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建筑施工中支盤樁單樁受力機(jī)理分析
【摘 要】支盤灌注樁是在鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,十幾年來已在10多個省市的近百項(xiàng)工程中采用。該樁型可大幅度提高樁承載力,受荷變形小,抗震性能好,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。本文對建筑施工中支盤樁單樁受力機(jī)理進(jìn)行簡要的分析與探討。
【關(guān)鍵詞】建筑;施工;支盤樁;單樁;受力機(jī)理 支盤灌注樁是在鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,十幾年來已在10多個省市的近百項(xiàng)工程中采用。該樁型可大幅度提高樁承載力,受荷變形小,抗震性能好,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。 1 單樁豎向荷載的傳遞 1.1 樁土體系的荷載傳遞 樁側(cè)阻力與樁端阻力的發(fā)揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程。當(dāng)豎向荷載逐步施加于單樁樁頂時,樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對于土的向下位移,此時,樁側(cè)表面會受到土向上的摩阻力。樁頂荷載通過所發(fā)揮出來的摩阻力傳遞到樁周土層中去,致使樁身軸力和樁身壓縮變型隨深度遞減。隨著荷載的增加,樁身壓縮量和位移量增大,樁身下部的摩阻力逐步發(fā)揮作用,樁底土層因壓縮而產(chǎn)生樁端阻力,同時,樁端土層的壓縮加大了樁土相對位移,從而使樁身摩阻力逐步發(fā)揮作用。當(dāng)樁身摩阻力達(dá)到極限后,若繼續(xù)增加荷載,其荷載增量全部由樁端阻力來承擔(dān)。由于樁端持力層的大量壓縮和塑性擠出,樁身位移增長速度顯著增大,直到樁端阻力達(dá)到極限,位移逐漸增大至破壞。 1.2 影響荷載傳遞的因素 1.2.1 樁端土與樁周土的剛度比eb/es愈小,樁身軸力沿深度衰減愈快,即傳遞到樁端的荷載愈小。在樁的長徑比l/d=25的情況下,eb/es=1時,即在均勻土層中,樁端阻力占總荷載約5%,接近純摩擦樁;當(dāng)eb/es增大至100時,其端阻力占總荷載約60%,屬于端承樁,樁身下部阻力的發(fā)揮相應(yīng)降低;eb/es再繼續(xù)增大,對端阻力分擔(dān)荷載比的影響不大。 1.2.2 隨著樁土剛度比ep/es(樁身剛度與樁側(cè)土剛度比)的增大,傳遞到樁端的荷載增大,側(cè)阻力相應(yīng)增大;但當(dāng)ep/es≥1000后,端阻力分擔(dān)的荷載比變化不明顯。 1.2.3隨著樁長徑比l/d的增大,傳遞到樁端的荷載比趨于零,當(dāng)l/d≥40時,端阻力分擔(dān)的荷載趨于零,當(dāng)l/d≥100時,不論樁端土剛度多大,端阻分擔(dān)荷載值小到可以忽略不計(jì)。 1.2.4隨著樁端擴(kuò)徑比d/d的增大,樁端分擔(dān)荷載比增加。均勻土層中的長樁(l/d=25),其樁端分擔(dān)荷載比的大小對于等直徑樁約5%,對d/d=3的擴(kuò)徑樁約35%。 上述荷載傳遞的理論分析結(jié)果表明,單樁極限承載力對應(yīng)的某特定土層的極限側(cè)阻力qsu和極限端阻力qpu,由于樁長與樁徑比異常,樁端、樁周土剛度比異常,或由于該土層分布位置的變化,其發(fā)揮值是不同的。為有效發(fā)揮樁的承載性能以取得最佳經(jīng)濟(jì)效果,設(shè)計(jì)中利用樁土體系荷載傳遞特性,根據(jù)土層的分布與性質(zhì),合理確定樁徑、樁長、樁端持力層是十分必要的。 1.3 樁土荷載傳遞理論分析方法 樁基礎(chǔ)的主要功能是把上部結(jié)構(gòu)的荷載向地基傳遞,荷載的傳遞同時出現(xiàn)在樁側(cè)表面和樁端支承面上,并且涉及離開樁身相當(dāng)距離范圍內(nèi)的土體中。因此,為了能正確解釋樁基礎(chǔ)中每一根樁的荷載傳遞機(jī)理,必須考慮整個樁——土體系的主要特征,這不僅包括土層地質(zhì)歷史特征,而且也包括在地層的特殊部位設(shè)置樁時的施工程序特征。