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　　摘 要：本文通過總結(jié)大量北京地區(qū)非均質(zhì)互層地基土鉆孔灌注長(zhǎng)樁載荷試驗(yàn)資料，對(duì)傳統(tǒng)的荷載傳遞函數(shù)及分析方法進(jìn)行改進(jìn)，建立了預(yù)估單樁極限承載力的方法。通過對(duì)具體工程實(shí)例的應(yīng)用分析，表明采用本文提出的荷載傳遞分析方法，計(jì)算結(jié)果能夠反映互層地基土層的單樁豎向荷載傳遞特征，確定單樁極限承載力的方法和得出的結(jié)果是可靠和可行的。
　　關(guān)鍵詞：非均質(zhì)地層；鉆孔灌注樁；荷載傳遞分析；豎向承載力

　　1 引言
　　大直徑鉆孔灌注長(zhǎng)樁因具有豎向承載力高、變形小等特點(diǎn)，在北京地區(qū)的高層建筑、橋梁工程中已得到廣泛使用[1]。與此同時(shí)，對(duì)基樁豎向荷載傳遞分析及承載力研究也已取得了諸多有價(jià)值的成果。但圍繞大直徑長(zhǎng)樁荷載傳遞特征、承載力的可靠評(píng)價(jià)、巖土設(shè)計(jì)參數(shù)取值等方面，仍迫切需要從理論與工程實(shí)踐結(jié)合和技術(shù)應(yīng)用角度，提出更為科學(xué)、合理、安全和適用的研究方法、評(píng)價(jià)手段和設(shè)計(jì)施工參數(shù)。
　　在樁基承載力的計(jì)算分析與評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)的荷載傳遞方法具有概念明確、計(jì)算簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[2][3]。本文針對(duì)北京地區(qū)典型的巖土工程條件，在綜合大直徑鉆孔灌注長(zhǎng)樁現(xiàn)場(chǎng)豎向載荷試驗(yàn)資料和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的荷載傳遞函數(shù)及分析方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了適用于北京地區(qū)非均質(zhì)互層地基土大直徑鉆孔灌注長(zhǎng)樁極限承載力的預(yù)估方法。采用具體的工程實(shí)例，對(duì)本文提出的單樁極限承載力估算方法進(jìn)行工程驗(yàn)證。本文研究成果，對(duì)非均質(zhì)地層條件下的同類樁基工程承載力分析和樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化有重要意義和借鑒作用。
　　2 單樁荷載傳遞分析方法
　　2.1 荷載傳遞函數(shù)
　　摩阻力的發(fā)揮程度與樁土相對(duì)位移有關(guān)，通常將它們之間的關(guān)系稱作傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)曲線的形狀比較復(fù)雜，它與土層性質(zhì)、埋深、施工工藝和樁徑大小有關(guān)，根據(jù)土性不同，曲線形式大致有如下三種，即加工硬化型，加工軟化型及理想塑性型[2][3]。
　　北京中心城區(qū)地層為第四紀(jì)沖洪積形成的粗細(xì)顆粒土交互沉積土層，基礎(chǔ)樁通常采用卵礫石、砂土層作為樁端持力層，樁側(cè)為層狀交互的非均質(zhì)土層。樁、土體系的荷載傳遞與地基土條件、樁長(zhǎng)、樁土剛度變化及成樁工藝等關(guān)系密切。通過總結(jié)近年來大量的大直徑鉆孔長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)研究成果[2][3]，樁側(cè)應(yīng)力下的荷載傳遞函數(shù)形式總體符合加工硬化型規(guī)律，樁土體系荷載傳遞函數(shù)可用三折線函數(shù)（式1）來描述。隨著樁頂荷載增加，側(cè)摩阻力發(fā)揮可概化分為三個(gè)階段（圖1）：階段Ⅰ為線彈性階段，即樁側(cè)摩阻力隨樁土相對(duì)變形增大而線性遞增；階段Ⅱ?yàn)榧庸び不A段，側(cè)摩阻力隨樁土相對(duì)變形增大繼續(xù)增加；階段Ⅲ為殘余變形階段，樁側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮。與之對(duì)應(yīng)的荷載傳遞參數(shù)為k1、su1和k2、su2。
