嵌岩桩承载变形特性的数值分析

嵌岩桩的单桩极限承载力高,现场试桩试验加载至极限状态代价和难度均较大,试验取得的数据较难全面反映嵌岩桩的承载变形特性。基于武汉绿地中心嵌岩桩试桩试验成果,采用ABAQUS有限元软件建立桩-土-岩共同作用模型,分析了基岩岩性、嵌岩深径比以及上覆土层厚度等对嵌岩桩承载变形特性的影响。数值计算表明,基于合理的本构模型、合理地参数取值,采用有限元方法对嵌岩桩试桩试验开展模拟分析,可以取得较为合理的拟合结果。基岩岩性、嵌岩深径比、上覆土层厚度对嵌岩桩的承载变形特性均有较大的影响。基岩岩性和嵌岩深度对上覆土层段侧摩阻力的发挥影响不大。嵌岩段的承载力是嵌岩桩总承载力的主要组成部分,但对穿越深厚上覆土层的嵌岩桩,上覆土层段桩侧摩阻力是嵌岩桩总承载力的重要组成部分,不应忽视。     

基于H-B准则的公路桥梁桩基嵌岩深度计算

基于Hoek-Brown强度准则,推导了在微小转动下嵌岩段桩侧法向应力及水平摩阻力计算模型,采用静力平衡原理建立了水平荷载作用下公路桥梁桩基嵌岩深度的计算公式,提出了嵌岩深度计算的新方法。参数敏感性及影响因素分析表明： （1）水平荷载引起的力矩 、桩径d、岩层上覆压力 、岩石单轴抗压强度 、岩体类别参数 、岩体地质力学分类指标RMR均对嵌岩深度有一定影响,在 、d不变的情况下,岩体质量和岩石单轴抗压强度对嵌岩深度的确定最为敏感; （2）岩体质量越差,所需嵌岩深度越大;岩体质量越好,岩层上覆压力对嵌岩深度影响越小,反之越大。（3）嵌岩深度随岩石单轴抗压强度的提高呈非线性缓慢地减小,在相同的单轴抗压强度下,岩体质量越好,嵌岩深度越小,反之越大。     

桩底沉渣对嵌岩钻孔灌注桩承载性状影响研究

结合某嵌岩灌注桩工程,采用弹塑性有限元方法模拟桩底有沉渣条件下,桩底沉渣对桩的承载性状影响,分析有桩底沉渣情况下荷载-沉降曲线、桩身轴力和侧摩阻力、桩端阻力和总侧阻力的变化情况,有限元模拟荷载-沉降曲线与实测曲线相符,由于桩底沉渣的存在,大大降低了桩端阻力,从而降低桩的极限承载力,增大了桩顶沉降。     

不同围岩强度下大直径嵌岩钻孔灌注桩 承载力尺寸效应的数值模拟

利用数值模拟的方法,通过模拟20种不同工况得到不同岩体和不同直径的大直径嵌岩钻孔灌注桩的桩侧和桩端阻力尺寸效应系数,分析开挖引起的天兴洲大桥直径达3.4 m嵌岩钻孔灌注桩极限承载力尺寸效应问题。结果表明,（1）围岩强度越小,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时,围岩在开挖过程中破坏明显,尺寸效应显著;当围岩强度大于10 MPa 时,围岩破坏不明显,尺寸效应明显减弱;（2）相同围岩强度下,桩径越大,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小,相比桩侧阻力,桩端阻力尺寸效应更明显,尺寸效应系数略小。（3）极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系。     

考虑基桩嵌岩段侧阻的岩溶区顶板安全厚度计算

为考虑岩溶区基桩嵌岩段侧阻力的影响,提出了一组确定岩溶区桩端顶板安全厚度的计算方法。考虑顶板的整体承载效应,结合弹性力学及第一强度理论,得到了顶板抗弯安全厚度计算式;考虑嵌岩段桩侧摩阻力对桩顶荷载的分担作用,结合格里菲斯判据及摩尔判据,获得了顶板抗冲切和剪切的安全厚度计算公式,进而运用ABAQUS建立了岩溶顶板与基桩整体分析计算模型,有限元计算结果与理论计算值吻合良好。结合工程实例重点分析了顶板厚跨比对抗弯安全厚度的影响,顶板岩层厚度对抗冲切、剪切安全厚度的影响以及嵌岩段侧摩阻力系数?对顶板安全厚度计算的影响。     

竖向高荷载作用下大直径超长钻孔灌注桩承载性能试验

通过机场—西华高速大直径超长钻孔灌注桩大吨位竖向单桩静载试验,分析了该地区大直径超长钻孔灌注桩的承载性状以及荷载传递机理。试验结果表明:试桩的Q-S曲线呈缓变型,桩端承载力占总荷载的比例均<10%,即均表现为摩擦桩特性;试桩的侧摩阻力自上而下逐步发挥,侧摩阻力和桩端阻力异步发挥且互相耦合;大直径超长钻孔灌注桩桩侧摩阻力的发挥与土层性质、土层埋深及桩顶荷载水平有关;在高荷载作用下桩侧上部土层摩阻力具有不同程度的软化现象,而中下部土层侧摩阻力具有不同程度的强化现象,甚至即使在最大加载情况下,桩身下部土层的侧摩阻力也并未完全发挥,因此在根据规范计算超长桩承载力时,不同深度土层的侧摩阻力应乘以相应不同的修正系数。     

