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作者：王鎖軍 地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐（九） —樁基的基本概念 我們說過，地基承載力特征值大約是極限承載力的一半，好像安全系數(shù)很大,其實未必，因為真正的控制條件是地基的沉降。地基開始出現(xiàn)局部塑性變形，是建筑沉降不穩(wěn)定的開始，這差不多就是地基土完全滑切時極限承載力的一半。地基變形是從開始就逐漸積累的一直開始局部塑性（承載力特征值；約極限承載力一半），所以重要的建筑不但驗算地基承載力還要驗算基礎(chǔ)沉降。 而樁基的承載力極限值通過現(xiàn)場載荷實驗（側(cè)阻加端阻極限），然后除以安全系數(shù)2得到特征值，也是這個原理嗎？各種教材未見樁基安全系數(shù)2的解釋。實踐證明這個系數(shù)是安全的，是否保守，結(jié)構(gòu)工程師不清楚，故不論。不過了解樁基從受荷變形開始到極限承載力破壞時的受力及變形過程是很有趣味的事，比簡單的理解成側(cè)阻極限與端阻極限之和得到極限承載力或側(cè)阻特征加端阻特征值等于承載特征值簡單的算術(shù)和有意義多了，追求卓越的工程師不會至于此的。 一：垂直荷載樁基的受力和沉降分析 天然地基的承載力是基礎(chǔ)下面淺層土體的被壓縮而提供的反力，在淺層形成連續(xù)的剪切面而地基失效（因地基土應(yīng)力的快速擴散深層土應(yīng)力變小僅提供少量的沉降），而樁基是通過剛性柱體深入土層內(nèi)部，直接將結(jié)構(gòu)荷載傳到深層的硬持力層和通過摩擦傳給深厚的樁側(cè)土層，故其承載能力和抗變形能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然的淺基礎(chǔ)，一般端承摩擦樁的受力示意圖如下： （1）荷載一開始很小時，樁側(cè)阻為靜摩擦，因為樁沒有變形，樁端不受力。 （2）當(dāng)荷載增加到一定程度，樁深開始下沉，樁側(cè)阻為動摩擦，樁端反力開始發(fā)揮作用。樁身受來自承臺的軸力和圍土的上拉力，軸力逐漸變小，樁身的壓縮變形也逐漸變小。樁身對圍土的相對變形包含樁整體下沉和樁身壓縮變形，上部的變形總是大于下部，所以側(cè)阻也是上部大于下部。見下圖： （3）樁端的反力是樁端的下壓位移產(chǎn)生的，其敏感程度低于側(cè)阻對變形的敏感，所以是上部的側(cè)阻大于下部的側(cè)阻，優(yōu)先發(fā)揮作用，而側(cè)阻優(yōu)先端阻發(fā)揮作用，作用發(fā)揮的大小均和變形有關(guān)。 研究表明，側(cè)阻發(fā)揮最大作用位移一般20mm就夠了，對于大直徑的一般是3~6%的直徑側(cè)阻就可發(fā)揮大部分作用，但對于端阻情況就太復(fù)雜了，也很好理解，比如巖石和粘土對變形的敏感程度有天壤之別。 對于較長的樁，在正常使用的荷載下，很硬的土其端阻也很難發(fā)揮作用，比如L/D大于100時，即使樁端為巖層，端阻也幾乎為零，成為純粹的摩擦樁了。 （4）不同樁端土?xí)r，變形曲線及側(cè)阻和端阻的受力是不一樣的，見如下示意圖。這個圖很有意思，應(yīng)該好好琢磨琢磨，必有收獲。 均勻土體的端承摩擦樁（端承摩擦樁是以摩擦為主，摩擦端承樁以端承為主），在正常工作荷載時，以摩擦為主，當(dāng)沉降較大時，摩阻到達(dá)極限，但端承的作用不明顯，所以極限狀態(tài)時，摩擦力被摧毀達(dá)到極限狀態(tài)，曲線變形迅速加大。 樁端有硬土層時，將近極限時，硬土層隨著壓縮的增加，端阻增加較多，作用明顯，所以極限時下降曲線相對速率小的多。 位于巖石層的端承樁從一開始就以端承為主，變形很小，極限時樁被壓曲或壓潰而破壞，所以曲線類似混凝土受壓構(gòu)件破壞的曲線形態(tài)。 （5）特別注意的是當(dāng)土體有可能出現(xiàn)相對樁體向下的位移時，就會形成負(fù)摩阻（樁規(guī)5.4.2強條）。我們往往關(guān)注的是軟弱土帶來的負(fù)摩阻，而忽略了大面積的地面堆載（新近回填土也屬于外荷載）和地下水位的下降帶來的負(fù)摩阻，因此導(dǎo)致樁基下沉造成上部結(jié)構(gòu)傾斜開裂的事故頻發(fā)。 （6）對民用建筑來說，抗拔樁主要用于抗浮設(shè)計。