超长桩基承载性能的研究

1 引言项目组以我国公路桥梁跨江、跨河及跨海大桥为工程背景开展研究，研究内容涵盖：超长钻孔灌注桩现场测试技术、荷载传递机理、荷载传递性状、有限元分析及数值分析、现场试验及室内模型试验、可靠度计算分析、成孔成桩检测与缺陷处理技术等诸多方面。

该项目研究的目的：提高超长钻孔灌注桩现场测试水平，探究超长钻孔灌注桩界限值，提出超长钻孔灌注桩承载力计算方法、设计参数取值建议等，形成一套较完整的公路桥梁超长钻孔灌注桩试验、检测、设计以及缺陷处治技术。

项目研究成果应用于大型桥梁桩基础建设，将会大大节约基础建设的资金，提高桥梁的安全性。

2 主要研究成果2.1超长钻孔灌注桩单桩现场试技术及荷载试验研究2.1.1现场测试技术研究(1)锚桩反力梁法常规的锚桩反力梁法采用普通混凝土反力系统，存在锚桩抗拔能力不足或反力系统抗弯能力不足，无法达到预期的高试验加载吨位。

课题组研发了“大吨位基桩静载试验预应力反力系统装置”，使锚桩法试桩的加载吨位得以大大提高，解决了锚桩混凝土在高拔力下会出现开裂的难题，并能有效利用工程桩、承台和墩身，从而节约了试验的土建投资，该系统已获得国家实用新型专利。

图2.1.1-1、2.1.1-2为反力系统有限元模型仿真示意图有及限元计算模型中预应力束布置图。

图2.1.1-1有限元模型仿真示意图 2.1.1-2有限元计算模型中预应力束布置图(2)自锚桩法改进的“自锚桩法荷载箱”能有效的消除荷载箱位移失真，提高测试的精度，并获得国家实用新型专利。

其核心内容是补偿荷载箱上下混凝土不密实引起的刚度降低。

图2.1.1-3为该新型荷载箱图片。

图2.1.1-3自锚桩法荷载箱2.1.2现场荷载试验研究项目组在浙江、广东、山东等地结合多座大桥和特大桥梁依托推广工程中进行了13根锚桩－反力梁法试桩和7根自锚桩法试桩试验。

其中，锚桩法试桩加载吨位超过30000kN 的共有9组试桩，最大加载吨位达40000kN ，创下国内外锚桩－反力梁法试桩加载吨位之最。

锚桩法及自锚桩法试验情况汇总于表2.1.2-1、表2.1.2-2。

图2.1.2-1～2.1.1-5为部分试桩现场照片及数据分析曲线。

锚桩法静荷载试验情况汇总表表2.1.2-1自锚桩法静荷载试验情况汇总表表2.1.2-2图2.1.12-2 湛江海湾桥试桩工程图2.1.2-3 青岛湾桥试桩工程图2.1.2-4试桩实测P-S曲线图2.1.2-5试桩实测桩身轴力图2.2超长钻孔灌注桩单桩承载力的理论研究2.2.1超长桩单桩荷载传递基本特点荷载传递是超长桩工作特性的重要内容。

包括：荷载的分配，传递方式，地基土、桩身及桩端土共同承担外荷载的相互关系，发挥过程和分布规律。

具有以下特点：① 超长桩具有和普通桩前两阶段相似的特性，即荷载-沉降曲线为缓变型，没有明显的破坏特征；② 桩顶限制沉降较小时桩侧阻力发挥并不充分； ③ 超长钻孔桩承载力由沉降控制。

在杭州钱塘江四桥、五桥、六桥，湛江海湾大桥，东营黄河大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等工程项目的超长钻孔灌注桩荷载试验均得到验证。

2.2.2桩身荷载传递的刚度法函数解课题研究以超长桩荷载传递机理为核心，以我国正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大桥为依托，在大量的现场试桩资料统计、分析基础上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特征分析，建立了基于桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数的超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度计算法，使超长钻孔灌注桩的计算设计更加贴合实际。

