公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算.pdf

第 32卷,第 1期2 0 0 7 年 2 月中南公路工程Central South H ighway EngineeringVo.l 32,No.1Feb.,2 0 0 7收稿日期 2006)11)26基金项目 国家自然科学基金资助项目(50378036)作者简介 赵明华(1956),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。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 410082)摘 要 本文深入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入分析,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 U 443.15 文献标识码 A 文章编号 1002)1205(2007)01)0001)04CalculationM ethods for Socketed Length ofRock-socketed PileZHAO M inghua,ZHANG Ling,LI U Jianhua(GeotechnicalEngineering Institute,Hunan University,Changsha,Hunan 410082,China)Abstract Loading transfermechanism of rock-socketed pile is discussed.Then,calculation meth-odsmentioned in the technical codes are analyzed.The insufficient is that the code methods doesnt con-sider some useful effects,such as themoment on pile tip for m ed by pile rollingmotion.Twomodified ca-lculation methods are proposed to make up this insufficien.t F inally,an examples is employed to validatethe method proposed in this paper.The calculation results show that the method ismuch feasibility.Key words rock-socketed pile;loading transfermechanism;socketed length0 前言嵌岩桩因其单桩承载力高、群桩效应小、沉降收敛快等特点,在桥梁工程中应用广泛。有关其受力特性及设计理论研究己有大量报道 1 8。然而,由于嵌岩桩承载力大、试验耗费高且很难进行破坏性试验,因而系统完整的试桩资料和实测资料并不多见,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所列为一些工程中嵌岩桩的嵌岩深度,可见嵌岩深度均较大,表 1 部分公路桥嵌岩桩的嵌岩深度情况Table 1 Socketed length of Partial rock-socketed pile inhighway engineering序号名 称 嵌岩深度岩层类别1四川徐治二桥6.5 14.1砂岩2四川南充嘉陵江桥3.0 7.0粘土页岩3山西唐河桥8.0 9.0风化片麻岩4山西上寨桥2.0 4.0石灰岩5广东赤雁桥2.0风化花岗岩6河北长桑桥3.0片麻岩7长春地区马架子桥3 砂岩8长春地区周家窑桥6 7泥灰岩大多在 2 7m 之间。众所周知,在基岩中钻孔过程极为困难,因此,嵌岩深度选取的合理与否,将直接影响工程进度及工程造价。为此,合理确定嵌岩桩的嵌岩深度极为必要,本文针对嵌岩桩的特点,提出一种新的嵌岩深度的计算方法,以供设计参考。1 嵌岩桩荷载传递机理嵌岩桩在竖向荷载作用下,桩身上段受到压缩而产生相对于土(岩)的向下位移,与此同时桩侧表面受到土(岩)的向上摩阻力,从而将部分桩身荷载传递给桩侧土(岩),故桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土(岩)相对位移等于零处,其桩侧阻力难以发挥而等于零。随着荷载的不断增加,桩身压缩和位移量不断增大,桩身下段侧阻力也随之发挥,直至桩端受到压缩而产生桩端阻力。桩端的压缩又加大了桩土(岩)相对位移,导致桩侧阻进一步发挥。当桩侧阻被完全发挥达极限值后,若继续增加荷载,则荷载增量将全部由桩端阻承担。故嵌 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、桩身嵌岩段侧阻及基岩对桩端的端阻三部分组成(见图 1)。