水下大直径超长桩理论分析与工程应用

结合在江阴、润扬等大型长江公路桥梁的试桩资料和基金课题“大型桥桩的非线性理论分析及神经网绍模型研究”，用包含点面接触单元的有限元模型对大直径超长灌注柱的承载机理和性状进行研究。研究的主要内容有以下几个方面：(1）对大直径超长灌注桩所穿过的巨厚土层中的优势面和优势层进行了分析。首先对一般土体中的优势面进行了分析，发现众多的岩土工程问题与土体中的优势面有关，并对它们之间的联系进行了分析。然后对大直径超长灌注桩可能穿过的土体优势面的类型和优势层情况进行了分析。(2)分析了包含点面接触单元的有限元模型。以往的计算模型常用Goodman单元模拟桩土接触面，而Goodman单元只适用于小变形，对于大变形特别是桩土相对沿移量较大时就不能计算，因此得到的结果只能用于分析塑性变形以前的情况。本文用点面接触单元模拟桩土接触面，这种单元可计算大变形和大位移。(3)系统地分析了大直径超长灌注桩不同桩型(直径为0．8～6m，桩长为50～100m)在不同土层中(主要是粘性土和砂土)的承载机理和承载性状，为大直径超长桩的实际应用提供了理论依据。(4)分祈了大直径超长灌注桩的几个特殊问题：①端阻力和持力层的作用大小问题。一般认为深厚土层中的超长桩是纯摩擦桩，端阻力所占的比例很少。但论文作者经过研究发现，对大直径超长桩，如果有较硬的土层作为持力层的话，端阻力所占的比例也会较大，也就是说此时持力层对大直径超长杖的作用是较大的。所以对大直径超长桩也要设法使桩进入持力层为好，这一点也为大直径超长灌注桩的桩底注浆提供了理论依据。②由桩项变形值定极限承载力的问题。研究发现，对大直径超长桩其达到荷载极限状态时的桩项变形值比规范规定的要大。所以对大直径超长灌注柱的极限荷载时的桩顶沉降值可核实际情况来定，这样可充分利用大直径超长桩的承载潜力，但此时要保证各桩的差异沉降在规定范围之内。③优势层和大直径超长灌注桩。苏州—南通长江公路大桥工程区，钻探揭露的岩土层多达22层，若统计到亚层，则多达32层之多。论文把相对较软的和相对较硬的层称为优势层，则相对较软的层就是软弱优势层(如易液化层、软土层、软弱下卧层等)，相对较硬且深度适宜的层就是持力优势层。优势层的存在会影响桩的荷载传递和承载特性。一般规律足，桩底持力优势层的优势性越强对桩的承载力的提高越有利；持力优势层上覆的软弱优势层的优势性越强对桩的承载力的提高越不利。划分出优势层后就可区别对待，如对软弱优势层可注浆加固之。④大直径超长灌注桩的有效桩长问题。论文用包含点面接触单—元的有限元法对大直径超长桩的有效桩长进行了研究。研究发现，大直径超长灌注桩存亦有效桩长问题：但对有效校长要具体情况且体分析，不存在一个对所有情况都适用的统一的有效桩长值。(5)针对大直径超长罐注桩的特点，和桩侧压力、侧压力系数相联系，建立起大直径超长灌注桩的有关极限承载力与桩长、桩直径、桩土间摩擦系数、土的重度等关系的理论公式。(6)据江阴大桥和润扬大桥的大直径超长桩的试桩资料分析了长江下游水下大直径超长罐注桩的荷载传递规律和承载特性，并以此为基础利用上述有限元方法对南通大桥的大直径超长灌注桩进行数值模拟，模拟结果是可恢的，具有一定的参考价值。     

后注浆超长大直径钻孔灌注桩承载性能试验研究

以浙江沿海软土地区某高层中桩基础为工程依据,进行了两根后注浆超长大直径灌注桩的堆载静载试验和一根桩的自平衡静载试验。通过对试验数据的采集整理,探讨了软土地基超长大直径钻孔灌注桩注浆后的竖向承载特性。结果表明,桩端注浆使软土地区超长大直径桩由典型的摩擦桩变为端承摩擦桩,从而改善了超长桩竖向承载特性,提高了该类桩承载性能的稳定性。     

