桩基中的土力学问题.docx

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桩基中的土力学问题

桩的作用；

桩基具有多种独特的功能，根据工程的特点，它可以发挥不同的作用，具体体现再以下几个方面：

（1）通过桩的侧面和土体的接触，将荷载传给桩周土体，或将荷载传给深层的基岩、砂石或坚硬的粘土层，从而获得很大的承载能力以支承重型建筑物。

（2）对于液化的地基，为了地震时仍然保持建筑物的安全，通过桩穿过液化土层，将荷载传给稳定的不液化土层。

（3）桩基具有很大的竖向刚度，因而采用桩基的建筑物，沉降比较小，而且比较均匀，可以满足对沉降要求比较严格的上部结构的安全需要和使用要求。

（4）桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平力、上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构和建筑安全；

（5）改变地基基础的动力特性，提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证机械设备的正常运转。

桩大的用途

随着桩基技术研究的不断深入，其应用也日益广泛，可应用于各种地质条件和各类工程建设中。

目前应用最广泛的是将桩作为建筑物的下部荷载向地基深部传递荷载，桩顶部用承台将上部结构与其下的多根桩连成一体，共同发挥作用。

由于桩基础承载力大，沉降小，因而长用于以下工程中：

（1）荷载较大，而对沉降的要求有严格特殊限制的建筑物中；

（2）有较大上拔力，而且对倾覆量有特殊要求的高耸结构中；

（3）活载占荷载比例较大的建筑物中；

（4）用于动力机器基础，以减小基础振幅；

（5）用于容易因地震而液化的地基；

除此之外，桩的零一个突出的用途是作用围护结构支挡土体，防止岸坡、基槽、基坑、土体开挖中出现的土壁坍塌。

这类桩常成排状设置，有时连接成壁状。

一、负摩阻力

当桩周土层相对于桩侧向下位移时,产生向下的摩阻力称为负摩阻力。

负摩阻力的存在将给桩的工作带来不利的影响。

桩身受到负摩阻力时，即在桩身上施加了一个竖向向下的荷载，而使桩身的轴力加大，桩身的沉降增大，桩的承载力降低。

当桩身的下沉量大于桩周土层下沉量时，桩身侧表面摩擦力仍然是向上的摩阻力（正的摩阻力）；当桩身的下沉量小于桩周土的下沉量时，桩身侧表面摩擦力是向下的摩阻力（负的摩阻力）。

1、桩侧负摩阻力产生的条件：

桩侧负摩阻力产生的条件：

桩侧土体下沉必须大于桩身下沉。

当土层相对于桩有向下的位移时，应考虑桩侧有负摩阻力作用。

几种产生负摩阻力的原因：

1）在桩周地面上有大面积堆载、填土等，或桩侧地面承受局部较大的长期荷载。

2）桩基础场地地下水位下降

3）打桩时，桩穿越土层是自重欠固结土、自重湿陷性黄土、松散填土进入相对较硬的土层。

4）桩侧冻土的融陷。

2、桩侧负摩阻力应用

在桩侧负摩阻力主要应用于桩基础的承载力和计算。

1）对于摩擦型桩基。

负摩阻力相当于对桩体施加下拉荷载，使持力层压缩加大，随之引起桩基础沉降。

桩基础沉降一旦出现，土相对于桩的位移又会减少，反而使负摩阻力降低，直到转化为零。

因而，一般情况下对摩擦型桩基，可近似看成中性点以上桩侧负摩阻力为零来计算桩基础承载力。

2）对于端承型桩基，由于其桩端力持力层较坚硬，受负摩阻力引起下拉荷载后不至于产生沉降或沉降量较小，此时负摩阻力将长期作用于桩身中性点以上侧表面。

因此，应计算中性点以上负摩阻力形成的下拉荷载，并将下拉荷载作为外荷载的一部分来验算桩基础的承载力。

结论：

整体冲剪验算，将桩基础视为等效深基础来计算。

单独冲剪的验算只对桩基础中的基桩进行计算。

二、桩基的长期沉降;

