基于荷载传递理论的山区嵌岩桩承载力分析_王开源.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20220823作者简介:王开源(1987)，男，北京人，硕士，高级工程师.(568814725 )*通讯作者:赵晓林(1992)，男，河北邯郸人，博士.(928461535 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.015基于荷载传递理论的山区嵌岩桩承载力分析王开源1，申波1，赵晓林*2(1.中交公路规划设计院有限公司，北京100010;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)摘要:桩侧摩阻力是嵌岩桩承载力的重要组成部分，在提高嵌岩桩的竖向承载力中发挥着重要作用。为研究嵌岩桩的承载机理，以贵金古高速公路清池特大桥嵌岩桩承载力的现场监测为研究背景，分析了施工荷载作用下桩侧摩阻力的发展机理。基于嵌岩桩的桩岩接触面的剪切特性，并经理论分析，推导了桩侧摩阻力与剪切位移的表达式。通过荷载传递理论，建立了嵌岩桩的荷载传递模型，利用 Python 实现四阶 unge-Kutta 法求解该模型。工程桩的现场监测数据与计算结果吻合，表明了所建立的荷载传递模型的正确性以及计算方法的合理性，可用于研究嵌岩桩桩侧摩阻力的发挥机理。根据监测数据与荷载传递模型分析了不同施工荷载作用下剪切滑移阶段桩基截面轴力和剪切位移的特点。结果表明:施工荷载作用下，嵌岩桩的桩侧摩阻力由上到下逐渐发挥，承担了大部分施工荷载;当剪切位移达到极限剪切位移后，桩侧摩阻力逐渐保持稳定，施工荷载逐渐由桩端阻力承担;利用荷载传递模型计算的嵌岩桩截面轴力与和监测结果吻合，因此建立的荷载传递模型和计算方法具有实际的工程意义;计算的极限桩端阻力明显小于 公路桥涵地基与基础设计规范(JTG 33632019)计算的极限桩端阻力，这说明原设计的极限桩端阻力偏安全，需要进行合理的修正。关键词:桥梁工程;桩侧摩阻力;荷载传递理论;嵌岩桩;剪胀机理;桩岩接触面中图分类号:TU312文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05010610Analysis on Bearing Capacity of Socketed Pile in Mountainous Area Based onLoad Transfer TheoryWANG Kai-yuan1，SHEN Bo1，ZHAO Xiao-lin*2(1 CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100010，China;2 School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract:Pile side friction is an important component of the bearing capacity of socketed piles，and plays acrucial role in improving the vertical bearing capacity of socketed piles.In order to study the load-bearingmechanism of socketed piles，on the study background of on-site monitoring of the bearing capacity ofsocketed piles of Qingchi Grand Bridge on GuiyangJinshaGulin Expressway，the development mechanismof pile side friction under construction loads is analyzed.Based on the shear characteristics of the pile-rockinterface of socketed pile and theoretical analysis，the expressions of pile side friction and shear displacementare derived.A load transfer model of socketed pile is established based on the load transfer theory，and themodel is solved by using the 4th-order unge-Kutta method through Python.The on-site monitoring data ofengineering piles are in accordance with the calculation result，indicating the correctness of the establishedload transfer model and the rationality of the calculation method，which can be used for study the mechanismof side friction of socketed piles.According to the monitoring data and the load transfer model，thecharacteristics of the axial force and shear displacement of the pile foundation section in the shear slip stage第 5 期王开源，等:基于荷载传递理论的山区嵌岩桩承载力分析under different construction loads are analyzed.The result shows that(1)Under construction loads，the pileside friction of socketed pile plays a role from top to bottom gradually and bears most of the constructionloads.