大直径超长桩有效桩长的数值模拟

大直径超长桩在大型桥梁和高层建筑中得到了越来越广泛的应用，但实际工程中往往会出现桩越来越长的现象，有时桩太长会造成浪费，且不科学，所以有必要研究大直径超长桩的有效桩长问题。而大直径超长桩试桩困难、成本高，为了找到有效桩长而进行桩长不同的一组试验是不现实的，所以本文基于弹塑性理论用包含点面接触单元的有限元法对大直径超长桩的有效桩长进行了数值模拟分析。     

大直径超长桩承载力影响因素数值分析

为了解大直径超长单桩的承载性状，利用大型有限元分析软件ABAQUS，对大直径超长单桩的承载性状进行仿真分析。主要分析了桩长、桩径、土体变形模量、土体黏聚力和摩阻系数对大直径超长桩的荷载一沉降曲线的影响规律。研究得出：桩径、桩长、土体变形模量和摩阻系数的增加可以提高大直径超长单桩的承载力，而土体黏聚力对大直径超长桩的承载力影响不大。     

大直径超长桩竖向承载性状的数值模拟

大直径超长桩的荷载传递机理、变形规律复杂,对其承载性状进行深入研究具有理论及实际意义。本文依托某大直径超长桩实际工程,将实例中多层地基土层简化为较好持力层及其上覆土层两层,利用快速拉格朗日有限差分软件FLAC3D,对大直径超长桩进入持力层与否两种工况的承载性状分别进行了模拟分析比较,获得了桩基竖向荷载-沉降曲线,计算结果与实测结果吻合良好。研究结果对大直径超长桩的合理设计具有一定的参考价值。     

大直径超长桩承载特性有限元分析

以贵州晴兴线朵冲特大桥100m深的钻孔灌注嵌岩桩为依托,利用Abaqus有限元数值分析,研究了大直径超长嵌岩桩的承载力变化规律.通过有限元模拟分析发现,大直径超长嵌岩桩荷载-沉降曲线为缓变型,其极限承载力应按桩顶沉降值控制,且桩身轴力曲线图显示桩身轴力自上而下逐渐减小,80m以下桩身轴力几乎为零,嵌岩段不受力.因此,大直径超长灌注桩在设计时宜按摩擦桩设计,不一定非要嵌岩.     

洞庭湖软土地区大直径超长灌注桩竖向承载力试验研究

以洞庭湖软土地区某特大拱桥主墩桩基础为工程依托 ,进行了一试桩竖向静载荷试验 ,并基于所获得的现场实测数据探讨了软土地区大直径超长灌注桩的荷载传递机理和竖向承载特性。结果表明 ,软土地区大直径超长桩为典型的摩擦桩 ,其竖向承载力主要由桩侧摩阻力提供 ,而桩端阻力往往难以发挥甚至趋于零 ,设计计算时尚应重视桩身压曲稳定分析和桩顶变形验算。同时 ,建议根据上部结构对基础沉降的要求按桩顶容许沉降量来控制超长桩的竖向承载力 ,并基于线弹性 -全塑性桩侧荷载传递模型给出了相应的计算公式 ,以此获得的桩顶荷载位移计算曲线与实测值吻合良好 ,证明了该思路与分析方法的可行性。     

大直径超长钻孔灌注桩桩端高压注浆的试验研究

通过3根桩端有高压注浆的大直径超长桩和5根桩端无高压注浆的大直径超长桩的对比试验研究，表明桩端高压注浆可以大大地提高单桩承载力，克服了大直径超长灌注桩施工工艺上的局限性。     

基于桩侧广义剪切模型的大直径超长灌注桩承载变形计算方法

大直径超长灌注桩桩身变形较大,桩侧与土体易出现明显的界面滑移,传统剪切位移法难以适合其承载变形计算。基于大直径超长灌注桩桩–土剪切作用性状及桩侧摩阻力发挥特点,采用剪切位移和剪切滑移两阶段法描述其桩侧摩阻力发挥过程,形成桩侧广义剪切模型;在此基础上,采用传递矩阵增量方式建立大直径超长灌注桩承载变形计算方法,并给出计算参数的取值。该方法考虑了桩侧摩阻力发挥的非线性、桩端承载的非线性及桩身材料的非线性,并考虑了桩–土滑移后桩侧摩阻力软化特性及桩端后注浆对桩端承载性状的影响。工程实例计算结果与现场试桩实测值较为吻合,表明基于桩侧广义剪切模型建立的大直径超长灌注桩承载变形计算方法具有合理性与可行性。     

