大直径深长摩擦桩承载特性研究.docx

1、大直径深长摩擦桩承载特性研究 【摘要】伴随着桥梁技术的提高，桥梁的跨径越来越大，大跨径桥梁不断涌现。随之增多的便是大直径深长摩擦桩的运用，然后现行对这类桩的特性研究还相对较缺乏。通过现场试验的方法与有限元模拟方法的结合，可以很好的研究大直径深长摩擦桩的承载特性。 【关键词】摩擦桩；承载特性；桥梁基础 科技的不断进步，桥梁的不断发展，促使桩基在桥梁工程越来越重要。伴随着大跨径以及跨海大桥的兴建，大直径深长摩擦桩的运用越来越广。对于这类桩基的承载力是否满足现代桥梁技术与安全上的需求，仍然没有成熟的研究成果，因此其桩基理论仍需采用更先进的方法进行研究完善。 1.研究背景 随着科学技术的不断进步，人们

2、修建的桥梁工程的跨度越来越大，有些地区甚至在河宽为成百上千的河流上修建桥梁，修建越来越多的桥梁是城市发展的需要，俗话说要发展先修路，但是，对于周围环水的城市来说就只能够修建桥梁，而现在每秒 钟通过桥梁的车辆和车辆装载的人以及货物的重量都是以吨来计算的，因此，对桥梁的承重能力提出了巨大的考验，如果桥梁修成后由于承重力弱而坍塌，那么损失将会是非常巨大的。在土木工程应用中，摩擦桩是软土地基基础设计中比较常见的形式，它的承载能力是工程设计所关心的重点。近年来大直径超长桩由于其承载能力较高，在许多工程项目中得到了广泛地应用。 但是，到目前为止，人们对于这类桩基础的荷载传递机理的理解还并未完善，仍旧只是采

3、用适用于普通桩长的规范推荐算法来指导设计。经研究发现，桩侧阻力与桩侧摩阻力并非同时发挥作用， 尤其是超长桩，往往是桩上部土体已经屈服了，而较深处的桩侧摩阻力还尚未发挥作用。因此用规范推荐算法进行超长桩的承载能力计算并不合适，人们仍需有必要研究摩擦桩的荷载传递机理，在充分利用桩土之间相互作用的原则下，保证桩基设计的安全性。对大直径深长摩擦桩的承载特性做进一步的研究，并对大直径深长摩擦桩的承载特性试验的结果做进一步的研究与分析。 2.桩基承载特性研究 2.1 有限元模拟分析 大直径深长摩擦桩受力性状受长径比、桩土刚度比、施工工艺等多种因素的影响，理论研究尚不成熟。而依靠现场静 载试验及室内模型试验

4、难以全面客观的反映问题并揭示其规律，例如室内模型试验手段，往往受场地和试验设备的限制而只能做小比例模型试验，不能完全表征边界条件、桩土材料特性等原型的一切特征，很难完全反映实际结构情况，研究某一参数对结构性能的影响，则需要做多个类似的构件，重复进行试验，其工程量相当大，对桩基承载特性的研究有一定的局限性。 2.2 模型建立与计算 采用有限元方法可对圆柱形摩擦桩在均质软土中的受力和变形性能进行研究，通过对单桩在各种桩长下的设计承载力和极限承载力特性分析，分析摩擦桩在一定 地质条件下的受力特性。不仅要分析各种土质下各种桩长的受力特性，还要计算各种土质对桩基础承载能力的影响，此外为了进一步了解桩径变

5、化对单桩的承载能力的影响，还要分析摩擦桩在各种桩径下的承载能力，以期研究改变桩径对摩擦桩承载能力的影响。这样，根据桩基础周围土体的土质条件，将桩长合理设计在合理桩长附近，则可以有效地利用桩基础的承载能力。 运用有限元法需要建立计算模型，计算模型包括几何模型和材料模型，模型选用得当与否，将直接影响到计算结果的精度及对实际真实受力情况的反映程度。桩基础的工作机理及承载特性实际上 是桩与土共同作用的反映。桩的工作空间是一个半空间无限体，它与其四周和底部的土都发生作用。因此要合理 “准确地分析桩与土共同作用时表现出的力学性状，采用三维空间模型是最合理的。结合桩基础结构受力的特点和有限元计算对计算工具的

