一种根据Q－S曲线辅助分析桩身极限摩阻的方法

2011-08-10郅正华张广斌冀智勇

城市勘测 2011年4期

郅正华，张广斌，冀智勇

(1.河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050031;2.衡水市建设工程质量监督站，河北衡水 050031)

1 前言

通常情况下较精确的桩身摩阻分析需要借助桩身应力观测，但造价通常较高，难以在实践中推广。除此之外还有根据Q－S曲线的形态特征分析桩身摩阻的几何作图法等，作图法虽然简单，但理论依据模糊，分析结果容易因人而异，故也得不到应有的重视。本文根据加荷过程中桩身的应力特征进行了等效理论分析，推导出了根据Q－S曲线数据分析桩身极限摩阻的公式，通过f－Q曲线最大值点可以较准确地确定桩身极限摩阻值和桩身等效单位摩阻值，同时可以通过f－S曲线的特征较精确地给出对应于极限摩阻的桩顶位移量。

2 分析原理

实践表明，当某一荷载下桩身摩阻达到极限值时，随着荷载的逐级增大，桩身各部位的轴力增量将基本一致，即开始出现轴力曲线的平行状态，可据此获得计算桩身等效摩阻的简化公式并实现相应的分析，以下介绍推导过程。

图1 计算用简图

在非极限荷载Qi作用下，设桩(桩长L)Li深度桩身轴力为零，并设桩侧摩阻随深度增加近似呈线性分布，则桩身压缩量为(如图1所示):

式中:Qi—分级荷载;

Fx—x深度处的总摩阻;

Li—荷载作用深度;

E—桩身等效弹性模量;

A—桩身横截面积。

当荷载未传递到桩底时，桩顶加载产生的沉降量即桩身压缩量，Si对应于载荷试验的实际观测值。将式(1)变形可得到对应于Qi的荷载作用深度Li，即:

在施加另一荷载Qi+1时，桩身总摩阻增加量:

新增荷载作用下产生的深度增量为Li+1－Li，设桩身直径为d，则对应的桩身侧面积为△Bi=πd(Li+1－Li)，新增荷载主要由该深度增量范围内桩体以摩阻的形式承担，区别于实际的桩身摩阻，将该方法计算的桩身摩阻称为等效摩阻或视摩阻，即:

将式(2)代入上式并变形得到式(5)。

图2 计算用简图

图2分别为桩身摩阻达到极限值前后的等效轴力简图。当桩顶荷载未达到极限值时，即图2(a)，满足αi＞αi+1，即等效摩阻值为表达式(5);当某级荷载i之后桩身摩阻达到极限状态时，桩身轴力增量等于荷载增量时，即图 2(b)，则有 αi=αi+1，即=，此时式(5)可简化为:

显然，当桩身摩阻达到极限状态时，其等效摩阻值满足式(6)的关系，根据式(6)可分别构造出f－Q及f－S曲线。为了从f－Q或f－S的曲线特征点中识别出桩身极限摩阻的位置，需进一步了解桩身摩阻达到极限状态时的主要特征。根据桩身应力观测结果，当桩身摩阻达到极限状态时，会有两种特征反应。其一，当桩身摩阻达到极限状态时，随着桩顶荷载的进一步增大，桩身摩阻值将不再增大，甚至摩阻值会有所减小，即在f－Q曲线上，极限摩阻应对应于曲线上的最大值;其二，当桩身摩阻达到极限状态时，随着桩身位移的继续增大，桩身摩阻将出现下降(也称钝化或软化)的现象，表现在f－S曲线上，最大值对应的位移为极限摩阻时的位移。根据这两个典型的特征反应可在f－Q及f－S曲线上很方便地识别出桩身极限摩阻及其对应的位移。

3 应用示例

某工程试桩长52 m，桩径1.0 m，设计强度C30，获得的载荷试验 Q－S曲线如图3所示。已知 d=1.0 m，经桩身实际标定E=2.8×104MPa，根据三根试桩的Q－S曲线分别构造用于辅助分析的f－Q、f－S曲线，计算结果如图4、图5所示。

图3 Q－S曲线

图4 f－Q 曲线

图5 f－S 曲线

根据图4中f－Q曲线特征，最大值清晰可辨，对应f出现最大值的荷载可确定各桩的极限摩阻值分别为:Q1，us=6500 kN;Q2，us=9500 kN;Q3，us=8500 kN。另外，根据图5中f－S曲线最大值点对应的S值，可确定对应于单桩极限摩阻力时的桩顶沉降量，本例中S1，us=11.28 mm，S2，us=9.86 mm，S3，us=8.83 mm。通过 f－S 曲线特征还可清晰地观察到侧阻的软化现象，即桩身摩阻达到极限状态时，随着位移的增大，侧阻将发生衰减的现象。可见，该方法用于分析桩身摩阻更加直观便利。