樁基中的土力學(xué)問題

1、樁基中的土力學(xué)問題樁的作用； 樁基具有多種獨(dú)特的功能，根據(jù)工程的特點(diǎn)，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(yán)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(fēng)和地震引起的巨大水平力、上拔力和傾覆力矩，保持高聳結(jié)構(gòu)和

2、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(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)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(yán)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(jī)器基礎(chǔ)，以減小基礎(chǔ)振幅；（5）用于容易因地震而液化的地基；除此之外，樁

3、的零一個突出的用途是作用圍護(hù)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(fù)摩阻力當(dāng)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(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力的存在將給樁的工作帶來不利的影響。樁身受到負(fù)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(dāng)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(dāng)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(fù)的摩阻力）。1、 樁側(cè)負(fù)摩阻力產(chǎn)生的條件：樁側(cè)負(fù)摩阻力產(chǎn)生的條件：樁側(cè)土體下沉必須大于樁身

4、下沉。當(dāng)土層相對于樁有向下的位移時，應(yīng)考慮樁側(cè)有負(fù)摩阻力作用。幾種產(chǎn)生負(fù)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(jìn)入相對較硬的土層。4） 樁側(cè)凍土的融陷。2、 樁側(cè)負(fù)摩阻力應(yīng)用 在樁側(cè)負(fù)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(fù)摩阻力相當(dāng)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(fù)摩阻力降低，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(diǎn)以上樁側(cè)負(fù)摩阻力

5、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(fù)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(fù)摩阻力將長期作用于樁身中性點(diǎn)以上側(cè)表面。因此，應(yīng)計算中性點(diǎn)以上負(fù)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(yàn)算樁基礎(chǔ)的承載力。結(jié)論：整體沖剪驗(yàn)算，將樁基礎(chǔ)視為等效深基礎(chǔ)來計算。 單獨(dú)沖剪的驗(yàn)算只對樁基礎(chǔ)中的基樁進(jìn)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

6、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(dān)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(yù)測的結(jié)果來進(jìn)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708O。在較高應(yīng)力水平狀態(tài)時，在恒定荷載作用下土體蠕變

7、將導(dǎo)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(shí)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(shí)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(dāng)多的研究，但流變模型本構(gòu)方程的復(fù)雜性難以獲得解析解，或因?yàn)橹T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(shí)用而易于為工程設(shè)計人員掌握的計算

8、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(yù)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(fù)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

9、。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(dāng)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)力波。樁截面任意點(diǎn)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(shí)測資料顯示，打樁應(yīng)力的峰值多數(shù)在3550MPa之間，拉應(yīng)力在有些情況下甚至達(dá)到50MPa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(fù)雜的，受打樁阻力、打

10、樁機(jī)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(qiáng)度所致。根據(jù)統(tǒng)計情況分析，導(dǎo)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(qiáng)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)

11、在當(dāng)樁穿過軟土層(如淤泥層 和突然進(jìn)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(dǎo)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：(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(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格地說是不夠準(zhǔn)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(yù)制樁來說是不利的，因?yàn)檫@樣會使樁體潛伏著產(chǎn)生“內(nèi)傷”的危險。(2)要重

12、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(jìn)入強(qiáng)風(fēng)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(dāng)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(qiáng)對沉樁過程的觀察與記錄。(5)理論與實(shí)驗(yàn)都證明，采用適當(dāng)?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(yù)制樁

13、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(fù)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(fù)合地基的方法來進(jìn)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(dá)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(fù)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(fù)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(jìn)行研究，旨在為微群樁復(fù)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(dān)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，