vesic(1969)指出,樁土體系的荷載傳遞是與一系列因素有關(guān)的復(fù)雜過程,不可能或很難用數(shù)學(xué)公式簡單表達(dá)。然而,為了合理設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ),需要對樁土體系的荷載傳遞特性做出定量的評價。 1.3.1 荷載傳遞法 方法的基本理念都是把樁視作由許多彈性單元組成,每一單元與土體之間用非線性彈簧聯(lián)系,非線性彈簧表示樁側(cè)摩阻力與其剪切位移之間的關(guān)系,此即樁側(cè)荷載傳遞函數(shù)。同時,樁端土也用一個彈簧代替,該彈簧的力—位移關(guān)系表示樁端阻力與樁端沉降的關(guān)系,即樁端荷載傳遞函數(shù)。該方法的關(guān)鍵在于確定荷載傳遞函數(shù)。 1.3.2 彈性理論法 彈性理論法的基本假定是,樁被插入一個理想均質(zhì)、各向同性的彈性半空間內(nèi),此范圍內(nèi)的彈性模量和泊松比不因樁的存在而變化,運(yùn)用mindlin公式可導(dǎo)出土的柔度矩陣以及滿足樁土邊界位移協(xié)調(diào)條件的平衡方程式,即可得到樁的軸向位移和樁側(cè)摩阻力。彈性理論法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了實(shí)際土體的連續(xù)性,可進(jìn)行群樁分析,比荷載傳遞法更合理。 1.3.3 剪切位移法 在豎向剪應(yīng)力的作用下,周圍土體發(fā)生相應(yīng)的剪切變型,直至距離樁軸nd(d為樁徑,例如n=10)處,剪應(yīng)變可忽略不計(jì)。根據(jù)任意兩個圓環(huán)面上剪應(yīng)力總和相等的條件,可導(dǎo)出樁側(cè)土的剪切變型與剪應(yīng)力之間的關(guān)系。 2 支盤樁的荷載傳遞機(jī)理分析 2.1 支盤樁提高承載力的機(jī)理 2.1.1 支盤在其成形過程中擠密了土體。擠擴(kuò)支盤灌注樁采用普通鉆機(jī)成孔,通過專用擠擴(kuò)裝置液壓擠密成支或盤,屬于部分?jǐn)D土灌注樁。在所需擠擴(kuò)的支或盤的土層中,支盤成形設(shè)備施加較大的油缸壓力,最大擠擴(kuò)壓力可達(dá)300t。支盤樁在承力時,由于分支和承力盤周邊土體預(yù)先受到壓密,類似于“預(yù)應(yīng)力”作用,因而可減少土體承載后的壓縮量,增大土體內(nèi)摩擦角和壓縮模量,則承力盤端阻力可得到相應(yīng)提高;充分發(fā)揮樁土共同作用性能,提高樁的側(cè)摩阻力和支端阻力,從而提高樁的承載力。 2.1.2 支、盤的存在增大了樁身表面積。支盤樁利用樁周中下部較好的土層,將荷載通過支、盤傳遞到土層中去,即分層承受荷載。通過荷載沿深度的擴(kuò)展,不僅減少了樁端荷載,而且還擴(kuò)大了承力面積,從而達(dá)到大幅度提高承載力的目的。 2.1.3 擠擴(kuò)后孔隙水壓力得以消散。在擠擴(kuò)過程中,弓壓臂攜帶能量對四周土體做功,迫使土顆粒移動。擠擴(kuò)初期,土體以水平位移為主,擠密或推動前方土顆粒,隨著弓壓臂的張開,土顆粒逐漸向前、向下運(yùn)動,當(dāng)弓壓臂張開到最大時,弓壓臂上下端土體承受的擠壓作用最強(qiáng),擠密效果最好。 2.2 承載受力機(jī)理 支盤樁是在原鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上衍生出來的一種新型樁基。它根據(jù)仿生學(xué)原理,在主樁樁身的不同部位,利用特制專用設(shè)備擠擴(kuò)分支或盤,型成介于摩擦樁與端承樁之間的變截面樁型,從而增加樁與周圍土層的接觸面積,改善樁身受力條件,達(dá)到提高單樁豎向承載力的目的。 結(jié)語 研究表明支盤樁的受力主要靠支盤承受荷載,支盤樁的承載力是由上部的支盤到下部樁的端承作用逐步發(fā)揮的。在模量值相對較高的不同沉積土層中,均可采用支盤樁。 參考文獻(xiàn) [1]寧仁岐.建筑施工技術(shù).北京:高等教育出版社,2002. [2]張厚先.建筑施工技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.- 1建筑施工管理軟件在安全管理方面越來越被人們重視
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