软岩地基中大直径嵌岩桩复合桩基的原型观测与理论分析

摘要

宜万铁路是一条主干铁路，它贯穿武陵山脉腹地，地质情况复杂。渡口河特大桥位于宜万铁路中段，其地基为极软岩，工程性质不稳定，易受外界环境扰动。渡口河特大桥的5号墩高128 m，对墩身稳定性和墩顶偏位要求严格，所以被选作原型观测的对象。本文的目的是分析施工阶段桩-土-承台-桥墩共同作用机理。桥梁的上下部共同作用是一个很复杂的问题，而且与桥梁的施工过程直接相关，其中桩基施工阶段是关键，其影响贯穿桥梁施工和营运的整个过程；而且一旦出现由桩基引起的问题，补救的代价很高，所以对其研究有重要的理论和实用价值。本文主要研究软岩地基中全嵌岩单桩的荷载传递机理、复合桩基的承载性状。本文研究的方法是通过对5号墩施工过程中群桩应力应变长期的原型观测，并辅以理论分析和数值模拟，得到了单桩在施加上部荷载前桩身残余应变的形成机理以及残余应变对桩身荷载传递的影响，施加上部荷载后桩身的荷载传递规律随施工进度的变化，以及软岩地基中复合桩基承载性状的一些特征，并利用有限元软件分析了桩侧岩石粗糙度对单桩承载力的影响和地基局部弱化对群桩承载性状的影响，具体结论如下： 1)嵌岩灌注桩的残余应变是由桩身混凝土的收缩、自重、蠕变、温度耦合作用的结果。在桩身混凝土的龄期较早时，各种因素都参与作用。混凝土刚浇筑后桩身由于自重和升温膨胀产生压应变，随后由于混凝土的收缩和温度下降使部分桩身受拉应变：然后随着混凝土龄期的增长，桩侧阻力得到强化，自重产生的应变减小，收缩产生的拉应变增大，使得整个桩身逐渐全部受拉应变，最终趋于稳定。在残余应变形成的过程中，由于桩体各部分向外界散热的不均导致温度分布的不均，和施工方式导致的孔壁不均匀，影响残余应变发展和分布，所以要注意桩基周围的水文地质条件，选择合理的施工方式并控制好施工质量。 2)通过原型观测发现复合桩基桩项和桩间岩石内力分布是随施工进度变化的，它既随着上部结构的重量和承台的抗弯刚度增大而变化，同时又受承台底与地基和桩顶与承台接触情况的影响。承台的抗弯刚度实际包含墩底实心部分贡献的刚度，它在早期上部结构较低时显著影响群桩基础的受力性状。基岩由于水的浸泡和风化而弱化，使得距承台底一定深度内的地基压缩性较大而不能承担上部荷载，所以上部结构施工初期上部荷载主要由桩承受，随着时间的增长，承台底地基被压紧，这部分桩间岩石也逐渐分担部分上部荷载。桩顶与承台的接触和地基与承台的接触情况一样也是随时间变化的，这也影响基础所受荷载的空间分布。 本文监测过程中桥梁悬臂梁的施工还未完成，由于地基的一部分是从山体开挖出来的新鲜岩石，另一部分是常年受河水侵蚀的岩石，所以存在地基不均匀对群桩内力分布的影响，就目前被监测桩的情况来看，中间桩(5-8号、5-15号)承受的荷载大于角桩(5-19号)，且角桩承受荷载状况很复杂，具体表现为先受拉再受压。由于其它桩只在桩顶中心埋设了应变计，而通过监测发现桩顶平面内轴向应变的分布是极不均匀的，再考虑到桩顶与承台的实际接触情况是新老混凝土的接触，且由于桩身横截面积大造成的桩顶显著的应力集中，使得承台顶内力分布与理论分析的差别很大，所以桩顶只埋设一个测点不能反映桩项应变分布的全貌。实际的桩项应力分布是不对称的，要想深入了解复合桩基桩顶应力的真实分布，还需要在桩项增加应变计的个数。 3)通过对大直径群桩基础基桩荷载传递性状的长期监测，群桩桩顶的荷载分布复杂且随空间位置各异，随时间动态变化，基桩桩项轴力分布与理想状态下的理论结果有较大差异，所以应该根据实际情况来调节群桩基础的设计。 软岩地基中基桩的荷载传递特性分析的结果是：侧阻力承担绝大部分上部荷载，所以可认为其是端承摩擦桩；由于人工挖孔桩的桩侧粗糙程度沿桩身变异很大，使得基桩的桩侧阻力的分布特征复杂，其沿桩身的侧阻力曲线有多个峰值；通过监测发现大直径嵌岩桩的轴向刚度大，桩项沉降小，承载能力高，是一种适合于高、大、重结构的基础形式。 4)嵌岩桩的桩岩界面与桩土界面不同，界面的粗糙度对基桩承载力影响显著。目前，桩岩界面的粗糙程度可用无量纲的凹凸度因子表征，本文通过对桩岩界面粗糙形状的有限元模拟，不仅证实桩项沉降量与凹凸度因子成反比，还发现其与粗糙突起的形状因子成正比，突起高度对承载力的影响比突起半波长的影响显著。桩顶位移实际上是随桩顶荷载的增大而增大的，所以在相同的荷载下减少桩项位移就是提高承载力。在实际工程中，要提高嵌岩桩的承载力有两种措施，其一是当桩长可以加长时，尽量利用提高嵌岩桩接触面突起高度的方法来提高桩的承载力，当然这种方法不是很经济，但提高承载力幅度较大；其二是在桩长不可调时，尽量利用制造“短粗型突起”来提高桩的承载力，这种方法比较经济。 5)通过对承台底弱化地基厚度和弹性模量对桩顶轴向内力分布影响的有限元优化分析，发现桩基承担的总轴向荷载与被弱化地基的厚度成正比，与其弹性模量成反比，桩身总侧阻力和桩底总轴向力也是如此；弱化地基厚度对桩基轴力分布的影响比弱化地基的弹性模量显著。总的来说，要充分利用承台底地基的承载力，就应该严格限制承台底地基的侵蚀厚度，同时尽量增大其弹性模量。 6)通过不均匀地基下复合桩基有限元分析发现其轴力和位移的分布有如下规律：复合桩基的桩顶轴力分布受地基的不均匀性影响显著，具体表现为弱化地基中桩顶轴力比相应的对称位置非弱化地基中的桩基大，所以本文的监测结果与理论解的差异可以用这种情况定性解释；由于不知道地基的具体地质和水文地质情况和施工扰动程度，要做到精确的模拟还需要做更多的假设以及增加有限元模型的复杂度和计算难度；地基的不均匀性对复合桩基桩项平面内其它方向的内力和位移分布都有影响的痕迹，包括桩底平面内地基的应力和位移分布，但总的来说影响程度不大；有限元分析结果显示墩顶偏位的影响在控制范围之内；承台底地基和桩顶的位移分布与其承受的应力和轴力分布都不相关，而与桩侧阻力(包括相邻桩)的影响有关；桩底平面内地基的沉降与其应力是相关的，应力大则沉降大。 5号墩为同类型铁路桥梁中国内最高墩，通过首次对高墩基础所做的原型观测以及分析，本文工作存在如下创新之处： 1)首次对大直径嵌岩桩的残余应变特征进行了现场监测和理论分析，初步解释了残余应变产生的机理，简要分析残余应变对桩基承载性状的影响。 2)首次完成了软岩地基中大直径全嵌岩桩复合桩基的原型观测工作，分析了单桩的荷载传递特征和群桩的承载性状随施工进度的变化规律，为相同地质情况下的研究提供了依据。 3)利用有限元优化分析工具证实了嵌岩桩桩侧粗糙度对其承载性状的影响，并提出了由于表征单个突起形状对嵌岩桩承载力影响的突起形状因子的概念。 4)利用有限元方法定性分析了承台底地基弱化和不均匀弱化对复合桩基承载性状的影响，并与监测结果进行比较，定性地解释了监测结果与理想状态下理论分析的差异的原因，为复合桩基的设计提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1桩基础的定义及作用

