耦合结构面剪胀的嵌岩桩侧摩阻力分析

 嵌岩桩桩–岩界面受力剪切机制通常包括滑动剪胀及剪切滑移两部分,滑动剪胀导致桩–岩界面法向应力显著增大。Serrano法计算嵌岩桩侧摩阻力没有考虑桩–岩界面剪胀效应的影响,从而使得其计算结果比现场实测值偏保守。基于常法向刚度(CNS)条件下结构面剪切力学特性,充分考虑岩性、桩径以及施工等因素对嵌岩桩受力特性的影响,在对既定粗糙度结构面剪胀产生的法向应力增量实现量化分析的基础上,通过耦合结构面剪胀对Serrano法进行修正。计算结果表明,修正的Serrano法计算所得嵌岩桩侧摩阻力明显高于Serrano法,也更接近于现场实测。修正的Serrano法完善嵌岩桩侧摩阻力的理论计算。     

红砂岩嵌岩桩桩–岩界面摩阻特性试验研究

针对红砂岩嵌岩桩桩–岩界面的摩阻特性进行了现场模型试验。试验研究表明,红砂岩嵌岩桩侧摩阻力呈现上大下小的分布模式,并随着岩石节理裂隙、钻孔质量等因素呈现波动,破坏时桩身上部的侧阻力远大于下部侧阻力值。随着桩长的增加,桩侧摩阻力的发挥效率降低,极限侧摩阻力减小;桩周红砂岩的软化会明显降低极限侧摩阻力和承载力,并改变红砂岩嵌岩的破坏模式;随着桩端刚度的增加,侧阻力分担比变小,发挥速度加快;增加桩长或桩端刚度使侧阻力有向桩身上部集中的趋势。根据现行规范确定的红砂岩嵌岩桩承载力存在较大的安全储备。     

嵌岩桩嵌岩段的岩石极限侧阻力系数

嵌岩桩在岩土工程中已得到广泛应用,但如何准确计算嵌岩段桩的极限侧阻力仍是工程设计人员面临的重要课题。收集整理了不同时期、不同地区、不同岩石强度和不同嵌岩条件下开展的145个嵌岩桩竖向下压承载力试验成果,主要包括嵌岩段岩石类型及其单轴抗压强度、嵌岩桩的直径与嵌岩深度、嵌岩段桩的极限侧阻力等。定义嵌岩段桩的极限侧阻力和岩石单轴抗压强度的比值为嵌岩桩嵌岩段岩石极限侧阻力系数,分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩段极限侧阻力和岩石极限侧阻力系数的影响规律,建立了嵌岩段岩石极限侧阻力系数与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系式,给出了不同可靠度水平下岩石侧极限阻力系数取值。     

嵌岩桩尺寸效应及深度效应的室内试验研究

为了研究嵌岩深度超过4倍桩径的深嵌岩桩的桩径尺寸及嵌岩深度对桩基承载特性的影响,采用室内模型试验方法,通过室内3组(9根)模型试桩对其进行了研究与分析,内容包括桩径大小及嵌岩深度对深嵌岩桩基承载力的影响、嵌岩深度的变化对轴力传递的影响以及桩径尺寸及嵌岩深度效应对桩侧阻力、桩端阻力的影响等。研究结果表明:增大桩径和增加嵌岩深度对提高嵌岩桩基的极限承载力都是可行的,且增大桩径比增加嵌岩深度更为有利;从桩身轴力传递来看,随着嵌岩深度的增加,桩身轴力的分布主要集中在桩身上部;从桩侧阻力分布形态来看,桩侧阻力也主要分布在桩身的上部区域。对小直径桩基(D=50 mm)而言,随着嵌岩深度的增加,桩顶承受荷载的增大,桩身上部的极限侧摩阻力也随之增大;而对大直径桩基(D=90 mm)而言,桩侧摩阻力随桩径的增加而反而有所减小;从桩端阻力大小来看,在极限荷载作用下,桩基嵌岩深度越深、桩径越大,桩端阻力变化越小。     

