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从受力及变形过程重新认识桩基的基本概念

395 2021-01-13 11:13:36


    


我们说过,地基承载力特征值大约是极限承载力的一半,好像安全系数很大,其实未必,因为真正的控制条件是地基的沉降。地基开始出现局部塑性变形,是建筑沉降不稳定的开始,这差不多就是地基土完全滑切时极限承载力的一半。地基变形是从开始就逐渐积累的一直开始局部塑性(承载力特征值;约极限承载力一半),所以重要的建筑不但验算地基承载力还要验算基础沉降。

而桩基的承载力极限值通过现场载荷实验(侧阻加端阻极限),然后除以安全系数2得到特征值,也是这个原理吗?各种教材未见桩基安全系数2的解释。实践证明这个系数是安全的,是否保守,结构工程师不清楚,故不论。不过了解桩基从受荷变形开始到极限承载力破坏时的受力及变形过程是很有趣味的事,比简单的理解成侧阻极限与端阻极限之和得到极限承载力或侧阻特征加端阻特征值等于承载特征值简单的算术和有意义多了,追求卓越的工程师不会至于此的。

一、垂直荷载桩基的受力和沉降分析

    天然地基的承载力是基础下面浅层土体的被压缩而提供的反力,在浅层形成连续的剪切面而地基失效(因地基土应力的快速扩散深层土应力变小仅提供少量的沉降),而桩基是通过刚性柱体深入土层内部,直接将结构荷载传到深层的硬持力层和通过摩擦传给深厚的桩侧土层,故其承载能力和抗变形能力远远大于天然的浅基础,一般端承摩擦桩的受力示意图如下:



   (1)荷载一开始很小时,桩侧阻为静摩擦,因为桩没有变形,桩端不受力。

   (2)当荷载增加到一定程度,桩深开始下沉,桩侧阻为动摩擦,桩端反力开始发挥作用。桩身受来自承台的轴力和围土的上拉力,轴力逐渐变小,桩身的压缩变形也逐渐变小。桩身对围土的相对变形包含桩整体下沉和桩身压缩变形,上部的变形总是大于下部,所以侧阻也是上部大于下部。见下图:



    (3)桩端的反力是桩端的下压位移产生的,其敏感程度低于侧阻对变形的敏感,所以是上部的侧阻大于下部的侧阻,优先发挥作用,而侧阻优先端阻发挥作用,作用发挥的大小均和变形有关。

    研究表明,侧阻发挥最大作用位移一般20mm就够了,对于大直径的一般是3~6%的直径侧阻就可发挥大部分作用,但对于端阻情况就太复杂了,也很好理解,比如岩石和粘土对变形的敏感程度有天壤之别。

    对于较长的桩,在正常使用的荷载下,很硬的土其端阻也很难发挥作用,比如L/D大于100时,即使桩端为岩层,端阻也几乎为零,成为纯粹的摩擦桩了。

   (4)不同桩端土时,变形曲线及侧阻和端阻的受力是不一样的,见如下示意图。这个图很有意思,应该好好琢磨琢磨,必有收获。


   

    均匀土体的端承摩擦桩(端承摩擦桩是以摩擦为主,摩擦端承桩以端承为主),在正常工作荷载时,以摩擦为主,当沉降较大时,摩阻到达极限,但端承的作用不明显,所以极限状态时,摩擦力被摧毁达到极限状态,曲线变形迅速加大。

    桩端有硬土层时,将近极限时,硬土层随着压缩的增加,端阻增加较多,作用明显,所以极限时下降曲线相对速率小的多。

    位于岩石层的端承桩从一开始就以端承为主,变形很小,极限时桩被压曲或压溃而破坏,所以曲线类似混凝土受压构件破坏的曲线形态。

   (5)特别注意的是当土体有可能出现相对桩体向下的位移时,就会形成负摩阻(桩规5.4.2强条)。我们往往关注的是软弱土带来的负摩阻,而忽略了大面积的地面堆载(新近回填土也属于外荷载)和地下水位的下降带来的负摩阻,因此导致桩基下沉造成上部结构倾斜开裂的事故频发。

   (6)对民用建筑来说,抗拔桩主要用于抗浮设计。桩的上拔力会使土向上移动,土会变松,所以下拉的摩擦力比受压桩的摩阻力小的多了,规范给出了相对于受压桩摩阻的折减系数估算值。

