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黃土地區擴底抗拔樁單樁承載性能探究

作者:來源:日期:2019-11-5 8:07:10人氣:769
      隨著科學技術的發展,城市地下空間及高層建筑的開發與建設,從而對基礎承載性能要求越來越高,擴底抗拔樁在基礎工程中得到廣泛的應用,因擴孔樁的抗拔和抗壓承載性能較等截面抗拔樁有較大幅度的提高。研究表明,擴底樁在節約材料和提高承載性能均有很大的優越性,抗拔樁的使用可以大幅度減小樁長、減少樁的數量。目前,擴底抗拔樁的造價成本很高,其安全可靠性和經濟性具有重要的研究價值。結合西北黃土地區抗拔樁的荷載沉降進行實測和數值模擬分析,從而進一- 步的探究抗拔樁的承載特性規律及其樁尺寸的變化對承載特性的影響程度分析。


      1擴底樁單樁承載特性

      擴底抗拔樁在樁側摩阻力和樁身軸力分布規律等特性與純摩擦型承壓樁相似,擴底抗拔樁的承載由樁側摩阻力、擴大頭部分抗拔力和樁身自重3部分組成??拱螛兜臉O限承載力受到諸多因素的影響,例如:地基土質類別、樁的尺寸、樁土界面特性、樁身材料和荷載作用形式等。訾平華通過淺析幾種缺陷樁在靜載試驗中的表現研究",提出了影響單樁豎向承載力的因素;張夫健通過鐵路橋梁群樁基礎沉降形狀與計算分析研究[2),提出了群樁沉降計算方法;通過擴孔抗拔樁承載力試驗與研究)],提出了適用于軟士地區擴底抗拔樁單樁承載力計算公式并對擴底樁的群樁效應進行了研究分析;通過研究不同樁長擴底抗拔樁極限承載力的統- -計算模式(4);通過修機井地錨樁抗拔承載能力試驗研究['],提出了側摩阻力是修機井地錨抗拔樁承載力重要組成部分等相關結論;當前,對于單樁極限承載力的計算方法主要有兩種,第- .種是理論計算方法,以土的抗剪強度和側壓力系數為主要參數按不同破壞模式建立計算公式,該方法計算相對較復雜且在計算過程中影響剪切破壞因素多;第二種是根據基樁試驗資料,將樁的抗壓極限承載力與抗拔極限承載力進行轉化建立聯系,通常將抗拔極限承載力計算等效為抗壓極限承載力乘以抗拔系數的形式。我國現行《建筑樁基技術規范》[6]就是采用第二種方法??拱蜗禂郸艘蛲临|不同取值也不相同,即使同類土取值也不盡相同。通過擴底抗拔樁荷載傳遞規律及其影響因素分析的研究",提出了擴底抗拔樁荷載傳遞規律以及樁長、擴底直徑、樁長、土的剪切模量和內摩擦角等因素對抗拔樁承載特性的影響。

      2擴底抗拔樁承載特性實例分析

      2.1實測值 與計算值對比

      擴底抗拔樁的樁身尺寸對單樁承載力的影響較大,魯先龍、乾增珍等[8]在西北地區做了12根抗拔樁的現場試驗,現場的試驗場地上部為沖洪積相黃土粉狀土,厚度為28 m~36 m,下部為砂土和碎石土,厚度為5 m~6m。樁身各尺寸參數如表1所示?;A形式如圖1所示。各樁號的位移-荷載曲線如圖2所示。


      根據文獻資料,由初始斜率法[9和L - L法[10]確定樁的極限承載力的大小如圖3所示。根據《建筑樁基技術規范》擴底抗拔樁基樁抗拔極限承載力:


      式中: λ;為抗拔系數; T。為基樁抗拔承載力極限值; qma 為樁側表面第i層土的抗壓極限阻力標準值; u,為樁身周長,對擴底樁當1:< (4~10) d時u;取πD; l為樁長。


      根據文獻結論,結合圖2曲線可以看出,基樁荷載沉降曲線經歷3個階段,首先是線彈性階段,然后是塑性階段,最后就是破壞階段。筆者認為合理的極限承載力應該出現在塑性變形階段之中。因為關于西北地區擴底抗拔樁的現場試驗文獻較少,規范中部分參數取值區間較大,將規范計算值與文獻中極限承載力相比,規范計算極限承載力大多處在圖2中的塑性階段,各參數取值有待進-步研究,以便指導工程設計與施工。