超长大直径钻孔灌注桩群桩效应系数研究

针对超长大直径钻孔灌注群桩效应系数,研究了5种计算公式或方法,其中基于应力叠加的群桩效应系数计算公式,考虑了桩长、桩径、土层的内摩擦角以及地基土应力叠加等影响因素,适合计算超长大直径钻孔灌注群桩效应系数.然后,基于苏通长江公路大桥主5号墩超长大直径钻孔灌注群桩基础桩长、桩径和地基土层条件,分别计算了2×2群桩与3×3群桩的群桩效应系数值,并与相应类型群桩离心模型试验的群桩效应系数值进行比较.研究结果表明,计算值仅低于试验值7.2%～12.7%,说明该群桩效应系数计算公式具有一定的合理性,可为超长大直径钻孔灌注群桩设计提供参考.     

桩身阻力分布分析

通过工程实例介绍桩侧摩阻力和桩端摩阻力在桩顶分级荷载作用下的分布情况,进一步分析桩侧、桩端摩阻力发挥与桩身变形和荷载传递的关系,为大直径超长的摩擦桩的工程设计提供设计参考。     

桩距对大直径超长钻孔灌注群桩竖向承载性能的影响

随着高层建筑和大型桥梁的不断建设,普通的中短桩已无法满足其承载力要求,大直径超长钻孔灌注桩因为其良好的承载性能而广泛应用于此类大型基础工程中。目前很多大型的桥梁基础采用的高承台大直径群桩基础,利用有限元软件ABAQUS,建立不同桩间距下大直径超长钻孔灌注桩桩土作用三维非线性有限元计算模型,分析粉细砂中不同桩间距对群桩竖向承载性能的影响。     

工业建筑

题目　大直径超长灌注桩承载性状的试验研究 作者　池跃君(清华大学　　100084) 摘要　针对对超长桩荷载传递机理研究非常缺乏,通过对3 根大直径超长钻孔灌注桩的荷载试验研究,揭示了天津地区大直径超长灌注桩的承载力特性 及桩的荷载传递特征,并分析了影响其极限承载力的因素。     

大直径超长灌注桩承载性状的试验研究

针对对超长桩荷载传递机理研究非常缺乏 ,通过对 3根大直径超长钻孔灌注桩的静荷载试验研究 ,揭示了天津地区大直径超长灌注桩的承载力特性及桩的荷载传递特征 ,并分析了影响其极限承载力的因素。     

软土地区大直径超长后注浆钻孔灌注桩竖向承载力的试验研究

桩端后注浆是软土地区大直径超长钻孔灌注桩发展的必然趋势。依据软土地区某超高层建筑大直径超长钻孔灌注桩试桩的竖向抗压静载试验结果,通过对基桩的竖向极限承载力性状、桩身轴力传递特性以及桩侧阻力、桩端阻力发挥特性的分析研究,揭示了桩端后注浆对基桩承载性状的影响情况,深入探讨了软土地区大直径超长后注浆灌注桩的荷载传递机理和竖向承载性状,并提出了单桩承载力的估算方法。     

大直径超长钻孔灌注桩的承载性状研究

通过对 1 1根大直径超长钻孔桩 (其中 9根桩身埋设有测试元件 )的静荷载试验 ,对大直径超长桩受最大荷载为 2 4MN时的受力特性和荷载传递机理及侧阻力、端阻力的变化规律进行研究 ,分析了施工工艺、嵌岩深度、桩端高压注浆等因素对大直径超长桩承载力的影响。介绍了重载试验的特点和难点 ,给出桩周土层的分层极限侧阻力和极限桩端阻力 ,可为相同地质条件的桩基设计提供可靠的依据     

