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      樁基疑難問題匯總

      作者:互聯網  來源:www.perruche-ondulee.org  發布時間:2020-07-07

      一、關于大直徑樁(d≥800mm)極限側阻力和極限端阻力的尺寸效應

          近日,有同行提出一個問題:“樁基規范在計算大直徑樁承載力時需考慮樁側阻力尺寸效應系數(<1的系數),但計算嵌巖樁時沒有區分大直徑樁,沒有考慮樁側阻力尺寸效應系數,是否有點兒前后不對應呢?”

          為了解釋這個問題,我們先了解下規范是如何規定的,《建筑樁基技術規范 》JGJ 94-2008 對于大直徑樁單樁極限承載力標準值是這樣規定的:    

          5.3.6 根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系,確定大直徑樁單樁極限承載力標準值時,可按下式計算:

      1.png

      式中 qsik——樁側第i層土極限側阻力標準值,如無當地經驗值時,可按本規范表5.3.5-1取值,對于擴底樁變截面以上2d長度范圍不計側阻力;

      qpk——樁徑為800mm的極限端阻力標準值,對于干作業挖孔(清底干凈)可采用深層載荷板試驗確定;當不能進行深層載荷板試驗時,可按表5.3.6-1取值;2.png3.png

      ——大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數,按表5.3.6-2取值。 

      4.png

      而對于嵌巖樁卻沒有尺寸效應系數:

      5.3.9  樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力,由樁周土總極限側阻力和嵌巖段總極限阻力組成。當根據巖石單軸抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標準值時,可按下列公式計算:

      5.png

      式中 Qsk、Qrk——分別為土的總極限側阻力、嵌巖段總極限阻力;

      qsik——樁周第i層土的極限側阻力,無當地經驗時,可根據成樁工藝按本規范表5.3.5-1取值;

      frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值,黏土巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值; 6.png

      ——嵌巖段側阻和端阻綜合系數,與嵌巖深徑比hr/d、巖石軟硬程度和成樁工藝有關,可按表5.3.9采用;表中數值適用于泥漿護壁成樁,對于干作業成樁(清底干凈)和泥漿護壁成樁后注漿,7.png

      應取表列數值的1.2倍。

      8.png

      注:①極軟巖、軟巖指frk≤15MPa,較硬巖、堅硬巖指frk>30MPa,介于二者之間可內插取值。

      ②hr為樁身嵌巖深度,當巖面傾斜時,以坡下方嵌巖深度為準;當hr/d為非表列值時,QQ截圖20200505175514.png可內差取值。

          大直徑樁,為何要考慮側阻、端阻尺寸效應系數呢?

          由于樁的承載性狀隨樁徑而有所變化,工程界通常將樁劃分為小直徑樁或微型樁 

      (d~250mm) 、中等直徑樁 (250mm <d < 800mm) 、大直徑樁 (d≥800mm) 。大量試驗證實,灌注樁的樁側阻力與樁端阻力不僅與土層性質和成樁工藝有關,而且與樁徑有明顯關系,稱其為尺寸效應?!督ㄖ痘夹g規范》JGJ 94-2008 表 5.3.5-1 中樁的極限側阻力標準值是由中、小直徑樁的試驗參數統計而得,將之套用于大直徑樁是不合適的,會得出偏大的結果。同樣, 《建筑樁基技術規范 》JGJ 94-2008 表 5.3. 6-1 干作業挖孔樁(清底干凈, D=800) 極限端阻力標準值給出端阻力尺寸效應的修正基準 。

              近年來的試驗研究和工程實踐發現,發揮側阻所需的相對位移并非定值,除與成樁工藝、土層性質及各土層豎向分布位置(處于樁側的上、中、下方)有關外,還與樁徑大小有關;樁側阻力亦隨樁徑增大而減小。分析原因有兩方面:一方面由于大直徑樁發揮側阻所需沉降遠大于常規直徑樁所需沉降;另一方面由于樁成孔后產生應力擇放,孔壁出現松弛變形,導致側阻力有所降低?!督ㄖ痘夹g規范》JGJ 94-2008 表 5.3.5-1 是根據常規樁徑極限承載力下沉降標準確定的側阻力參數,如套用于大直徑樁,其數值偏大。    

          那對于對于大直徑擴底嵌巖灌注樁,根據巖石的物理力學指標確定單樁承載力時,是否需考慮側阻力與端阻力的尺寸效應系數呢?