      根據規范計算值、初始斜率法值和L -L法值分析,可以得出計算值曲線走勢與L - L,法值曲線相似,在數值上與初始斜率法值曲線更靠近,從而在某種程度上驗證了針對這兩種經驗法的正確性,如圖3所示。筆者個人認為對這些經驗法的推廣需要進一步的驗證。


      根據《建筑樁基技術規范》中對抗拔樁極限承載力的計算公式1,取值是一個變化范圍,結合文獻數據,u,= πD計算抗拔樁極限承載力較合理,而樁第6、7、8號樁中l的最大值為8.1 d,故可以推斷在黃土地區粉質土中抗拔樁承載力計算公式中l;比規范取值范圍小。筆者推斷范圍為l;< (8.1~10) d,從而計算出抗拔樁的極限承載力更加合理準確。

      2.2  抗拔樁樁樁長尺寸對其承載力影響

      針對擴大頭直徑尺寸對樁基承載力及變形影響,因第6、7.8號樁的樁徑及擴大頭的樁徑尺寸- -致,只有樁長不同,隨著樁長的增大,由圖2可以看出,抗拔樁的承載力相應的提高了,樁長L=4.1 m的承載力較樁長L=8.1 m的承載力提高2倍多,但是樁長L=5.6 m的承載力較樁長L=8.1 m的承載力提高的在彈性和彈塑性階段提高的不是跟樁長正相關,此時樁長對擴底樁的承載力相對較小。這表明樁長在一定范圍內時,樁長越長其基樁承載力較大,沉降位移較小,而在樁長較長時其承載力的影響相對較小,但是承載力隨著樁長的增加總體是呈增大的趨勢。在實際工程中,在一定樁長范圍內可以采取增加樁長以提高承載力,從而節省材料。

      2.3現場實測數據 與數值模擬數據對比分析

      本節主要是通過有限元軟件Midas模擬以上幾種工況的單樁荷載-沉降曲線,數值模擬的主要目的是為了分析抗拔樁承載力特性規律及不同樁長對承載性能的影響。于丹、杜鵬洋等通過抗拔樁單樁承載特性試驗及數值模擬[u],提出了隨著樁頂荷載的逐級增加,出現,實測數據與模擬數據有一定誤差并針對出現誤差原因進行了分析。對3根抗拔樁承載性能進行數值模擬,采用3D模型分級加載,樁體本構模型為彈性模型,土體本構模型為摩爾-庫倫模型;模擬結果6號樁最終沉降量跟實測值相當,模擬值為54.11 mm,比實測值53.31 mm略大; 3根樁的模擬值與實測值的趨勢相同,最終沉降量與實測值的差值均在3 mm之內,第6、7和8號現場實測值和模擬值的對比分析如圖4所示。


      (1)通過規范法和經驗法,對實測數據和計算數據進行對比分析,可以得出初始斜率法值和L4-L2法與規范計算法在數值和趨勢上基本-致,初始斜率法在數值上與規范值比較接近,在工程實踐驗算方面有較準確的預測性,這也證明經驗法具有- -定的實用性。因黃土地區地質復雜,如需推廣需要進-步驗證。


      (2)通過現場實測數據與規范計算數據對比分析,推斷粉質黃土地區計算抗拔樁極限承載力時樁身周長取值范圍較規范規定范圍小,進- -步提高計算得準確性,筆者推斷范圍為l < (8.1~10) d,如需推廣需要更多理論與實測數據驗證。


      (3)從第6、7、8號樁現場實測數據可以看出,在一定范圍內,樁長越長其抗拔承載力越大,6號樁長是7號的1.45倍,然而其抗拔承載力時增加了2倍。說明樁身尺寸對其抗拔承載力影響較大,通過這-特性可以有效提高抗拔樁承載力而節省成本。


      (4)通過Midas數值模擬第6、7、8號樁抗拔承載力與沉降關系,得出實測值與模擬值趨勢和數值基本吻合,誤差在允許范圍內,從而更進步驗證了數值模擬在預測抗拔樁極限承載力的實用性,為解決實際工程問題提供了解決途徑和方法。

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