2.2.2.1桩土传递的函数模型建立(1) 超长钻孔灌注桩轴向荷载作用下的传递函数模型及解答 ① 桩侧阻力－桩土相对位移的函数模型Q S S S 图2.2.2-1 桩土体系荷载传递在桩身任意深度处取一微分桩段图2.2.2-1，由平衡条件可得桩土体系荷载传递的基本微分方程：()()22dz z S d U AE ＝z τ (2.2.2-1) 其求解取决于桩侧及桩端荷载传递函数S τ-的形式。

② 桩侧土荷载传递函数模型通过大量的室内、室外试验可知，双曲线型传递函数能较好的对桩土S ~τ进行拟合，且拟合方法简单、精度高，并可用相关系数来评价S ~τ曲线的拟合效果，如图2.2.2-2所示。

τmax图2.2.2-2 双曲线函数模型双曲线型荷载传递函数表达式为：bSa S+＝τ (2.2.2-2) ③ 桩端土的荷载传递函数模型超长钻孔灌注桩桩端土的力学模型即可采用双曲线函数，也可简化为双折线函数近似模拟其荷载传递性能。

桩端土承载力双曲线型表达式：bb b bR R S b a AS A P +=＝σ (2.2.2-3)桩端承载力双折线型表达式：⎩⎨⎧-+====)('000b b b R R bR R u S K u K A P S K A P σσ ⎭⎬⎫≥≤b b b b u S u S (2.2.2-4) ④ 桩身荷载传递的刚度法函数解基于双曲线函数模型的荷载传递刚度法函数解是本研究课题提出的超长钻孔灌注桩单桩承载力新计算体系，它使超长钻孔灌注桩的设计、计算更加精细化，计算更符合实际情况。

图2.2.2-3 桩土计算模型 图2.2.2-4 桩土简化计算模型图2.2.2-3和2.2.2-4分别为桩土计算模型、简化计算模型，若采用矩阵刚度法进行桩基结构计算，其基本方程为：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆∆⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡n nn n n n n n n K K K K K K K K K K K K P P P P (3212133131222)2111211321 (2.2.2-5) 超长钻孔灌注桩桩顶受到一个桩顶力P ，得到沉降量为总S ：总A n S K P = A n K 为桩土总刚度 (2.2.2-6)在桩顶荷载作用下，第n 段桩第i 分段的桩侧摩阻力i τ可按双曲线函数表示为：ii i ii S b a S +＝τ (2.2.2-7)桩端反力R σ可表示为：bb b bR S b a S +＝σ (2.2.2-8)若i S 为桩侧的桩土位移，设i K 为桩侧的桩土剪切刚度，则桩侧摩阻力i T 及桩端反力可表示为：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧====⋯⋯==⋯⋯====b R Rn n n n n i i i i i SK A P S K ul T S K ul T S K ul T S K ul T 022********σττττ (2.2.2-9) 第i 分段的弹性压缩量i S ∆：i i l i i i K P l d AE l P S i/)()(0==∆⎰(2.2.2-10) 各段桩桩身压缩量与桩土间相对位移有如下关系：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=∆+⋯⋯=∆+=∆+=∆+-----11222111S S S S S S S S S S S S n n n n n n n n b (2.2.2-11) 经推导可得：∑∑∑-===++=11011////n i R i i i n i i i ni i ni K A K ul K P KP στ (2.2.2-12)或⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++=∑∑=-=0111//)1(K A K P i n K ul nK P R n i i i n i i i i An στ (2.2.2-13) P ——单桩桩顶轴向受力（kN ）i τ——第i 段桩对应的桩侧摩阻力（kPa ）； R σ——桩端土承载力（kPa ）； u ——桩的周长（m ）； A ——桩底截面面积（m 2）； n ——钻孔桩总段数； i l ——各土层的厚度（m ）； A n K ——桩土总刚度（kN/mm ）； i K ——第i 段桩桩与土的剪切刚度（kN/mm ）；i K ——第i 段桩桩身竖向弹性刚度)(1l d AE K il i i ⎰=（kN/mm ）； K 0——桩端处土的弹性抗压刚度系数（kPa/mm ）。

