大直径桩荷载传递的桩端土效应

大直径桩荷载传递的桩端土效应Ξ

姜立新,张亦静,张春顺

(湖南工业大学岩土工程研究所,湖南株洲412008)

摘　要:通过室内深基坑模型试验、深井荷载试验和桩的现场静载试验,系统地研究了大直径桩的桩端土效应,对桩端阻力深度效应的机理进行了深入分析。研究表明:桩端阻力的发挥不但与持力层强度有关,也与桩的入土深度、下卧层土的性质和强度、桩端直径、桩端位移及桩侧土的强度有关。

关键词:大直径桩;桩端土效应;荷载传递

中图分类号:T U473.1 文献标识码:A 文章编号:1008-2611(2006)04-0086-04

大直径桩的桩端承载力一般占总承载力的比重较大,是桩基承载力的重要组成部分。与桩侧摩阻力类似,桩端阻力的发挥不但与持力层强度有关,也与桩的入土深度、下卧层土的性质和强度、桩端直径、桩端位移及桩侧土的强度等有关。而且,试验研究表明,大直径桩在荷载传递过程中,桩侧摩阻力和桩端阻力存在相互作用[1,2]。由于大直径桩通常是支承在硬土层或岩层上,桩端不存在类似于小直径桩的刺入变形,其变形模式与中、小直径桩有根本的区别,因此,用传统的确定中、小直径桩的桩端承载力的方法来确定大直径桩桩端承载力是不合适的。了解端阻力的发挥机理是充分认识大直径桩荷载传递规律的重要方面。

1　持力层的强度和桩端位移对桩端阻力的影响

如所周知,持力层土质不同,所具有的桩端阻力不同。持力层的强度越高,端阻力也越高。表1为根据株洲地区大直径桩静载试验得到的几种不同土层的极限端阻力值。图1为根据现场静载试验结果拟合得到的以上各桩端土层的荷载传递曲线。

表1　株洲试桩极限端阻力值

工程名称施工方法桩长/m桩端直径/m穿 越 土 层持力层桩端阻力/kN 制药厂人工挖孔150.9 1.粉土; 2.粉质粘土中风化泥砂岩5300

标准厂房钻孔灌注18 1.2 1.粉砂土; 2.砾砂土粗砾砂3300

铁路货站沉管灌注16 1.2 1.粘土; 2.细砂土密实粗砂8100

东环立交桥人工挖孔23 1.5 1.淤泥质粉土;　2.粉质粘土硬粘土1

600

图1　不同桩端土层的荷载传递曲线

由表1和图1可以看出,在其它条件相同的情况下,由于桩端土层不同,桩端土的极限端阻力相差很大,达到极限端阻力的极限位移也相差很大。土层特性对桩端荷载传递的影响是很大的。

桩端位移是端阻力发挥的前提,对于大直径桩端阻发挥到极限值所需要的位移是较大的,如图1所示,一般达40mm以上。由于大直径桩通常是按变形控制设计,在我国通常取桩顶沉降s=40～60mm所对应的桩顶荷载为桩的极限承载力;取s=10～20mm或s= (0.008～0.01)D(D为桩端直径)所对应的桩顶荷载为桩的容许承载力[3,4]。可见,端阻力发挥所需要的极限位移比侧阻力大得多,端阻力的发挥是滞后于侧阻力的。一般的工程桩,端阻所承担的荷载为桩顶荷

第20卷第4期2006年7月

株洲工学院学报

Journal of Zhuzhou Institute of T echnology

V ol.20N o.4

Jul.2006

Ξ收稿日期:2006-05-26

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378097)

作者简介:姜立新(1966-),男,湖南益阳人,湖南工业大学工程师,主要从事土木工程施工管理和基础工程方面的研究.

