樁的臨界位移規(guī)律及其影響因素研究

樁的臨界位移規(guī)律及其影響因素研究

樁的臨界位移是指當(dāng)樁側(cè)的摩擦阻力達(dá)到最大值時(shí)，樁側(cè)產(chǎn)生的最大樁側(cè)土壤的相對(duì)位移。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,樁-土相對(duì)位移是產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力的先決條件。因此,正確分析樁的臨界位移,充分發(fā)揮和利用樁側(cè)摩阻力,是樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提,具有重要的工程意義。在此,本文作者根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,分析樁的臨界位移規(guī)律。1樁-土間摩阻力樁-土間產(chǎn)生相對(duì)位移是樁側(cè)阻力發(fā)揮的前提。在加載的開(kāi)始階段,樁-土的相對(duì)位移較小,其應(yīng)力-應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系,到達(dá)極限位移后,剪應(yīng)力不再增加而趨于定值。對(duì)于密實(shí)的砂土或超壓密的粘土,由于剪脹性及應(yīng)變軟化的結(jié)果,剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的不同,樁-土荷載傳遞模型可以劃分為加工軟化型,非軟化、硬化型和加工硬化型等幾種類(lèi)型,如圖1所示。其中:qs為樁側(cè)摩阻力;w為樁-土的相對(duì)位移;qsi為不同類(lèi)型土的樁側(cè)極限摩阻力;qsr1為加工軟化型土的樁側(cè)殘余摩阻力;wui為不同類(lèi)型土的樁-土極限相對(duì)位移;wur1為加工軟化型土達(dá)到殘余應(yīng)力狀態(tài)的樁-土的相對(duì)位移。美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中鉆孔樁的承載力與沉降關(guān)系曲線(xiàn)有關(guān)資料顯示:在樁底沉渣厚度可以忽略的情況下,樁側(cè)極限阻力發(fā)揮時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降一般為樁徑的0.5%,而樁端極限阻力發(fā)揮所需要的樁頂沉降為樁徑的5%~20%。也就是說(shuō),樁側(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮所需要的位移并不在1個(gè)數(shù)量級(jí)。在通常情況下,當(dāng)樁的荷載達(dá)到極限承載力時(shí),樁側(cè)極限阻力幾乎全部發(fā)揮,而樁端極限阻力還遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮,一般為極限阻力的10%~20%。通過(guò)室內(nèi)直剪摩擦試驗(yàn)可以模擬測(cè)定樁-土間的摩阻力與相對(duì)位移之間的關(guān)系曲線(xiàn)(即荷載傳遞曲線(xiàn))。圖2所示為通過(guò)室內(nèi)直剪摩擦試驗(yàn)得到的在不同垂直壓力作用下,南寧膨脹土與混凝土的摩阻力及相對(duì)位移之間的關(guān)系。圖3所示為在不同的垂直壓力作用下,株洲黃粘土與混凝土的摩阻力及相對(duì)位移之間的關(guān)系。從圖2和圖3可以看出:不同的土具有不同的臨界位移和極限摩阻力,同時(shí)可以看出膨脹土和黃粘土都屬于加工軟化型土。隨著土層深度的不同,樁側(cè)土對(duì)樁產(chǎn)生的側(cè)壓力不同,樁-土間的相對(duì)位移形態(tài)就發(fā)生了變化。對(duì)于加工軟化型土,樁-土相對(duì)位移達(dá)到某一值時(shí),樁側(cè)摩阻力不但不再隨樁-土相對(duì)位移增加而增加,甚至還會(huì)隨相對(duì)位移增加而減小。樁側(cè)阻力達(dá)到極限值時(shí)所需要的樁-土相對(duì)位移就稱(chēng)為側(cè)阻臨界位移。樁的側(cè)阻臨界位移與樁的類(lèi)型和樁周土的性質(zhì)密切相關(guān),根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量試樁資料及本文所做的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于不同樁周土、不同樁型、不同樁徑等條件,樁的側(cè)阻臨界位移是不同的。2不同單元的臨界位移特性2.1樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律圖4所示為通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的株洲粉質(zhì)粘土中某打入樁(d=400mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線(xiàn)。從圖4可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為30~100kPa,平均樁側(cè)摩阻力為20~70kPa,樁-土臨界位移為1~2mm。