公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算.pdf

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第32卷，第1期中南公路工程Vol.32，No.12007年2月CentralsouthHighwayEngineeringFeb.，2007公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算赵明华，张玲，刘建华(湖南大学岩土工程研究所，湖南长沙41082)[摘要〕本文深人探讨了嵌岩桩的荷载传递机理，对目前规范采用的嵌岩桩嵌岩深度计算方法进行了深人分析，针对规范方法没有考虑桩身转动时桩尖断面与基底岩接触面上产生的反力矩等有利条件的影响而导致最后的计算结果偏大的不足，提出了两种修正方法。最后还通过具体计算实例进行了分析验证。【关键词]嵌岩桩;荷载传递机理;嵌岩深度[中图分类号]U43.15[文献标识码]A[文章编号]1(X)2一1205(20()7)01一0001一04CalcuIationMethodsforSocketedLengthofRock一socketedRleZHAOMinghua，ZHANGLing，LIUJianhua(GeotechnicalEngineeringlnstitute，HunanUniversity，Changsha，Hunan410082，China)[Abstract]Loadingtransfermechanismofrock一socketedpileisdiscussed.Then，calculationmeth-odsmentionedinthetechnicalcodesareanalyzed.Theinsuficientisthatthecodemethodsdoesntcon-sidersomeusefulefects，suchasthemomentonpiletipformedbypilerollingmotion.Twomodifiedcal-culationmethodsareproposedtomakeupthisinsuficient.Finally，anexamplesisemployedtovalidatethemethodproposedinthispaper.Thecalculationresultsshowthatthemethodismuehfeasibility.[Keywords]rock一socketedpile;loadingtransfermechanism;socketedlength大多在2一7m之间。众所周知，在基岩中钻孔过程0前言极为困难，因此，嵌岩深度选取的合理与否，将直接嵌岩桩因其单桩承载力高、群桩效应小、沉降收影响工程进度及工程造价。敛快等特点，在桥梁工程中应用广泛。有关其受力为此，合理确定嵌岩桩的嵌岩深度极为必要，本特性及设计理论研究己有大量报道〔’一J。然而，由文针对嵌岩桩的特点，提出一种新的嵌岩深度的计于嵌岩桩承载力大、试验耗费高且很难进行破坏性算方法，以供设计参考。试验，因而系统完整的试桩资料和实测资料并不多1嵌岩桩荷载传递机理见，从而制约了对其承载性状的全面认识，导致设计人员在嵌岩桩设计时多持保守态度。表1所列为一嵌岩桩在竖向荷载作用下，桩身上段受到压缩些工程中嵌岩桩的嵌岩深度，可见嵌岩深度均较大，而产生相对于土(岩)的向下位移，与此同时桩侧表表1部分公路桥嵌岩桩的嵌岩深度情况面受到土(岩)的向上摩阻力，从而将部分桩身荷载TablelSocketedlengthofPartialrock一socketedPilein传递给桩侧土(岩)，故桩身荷载和桩身压缩变形随highwayengineering深度递减。在桩土(岩)相对位移等于零处，其桩侧序号名称嵌岩深度岩层类别四川徐治二桥6.5一14.1砂岩.阻力难以发挥而等于零。随着荷载的不断增加，桩四川南充嘉陵江桥3.0~7.0粘土页岩身压缩和位移量不断增大，桩身下段侧阻力也随之山西唐河桥8.0~9，0风化片麻岩山西上寨桥2.0一4.0石灰岩发挥，直至桩端受到压缩而产生桩端阻力。桩端的广东赤雁桥风化花岗岩压缩又加大了桩土(岩)相对位移，导致桩侧阻进一河北长桑桥片麻岩步发挥。