【文章內(nèi)容簡介】 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，這與樁的實際工作性狀也不相符，僅在荷載較小時能得出較準(zhǔn)確的解，荷載較大時，則會產(chǎn)生較大的偏差。盡管如此，近年來以該法計算單樁沉降的可靠性己得到了工程技術(shù)界廣泛重視；另外該方法的一個主要優(yōu)點是只要通過簡單地推廣便可進行群樁的分析，沒有考慮土連續(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化隨著計算機的高速發(fā)展和計算技術(shù)的進步，有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)等數(shù)值計算方法也被引入樁基的計算分析之中，它以模擬功能較強而具有較強的理論分析價值。有限元法是用有限個單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)代替原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，來分析應(yīng)力與變形。它很適于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題，而土體的應(yīng)力變形分析恰好就存在這些困難問題。此外，有限元可以把地基、基礎(chǔ)，甚至上部結(jié)構(gòu)作為一個整體進行計算，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，使它們之間本來存在著的有機聯(lián)系得到很好的反映。自1966年美國Clough和Woodward首先用有限元法分析土壩以來，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算分析，首先使用二維軸對稱有限元法來分析鉆孔灌注樁，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，如計算參數(shù)不易確定、計算結(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)確地反映真實情況。對于單樁的有限元分析，可以按軸對稱問題考慮，而對于群樁的計算則是一個連續(xù)半空間的三維問題了。三維有限元法計算精度很高，較為符合實際情況，但計算過程復(fù)雜，耗時較長。為此，需要較大的計算機內(nèi)存和較快的運行速度，使得實用性受到限制。邊界元法計算工作量比有限元法要小，只需要對樁土界面進行離散，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，且需要對解析點進行雙重積分，有時這很困難并費時。 Poulous(1969年)提出了單樁沉降計算的邊界元法，Butcrficld和Bancrjee在1971年對邊界元法加以深入。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)情況時要對基本解進行修正，使樁的分析結(jié)果適用于各種實際地基情況。 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)測理論是一種新型預(yù)測理論，它利用連續(xù)的灰色微分方程模型，對系統(tǒng)進行觀察分析，并做出長期預(yù)測。在處理方法上，灰色系統(tǒng)理論首先將雜亂無章的原始數(shù)據(jù)通過累加或累減整理成規(guī)律性較強的生成數(shù)，然后再進行進一步研究，從而使尋找數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的過程變得非常簡單明了。根據(jù)灰色預(yù)測理論，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)序列進行變換后，通過建立灰色微分方程，可對系統(tǒng)的發(fā)展變化進行全面地分析、預(yù)測，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)理論的觀點來看，樁土體系是個灰色系統(tǒng)，因此，完全可以把樁基工程的有關(guān)問題作為灰色系統(tǒng)來看待，用灰色系統(tǒng)理論加以預(yù)測。目前灰色系統(tǒng)理論在樁基工程中的應(yīng)用主要包括對單樁承載力、沉降的預(yù)測以及用灰色關(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)理論進行單樁極限承載力的估算，只需對單樁靜載荷試驗中各級荷載下樁的沉降觀測值進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，就可以推測預(yù)定沉降對應(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)測單樁承載力和沉降還有不受樣本數(shù)量限制的優(yōu)點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是由大量而簡單的處理單元以某種拓撲結(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、非線性、容錯性強等特點，特別適用于處理各種非線性問題。