          大直徑灌注樁側阻力及端阻力尺寸效應系數主要對于粘性土、粉士、砂土和碎石類等土層,相對于巖石而言,內部結構應力較弱,可能由于樁成孔后應力釋放較快,孔壁出現松弛變形,國內外的一些試驗研究發現,大直徑灌注樁的側阻力與端阻力較中小直徑灌注樁有所降低。而巖石的內部結構穩定,構成巖石的礦物顆粒之間結合力較土顆粒之間的結合力大得多,巖石的抗剪、抗壓強度較士也高得多,因此巖石因樁施工成孔產生的應力釋放較慢,故嵌巖樁嵌巖段可不考慮側阻力與端阻力的尺寸效應系數。

          綜上,對大直徑嵌巖樁(直徑>800mm),嵌巖段的側阻力和端阻力不需要考慮尺寸效應系數;計算嵌巖段以上土層側阻力時,應考慮大直徑樁側阻力的尺寸效應系數。

      二、巖溶地區的樁基設計原則(規范3.4.4條)一不宜采用管樁的原因如下。

      (1)管樁一旦穿過風化巖層覆蓋就立即接觸巖層,管樁很容易就破壞,破壞率達30%~50%;

      (2)樁尖接觸巖面后,很容易沿傾斜的巖面滑移,造成樁身傾斜,導致樁身斷裂或傾斜率過大;

      (3)樁長難以把握,配樁困難4)樁尖落在基巖上,周圍土體嵌固力小,樁身穩定性差。

      三、灌注樁后注漿

      (1)灌注樁成樁后一定時間,通過預設于樁身內的注漿導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿,使樁端、樁側土體(包括沉渣和泥皮)得到加固,從而提高單樁承載力,減小沉降。承載力一般可提高40%~100%(但湖北省標DB42/242-2003規定不宜超過同類非壓漿樁的1.3倍),沉降可減少20%~30%,可使用與除沉管灌注樁外的各種鉆、挖、沖孔樁。

      (2)增強機理:a、后注漿對樁側及樁端土的加固作用,表現為:固化效應 -樁底沉渣及樁側泥皮因漿液滲入而發生物理化學作用而固化,充填膠結效應-對樁底沉渣及樁側泥皮因滲入注漿而顯示的充填膠結,加筋效應-因劈裂注漿現成網狀結石。

      (3)增強特點:端阻的增幅高于側阻,粗粒土的增幅高于細粒土。樁端、樁側復式注漿高于樁端、樁側單一注漿。這是由于端阻受沉渣影響敏感,經后注漿后沉渣得到加固且樁端有擴底效應,樁端沉渣和土的加固效應強于樁側泥皮的加固效應;粗粒土是滲透注漿,細粒土是劈裂注漿,前者的加固效應強于后者。

      (4)注漿后變形特點:非注漿的Q-s曲線為陡降型,而后注漿為緩變型,使得在相同安全系數下樁的可靠度提高,沉降減少。沉降減少的主要原因如下:a、固化了樁底沉渣及虛土,同時樁端有擴底效應 b、由于注漿壓力較大(一般均大于1Mpa),對樁端土進行了預壓。

      (5)設計以注意的事項:a、注漿管的連接應采用套管連接 b、當注漿管代替鋼筋時,最好在樁頂處預埋附加鋼筋,避免由于施工保護不當導致注漿管在樁頂處折斷 c、注漿管的固定應采用綁扎固定。

      四、單樁承載力的時間效應

      所謂的單樁承載力的時間效應是指樁的承載力隨時間變化,一般出現在擠土樁中,特別是預制樁。上海的資料顯示,隨著打樁后間歇時間的增加承載力都有不同程度的增加,間歇一年后的但樁承載力可提高30%~60%。

      分析原因如下:

      樁打入時,土不易被立即擠實(特別是軟土中),在強大的擠壓力作用下,使貼近樁身的土體中產生了很大的空隙水壓力,土的結構也造成了破壞,抗剪強度降低(觸變)。經過一段時間的間歇后,孔隙水壓力逐漸消散,土逐漸固結密實,同時土的結構強度也逐漸恢復,抗剪強度逐漸提高。因而摩擦力及樁端阻力也不斷增加。

      強度提高最快發生在1~3個月時。某種程度上可由高孔隙水壓和排擠開的體積的影響,使緊靠樁的土產生迅速的排水固結來解釋。實際上緊靠樁的土(大約50~200mm的范圍內)往往固結的很厲害,以至使樁的有效直徑增加。

