1收稿日期2 2004-10-8
某大桥岩溶桩基承载特性分析
钱庆强
(贵州省公路工程总公司)
摘 要 介绍桩承载力自平衡测试方法的基本原理、试验装置及其相对于传统静载荷试桩法的特点;并结
合岩溶地区桥梁桩基的工程实践,对岩溶地区桥基承载特性进行初步分析和探讨。
关键词 岩溶 人工挖孔灌注桩 静载试验 承载特性
1 工程概况
施工大桥地处西南典型的岩溶发育区。岩溶破
坏了岩石的完整性,使得桥基承载力与稳定性大幅度下降,给岩溶地区的桥基设计与施工增加了难度。
该大桥为预应力钢构连续桥。桥墩为由桩距5m (平行桥轴线)和6m(垂直桥轴线)9棵群桩及承台组成。桥墩为不均匀地基,其场地岩土特征如下:¹层为第四系的褐红色、黄灰色,松散层(人工填土、红粘土),由碎石土及块石土组成,分布于坡面上,结构松散,是泥石流物质来源;厚0.50~3.50m 。º1层为溶洞堆积碎石土、红粘土,呈褐红色、黄灰色,在地下水位以上呈坚硬状,地下水位以下为松散状,由强风化硅质白云岩碎石夹粘土、砾砂、粉砂组成,局部为纯红粘土,局部呈近水平分布,是桥墩(台)地基软弱夹层,层厚变化大,无规律分布。º
2
层为灰黄色强风化硅质白云岩,风化裂隙及卸荷裂隙发育,局部岩石风化成砂状、碎石状,沿坡面及裂隙带分布。º3层为褐红色、灰白色,构造碎裂岩及碎裂石英岩性脆,易受压碎裂,节理裂隙发育,与硅
质白云岩接触层面附近常见溶蚀空洞。º4层为中风化硅质白云岩及石英岩:褐红色,灰白色、青灰色。中-厚层状构造,隐晶质结构,局部见硅质条带。º5层为弱风化硅质白云岩,厚层状-块状构造,隐晶质结构为主,局部细晶质结构,局部见硅质燧石条带。º1、º2为散体结构岩体,º3为碎裂结构岩体,º4~º5为中厚层状-块状结构体。
2 承载特性试验
2.1 试验方法及试桩参数
静载荷试验采用自平衡测试法
[1]
,该法利用预
埋在桩身的荷载箱进行静载试验,可确定桩的承载
力并划分桩侧摩阻力与桩端阻力。此法巧妙利用了测桩自身的反力来平衡加载力,省去了传统静压试验方法中庞大笨重的加载装置,显著提高了测试技术的效率和精度。试验时,在地面通过液压泵对荷载箱内腔施加压力,将箱盖和箱底推开,从而调动桩周岩土的摩阻力与侧阻力直至破坏,其自平衡加载系统及测试原理见图1、2
所示。
图1
桩基自平衡加载系统
图2 测试原理图
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岩土工程界 第8卷 第3期
地基基础工程
测桩的试桩参数见表1所示,试桩的地层剖面以及钢筋计、荷载箱位置见图3所示。
表1 试桩参数
桩径/m
成桩形式
有效桩长/m
荷载箱离
桩底距离/m
持力层<2.5人工挖孔灌注桩
40
15
º
4
图3 试桩地层剖面以及钢筋应力计布置图
2.2 现场试验情况
加载采用慢速维持法,根据实测Q -S 曲线转换成等效静载曲线以及交通部标准[2]
,试桩承载力
测试情况为:
(1)荷载分级:由于试桩吨位大,建议每级为极限承载力的1/15,第一级按两倍荷载分级加载,卸载仍分5级进行。
(2)位移观测:每级加载后第1h 内分别于每15m i n 各测读一次,以后每隔30m in 测读一次。2.3 承载特性试验结果
整个试验过程情况正常,桩身轴力分布曲线及桩侧摩阻力分布曲线如图4、5所示
[3]。
图4中加载时桩身轴力分布曲线与传统堆载轴力曲线原则上一致,即加载处轴力最大,由于摩阻力的作用,桩身轴力随荷载箱距离增大而减小。卸载时桩身轴力分布曲线与加载桩身轴力曲线基本相同,当荷载完全卸至零时,每个截面上仍有一定的轴力,这是由于摩阻力仍然存在的原因。
由图5的试桩侧摩阻力沿深度分布图可知,分级加载越大,其侧摩阻力发挥越大;随着深度的变化,桩侧摩阻力亦发生相应变化,即以荷载箱为临界点,荷载箱上方随深度增大其向下的侧摩阻力增大