樁的上拔力會使土向上移動，土?xí)兯桑韵吕哪Σ亮Ρ仁軌簶兜哪ψ枇π〉亩嗔?，?guī)范給出了相對于受壓樁摩阻的折減系數(shù)估算值。 抗拔樁的大截面和配筋只是為了抗拔，我總覺的太不經(jīng)濟了，而且沒水的時候，樁向上頂，如果設(shè)計沒有考慮這種作用，將是不安全的。即使外行也能感覺出抗拔錨桿比抗拔樁更經(jīng)濟（地基受壓壓縮時無反力），現(xiàn)在的承壓擴大頭錨桿技術(shù)，是利用了擴大頭對土的擠壓力，比一般的錨桿和抗拔樁利用的是摩擦力顯然大多了，不易失效。這塊到抗浮時再探討吧。 上述圖示和論述均為簡單的概念，實際的要比這個復(fù)雜的多，即使專門搞巖土的也很難說的清楚，所以大部分樁基的承載力都需要現(xiàn)場載荷實驗。 很多先進的樁工藝目的都是千方百計在提高樁側(cè)阻和端阻上下功夫。比如后注漿技術(shù)大大提高了樁的側(cè)阻和端阻，提高系數(shù)從1.2~4.0，對樁的承載力提高的作用極大。還有夯擴底樁、多節(jié)擠盤樁，大大提高了端阻或側(cè)阻（摩阻變成擠壓阻力）等。 落后的工藝或施工疏忽可能會大幅度降低樁的承載力，比如泥漿護壁的泥皮和沉渣會降低樁的側(cè)阻和端阻。 我認(rèn)為保證施工質(zhì)量通過現(xiàn)場載荷實驗的樁安全系數(shù)2應(yīng)該是比較可靠的，之所以樁的設(shè)計很重要和事故頻發(fā)是因為樁在土層內(nèi)部，樁的質(zhì)量很難控制和檢測，而且確定合適的樁型方案和地勘數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確及施工工藝的適宜與否密切相關(guān)，而這恰恰都是很容易出問題的地方。 二：樁的水平承載力和水平位移 大部分的建筑的水平承載力無須樁來承擔(dān)?！兜鼗?guī)范》8.5.7規(guī)定： 對非樁基或符合地基的一般建筑來說，承臺周邊的圍土和承臺底部的摩擦力是抗側(cè)力的主要部分，所以承臺底部和承臺周邊圍土的密實是一個必須的要求。 鋼筋混凝土樁錨入承臺后，樁側(cè)向剛度使其承擔(dān)了很大一部分水平力，但滿足上述的條件時，可以不必計算樁的承載力，但應(yīng)該滿足樁的配筋構(gòu)造要求，避免樁在水平荷載作用下的折斷。 復(fù)合地基因為褥墊層，建筑的絕大部分的水平力不會傳到樁上，所以可以不配鋼筋。 樁的水平承載力主要是樁側(cè)土體的提供的，也和樁本省的剛度和強度密切相關(guān)。 教材說，為保證建筑無正常使用，按工程經(jīng)驗，應(yīng)控制樁頂水平位移不大于10mm，對水平位移敏感的建筑物則不大于6mm（其它地方未見此論述）。所以鋼筋混凝土樁的水平載荷實驗可以以樁頂水平位移10mm時的載荷的75%來確定為水平承載力特征值。 樁的水平承載力和位移可以按彈性地基梁那樣進行解析計算（見下圖），把土當(dāng)成無限彈性體，《樁及規(guī)范》附錄C給出了復(fù)雜的水平位移和樁內(nèi)力計算公式，不過如此復(fù)雜的計算和工程師關(guān)系不大。本來大部分情況無需計算樁水平承載力，需要計算時水平力小于樁水平抗力按規(guī)范給的簡化公式就可以了。 樁位移計算太復(fù)雜了，對于極少需要計算位移的比如拱結(jié)構(gòu)的抗推力樁基需要用專門的程序計算。我們需要知道一般的民用建筑按規(guī)范計算滿足抗力要求的建筑水平位移不會超過10mm。 三：群樁效應(yīng) 只看下面的圖，概念上就基本可以知道群樁相對單樁的利弊影響。 （1）群樁可以阻止土的側(cè)向位移，提高樁間土的承載力。 （2）樁對土的下拉力在樁之間互相影響，降低側(cè)阻力。 （3）樁端壓應(yīng)力互相影響，影響寬度和深度范圍和大于單樁，所以nXQ的群樁的沉降大于Q的單樁沉降，但群樁的總端阻/n大于單樁Q，可按淺基礎(chǔ)的寬度影響系數(shù)來理解。 （4）群樁的承臺可以使土與樁共同作用，成為復(fù)合樁基。 （5）群樁的影響主要和樁的間距有關(guān)，當(dāng)大于3~4倍時，群樁影響系數(shù)接近1或略大于1,所以規(guī)范對受壓樁規(guī)定了樁間距3~5d（樁規(guī)3.3.3條）。當(dāng)然樁間距的規(guī)定，還和成樁工藝有關(guān)，比如飽和土的擠土樁就應(yīng)該間距大些，施工時應(yīng)間隔打樁。 