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我国在近20多年的国民经济高速增长,基本建设的投资规模在不断扩火,而建设场地的地质条件和环境条件却日趋复杂,因而使得桩基础的应用,研究达到了前所未有的程度。据估计我国的用桩数量已经达到每年4000~5000 万根之多,堪称世界之最。
桩基础在深圳地区高层建筑得到广泛应用。深圳地貌中台地和丘陵大约占70%以上,下面都埋有相当深度的风化岩层,而在这样一个地质构造中基岩埋藏深、强风化带分布广的区域如何更好、更经济地应用好桩基础这种结构形式,充分挖掘地基承载力的潜力,一直以来成为基础工程和岩体工程中需要研究的热点问题之一。
应当说,以强风化层为持力层的大直径扩底灌注桩是本地区桩基础发展的新形式,深圳地区已在近百项工程中应用。以往,对于此种类型的桩基的理论研究还比较少,至今没有一套切实可行的规范,问题的焦点在于,对于这类似土似岩的特殊的花岗石,工程中应当如何客观地评价,包括其实际的强度和压缩等力学性状,其受力特征属于嵌岩桩或者属于非嵌岩桩,工程中如何设计取值等等。另一方面,大直径桩如何预测其承载力一直是工程界的重要研究课题,尤其对于坐落于强风化土层中的大直径桩。
单桩承载力特征值的是工程设计中最首要的研究课题。目前主要存在的两种承载力判别标准—强度控制和变形控制。设计中应当充分掌握大直径桩特有的受力规律,在承载力计算中如何合理取值才能控制沉降保证安全,也是急需解决的研究课题。
本文结合深圳福田地区强风化持力层条件下的大直径钻孔扩底灌注桩承载力研究课题,对三根试桩进行了现场足尺静载荷试验。通过埋设在每根试桩不同断面上的钢筋应力计和埋设在桩底的七压力盒采集到反映桩身轴力及桩端压力的相关数据,并通过对试验数据的处理分析,研究了强风化条件下大直径扩底桩在加载过程中桩身轴力的分布特性、桩侧摩阻力及桩端阻力的发挥性状、沉降变形特性;利用有限元模型分析了大直径扩底桩在各种因素影响下的受力性状。探讨了深层平板试验在确定大直径扩底桩承载力和变形计算方面的应用,推导了以深层平板试验数据确定桩基础承载力的公式,可供类似工程借鉴。
通过对三根分别坐落于强风化岩上部、中部、下部的大直径桩的静载试验研究,分析了侧阻力、端阻力的变化规律,侧阻力先期得到充分发挥,大约占桩基础总承载力的占209a~25%,而后期的桩顼荷载增加主要由端阻力承担。试验显示扩大头部位的拉应力区的出现,变截面处以上1·D范围内侧阻力发生退化。大直径桩的Q~S呈现缓变形特点,其破坏形式主要为桩底竖向压缩变形,采用逆斜率法可以推导其极限承载力。
研究显示,不同的持力层表现不同的受力性状,强风化底层土的承载力较高,可以达到较高的荷载传递率。桩底压力盒的数据显示中间的端阻力在加载初期较小,随着加载过程逐渐增大并超过周边区域的端阻力。桩底变形结果显示:强风化岩属于中低压缩性土,承载力较高,是桩基础的优良持力层。而扩径比的增加,有利于调动持力层的端阻力,减少变形。试验发现,深圳地区的端阻力特征值和变形模量经验值偏大,设计中应当合理取值。支承于强风化岩层的扩底桩与支承于新鲜岩层中的嵌岩桩具有不同的承载力规律,前者的”嵌岩段”的侧阻力因为拉应力区的存在出现退化甚至丧失,而桩身上部的侧阻力得到充分发挥;后者的“嵌岩段”的侧阻力先期发扦,而桩身上部侧阻力往往发挥不充分,造成此差异的原因是持力层不同的刚性特征。在工程中应当对这两种桩型区别对待,不可以套用”嵌岩桩”规范中以”入岩深度”控制,而应该以”入岩部位”控制,深圳钻扩桩规范(报审稿)已经体现此特点。本文还采用逆斜率法推导了本次试验的极限承载力,证明扩底桩还存在巨大的承载力潜力。本文提出按照S/D=0.01 来确定承载力特征值的方法,既能保证安全性,又可以发挥了大直径桩的潜力。
本文利用数值模拟方法分析了大直径扩底桩的受力过程,证明了当持力层的变形模量E<,b>越高,沉降变形越小;地层模量比E<,b>/E<,s>增大有利于持力层端阻力的发挥。本文还研究了不同的扩径比对承载力的影响,表明扩径比的增大可以调动桩底持力层的承载力,提高荷载传递率,建议在可能的情况下增大扩底面积以提高承载力水平。
针对大直径桩的工程应用,本文提出了按照差异沉降设计桩基础的思路,这样可以充分发挥持力层的承载力潜力,同时可满足上部结构的要求。目前对大直径桩沉降还没有可靠的计算方法,本文利用深层荷载试验的双曲线变形规律推导了相应的公式,利用该公式可以直接通过深层荷载试验数据来计算在任意荷载作用下的沉降值,此方法值得推广使用。
本文举例分析了深层荷载试验在深圳桩基础中的应用。一般认为深层荷载试验如果以相对沉降(S/D)计算其承载力特征值就不存在尺寸效应问题,本文经过数值模拟和研究,证明此尺寸效应还是存在的,当桩径在200mm~400mm左右时尺寸效应比较显著,小直径载荷板试验得到的端阻力特征值偏大,本文认为应采用 800mm 直径进行模拟试验。本文最后对学科的研究作了展望。