6、要求，模型中桩周土确定桩径范围，确定桩底土厚度，建立几何模型。模型均可选用 20 节点四面体等参实体单元。为较好地模拟桩与地基土的相互作用，应尽可能加密桩及其与土体接触区域的离散网格，在满足计算精度和计算资源的前提下，从近到远，由密到疏进行划分。模型加载过程一般分两步，首先对桩土模型施加重力荷载 产生的初始应力场，获得地应力平衡。第二步对桩顶逐步施加竖向静荷载，为了研究桩基础在随荷载增大下的承载能力特性，根据工程经验和试算，为不同桩长设置不同的桩顶试桩力，从而计算出各桩随荷载从零逐步增加到桩顶试桩力过程中的荷载 -沉降曲线。有限元数值计算结果精度主要取决于本构模型的合理性和计算参数的准确性。因

7、此可对桥梁桩基采用弹性模型进行分析，对地基土采用理想弹塑性的线性 Mohr-Coulomb 屈服准则模型进行分析。通过变换现场试验试桩的桩长及桩径，分析不同桩长及桩径下桩的承载特性，对现场试验桩基进行有限元仿真计算， 获得桩的 P-S曲线并与静载试验 P-S曲线进行对比分析 3.对桩基承载力影响的因素的总结 在研究桩长对摩擦桩承载力影响时，首先应该保证在每一次试验中摩擦桩的桩径保持不变，然后确定一个桩径，在试验中不断地改变摩擦桩的桩长，得出一系列的实验数据，再改变一个摩擦桩的桩径，不断地重复试验，然后将得出的实验数据绘制成折线图，方便观察研究。当摩擦桩的桩径不变时，随着桩长的不断地增加，摩擦桩

8、的最大承载力也在逐渐地提高，但是，这并不意味着当摩擦桩的桩长无限增加时，摩擦桩的承载力也不断的增大，摩擦桩的桩长与 承载力的关系符合数学中正切函数的关系曲线，当桩长从零逐渐增大时，摩擦桩的承载力能够得到较大幅度的增加，但是当摩擦桩的桩长超过一定数值后，摩擦桩的承载力将不会有大幅度的提升，而是缓慢地逐渐趋近最大承载力，因此，在修建桥梁选择摩擦桩的长度时，应该合理设计摩擦桩的桩长，选择最适合的摩擦桩的长度对增加桥梁的最大承载力有重大的意义。保证桩长的一定，然后不断地改变桩径的大小，改变一个桩径的数值就进行一次桩径试验，得出一个桩的承载力与沉降量的关系，如此重复多次，就能够得出不同桩径对桩的承载力的

9、影响。 一般来说实 验桩的直径越大，桩所能够承载的重量越大，也就是桩的承载力越大。桩的摩擦力主要分为桩侧摩擦力和桩端摩擦力两部分，当摩擦桩受到压力后，压力会自动分为这两部分，帮助摩擦桩减少压力，但是实践证明，当桩长一定时，不同的桩径的桩侧摩擦力和桩端摩擦力的分配也不一样，根据试验可以得出在同一桩长之下，随着桩径的增大，桩侧摩阻力分担的荷载比逐渐减小，桩端阻力分担的荷载比逐渐增大，这说明大直径深长摩擦桩随着桩径的增大，传递到桩端的荷载逐渐增大，桩端阻力分担荷载比逐渐增大，但其分担的荷载比远小于桩侧摩阻力分担荷载比，以桩侧摩阻力发 挥为主。直径深长摩擦桩对增加桥梁的承载力有很大的作用，但是这并不代

10、表只要在桥梁工程施工中使用大直径深长摩擦桩就能够保证桥梁承受多大的压力都不会毁坏，因为在桥梁工程施工中，使用高新技术和材料只是对桥梁工程施工质量的一种锦上添花，真正能够保证桥梁工程施工质量的是施工单位在施工时的认真程度和所使用的材料的质量，只有各方面条件都得到保证才能够使桥梁工程的承载力大大增加。 结语 总之，对于大直径深长摩擦桩的研究仍然没有较为成熟的理论体系，随着科技的不断进步，对于有限元法的运用，对于这类桩基的承载特 性的研究将会更加成熟。在未来的大跨度桥梁桩基中，对于这类桩基的运用将会更安全、更实用。 参考文献： 冯忠居 .桥梁桩基新技术 大直径钻埋预应力混凝土空心桩 D.北京：人民交通出版社 .2005. 印长俊 .大直径嵌岩桩残余应变状态分析 J.岩土力学 .2008， 29（ 11） .