一
、關於大直徑樁(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
:“樁基規範在計算大直徑樁承載力時需考慮樁側阻力尺寸效應係數(<1的係數)
,但計算嵌岩樁時沒有區分大直徑樁
,沒有考慮樁側阻力尺寸效應係數
,是否有點兒前後不對應呢
?”
為了解釋這個問題
,尊龍凱時先了解下規範是如何規定的
,《建築樁基技術規範 》JGJ 94-2008 對於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係
,確定大直徑樁單樁極限承載力標準值時
,可按下式計算
:
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
,可按本規範表5.3.5-1取值
,對於擴底樁變截麵以上2d長度範圍不計側阻力
;
qpk——樁徑為800mm的極限端阻力標準值
,對於幹作業挖孔(清底幹淨)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
;
——大直徑樁側阻
、端阻尺寸效應係數
,按表5.3.6-2取值
。
而對於嵌岩樁卻沒有尺寸效應係數
:
5.3.9 樁端置於完整
、較完整基岩的嵌岩樁單樁豎向極限承載力
,由樁周土總極限側阻力和嵌岩段總極限阻力組成
。當根據岩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
:
式中 Qsk、Qrk——分別為土的總極限側阻力
、嵌岩段總極限阻力
;
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範表5.3.5-1取值
;
frk——岩石飽和單軸抗壓強度標準值
,黏土岩取天然濕度單軸抗壓強度標準值
;
——嵌岩段側阻和端阻綜合係數
,與嵌岩深徑比hr/d
、岩石軟硬程度和成樁工藝有關
,可按表5.3.9采用
;表中數值適用於泥漿護壁成樁
,對於幹作業成樁(清底幹淨)和泥漿護壁成樁後注漿
,
應取表列數值的1.2倍
。
注
:①極軟岩
、軟岩指frk≤15MPa
,較硬岩
、堅硬岩指frk>30MPa
,介於二者之間可內插取值
。
②hr為樁身嵌岩深度
,當岩麵傾斜時
,以坡下方嵌岩深度為準
;當hr/d為非表列值時
,可內差取值
。
大直徑樁
,為何要考慮側阻
、端阻尺寸效應係數呢
?
由於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係
,稱其為尺寸效應
。《建築樁基技術規範》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
,將之套用於大直徑樁是不合適的
,會得出偏大的結果
。同樣
, 《建築樁基技術規範 》JGJ 94-2008 表 5.3. 6-1 幹作業挖孔樁(清底幹淨
, 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並非定值
,除與成樁工藝
、土層性質及各土層豎向分布位置(處於樁側的上
、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
。分析原因有兩方麵
:一方麵由於大直徑樁發揮側阻所需沉降遠大於常規直徑樁所需沉降
;另一方麵由於樁成孔後產生應力擇放
,孔壁出現鬆弛變形
,導致側阻力有所降低
。《建築樁基技術規範》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
,如套用於大直徑樁
,其數值偏大
。
那對於對於大直徑擴底嵌岩灌注樁
,根據岩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係數呢?
大直徑灌注樁側阻力及端阻力尺寸效應係數主要對於粘性土
、粉士
、砂土和碎石類等土層,相對於岩石而言
,內部結構應力較弱
,可能由於樁成孔後應力釋放較快
,孔壁出現鬆弛變形
,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
。而岩石的內部結構穩定
,構成岩石的礦物顆粒之間結合力較土顆粒之間的結合力大得多
,岩石的抗剪
、抗壓強度較士也高得多
,因此岩石因樁施工成孔產生的應力釋放較慢
,故嵌岩樁嵌岩段可不考慮側阻力與端阻力的尺寸效應係數
。
綜上
,對大直徑嵌岩樁(直徑>800mm)
,嵌岩段的側阻力和端阻力不需要考慮尺寸效應係數
;計算嵌岩段以上土層側阻力時
,應考慮大直徑樁側阻力的尺寸效應係數
。
二
、岩溶地區的樁基設計原則(規範3.4.4條)一不宜采用管樁的原因如下
。
(1)管樁一旦穿過風化岩層覆蓋就立即接觸岩層
,管樁很容易就破壞
,破壞率達30%~50%
;
(2)樁尖接觸岩麵後
,很容易沿傾斜的岩麵滑移
,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)樁尖落在基岩上,周圍土體嵌固力小
,樁身穩定性差
。
三
、灌注樁後注漿
(1)灌注樁成樁後一定時間
,通過預設於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鑽
、挖
、衝孔樁
。
(2)增強機理
:a
、後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
:端阻的增幅高於側阻
,粗粒土的增幅高於細粒土
。樁端
、樁側複式注漿高於樁端、樁側單一注漿
。這是由於端阻受沉渣影響敏感
,經後注漿後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於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
,前者的加固效應強於後者
。
(4)注漿後變形特點
:非注漿的Q-s曲線為陡降型
,而後注漿為緩變型
,使得在相同安全係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
、由於注漿壓力較大(一般均大於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
,避免由於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紮固定
。
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
,特別是預製樁
。上海的資料顯示
,隨著打樁後間歇時間的增加承載力都有不同程度的增加
,間歇一年後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後
,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複
,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的範圍內)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. 根據建築物體型
、結構
、荷載和地質條件
,選擇樁基
、複合樁基
、剛性樁複合地基
,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製
。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. 對於主裙連體建築
,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
,應有利於應用後注漿技術,應確保單樁承載力有較大的調整空間
。基樁宜集中布置於柱牆下
,以降低承台內力
,最大限度發揮承台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
,差異沉降宜嚴於規範值
,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於核心筒和柱下
,以減小承台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
,對於核心區與外框區樁端平麵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
;對於樁端平麵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係確定
;或按總承載力特征值與總荷載標準值平衡
,單獨控製核心區強化指數,使外框區弱化指數相應降低
。
框剪
,框支剪力牆
,筒中筒結構形式
,參框筒結構確定
。
2. 剪力牆結構
剪力牆結構整體性好
,牆下荷載分布較均勻
,對於電梯井和樓梯間等荷載集度高處宜強化布樁
。基樁宜布置於牆下
,對於牆體交叉
、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. 樁基承台設計
對變剛調皮設計的承台
,應按計算結果確定截麵和配筋
,其最小板厚和梁高
,對於柱下梁板式承台
,梁的高跨比和平板式承台板的厚跨比
,宜取1/8
;梁板式筏式承台的板厚和最大雙向板區格短邊淨跨之比不宜小於1/16
,且厚度不小於400mm
;對於牆下平板式承台厚跨比不宜小於1/20
,且厚度不小於400mm
;筏板最小配筋率應符合規範要求
。
筏式承台的選型
,對於框筒結構
,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
,對於剪力牆結構
,宜采用平板
。承台配筋可按局部彎矩計算確定
。
4. 共同作用分析與沉降計算
對於框筒結構宜進行共同作用計算分析
,據此確定沉降分布
、樁土反力分布和承台內力
。
當不進行共同作用分析時
,應按規範計算沉降
,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
,側阻的發揮先於端阻
。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曆一個很長的時間
。在上海地區
,一般竣工後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於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
。不僅擴散到樁於樁之間的土體中
,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於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於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於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) 加載完成以後
,樁間土及樁尖土在應力場的作用下由於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
,由於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於同一截麵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
。由於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)
。總的趨勢是使樁上部的摩阻力逐漸減少
,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
,承台下的土體會與承台底麵脫開
。
(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
,樁土是先後發揮作用的
,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%以後
,既達到極限以後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)樁頂荷載小於單樁極限荷載時
,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後
,承台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
。