     抗拔桩的大截面和配筋只是为了抗拔,我总觉的太不经济了,而且没水的时候,桩向上顶,如果设计没有考虑这种作用,将是不安全的。即使外行也能感觉出抗拔锚杆比抗拔桩更经济(地基受压压缩时无反力),现在的承压扩大头锚杆技术,是利用了扩大头对土的挤压力,比一般的锚杆和抗拔桩利用的是摩擦力显然大多了,不易失效。这块到抗浮时再探讨吧。


    上述图示和论述均为简单的概念,实际的要比这个复杂的多,即使专门搞岩土的也很难说的清楚,所以大部分桩基的承载力都需要现场载荷实验。

    很多先进的桩工艺目的都是千方百计在提高桩侧阻和端阻上下功夫。比如后注浆技术大大提高了桩的侧阻和端阻,提高系数从1.2~4.0,对桩的承载力提高的作用极大。还有夯扩底桩、多节挤盘桩,大大提高了端阻或侧阻(摩阻变成挤压阻力)等。

    落后的工艺或施工疏忽可能会大幅度降低桩的承载力,比如泥浆护壁的泥皮和沉渣会降低桩的侧阻和端阻。

    我认为保证施工质量通过现场载荷实验的桩安全系数2应该是比较可靠的,之所以桩的设计很重要和事故频发是因为桩在土层内部,桩的质量很难控制和检测,而且确定合适的桩型方案和地勘数据是否准确及施工工艺的适宜与否密切相关,而这恰恰都是很容易出问题的地方。

二、桩的水平承载力和水平位移

    大部分的建筑的水平承载力无须桩来承担。《地基规范》8.5.7规定:

     对非桩基或符合地基的一般建筑来说,承台周边的围土和承台底部的摩擦力是抗侧力的主要部分,所以承台底部和承台周边围土的密实是一个必须的要求。

    钢筋混凝土桩锚入承台后,桩侧向刚度使其承担了很大一部分水平力,但满足上述的条件时,可以不必计算桩的承载力,但应该满足桩的配筋构造要求,避免桩在水平荷载作用下的折断。

    复合地基因为褥垫层,建筑的绝大部分的水平力不会传到桩上,所以可以不配钢筋。

    桩的水平承载力主要是桩侧土体的提供的,也和桩本省的刚度和强度密切相关。

    教材说,为保证建筑无正常使用,按工程经验,应控制桩顶水平位移不大于10mm,对水平位移敏感的建筑物则不大于6mm(其它地方未见此论述)。所以钢筋混凝土桩的水平载荷实验可以以桩顶水平位移10mm时的载荷的75%来确定为水平承载力特征值。

    桩的水平承载力和位移可以按弹性地基梁那样进行解析计算(见下图),把土当成无限弹性体,《桩及规范》附录C给出了复杂的水平位移和桩内力计算公式,不过如此复杂的计算和工程师关系不大。本来大部分情况无需计算桩水平承载力,需要计算时水平力小于桩水平抗力按规范给的简化公式就可以了。

    桩位移计算太复杂了,对于极少需要计算位移的比如拱结构的抗推力桩基需要用专门的程序计算。我们需要知道一般的民用建筑按规范计算满足抗力要求的建筑水平位移不会超过10mm。



三、群桩效应

    只看下面的图,概念上就基本可以知道群桩相对单桩的利弊影响。


 

   (1)群桩可以阻止土的侧向位移,提高桩间土的承载力。

   (2)桩对土的下拉力在桩之间互相影响,降低侧阻力。

   (3)桩端压应力互相影响,影响宽度和深度范围和大于单桩,所以nXQ的群桩的沉降大于Q的单桩沉降,但群桩的总端阻/n大于单桩Q,可按浅基础的宽度影响系数来理解。

   (4)群桩的承台可以使土与桩共同作用,成为复合桩基。

   (5)群桩的影响主要和桩的间距有关,当大于3~4倍时,群桩影响系数接近1或略大于1,所以规范对受压桩规定了桩间距3~5d(桩规3.3.3条)。当然桩间距的规定,还和成桩工艺有关,比如饱和土的挤土桩就应该间距大些,施工时应间隔打桩。

