【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 另外該方法假定樁～土之間位移協(xié)調(diào)，即樁～土之間不產(chǎn)生滑動(dòng)，這與樁的實(shí)際工作性狀也不相符，僅在荷載較小時(shí)能得出較準(zhǔn)確的解，荷載較大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。盡管如此，近年來(lái)以該法計(jì)算單樁沉降的可靠性己得到了工程技術(shù)界廣泛重視；另外該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是只要通過(guò)簡(jiǎn)單地推廣便可進(jìn)行群樁的分析，沒(méi)有考慮土連續(xù)性的方法則不能分析群樁。1．3．4 有限元法以及其它方法簡(jiǎn)化隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)等數(shù)值計(jì)算方法也被引入樁基的計(jì)算分析之中，它以模擬功能較強(qiáng)而具有較強(qiáng)的理論分析價(jià)值。有限元法是用有限個(gè)單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)代替原來(lái)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，來(lái)分析應(yīng)力與變形。它很適于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問(wèn)題，而土體的應(yīng)力變形分析恰好就存在這些困難問(wèn)題。此外，有限元可以把地基、基礎(chǔ)，甚至上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，可以考慮土體的非線性彈塑性，考慮地基、基礎(chǔ)和上層結(jié)構(gòu)的相互作用，使它們之間本來(lái)存在著的有機(jī)聯(lián)系得到很好的反映。自1966年美國(guó)Clough和Woodward首先用有限元法分析土壩以來(lái)，有限元法在巖土工程中的應(yīng)用發(fā)展迅速。Ellison等人于1971年較早將有限元法用于單樁沉降計(jì)算分析，首先使用二維軸對(duì)稱有限元法來(lái)分析鉆孔灌注樁，Ottaviani將三維有限元用于群樁的分析，尤其是樁身與土之間的荷載傳遞特性。有限元法也有缺點(diǎn)，如計(jì)算參數(shù)不易確定、計(jì)算結(jié)果及其影響因素間的關(guān)系不直觀等，而且其結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于所選擇的土和樁土界面的本構(gòu)關(guān)系模型參數(shù)是否能夠準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況。對(duì)于單樁的有限元分析，可以按軸對(duì)稱問(wèn)題考慮，而對(duì)于群樁的計(jì)算則是一個(gè)連續(xù)半空間的三維問(wèn)題了。三維有限元法計(jì)算精度很高，較為符合實(shí)際情況，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。為此，需要較大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和較快的運(yùn)行速度，使得實(shí)用性受到限制。邊界元法計(jì)算工作量比有限元法要小，只需要對(duì)樁土界面進(jìn)行離散，在接觸面用荷載傳遞函數(shù)或彈性理論模擬土的性狀，建立樁土之間的平衡和位移協(xié)調(diào)關(guān)系。但是邊界元法難以處理土的非均質(zhì)性，且需要對(duì)解析點(diǎn)進(jìn)行雙重積分，有時(shí)這很困難并費(fèi)時(shí)。 Poulous(1969年)提出了單樁沉降計(jì)算的邊界元法，Butcrficld和Bancrjee在1971年對(duì)邊界元法加以深入。楊敏以邊界積分法為基礎(chǔ)分析樁，并以Mindlin應(yīng)力解為基本解，在考慮各種非均質(zhì)情況時(shí)要對(duì)基本解進(jìn)行修正，使樁的分析結(jié)果適用于各種實(shí)際地基情況。 1．3．5 灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和最優(yōu)化理論灰色預(yù)測(cè)理論是一種新型預(yù)測(cè)理論，它利用連續(xù)的灰色微分方程模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觀察分析，并做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。