基于载荷试验的大直径超长桩承载特性分析

为研究分析大直径超长灌注桩承载特性,结合上海白玉兰广场工程开展4组试桩现场试验。试桩桩径1 m,桩长85 m,皆为桩端后注浆桩。基于试桩实测数据,分析Q-s曲线以研究其承载变形特性,分析桩体受力以研究其荷载传递规律、桩侧摩阻力分布及桩端阻力发挥性状。考虑桩身材料弹塑性性质,对桩身压缩进行计算分析,计算值与实测结果基本一致,计算结果表明桩身弹性压缩占主要部分,但在高荷载水平下,塑性压缩不容忽视。现场试验研究进一步认识了桩端后注浆大直径超长灌注桩承载机理,为工程实践提供指导和参考。     

广东地区大直径超长钻孔灌注桩荷载传递特性试验研究

 通过广东软土地区大直径超长钻孔灌注桩大吨位静载试验,分析了该地区大直径超长钻孔灌注桩承载特性及荷载传递机制,为该地区大直径超长桩的理论研究和工程应用提供了宝贵的参考数据。实测结果研究表明：试桩的Q-s曲线呈缓变型,桩端承载力分担总荷载比例均低于15%,表现为摩擦桩特性;随桩顶荷载增加,桩土相对位移沿桩身的递增幅度呈先增大后减小的趋势,淤泥质粉质黏土和淤泥达到极限侧摩阻力所需的桩土相对位移分别为17和6 mm,砂土达到极限侧摩阻力所需桩土相对位移22～27 mm,桩身上部土层侧摩阻力发生不同程度的软化;桩身上部粉质黏土的桩土相对位移为18～23 mm,在桩土相对位移达40 mm时,下部粉质黏土层侧摩阻力达到极限值的87%以上,桩土相对位移继续增大时,侧阻增加趋势较为平缓,并逐渐接近于极限值;风化砂岩侧摩阻力随桩土相对位移的增加而增大,极限荷载下侧摩阻力未完全发挥;桩端阻力随着桩端沉降量的增加呈加工硬化型。     

苏州地区大直径超长后注浆钻孔灌注桩试验研究

大直径超长后注浆钻孔灌注桩单桩合理注浆量和极限承载力的确定成为设计所面临的问题。介绍了后注浆钻孔灌注桩后注浆的加固机理和注浆方式。着重介绍了苏州中心广场项目不同桩径、不同持力层的大直径超长后注浆钻孔灌注桩的试桩数据,并结合苏州金鸡湖周边其他4个超高层项目大直径超长后注浆钻孔灌注桩的试验数据,分析了大直径超长后注浆钻孔灌注桩的承载性能。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)和上海市《地基基础设计规范》(DGJ 08-11—2010)中的相关公式,估算了单桩注浆量和单桩极限承载力标准值,并将其估算结果与试验数据进行对比,给出了苏州地区类似地质条件下直径1000mm大直径超长后注浆钻孔灌注桩桩端后注浆量的合理范围为2～4t的建议,提出了大直径超长后注浆钻孔灌注桩试桩之前的单桩极限承载力标准值可按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中桩侧阻力和桩端阻力增强系数的上限值进行估算。研究结果可为苏州地区大直径超长后注浆钻孔灌注桩的类似工程设计提供参考。     

南京夹江大桥主塔基桩承载性状分析

 应用南京夹江大桥主塔两根试桩的大吨位静载荷试验成果,采用ANSYS有限元计算,对超长大直径嵌岩桩的承载性状进行分析,包括桩顶沉降、桩端阻和桩侧阻的分配与发挥,并对最佳嵌岩深度进行讨论。结果表明,超长大直径嵌岩桩一般为端承摩擦桩,桩端阻力不容忽视,当桩处于极限时,上覆土层的侧阻力已经发挥至极限,而嵌岩段阻力仍有一定潜力可挖。利用ANSYS模拟后发现,嵌岩段的侧阻力非线性特征明显,且呈现“两头大,中间小”的特征。同时,通过对不同嵌岩深度的研究,认为仅通过增加嵌岩深度来控制桩顶沉降作用不明显,软岩地区的嵌岩桩嵌岩深度可不必拘泥于规范所限的不大于5D。最后根据静载试验和有限元分析结果,对原设计提出了修改建议。