(2)When the shear displacement reaches the ultimate shear displacement，the pile side frictionremains stable gradually，and the construction loads are borne by the pile end resistance gradually.(3)Thesectional axial force of socketed pile calculated by using the load transfer model is in accordance with themonitoring result，upon that the established load transfer model and calculation method have practicalengineering significance.(4)The calculated ultimate pile end resistance is significantly smaller than thatcalculated according to the Design Specification for Highway Bridges and Culverts Foundations(JTG 33632019)This indicates that the original design of the ultimate pile end resistance is overly conservative andneeds to be reasonably revised.Key words:bridge engineering;pile side friction;load transfer theory;socketed pile;shear dilationmechanism;pile-rock interface0引言贵州和云南的山区地质条件比较复杂，为满足设计要求，上述地区的嵌岩桩直径和长度都会增大，导致嵌岩桩的承载机理变得复杂。由于开展山区嵌岩桩承载力监测试验比较困难，且与嵌岩桩相关的设计规范未能考虑桩岩接触性能，只是采用岩石饱和单轴抗压强度计算桩侧摩阻力，这与嵌岩桩的桩侧摩阻力的发挥机理严重不符，因此有必要开展山区嵌岩桩承载力的研究。嵌岩桩可将荷载传递到更深、更坚固的岩层中。在较小沉降下，桩侧摩阻力即可充分发挥1。了解桩侧摩阻力的发展机理是评价荷载作用下嵌岩桩承载力的关键。关于嵌岩桩承载力的问题，国内外学者进行了大量的相关研究。在室内试验方面，周德泉等2 研究了嵌岩桩穿过不同高度溶洞时，桩身轴力的传递规律和桩侧摩阻力的变化规律，发现了桩顶的沉降与溶洞高度成正比，嵌岩桩的承载力与溶洞的高度成反比;赵明华等3 利用桩岩接触面的直剪模型试验研究了不同工况下桩岩接触行为，认为忽略桩岩接触面剪胀角的非线性变化，会过高地估计桩侧摩阻力，导致嵌岩桩偏于不安全;在嵌岩桩轴力发展机理方面，赵明华等4 建立了基于荷载传递理论的桩侧摩阻力的计算模型，用于研究岩溶区嵌岩桩的承载力问题，发现嵌岩段的桩侧摩阻力是嵌岩桩承载力的重要组成部分，在实际工程中应加以考虑;Zhang等5 利用荷载传递理论计算了嵌岩桩轴力的分布规律，并通过剪胀效应和滑移线场理论确定了混凝土岩石剪切破坏面的形状和桩岩接触面的临界剪切位移;Hou 等6研究了桩岩接触面的剪切行为，认为在法向刚度不变的条件下，接触面粗糙度和岩石强度明显地影响桩侧摩阻力的发挥，进而会导致嵌岩桩的轴力发生变化;在现场监测方面，王广兵等7发现随着荷载的增大，桩侧摩阻力逐渐发挥，设计时不应将嵌岩桩按照端承桩进行设计;Wang 等8通过现场监测发现，桩侧摩阻力与桩端阻力不是同时发挥，嵌岩桩的单桩承载力应考虑上部土层与嵌岩段 2 部分的桩侧摩阻力;在数值模拟方面，Gutirrez-Ch 等9利用离散元法建立了三维桩岩接触模型，分析了接触面不同粗糙度对桩侧摩阻力的影响规律，提出了估计嵌岩桩桩侧摩阻力的经验参数，该经验参数考虑了嵌岩段接触面粗糙程度和岩石的单轴抗压强度;Xing 等10建立嵌岩桩的有限元模型，其中岩石模型采用应变软化模型，桩岩接触模型采用库伦摩擦模型，发现嵌岩桩的承载力随嵌岩深度、桩径和桩间距的增大而增大。上述研究成果表明:桩侧摩阻力和桩端阻力是嵌岩桩承载力的重要组成部分，而桩侧摩阻力的计算方法将对嵌岩桩的设计和工程规模会产生重大影响。为此，基于剪胀机理和清池特大桥嵌岩桩承载力的监测试验，开展山区嵌岩桩承载力的研究，更好地提升山区嵌岩桩的设计水平，为今后的类似工程提供理论依据。1工程概况与现场监测1.1工程概况清池特大桥位于黔北高原北部，左线桥梁全长821.5 m，右线桥梁全长 861.5 m。主桥采用预应力混凝土悬臂浇注连续刚构，桥墩采用空心薄壁墩，基础采用桩基础。地勘报告显示桥位区覆盖层主要701公路交通科技第 40 卷为碎石土，下伏基岩主要为灰岩。地层力学参数如表 1 所示。表 1地层力学参数Tab.1Mechanical parameters of stratum地层密度/(kgm3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/()碎石土1 750800.32022强风化灰岩1 8000.071040.48030中风