粘性土中打入樁樁側(cè)極限摩阻力發(fā)揮所需的位移較小,國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料顯示在1~10mm之間變化。一般認(rèn)為土的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)臨界位移的影響較小,樁徑對(duì)臨界位移的影響也較小。2.2樁-土臨界位移圖5所示為通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的株洲中等密實(shí)砂土中某打入樁(d=350mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線(xiàn)。從圖5可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為210~270kPa,平均樁側(cè)摩阻力為75~130kPa,樁-土臨界位移為4~5mm。砂土中打人樁的臨界位移也較小,但比粘性土中的臨界位移要大,國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料顯示在3~7mm之間,樁周土的密實(shí)程度和樁徑對(duì)臨界位移的影響較小。2.3樁側(cè)摩阻力及臨界位移圖6所示為通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的株洲紅粘土中某鉆孔樁(d=600mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線(xiàn)。從圖6可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為55~95kPa,平均樁側(cè)摩阻力為15~50kPa,樁-土臨界位移為8~15mm。國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料均顯示粘性土中鉆孔樁臨界位移在2~20mm之間,要比打入樁大,而且其變化幅度也要比打入樁的大。隨著樁周土強(qiáng)度的增加,鉆孔樁臨界位移逐漸增大,粘土中的中、小直徑樁的樁徑大小對(duì)臨界位移無(wú)明顯的影響。2.4樁側(cè)摩阻力及樁-土臨界位移圖7所示為通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的株洲粗砂土中某鉆孔樁(d=600mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線(xiàn)。從圖7中可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為115~185kPa,平均樁側(cè)摩阻力為75~150kPa,樁-土臨界位移為21~25mm。砂土中鉆孔樁臨界位移一般在20mm以上。在樁周土均勻砂性土的條件下,不僅鉆孔樁的臨界位移要比打入樁的大,而且其變化幅度也比打入樁的變化幅度大許多。此外,隨著樁徑的增加,鉆孔樁的臨界位移值變化規(guī)律凌亂,變化趨勢(shì)不太明顯。2.5孔壁粗糙度與臨界位移嵌巖灌注樁中樁-巖臨界位移不僅與巖石的強(qiáng)度有關(guān),更重要的是取決于孔壁的粗糙程度,即便是強(qiáng)度相同的巖石,在不同的孔壁粗糙度時(shí)也具有不同的臨界位移。一般說(shuō)來(lái),孔壁的粗糙度越大,相應(yīng)的臨界位移就越大;孔壁的粗糙度越小,相應(yīng)的臨界位移就越小。長(zhǎng)期以來(lái),工程界所接受的嵌巖中灌注樁的樁-巖臨界位移是根據(jù)巖石的類(lèi)型及其完整性來(lái)確定的,一般為2~4mm。2.6樁-土臨界位移圖8所示為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)測(cè)得的株洲某廠房工程大直徑鉆孔樁(d=1.2m,L=18m)的樁側(cè)摩阻力擬合得到的不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線(xiàn)。從圖8可以看出,對(duì)于直徑大于1.0m的樁,其樁-土臨界位移不僅數(shù)值很大,而且變化范圍也很大。同時(shí),大直徑樁在樁端附近的側(cè)土層具有明顯的加工強(qiáng)化特點(diǎn),而且越靠近樁端,強(qiáng)化趨勢(shì)越明顯。日本MasakiroKoike等在砂與粘性土交互層中進(jìn)行d=2m,L=40m的Benoto樁試驗(yàn),測(cè)得了樁側(cè)阻力發(fā)展過(guò)程曲線(xiàn),并且認(rèn)為:大直徑樁極限側(cè)阻力發(fā)揮所需要的位移在2%D~5%D(D為樁端直徑)之間,即40~100mm。這顯然與一般的樁有很大的差別。關(guān)于大直徑樁的臨界位移問(wèn)題,尚需進(jìn)一步研究。3樁側(cè)摩阻力殘余值的確定1)影響樁-土臨界位移的因素是多方面的,它不但與土質(zhì)有關(guān),而且也與土層分布情況、樁的類(lèi)型及施工方法等有關(guān)。不同類(lèi)型的樁,樁側(cè)土所產(chǎn)生的極限摩阻力是不同的。2)在一般情況下,樁側(cè)土達(dá)到極限摩阻力所需要的樁-土臨界位移較樁端沉降而言要小得多,使得實(shí)際的樁身沉降遠(yuǎn)大于樁-土臨界位移。因此,對(duì)于加工軟化型土,取極限摩阻力作為樁側(cè)摩阻力設(shè)計(jì)值是偏于不安全的,應(yīng)取摩阻力殘余值更加合理。3)大直徑樁樁側(cè)臨界位移較中、小直徑