樁基工程理論與設(shè)計(jì)方法

樁基工程理論與設(shè)計(jì)方法隨著樁基工程技術(shù)的發(fā)展，樁基理論研究模塊化與設(shè)計(jì)計(jì)算方法與傳統(tǒng)樁基理論相比，都有了很大的健康發(fā)展，特別是對(duì)各類樁型的承載機(jī)理與變形的生物學(xué)、豎向荷載作用下的群樁承載力與變形的研究，樁的水平設(shè)計(jì)與抗撥承載力的研究與相應(yīng)的承載力計(jì)算方法都取得許多革命性研究成果，并得到了一大批試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程例證。一、單樁承載機(jī)理與承載力（一）樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮性狀研究豎向抗壓樁荷載傳遞特征的方法主要有彈性理論法、有限元法及線性系統(tǒng)法，其中傳遞函數(shù)法為更為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的比較能反映實(shí)際樁土工作特征的實(shí)用方法，而側(cè)阻與端阻是該法的最重要的參數(shù)。按照傳統(tǒng)理論，樁側(cè)高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)揮性能，即發(fā)揮極限側(cè)摩阻力所需相悖的位移與樁徑無(wú)關(guān)、趨于一定值。對(duì)于可變性土一般為5~10mm,對(duì)砂性土約為10~20mm。對(duì)于機(jī)械加工軟化型土（如密實(shí)粉土、粘土、高結(jié)構(gòu)性黃土等）所需位移較小，且側(cè)摩阻力達(dá)最大值后利略隨位移增大而有所增加減小;對(duì)于加工硬化型土（非密實(shí)砂、粉土、粉質(zhì)粘土等）所需位移較大，且極限特性不明顯。這一-特性宏觀地反映于單樁荷載——沉降特性Q—S曲線。隨著對(duì)大育徑樁及模塊化樁承載性狀的認(rèn)識(shí)不斷深化，樁側(cè)阻力發(fā)揮性狀趨趨弱定值的結(jié)論，也得到了修正。大量實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)，側(cè)阻的發(fā)揮性狀大小與土性、土層相對(duì)位置、成樁工藝及兩條道路徑有關(guān)。（二）單樁承載力的深度外部性根據(jù)國(guó)內(nèi)外海內(nèi)外模型及現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)試驗(yàn)研究表明，鋼梁尖進(jìn)入均勻持力層，其端阻與側(cè)摩阻力將下部隨入土深度而增加，當(dāng)深度超過臨界深度后，其端阻與側(cè)阻趨于固定值，即端阻與側(cè)阻的遠(yuǎn)距效應(yīng);同時(shí)側(cè)阻、端阻不受樁端漁莊固執(zhí)下臥層影響的厚度，即臨界厚度以及考慮上履土層，軟下臥層對(duì)端阻、側(cè)阻阻礙的計(jì)算方法也不斷得到完善。臨界深度與土性、樁徑、上覆壓力等有關(guān)，臨界厚度除與土性，樁徑等有關(guān)外，還與持力層與下軟臥層之間的強(qiáng)度差有關(guān)。（三）大的直徑樁的承載力隨著大的直徑樁成樁技術(shù)的發(fā)展及大直徑樁的廣泛應(yīng)用，逐漸對(duì)大直徑兩條道路承載機(jī)理與工作性狀的研究也逐步深入。研究表明，大直徑樁的荷載———沉降關(guān)系一般呈緩變型，樁端變形以壓密為主，呈漸進(jìn)型破壞，與常規(guī)樁徑（DW800mm）樁的承載特性有所不同。主要表現(xiàn)為鉆、挖、沖孔大直徑、非嵌巖灌注樁的側(cè)阻松弛效應(yīng)，后端阻力的尺寸效應(yīng)，大直徑鋼管樁、預(yù)應(yīng)力管樁的閉塞效應(yīng)與側(cè)阻擠土效應(yīng)及其效應(yīng)系數(shù)已在建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94—94）中得到反映。（四）嵌巖樁的承載力根據(jù)大量原位足尺試驗(yàn)研究表明，只要履蓋層具有一定厚度（一般大于15D,D;樁徑），則新鮮基巖一定深度的樁的承載特性仍出該明顯的摩擦型樁的特性，其覆蓋層，反倒是風(fēng)化巖及新鮮基巖普遍的側(cè)阻力的作用十分明顯。同時(shí)，嵌入新鮮基巖深度只需填入與樁身材料強(qiáng)度相匹配即可，當(dāng)嵌入深度大于5倍樁徑時(shí)，端阻力發(fā)揮值已接近于零，只有對(duì)短而粗、清底良好的樁（墩）才表現(xiàn)出與明顯的端承樁特性。因此，不合理地要求嵌巖深度及不計(jì)上履土層、特別巖層側(cè)阻的設(shè)計(jì)概念均是不合理的，也是不經(jīng)濟(jì)的。（五）原位測(cè)試成果確定單樁承載力利用靜力觸探，標(biāo)貫及旁壓試驗(yàn)等健康發(fā)展原位測(cè)試手段預(yù)測(cè)單樁承載力的方法也得到了發(fā)展。