超長樁單樁荷載傳遞剛度法函數解分析

2014-03-20 07:21:36尚峰利

交通運輸研究 2014年10期

尚峰利

（河北路橋集團有限公司，河北石家莊 050011）

荷載傳遞是超長樁工作特性的重要內容，包括：荷載的分配，傳遞方式，地基土、樁身及樁端土共同承擔外荷載的相互關系，發揮過程和分布規律。具有以下特點：超長樁具有和普通樁前兩階段相似的特性，即荷載—沉降曲線為緩變型，沒有明顯的破壞特征；樁頂限制沉降較小時樁側阻力發揮并不充分；超長鉆孔樁承載力由沉降控制。上述特點在杭州錢塘江四橋、五橋、六橋，湛江海灣大橋，東營黃河大橋、青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋等工程項目的超長鉆孔灌注樁荷載試驗均得到驗證。

筆者以超長樁荷載傳遞機理為核心，以我國正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大橋為依托，在大量的現場試樁資料統計、分析基礎上，通過樁土剛度與樁長的關系分析和超長鉆孔灌注樁的受力特征分析，建立了基于樁土總剛度、樁土剪切剛度、樁端土抗壓剛度等參數的超長鉆孔灌注樁單樁承載力剛度計算法，使超長鉆孔灌注樁的計算設計更加貼合實際。

1 樁土傳遞的函數模型建立

1.1 樁側阻力—樁土相對位移的函數模型

在樁身任意深度處取一微分樁段（如圖1所示），由平衡條件可得樁土體系荷載傳遞的基本微分方程：

其求解取決于樁側及樁端荷載傳遞函數τ—S的形式。

圖1 樁土體系荷載傳遞

1.2 樁側土荷載傳遞函數模型

通過大量的室內、室外試驗可知，雙曲線型傳遞函數能較好的對樁土τ～S進行擬合，且擬合方法簡單、精度高，并可用相關系數來評價τ～S曲線的擬合效果，如圖2所示。

圖2 雙曲線函數模型

雙曲線型荷載傳遞函數表達式為：

1.3 樁端土的荷載傳遞函數模型

超長鉆孔灌注樁樁端土的力學模型即可采用雙曲線函數，也可簡化為雙折線函數近似模擬其荷載傳遞性能。

樁端土承載力雙曲線型表達式：

樁端承載力雙折線型表達式：

1.4 樁身荷載傳遞的剛度法函數解

基于雙曲線函數模型的荷載傳遞剛度法函數解是本研究提出的超長鉆孔灌注樁單樁承載力新計算體系，它使超長鉆孔灌注樁的設計、計算更加精細化，計算更符合實際情況。

圖3和4分別為樁土計算模型、簡化計算模型，若采用矩陣剛度法進行樁基結構計算，其基本方程為：

圖3 樁土計算模型

圖4 樁土簡化計算模型

超長鉆孔灌注樁樁頂受到一個樁頂力P，得到沉降量為S總：

在樁頂荷載作用下，第n段樁第i分段的樁側摩阻力τi可按雙曲線函數表示為：

樁端反力σR可表示為：

若-Si為樁側的樁土位移，設-Ki為樁側的樁土剪切剛度，則樁側摩阻力Ti及樁端反力可表示為：

第i分段的彈性壓縮量ΔSi為：

各段樁樁身壓縮量與樁土間相對位移有如下關系：

經推導可得：

式中：P為單樁樁頂軸向受力，kN；τi為第i段樁對應的樁側摩阻力，kPa；σR為樁端土承載力，kPa；u為樁的周長，m；A為樁底截面面積，m2；n為鉆孔樁總段數；li為各-土層的厚度，m；KnA為樁土總剛度（kN/mm）；Ki為第i段樁樁與土的剪切剛度，kN/mm；Ki為第i段樁樁身豎向彈性剛K0為樁端處土的彈性抗壓剛度系數，kPa/mm。

通過引入的樁土剛度各參數及樁身荷載傳遞的剛度法函數解可對超長鉆孔灌注樁的界定長度及有效樁長進行判定、分析。