超长钻孔灌注桩桩基承载性能的研究Word文件下载.docx
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2.1.2现场荷载试验研究
项目组在浙江、广东、山东等地结合多座大桥和特大桥梁依托推广工程中进行了13根锚桩－反力梁法试桩和7根自锚桩法试桩试验。
其中，锚桩法试桩加载吨位超过30000kN的共有9组试桩，最大加载吨位达40000kN，创下国内外锚桩－反力梁法试桩加载吨位之最。
锚桩法及自锚桩法试验情况汇总于表2.1.2-1、表2.1.2-2。
图2.1.2-1～2.1.1-5为部分试桩现场照片及数据分析曲线。
锚桩法静荷载试验情况汇总表表2.1.2-1
序号
工程名称
试桩数量
（根）
试桩桩长
（m）
试桩桩径
（cm）
计算承载力
（kN）
最大加载力
1
杭州钱塘
江四桥
2
63.32
φ120
22000
33000
69.32
25000
35000
江五桥
69.96
46.83
15000
20500
3
江六桥
77.29
32500
80.64
24000
36000
4
汕头市梅溪河金凤
大桥—西港高架桥
80.30
φ100
13000
42.50
7800
12000
5
湛江海湾大桥
60.32
20000
67.82
3000
6
青岛海湾大桥
49.00
38000
52.00
37000
40000
36.50
自锚桩法静荷载试验情况汇总表表2.1.2-2
预计加载力
（双荷载箱）
73.5
上2*8500
上2*9350
下2*8500
下2*7650
东营黄河公路大桥
（单荷载箱）
121
2*15000
2*16500
78
2*8000
2*8800
2*6610
杭州湾跨海大桥
（一个单荷载箱，
一个双荷载箱）
85
φ250
2*33750
2*36850
125
φ280
上2*29000
下2*13000
陕西太枣沟特大桥
89
2*13000
2*5000
图2.1.2-1钱塘江四桥桥试桩工程
图2.1.12-2湛江海湾桥试桩工程图2.1.2-3青岛湾桥试桩工程
图2.1.2-4试桩实测P-S曲线
图2.1.2-5试桩实测桩身轴力图
2.2超长钻孔灌注桩单桩承载力的理论研究
2.2.1超长桩单桩荷载传递基本特点
荷载传递是超长桩工作特性的重要内容。
包括：
荷载的分配，传递方式，地基土、桩身及桩端土共同承担外荷载的相互关系，发挥过程和分布规律。
具有以下特点：
1超长桩具有和普通桩前两阶段相似的特性，即荷载-沉降曲线为缓变型，没有明显的破坏特征；
2桩顶限制沉降较小时桩侧阻力发挥并不充分；
3超长钻孔桩承载力由沉降控制。
在杭州钱塘江四桥、五桥、六桥，湛江海湾大桥，东营黄河大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等工程项目的超长钻孔灌注桩荷载试验均得到验证。
2.2.2桩身荷载传递的刚度法函数解
课题研究以超长桩荷载传递机理为核心，以我国正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大桥为依托，在大量的现场试桩资料统计、分析基础上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特征分析，建立了基于桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数的超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度计算法，使超长钻孔灌注桩的计算设计更加贴合实际。
2.2.2.1桩土传递的函数模型建立
（1）超长钻孔灌注桩轴向荷载作用下的传递函数模型及解答
桩侧阻力－桩土相对位移的函数模型
图2.2.2-1桩土体系荷载传递
在桩身任意深度处取一微分桩段图2.2.2-1，由平衡条件可得桩土体系荷载传递的基本微分方程：
（2.2.2-1）
其求解取决于桩侧及桩端荷载传递函数的形式。
桩侧土荷载传递函数模型
通过大量的室内、室外试验可知，双曲线型传递函数能较好的对桩土进行拟合，且拟合方法简单、精度高，并可用相关系数来评价曲线的拟合效果，如图2.2.2-2所示。
图2.2.2-2双曲线函数模型
双曲线型荷载传递函数表达式为：
（2.2.2-2）
桩端土的荷载传递函数模型
超长钻孔灌注桩桩端土的力学模型即可采用双曲线函数，也可简化为双折线函数近似模拟其荷载传递性能。
桩端土承载力双曲线型表达式：