　　2.2 荷載傳遞函數(shù)的改進(jìn)
　　為使荷載傳遞法合理、準(zhǔn)確地應(yīng)用于單樁承載力分析，基于對(duì)樁基載荷試驗(yàn)資料的研究，考慮非均質(zhì)互層地基土條件、樁長(zhǎng)及地基土原始應(yīng)力狀態(tài)、樁側(cè)和樁端后壓漿工藝，從以下幾方面簡(jiǎn)化和改進(jìn)荷載傳遞函數(shù)。
　　在非均質(zhì)地層條件下，將基樁樁周土層劃分為n層；計(jì)算某級(jí)荷載-位移條件下相鄰?fù)翆咏缑嫣幍臉渡砦灰坪洼S力，并將軸力、位移作為對(duì)應(yīng)下一土層頂面的樁截面處的荷載和位移；依次對(duì)每一土層迭代計(jì)算，得出樁身變形和軸力的分布結(jié)果。為合理考慮樁長(zhǎng)及地基土埋深條件，按以下方法確定式（1）中參數(shù)k1、k2： 　　式中，k10、k20――僅根據(jù)土層性質(zhì)確定的荷載傳遞階段Ⅰ和階段Ⅱ斜率參數(shù)；
　　k1、k2――考慮埋深影響下的荷載傳遞階段Ⅰ和階段Ⅱ斜率參數(shù)；
　　ξ σ――荷載傳遞階段Ⅰ和階段Ⅱ斜率的埋深影響系數(shù)。
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁基載荷試驗(yàn)資料和土層室內(nèi)壓縮模量的對(duì)比關(guān)系研究[4][5]，以及北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司開展的大型現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)結(jié)果及研究成果[6]，埋深影響系數(shù)ξ σ可按下式計(jì)算： 　　其中，γm――樁側(cè)第i層土以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度；
　　hi――樁側(cè)第 層土以上的土層厚度；
　　δ――埋深系數(shù)，粘性土、粉土取0.08，砂土、碎石土取0.09。
　　北京地區(qū)大直徑灌注長(zhǎng)樁通常會(huì)采用后壓漿工藝提高單樁承載力，在考慮樁端和樁側(cè)后壓漿工藝影響時(shí)，按式（4）確定荷載傳遞參數(shù)： 　　式中，k1, pg、k2, pg――考慮后壓漿工藝條件下的荷載傳遞參數(shù)；
　　ξ pg――荷載傳遞的后壓漿工藝影響系數(shù)。后壓漿工藝影響系數(shù)受地層條件及施工工藝影響較大，特別是樁身多處部位采用后壓漿工藝條件下，需根據(jù)實(shí)際工程載荷試驗(yàn)結(jié)果分析確定。
　　2.3 單樁豎向極限承載力的預(yù)估
　　采用荷載傳遞法進(jìn)行單樁豎向極限承載力估算，考慮如下假定：
　　（1）考慮到超長(zhǎng)樁Q-s曲線具有的緩變型特點(diǎn)，單樁極限承載力由樁頂變形控制。
　?。?）假設(shè)在各級(jí)樁頂變形下，樁身變形分布均呈指數(shù)函數(shù)分布。
　?。?）根據(jù)我公司搜集的大直徑超長(zhǎng)樁載荷試驗(yàn)資料，此類樁在極限荷載下，樁端阻力發(fā)揮仍較小，因此荷載傳遞分析可忽略樁端阻力，其計(jì)算雖偏于安全，但仍在合理評(píng)價(jià)范圍內(nèi)。
　　在上述假定基礎(chǔ)上，采用如下分析過程：首先選定樁頂變形序列值s0i，計(jì)算對(duì)應(yīng)不同深度樁身和土層界面的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，進(jìn)而確定相應(yīng)的樁頂荷載Q0i，得出Qi - si曲線。當(dāng)Qi - si曲線出現(xiàn)陡降拐點(diǎn)，按陡降始點(diǎn)確定單樁極限承載力；對(duì)緩變形Qi - si曲線，按樁頂沉降確定極限承載力。單樁豎向極限承載力預(yù)估流程見圖2。