泥岩持力层中嵌岩桩的试验与优化设计

通过对泥岩持力层中嵌岩桩进行桩端岩基试验 ,对埋设滑动测微管的人工挖孔嵌岩桩进行静载试验研究 ,分析了桩侧阻力和桩端阻力在荷载作用下的分布状态。结合工程经验 ,给出泥岩中嵌岩段的摩阻力极限值简化计算公式 ,并根据试验结果对泥岩持力层中嵌岩桩进行了优化设计。     

基于自平衡试桩法大直径嵌岩桩尺寸效应分析

基于自平衡测试技术,通过现场的原位测试方法,对大直径嵌岩桩的尺寸效应进行了研究,内容包括桩径尺寸和嵌岩深度变化以及桩端阻力尺寸效应的影响分析等。从测试结果来看,嵌岩桩也存在一定程度的尺寸效应现象。当其他条件一定时,随着桩径的增大,桩侧阻力存在着减小现象;在同一种岩层的情况下,随着嵌岩深度的增大,桩侧阻力发挥也并不相同,嵌岩深度越大,桩侧阻力发挥也越小。实测结果表明,桩周岩石的特性变化对桩侧阻力影响最大,岩石抗压强度越高,桩侧阻力也越大。此外,桩径的变化对桩端阻力的影响更为明显。因此,在大直径嵌岩桩的设计中应注意尺寸效应对桩基承载力的影响。     

竖向荷载作用下斜桩荷载传递性状试验研究

通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中斜桩的荷载传递性状,分析了桩身倾角及长径比对斜桩桩身轴力、弯矩、剪力、桩侧摩阻力及端阻比的影响。试验结果表明：在桩顶竖向荷载作用下,斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力,桩身倾角越大,轴力沿深度衰减得越快,桩长径比越大,轴力沿深度衰减得也越快;斜桩桩身最大弯矩随桩身倾角及长径比的增加而增加,最大弯矩出现的深度与桩身倾角无关,只与长径比相关;不论桩身倾角及长径比的大小,斜桩桩身最大剪力均出现在桩顶截面处,桩身最大剪力随着桩身倾角的增加而增大;桩身倾角越大,斜桩最大摩阻力越大,长径比越大,斜桩最大摩阻力越小,斜桩最大摩阻力出现在桩顶下1/4～1/5桩长处;斜桩端阻比随着桩顶竖向荷载的增加而增大,随着桩身倾角及长径比的增加而减小。     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

软岩嵌岩桩嵌岩段的侧阻力研究

软岩嵌岩桩作为一种基础形式，目前国内研究较少。文章探讨了国内外对本课题的一些研究，分析了侧阻力的激发机理，详尽地阐述了嵌岩段侧阻力的影响因素，并且讨论了侧阻力的计算公式，分析表明岩石的强度、桩岩界面的粗糙情况、岩石的模量、岩石的初始应力等都对侧阻力有影响。研究表明，嵌岩段侧阻力受桩表面的法向刚度所控制，嵌岩段的单位极限侧阻力受嵌岩比的影响不大，规范上的公式不完全适合软岩嵌岩桩。     

The effect of sidewall roughness on the shaft resistance of rock-socketed piles

Piles socketed into rock are increasingly used to support loads from large-span bridges and heavy buildings. Peak side resistance is typically related to unconfined compressive strength, sidewall roughness and rock mass quality. This paper presents the results of tests on piles socketed in a weak, artificial rock made of sand, cement, gypsum powder and water. The test results are compared with methods of estimation in which the roughness of the pile–rock interface is modeled explicitly by assuming sinusoidal undulations along the interface. The testing program includes 10 model piles. Some of these piles have nonzero base resistance; others are unsupported at the base. The results indicate that both the degree of roughness of the socket sidewall and the base stiffness are of major importance to the load response of rock-socketed piles. The ultimate unit side resistance was observed to increase substantially with both increasing sidewall roughness and increasing base stiffness, but there is an upper limit to socket roughness beyond which very little increase in side resistance can be obtained. Most of the available correlations used to predict the ultimate side resistance of rock-socketed piles produced conservative estimates for the test piles in this study.     