     加大桩距虽然对群桩效应有利,但会增加承台的面积,所以片面的增加桩距并不一定经济,应综合考虑。

     群桩的效应很复杂,规范对受压桩计算时未考虑群桩的影响,但是规定了不同情况下的桩的间距(桩规3.3.3条),是避免过密的群桩的不利影响,这个要遵守。

    (6)饱和粘性土时,桩距应加大。水这个东西很有意思,如果有侧限时不可压缩(比岩石还硬),所以饱和土中打预制桩时,土中的侧向挤土压力可能全是水压力(学名叫超空隙水压力,逐渐会消散,桩承载力相应提高;桩的时效性),甚至能把旁边的桩拱起来。土木吧的发过这样的视频,这根桩一锤一锤的往下沉,旁边的那根桩蹭蹭的往上长,感觉特别的魔幻。

   (7)抗拔桩群桩效应,不能仅仅拉开桩距就万事大吉了,群桩有可能带着桩间土作为一个大的刚体一块被拔出来,桩规5.4.6第2条就是考虑整体拔出的计算公式。 

四、桩基的沉降计算

    本系列(三)简要说过桩的沉降计算,但那是从计算原理来说的,现在我们从工程应用上简单的概述一下。

   1、桩间距小于6倍桩径时

   要考虑群桩的效应,可以把这组桩及桩间土当成一个整体像普通的独立基础(埋的很深)那样计算桩端下土的沉降(不考虑桩群自身很小的压缩值,),计算方法同浅基础的算法,但要乘以两个和桩有关的修正系数(桩基规范5.5.6条)。

  


   2、单桩、单排桩和疏桩(大于6d)的沉降计算

   不能考虑桩群的整体性了,应按单桩明德林公式那样的计算,也就是按深层荷载的明德林解通过积分得出的考虑桩侧下拉力和桩端压力产生沉降的明德林-盖得斯计算公式(见本系列(三)地基规范附录R)。

     不考虑承台对土的压力时,按上述方法计算。考虑桩土共同作用时,为承台对土的压力产生的沉降与上述的计算方法沉降之和。

    3、软土地基的减沉梳桩沉降

    当多层建筑的软土地基承载力符合设计要求,但不符合沉降控制时,可以用大间距的减沉疏桩来设计。

    先把不大于40%的总荷载来让桩承受设计布置桩,然后再用沉降计算进行校核(桩基规范5.6.1和5.6.2)。

    此时沉降分两部分,一是受承台压缩土体的沉降,附加应力只考虑土承受的部分即60%总荷载,计算深度按《地基规范》的地基沉降计算公式中的计算深度确定。再计算桩身长度范围内的摩擦下拉力对桩间土的压缩沉降,两者之和即为基础沉降(桩基规范5.6.1、5.6.2)。

五、大直径桩、墩基础、嵌岩桩和天然地基的短柱基础

    大直径桩、墩基础很难分的清。《桩基规范》把直径大于800的称为大直径桩,清华大学李广信老师的教材把直径大于800,长度6~20米,长径比不大于30的叫墩基础。嵌岩桩大部分也是很粗大的桩直接支撑在岩石上,叫墩基础似乎更形象。独立基础为了找到好土层进行深挖,并且做成粗短的短柱,口语叫短柱基础,也可以理解成一柱一桩的大直径桩或墩基础。因断面比较大,大直径桩或墩基础一般是人工开挖或成孔。

     大直径桩(墩基础)因为尺度比较大,桩侧土和桩端土开挖后会发生松弛,所以侧阻和端阻要乘以小于1的折减系数(桩基规范5.3.6)。

     嵌岩桩桩端是岩石,承载力极高,如果长度不长时侧阻所占比例很小,不考虑也罢。端阻需要根据入岩的深度考虑端承提高系数,因为入岩后即有端承也有很大的岩石侧阻。

    短柱基础目的是深挖找好土,一般大开挖再回填,不能考虑侧阻,按独立基础的深宽度进行修正。    

六、散体桩

    当多层或小高层建筑的上部荷载不大时,地基土若为软土,可以采用散体桩比如灰土、碎石桩等进行加固地基。散体桩和刚性桩原理完全不同。灰土或碎石等形成的土体本身的承载力主要是桩体自身的压缩产生的反力,和周边的土体性质类似,只是散体桩的承载力大于周边土而已(如果施工工艺为挤密法,周边的土的强度会有所提高),所以不能用刚性桩的侧阻和端阻来计算承载力,应该用沿竖向局部换土那样的思路来计算承载力,系列(八)有简单计算示例。  


参考文献:

1:土力学  清华大学 李广信等

2:基础工程  清华大学 李广信等

3:建筑地基基础设计规范.

4:建筑桩基技术规范

5:地基与基础 建工出版社