（2.2.2-3）
桩端承载力双折线型表达式：
（2.2.2-4）
桩身荷载传递的刚度法函数解
基于双曲线函数模型的荷载传递刚度法函数解是本研究课题提出的超长钻孔灌注桩单桩承载力新计算体系，它使超长钻孔灌注桩的设计、计算更加精细化，计算更符合实际情况。
图2.2.2-3桩土计算模型图2.2.2-4桩土简化计算模型
图2.2.2-3和2.2.2-4分别为桩土计算模型、简化计算模型，若采用矩阵刚度法进行桩基结构计算，其基本方程为：
（2.2.2-5）
超长钻孔灌注桩桩顶受到一个桩顶力，得到沉降量为：
为桩土总刚度（2.2.2-6）
在桩顶荷载作用下，第n段桩第i分段的桩侧摩阻力可按双曲线函数表示为：
（2.2.2-7）
桩端反力可表示为：
（2.2.2-8）
若为桩侧的桩土位移，设为桩侧的桩土剪切刚度，则桩侧摩阻力及桩端反力可表示为：
（2.2.2-9）
第i分段的弹性压缩量：
（2.2.2-10）
各段桩桩身压缩量与桩土间相对位移有如下关系：
（2.2.2-11）
经推导可得：
（2.2.2-12）
或
（2.2.2-13）
P——单桩桩顶轴向受力（kN）
——第段桩对应的桩侧摩阻力（kPa）；
——桩端土承载力（kPa）；
u——桩的周长（m）；
A——桩底截面面积（m2）；
n——钻孔桩总段数；
——各土层的厚度（m）；
——桩土总刚度（kN/mm）；
——第段桩桩与土的剪切刚度（kN/mm）；
——第段桩桩身竖向弹性刚度（kN/mm）；
K0——桩端处土的弹性抗压刚度系数（kPa/mm）。
通过引入的桩土刚度各参数及桩身荷载传递的刚度法函数解可对超长钻孔灌注桩的界定长度及有效桩长进行判定、分析。
2.2.2.2桩土传递的函数模型拟合分析
通过对大量桩土位移室外现场原位试验及室内模型试验数据进行分析，表明双曲线函数能够较好的拟合侧摩阻力与桩土位移之间的关系，且拟合方法简单，参数少，拟合精度高（见图2.2.2-5～2.2.2-8）。
室内各类土试验及模型桩试验数据拟合相关系数均在0.99以上，试桩实测各土层的拟合相关系数大于0.8的为98%以上。
图2.2.2-5室内试验各类土与土拟合曲线图
图2.2.2-6模型桩桩土拟合曲线
图2.2.2-7原型试桩桩侧摩阻力与桩土相对位移拟合曲线图
图2.2.2-8原型试桩桩端土曲线图
③桩基的P－S曲线拟合
利用各原型试桩得到的桩侧桩端荷载传递函数后，对桩顶实测P～S曲线进行拟合，图2.2.2-9和图2.2.2-10为部分原位超长桩试桩拟合结果，从图中可以看出用双曲线传递函数能较好的对桩顶P～S曲线进行拟合，误差较小。
2号试桩
3号试桩
图2.2.2-9钱江四桥实测与计算曲线
1号试桩
图2.2.2-10钱江五桥实测与计算曲线
2.2.2.3不同参数对超长桩承载性能的影响
项目组主要分析桩侧土剪切模量、桩身混凝土模量、长径比、桩长和桩径等对超长钻孔灌注桩荷载传递性状影响因素。
图2.2.2-11～2.2.2-15为部分不同参数下计算曲线。
各参数对桩基承载性状有不同程度的影响，设计时应选择合适的长径比，在尽量减少工程量的同时，达到设计要求的承载能力和桩顶容许位移的要求。
图2.2.2-11桩侧土不同剪切模量下曲线图2.2.2-12不同长径比单桩荷载P～S曲线
图2.2.2-13不同桩长单桩荷载P～S曲线图2.2.2-14不同桩径单桩荷载P～S曲线
图2.2.2-15不同桩身弹模单桩P～S曲线
2.2.2.4超长桩有限元分析计算
本研究借助大型通用有限元软件ANSYS对钻孔灌注桩进行三维空间仿真分析，通过计算实例分别分析了桩长、桩径、土体粘聚力值、桩侧土体刚度、桩端土体刚度对桩基承载性能的影响程度。
图2.2.2-16计算模型示例图片
图2.2.2-17不同桩长桩基Q-S曲线图2.2.2-18不同桩径桩基Q-S曲线
图2.2.2-19不同C值桩基Q-S曲线图2.2.2-20桩侧土不同剪切刚度桩基Q-S曲线
L=60m
L=20m
图2.2.2-21不同桩端土刚度桩基Q-S曲线
2.2.2.5超长桩的界定及定义
超长钻孔桩是由普通桩通过逐渐增加桩长而形成。
在已定的桩径下，普通桩在桩顶荷载作用下，桩侧及桩端抗力将达到极限状态。
增加桩长度，桩顶可承受荷载逐渐增大，桩土刚度呈直线增加；
当桩长增加到一定数值时，桩顶可承受荷载增大速率逐渐减小，桩土刚度的增幅逐渐平缓形成拐点。
此时，如继续增加桩长，则桩土刚度不再增大，基本保持在一个定值。
a）桩顶沉降
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