樁基中的土力學問題

1、樁基中的土力學問題樁的作用；樁基具有多種獨特的功能，根據(jù)工程的特點，它可以發(fā)揮不同的作 用，具體體現(xiàn)再以下幾個方面：（1）通過樁的側(cè)面和土體的接觸，將荷載傳給樁周土體，或?qū)⒑奢d 傳給深層的基巖、 砂石或堅硬的粘土層， 從而獲得很大的承載能力以 支承重型建筑物。（2）對于液化的地基，為了地震時仍然保持建筑物的安全，通過樁 穿過液化土層，將荷載傳給穩(wěn)定的不液化土層。（3）樁基具有很大的豎向剛度，因而采用樁基的建筑物，沉降比較 小，而且比較均勻， 可以滿足對沉降要求比較嚴格的上部結(jié)構(gòu)的安全 需要和使用要求。（4）樁具有很大的側(cè)向剛度和抗拔能力，能抵抗臺風和地震引起的 巨大水平力、上拔力和傾覆力矩，保

2、持高聳結(jié)構(gòu)和建筑安全；（5）改變地基基礎(chǔ)的動力特性，提高地基基礎(chǔ)的自振頻率，減小振 幅，保證機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。樁大的用途隨著樁基技術(shù)研究的不斷深入， 其應(yīng)用也日益廣泛， 可應(yīng)用于各種地 質(zhì)條件和各類工程建設(shè)中。 目前應(yīng)用最廣泛的是將樁作為建筑物的下 部荷載向地基深部傳遞荷載， 樁頂部用承臺將上部結(jié)構(gòu)與其下的多根 樁連成一體，共同發(fā)揮作用。由于樁基礎(chǔ)承載力大，沉降小，因而長 用于以下工程中：（1）荷載較大，而對沉降的要求有嚴格特殊限制的建筑物中；（2）有較大上拔力，而且對傾覆量有特殊要求的高聳結(jié)構(gòu)中；（3）活載占荷載比例較大的建筑物中；（4）用于動力機器基礎(chǔ)，以減小基礎(chǔ)振幅；（5）用于容易因地

3、震而液化的地基；除此之外， 樁的零一個突出的用途是作用圍護結(jié)構(gòu)支擋土體， 防止岸 坡、基槽、基坑、土體開挖中出現(xiàn)的土壁坍塌。 這類樁常成排狀設(shè)置， 有時連接成壁狀。一、負摩阻力當樁周土層相對于樁側(cè)向下位移時 ,產(chǎn)生向下的摩阻力稱為負摩 阻力。負摩阻力的存在將給樁的工作帶來不利的影響。 樁身受到負摩 阻力時，即在樁身上施加了一個豎向向下的荷載， 而使樁身的軸力加 大，樁身的沉降增大，樁的承載力降低。當樁身的下沉量大于樁周土層下沉量時，樁身側(cè)表面摩擦力仍然 是向上的摩阻力（正的摩阻力） ；當樁身的下沉量小于樁周土的下沉 量時，樁身側(cè)表面摩擦力是向下的摩阻力（負的摩阻力） 。 1、 樁側(cè)負摩阻力產(chǎn)生

4、的條件： 樁側(cè)負摩阻力產(chǎn)生的條件： 樁側(cè)土體下沉必須大于樁身下沉。 當土層 相對于樁有向下的位移時，應(yīng)考慮樁側(cè)有負摩阻力作用。 幾種產(chǎn)生負摩阻力的原因：1）在樁周地面上有大面積堆載、填土等，或樁側(cè)地面承受局部較 大的長期荷載。2) 樁基礎(chǔ)場地地下水位下降3) 打樁時，樁穿越土層是自重欠固結(jié)土、自重濕陷性黃土、松散 填土進入相對較硬的土層。4) 樁側(cè)凍土的融陷。2、 樁側(cè)負摩阻力應(yīng)用 在樁側(cè)負摩阻力主要應(yīng)用于樁基礎(chǔ)的承載力和計算。1) 對于摩擦型樁基。 負摩阻力相當于對樁體施加下拉荷載， 使持 力層壓縮加大，隨之引起樁基礎(chǔ)沉降。樁基礎(chǔ)沉降一旦出現(xiàn)， 土相對于樁的位移又會減少， 反而使負摩阻力降低

5、， 直到轉(zhuǎn)化 為零。因而， 一般情況下對摩擦型樁基， 可近似看成中性點以 上樁側(cè)負摩阻力為零來計算樁基礎(chǔ)承載力。2) 對于端承型樁基， 由于其樁端力持力層較堅硬， 受負摩阻力引 起下拉荷載后不至于產(chǎn)生沉降或沉降量較小， 此時負摩阻力將 長期作用于樁身中性點以上側(cè)表面。 因此，應(yīng)計算中性點以上 負摩阻力形成的下拉荷載， 并將下拉荷載作為外荷載的一部分 來驗算樁基礎(chǔ)的承載力。結(jié)論：整體沖剪驗算，將樁基礎(chǔ)視為等效深基礎(chǔ)來計算。 單獨沖剪的驗算只對樁基礎(chǔ)中的基樁進行計算。二、樁基的長期沉降 ; 土體的應(yīng)力應(yīng)變時間效應(yīng)對樁基長期沉降有重要影響。在長 期荷載作用下樁基的沉降主要包括兩個部分： 樁尖刺入量和