土体的应力应变时间效应对桩基长期沉降有重要影响。

在长期荷载作用下桩基的沉降主要包括两个部分：

桩尖刺入量和桩底土体的蠕变压缩沉降。

采用Mesri蠕变模型描述土体的蠕变行为，用桩的Mindlin应力公式计算桩端和桩侧荷载在桩端平面以下产生的附加应力，用Boussinesq应力公式计算承台分担荷载产生的应力。

分别给出了桩尖刺入量和桩底土体蠕变压缩量的计算方法，从而提出了一种考虑土体蠕变效应的桩基长期沉降计算方法。

计算结果与桩基长期监测结果较为吻合，表明在获得可靠的计算参数后可用提出的方法估算桩基长期沉降。

使用桩的目的在很多情况下是为了减少建筑物的沉降，因而桩基应基于沉降预测的结果来进行设计。

近年来，在深厚软土地区推广应用的基于沉降的桩基设计方法相对于常规的基于承载力的设计，桩工作在一个较高应力水平状态下，如“蠕变桩基础”的每根桩的设计工作荷载通常为极限荷载的70％～8O％。

在较高应力水平状态时，在恒定荷载作用下土体蠕变将导致显著的桩头位移，甚至桩的承载力将逐步减小。

土体的粘弹性或蠕变性对桩的荷载传递反应有显著的影响，从而对桩在荷载作用下的沉降有明显的影响。

研究表明，由土的固结产生的桩的沉降较小⋯。

工程实践表明，桩基最终沉降量往往是初始沉降量的几倍。

因此，沉降的蠕变部分理应成为桩基长期沉降倍受关注的方面。

工程实际中考虑土体的流变性质，依赖于对蠕变变形过程的合理描述。

关于土体流变已有相当多的研究，但流变模型本构方程的复杂性难以获得解析解，或因为诸多元件参数与可测试得到的土性参数之间难以联系，因而给工程应用带来不便。

特别是涉及到考虑应力应变时间效应的桩基沉降时，目前还缺乏一种简便实用而易于为工程设计人员掌握的计算方法。

Mesri蠕变模较好地描述特定地区土体的蠕变特性，其参数简单，并可通过三轴应力应变

二、打桩应力

预应力混凝土管桩（以下简称管桩）在施打过程中，由于经受高温能量桩锤的反复冲击，在桩顶部和桩身均产生打桩应力，而且应力的峰值波动较大。

有时还会超过桩静态极限承载力的允许应力，使桩顶部的混凝土在打桩过程中受到破坏或桩身出现环向裂缝，致使打桩中断，甚至危及桩的完整性，以至于使桩的承载力与耐久性受到削弱。

因此，在管桩基础施工中，绝不可忽视打桩应力的影响：

1、打桩应力的形式

打桩应力是在打桩过程中产生的，其主要形式有压应力和拉应力，大小、形式与桩锤、土体抗力，打桩操作有关：

打桩应力可以通过PDA动测仪探测到。

一般管桩多采用中高能量柴油锤施打，也可以用落锤施打。

桩顶部在桩锤的打击下，产生高值压应力，以压力波的形式迅速传到桩底，并产生反射应力波当桩顶部的初始压应力向下传到桩尖时，如果桩尖处土层的阻力很大，那么反射的是压应力波，反射波传到桩顶，如果桩顶部的自由度大，压应力波又以拉应力波的形式向下反射。

如果桩尖处土层阻力很小，那么，向上反射的是拉应力波。

桩截面任意点的应力值是向下传递的压应力和向上反射的拉应力的代数和据有关T程实测资料显示，打桩应力的峰值多数在35～50MPa之间，拉应力在有些情况下甚至达到50MPa以卜。