在處理方法上，灰色系統(tǒng)理論首先將雜亂無(wú)章的原始數(shù)據(jù)通過(guò)累加或累減整理成規(guī)律性較強(qiáng)的生成數(shù)，然后再進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而使尋找數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單明了。根據(jù)灰色預(yù)測(cè)理論，把那些有限的、不確切的、包含系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行變換后，通過(guò)建立灰色微分方程，可對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展變化進(jìn)行全面地分析、預(yù)測(cè)，從而尋找到數(shù)據(jù)內(nèi)在的規(guī)律性。我們知道，樁土體系是一個(gè)由樁和樁周圍的巖土介質(zhì)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，用系統(tǒng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，樁土體系是個(gè)灰色系統(tǒng)，因此，完全可以把樁基工程的有關(guān)問(wèn)題作為灰色系統(tǒng)來(lái)看待，用灰色系統(tǒng)理論加以預(yù)測(cè)。目前灰色系統(tǒng)理論在樁基工程中的應(yīng)用主要包括對(duì)單樁承載力、沉降的預(yù)測(cè)以及用灰色關(guān)聯(lián)分析研究單樁的承載性能，所采用的模型大多為GM(1，1)模型。用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行單樁極限承載力的估算，只需對(duì)單樁靜載荷試驗(yàn)中各級(jí)荷載下樁的沉降觀測(cè)值進(jìn)行累加或累減使之呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，再用特定的函數(shù)去逼近擬合建立灰色微分模型和響應(yīng)函數(shù)，跟蹤樁頂沉降隨荷載增加的發(fā)展趨勢(shì)，就可以推測(cè)預(yù)定沉降對(duì)應(yīng)的荷載值或預(yù)定荷載的沉降值。用灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)單樁承載力和沉降還有不受樣本數(shù)量限制的優(yōu)點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是由大量而簡(jiǎn)單的處理單元以某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛的互相連接而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)性強(qiáng)、非線性、容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于處理各種非線性問(wèn)題。在樁基工程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更多的被用于預(yù)測(cè)單樁的承載力、沉降和分析單樁的承載性能等方面。所謂最優(yōu)化，就是研究在一定限制條件下，如何尋找并選取某種方案以達(dá)到最優(yōu)目的的一門(mén)科學(xué)。對(duì)樁基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證安全的前提下，減小樁數(shù)或減小樁徑，最大限度的發(fā)揮地基土和樁的承載潛力，降低樁基造價(jià)，以達(dá)到技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益的高度統(tǒng)一應(yīng)該是樁基礎(chǔ)發(fā)展的方向。不少專家學(xué)者己經(jīng)在這方面展開(kāi)了積極的探索并取得了階段性成果。 1．3．6 試驗(yàn)方法目前研究樁基承載性狀主要是指通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或模型試驗(yàn)，建立土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與樁基承載性狀的關(guān)系。如有些規(guī)范中根據(jù)土類、土的狀態(tài)及樁基類型與成樁工藝確定樁側(cè)阻力，采用原位測(cè)試(如：靜力觸探)估算單樁承載力等近年來(lái)，大量的工程技術(shù)人員還從理論與實(shí)踐相結(jié)合的角度出發(fā)，又探索出各種單樁承載性能的簡(jiǎn)便估算方法。用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行單樁荷載傳遞研究，集中在采用直剪儀或三軸剪力儀測(cè)定不同土類、不同壓力下土的荷載傳遞函數(shù)。