6、樁底 土體的蠕變壓縮沉降。采用Mesri蠕變模型描述土體的蠕變行為， 用樁的 Mindlin 應(yīng)力公式計算樁端和樁側(cè)荷載在樁端平面以下產(chǎn) 生的附加應(yīng)力， 用 Boussinesq 應(yīng)力公式計算承臺分擔荷載產(chǎn)生的 應(yīng)力。分別給出了樁尖刺入量和樁底土體蠕變壓縮量的計算方 法，從而提出了一種考慮土體蠕變效應(yīng)的樁基長期沉降計算方 法。計算結(jié)果與樁基長期監(jiān)測結(jié)果較為吻合， 表明在獲得可靠的 計算參數(shù)后可用提出的方法估算樁基長期沉降。 使用樁的目的在 很多情況下是為了減少建筑物的沉降， 因而樁基應(yīng)基于沉降預測的結(jié) 果來進行設(shè)計。 近年來， 在深厚軟土地區(qū)推廣應(yīng)用的基于沉降的樁基 設(shè)計方法相對于常規(guī)的基于承

7、載力的設(shè)計， 樁工作在一個較高應(yīng)力水 平狀態(tài)下，如“蠕變樁基礎(chǔ)”的每根樁的設(shè)計工作荷載通常為極限荷 載的70% 8O%。在較高應(yīng)力水平狀態(tài)時，在恒定荷載作用下土體蠕 變將導致顯著的樁頭位移， 甚至樁的承載力將逐步減小。 土體的粘彈 性或蠕變性對樁的荷載傳遞反應(yīng)有顯著的影響， 從而對樁在荷載作用 下的沉降有明顯的影響。 研究表明， 由土的固結(jié)產(chǎn)生的樁的沉降較小 ?。工程實踐表明， 樁基最終沉降量往往是初始沉降量的幾倍。因此， 沉降的蠕變部分理應(yīng)成為樁基長期沉降倍受關(guān)注的方面。 工程實際中 考慮土體的流變性質(zhì)， 依賴于對蠕變變形過程的合理描述。 關(guān)于土體 流變已有相當多的研究， 但流變模型本構(gòu)方程

8、的復雜性難以獲得解析 解，或因為諸多元件參數(shù)與可測試得到的土性參數(shù)之間難以聯(lián)系， 因 而給工程應(yīng)用帶來不便。 特別是涉及到考慮應(yīng)力應(yīng)變時間效應(yīng)的樁基 沉降時， 目前還缺乏一種簡便實用而易于為工程設(shè)計人員掌握的計 算方法。 Mesri 蠕變模較好地描述特定地區(qū)土體的蠕變特性，其參數(shù)簡單，并可通過三軸應(yīng)力應(yīng)變二、打樁應(yīng)力預應(yīng)力混凝土管樁 （以下簡稱管樁 ） 在施打過程中，由于經(jīng)受高溫 能量樁錘的反復沖擊，在樁頂部和樁身均產(chǎn)生打樁應(yīng)力，而且應(yīng)力的 峰值波動較大。有時還會超過樁靜態(tài)極限承載力的允許應(yīng)力，使樁頂 部的混凝土在打樁過程中受到破壞或樁身出現(xiàn)環(huán)向裂縫，致使打樁中 斷，甚至危及樁的完整性，以至于

9、使樁的承載力與耐久性受到削弱。 因此，在管樁基礎(chǔ)施工中，絕不可忽視打樁應(yīng)力的影響： 1、打樁應(yīng)力的形式打樁應(yīng)力是在打樁過程中產(chǎn)生的， 其主要形式有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力， 大小、形式與樁錘、土體抗力，打樁操作有關(guān)：打樁應(yīng)力可以通 過PDA動測儀探測到。一般管樁多采用中高能量柴油錘施打， 也可 以用落錘施打。樁頂部在樁錘的打擊下，產(chǎn)生高值壓應(yīng)力，以壓 力波的形式迅速傳到樁底， 并產(chǎn)生反射應(yīng)力波 當樁頂部的初始壓 應(yīng)力向下傳到樁尖時，如果樁尖處土層的阻力很大，那么反射的 是壓應(yīng)力波，反射波傳到樁頂，如果樁頂部的自由度大，壓應(yīng)力 波又以拉應(yīng)力波的形式向下反射。如果樁尖處土層阻力很小，那 么，向上反射的是拉應(yīng)

