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桩基工程理论与设计方法

307 2021-08-04 13:11:33

随着桩基工程技术的发展,桩基理论研究与设计计算方法与传统桩基理论相比,都有了很大的发展,特别是对各类桩型的承载机理与变形的研究、竖向荷载作用下的群桩承载力与变形的研究,桩的水平承载力与抗拨承载力的研究与相应的设计计算方法都取得许多突破性研究成果,并得到了一大批试验数据与工程例证。

一、单桩承载机理与承载力

(一)桩侧摩阻力的发挥性状

研究竖向抗压桩荷载传递特征的方法主要有弹性理论法、有限元法及传递函数法,其中传递函数法为国内外公认的比较能反映实际桩土工作特征的实用方法,而侧阻与端阻是该法的最重要的参数。按照传统理论,桩侧阻力的发挥性能,即发挥极限侧摩阻力所需的位移与桩径无关、趋于一定值。对于粘性土一般为 5~10mm,对砂性土约为 10~ 20mm。对于加工软化型土(如密实粉土、粘土、高结构性黄土等)所需位移较小,且侧摩阻力达最大值后随位移增大而有所减小;对于加工硬化型土(非密实砂、粉土、粉质粘土等)所需位移较大,且极限特征不明显。这一-特性宏观地反映于单桩荷载——沉降特性 Q—S曲线。随着对大育径桩及新型桩承载性状的认识不断深化,桩侧阻力发挥性状趋于定值的结论,也得到了修正。大量实测结果证实,侧阻的发挥性状大小与土性、土层相对位置、成桩工艺及桩径有关。

(二)单桩承载力的深度效应

根据国内外模型及现场有关试验研究表明,桩尖进入均匀持力层,其端阻与侧摩阻力将随入土深度而增加,当深度超过临界深度后,其端阻与侧阻趋于定值,即端阻与侧阻的深度效应;同时侧阻、端阻不受桩端软弱下卧层影响的厚度,即临界厚度以及考虑上履土层,软下卧层对端阻、侧阻影响的计算方法也不断得到完善。临界深度与土性、桩径、上覆压力等有关,临界厚度除与土性,桩径等有关外,还与持力层与下软卧层之间的强度差有关。

(三)大直径桩的承载力

随着大直径桩成桩技术的发展及大直径桩的广泛应用,对大直径桩承载机理与工作性状的研究也逐步深入。研究表明,大直径桩的荷载———沉降关系一般呈缓变型,桩端变形以压密为主,呈渐进型破坏,与常规桩径(D≤800mm)桩的承载特性有所不同。主要表现为钻、挖、冲孔大直径、非嵌岩灌注桩的侧阻松弛效应,端阻力的尺寸效应,大直径钢管桩、预应力管桩的闭塞效应与侧阻挤土效应及其效 应系数已在建筑桩基技术规范(JGJ94—94)中得到反映。

(四)嵌岩桩的承载力

根据大量原位足尺试验研究表明,只要履盖层具有一定厚度(一般大于 15D,D;桩径),则嵌入新鲜基岩一定深度的桩的承载特性仍表现出明显的摩擦型桩的特性,其覆盖层,尤其是风化岩及新鲜基岩的侧阻力的作用十分明显。同时,嵌入新鲜基岩深度只需与桩身材料强度相匹配即可,当嵌入深度大于5 倍桩径时,端阻力发挥值已接近于零,只有对短而粗、清底良好的桩(墩)才表现出明显的端承桩特性。因此,不合理地要求嵌岩深度及不计上履土层、特别是岩层侧阻的设计概念均是不合理的,也是不经济的。

(五)原位测试成果确定单桩承载力

利用静力触探,标贯及旁压试验等原位测试手段估算单桩承载力的方法也得到了发展。利用静力触探估算单桩极限承载力的方法已纳入我国建筑桩基技术规范(JGJ95— 94)。

(六)柱的水平承载力

横向受力桩的分析计算从没有考虑桩土共同作用抗力发挥特性的单一参数法向考虑桩土变形协调、抗力非线性的分析计算方法过渡。

二、群桩承裁特性与设计方法

(一)垂直荷载作用下群桩基础承载特性与设计方法

通过对群桩基础工作性状与变形的研究以及不同土质中系统的大比例现场试验与工程原位观测结果表明,传统的计算模式在很多情况是不适用的,如考虑群桩效率系数折减的方法,往往导致桩数增多,桩距过密,不仅造价提高、沉桩困难,而日会使基桩及群桩承载力降低,变形增大,导致与设计意图相反的结果。对于建筑桩基(低承台桩基)其工作性状表现为承合—桩—地基土共同工作的综合反映,其承载力是桩侧阻力、端阻力与承台土反力的总和,而这三者又与桩侧、桩端土性、桩距、桩长与承台宽度比、桩数与排列、成桩工艺等因素有关。群桩承载力的研究已由传统的单一群桩效率模式向考虑侧阻、端阻、承台土反力自身变化特性的计算模式过渡。我国建筑桩基技术规范(JGJ94—94)已将考虑基桩侧阻、端阻群桩效应的分项效率系数设计方法纳入规范,以取代传统的群桩效率和等代墩基设计方法。

关于群桩沉降计算方法,应用 Mindlin 解计算群桩沉降的计算方法经越来越多的工程实测证明、比传统的 Boussinesg 解为基础的等代墩基法更符合实际。引入等效沉降系数以反映 Mindlin 解与 Boussinesq 解的相互关系,采用 Mindlin 弹性分析夹反陕荷载、桩长、桩距,桩数排列及土层、土性对桩基变形影响的改进等代墩基沉降计算方法已被纳入建筑桩基技术规范(JGJ94—94)。

(二)水平力作用下群桩承载特性与设计方法

对于水平力作用下的群桩承载特性的研究,目前已对承台—地基土的相互作用及工作性状有了一定的认识,对水平力作用方向上各桩受力分配的不均匀性等有了从定性到定量的认识过程。但对水平荷载作用下群桩承载特性的研究以及相应设计方法的探讨,应该说目前还在不断完善过程中。建筑桩基技术规范(JGJ94—94)提出了二种群桩水平承载力的计算方法。一种只考虑承台、桩群、土相互作用以线弹性反力系数为基础的计算方法;另一种则以单桩水平承载力为基础,考虑承台,桩群、土相互作用以及桩顶约束效应、承台埋置深度效应(低承台群桩承台侧面抗力效应与承台基底摩阻效应)以及桩距、桩数、"桩的布置与土性等因素的分项综合效应系数法。

三、可靠度理论在桩基设计计算中的应用

从定值设计法向可靠度方法转轨是目前国内外岩土工程设计规范改革中的一个重要问题。由于使用可靠度设计方法可以更好地反映桩基础中桩土共同工作、荷载条件及土层参数等不确定因素,因此桩基设计从定值法转轨到可靠度法是发展的趋势。建筑桩基技术规范(JGJ94-—94)即是以概率极限状态进行设计,考虑承载力和正常使用两种极限状态,采用分项系数和标准值表示的实用设计方法。

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