图 1 嵌岩桩受力分析图F igure 1 Stress analysis of rock-socketed pile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岩段侧阻及基岩对桩端的端阻两部分所组成。2 嵌岩深度常用确定方法嵌岩桩的嵌岩深度一般应分别桩身稳定及竖向承载力的要求,以最不利状况控制设计。2.1 按轴向承载力确定最小嵌岩深度如前所述,当不计上覆土层侧阻作用时,单桩轴向受压容许承力 P 可按下式计算 9:P =(C1A+C2Uhr)Ra(1)式中:Ra为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度,kPa;hr为桩嵌入基岩的深度,m,不包括风化层;U为桩嵌入基岩部分的横截面周长;A 为桩底横断面面积;C1、C2为根据孔底清孔情况而定的系数,可按表 2采用。表 2 系数 C1、C2值Table 2 The value of coefficientC1,C2岩石层破碎程度及清底情况C1C2备 注良好的0.60.05一般的0.50.04较差的0.40.031.当 hr 0.5m 时,C1采用表列数值的 0.75倍,C2=0;2.对于钻孔桩,系数 C1、C2值可降低 20%采用。由式(1)可得最小嵌岩深度 hr:hr=P Ra-C1AC2U(2)2.2 按桩身稳定确定最小嵌岩深度考虑桩身稳定时,为简化计算作如下假定:忽略嵌固处水平剪力影响,桩在岩面处桩身弯矩 MH作用下,绕 hr的 1/2处转动;hr范围内应力呈三角形分布(见图 2);图 2 嵌入岩层最小深度计算图式F igure 2 M ini mum depth calculation diagram of Socketedlength 不计桩端与岩层的摩阻力;因桩侧为圆柱状曲面,四周受力不均匀,设桩侧最大压应力为平均压应力的 1.27倍;不计桩端抵抗弯矩,MH由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。根据上述假定,由静力平衡条件(2M=0),可得 10:MH=12#Rmax1.27#d#hr2#23hr(3)故有:hr=7.62 MHRm axd(3)式中:d为嵌岩桩嵌岩部分的设计直径。为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 Rmax不应超过岩层侧向容许抗力 R,即:R=1KB Rc(4)式中:K 为安全系数,可取 K=2;B为岩石垂直极限抗压强度换算为水平极限抗压强度的折减系数,B=0.5 1.0,岩石侧面节理发达的取小值,不发达的取大值;Rc为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度,kPa。由此可得圆形截面嵌岩桩的最小嵌岩深度为:hr=MH0.066 B Rad(5)2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压应力相等,即 Rmax=R,由此可得:hr=MH0.083 3 B Rad(6)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。为此,本文采用如下方法进行改进。3.2 方法一在前述假定基础上,设桩周岩层产生最大侧向压应力 Rmax时,桩端压应力为 ARmax,故桩端断面与基岩接触面上产生的反力矩Mk为:Mk=ARmax#W(7)式中:A为小于 1.0的系数;W为桩底截面模量。令 Rmax R,则可得基桩最小嵌岩深度 hr1为:hr1(圆形截面桩)=MH-Mk0.066 B Rad=MH-0.5AB RaW0.066 B Rad(8)hr1(矩形截面桩)=MH-Mk0.083 3 B Rad=MH-0.5AB RaW0.008 3 B Rad(9)3.3 方法二假定桩端处竖向应力分布如图 3所示,桩径 d与嵌岩深度 hr2的比值,设桩端边缘处的平均最大竖向应力为 Rc,即:Rc=dhr2R(10)根据力矩平衡条件(2M=0),则有:MH=12#R#d#hr22#23hr2+12#dhr2R#d#d2#23d(11)化简即为:h3r2-6 MHR#d#hr2+2d3=0(12)令 a=-6 MHR#d,b=d3,则(12)可转化为:h3r2+ahr2+b=0(13)图 3 嵌入岩层最小深度计算图式(考虑基底反力矩)F igure 3 M ini mum depth calculation diagram of Socketedlength(consider counter moment of botto m)式(13)为一元三次方程,求解可得方程的三个根 hr2,1,hr2,2,hr2,3分别为:hr2,1=3-b2+b22+a33+3-b2-b22+a33hr2,2=3-b2+b22+a33X+3-b2-b22+a33X2hr2,3=3-b2+b22+a32X2+3-b2-b22+a33X式中:X=-1+3 i2。其判别式为:$=a33+b22=-2 MHRd3+d322=d22-2 MHRd#d44+MHdR+4 M2HR2d2根据判别式的情况,方程有不同的根:$=0,有一个实根与一对共轭复根;=0,有三个实根,其中有两个相等;0,有三个不相等的实根。