,
图4
试桩加载轴向力分布图
图5 试桩的侧摩阻力沿深度分布图
荷载箱下方则表现为向上的侧摩阻力,且其值随深度增大呈减小趋势;荷载箱上部向下的摩阻力明显小于荷载箱下部同层土向上的摩阻力,这与抗压、抗拔阻力发挥情况一致。
从图6的桩侧摩阻力分布曲线可看出,随着外
力的增加,每层土的摩阻力逐渐增加,且离加载处近的土层摩阻力首先发挥作用,然后远处的土层摩阻力才逐渐发挥。同时可以得出,每层土并未达到极限值时就开始将荷载传递到邻近土层中,即摩阻力的发挥与桩土相对位移有关。桩侧摩阻力变位曲线表示各土层的摩阻力随着桩土相对位移的增大而增大的现象,且摩阻力的发挥基本上与位移成正比。由图可见,上下段桩位移影响量非线性同步增加,但其影响率大幅度下降。
由图7桩端阻力-变位量曲线可知,桩端阻力占总荷载的6.12%,所占比例很小,属典型的摩擦桩。随位移增大,桩端阻力基本呈线性增长,由于发挥桩端阻力需要一定的位移,桩底位移一般较小,所
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地基基础工程GEO TECHN I CAL ENG I NE ER I NG WO RL D V O L .8 N o .
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图6 各测试层的摩阻力-变位量曲线
以很难发挥其极限值。
图8为自平衡测试的等效堆载Q -S 曲线,由于推导过程中采用假定的向下位移值进行试算,故推导的Q -S 曲线所对应的荷载非等距,且试桩极限承载力Q u >39000kN
。
图7 桩端阻力-
变位量曲线
图8 自平衡测试等效堆载Q -S 曲线
根据有关试验和研究成果,桩端岩土的应力状态对桩周摩阻力的发挥会产生较大的影响,当桩端
岩土强度较低时,不仅使桩侧摩阻力降低,并使桩土临界位移增大。桩端存在溶洞,溶洞无充填部分虽经处理,溶洞下部充填物强度较低,降低了持力层的强度,不利于摩阻力的发挥,越靠近桩端影响越明显。另外,溶洞在桩底附近形成一个临空面,其岩土体的整体强度降低。桩身轴力通过桩侧摩阻力由上而下逐渐向桩周岩土扩散,使裂隙发育的岩体在扩散应力的作用下,趋于松弛,变形增大,且越往下表现越明显,因距溶洞有一定距离,其摩阻力所受影响不大,但发挥极限摩阻力所需位移增大。
3 结 语
(1)由实测数据得,桩侧总阻力占总荷载的93.88%,桩端阻力占总荷载的6.12%,具有典型的摩擦桩特性。
(2)随着荷载等级的增加,上下段桩位移影响量、轴向力以及摩阻力非线性同步增加,随着深度的变化,桩侧摩阻力亦发生相应变化,荷载箱上方随深度增大其向下的侧摩阻力增大,荷载箱下方则表现为向上的侧摩阻力,且其值随深度增大呈减小趋势;荷载箱上部向下的摩阻力明显小于荷载箱下部同层土向上的摩阻力。
(3)溶洞对桩周摩阻力的发挥会产生较大的影响,当桩端岩土强度较低时,不仅使桩侧摩阻力降低,并使桩土临界位移增大。溶洞在桩底附近形成临空面将导致岩土体的整体强度降低。
参考文献
[1] 龚维明,戴国亮等.桩承载力自平衡测试理论与实践建筑结构
学报,2002,23(1):82~88.
[2] 中华人民共和国交通部.公路桥涵施工技术规范(J T J 1-2000).北京:人民交通出版社,2000.
[3] 中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范(J GJ94-94).北京:
中国建筑工业出版社,1994.
作者通讯地址:贵阳市白云大道南段305号贵州省公路工程总公司 邮编:550008
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