摘要:文章首先分析了橋梁樁基礎豎向受力的原理,然后探討了橋梁樁基礎豎向承載力的影響因素,最后介紹了樁基礎豎向承載力的計算方法。
關鍵詞:橋梁樁基礎 豎向承載力 樁側摩阻力 樁端阻力
一、引言
灌注樁在建設工程的地基處理中已有多年的應用歷史,特別是近年來公路建設事業(yè)迅猛發(fā)展,大跨徑橋梁越來越多,樁基礎的作用也越來越重要。在進行樁基礎的設計和施工時,必須準確的算出樁基礎的承載力,以便使設計和施工更加合理。
二、橋梁樁基礎的豎向受力原理分析
樁基礎之所以能承受上部橋梁結構如此大的載荷,是因為樁和周圍土體之間的相互作用。下面分別從這三個方面來分析樁基礎的受理原理:
1.樁基礎側摩阻力受力原理。樁基在豎向荷載作用下,會壓縮樁身混凝土,并給樁身施加向下的作用力,而樁側土會在樁土界面產生向上的摩擦阻力以抵抗向下的位移,這個力即為樁側摩阻力,樁土界面土體發(fā)揮到極限所對應的摩阻力稱為樁側極限摩阻力,它主要取決于中下部土層的摩阻力發(fā)揮。
可通過在樁身埋設鋼筋應力計,以測出不同荷載作用下的樁身軸力分布,從而得出樁側摩阻力。樁在荷載作用下,樁身會產生壓縮,這個壓縮值即為樁頂沉降與樁端沉降之差。荷載與壓縮值之間的關系可由荷載-樁身壓縮曲線反映出來,它們之間并不是線性關系,樁身壓縮曲線會隨著荷載的增大而呈向下彎曲的形狀,說明樁身在大荷載作用下出現了塑性變形。
2.樁基礎端阻力受力原理。樁身和樁側土將樁頂荷載傳遞到樁端土,它所承受的力即為樁端阻力,單樁豎向極限承載力減去樁的極限摩阻力的值等于極限樁端阻力。
樁端阻力通常比樁側阻力后發(fā)揮作用,樁端阻力一般在樁側阻力充分發(fā)揮時還遠沒有完全發(fā)揮,通常需要更多的樁基礎沉降來充分發(fā)揮樁端阻力,樁端阻力與樁端位移幾乎呈線性關系。樁端土受力的分析相當復雜,它不僅受樁尖荷載作用,還受到樁端平面以上土體自重和樁側阻力的作用。影響單樁樁端阻力的主要因素有成樁方法、樁的尺寸、土層及持力層的特性、加荷速率等。
樁端阻力與樁入土深度存在一定的變化規(guī)律:樁端進入持力層或均勻土層后,開始時樁端阻力基本隨深度呈線性增大,但樁端阻力會在一定深度后基本保持恒定,只會隨深度繼續(xù)增加而產生很微小的增加,恒定的樁端阻力稱為樁端阻力穩(wěn)值,此值的起點深度稱之為該樁端阻力的臨界深度。
3.樁基礎的負摩阻力。一般情況下樁身會在樁頂載荷作用下產生向下的壓縮位移,而樁側土體會產生與之相反的摩阻力,稱之為負摩阻力。樁基負摩阻力能增加樁內軸向荷載,使樁軸向壓縮量增加,從而增大樁端阻力。
三、橋梁樁基礎豎向承載力的影響因素
1.樁周土的工程性質。樁基礎極限承載力最直接也是最重要的影響因素是樁周土的工程性質,不同性質的樁周土的物理性質各不相同,產生的樁端阻力和樁基礎側摩阻力也不同。樁側摩阻力的發(fā)揮會受到樁側土的剪切變形系數的影響。
2.成樁工藝。樁的承載力也受到成樁工藝的影響,主要是由于不同的成樁工藝對土體的擾動程度不同,使得樁的承載性能也隨之受到影響。將樁打入地基土中時,會破壞其天然結構,使樁周圍土的重塑,土在樁身打進時的急速擠壓情況下,會造成孔隙水壓力急劇上升,從而減少有效應力。
3.剛度與剛度比。樁基礎剛度較小時,屬于柔性樁,樁頂截面產生位移最大,會使得樁身摩擦力上大下小。樁基礎剛度較大時,實際上接近于剛性樁,樁尖附近土的初始法向應力大,所以該處的摩阻力就較大,其上部摩阻力接近于均勻分布。
當樁端土與樁周土的剛度比接近于0時,就屬于純摩擦樁,上部荷載幾乎全部由樁側摩阻力所承擔,且其摩阻力在均勻土層中接近于均勻分布。當樁端土與樁周土的剛度比等于1時,屬均勻土層中的摩擦樁,其樁側摩阻力分布和荷載傳遞曲線與摩擦樁相似。當剛度比趨于無窮大時,樁身荷載上段隨深度減小,樁基礎側摩阻力可得到發(fā)揮,下段荷載近乎沿深度不變,無法發(fā)揮樁基礎側摩阻力。
4.樁長與樁徑比。樁基礎的承載力受樁基礎的長度影響也較大,樁端阻力在進入持力層后隨深度的變化不規(guī)則,在開始的某一深度之前呈線性變化,到達臨界深度后基本不變。樁長跟樁徑之比對荷載傳遞有一定影響,所以也會影響到單樁極限承載力。
5.時間效應。樁的豎向承載力還與時間有關,其值一般是隨時間增長的,而且開始增長速度快,隨后逐漸變慢,最后趨于穩(wěn)定。這種承載力變化的時間效應在軟土中尤為明顯。在粘性土中,土的強度和樁的承載力由于土的固結硬化作用會隨時間而增加。摩擦樁的承載力增長主要與土質條件有關系。由于軟土的蠕變作用,荷載會重新分布,可能造成最后樁端承受的載荷比前期測量值高得多,所以在粘土中設樁時一定要充分重視時間效應。
四、橋梁樁基礎豎向承載力的計算方法
我國現行《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》中規(guī)定,橋梁樁基礎豎向容許承載力P,可按下列方法進行計算:
其中,P為單樁軸向受壓容許承載力(kN),U代表樁的周長(m),l為樁在局部沖刷 線以下的有效長度(m),為樁壁土的平均極限摩阻力(kPa),A為樁底橫截面面積(m2),為樁端土的極限承載力(kPa)。此式說明了橋梁樁基礎豎向承載力的影響因素。
五、結束語
總之,如果橋梁樁基礎的承載力分析不當,計算不準確,都可能造成設計、施工方面的失誤,甚至嚴重的會威脅到橋梁結構的安全;再加上各種新樁型、新工藝也不斷涌現,所以工程人員必須熟悉灌注樁的受力機理和變形特性,以便合理分析樁基礎的承載力,確保其能夠承受橋梁載荷,保證橋梁的安全。
參考文獻:
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