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到最優(yōu)目的的一門科學(xué)。對樁基進行優(yōu)化設(shè)計，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，以達到技術(shù)效益和經(jīng)濟效益的高度統(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)在這方面展開了積極的探索并取得了階段性成果。 1．3．6 試驗方法目前研究樁基承載性狀主要是指通過現(xiàn)場試驗或模型試驗，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，采用原位測試(如：靜力觸探)估算單樁承載力等近年來，大量的工程技術(shù)人員還從理論與實踐相結(jié)合的角度出發(fā)，又探索出各種單樁承載性能的簡便估算方法。用室內(nèi)試驗進行單樁荷載傳遞研究，集中在采用直剪儀或三軸剪力儀測定不同土類、不同壓力下土的荷載傳遞函數(shù)。Coyle和Reese在三軸剪力儀中測定粘土與鋼管樁間的荷載傳遞函數(shù)；Kezdi用直剪儀測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)場試驗?，F(xiàn)場試驗主要包括單樁靜載試驗及樁身應(yīng)力測試，靜載試驗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。運用靜力載荷法測試單樁豎向承載力，盡管設(shè)備笨重、造價高、時間長，但迄今為止還是其它任何動力檢驗法無法替代的基樁檢測方法，其試驗結(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)合研制成功的靜動法(Statnamic)，是目前國際上一種嶄新的樁基荷載測試方法，它利用一個類似于火箭的裝置，攜帶一定量的反力作用于樁頭，點火后在樁頭產(chǎn)生一個相對平緩持續(xù)的推力，從而獲得可分解的荷載試驗曲線，最終通過解析處理獲得靜荷載曲線。該方法允許測量最大承載力可達7000噸，而且不受樁型、樁斜和樁周環(huán)境的限制，特別適用于測量斜樁、群樁和水上作業(yè)的各種樁型，簡便易行，相對成本比靜載低，使試驗結(jié)果更接近于靜載，因此被稱為靜動法。目前已在荷蘭、加拿大、美國、德國、日本、韓國和新加坡等國得到認可和應(yīng)用，我國建設(shè)部的質(zhì)檢中心于1995年6月，首次運用靜動法成功地進行了灌注樁承載力的測試表演，但至今未能得到全面推廣。20世紀80年代中期，在美國提出了一種樁承載力自平衡試驗法(也稱Osterberg試樁法)，國內(nèi)清華大學(xué)、東南大學(xué)等已開始對其進行研究，該法是省去試驗的外加反力系統(tǒng)，通過在樁體內(nèi)植入扁式千斤頂進行試驗，裝備簡單，無需構(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，試驗成本也大大降低，近幾年來該方法在我國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，缺乏合理的評價指標(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基本查明。其次是樁身混凝土質(zhì)量，也可在成樁后通過超聲波或各種動測設(shè)備測定和評價。另外對樁豎向承載力影響較大、也不容易檢測或定量考慮的是:樁底沉渣厚度、樁側(cè)泥皮厚度、孔壁形狀、成樁時間長短及施工工藝、技術(shù)水平，樁身混凝土剛度等。 樁底沉渣對承載力的影響比較突出。實驗證明，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，極限狀態(tài)下樁端阻損失達90%以上，樁側(cè)阻損失也很大，從而直接損失樁豎向承載力。泥皮厚度過厚也會導(dǎo)致樁側(cè)土層側(cè)阻不能正常發(fā)揮。影響也比較大，過長的成孔時間會導(dǎo)致樁側(cè)阻、端阻損失，從而直接損失樁豎向承成孔時間對樁承載力正常發(fā)揮使單樁承載力損失可達5080%以上?？妆谛螤?、成樁工藝和技術(shù)等對樁的豎向承載力都會造成一定影響，從而使樁豎向承載力有很大的離散性和隨機性。綜合上述因素，在計算單樁豎向承載力時應(yīng)考慮除場地因素以外的其它因素對承載力降低的影響。為了提高樁豎向承載力，針對以上原因，除了嚴格施工程序和改進施工工藝以外，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了樁底、樁側(cè)后注漿的工藝技術(shù)。大量工程實踐證明，采用合理工藝的樁底注漿效果很不錯，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)注的核心問題，貫穿勘查、設(shè)計、施工等全部過程。大直徑深長鉆孔灌注樁具有與一般樁有著不同的承載特點，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)濟技術(shù)效益，是工程設(shè)計人員和施工人員十分關(guān)心的問題。