通过引入的桩土刚度各参数及桩身荷载传递的刚度法函数解可对超长钻孔灌注桩的界定长度及有效桩长进行判定、分析。

2.2.2.2 桩土传递的函数模型拟合分析通过对大量桩土位移室外现场原位试验及室内模型试验数据进行分析，表明双曲线函数能够较好的拟合侧摩阻力与桩土位移之间的关系，且拟合方法简单，参数少，拟合精度高（见图2.2.2-5～2.2.2-8）。

室内各类土试验及模型桩试验数据拟合相关系数均在0.99以上，试桩实测各土层的拟合相关系数大于0.8 的为98%以上。

图2.2.2-5 室内试验各类土与土s ~τ拟合曲线图图2.2.2-6 模型桩桩土s ~τ拟合曲线图2.2.2-7 原型试桩桩侧摩阻力与桩土相对位移拟合曲线图图2.2.2-8 原型试桩桩端土s ~ 曲线图③ 桩基的P －S 曲线拟合利用各原型试桩得到的桩侧桩端荷载传递函数后，对桩顶实测P ～S 曲线进行拟合，图2.2.2-9和图2.2.2-10为部分原位超长桩试桩拟合结果，从图中可以看出用双曲线传递函数能较好的对桩顶P ～S 曲线进行拟合，误差较小。

图2.2.2-9 钱江四桥实测与计算S P ~曲线P~曲线图2.2.2-10 钱江五桥实测与计算S2.2.2.3 不同参数对超长桩承载性能的影响项目组主要分析桩侧土剪切模量、桩身混凝土模量、长径比、桩长和桩径等对超长钻孔灌注桩荷载传递性状影响因素。

图2.2.2-11～2.2.2-15为部分不同参数下计算曲线。

各参数对桩基承载性状有不同程度的影响，设计时应选择合适的长径比，在尽量减少工程量的同时，达到设计要求的承载能力和桩顶容许位移的要求。

P~曲线图2.2.2-12 不同长径比单桩荷载P～S曲线图2.2.2-11 桩侧土不同剪切模量下S图2.2.2-13 不同桩长单桩荷载P～S曲线图2.2.2-14 不同桩径单桩荷载P～S曲线图2.2.2-15 不同桩身弹模单桩P ～S 曲线2.2.2.4 超长桩有限元分析计算本研究借助大型通用有限元软件ANSYS 对钻孔灌注桩进行三维空间仿真分析，通过计算实例分别分析了桩长、桩径、土体粘聚力c 值、桩侧土体刚度、桩端土体刚度对桩基承载性能的影响程度。

图 2.2.2-16为计算模型示例，图2.2.2-17～图2.2.2-21为部分计算结果曲线。

图2.2.2-17 不同桩长桩基Q-S 曲线 图2.2.2-18 不同桩径桩基Q-S 曲线分析结论如下：(1)极限承载力随桩体长度的增加而加大，但对应的桩基沉降也随之增大，所以不能一味的靠增加桩长来提高承载力；(2)可以通过增大桩基桩径来提高桩基极限承载力，但桩径增大，工程材料用量也将增大；(3)粘聚力c值对超长钻孔灌注桩桩体竖向承载性能的影响不大；(4)桩侧土体刚度对桩基沉降影响较大，当桩侧土体剪切刚度增加，桩基沉降就会减小，反之，桩基沉降就会增大；(5)桩端土体刚度增加，超长钻孔灌注竖向承载力增长不明显，所以希望通过加大桩长，将桩端支承在很深的硬土层上以获得高的端阻力的方法是很不经济的，增加了工程造价但并不能提高很多的承载力。