加大樁距雖然對群樁效應(yīng)有利，但會增加承臺的面積，所以片面的增加樁距并不一定經(jīng)濟，應(yīng)綜合考慮。 群樁的效應(yīng)很復(fù)雜，規(guī)范對受壓樁計算時未考慮群樁的影響，但是規(guī)定了不同情況下的樁的間距（樁規(guī)3.3.3條），是避免過密的群樁的不利影響，這個要遵守。 （6）飽和粘性土?xí)r，樁距應(yīng)加大。水這個東西很有意思，如果有側(cè)限時不可壓縮（比巖石還硬），所以飽和土中打預(yù)制樁時，土中的側(cè)向擠土壓力可能全是水壓力（學(xué)名叫超空隙水壓力，逐漸會消散，樁承載力相應(yīng)提高；樁的時效性），甚至能把旁邊的樁拱起來。土木吧的發(fā)過這樣的視頻，這根樁一錘一錘的往下沉，旁邊的那根樁蹭蹭的往上長，感覺特別的魔幻。 （7）抗拔樁群樁效應(yīng)，不能僅僅拉開樁距就萬事大吉了，群樁有可能帶著樁間土作為一個大的剛體一塊被拔出來，樁規(guī)5.4.6第2條就是考慮整體拔出的計算公式。 四：樁基的沉降計算 本系列（三）簡要說過樁的沉降計算，但那是從計算原理來說的，現(xiàn)在我們從工程應(yīng)用上簡單的概述一下。 1、樁間距小于6倍樁徑時 要考慮群樁的效應(yīng)，可以把這組樁及樁間土當(dāng)成一個整體像普通的獨立基礎(chǔ)（埋的很深）那樣計算樁端下土的沉降（不考慮樁群自身很小的壓縮值，），計算方法同淺基礎(chǔ)的算法，但要乘以兩個和樁有關(guān)的修正系數(shù)（樁基規(guī)范5.5.6條）。 2、單樁、單排樁和疏樁（大于6d）的沉降計算 不能考慮樁群的整體性了，應(yīng)按單樁明德林公式那樣的計算，也就是按深層荷載的明德林解通過積分得出的考慮樁側(cè)下拉力和樁端壓力產(chǎn)生沉降的明德林-蓋得斯計算公式（見本系列（三）地基規(guī)范附錄R）。 不考慮承臺對土的壓力時，按上述方法計算?？紤]樁土共同作用時，為承臺對土的壓力產(chǎn)生的沉降與上述的計算方法沉降之和。 3、軟土地基的減沉梳樁沉降 當(dāng)多層建筑的軟土地基承載力符合設(shè)計要求，但不符合沉降控制時，可以用大間距的減沉疏樁來設(shè)計。 先把不大于40%的總荷載來讓樁承受設(shè)計布置樁，然后再用沉降計算進行校核（樁基規(guī)范5.6.1和5.6.2）。 此時沉降分兩部分，一是受承臺壓縮土體的沉降，附加應(yīng)力只考慮土承受的部分即60%總荷載，計算深度按《地基規(guī)范》的地基沉降計算公式中的計算深度確定。再計算樁身長度范圍內(nèi)的摩擦下拉力對樁間土的壓縮沉降，兩者之和即為基礎(chǔ)沉降（樁基規(guī)范5.6.1、5.6.2）。 五：大直徑樁、墩基礎(chǔ)、嵌巖樁和天然地基的短柱基礎(chǔ) 大直徑樁（墩基礎(chǔ)）因為尺度比較大，樁側(cè)土和樁端土開挖后會發(fā)生松弛，所以側(cè)阻和端阻要乘以小于1的折減系數(shù)（樁基規(guī)范5.3.6）。 嵌巖樁樁端是巖石，承載力極高，如果長度不長時側(cè)阻所占比例很小，不考慮也罷。端阻需要根據(jù)入巖的深度考慮端承提高系數(shù)，因為入巖后即有端承也有很大的巖石側(cè)阻。 短柱基礎(chǔ)目的是深挖找好土，一般大開挖再回填，不能考慮側(cè)阻，按獨立基礎(chǔ)的深寬度進行修正。 六：散體樁 當(dāng)多層或小高層建筑的上部荷載不大時，地基土若為軟土，可以采用散體樁比如灰土、碎石樁等進行加固地基。散體樁和剛性樁原理完全不同?；彝粱蛩槭刃纬傻耐馏w本身的承載力主要是樁體自身的壓縮產(chǎn)生的反力，和周邊的土體性質(zhì)類似，只是散體樁的承載力大于周邊土而已（如果施工工藝為擠密法，周邊的土的強度會有所提高），所以不能用剛性樁的側(cè)阻和端阻來計算承載力，應(yīng)該用沿豎向局部換土那樣的思路來計算承載力，系列（八）有簡單計算示例。 2020年1月5日 參考文獻(xiàn)： 1：土力學(xué) 清華大學(xué) 李廣信等 2：基礎(chǔ)工程 清華大學(xué) 李廣信等 3：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范. 4：建筑樁基技術(shù)規(guī)范 5：地基與基礎(chǔ) 建工出版社 |
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