關(guān)于影響大直徑深長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，很多的研究沒有普遍性，大大的影響其理論及工程實踐的發(fā)展，隨著越來越多的大直徑深長鉆孔灌注樁的使用，對于其承載力理論的進一步研究是非常有必要的，以便設(shè)計人員更好的根據(jù)不同的地區(qū)進行較為合理的設(shè)計，同時也可降低成本和造價。盡管大直徑深長鉆孔灌注樁己被大量使用，但這類樁的荷載傳遞機理目前還不是很清楚，樁的設(shè)計仍按普通樁的計算理論進行，迄今還沒有符合實際的計算方法，設(shè)計單位很難做到經(jīng)濟又合理?，F(xiàn)行規(guī)范關(guān)于大直徑深長鉆孔灌注樁設(shè)計理論并非建立在其承載變形機理探討的基礎(chǔ)上，存在理論與實際之間的矛盾。因此，研究大直徑深長鉆孔灌注樁荷載傳遞機理不僅是樁基理論自身發(fā)展的需要，同時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)驗方法還是理論方法，都必須建立在試驗的基礎(chǔ)之上，并通過試驗來驗證其方法的準(zhǔn)確性。大量的這方面的現(xiàn)場試驗，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)場試驗的成果并結(jié)合理論研究方法對大直徑深長鉆孔灌注樁的承載性狀作較為系統(tǒng)的研究。本文以江陰長江大橋北塔橋墩灌注樁工程為背景，基于大量的實測數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)大直徑深長鉆孔灌注樁的荷載傳遞性能，對單樁進行分析，并與實測對比。之后，對該工程1，2號根試樁的函數(shù)曲線進行分析，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，通過分析表明規(guī)范在本地區(qū)的應(yīng)用有待進一步的研究，并提出按一定的樁頂沉降量來預(yù)測未加載至破壞的試樁的極限承載力，并通過對QS曲線得出對應(yīng)的極限承載力。本文的開展路線如下：(1)從試驗準(zhǔn)備、現(xiàn)場測試以及數(shù)據(jù)的處理，詳細介紹大直徑鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗過程，并對試驗結(jié)果做詳細的分析，得到該地區(qū)大直徑深長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題中的應(yīng)用，通過現(xiàn)場大直徑深長鉆孔灌注樁的現(xiàn)場靜載荷試驗數(shù)據(jù)，繪出實測荷載傳遞曲線圖。(3)通過對現(xiàn)場的2根大直徑深長鉆孔灌注樁的靜載荷試驗分析，得出該地區(qū)加載過程中QS曲線特點，并提出按一定樁頂沉降量預(yù)測未加載至破壞試樁的極限承載力的方法，對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，荷載通過承臺傳遞給樁頂。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)部強度穩(wěn)定準(zhǔn)則；樁的外部強度穩(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)中最為簡單的受力桿件，所以由樁的內(nèi)部強度穩(wěn)定準(zhǔn)則分析確定單樁承載力比較簡單。由樁的外部強度穩(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度決定樁的承載力；由樁的功能性穩(wěn)定準(zhǔn)則分析計算樁的承載力，一般是指由樁基的沉降來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。由外部強度準(zhǔn)則確定樁基的承載力和單樁的沉降計算一直是樁基理論的重點和難點。眾多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了很多研究，提出了很多計算方法。以下將首先回顧一下單樁承載力的計算方法?，F(xiàn)在樁基一般是根據(jù)樁的承載能力進行設(shè)計。單樁的極限承載力一般是由單樁外部強度穩(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、原位測試法、經(jīng)驗法和直接實驗法。 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。采用靜力計算法計算樁基承載力，樁側(cè)摩阻力的計算類似于直剪試驗中土的庫倫準(zhǔn)則，而樁端承載力的計算類似于地基承載力的極限平衡理論。 樁端阻力的計算以剛塑體理論為基礎(chǔ)，假定不同的破壞滑動面形態(tài)，便可導(dǎo)得不同的極限樁端阻力理論表達式。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（）可進一步簡化： ()—土的不排水剪切強度很多學(xué)者都探討過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趨于上限值。對于排水條件較好的砂性土，可認為持力層的有效粘聚力=0，且(1/2)γ一