嵌岩桩的极限端阻力发挥特性及其端阻力系数

嵌岩桩极限端阻力发挥特征及端阻力系数取值是岩土工程中嵌岩桩应用的重要研究课题之一。收集整理了不同地区学者在不同时期、不同岩石性质和不同嵌岩条件下开展的165个嵌岩桩端阻力试验成果,主要包括嵌岩段岩石类型及其天然单轴抗压强度、嵌岩直径与嵌岩深度、嵌岩桩极限端阻力等。定义嵌岩桩极限端阻力与岩石天然单轴抗压强度的比值为嵌岩桩端阻力系数,分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩桩极限端阻力和端阻力系数的影响规律,建立了嵌岩桩极限端阻力及端阻力系数与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系式。     

基于桩–岩结构面特性的嵌岩桩荷载传递分析

 嵌岩桩的荷载传递特性主要取决于混凝土–岩石界面的剪切特性。基于桩–岩结构面剪胀及破坏机制,建立适于弱质岩石嵌岩桩侧摩阻力传递模型,求得破坏及弹性条件下桩侧摩阻力及桩身轴力的解析式,并由此推导出嵌岩桩的临界长度。基于所获得的解答,深入探讨桩侧摩阻力和桩身轴力随深度变化的分布规律,从理论上分析嵌岩桩桩径、桩–岩模量比、剪胀角对嵌岩桩荷载传递的影响,并提出有关设计建议。提出可近似考虑各因素综合影响系数h,可作为嵌岩桩承载性能的宏观控制指标。同等条件下,h值越大,嵌岩桩承载性能越好,能承受的极限荷载也越大。工程算例对比分析结果表明,理论计算与实测结果吻合较好,对嵌岩桩设计有一定参考价值。     

基于桩-岩结构面特性的嵌岩桩荷载传递分析

嵌岩桩的荷载传递特性主要取决于混凝土-岩石界面的剪切特性.基于桩-岩结构面剪胀及破坏机制,建立适于弱质岩石嵌岩桩侧摩阻力传递模型,求得破坏及弹性条件下桩侧摩阻力及桩身轴力的解析式,并由此推导出嵌岩桩的临界长度.基于所获得的解答,深入探讨桩侧摩阻力和桩身轴力随深度变化的分布规律,从理论上分析嵌岩桩桩径、桩-岩模量比、剪胀角对嵌岩桩荷载传递的影响,并提出有关设计建议.提出可近似考虑各因素综合影响系数η,可作为嵌岩桩承载性能的宏观控制指标.同等条件下,η值越大,嵌岩桩承载性能越好,能承受的极限荷载也越大.工程算例对比分析结果表明,理论计算与实测结果吻合较好,对嵌岩桩设计有一定参考价值.     

模型嵌岩桩试验及数值分析

由于嵌岩桩的极限承载力很高,在现场试验中很难将其加载至破坏和监测破坏时嵌岩段摩阻力的分布特征。采用室内模型试验方法对桩1混凝土及桩1岩石界面的摩阻特性进行研究。试验中对两个嵌岩桩模型进行荷载试验,将其中一个加载至破坏。试验结果表明,破坏发生在桩/混凝土界面,而桩身及岩体内部均保持完好。另外,桩/岩石界面上的摩阻力分布是非均匀的;模型桩破坏时在嵌岩段上部产生的摩阻力远大于下部的值。数值模拟结果表明,摩阻力的这种分布特性是因为桩周岩体变形所在界面所产生的法向压应力的影响。试验结果说明,对于建造在高强度岩体中的嵌岩桩,其承载力特性极大地取决于桩/岩石界面的摩阻特性,而摩阻力的分布又受到桩周岩体变形的影响。     