1.1.2灌注桩的分类

1.13人工挖孔灌注桩的简介

1.1.4软岩的简介

1.2.软岩地基中大直径嵌岩灌注桩的国内外研究现状

1.2.1桩基础竖向承载力的设计理论

1.2.2基桩的竖向荷载传递机理研究

1.3目前存在的问题

1.4本课题研究的目的和意义

1.5本课题研究的主要内容和方法

第二章工程概况与原型观测方案

2.1渡口河特大桥全桥设计基本情况

2.1.1路线情况

2.1.2地质资料

2.1.3水文资料

2.1.4孔跨布置

2.1.5墩、台及基础类型

2.2 4号和5号墩与基础的构造

2.2.1设计采用规范

2.2.2主要建筑材料

2.2.3墩柱与基础构造

2.3原型观测的目的和意义

2.3.1原型观测的目的

2.3.2原型观测的意义

2.3.3原型观测的研究概况

2.4原型观测的方案

2.4.1监测设备

2.4.2应变计的埋设方案

2.4.3原型观测的内容

第三章大直径嵌岩桩残余应变状态分析

3.1引言

3.2灌注桩残余应变的概念

3.3灌注桩残余应变的产生机理

3.3.1混凝土的收缩变形

3.3.2混凝土的温度变形

3.3.3混凝土的自重变形

3.3.4混凝土的蠕变变形

3.3.5灌注桩的残余应力的确定

3.3.6算例

3.4桩身材料特性

3.5大直径嵌岩灌注桩残余应变监测结果与分析

3.5.1大直径嵌岩灌注桩残余应变监测过程简介

3.5.2大直径嵌岩灌注桩残余应变的监测结果

3.5.3大直径嵌岩灌注桩残余应变分析

3.5.4残余应变状态对嵌岩灌注桩的影响

3.6本章小结

第四章施工荷载下大直径嵌岩桩复合桩基工作性状分析

4.1大直径嵌岩桩群桩荷载分布特征的研究

4.1.1竖向荷载下群桩基础受力性状的研究进展

4.1.2竖向荷载下群桩基础受力性状的监测结果和分析

4.1.3 小结

4.2大直径嵌岩桩荷载传递性状研究

4.2.1研究背景

4.2.2竖向荷载下大直径嵌岩桩荷载传递性状监测结果与分析

4.2.3监测结果的讨论和说明

4.2.4 小结

第五章大直径嵌岩桩的有限元分析

5.1引言

5.2考虑粗糙度影响的大直径嵌岩桩单桩有限元分析

5.2.1嵌岩桩粗糙度的研究现状

5.2.2嵌岩桩有限元分析的目的

5.2.3嵌岩桩有限元分析的模型

5.2.4嵌岩桩有限元分析的结果

5.2.5 小结

5.3大直径嵌岩桩复合桩基承载性状的有限元分析

5.3.1复合桩基有限元分析的目的

5.3.2承台底面与地基接触情况的有限元分析

5.3.3考虑地基不均匀时复合桩基的有限元分析

5.3.4 小结

第六章结论与展望

6.1本文研究工作的总结

6.2今后研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果