当桩侧阻被完全发挥达极限值后，若继续长春地区马架子桥3砂岩长春地区周家窑桥6~7泥灰岩增加荷载，则荷载增量将全部由桩端阻承担。故嵌[收稿日期1206一11一26【蓦金项目』国家自然科学基金资助项目(50378036)〔作者简介〕赵明华(1956一)，男，教授，博士生导师，主要从事桩基础及特殊土地基处理等研究工作。 .中南公路工程32卷岩桩的承载力由位于上覆土层中桩段侧阻、桩身嵌岩弯矩M，作用下，绕h，的1/2处转动;段侧阻及基岩对桩端的端阻三部分组成(见图1)。②h，范围内应力呈三角形分布(见图2);口.1二1.27万图1嵌岩桩受力分析图Fi，化IStresoanalysioofrock唱ocketedPile对于桥梁桩基，由于水流的冲刷，往往使上覆土层中桩段的侧阻难以发挥，为偏于安全，可忽略上覆土层的侧阻作用。即嵌岩桩的承载力主要由桩身嵌圈2嵌入岩层最小深度计算图式岩段侧阻及基岩对桩端的端阻两部分所组成。FigureZMinimumdepthcalculationdi昭ramofsocketedlength2嵌岩深度常用确定方法③不计桩端与岩层的摩阻力;④因桩侧为圆柱状曲面，四周受力不均匀，设嵌岩桩的嵌岩深度一般应分别桩身稳定及竖向桩侧最大压应力为平均压应力的1，27倍;承载力的要求，以最不利状况控制设计。⑤不计桩端抵抗弯矩，M，由桩侧岩层产生的2.1按轴向承载力确定最小嵌岩深度水平抗力平衡。如前所述，当不计上覆土层侧阻作用时，单桩轴根据上述假定，由静力平衡条件(叉M二0)，可向受压容许承力【尸」可按下式计算〔’〕:得[’0]:[P〕=(C，A+CZUhr)R。(1)hr1『m。，d.-2式中:R。为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度，叽二言.亡亩于hrkPa;h;为桩嵌人基岩的深度，m，不包括风化层;U故有:为桩嵌入基岩部分的横截面周长;A为桩底横断面7.62M分面积;C。、C:为根据孔底清孔情况而定的系数，可h，=(3)口ma:d按表2采用。式中:d为嵌岩桩嵌岩部分的设计直径。衰2系数C:、C:值为保证桩在岩层中嵌固牢靠，桩周岩层产生的TableZThevalueofcoeficientC，，CZ最大侧向压应力。ma:不应超过岩层侧向容许抗力岩石层破碎程度及清底情况备注[。]，即:05良好的0.6O.1.当hr‘0.sm时，C，采用表列04[，1粤，;c(4)一般的·0.5O数值的。.75倍，C:二。;才、03较差的040.2.对于钻孔桩，系数C，、C:值可式中:K为安全系数，可取K二2消为岩石垂直极限降低20%采用。抗压强度换算为水平极限抗压强度的折减系数尹=由式(1)可得最小嵌岩深度hr:0.5一1.0，岩石侧面节理发达的取小值，不发达的取lrPI_.、/_，，大值;R。为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度，h·二(澎一“!A)/“ZU‘2)kPa。由此可得圆形截面嵌岩桩的最小嵌岩深度为:2。2按桩身稳定确定最小嵌岩深度M付考虑桩身稳定时，为简化计算作如下假定:h，=(5)0.066口R。d①忽略嵌固处水平剪力影响，桩在岩面处桩身 第1期赵明华，等:公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算当桩身为矩形截面时，桩侧最大压应力与平均令。=一塑，。=J3，则(12阿转化为:压应力相等，即，ma:二万，由此可得:‘r.aMHh几+ah。+b=0(13)h，二(6)0.0833口R。d仍、此时d为矩形的边长。我国现行《公路桥涵地基基础设计规范》和《铁路工程(桥涵)技术规范》均按该方法确定嵌岩深度hr。3嵌岩深度计算新方法3.1基本思路前述最小嵌岩深度计算公式(5)或(6)中均未考虑桩身转动时，桩端断面与基岩接触面上产生的，反力矩等有利条件的影响，从而使得计算结果偏大。圈3嵌入岩层最小深度计算图式《考虑墓底反力矩》为此，本文采用如下方法进行改进。Figure3MinimumdepthcalculationdiagramOfSocketed3.2方法一length(considercountermomentofbottom)在前述假定基础上，设桩周岩层产生最大侧向式(13)为一元三次方程，求解可得方程的三个压应力。