体工程地质性质和岩体稳定的基本条件来进行，充分利用岩体结构的特征指标。 岩体是由结构面和结构体（岩块）组成，所以，量化指标的选取应有三方面的考虑：（1）岩体总体结构上的变化；（2）结构面的变化-主要指结构面的发育程度及其性质的变化。（3）结构体（即岩块）的变化-主要指岩块的强度变化。参见“嵌岩灌注桩基岩风化程度分带探讨”，探矿工程， 2003，40(5)。 针对嵌岩桩的特点，经综合分析用下式来定量划分基岩岩体的风化程度： J1单位岩芯长度上的结构面数；RQD岩体质量或岩芯完整率；J2结构面

17、蚀变程度系数；R1新鲜岩石的点荷载强度；R2风化岩石的点荷载强度；因为有的风化岩石不好取样，所以不能采用抗压强度指标。以F值基岩风化程度划分界限： 全风化 F 200； 强风化 F=9.32-200； 中风化 F=1.25-9.32； 微风化 F=0.37-1.25； 未风化 F0.376 扩底墩（桩）6.1 桩长6.0m左右图15 扩底墩受力示意图 大直径扩底墩得到了越来越广泛的应用，图15为其受力示意图。由于拉裂缝的出现，使得墩身摩阻力和端阻力处于分离状态，可近似用纯摩擦桩和深层载荷试验结果来区分墩的摩阻力和端阻力。因此这里以原型扩底墩、摩擦桩、墩端深层载荷试验研究扩底墩的荷载分配和传递性

18、状。 表4 试验方案 参见 “砂卵石层上大直径扩底短墩竖向承载性状”， 岩土力学，2004，25(3)。图16 S2、S3墩试验剖面及荷载-沉降曲线 图16为S2、S3墩基试验剖面及荷载-沉降曲线图，由a图可知，两墩除入土长度、持力层不同外，其余都相同。S2墩埋深6.20m，以砂层为持力层；S3墩埋深6.75m，以卵石层为持力层。从b图可看出，S3墩基承载力比S2墩大，主要是S3墩的持力层土性比SD2墩好。如墩顶沉降15mm时，S3墩的承载力为3441.6kN，而S2墩的承载力只有2061.5kN。 图17 摩擦桩和深层载荷试验剖面 图18 荷载-沉降曲线 摩擦桩和深层载荷试验剖面见图17，两

19、者的直径都为0.8m，与上述两墩的墩身直径相同，深度相当。从图18上可发现两者的承载力比扩底墩小，该试验中的桩端填塞稻草的相当于纯摩擦桩，深层载荷试验相当于直身墩。可以看出，直径相同和深度相当时，扩底墩的承载力比纯摩擦桩和不扩底的直身墩（桩）的承载力大。 6.2 桩长14.5m左右表5 试验方案 参见 “两种静载试验确定大直径扩底桩竖向承载力”，地下空间， 2003，23(3)。图19 荷载-沉降曲线图 通过以上的试验结果分析，可得出以下结论：（1）纯摩擦桩和深层载荷的试验能用来区分扩底墩的墩身摩阻力和端阻力、间接求扩底墩的承载力。（2）两种试验方法得到的SD1、SD2墩的极限承载力的误差分别

20、是5和10。（3）SD1墩的极限承载力为9600kN，此时端阻力为8266.9kN，占极限承载力的86；SD2墩的极限承载力为6850kN，此时端阻力为5523.2kN，占极限承载力的81。（4）当墩顶沉降18.7mm左右时，SD1、SD2墩摩阻力已充分发挥；而端阻力充分发挥时，SD1、SD2墩顶沉降分别达31.9mm、29.3mm。（5）在直径相同的情况下，扩底墩的承载力比纯摩擦桩和等直径竖井的承载力大很多。 7 两种大直径桩的试验对比表6 各场地对比试验情况 图20 场地1对比试验剖面及荷载-沉降曲线 图21 场地2对比试验剖面及荷载-沉降曲线 图22 场地3对比试验剖面及荷载-沉降曲线

21、（1）3组桩端填稻草的纯摩擦桩的荷载-沉降曲线都是陡降型，而与其对比的3组摩擦端承桩的荷载-沉降曲线要平缓得多，特别是当桩端土性较强时。因此对大直径桩要尽可能清除桩端沉渣，以提高其承载力和降低沉降。并应以土性强的岩土层为持力层。 （2）对场地2场地3中长径比相当的摩擦端承桩，当持力层由弱到强（即粉质粘土粉细砂卵石），极限端阻力所占桩顶极限荷载的百分比由小到大（即506485）。参见 “扩底墩、楔形桩、等直径桩对比试验研究”， 岩土工程学报，2003，25(6)； “同场地大直径纯摩擦桩和端承摩擦桩对比研究”， 工业建筑，2003，33(10)。 （3）对场地1摩擦端承桩C2和场地4（未详细提供）摩擦端承桩S7，虽然两者桩端土性相当，可是长径比大的C2（l