Load–settlement behavior of rock-socketed drilled shafts using Osterberg-Cell tests

Osterberg-Cell (O-Cell) tests are widely used to predict the load–settlement behavior of large-diameter drilled shafts socketed in rock. The loading direction of O-Cell tests for shaft resistance is opposite to that of conventional downward load tests, meaning that the equivalent top load–settlement curve determined by the summation of the mobilized shaft resistance and end bearing at the same deflection neglects the pile-toe settlement caused by the load transmitted along the pile shaft. The emphasis is on quantifying the effect of coupled shaft resistance, which is closely related to the ratios of pile diameter to soil modulus (D/E_s) and total shaft resistance to total applied load (R_s/Q) in rock-socketed drilled shafts, using the coupled load-transfer method. The proposed analytical method, which takes into account the effect of coupled shaft resistance, was developed using a modified Mindlin’s point load solution. Through comparisons with field case studies, it was found that the proposed method reasonably estimated the load-transfer behavior of piles and coupling effects due to the transfer of shaft shear loading. These results represent a significant improvement in the prediction of load–settlement behaviors of drilled shafts subjected to bi-directional loading from the O-Cell test.     

秦巴山区软岩地基桥桩承载性状试验研究

为了研究软岩地基桥桩的荷载传递性状、破坏机理,并获取在该地质条件下更为可靠的桩基计算参数,对秦巴山区软岩地基3根钻孔灌注试桩进行竖向静载试验。结果表明：秦巴山区软岩地基桥桩试桩荷载沉降曲线呈陡降型,实测竖向极限承载力为20 500kN,桩的破坏方式为桩身材料强度破坏;淤泥质亚黏土地层中的碎石起到一定的骨架作用,增强了此地层桩极限侧阻力,发挥极限侧阻力所需的桩土（岩）相对位移为4～8mm;强风化砾岩表现为加工软化型,发挥极限侧阻力所需的桩土（岩）相对位移为3～8mm;中风化砂砾岩表现为明显的加工硬化型,所需的桩岩相对位移大,且桩极限侧阻力的特征点不明显;淤泥质亚黏土地层桩侧阻力占总荷载的60%～70%,随着桩顶荷载的逐步加大,该地层桩侧阻力所占比例不断下降,而嵌岩段桩侧阻力所占比例逐渐上升,达到55%～65%,嵌岩段桩侧阻力沿桩深的分布曲线表现出非线性的特征;试桩为端承摩擦桩,桩端阻力约占桩顶荷载的20%左右,且未充分发挥,在上部结构允许的沉降范围内,适当增加桩端的沉降有利于端阻力的发挥;桩侧阻力先于端阻力发挥,建议单桩承载力设计时分别采用不同的端阻力和侧阻力安全系数。     

串珠状溶洞地层中桩基荷载传递特征的数值计算

桩基下穿串珠状溶洞时的承载性状极其复杂,分析桩基荷载传递与溶洞稳定性的耦合响应特征具有重要意义。建立地质模型上述问题进行数值计算,主要得到以下结论:受桩侧荷载传递作用,顶板厚度与溶洞跨度之比小于某一数值时岩层将产生冲切破坏,比例相对较大时剪应力将集中分布并发生冲剪破坏;溶洞的存在使桩侧阻力分布存在多个极值点,其数量与上覆岩层厚度、溶洞数量及底板岩层厚度等相关;溶洞顶板临空面处侧阻力存在迅速衰减段,其范围受卸荷岩层厚度及岩层竖向位移影响较大,当外荷载增大到一定数值以后该区域侧阻力变化较小;中夹岩层处侧阻力极大值位于岩层中部,且随层厚的增大而减小,厚度较小时侧阻力呈等腰三角形对称分布,厚度较大时呈阶梯型分布,厚度越大阶梯跨度越大,分布越均匀;中夹岩层侧阻力分布受桩长变化影响较小,但下部底板侧阻力分布受桩长及外荷载影响较大;中夹岩层的荷载-位移曲线（Q-S'）呈抛物线型变化,存在明显的屈服拐点,层厚越大竖向位移越小,相同外荷载作用下桩越长其位移越大;桩径越大,Q-S'曲线拐点对应外荷载越大,对应中夹岩层位移越大,但桩径超过某一值后影响程度逐渐变小。     

Centrifuge model testing on super-long rock-socketed bored piles under vertical loading

There are no appropriate theories and methods of computation yet which could quantitatively analyze the stress and strain of super-long rock-socketed bored piles and simulate the full process of pile deformation. The bearing behavior and settlement characteristics are complicated because of the construction techniques, characteristics of overlying deposit soil and rock, pile material, geometrical configuration and load in particular. In this paper, the authors introduce the case of the Tianxingzhou Bridge pile foundation, analyzed through the Centrifuge Model Test (CMT). The results indicate that, for large-diameter rock-socketed bored piles, sufficient pile–soil displacement is essential for the effect of pile lateral friction in overlying soil layers. It is also shown that the load is borne by pile lateral friction and end resistance, and that the load transfer behavior of the rock-socketed pile group foundation has similar characteristics to large-diameter rock-socketed single pile.     

基于剪胀理论的嵌岩桩嵌岩段荷载传递法分析

结合桩岩作用的剪滑扩张规律,建立了适于弱质岩石嵌岩桩嵌岩段的荷载传递函数及相应的解析解。从理论上较好解释了桩端阻力随嵌岩比H/D的变化关系,分析了桩侧岩壁性质、桩端岩性等因素对单桩沉降与桩端阻力的影响,并提出了有关的设计建议。