ma:时，桩端压应力为a，ma:，故桩端断面与根hrZ，;，h心，:，hrZ，3分别为:，‘口、a‘飞‘基岩接触面上产生的反力矩Mk为:b..一.-.一—+，.气..hrZ.1=只fJ，M*=a『ma二·W(7)2‘尹r-一一~--一一L式中:a为小于1.0的系数;平为桩底截面模量。U、1a、b.-一.，.，J尸令，ma:蕊〔，〕，则可得基桩最小嵌岩深度h。2白矛了一一一一为:.-.一-一白、a、‘1飞1.一。一.-.i，.万内J.J田+hrZ.2J山了尹___二__.__IM。一M;，一。一-一一‘(圆形截面桩’二刁6万后而天抽，=一6--一‘、a、相1.，一2-一.2.丹.，.J甲田M。一0，5明R。W︸产产(8)---一0.066刀R。d一.--一0、a、、性b..-.-.一—+，..月J.，.2+M万一M壳hrZ，32‘产尹气.(矩形截面桩)=一一-一0.0833刀R。d一人-一一口.1a、、b.-一.，，.田J.M。一0.5叨R“W2‘了产(9)Vo·0083刀RaJ一1+丫了13。3方法二式中:。=2假定桩端处竖向应力分布如图3所示，桩径d其判别式为:与嵌岩深度h心的比值，设桩端边缘处的平均最大竖a.△一3-2一-向应力为万，，即:、，二杀;(10).‘rZ(一脊)’·(誓)’=根据力矩平衡条件(艺M二0)，则有:MH(誓一翻·(手·罕·黝根据判别式的情况，方程有不同的根:_，d2，『.a.种:，.’~:，a(11)I>0，有一个实根与一对共扼复根;Z3△工J工、.=0，有三个实根，其中有两个相等;.L<0，有三个不相等的实根。·h‘+2d3二0(12)由于复根不符合hr:的物理意义，且为安全起 4中南公路工程32卷见，应取hrZ，:，ho.:，h。，，中最大的正实根作为最小4。1按桩身稳定计算最小嵌岩深度嵌岩深度的解。①按公式(5)计算。同样地，为了保证桩在岩层中嵌固牢靠，桩周岩层产生的最大侧向压应力，ma二不超过岩石的侧向容许抗力[，]，即有，ma二二尹R。。若是圆形截面一二二叼0.066x0.sx30ooxl.5桩，同样认为最大压应力等于平均压应力的1。272，72m>0.sm倍，即。兴解“;矩形截面，*二冬邵。。②按公式(8)计算。’曰’一’.’2.54尸一“’~“~一’一2尸一““取a二0.5，根据M。，R。，d的大小不同，判别式分别有不同M，一0，5够R。的情况:h‘，二0.066口R。D圆形截面桩:92一0.5x0.5x0.5x300一二二恙时，判别式乙>0;习0.066x0.5x300xl.51.92m>0.smM甘当恙时，判别式乙=0;③按公式(13)计算。12M开12X920一一二二0.6315;恙时，判别式d<0。刀R“d0.5x3000XI。5b=d3=1.53=3.375矩形截面桩:.九~!rZ..-一2.73且fhM。:之-一rZ，代人式(13)可得.‘0.57当判别式八>0;..护譬时，...h‘--rZ舟﹂2.16.M衬份当譬时，判别式二二0;故取h心=2.16m。可见按式(5)计算的嵌岩深度过于保守。刀d，臀一时，判别式d<0。4。2按轴力计算最小嵌岩深度石取hr=0.sm，4计算实例分析[p〕二(clA+CZUh;)R。=(0.sx1.768+0.04x2.356)x3000二现以文献【11]中的算例对最小嵌岩深度进行2931.7kN>29O0kN计算分析，为了与原文的进行比较，各参数参照原文即:当hr二0.sm时其承载力已能满足要求。取值:d二1.sm，M，二200kN·m，N=2436.4kN，5结论万二gokN，nzl=s000okN/m4，材，=92okN·m，①嵌岩桩的嵌岩深度直接关系到工程的进度和月二0·5，R。二30o0Mpa，其它参数见图4。施工成本，因此确定嵌岩桩的合理嵌岩深度极为重要。②本文在我国现行规范推荐的嵌岩深度计算公式的基础上，考虑桩身转动时，桩端断面与基岩接触面上产生的反力矩等有利条件的影响，提出了两种修正计算方法，弥补了规范方法所得结果偏于保守的不足。③通过计算实例验证了本文方法的可行性，计算结果表明本文方法更为经济合理。[参考文献]图4计算参数【1]宋功河.桩基嵌岩段合理深度的探讨【J].华东交通大学学报，Fi，re4CalculationParameters(下转第36页) 36，中南公路工程32卷杆件号相同，分别为F，、F;、5，、5;、XZ、X三。主要承⑤在竖向地震作用下斜拉析架体系桥梁结构受轴力与纵向剪力以及竖弯弯矩。