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1 第 11 卷 第 2 期 2015 年 4 月 地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering Vol 11 Apr 2015 嵌岩桩尺寸效应及深度效应的室内试验研究 何春林1 龚成中1 龚凡2 胡勇3 1 淮阴工学院 建筑工程学院 江苏 淮安 223001 2 江苏省涟水县建筑质量检测中心 江苏 涟水 223401 3 江苏省涟水县成集乡政府 江苏 涟水 223423 摘 要 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 关键词 桥梁工程 模型试验 承载特性 侧摩阻力 尺寸效应 中图分类号 TU473 1 文献标识码 A 文章编号 1673 0836 2015 02 0293 06 Laboratory Test on the Effect of Diameter and Depth of Rock socketed Piles He Chunlin 1 Gong Chengzhong 1 Gong Fan 2 Hu Yong 3 1 Huaiyin Institute of Technology Huaian Jiangsu 223001 P R China 2 Lianshui Inspection Centre of Architectural Quality Lianshui Jiangsu 223401 P R China 3 Lianshui Chengji Township Government Lianshui 223423 Jiangsu P R China Abstract To study the effect of diameter size and depth of rock socketed piles on their bearing characteristics in case that the depth of piles embedded in rock more than four times the diameter the bearing characteristics of three groups of model test piles had been discussed and analyzed by the use of model test methods in this article including the bearing capacity of piles transmission of axial force side resistance and end resistance which influenced by the size of pile diameter and depth of the pile in rock The results showed that it was feasible to improve the ultimate bear ing capacity of rock socketed pile by increasing the diameter of piles and their depth in rock Furthermore it was more beneficial to enlarge the diameter than to increase the depth in rock From the distribution of side resistance it was mainly distributed over the upper area of pile For small diameter pile D 50 mm with the increase of rock socketed depth and load on top of pile the ultimate side resistance was increased correspondingly Instead for large diameter pile D 90 mm it was decreased From the view of end resistance under the ultimate load the more the depth and the larger the diameter was the value of end resistance was more insignificant Keywords bridge engineering model test bearing characteristics shaft resistance size effect 收稿日期 2014 04 08 修改稿 作者简介 何春林 1971 女 江苏淮安人 博士生 副教授 主要从事土木工程等领域的教学与科研工作 E mail c l he 163 com 基金项目 江苏省自然科学资金项目 BK2011406 江苏省自然科学基金青年基金项目 BK20130419