由于复根不符合 hr2的物理意义,且为安全起3 中南公路工程32卷见,应取 hr2,1,hr2,2,hr2,3中最大的正实根作为最小嵌岩深度的解。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 Rmax不超过岩石的侧向容许抗力 R,即有 Rmax=12B Ra。若是圆形截面桩,同样认为最大压应力等于平均压应力的 1.27倍,即 R=12.54B Ra;矩形截面,R=12B Ra。根据MH,Ra,d的大小不同,判别式分别有不同的情况:圆形截面桩:当MHRa 0;当MHRa=Bd310.16时,判别式$=0;当MHRaBd310.16时,判别式$0。矩形截面桩:当MHRa 0;当MHRa=B d38时,判别式$=0;当MHRaB d38时,判别式$0.5m 按公式(8)计算。取 A=0.5,hcr=MH-0.5 AB Ra0.066 B RaD=92-0.5 0.5 0.5 3000.066 0.5 300 1.5=1.92m 0.5m 按公式(13)计算。a=-12 MHB Rad=-12 9200.5 3 000 1.5=0.631 5;b=d3=1.53=3.375代入式(13)可得:hr2,1=-2.73hr2,2=0.57hr2,3=2.16故取 hr2=2.16m。可见按式(5)计算的嵌岩深度过于保守。4.2 按轴力计算最小嵌岩深度取 hr=0.5m,P =(C1A+C2Uhr)Ra=(0.5 1.768+0.04 2.356)3 000=2 931.7 kN 2 900 kN即:当 hr=0.5m时其承载力已能满足要求。5 结论 嵌岩桩的嵌岩深度直接关系到工程的进度和施工成本,因此确定嵌岩桩的合理嵌岩深度极为重要。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。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 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,(下转第 36页)4 中南公路工程32卷杆件号相同,分别为 F1、Fc1、S1、Sc1、X2、X c2。主要承受轴力与纵向剪力以及竖弯弯矩。主桥结构不管在横桥向地震波作用下还是竖向地震波作用下,腹杆、上弦杆、下弦杆以及中跨跨中主梁的内力值均较小,不控制设计。而 3#墩墩底无论在哪种激励下,内力值均较大,还需要进行截面应力验算。6 结论通过运用大型空间有限元程序 ANSYS,分析了卡子湾斜拉桁架桥梁的动力特性,以及在不同地震波作用方式下的位移反应及内力反应,并与有关文献中的上海南浦大桥、徐浦大桥等斜拉桥的抗震性能作比较,以此得出斜拉桁架体系桥梁的一般的抗震特性。斜拉桁架体系桥梁的一阶振动为横桥向侧弯,自振周期较长,上部结构刚度较大,相对较柔的是桥墩部分。漂浮体系的大跨度斜拉桥斜的一阶振动为纵桥向漂移,柔度较大,自振周期长,固有频率低。斜拉桁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,面内振动较小。大跨斜拉桥在纵桥向地震波的作用下,以面内振动为主,面外振动极小,几乎可以忽略不计。在横桥向地震波的作用下,大跨斜拉桥的振动不仅有较大的面外振动,而且面内振动也比较大。横桥向地震作用下,斜拉桁架体系桥梁最大横桥向位移发生在桁顶处,最大竖向位移发生在中跨跨中,纵向位移值较小。说明结构最大位移反应发生在与地震作用方向相同的方向上。斜拉桁架体系桥梁结构位移反应与地震波的频率周期有关,随着地震波峰值加速度的增大而增大,但不成正比。在竖向地震作用下斜拉桁架体系桥梁结构位移响应不明显,说明结构的竖向刚度比较大。不管在哪种地震波激励下,结构的位移最大值均为结构所容许。但横桥向位移较大,应该引起注意。当地震波输入方向改变之后,主梁的受力特征也随着变化,总体来说,主梁变形与地震波的输入方向是一致的,主要受力也与地震波输入方向保持一致。斜拉桁架体系桥梁结构不管在横桥向地震波作用下还是竖向地震波作用下,腹杆、上弦杆、下弦杆以及中跨跨中主梁的内力值均较小,不控制设计。如果存在高墩问题,最高墩墩底为地震作用下全桥最不利点,需要另外进行截面应力验算,以保证地震作用下全桥的安全性。l u 由于斜拉桁架体系桥梁的横桥向刚度较小,因此在设计时应特别注意加强结构的横向联系,以增强横向刚度。参考文献 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:地震出版社,1991.3 JTJ 004)89,公路工程抗震设计规范 S.4 蒋莼秋.世界地震工程 100年(1881 1991)编年简史 J.世界地震工程,1993(1):11 21.5 李国豪.工程结构抗震动力学 M.上海:上海科学技术出版社,1980.6 黄古剑.斜拉桁架桥梁抗震特性分析 D.华中科技大学硕士论文,2004.7 吴 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