      樁的承載力隨時間的增長的現象在軟土中比較明顯。但在硬塑土中的變化規律有待進一步研究。

      不是所有的樁的承載力都隨時間增加,一些樁的承載力隨時間降低。

      五、樁筏基礎反力呈馬鞍型分布的解釋

      根據傳統的荷載分布原則,荷載的分布是根據剛度進行分配 ,基礎中間部位樁的承載力低說明土對樁的支撐剛度降低,也就是樁側樁端土的剛度降低。

      原因是中間部位的樁間土要承受四周樁傳來的荷載。換一種解釋方法是,中間有限的樁間土不能同時給周圍的樁提供所要求的承載力,而靠近外側的樁除依靠基礎內側的土提供承載力外,還能利用靠近基礎外側的土提供承載力,而靠近基礎外側的土受內部樁的影響小,能比內部的土提供更多的承載力,因此外側的樁能承受較內部樁更多的荷載,也就是樁反力呈馬鞍型分布的原因。

      另基坑開挖對樁間土的卸載造成樁間土的回彈,導致靠近基坑邊緣處樁剛度大,中部樁剛度小,更加加劇了基礎反力呈馬鞍型分布。

      六、變剛調平設計原則總體思路

      根據上部結構布局、荷載和地質特征,考慮相互作用效應,采取增強與弱化結合,減沉增沉結合,整體平整,實現差異沉降最小化,基礎內力最小化和資源消耗最小化。

      1. 根據建筑物體型、結構、荷載和地質條件,選擇樁基、復合樁基、剛性樁復合地基,合理布局,調整樁土支承剛度,使之與荷載相匹配。

      2. 為減小各區位應力場的相互重疊堆核心區有效剛度的削弱,樁土支承體布局宜做到豎向錯位或水平向拉開距離。

      3. 考慮樁土的相互作用效應,支承剛度的調整宜采用強化指數進行控制。核心區強化指數宜為1.05~1.30,外框區弱化指數宜為0.95~0.85。

      4. 對于主裙連體建筑,應按增強主體,弱化裙房的原則進行設計。

      5. 樁基的樁選型和樁端持力層的確定,應有利于應用后注漿技術,應確保單樁承載力有較大的調整空間?;鶚兑思胁贾糜谥鶋ο?,以降低承臺內力,最大限度發揮承臺底地基土分擔荷載的作用,減小柱下樁基與核心筒樁基的相互作用。

      6. 宜在概念設計的基礎上進行上部結構-基礎-樁土的共同作用分析,優化細部設計,差異沉降宜嚴于規范值,以提高耐久性可靠度

      七、樁基變剛度設計細則

      1. 框筒結構

      核心筒和外框柱的基樁宜按集團式布置于核心筒和柱下,以減小承臺內力和減小各部分相鄰影響。

      以樁筏總承載力特征值與總荷載效應標準組合值平衡為前提,強化核心區,弱化外框區。核心區強化指數,對于核心區與外框區樁端平面豎向錯位或外框區柱下樁數不超過5根時,宜取1.05~1.15,外框為一排柱時取低值,二排柱時取高值;對于樁端平面處在同一標高且柱下樁數超過5根時,核心區強化指數宜取1.2~1.3,一排柱時取低值,二排柱時取高值。外框區弱化指數根據核心區強化指數越高,外框區弱化指數越低的關系確定;或按總承載力特征值與總荷載標準值平衡,單獨控制核心區強化指數,使外框區弱化指數相應降低。

      框剪,框支剪力墻,筒中筒結構形式,參框筒結構確定。

      2. 剪力墻結構

      剪力墻結構整體性好,墻下荷載分布較均勻,對于電梯井和樓梯間等荷載集度高處宜強化布樁?;鶚兑瞬贾糜趬ο?,對于墻體交叉、轉角處應予以布樁,當單樁承載力較小,按滿堂布樁時,應強化內部,弱化外圍。

      3. 樁基承臺設計

      對變剛調皮設計的承臺,應按計算結果確定截面和配筋,其最小板厚和梁高,對于柱下梁板式承臺,梁的高跨比和平板式承臺板的厚跨比,宜取1/8;梁板式筏式承臺的板厚和最大雙向板區格短邊凈跨之比不宜小于1/16,且厚度不小于400mm;對于墻下平板式承臺厚跨比不宜小于1/20,且厚度不小于400mm;筏板最小配筋率應符合規范要求。