2 294 1 第 11 卷 地下空间与工程学报 引 2 言 随着高层建筑和大跨度桥梁的大量兴建 大直 2 1 径嵌岩桩在工程中得到了广泛的使用 目前 有关 室内模型试验 模型试验及材料 一般来说 由于深嵌岩桩嵌入岩层深度较大 Pells 较早注 上覆土层对承载力的影响较小 且本文主要为了研 意到这个问题并进行了研究 发现随桩径增加桩侧 究嵌岩桩嵌岩深度效应及桩径的尺寸效应对其承 阻力计算系数存在略有减小的现象 对于考虑尺 载力的影响 故室内模型试验忽略上覆土层的影 尺寸效应研究的文献仍比较缺乏 1 寸效应的桩侧阻力求解问题 O Neil 和 Hassan 2 提出了双曲线型式的桩侧荷载传递模型 亦已被国 响 室内模型桩测试布置如图 1 所示 外大多数学者所接受 我国学者对嵌岩桩的尺寸 效应研究也较少 张建新等 3 利用有限元分析软 件 分析了桩的尺寸效应对嵌岩桩承载形状的影 响 研究结果尚待进一步验证 我国 2008 年出版 的 建筑桩基规范 JGJ94 2008 虽考虑了大直径 桩的尺寸效应 如对大直径桩基桩侧阻力 桩端阻 力采用了折减系数的处理办法 4 但上述折减系 数主要适用于土层 并没有涉及到岩石的情况 图1 此外 众 学 者 对 于 嵌 岩 深 度 的 选 择 众 说 纷 Fig 1 纭 5 黄求顺 6 在分析实验资料的基础上 提出 了桩基最佳嵌岩深度为 3 倍桩径 最大嵌岩深度为 5 倍桩径 明可前 7 在试验的基础上认为嵌岩深 度为 4 倍桩径时 其承载力最大 嵌固力也接近最 大 但以上研究成果主要在对嵌岩深度的合理选 择上分析较多 而对工程中亦已使用的深嵌岩桩基 承载特性研究比较缺乏 且嵌岩深度对桩基承载特 性的影响也鲜有研究报道 目前 在一些软岩地区 嵌岩深度超过 4 倍桩 径的大直径嵌岩桩在桥梁工程中得到了运用 如青 岛海 湾 大 桥 7 北 盘 江 大 桥 8 浙 江 西 堠 门 大 桥 等 9 甚至坝陵河大桥嵌岩深度已达到 10 倍桩径 以上 10 由于此类桩基设计承载力巨大 现场静 载试验难以进行 在设计和使用中既缺乏类似的经 验 也没有明确的设计方法和依据 这就使得该类 桩基承载力的确定成为目前工程实践中的重点难 题之一 此外 大直径深嵌岩桩在极限荷载作用下 模型桩示意图 Schematic of model pile 根据模型试验相似理论的要求 本次试验桩体 采用实心有机玻璃棒模拟 有机玻璃棒弹性模量为 E 2 787 10 3 MPa 桩周岩体的设置主要根据彭 海明等 15 的研究成果 采用砂子 水泥 石膏粉 水 搅拌的混合砂浆来加以模拟 在确定本次试验配 合比前 已进行多次不同配合比的试验 最终确定 本试验砂子 水泥 石膏粉 水的配合比为 450 100 27 60 21 d 后测定其单轴抗压强度为6 MPa 弹 性模量为 5 08 102 MPa 重度为 22 kn m3 桩岩模 量比值约为 5 5 该数量比接近于混凝土桩与软岩 的桩岩模量比值 2 2 模型桩固定与加载 模型桩制作完毕后安置于室内试验槽内 见 图 2 独 立 的 混 凝 土 试 验 槽 尺 寸 为 3 m 6 m 4 5 m 与池壁相连的是钢反力架 能提供 200 kn 的反力 对试验池中的土 岩 体不产生影响 受力特性与普通桩是否相同也同样值得关注 现有的嵌岩桩研究手段多数为工程试桩现场 试桩实测结果的分析 11 12 以及采用数值模拟分 析或单根模型试验等分析方法 13 14 而室内对比 试验研究还比较缺乏 本文在室内三组 共 9 根 模型试验的基础上对不同桩径及嵌岩深度的嵌岩 桩进行了分析与研究 为深嵌岩桩基的设计和使用 提供必要支持 图2 Fig 2 大型试验池 Large test pool

3 2015 年第 2 期 295 何春林 等 嵌岩桩尺寸效应及深度效应的室内试验研究 模型桩上端利用螺丝与放置在试验槽上方的 型电阻应变式土压力盒进行测试 并采用硅胶将土 槽钢连接如图 3 所示 模型桩固定后在槽内进行 压力盒与试桩粘结 模型桩参数如表 1 所示 混合砂浆浇筑 用硬化后的混合砂浆来比拟桩周岩 体 采用快速维持荷载加载法 利用电动油压千斤 顶对模型桩进行加载 采用分级加载 至桩顶出现 突然变位时停止加载 为便于比较各试桩极限承 载力大小 本文主要根据试桩破坏时数值大小及其 对应位移数值和测试现场情况综合确定 2 3 模型桩参数及分组 为了考察桩径 D 和嵌岩比 n 对嵌岩桩承 图3 载特性的影响 本次室内试验共制作了三组模型嵌 Fig 3 岩桩 桩身轴力可通过粘贴在桩身上的应变片测 试 应变片安放位置如图 4 所示 桩端阻力采用微 图4 Fig 4 编号 桩号 Z1P1 第一组 Z1P2 Z1P3 Z2P1 第二组 Z2P2 Z2P3 Z3P1 第三组 Z3P2 Z3P3 3 3 1 桩径 mm 50 50 50 70 70 70 90 90 90 Fixed model pile 模型桩桩身应变片位置和压力盒安置 Position of strain gauge and pressure cell on pile Table 1 表1 试桩参数表 Parameters of model pile 桩长 L mm 嵌岩深度 h r mm 嵌岩比 n h r D 350 300 6 250 450 330 470 610 410 590 770 试验结果及分析 嵌岩深度对桩基承载力的影响 模型桩固定 实测的三组模型桩的荷载 位移曲线 Q s 曲 200 400 280 420 560 360 540 720 4 8 4 6 8 4 6 8 线 如图 5 所示 从图 5 中可以看出 当桩径 D 50 mm 和 D 70 mm 时 随着嵌岩深度的增大 即 嵌岩深度由 4D 增大到 8D 各试桩的荷载 位移曲 线会随着嵌岩深度的增大而变得愈平缓 在相同桩