基于桩侧阻力强化效应的嵌岩桩承载力计算

 根据常法向刚度条件下结构面剪切力学特性研究嵌岩桩的荷载传递机制。考虑桩–岩界面胶结作用,提出完整的嵌岩桩桩–岩界面剪切机制,即包括胶结破坏、滑动剪胀及剪切滑移3部分;根据桩–岩界面不同剪切阶段的力学特性,建立完整的桩–岩界面剪切本构方程。基于结构面剪切力学特性,从理论上分析嵌岩桩桩侧阻力强化效应的产生机制。研究结果表明,桩侧阻力增强效应在整个桩侧都有发生,但在桩端附近桩侧最为明显。在机制分析的基础上,提出考虑桩侧阻力强化效应的嵌岩桩竖向承载力理论计算方法,该法计算模式明显有别于传统桩基规范算法。工程算例对比分析结果表明,该方法计算值比桩基规范传统算法计算值更接近于现场实测静载试验结果。这一算法可为嵌岩桩设计与应用提供新的思路。     

红砂岩嵌岩桩模型试验研究

针对红砂岩地区嵌岩桩的桩-岩界面摩阻特性进行现场模型试验,通过在桩身设置应变计来测量桩身轴力和侧摩阻力分布。模型试验研究表明:红砂岩嵌岩桩在整个加载过程中表现为端承摩擦桩,破坏模式为突变型破坏;桩侧摩阻力分布模式呈波动式的上大下小型分布,大小与施工质量有很大关系;其承载力比按现行规范计算的结果偏大,而且红砂岩软化使得承载力和侧摩阻力变小。分析认为,短桩侧摩阻力发挥较充分,并提出红砂岩嵌岩桩最佳嵌固深度为5倍桩径。     

大直径软岩嵌岩桩侧阻性状实测分析

嵌岩桩的侧摩阻力发挥不但与桩端支承与桩周土性有关,同时还受其他众多因素影响。根据同一场地桩周土性差异不大,而桩底岩土强度有较明显区别的两根达极限承载状态的嵌岩桩试桩资料,分析桩周土侧阻发挥过程。结果表明:对于长径比较大的嵌岩桩,桩周土极限侧阻大小随桩端支承条件不同而改变,且侧阻沿桩身分布呈现两头大中间小的特点,此外上部土层对桩身中部土层的侧阻发挥有一定的影响。     

深长桩力学性态计算分析

首先阐述了基于能量守恒定律的单桩沉降计算方法,通过计算总结出桩身轴力和桩身沉降分布的一般规律.分别计算不同桩长、桩径、桩体弹性模量、桩侧极限摩阻力条件下深长桩桩身轴力和桩身沉降的分布特点,探讨各参数变化对深长桩力学性态的影响.结果表明,桩长、桩径、桩体弹性模量、桩侧极限摩阻力的变化对深长桩力学性态均有显著影响,且随荷载水平的变化而变化.     

软土中注浆与未注浆抗拔桩受力性状对比试验研究

在杭州萧山一工地未注浆与注浆试桩抗拔静载试验的基础上,发现抗拔桩经过桩端后注浆可显著减少桩端位移,极限抗拔力至少提高25%,最大桩身拉伸量占桩顶上拔量的91.5%。注浆与未注浆桩的桩身轴力都随深度逐渐减少,桩端轴力始终为0;浆液上返高度16.9m范围内注浆桩侧摩阻力有较大幅度的提高,最大提高幅度为83.3%;在利用浆液上返高度公式计算注浆抗拔桩竖向增强体高度和考虑桩身自重的基础上,提出桩端后注浆抗拔桩承载力的估算公式。通过反分析计算,未注浆桩抗拔折减系数的取值范围为0.65～0.80,注浆桩侧阻力增强系数的取值范围为1.33～1.83,计算方法与结果可供初步设计与实际工程使用。     