Coyle和Reese在三軸剪力儀中測(cè)定粘土與鋼管樁間的荷載傳遞函數(shù)；Kezdi用直剪儀測(cè)定砂土的荷載傳遞函數(shù)。目前絕大多數(shù)研究人員采用的是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要包括單樁靜載試驗(yàn)及樁身應(yīng)力測(cè)試，靜載試驗(yàn)是目前研究單樁的承載性能及單樁荷載一沉降特性最常用的手段。運(yùn)用靜力載荷法測(cè)試單樁豎向承載力，盡管設(shè)備笨重、造價(jià)高、時(shí)間長(zhǎng)，但迄今為止還是其它任何動(dòng)力檢驗(yàn)法無(wú)法替代的基樁檢測(cè)方法，其試驗(yàn)結(jié)果的可靠性也是毋庸置疑的。1989年由加拿大伯明翰公司(Berming Hammer)和荷蘭皇家科學(xué)院建工研究所(TNO)聯(lián)合研制成功的靜動(dòng)法(Statnamic)，是目前國(guó)際上一種嶄新的樁基荷載測(cè)試方法，它利用一個(gè)類似于火箭的裝置，攜帶一定量的反力作用于樁頭，點(diǎn)火后在樁頭產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)平緩持續(xù)的推力，從而獲得可分解的荷載試驗(yàn)曲線，最終通過(guò)解析處理獲得靜荷載曲線。該方法允許測(cè)量最大承載力可達(dá)7000噸，而且不受樁型、樁斜和樁周環(huán)境的限制，特別適用于測(cè)量斜樁、群樁和水上作業(yè)的各種樁型，簡(jiǎn)便易行，相對(duì)成本比靜載低，使試驗(yàn)結(jié)果更接近于靜載，因此被稱為靜動(dòng)法。目前已在荷蘭、加拿大、美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)和新加坡等國(guó)得到認(rèn)可和應(yīng)用，我國(guó)建設(shè)部的質(zhì)檢中心于1995年6月，首次運(yùn)用靜動(dòng)法成功地進(jìn)行了灌注樁承載力的測(cè)試表演，但至今未能得到全面推廣。20世紀(jì)80年代中期，在美國(guó)提出了一種樁承載力自平衡試驗(yàn)法(也稱Osterberg試樁法)，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、東南大學(xué)等已開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究，該法是省去試驗(yàn)的外加反力系統(tǒng)，通過(guò)在樁體內(nèi)植入扁式千斤頂進(jìn)行試驗(yàn)，裝備簡(jiǎn)單，無(wú)需構(gòu)筑笨重的反力設(shè)施，而且可以清楚地分出側(cè)摩阻力與端摩阻力分布和各自的荷載～位移曲線，試驗(yàn)成本也大大降低，近幾年來(lái)該方法在我國(guó)公路和鐵路上得到推廣應(yīng)用。 提高豎向承載力措施 影響灌注樁承載力的因素較多，離散性較大，缺乏合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響大直徑灌注樁豎向承載力的主要因素有:樁側(cè)、樁端土層性質(zhì)，直接關(guān)系到樁側(cè)摩阻和樁端阻力大小，該因素可在工程勘察時(shí)基本查明。其次是樁身混凝土質(zhì)量，也可在成樁后通過(guò)超聲波或各種動(dòng)測(cè)設(shè)備測(cè)定和評(píng)價(jià)。另外對(duì)樁豎向承載力影響較大、也不容易檢測(cè)或定量考慮的是:樁底沉渣厚度、樁側(cè)泥皮厚度、孔壁形狀、成樁時(shí)間長(zhǎng)短及施工工藝、技術(shù)水平，樁身混凝土剛度等。 樁底沉渣對(duì)承載力的影響比較突出。實(shí)驗(yàn)證明，沉渣厚度大小往往決定樁的破壞方式，使樁沉降量比正常樁大，樁端土的承載力在允許的樁頂沉降下難以發(fā)揮。當(dāng)有較厚沉渣時(shí)，極限狀態(tài)下樁端阻損失達(dá)90%以上，樁側(cè)阻損失也很大，從而直接損失樁豎向承載力。泥皮厚度過(guò)厚也會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)土層側(cè)阻不能正常發(fā)揮。影響也比較大，過(guò)長(zhǎng)的成孔時(shí)間會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)阻、端阻損失，從而直接損失樁豎向承成孔時(shí)間對(duì)樁承載力正常發(fā)揮使單樁承載力損失可達(dá)5080%以上?？妆谛螤睢⒊蓸豆に嚭图夹g(shù)等對(duì)樁的豎向承載力都會(huì)造成一定影響，從而使樁豎向承載力有很大的離散性和隨機(jī)性。綜合上述因素，在計(jì)算單樁豎向承載力時(shí)應(yīng)考慮除場(chǎng)地因素以外的其它因素對(duì)承載力降低的影響。