10、力波。樁截面任意點的應(yīng)力值是向下傳遞 的壓應(yīng)力和向上反射的拉應(yīng)力的代數(shù)和 據(jù)有關(guān)T程實測資料顯 示，打樁應(yīng)力的峰值多數(shù)在3550MP之間，拉應(yīng)力在有些情況下 甚至達到50MP以卜。在大多數(shù)情況下，托應(yīng)力是由拉壓交替作用 的。打樁應(yīng)力的產(chǎn)生是復雜的，受打樁阻力、打樁機具、打樁方法等因素的影響，因此，必須具體分析2、影響打樁應(yīng)力的主要因素在管樁基礎(chǔ)施工中，普遍 現(xiàn)的問題主要有兩類：一是由于不規(guī)則 的高壓應(yīng)力作用，造成樁頂部混凝土的破損（如圖1所示）;二是由 于不規(guī)則的拉壓應(yīng)力的作用，產(chǎn)生環(huán)向裂縫或混凝土破損 （如圖2 所示）。這兩種情況都是不規(guī)則的高值打樁應(yīng)力超過樁的極限強度所致。根據(jù)統(tǒng)計情況分析

11、，導致產(chǎn)生高值打樁應(yīng)力的因素是多方面的，主要有以下幾個方面的原因:（1）在打樁方面，主要是樁墊不好，偏心打樁所致。（2）由于在樁基設(shè)計時，過高地估計管樁的抗沖擊能力，往往只注意 樁的靜態(tài)承載力而忽視了樁體的抗沖擊強度，選擇打樁參數(shù)過于 保守。（3）地質(zhì)條件的影響，主要表現(xiàn)在當樁穿過軟土層（如淤泥層 和突然 進入硬土層時，則打樁應(yīng)力會發(fā)生變化，前者會產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力(巖石更甚 ) ，后者會產(chǎn)生托應(yīng)力。(4) 樁的制作偏差也會中導致局部應(yīng)力集中。3 、對打樁應(yīng)力的控制措施：打樁應(yīng)力的產(chǎn)生是無法避免的，但是對其控制是必要的和可能 的。根據(jù)以往對管樁的使用情況來看 可以從以下幾個方面采取措施 加以控制

12、：(1) 要根據(jù)工程地質(zhì)條件和滿足設(shè)計承載力的要求確定最后的貫入度，并且合理地掌握。決定管樁承載力的因素是多方面的，僅僅 以最后貫人度作為控制標準，嚴格地說是不夠準確的，而那種用 極小的貫入度去追求保證承載力的做法，對于預制樁來說是不利 的，因為這樣會使樁體潛伏著產(chǎn)生“內(nèi)傷”的危險。(2) 要重視錘的選擇。過大或過小的錘對于施打管樁都是不利的。(3) 軟土層較厚時，樁尖直接進入強風化巖、砂巖等巖層時，不宜用 過小的貫人度來滿足過高的承載力，當所采取的打樁措施不能奏 效的情況下，應(yīng)考慮承載力的取值。(4) 在打樁過程中，要注意持力層的變化，加強對沉樁過程的觀察與記錄。(5) 理論與實驗都證明，采

13、用適當?shù)腻N墊和樁墊是減少打樁應(yīng)力的最有效的方法。(6) 打樁應(yīng)遵循“力戒偏打”的原則，對于施打管樁尤為重要。打樁 應(yīng)力的峰值往往是由于偏心沖擊引起的局部應(yīng)力。(7) 長短樁的接樁順序，在一些情況下，對打樁應(yīng)力有著重要影響4、結(jié)束語：通過以上分析可知，打樁應(yīng)力是在樁承受荷載之前產(chǎn)生的，是臨 時荷載，但是可能給預制樁造成的危害卻很容易被忽視，因此，在管 樁基礎(chǔ)施工中必須予以足夠的重視。 三、樁基和樁體復合地基的抗震特性近幾年來，我國沿海地區(qū)廣泛采用樁體復合地基的方法來進行軟 土地區(qū)的地基處理， 通過這種方法能有效地提高地基承載力， 減少沉 降，達到改善地基土工程性質(zhì)的目的， 滿足建筑物對地基穩(wěn)定和

14、變形 的要求 在有較薄軟土層的地質(zhì)條件下， 素混凝土剛性短樁復合地基 是一種有效的地基加固處理方法。 下面所提到的微樁就是指的素混凝 土剛性短樁，資料表明，微型樁一般適用于中、小型建筑物的軟土地 基處理，此法能較大幅度地提高地基承載力在地震設(shè)防區(qū)，樁的設(shè) 置改善了場地條件， 有利于抗震 該方法用于大豐市海北墾區(qū)排澇涵 洞、如東水廠、南通大東漂染車間等多項工程的地基處理， 效果較好。 根據(jù)相似理論擬定一微群樁復合地基模型，借助有限元軟件Marc對該 微型樁基減降抗震特性進行研究， 旨在為微群樁復合地基工程設(shè)計及 應(yīng)用提供依據(jù)。結(jié)果表明， 微樁的加入使樁分擔了很大的應(yīng)力，減少 了地基的沉降，改善了場地條件，有利于抗震，在工程設(shè)計和應(yīng)用上 有著重要意義。 目前，對樁基礎(chǔ)的地震反應(yīng)分析方法多屬于總應(yīng)力法， 該方法不考慮 振動孔隙水壓力對土動力性質(zhì)的影響， 因而，無法描述砂土液化等土 動力特性。通過有效應(yīng)力動力分析方法