载的30%～60%,而对于L/d>40的大直径超长桩,通常小于20%。因此,桩端承载力并没有完全发挥。由于大直径桩的桩身刚度很大,桩身的弹性压缩量很小,所以,除大直径嵌岩桩外,大直径桩的沉降大部分是由桩端沉降组成的。

由于端阻与沉降的关系就是压应力与压缩变形的关系,桩端土在压缩变形过程中受到桩侧土和地层的约束作用很大,因而使得端阻与桩端沉降的关系具有弹性-全塑性变形特点。所以,一般来说,桩端土的荷载传递曲线完全符合双曲线模型,如图1所示。

2　桩端阻力的深度效应

对于给定的持力层,极限端阻力并不是一个固定值,而是随桩的入土深度(上覆土层深度)变化而变化的。按照建立于刚塑体模型基础上的经典单桩端阻力极限平衡理论,极限端阻力应该是随着桩入土深度增大而迅速地线性增大的[5]。然而,通过室内模型试验和现场原型试验研究表明:极限端阻力并不随桩的入土深度一直按线性增大,而是随桩的入土深度特别是进入砂持力层的深度不同而呈现出不同的变化规律,如图2所示。即当桩端进入均匀持力层的深度小于某一深度时,其极限端阻一直随深度线性地增大;当桩的入土深度大于该深度后,极限端阻基本保持恒值不变。通常称该深度为端阻的临界深度h cp,该恒定极限端阻力称为端阻力稳定值q pl。当桩的入土深度为零时,桩端阻力与浅基础承载力q uo相同;当桩的入土深度较大时,过去的研究表明:端阻临界深度h cp与桩端以上土层的覆盖压力、砂持力层的相对密度D r及桩径有关;端阻稳定值q pl仅与持力层的初始密实度有关,而与桩的尺寸和上覆土层压力无关。但笔者通过试验研究认为,端阻临界深度和桩端阻力亦与上述因素有关[1]。国内外学者通过试验研究和理论分析后认为:端阻临界深度h cp≈(5～17)d(d为桩身直径)[6-9]。可见,大直径桩的临界深度比中小直径桩大。因此,大直径桩的端阻深度效应不可忽视。

砂土中端阻呈现深度效应的原因是由于砂土具有剪胀破坏和剪缩破坏二重性。对于给定相对密实度的砂土,在三轴试验中,当围压σ3小于某一临界压力p c,即σ3

p c时,砂土呈剪缩破坏。因此,当桩的入土深度小于临界深度h cp 时,桩端处土的围压小于临界压力,土将剪胀,即土向四周和向上挤出,呈整体剪切破坏或局部剪切破坏。这时端阻力主要受剪切机理制约,其极限端阻可表示为q pu=γhN q,即随深度线性增大。当桩的入土深度大于临界深度h cp时,桩端处土的围压大于临界压力,土将呈剪缩破坏,其剪缩程度随深度(也即围压)的增大而增大,剪切过程中所产生的体积缩小足以容纳桩的贯入体积。因此,桩端土不再产生挤出剪切破坏,而是被桩挤向四周而加密,所以端阻保持恒定值q pl不变。此时,端阻力主要受土的压缩机理所制约。对于粘性土中端阻的深度效应机理尚有待进一步研究

。

图2　端阻临界深度

综上所述,桩的端阻和侧阻一样,均存在着深度效应,一般可认为h cs≈h cp,且为桩径的7～10倍左右。根据Meyerhof(1988)的桩基破坏模式(如图3)可知,桩接近破坏时,桩身下部将产生梨形塑性区,该塑性区在桩端平面以上的高度,通过计算分析可知大约为7D (D为桩端直径)。这个结果与端阻和侧阻的临界深度接近。事实上,当桩的长度小于该梨形塑性区高度时,塑性区将发展到地面上,此时,桩基的破坏模式与浅基础相同,桩基变成了浅基。因此,国外通常按大直径桩的长径比(L/d)来确定其计算模式,若L/d≤7,视为墩(Pier),按浅基础计算;若L/d>7,视为桩(Pile),按桩基础计算[10]

。

图3　Meyerhof桩基破坏模式

3　持力层厚度的影响

桩端荷载传递不但与持力层有关,也与下卧层有关。当持力层的厚度较小,而下卧层的强度较低时(软弱下卧层),桩端应力通过持力层扩散到下卧层,使得

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第4期 姜立新,张亦静,张春顺 大直径桩荷载传递的桩端土效应