钻孔灌注嵌岩桩的变形与破坏

【摘要】由于超高层建筑的兴建,钻孔灌注嵌岩桩得到了广泛应用。本文具体分析研究了钻孔灌注嵌岩桩的变形与破坏。

【关键字】钻孔灌注，嵌岩桩，变形，破坏

中图分类号：U443.15+4文献标识码： A 文章编号：

一．前言

根据桩的现场静载试验结果,分析研究了钻孔灌注嵌岩桩的承载变形破坏特征。认为钻孔灌注嵌岩桩属端承摩擦桩,其极限承载力主要由桩侧土层摩阻力和嵌岩段的嵌固力提供,而桩端反力只有在嵌岩段发生相当位移之后方能发挥作用;钻孔灌注嵌岩桩的变形与破坏可大体划分为大变形渐进式破坏和小变形突然破坏两种类型,具体破坏模式可能有两种:桩体材料发生破坏或桩的嵌岩部分发生破坏。

二．承载特点

从理论上分析,钻孔灌注嵌岩桩的极限承载力由三部分组成,即桩侧极限摩阻力、嵌岩段桩侧极限摩阻力和极限端阻力,见图1。其竖向极限承载力标准值可用下式表示：

式中U为桩的周长;ξsi为土层侧阻力发挥系数;qski为桩周第i层土的极限侧阻力标准值;Li为第i层土层厚度;ξr,ξp分别为嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数;frc为岩石饱和单轴抗压强度;Hr为桩的嵌岩深度;Ap为桩底面积。

根据桩的静载试验结果,从Q ~ S曲线可以确定嵌岩桩的极限承载力,从logQ ~ S曲线用作图法可以较为准确地确定钻孔灌注嵌岩桩极限承载力、极限侧阻力以及端承阻力的大小。

表1列出了用上述方法确定的4根桩的极限承载力、极限侧阻力和极限端承力的数

据。由数据可知：

而Qsk/Quk在60%~79%之间,说明土层极限侧阻力在极限承载力中发挥主导作用,而嵌岩段端承阻力则发挥次要作用。

表1破坏桩的荷载分配比

由于从logQ ~ S曲线用作图法不能分别确定Qrk和Qpk的大小,只能求出Qrk+Qpk之值,因此,不能比较其大小。但不考虑土层对桩的侧阻力,只考虑嵌岩段的侧阻力(嵌固力),而且,桩端悬空的模型试验结果表明,桩仍可承受较大的荷载而不发生破坏。因此,我们可以推断,在实际桩的嵌岩段中嵌固力发挥主导作用,桩端反力只起次要作用,且只有在嵌岩段桩发生一定量的剪切位移之后方能发挥作用。据此,当嵌岩段剪切位移很小时可认为Qpk≈0。因而式(2)可改变为

式(3)表明,在钻孔灌注嵌岩桩单桩承载力的设计计算中,可以只考虑土层的侧阻力和嵌岩段的侧阻力(嵌固力),不考虑桩端反力,而把桩端反力作为安全储备是可取的。

三．Q ~ S曲线的特点及破坏模式

所谓桩的破坏,主要是指桩在高荷载作用下,桩顶沉降超过了允许值,或桩体材料发生破坏,或持力层(土或岩石)发生破坏的现象。这些现象一般都可以从Q ~ S曲线上判断出来。钻孔灌注嵌岩桩属端承摩擦桩,由于持力层为岩石,且桩端又嵌入可压缩性很小的中风化或微风化基岩之中,因此嵌岩桩的Q ~ S曲线的特点及破坏与摩擦桩相比有独特的特点。

1.大变形渐进式破坏型

图2中Jen5号桩的Q ~ S曲线为其典型代表。该桩桩长53.20m,桩径0・8m,桩嵌入强风化砂岩2・20m,桩端置于中风化砂岩顶面;要求加载值为7000kN,实际加载为7200kN,桩沉降达63・02mm。若按40mm取值,则桩的极限承载力只有5800kN,达不到设计要求。这类桩的破坏特点是,在较高荷载作用下,桩发生了远大于40mm的沉降,但桩在每级荷载作用下,仍能达到稳定标准(但时间较长)而不发生突然破坏,Q~S关系曲线没有明显拐点。logt ~ S曲线基本上保持线性关系,而且由密变疏,级差沉降增加。产生这种类型破坏的原因,则很可能是桩的嵌岩深度不够,或石质较差,嵌固力较小而造成的。因此,Jen5桩的Q ~ S曲线则更表现出摩擦桩的特性。

