超长桩单桩荷载传递刚度法函数解分析

2014-03-20 07:21尚峰利

交通运输研究 2014年10期

尚峰利

（河北路桥集团有限公司，河北石家庄 050011）

荷载传递是超长桩工作特性的重要内容，包括：荷载的分配，传递方式，地基土、桩身及桩端土共同承担外荷载的相互关系，发挥过程和分布规律。具有以下特点：超长桩具有和普通桩前两阶段相似的特性，即荷载—沉降曲线为缓变型，没有明显的破坏特征；桩顶限制沉降较小时桩侧阻力发挥并不充分；超长钻孔桩承载力由沉降控制。上述特点在杭州钱塘江四桥、五桥、六桥，湛江海湾大桥，东营黄河大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等工程项目的超长钻孔灌注桩荷载试验均得到验证。

笔者以超长桩荷载传递机理为核心，以我国正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大桥为依托，在大量的现场试桩资料统计、分析基础上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特征分析，建立了基于桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数的超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度计算法，使超长钻孔灌注桩的计算设计更加贴合实际。

1 桩土传递的函数模型建立

1.1 桩侧阻力—桩土相对位移的函数模型

在桩身任意深度处取一微分桩段（如图1所示），由平衡条件可得桩土体系荷载传递的基本微分方程：

其求解取决于桩侧及桩端荷载传递函数τ—S的形式。

图1 桩土体系荷载传递

1.2 桩侧土荷载传递函数模型

通过大量的室内、室外试验可知，双曲线型传递函数能较好的对桩土τ～S进行拟合，且拟合方法简单、精度高，并可用相关系数来评价τ～S曲线的拟合效果，如图2所示。

图2 双曲线函数模型

双曲线型荷载传递函数表达式为：

1.3 桩端土的荷载传递函数模型

超长钻孔灌注桩桩端土的力学模型即可采用双曲线函数，也可简化为双折线函数近似模拟其荷载传递性能。

桩端土承载力双曲线型表达式：

桩端承载力双折线型表达式：

1.4 桩身荷载传递的刚度法函数解

基于双曲线函数模型的荷载传递刚度法函数解是本研究提出的超长钻孔灌注桩单桩承载力新计算体系，它使超长钻孔灌注桩的设计、计算更加精细化，计算更符合实际情况。

图3和4分别为桩土计算模型、简化计算模型，若采用矩阵刚度法进行桩基结构计算，其基本方程为：

图3 桩土计算模型

图4 桩土简化计算模型

超长钻孔灌注桩桩顶受到一个桩顶力P，得到沉降量为S总：

在桩顶荷载作用下，第n段桩第i分段的桩侧摩阻力τi可按双曲线函数表示为：

桩端反力σR可表示为：

若-Si为桩侧的桩土位移，设-Ki为桩侧的桩土剪切刚度，则桩侧摩阻力Ti及桩端反力可表示为：

第i分段的弹性压缩量ΔSi为：

各段桩桩身压缩量与桩土间相对位移有如下关系：

经推导可得：

式中：P为单桩桩顶轴向受力，kN；τi为第i段桩对应的桩侧摩阻力，kPa；σR为桩端土承载力，kPa；u为桩的周长，m；A为桩底截面面积，m2；n为钻孔桩总段数；li为各-土层的厚度，m；KnA为桩土总刚度（kN/mm）；Ki为第i段桩桩与土的剪切刚度，kN/mm；Ki为第i段桩桩身竖向弹性刚K0为桩端处土的弹性抗压刚度系数，kPa/mm。

通过引入的桩土刚度各参数及桩身荷载传递的刚度法函数解可对超长钻孔灌注桩的界定长度及有效桩长进行判定、分析。