4 296 地下空间与工程学报 顶荷载作用下 其桩顶沉降会随着嵌岩比的增大而 减小 说明在桩径一定的条件下 增大嵌岩深度对 提高桩基承载力 减小桩基沉降是有利的 随着桩 径的增大 当桩径 D 90 mm 时 情况略有不同 当荷载较小时 试桩 Z3P1 的荷载 位移曲线较为平 缓 即嵌岩深度小的试桩反而更为有利 当桩顶荷 载超过某一数值后 试桩 Z3P1 的荷载 位移曲线产 生向下弯曲现象 而试桩 Z3P2 试桩 Z3P3 尽管嵌 岩深度不同 但两者的荷载 位移曲线比较接近 都 没有明显的陡降段 而近似为直线分布形态 且直 线较为平缓 与一般嵌岩桩明显不同 从图 5 中也可以看出 当桩径相同而嵌岩比增 加时 随着嵌岩深度的增加 桩基的极限承载力也 随之增大 说明在极限荷载作用下 通过增大嵌岩 深度来提高其极限承载力是可行的 3 2 第 11 卷 计数值 可计算出模型桩身的截面轴力 9 根模型 桩的测试结果如图 6 所示 为了图面整洁 图中只 绘制出部分加载等级测试的结果 从图 6 中可 以看出 对 于 埋 入 岩 层 较 短 的 柱 如 试 桩 Z1P1 Z2P1 Z3P1 等 在 竖 向 荷 载 作 用 下 当 荷 载 较 小 时 桩身轴力随深度的变化比较均匀 在荷载作用 下 桩顶荷载传递到桩端的数值也比较 大 随 着 荷载 的 增 加 桩 身 轴 力 变 化 慢 慢 集 中 在 桩 身 上部 在同样 桩 径 的 条 件 下 如 试 桩 Z1P1 Z1P2 Z1P3 桩径大小都是 50 mm 从图 5 中可以看出 随 着嵌岩深度的增加 桩身轴力的分布明显地集中在 桩身上部 且传递到桩端的荷载也较少 说明上部 嵌岩段桩侧阻力得以发挥且数值较大 随着桩径 嵌岩深度对桩身轴力传递的影响 的增加 桩身轴力随深度的增加减少的趋势越发明 当模型桩受桩顶荷载作用时 根据桩身的应变 显 桩身下侧的桩侧阻力远未发挥 图5 荷载 位移曲线 Fig 5 Q s curve

5 2015 年第 2 期 3 3 何春林 等 嵌岩桩尺寸效应及深度效应的室内试验研究 Fig 6 桩侧阻力尺寸效应和深度效应研究 图6 297 模型桩轴力图 Axial force of model pile 未发挥 桩端附近桩侧摩阻力略有增大 其原因可 在各级荷载作用下 根据桩身不同截面处轴力 可计算出桩侧的摩阻力 实测的桩侧摩阻力与嵌岩 深度关系如图 7 所示 由于篇幅所限 且实测的 9 根试桩的桩侧摩阻力分布曲线比较接近 故仅绘制 出最后一级荷载作用下的极限侧摩阻力分布曲线 从图 7 中可以看出 实测的桩侧摩阻力随荷载 能是桩端阻力存在的影响 当桩径 D 50 mm 70 mm 时 可以看出 在相 同桩径的条件下 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 而当桩径 D 90 mm 时 桩侧摩阻力随嵌岩深 度的增加反而有所减小 其主要原因是在桩身轴 的增加而增加 模型嵌岩桩在加载过程中产生的侧 力的作用下 随着桩径增大 桩身的抗压刚度也逐 摩阻力主要分布于模型桩桩身的上部区域 形成 渐增大 桩的侧向变形将会减小 作用在桩周岩石 上大下小 的桩侧摩阻力分布模式 这说明由于 桩 岩相对位移较小 嵌岩段下部的侧摩阻力还远 3 4 Fig 7 图7 上的法向应力也随之减小 势必导致桩侧摩阻力的 下降 这在桩基设计中应引起注意 试桩极限侧摩阻力分布图 Distribution of ultimate side resistance of pile 桩端阻力的尺寸效应和嵌岩深度效应分析 在极限荷载作用下 实测桩端阻力占桩顶荷载 的百分比 Q b Q 与嵌岩比 h r D 的关系如图 8 所示 从图 8 中可以看出 在相同桩径的条件下 桩 端荷载与桩顶荷载的比值 Q b Q 随嵌岩比 h r D 增大而逐渐减小 嵌岩比越大 端阻发挥的作用 越小 当嵌岩比小于 6 时 桩端荷载递减明显 当嵌 岩比为 6 8 时 桩端荷载递减平缓 主要原因是 桩嵌入岩层较深时 桩顶受荷后 上部桩身弹性压 图8 Fig 8 桩端阻力与嵌岩比的关系 End resistance and depth ratio 缩较大 桩与岩土间的相对位移较大 桩侧阻力发