為了提高樁豎向承載力，針對(duì)以上原因，除了嚴(yán)格施工程序和改進(jìn)施工工藝以外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了樁底、樁側(cè)后注漿的工藝技術(shù)。大量工程實(shí)踐證明，采用合理工藝的樁底注漿效果很不錯(cuò)，不但可提高單樁承載力，還可以減小單樁沉降量以及群樁的不均勻沉降。1．5 問(wèn)題的提出及研究意義在鉆孔灌注樁工程中，承載力的要求始終是比較關(guān)注的核心問(wèn)題，貫穿勘查、設(shè)計(jì)、施工等全部過(guò)程。大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁具有與一般樁有著不同的承載特點(diǎn)，影響其單樁極限承載力的因素很多且不穩(wěn)定，合理地確定其極限承載力，充分提高樁基的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，是工程設(shè)計(jì)人員和施工人員十分關(guān)心的問(wèn)題。關(guān)于影響大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載力因素的研究，不少學(xué)者從施工質(zhì)量、承載力的確定方法、計(jì)算模型、巖土層條件等不同的角度作出不少的探索和研究，但是由于影響其承載力因素繁多復(fù)雜，目前系統(tǒng)的研究還不夠，很多的研究沒(méi)有普遍性，大大的影響其理論及工程實(shí)踐的發(fā)展，隨著越來(lái)越多的大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的使用，對(duì)于其承載力理論的進(jìn)一步研究是非常有必要的，以便設(shè)計(jì)人員更好的根據(jù)不同的地區(qū)進(jìn)行較為合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)也可降低成本和造價(jià)。盡管大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁己被大量使用，但這類樁的荷載傳遞機(jī)理目前還不是很清楚，樁的設(shè)計(jì)仍按普通樁的計(jì)算理論進(jìn)行，迄今還沒(méi)有符合實(shí)際的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)單位很難做到經(jīng)濟(jì)又合理?，F(xiàn)行規(guī)范關(guān)于大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)理論并非建立在其承載變形機(jī)理探討的基礎(chǔ)上，存在理論與實(shí)際之間的矛盾。因此，研究大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁荷載傳遞機(jī)理不僅是樁基理論自身發(fā)展的需要，同時(shí)也是工程界的迫切要求。 本文的研究思路和所做工作不管是經(jīng)驗(yàn)方法還是理論方法，都必須建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其方法的準(zhǔn)確性。大量的這方面的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為我們研究樁的承載性狀提供了寶貴的數(shù)據(jù)，本文則試圖利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成果并結(jié)合理論研究方法對(duì)大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的承載性狀作較為系統(tǒng)的研究。本文以江陰長(zhǎng)江大橋北塔橋墩灌注樁工程為背景，基于大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的荷載傳遞性能，對(duì)單樁進(jìn)行分析，并與實(shí)測(cè)對(duì)比。之后，對(duì)該工程1，2號(hào)根試樁的函數(shù)曲線進(jìn)行分析，得出該地區(qū)有關(guān)樁頂荷載與沉降關(guān)系的一些結(jié)論，通過(guò)分析表明規(guī)范在本地區(qū)的應(yīng)用有待進(jìn)一步的研究，并提出按一定的樁頂沉降量來(lái)預(yù)測(cè)未加載至破壞的試樁的極限承載力，并通過(guò)對(duì)QS曲線得出對(duì)應(yīng)的極限承載力。本文的開(kāi)展路線如下：(1)從試驗(yàn)準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)據(jù)的處理，詳細(xì)介紹大直徑鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做詳細(xì)的分析，得到該地區(qū)大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁在豎向載荷作用下的樁側(cè)和樁端的荷載傳遞特性，以及各土層在各級(jí)荷載下樁側(cè)土阻力的發(fā)揮特性。