大直徑深長摩擦樁承載特性研究

【摘要】伴隨著橋梁技術的提高，橋梁的跨徑越來越大，大跨徑橋梁不斷涌現。隨之增多的便是大直徑深長摩擦樁的運用，然后現行對這類樁的特性研究還相對較缺乏。通過現場試驗的方法與有限元模擬方法的結合，可以很好的研究大直徑深長摩擦樁的承載特性。

【關鍵詞】摩擦樁；承載特性；橋梁基礎

科技的不斷進步，橋梁的不斷發展，促使樁基在橋梁工程越來越重要。伴隨著大跨徑以及跨海大橋的興建，大直徑深長摩擦樁的運用越來越廣。對于這類樁基的承載力是否滿足現代橋梁技術與安全上的需求，仍然沒有成熟的研究成果，因此其樁基理論仍需采用更先進的方法進行研究完善。

1.研究背景

隨著科學技術的不斷進步，人們修建的橋梁工程的跨度越來越大，有些地區甚至在河寬為成百上千的河流上修建橋梁，修建越來越多的橋梁是城市發展的需要，俗話說要發展先修路，但是，對于周圍環水的城市來說就只能夠修建橋梁，而現在每秒鐘通過橋梁的車輛和車輛裝載的人以及貨物的重量都是以噸來計算的，因此，對橋梁的承重能力提出了巨大的考驗，如果橋梁修成后由于承重力弱而坍塌，那么損失將會是非常巨大的。在土木工程應用中，摩擦樁是軟土地基基礎設計中比較常見的形式，它的承載能力是工程設計所關心的重點。近年來大直徑超長樁由于其承載能力較高，在許多工程項目中得到了廣泛地應用。

但是，到目前為止，人們對于這類樁基礎的荷載傳遞機理的理解還并未完善，仍舊只是采用適用于普通樁長的規范推薦算法來指導設計。經研究發現，樁側阻力與樁側摩阻力并非同時發揮作用，尤其是超長樁，往往是樁上部土體已經屈服了，而較深處的樁側摩阻力還尚未發揮作用。因此用規范推薦算法進行超長樁的承載能力計算并不合適，人們仍需有必要研究摩擦樁的荷載傳遞機理，在充分利用樁土之間相互作用的原則下，保證樁基設計的安全性。對大直徑深長摩擦樁的承載特性做進一步的研究，并對大直徑深長摩擦樁的承載特性試驗的結果做進一步的研究與分析。

2.樁基承載特性研究

2.1有限元模擬分析

大直徑深長摩擦樁受力性狀受長徑比、樁土剛度比、施工工藝等多種因素的影響，理論研究尚不成熟。而依靠現場靜載試驗及室內模型試驗難以全面客觀的反映問題并揭示其規律，例如室內模型試驗手段，往往受場地和試驗設備的限制而只能做小比例模型試驗，不能完全表征邊界條件、樁土材料特性等原型的一切特征，很難完全反映實際結構情況，研究某一參數對結構性能的影響，則需要做多個類似的構件，重復進行試驗，其工程量相當大，對樁基承載特性的研究有一定的局限性。

2.2 模型建立與計算

采用有限元方法可對圓柱形摩擦樁在均質軟土中的受力和變形性能進行研究，通過對單樁在各種樁長下的設計承載力和極限承載力特性分析，分析摩擦樁在一定地質條件下的受力特性。不僅要分析各種土質下各種樁長的受力特性，還要計算各種土質對樁基礎承載能力的影響，此外為了進一步了解樁徑變化對單樁的承載能力的影響，還要分析摩擦樁在各種樁徑下的承載能力，以期研究改變樁徑對摩擦樁承載能力的影響。這樣，根據樁基礎周圍土體的土質條件，將樁長合理設計在合理樁長附近，則可以有效地利用樁基礎的承載能力。