6 298 地下空间与工程学报第 11 卷 挥充分 ; 而下部桩身轴力较小, 桩与岩土间的相对 位移较小, 相应地桩侧阻力发挥也较小 从不同桩径的比较来看, 在相同嵌岩比情况 下, 如当嵌岩比等于 4 时, 小直径桩 (D = 50 mm) 在 荷载作用下, 传递到桩端阻力也大, 极限荷载时桩 端阻力约占桩顶荷载的 60%, 此时, 大直径桩 ( D = 90 mm) 桩端阻力只有桩顶荷载的 20%, 两者相差 较大 ; 随着嵌岩比的增加, 直径为 D = 50 mm 和 D = 70 mm 桩的荷载传递率逐渐接近, 直至趋于一致, 而大直径桩 (D = 90 mm) 的荷载传递率与此相比相 差也趋于减小 ; 当嵌岩比等于 8 时, 小直径桩 ( D = 50 mm) 在极限荷载作用下, 桩端阻力约占桩顶荷 载的 26%, 大直径桩 (D = 90 mm) 桩端阻力只有桩 顶荷载的 12%, 两者相差较小 本次室内试验最终测试成果如表 2 所示 表 2 试验成果表 Table 2 Results of test 组号 桩号 最大加桩侧总极限摩桩端载量 (kn) 阻力 (kn) 阻力 (kpa) 阻力 (kn) Z1P 第一组 Z1P Z1P Z2P 第二组 Z2P Z2P Z3P 第三组 Z3P Z3P 结论 (1) 大直径嵌岩桩基适当增加其嵌岩深度对提高极限承载力是可行的, 但增加嵌岩深度对桩基极限承载力的提高幅度与小直径桩相比并不明显, 说明深嵌岩桩一味地增大嵌岩深度并不可取, 增加嵌岩桩的深度还不如增加桩径更为有利 (2) 从桩身轴力传递来看, 随着嵌岩深度的增加, 桩身轴力的分布向桩身上部集中的趋势越发明显 从实验结果来看, 主要集中在桩身上部 3 倍桩径范围, 桩身下部变化较小 (3) 从桩侧阻力分布形态来看, 其主要分布在桩身的上部区域, 出现 上大下小 的分布形态 对于小直径桩基, 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 而大直径桩基桩侧摩阻力随桩径的增加而反而有所减小 从桩端阻力来看, 当桩径相同时, 嵌岩深度越长 对桩端阻力的影响也就越小 当桩径不同时, 随着嵌岩比的增加, 桩的荷载传递率也会逐渐接近 参考文献 (References) [1] 龚成中, 何春林, 龚维明, 等. 基于自平衡试桩法大直径嵌岩桩尺寸效应分析 [ J]. 岩土力学, 2012, 33 (8): ( Gong Chengzhong, He Chunlin, Gong Weiming, et al. Analysis of size effect on the large diameter rock socketed pile based on self balance method [J]. Chinese Journal of Rock and Soil Mechan ics, 2012, 33(8): [2] O Neill M W and Hassan K H. Drilled shafts: effects of construction on performance and design criteria [ M].In ternational Conference on Design and Construction of Deep Foundations, U. S. Federal Highway Administration, 1994, 1: [3] 张建新, 吴东云, 张淑朝. 嵌岩桩尺寸效应的有限元分析 [ J]. 岩土力学, 2007, 28 ( 6 ): ( Zhang Jianxin, Wu Dongyun, Zhang Shuchao. Finite element analysis of size effect of rock socketed piles [ J ]. Chinese Journal of Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(6): [4] 中华人民共和国住房与城乡建设部. 建筑桩基技术规范 (JGJ ) [ S]. 北京 : 中国建筑工业出版社, (Ministry of Housing and Urban rural Devel opment of the People S Republic of China. Technical code for building pile foundations( JGJ ) [ S]. Beijing: China Architecture & Building Press, [5] 宋仁乾, 张忠苗. 软土地基中嵌岩桩嵌岩深度的研究 [J]. 岩土力学, 2003,24(6): (Song Ren qian, Zhang Zhongmiao. Study on socket length of rock socketed piles in soft soil ground [J]. Rock and Soil Me chanics, 2003,24(6): [6] 黄求顺. 嵌岩桩承载力的试验研究 [ A] / / 中国建筑学会地基基础学术委员会论文集 [ C]. 太原 : 山西高校联合出版社,1992: ( Huang Qiushun. Experi mental study on bearing capacity of the rock embedded pile[ A] / / The symposium proceedings of Chinese foun dation academic committee [ C]. Taiyuan: Shanxi Uni versity Press, 1992: ( in Chinese)) ( 下转第 305 页 )

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