(2)具體介紹荷載傳遞法在分析單樁豎向承載力問(wèn)題中的應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出實(shí)測(cè)荷載傳遞曲線圖。(3)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的2根大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的靜載荷試驗(yàn)分析，得出該地區(qū)加載過(guò)程中QS曲線特點(diǎn)，并提出按一定樁頂沉降量預(yù)測(cè)未加載至破壞試樁的極限承載力的方法，對(duì)嵌巖樁和非嵌巖樁分別得出了工作荷載下單樁沉降的估算公式。第二章 單樁豎向承載力 樁基可由單根樁構(gòu)成，如一柱一樁的情況，也可以是有多根樁組成的群樁，荷載通過(guò)承臺(tái)傳遞給樁頂。樁基礎(chǔ)按其功能不同，可分為承受豎向壓力的樁、承受軸向拔力的樁及承受橫向荷載的樁，其中以承受豎向壓力的樁居多。在樁基理論中，單樁的承載力是核心問(wèn)題，又由于本文主要探討橋梁等高重結(jié)構(gòu)中的大直徑深長(zhǎng)灌注樁，故本文將集中討論豎向荷載下單樁的承載性能。根據(jù)破壞機(jī)理的不同，單樁承載力的分析確定原則可分為三類，即：樁的內(nèi)部強(qiáng)度穩(wěn)定準(zhǔn)則；樁的外部強(qiáng)度穩(wěn)定準(zhǔn)則；樁的功能性穩(wěn)定準(zhǔn)則。由于樁是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最為簡(jiǎn)單的受力桿件，所以由樁的內(nèi)部強(qiáng)度穩(wěn)定準(zhǔn)則分析確定單樁承載力比較簡(jiǎn)單。由樁的外部強(qiáng)度穩(wěn)定準(zhǔn)則確定樁的承載力，是指由樁的周圍介質(zhì)與樁接觸面的剪切強(qiáng)度決定樁的承載力；由樁的功能性穩(wěn)定準(zhǔn)則分析計(jì)算樁的承載力，一般是指由樁基的沉降來(lái)決定樁承載力的方法。由于樁周介質(zhì)的復(fù)雜性,由外部強(qiáng)度準(zhǔn)則和功能性準(zhǔn)則確定樁基的承載力比較復(fù)雜。由外部強(qiáng)度準(zhǔn)則確定樁基的承載力和單樁的沉降計(jì)算一直是樁基理論的重點(diǎn)和難點(diǎn)。眾多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了很多研究，提出了很多計(jì)算方法。以下將首先回顧一下單樁承載力的計(jì)算方法?，F(xiàn)在樁基一般是根據(jù)樁的承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。單樁的極限承載力一般是由單樁外部強(qiáng)度穩(wěn)定準(zhǔn)則所確定。確定單樁承載力的方法主要有近似理論法、原位測(cè)試法、經(jīng)驗(yàn)法和直接實(shí)驗(yàn)法。 近似理論法單樁的極限承載力由極限側(cè)阻力和極限端阻力組成，一般可忽略二者之間的相互影響，因而,可表示為二者之和： ()因此，只要分別計(jì)算樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力，再將二者相加就可以得出樁的承載力。采用靜力計(jì)算法計(jì)算樁基承載力，樁側(cè)摩阻力的計(jì)算類似于直剪試驗(yàn)中土的庫(kù)倫準(zhǔn)則，而樁端承載力的計(jì)算類似于地基承載力的極限平衡理論。 樁端阻力的計(jì)算以剛塑體理論為基礎(chǔ)，假定不同的破壞滑動(dòng)面形態(tài)，便可導(dǎo)得不同的極限樁端阻力理論表達(dá)式。代表性的樁端阻力極限平衡理論有太沙基（Terzaghi,1943）、梅耶霍夫（Meyerhof,1951）、別列贊策夫（1961）和魏西克（Vesic,1963）公式。各家理論的樁底地基極限承載力公式可歸納為式（）所示的形式，只是有關(guān)系數(shù)有所不同。 ()式中、—承載力因數(shù)，為土的內(nèi)摩擦角的函數(shù)，無(wú)因次 —地基土的內(nèi)聚力—樁端處的豎向應(yīng)力—樁端直徑γ—土的容重若樁端土為飽和粘土（=0），式（）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化： ()—土的不排水剪切強(qiáng)度很多學(xué)者都探討過(guò)Nc 的取值，根據(jù)大量的研究表明Nc 的取值一般間于6到9 之間，且隨樁的入土深度的增長(zhǎng)趨于上限值。對(duì)于排水條件較好的砂性土，可認(rèn)為持力層的有效粘聚力=0，且(1/2)γ一