運用有限元法需要建立計算模型，計算模型包括幾何模型和材料模型，模型選用得當與否，將直接影響到計算結果的精度及對實際真實受力情況的反映程度。樁基礎的工作機理及承載特性實際上是樁與土共同作用的反映。樁的工作空間是一個半空間無限體，它與其四周和底部的土都發生作用。因此要合理"準確地分析樁與土共同作用時表現出的力學性狀，采用三維空間模型是最合理的。結合樁基礎結構受力的特點和有限元計算對計算工具的要求，模型中樁周土確定樁徑范圍，確定樁底土厚度，建立幾何模型。模型均可選用20節點四面體等參實體單元。為較好地模擬樁與地基土的相互作用，應盡可能加密樁及其與土體接觸區域的離散網格，在滿足計算精度和計算資源的前提下，從近到遠，由密到疏進行劃分。模型加載過程一般分兩步，首先對樁土模型施加重力荷載產生的初始應力場，獲得地應力平衡。第二步對樁頂逐步施加豎向靜荷載，為了研究樁基礎在隨荷載增大下的承載能力特性，根據工程經驗和試算，為不同樁長設置不同的樁頂試樁力，從而計算出各樁隨荷載從零逐步增加到樁頂試樁力過程中的荷載-沉降曲線。有限元數值計算結果精度主要取決于本構模型的合理性和計算參數的準確性。因此可對橋梁樁基采用彈性模型進行分析，對地基土采用理想彈塑性的線性Mohr-Coulomb屈服準則模型進行分析。通過變換現場試驗試樁的樁長及樁徑，分析不同樁長及樁徑下樁的承載特性，對現場試驗樁基進行有限元仿真計算，獲得樁的P-S曲線并與靜載試驗P-S曲線進行對比分析

3.對樁基承載力影響的因素的總結

在研究樁長對摩擦樁承載力影響時，首先應該保證在每一次試驗中摩擦樁的樁徑保持不變，然后確定一個樁徑，在試驗中不斷地改變摩擦樁的樁長，得出一系列的實驗數據，再改變一個摩擦樁的樁徑，不斷地重復試驗，然后將得出的實驗數據繪制成折線圖，方便觀察研究。當摩擦樁的樁徑不變時，隨著樁長的不斷地增加，摩擦樁的最大承載力也在逐漸地提高，但是，這并不意味著當摩擦樁的樁長無限增加時，摩擦樁的承載力也不斷的增大，摩擦樁的樁長與承載力的關系符合數學中正切函數的關系曲線，當樁長從零逐漸增大時，摩擦樁的承載力能夠得到較大幅度的增加，但是當摩擦樁的樁長超過一定數值后，摩擦樁的承載力將不會有大幅度的提升，而是緩慢地逐漸趨近最大承載力，因此，在修建橋梁選擇摩擦樁的長度時，應該合理設計摩擦樁的樁長，選擇最適合的摩擦樁的長度對增加橋梁的最大承載力有重大的意義。保證樁長的一定，然后不斷地改變樁徑的大小，改變一個樁徑的數值就進行一次樁徑試驗，得出一個樁的承載力與沉降量的關系，如此重復多次，就能夠得出不同樁徑對樁的承載力的影響。

一般來說實驗樁的直徑越大，樁所能夠承載的重量越大，也就是樁的承載力越大。樁的摩擦力主要分為樁側摩擦力和樁端摩擦力兩部分，當摩擦樁受到壓力后，壓力會自動分為這兩部分，幫助摩擦樁減少壓力，但是實踐證明，當樁長一定時，不同的樁徑的樁側摩擦力和樁端摩擦力的分配也不一樣，根據試驗可以得出在同一樁長之下，隨著樁徑的增大，樁側摩阻力分擔的荷載比逐漸減小，樁端阻力分擔的荷載比逐漸增大，這說明大直徑深長摩擦樁隨著樁徑的增大，傳遞到樁端的荷載逐漸增大，樁端阻力分擔荷載比逐漸增大，但其分擔的荷載比遠小于樁側摩阻力分擔荷載比，以樁側摩阻力發揮為主。直徑深長摩擦樁對增加橋梁的承載力有很大的作用，但是這并不代表只要在橋梁工程施工中使用大直徑深長摩擦樁就能夠保證橋梁承受多大的壓力都不會毀壞，因為在橋梁工程施工中，使用高新技術和材料只是對橋梁工程施工質量的一種錦上添花，真正能夠保證橋梁工程施工質量的是施工單位在施工時的認真程度和所使用的材料的質量，只有各方面條件都得到保證才能夠使橋梁工程的承載力大大增加。

結語

總之，對于大直徑深長摩擦樁的研究仍然沒有較為成熟的理論體系，隨著科技的不斷進步，對于有限元法的運用，對于這類樁基的承載特性的研究將會更加成熟。在未來的大跨度橋梁樁基中，對于這類樁基的運用將會更安全、更實用。

參考文獻：

[1] 馮忠居.橋梁樁基新技術——大直徑鉆埋預應力混凝土空心樁[D].北京：人民交通出版社.2005.

[2] 印長俊.大直徑嵌巖樁殘余應變狀態分析[J].巖土力學.2008，29（11）.