　　3 荷載傳遞方法預(yù)估單樁極限承載力的工程應(yīng)用
　　3.1 工程概況
　　北京某地塊工程為集甲級(jí)辦公樓、高端商業(yè)、酒店于一體的綜合性建筑，占地范圍約為136m×84m，建筑總高度約528m。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，本工程由主塔樓及外圍純地下室組成，各部分建筑設(shè)計(jì)條件如表1。
　　根據(jù)巖土工程勘察成果，最大勘探深度180.00m范圍的土層為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩大類。場(chǎng)區(qū)內(nèi)人工堆積層厚度和巖性的分布不均勻，人工堆積層以下為第四紀(jì)沉積的粘質(zhì)粉土，巖性主要為粘性土、粉土、砂類土、卵礫石等互層。根據(jù)本工程巖土工程勘察資料所反映的地層情況，采用有效樁長(zhǎng)43m、樁徑1000mm、樁端持力層卵石層的初步樁基設(shè)計(jì)方案，預(yù)估單樁豎向極限承載力。
　　3.2 參數(shù)取值
　　荷載傳遞分析方法應(yīng)用的關(guān)鍵是確定反映荷載傳遞機(jī)理、分層土特性的傳遞計(jì)算參數(shù)。本文作者通過搜集北京地區(qū)樁長(zhǎng)20m ~ 40m、樁徑800mm ~ 1200mm的數(shù)十根大直徑鉆孔樁載荷試驗(yàn)資料。根據(jù)對(duì)其荷載－變形規(guī)律的研究，以及結(jié)合地基土層抗剪強(qiáng)度、壓縮模量等土性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算、數(shù)值模擬及擬合Q–s曲線的反分析，得出在按樁頂沉降確定單樁豎向極限承載力條件下，考慮層狀非均質(zhì)地基條件、樁長(zhǎng)與樁側(cè)土埋深、灌注樁后壓漿等因素的改進(jìn)荷載傳遞參數(shù)取值范圍。
　　根據(jù)與本工程鄰近類似超長(zhǎng)樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，本工程采用如下荷載傳遞參數(shù)，見表2。 　　注：本工程采用后壓漿工藝，按本工程巖土工程勘察資料所反映的地層情況，樁側(cè)有三處地層適宜分別進(jìn)行壓漿，因此后壓漿工藝提高系數(shù)略有不同，樁身上部該系數(shù)取較大值，下部取較小值。
　　3.3 單樁豎向極限承載力估算結(jié)果
　　圖3為單樁Q-s曲線分析結(jié)果，由圖3可知，Q-s曲線具有緩變型特點(diǎn)，曲線上未出現(xiàn)明顯破壞點(diǎn)。當(dāng)樁頂變形s＝33mm時(shí)，對(duì)應(yīng)樁頂荷載Q＝36085kN，達(dá)到壓樁試驗(yàn)豎向承載力極限值（36000kN）。經(jīng)插值計(jì)算，單樁豎向承載力極限值（36000kN）下對(duì)應(yīng)樁頂變形約為32.9mm。
　　圖4和圖5分別為樁身軸力分布和樁側(cè)摩阻力發(fā)揮曲線分析結(jié)果。由圖4和圖5可見，樁身軸力沿深度逐步減小。當(dāng)樁頂變形較小（小于9mm）時(shí)，即對(duì)應(yīng)樁頂荷載較小時(shí)，樁頂荷載主要由樁身上部側(cè)摩阻力承擔(dān)；隨著荷載的增加，樁身上部側(cè)摩阻力不再增加，樁身下部側(cè)摩阻力逐漸增大。
　　4 對(duì)單樁極限承載力估算結(jié)果的驗(yàn)證
　　為確定單樁承載能力，并驗(yàn)證荷載傳遞分析方法的合理性，本工程進(jìn)行試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)。
　　4.1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)
　　本工程3根試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)基本情況見表3。