托底抗拔桩承载特性的模型试验研究

托底抗拔桩是一种通过无黏结钢绞线将上拔荷载传至桩底,使桩身混凝土受压工作的一类新型抗拔桩。能合理解决桩身受拉开裂问题和基础筏板受桩顶托问题,其承载特性与普通抗拔桩存在差异。通过室内模型试验,对比分析了普通抗拔桩与托底抗拔桩在极限抗拔承载力、桩身轴力传递、桩侧摩阻力分布方面的差异及其原因。探讨了泊松效应对上述两种桩承载力的影响。基于普通抗拔桩承载力确定方法,引入桩相对柔度参数确定托底抗拔系数,提出了托底抗拔桩极限承载力的计算方法与关键参数得取值建议,并通过模型试验数据对该计算方法的合理性进行了验证。     

微型钢管灌注桩的竖向承载性状研究

微型钢管灌注桩属于微型桩的一种,经常用于建筑物的基础加固工程。基于广州市白云区金沙洲某基础加固工程的微型钢管灌注桩静载试验成果,利用ABAQUS有限元软件建立钢管–核心混凝土–土–岩共同作用模型,探讨了基岩模量、嵌岩深径比、钢管壁厚等因素对微型钢管灌注桩承载力的影响。静载试验的数值模拟表明:对于上覆土层为软土的情况,微型钢管灌注桩虽是超长桩,但桩端阻力仍是承载力的主要部分;桩的承载力随基岩的弹性模量增加而增加,但并非线性关系,其增长趋势最终变缓;桩的竖向承载力随钢管壁厚增加而线性增加;嵌岩深径比对桩的竖向承载力基本没有影响。     

嵌岩桩承载性状的有限元分析

在有限元分析的基础上 ,采用Duncan非线性弹性E -B模型对嵌岩桩垂直荷载作用下的承载性状作了较为全面的探讨。指出嵌岩桩确实存在着深度效应 ,当嵌岩达到一定深度后 ,继续增加嵌岩深度 ,对桩的承载能力的提高已不明显 ,甚至无助于承载能力的提高。并得出了嵌岩桩垂直承载力与基岩强度成指数关系的结论 ,强调桩底沉渣不仅增加嵌岩桩的平均侧阻力和桩身沉降 ,而且将显著提高桩侧岩层的局部应力。文中结论可为桩基工程的科研、设计和施工提供参考     

煤系地层人工挖孔桩承载特性现场试验研究

为获得煤系地层的桩基承载特性，利用荷载箱放于桩底的自平衡静载试验，直接测得了大直径人工挖孔桩的桩侧摩阻力和桩端承载力。试验结果表明：侧阻的荷载传递函数为双曲线，位移4~5mm时的侧阻可达极限值的90%；煤层侧阻发挥特性更加接近破碎岩层而非土层；极限侧阻的大小落于JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中强风化软质岩一档的较低值(干作业钻孔桩)。端阻的荷载传递函数为理想弹塑性双折线，充分发挥端阻所需位移约为桩径的1%；煤层端阻发挥特性既不同于土层，也有别于岩层；极限端阻的大小高于规范强风化软质岩的上限值(干作业钻孔桩)，接近中密粗砂的上限值(干作业挖孔桩)。桩位附近靠近孔口高程的煤层岩基载荷试验表明，该法可用于确定短桩的桩端刚度，但用于确定桩端极限承载力则会得到明显偏小的结果。     

抗拔桩的变形与极限承载力计算

抗拔桩常用于地下构筑物的抗浮和受较大弯矩作用高耸构筑物的基础。本文推导了基于轴向Winkler地基模型的抗拔桩弹性解答和基于统一极限摩阻分布(由Nc,αs和n三参数描述)的弹塑性有限差分求解方法,编制了相应的程序。应用上述解答和程序,对抗拔桩的变形性状和极限承载力进行了详细地研究,重点讨论了Winkler模型弹簧刚度ks、统一极限摩阻参数Nc、αs和n,以及上覆土层对抗拔桩的变形和极限承载力的影响。结果表明,Nc和ks对抗拔桩的弹塑性变形影响显著,而极限承载力主要取决于Nc值和上覆土层厚度。