砂卵石土覆盖层大直径嵌岩桩及桩筏基础荷载传递机理与应用研究

摘要

由于大直径嵌岩桩承载力高，桩径大、沉降小、抗震性能好等优点，成为高层建筑、重型厂房及桥梁等首选的基础形式。然而，大直径嵌岩桩的承载性状受覆盖层厚度、覆盖层模量、长径比、桩端岩石模量、嵌岩深径比、桩岩接触界面条件和施工等诸多因素的影响，加之，受目前试验条件和测试手段的限制，系统完整的大直径嵌岩桩试桩资料并不多，这些原因都制约了人们对大直径嵌岩桩承载性状的认识。本文在山西省科技攻关项目：“特殊地质条件下嵌岩桩的施工工艺研究”(项目编号2007031172)和横向课题“大直径嵌岩桩承载性状及荷载传递机理的试验研究”的支撑下，运用有限元数值模拟方法，对砂卵石土覆盖层中的大直径嵌岩桩及桩筏基础的荷载传递机理和沉降特点进行了深入研究，并对嵌岩桩的破坏模式进行了创造性探索，取得了如下几方面的研究成果：
　　 ⑴通过对太原地区砂卵石土覆盖层中承载力高达24000kN(桩径1.8m)和16000kN(桩径1.2m)以上的两根大直径嵌岩桩的桩身内力原位测试，揭示大直径嵌岩桩荷载传递的一些规律，为该区相同工程地质条件的大直径嵌岩桩的研究和设计提供了第一手资料。
　　 ⑵对砂卵石土覆盖层桩筏基础工作荷载下桩土共同作用下的筏底土反力和桩身内力进行了原位测试，为相同工程地质条件的桩筏基础的研究和设计提供了可靠的实测资料。
　　 ⑶运用有限元数值分析方法，对覆盖层厚度、覆盖层模量、桩端岩石模量、长径比、嵌岩深径比、桩端嵌岩与不嵌岩、桩端岩石的成层型、桩端持力层软弱下卧层等影响大直径嵌岩桩的沉降和承载特性的诸多因素进行了详细分析，得出大直径嵌岩桩桩土共同作用的一些规律。
　　 ⑶运用有限元数值分析方法，建立了上部结构－桩筏基础－地基整体共同作用模型，分析了覆盖层厚度、覆盖层模量、桩端嵌岩与不嵌岩、嵌岩深度、上部结构承重柱荷载分担比等因素对桩筏基础沉降和承载性状的影响，得出了砂卵石覆盖层和基岩二元结构地层中桩筏基础与上部结构共同作用的一些规律。
　　 ⑸根据现场实测和数值分析结果，考虑到嵌岩桩嵌岩段侧阻和端阻既没有必要严格划分，而且在实际工程中也往往难于准确区分的实际情况，提出了嵌岩桩应以嵌岩段总阻力(包括嵌岩段侧阻力和端阻力)作为嵌岩桩的桩端阻力，这样可以使嵌岩桩的概念更加明确，在工程中也更加实用。
　　 ⑹通过对现有嵌岩桩试验成果进行整理、总结和分析，在前人研究的基础上，提出了嵌岩桩破坏模式：桩的屈服破坏模式、桩岩界面破坏模式、桩端岩石剪切与压屈破坏模式和嵌岩桩的整体破坏四种破坏模式，并且首次提出了桩端岩石剪切与压屈破坏模式。
　　 ⑺基于嵌岩桩的桩岩界面破坏模式、桩端岩石剪切与压屈破坏模式和桩端整体破坏模式假定，应用孔扩张理论和Hoek-Brown 准则，提出了嵌岩桩极限承载力计算公式。
　　 ⑻基于嵌岩桩承载力现场和室内测试手段的不足，首次提出了现场嵌岩单桩分段静载试桩法的思路和室内桩岩界面摩阻力的测定方法，并在此基础上提出了估算嵌岩单桩承载力的计算公式。