利用靜力觸探估算單樁納入承載力的數(shù)學(xué)方法已極限我國(guó)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ95—94）。（六）柱的水平承載力橫向受力樁的分析計(jì)算剪應(yīng)力從沒有考慮樁土共同作用抗力發(fā)揮特性的單一編碼器法向考慮樁土變形協(xié)調(diào)、抗力非線性的分析計(jì)算方法過渡。二、群樁承裁特性與概念設(shè)計(jì)方法（一）垂直荷載作用下群樁基礎(chǔ)承載特性與設(shè)計(jì)方法通過對(duì)群樁基礎(chǔ)工作性狀與變形的所研究以及不同土質(zhì)中系統(tǒng)的大比例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與工程原位觀測(cè)結(jié)果表明，傳統(tǒng)的計(jì)算模式在很多情況是不適用的，如考慮群樁效率系數(shù)折減的方法，往往導(dǎo)致樁數(shù)增多，樁距過密，不僅造價(jià)提高、沉樁困難，而日會(huì)使基樁及群樁承載力降低，變形增大，導(dǎo)致與設(shè)計(jì)意圖同樣的結(jié)果。對(duì)于建筑樁基（低承臺(tái)樁基）其工作性狀表現(xiàn)為承合—樁—地基土綜合評(píng)價(jià)共同教育工作的綜合反映，其穩(wěn)定度是樁側(cè)阻力、端阻力與承臺(tái)土反力的總和，而這三者又與樁側(cè)、樁端土性、樁距、樁長(zhǎng)與承臺(tái)寬度比、樁數(shù)與排列、成樁工藝等風(fēng)險(xiǎn)因素有關(guān)。群樁承載力的研究已由傳統(tǒng)的單一群樁效率模式向考慮側(cè)阻、端阻、承臺(tái)反力自身變化特性的計(jì)算模式過渡。歐美國(guó)家建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94—94）已將考慮基樁側(cè)阻、端阻群樁效應(yīng)的分項(xiàng)效率系數(shù)設(shè)計(jì)方法納入規(guī)范，以取代傳統(tǒng)的群樁效率和等代墩基設(shè)計(jì)方法。關(guān)于群樁沉降計(jì)算方法，應(yīng)用Mindlin解計(jì)算群樁沉降的計(jì)算方法經(jīng)越來(lái)越多的土建實(shí)測(cè)證明、比傳統(tǒng)的Boussinesg解為基礎(chǔ)的等代墩基法更符合實(shí)際。引入等效沉降系數(shù)以反映Mindlin解與Boussinesq解的相互關(guān)系，采用Mindlin彈性分析夾反陜荷載、樁長(zhǎng)樁距，樁數(shù)排列及土層、土性對(duì)樁基變形影響的改進(jìn)等代墩基沉降計(jì)算方法已被納入樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94—94）。（二）發(fā)展水平力作用下群樁承載特性與設(shè)計(jì)方法對(duì)于水平力作用下的群樁承載特性的研究，目前已對(duì)承臺(tái)—地基石灰的相互作用及工作性狀有了性狀一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)水平力作用方向上各樁受力分配的不均勻性等有了從定性到定量的認(rèn)識(shí)過程。但對(duì)水平荷載作用下群樁承載特性的研究以及一般性設(shè)計(jì)方法探討的，應(yīng)該說不斷加強(qiáng)目前還在不斷完善過程中。建筑樁基國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JGJ94—94提出了二種群樁水平承載力的計(jì)算方法。一種只考慮承臺(tái)、樁群、土近似值相互作用以線彈性反力系數(shù)型式的計(jì)算方法;另一種則以單樁水平承載力為基礎(chǔ)，考慮承臺(tái)，樁群、土電磁場(chǎng)以及樁頂山后約束效應(yīng)、承臺(tái)埋置深度效應(yīng)(低承臺(tái)群樁承臺(tái)后部抗力效應(yīng)與承臺(tái)基底摩阻效應(yīng))以及樁距、樁數(shù)、"樁的布置與土性等因素的分項(xiàng)綜合效應(yīng)系數(shù)法三、可靠度理論在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論計(jì)算中的應(yīng)用從定值設(shè)計(jì)法向方法可靠度轉(zhuǎn)軌是目前國(guó)內(nèi)外巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范改革中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)性問題。由于使用可靠度產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法可以更好