在大多数情况下，托应力是由拉压交替作用的。

打桩应力的产生是复杂的，受打桩阻力、打桩机具、打桩方法等因素的影响，因此，必须具体分析。

2、影响打桩应力的主要因素

在管桩基础施工中，普遍现的问题主要有两类：

一是由于不规则的高压应力作用，造成桩顶部混凝土的破损（如图1所示）；二是由于不规则的拉压应力的作用，产生环向裂缝或混凝土破损（如图2所示）。

这两种情况都是不规则的高值打桩应力超过桩的极限强度所致。

根据统计情况分析，导致产生高值打桩应力的因素是多方面的，主要有以下几个方面的原因：

（1）在打桩方面，主要是桩垫不好，偏心打桩所致。

（2）由于在桩基设计时，过高地估计管桩的抗冲击能力，往往只注意桩的静态承载力而忽视了桩体的抗冲击强度，选择打桩参数过于保守。

（3）地质条件的影响，主要表现在当桩穿过软土层（如淤泥层和突然进入硬土层时，则打桩应力会发生变化，前者会产生很大的压应力（岩石更甚），后者会产生托应力。

（4）桩的制作偏差也会中导致局部应力集中。

3、对打桩应力的控制措施：

打桩应力的产生是无法避免的，但是．对其控制是必要的和可能的。

根据以往对管桩的使用情况来看．可以从以下几个方面采取措施加以控制：

（1）要根据工程地质条件和满足设计承载力的要求．确定最后的贯入度，并且合理地掌握。

决定管桩承载力的因素是多方面的，仅仅以最后贯人度作为控制标准，严格地说是不够准确的，而那种用极小的贯入度去追求保证承载力的做法，对于预制桩来说是不利的，因为这样会使桩体潜伏着产生“内伤”的危险。

（2）要重视锤的选择。

过大或过小的锤对于施打管桩都是不利的。

（3）软土层较厚时，桩尖直接进入强风化岩、砂岩等岩层时，不宜用过小的贯人度来满足过高的承载力，当所采取的打桩措施不能奏效的情况下，应考虑承载力的取值。

（4）在打桩过程中，要注意持力层的变化，加强对沉桩过程的观察与记录。

（5）理论与实验都证明，采用适当的锤垫和桩垫是减少打桩应力的最有效的方法。

（6）打桩应遵循“力戒偏打”的原则，对于施打管桩尤为重要。

打桩应力的峰值往往是由于偏心冲击引起的局部应力。

（7）长短桩的接桩顺序，在一些情况下，对打桩应力有着重要影响

4、结束语：

通过以上分析可知，打桩应力是在桩承受荷载之前产生的，是临时荷载，但是可能给预制桩造成的危害却很容易被忽视，因此，在管桩基础施工中必须予以足够的重视。

三、桩基和桩体复合地基的抗震特性

近几年来，我国沿海地区广泛采用桩体复合地基的方法来进行软土地区的地基处理，通过这种方法能有效地提高地基承载力，减少沉降，达到改善地基土工程性质的目的，满足建筑物对地基稳定和变形的要求．在有较薄软土层的地质条件下，素混凝土刚性短桩复合地基是一种有效的地基加固处理方法。

下面所提到的微桩就是指的素混凝土刚性短桩，资料表明，微型桩一般适用于中、小型建筑物的软土地基处理，此法能较大幅度地提高地基承载力．在地震设防区，桩的设置改善了场地条件，有利于抗震．该方法用于大丰市海北垦区排涝涵洞、如东水厂、南通大东漂染车间等多项工程的地基处理，效果较好。

根据相似理论拟定一微群桩复合地基模型，借助有限元软件Marc对该微型桩基减降抗震特性进行研究，旨在为微群桩复合地基工程设计及应用提供依据。

结果表明，微桩的加入使桩分担了很大的应力，减少了地基的沉降，改善了场地条件，有利于抗震，在工程设计和应用上有着重要意义。

目前，对桩基础的地震反应分析方法多属于总应力法，该方法不考虑振动孔隙水压力对土动力性质的影响，因而，无法描述砂土液化等土动力特性。

通过有效应力动力分析方法，对某长江大

桥索塔超深桩基础进行了地震反应性状研究，对桩基震陷、地震反应加速度及振动孔隙水压力等特性进行了分析。

得出如下的结论：

（1）地震作用使得超深桩基础发生了较大震陷，且地震作用使得桩侧土体向桩挤压，桩下部土体向外运动。

（2）桩侧附近的地震振动孔隙水压力较小，液化度也较小，相对于天然地基，桩基有较好的抗震性能。

（3）桩基础在桩顶部位动力反应相对较大，且边桩的动力反应要比中桩的动力反应要大。

因而，桩基设计中应注意其抗震性能的优化。