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構的安全需要和使用要求。（4）樁具有很大的側向剛度和抗拔能力，能抵抗臺風和地震引起的巨大水平力、上拔力和傾覆力矩，保持高聳結構和

2、建筑安全； （5）改變地基基礎的動力特性，提高地基基礎的自振頻率，減小振幅，保證機械設備的正常運轉。樁大的用途隨著樁基技術研究的不斷深入，其應用也日益廣泛，可應用于各種地質(zhì)條件和各類工程建設中。目前應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構與其下的多根樁連成一體，共同發(fā)揮作用。由于樁基礎承載力大，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構中；（3）活載占荷載比例較大的建筑物中；（4）用于動力機器基礎，以減小基礎振幅；（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結構支擋土體，防止岸坡、基槽、基坑、土體開挖中出現(xiàn)的土壁坍塌。這類樁常成排狀設置，有時連接成壁狀。 一、負摩阻力當樁周土層相對于樁側向下位移時,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，樁身側表面摩擦力是向下的摩阻力（負的摩阻力）。1、 樁側負摩阻力產(chǎn)生的條件：樁側負摩阻力產(chǎn)生的條件：樁側土體下沉必須大于樁身

4、下沉。當土層相對于樁有向下的位移時，應考慮樁側有負摩阻力作用。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，或樁側地面承受局部較大的長期荷載。2） 樁基礎場地地下水位下降3） 打樁時，樁穿越土層是自重欠固結土、自重濕陷性黃土、松散填土進入相對較硬的土層。4） 樁側凍土的融陷。2、 樁側負摩阻力應用 在樁側負摩阻力主要應用于樁基礎的承載力和計算。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，隨之引起樁基礎沉降。樁基礎沉降一旦出現(xiàn)，土相對于樁的位移又會減少，反而使負摩阻力降低，直到轉化為零。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負摩阻力

5、為零來計算樁基礎承載力。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表面。因此，應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的承載力。結論：整體沖剪驗算，將樁基礎視為等效深基礎來計算。 單獨沖剪的驗算只對樁基礎中的基樁進行計算。二、樁基的長期沉降;土體的應力應變時間效應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應力公式計算樁端和樁側荷載在

6、樁端平面以下產(chǎn)生的附加應力，用Boussinesq應力公式計算承臺分擔荷載產(chǎn)生的應力。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的樁基長期沉降計算方法。計算結果與樁基長期監(jiān)測結果較為吻合，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，因而樁基應基于沉降預測的結果來進行設計。近年來，在深厚軟土地區(qū)推廣應用的基于沉降的樁基設計方法相對于常規(guī)的基于承載力的設計，樁工作在一個較高應力水平狀態(tài)下，如“蠕變樁基礎”的每根樁的設計工作荷載通常為極限荷載的708O。在較高應力水平狀態(tài)時，在恒定荷載作用下土體蠕變

7、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成為樁基長期沉降倍受關注的方面。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。關于土體流變已有相當多的研究，但流變模型本構方程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，因而給工程應用帶來不便。特別是涉及到考慮應力應變時間效應的樁基沉降時， 目前還缺乏一種簡便實用而易于為工程設計人員掌握的計算

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，并可通過三軸應力應變二、打樁應力預應力混凝土管樁(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)生打樁應力，而且應力的峰值波動較大。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，在管樁基礎施工中，絕不可忽視打樁應力的影響：1、打樁應力的形式打樁應力是在打樁過程中產(chǎn)生的，其主要形式有壓應力和拉應力，大小、形式與樁錘、土體抗力，打樁操作有關：打樁應力可以通過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)生高值壓應力，以壓力波的形式迅速傳到樁底，并產(chǎn)生反射應力波 當樁頂部的初始壓應力向下傳到樁尖時，如果樁尖處土層的阻力很大，那么反射的是壓應力波，反射波傳到樁頂，如果樁頂部的自由度大，壓應力波又以拉應力波的形式向下反射。如果樁尖處土層阻力很小，那么，向上反射的是拉應力波。樁截面任意點的應力值是向下傳遞的壓應力和向上反射的拉應力的代數(shù)和 據(jù)有關T程實測資料顯示，打樁應力的峰值多數(shù)在3550MPa之間，拉應力在有些情況下甚至達到50MPa以卜。在大多數(shù)情況下，托應力是由拉壓交替作用的。打樁應力的產(chǎn)生是復雜的，受打樁阻力、打

10、樁機具、打樁方法等因素的影響，因此，必須具體分析。2、影響打樁應力的主要因素在管樁基礎施工中，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)則的高值打樁應力超過樁的極限強度所致。根據(jù)統(tǒng)計情況分析，導致產(chǎn)生高值打樁應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)

11、在當樁穿過軟土層(如淤泥層 和突然進入硬土層時，則打樁應力會發(fā)生變化，前者會產(chǎn)生很大的壓應力(巖石更甚)，后者會產(chǎn)生托應力。(4)樁的制作偏差也會中導致局部應力集中。3 、對打樁應力的控制措施：打樁應力的產(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

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，采用適當?shù)腻N墊和樁墊是減少打樁應力的最有效的方法。(6)打樁應遵循“力戒偏打”的原則，對于施打管樁尤為重要。打樁應力的峰值往往是由于偏心沖擊引起的局部應力。(7)長短樁的接樁順序，在一些情況下，對打樁應力有著重要影響4、結束語：通過以上分析可知，打樁應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

13、造成的危害卻很容易被忽視，因此，在管樁基礎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防區(qū)，樁的設置改善了場地條件，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計及應用提供依據(jù)。結果表明，微樁的加入使樁分擔了很大的應力，減少了地基的沉降，改善了場地條件，有利于抗震，在工程設計和應用上有著重要意義。目前，對樁基礎的地震反應分析方法多屬于總應力法，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。通過有效應力動力分析方法，