      筏式承臺的選型,對于框筒結構,核心筒和柱下集團式布樁時,核心筒宜采用平板,外框區宜采用梁板式,對于剪力墻結構,宜采用平板。承臺配筋可按局部彎矩計算確定。

      4. 共同作用分析與沉降計算

      對于框筒結構宜進行共同作用計算分析,據此確定沉降分布、樁土反力分布和承臺內力。

      當不進行共同作用分析時,應按規范計算沉降,據此檢驗差異沉降等指標

      八、樁基礎受力的基本規律

      隨著豎向荷載的加大,側阻的發揮先于端阻。隨著變形的增加,端阻力得以發揮。一般樁土相對位移到達4-10mm左右(根據土種類而定),側阻力即可以充分發揮,而端阻力的充分發揮需要樁土相對位移達到d/12~d/4(小直徑樁),d為樁徑,黏性土為d/4,砂性土為d/12~d/10。

      九、樁基沉降的特征

      (1)時間性。

      土體中樁基礎的沉降要經歷一個很長的時間。在上海地區,一般竣工后5~7年的沉降速度才會降到每年4mm以下。軟土中樁基礎沉降的主要部分是與時間因數有關的,按目前土力學的認識,沉降主要部分有固結變形和土體的流變組成;

      (2)刺入變形。

      產生刺入變形的解釋入下: 在群樁樁頂逐漸加載過程時,單樁頂荷載較小時,首先使樁的上部樁身產生壓縮,樁的上部質點向下位移于土體之間產生了相對位移,土體要阻止樁的上部的位移就產生了摩阻力。樁頂荷載通過摩阻力逐漸擴散到土體中去。不僅擴散到樁于樁之間的土體中,也擴散到樁尖以下的土體中。在這一階段,樁側阻力的分布可能是樁的上端大,下端小,逐步向下發展。土體中的應力主要由于樁上部的摩阻力傳給上部的土體,因此樁間土體的應力也大于樁尖以下土體的應力。 再繼續加載,樁側上部滑移區域不斷向下擴大。樁尖承載力開始發揮作用,樁尖以下土體中的應力增加的幅度會大于樁間土體中的應力的增加。(一般認當但相對位移達到2~5mm時,樁側摩阻力達到極限,樁土之間將產生相對滑移) 加載完成以后,樁間土及樁尖土在應力場的作用下由于固結和流變會繼續變形。其中樁間土體的固結壓縮和流變更為重要,由于樁身的變形基本上是材料的彈性壓縮,因此在這段時間內,樁間土體質點向下的位移要大于同一截面深度處樁質點的位移,即在樁的上部,樁身質點向下位移與相鄰土質點之間的位移差會減小,甚至會改變方向。由于位移差產生的摩阻力也將隨之減小,甚至產生負摩阻力。為了使減少了的樁周土體反力與樁頂荷載平衡,必須產生一個新的沉降增量,增加樁土相對位移來增加土反力。在這一工程中就會發生新的滑移(刺入變形)??偟内厔菔鞘箻渡喜康哪ψ枇χ饾u減少,樁下部的摩阻力和樁端支撐力逐漸增加。當樁的數量較多,樁的布置比較密集,樁間土體中應力較大時,樁上部可能出現負摩阻力,承臺下的土體會與承臺底面脫開。

      (3)土體中摩擦樁基礎的沉降實際上由 樁身壓縮、樁尖的刺入變形及樁尖下土體的壓縮變形(固結和流變)。

      十、樁土共同工作

      樁土共同工作是一個典型的非線性過程。樁土共同工作的實驗表明:

      (1)樁土共同作用的加載過程中,樁土是先后發揮作用的,是一個非線性的過程。樁總是先起支撐作用,樁的承載力達到100%以后,既達到極限以后土體才能起支承作用。樁土分擔比是隨加載過程而變化,沒有固定的分擔比;

      (2)樁頂荷載小于單樁極限荷載時,每級增加的荷載主要由樁承受,樁承擔90~95%左右;

      (3)樁上荷載達到單樁屈服荷載后,承臺底的地基土承受的荷載才明顯的增加,樁的分擔比顯著減小,沉降速度也有所增加。

      (4)樁土共同作用的極限承載力>單樁承載力+地基土的極限承載力。

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