2．小变形突然破坏型

钻孔灌注嵌岩桩在高荷载作用下,通常发生小变形突然破坏。图3和图4分别画出了4根桩的Q ~ S全过程曲线。表2列出了这4根桩的基本参数。

（一）桩在破坏之前的变形特征

首先，桩在破坏之前,在各级荷载作用下,桩的沉降较为正常,级差沉降变化不大,基本上达到了设计要求的加载值,标志桩周土的摩擦力和嵌岩段的嵌固力得到了较好发挥,桩的承载能力较高。

其次，桩在破坏前一级荷载作用下,桩的沉降都能达到稳定标准,Q ~ S曲线比较平缓,logt ~ S曲线基本保持线性关系,没有明显的破坏前兆现象。

（二）桩在破坏之后的变形特征

首先，D2和D4桩的变形与破坏特征完全相同,以D2为例,桩的破坏特征是:当加载到10950 kN,且稳压20 min时,桩的沉降只有37・03mm,几分钟后,桩突然发生破坏,桩顶荷载迅速降低,而桩仍在继续下沉,直达到3150kN时,桩顶荷载与沉降才趋于稳定,桩的沉降达50・92 mm。此时,再卸载,桩仍可发生微量回弹,但回弹量只有总沉降值的23%。从桩突然发生破坏,桩顶荷载急剧降低,而桩沉降大幅度增加,以及卸载回弹变形小等现象判断,很可能是桩体材料发生破坏。

其次，SH2桩的破坏特点是:当加载到14000kN并稳压30min后,桩顶荷载突然降低,而桩仍在继续下沉。在75 min内荷载由14000 kN降到11 550 kN,而桩的沉降由24・60 mm增加到33・95 mm。后又强行加载,以观察其变形发展情况。从11550kN又加到13300kN,90 min内桩又沉降了17・40mm,累计沉降量达51・35 mm。此时终止加载,并进行卸载,桩的回弹变形为17・40mm,为总沉降量的33%,有趣的是再次加载后的沉降量全部得到了恢复。

从桩顶荷载迅速降低,桩沉降仍在增加,再加载,压力可以增加,但桩的沉降增加幅度不大,以及再加载而桩沉降卸载后可以完全恢复等现象判断,SH2桩很可能是桩的嵌岩段发生了剪切位移破坏,使端承反力发挥了作用。

最后，Jen2桩的变形破坏特点是:当加载到11000 kN并稳压90 min之后,桩的沉降为30・12mm,并发现桩顶荷载略有降低(约500kN),之后立即补压,但只能维持在11 500kN,而桩的沉降却成直线增加,达70・27mm。终止加载并进行卸载,桩回弹了22・27mm,回弹32%。由桩破坏后的Q ~ S曲线大体平行于S轴判断,桩周土的摩阻力和嵌固力已充分发挥而为常值。这种现象可能表明,桩的嵌岩段发生了剪切位移破坏,且桩端又存在较厚的沉碴被压缩,因而,桩的沉降成直线增加,但桩的承载力则基本保持不变。

表2 4根破坏桩的基本参数

综上所述,桩在破坏前和破坏后的特征如下。

首先，桩在破坏前没有明显的前兆现象,而是在向下一级荷载过渡或在稳压过程中发生突然破坏。从荷载急剧减小,桩仍继续下沉等判断,呈现出脆性破坏的特点。

其次，桩在破坏后,桩顶荷载急剧降低,桩继续下沉,若令其自动卸载,则桩顶荷载和沉降均可达到一个稳定值(例如D2和D4桩),此时,再进行人为控制卸载,桩仍可发生微量回弹,但残余变形比较大。

最后，桩的破坏原因可能是多方面的,但对钻孔灌注嵌岩桩,其具体破坏模式可能有两种:一是桩体材料发生破坏;二是桩的嵌岩部分发生破坏。对于产生这两种破坏模式的原因,笔者认为,钢筋混凝土桩和岩石都是难以压缩的固体材料(可视为弹塑性体),在高荷载作用下,桩和嵌岩部分会积聚很大的弹性应变能,一旦弹性应变能超过了桩体材料强度或嵌岩段混凝土与岩石胶结面的抗剪强度时,就会引起桩体破坏或者嵌岩部分发生破坏。

四．结束语

总之，钻孔灌注嵌岩桩破坏没有明显的前兆现象,在高荷载作用下常发生突然破坏,桩破坏时表现出桩顶荷载急剧降低,而桩的沉降在继续增加,直至各自达到一个稳定值,再行卸载,桩仍可发生微量回弹。同时桩的破坏可能有桩体材料发生破坏和桩的嵌岩部分发生剪切破坏两种模式。

参考文献：

[1]李箐 钻孔灌注嵌岩桩自平衡静载试验研究与分析中南大学2007-12-01硕士

[2]赵昱鹃 钻孔灌注嵌岩桩的合理设计山西建筑2008-10-01期刊