位移响应不明显，说明结构的竖向刚度比较大。⑨主桥结构不管在横桥向地震波作用下还是⑥不管在哪种地震波激励下，结构的位移最大竖向地震波作用下，腹杆、上弦杆、下弦杆以及中跨值均为结构所容许。但横桥向位移较大，应该引起跨中主梁的内力值均较小，不控制设计。而3#墩墩注意。底无论在哪种激励下，内力值均较大，还需要进行截⑦当地震波输人方向改变之后，主梁的受力特面应力验算。征也随着变化，总体来说，主梁变形与地震波的输人方向是一致的，主要受力也与地震波输人方向保持6结论一致。通过运用大型空间有限元程序ANSYS，分析了⑧斜拉析架体系桥梁结构不管在横桥向地震卡子湾斜拉析架桥梁的动力特性，以及在不同地震波作用下还是竖向地震波作用下，腹杆、上弦杆、下波作用方式下的位移反应及内力反应，并与有关文弦杆以及中跨跨中主梁的内力值均较小，不控制设献中的上海南浦大桥、徐浦大桥等斜拉桥的抗震性计。能作比较，以此得出斜拉析架体系桥梁的一般的抗⑨如果存在高墩问题，最高墩墩底为地震作用震特性。下全桥最不利点，需要另外进行截面应力验算，以保①斜拉析架体系桥梁的一阶振动为横桥向侧证地震作用下全桥的安全性。弯，自振周期较长，上部结构刚度较大，相对较柔的是⑩由于斜拉析架体系桥梁的横桥向刚度较小，桥墩部分。漂浮体系的大跨度斜拉桥斜的一阶振动因此在设计时应特别注意加强结构的横向联系，以为纵桥向漂移，柔度较大，自振周期长，固有频率低。增强横向刚度。②斜拉柑架体系桥梁对横桥向地震较敏感，在横桥向地震波作用下，以面外振动为主，面内振动较〔参考文献〕小。大跨斜拉桥在纵桥向地震波的作用下，以面内[1]范立础.桥梁抗震【M」.上海:同济大学出版社，1997.〔2]何度心，黄龙生，陆千文，等.桥梁抗震计算【M〕北京:地震出振动为主，面外振动极小，几乎可以忽略不计。在横版社，1991.桥向地震波的作用下，大跨斜拉桥的振动不仅有较[3〕JTJo4一89，公路工程抗震设计规范【5〕.大的面外振动，而且面内振动也比较大。[4]蒋纯秋.世界地震工程100年(1881一1991)编年简史【J].世③横桥向地震作用下，斜拉衍架体系桥梁最大界地震工程，1993(1):11一21.尸﹄、﹄胜1.L一横桥向位移发生在析顶处，最大竖向位移发生在中~︺李国豪.工程结构抗震动力学仁M].上海:上海科学技术出版跨跨中，纵向位移值较小。说明结构最大位移反应社，1980.︸16﹃I.JLJ黄古剑.斜拉析架桥梁抗震特性分析【D〕.华中科技大学硕士发生在与地震作用方向相同的方向上。论文，2004.L，，④斜拉衔架体系桥梁结构位移反应与地震波.才.胜.LJ吴萍，李秋生，李元明.浅谈三灵高速公路桥梁抗震设计的频率周期有关，随着地震波峰值加速度的增大而[J]·湖南交通科技，2000，25(4):45一47.增大，但不成正比。(上接第4页)京:人民交通出版社，.984.1996，13(3):26~32.[5〕R，Radhakrishnan，ChunF.Leung.LoadTransferBehav-〔2]刘树亚，刘祖德.嵌岩桩理论研究和设计中的几个问题〔J].岩iorofRock一sockeledPIle，[J〕.JournalGeo一technicalEn-土力学，1999，20(4):86一92.ginee石ng，ASCE，1989，115(6):755一768.【3]刘兴远，郑颖人，林文修.关于嵌岩桩理论研究的几点认识【9」赵明华.桥梁桩基计算与检测〔M]北京:人民交通出版社，[J].岩11程学报，1998，(5):118一119.2000:15~16.【4]刘卫东.对嵌岩灌注桩嵌岩深度有关问题的探讨【J」.西部探【10〕王晓谋.赵明华.基础工程(第三版)[M].北京:人民交通出矿工程，1999，11(4):57一59.版社，2(X)3:149一150.【5〕明可前.嵌岩桩受力机理分析【J].岩土力学.1998，19(1):65[川汪荣麒.钻孔桩嵌岩深度计算的探讨[J].公路，1981，(6):10~69.~13.【6]张建新，叶洪东，杜海金，等.嵌岩桩设计中的几个问题的探讨【12」邹新军.桩底锚杆技术及其在基桩竖向承载力侧试中的应用[J]·岩石力学与1程学报，203，22(7):1222一1225.【J].中南公路工程，2005，(4).[7]TomlinsonMJ(1997).桩的设计和施1[从].朱世杰，译.北