文獻(xiàn)綜述-單樁豎向承載力的確定方法

1、單樁豎向承載力的確定方法楊洪磊2002150055摘要：樁基礎(chǔ)由于其優(yōu)良的性能和成熟的施工工藝在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單樁豎向承載力是樁基礎(chǔ)的基本要素。本文從樁基礎(chǔ)的工作原理入手，分析了樁土間的作用力關(guān)系及單樁豎向承載力的影響因素，并在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)在常用的樁基礎(chǔ)豎向承載力的確定方法進(jìn)行了介紹，并逐個(gè)分析了各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；豎向承載力；工作原理；確定方法DetermineMethodofVerticalBearingCapacityofPileFoundationAbstract:Pilefoundationhasbeenwidelyusedinengineeringcons

2、tructionduetoitsgoodperformanceandsophisticatedconstructiontechnology.Theverticalbearingcapacityisthebasicfeatureofpilefoundation.Fromworkingprincipleofpilefoundationthepaperanalyzedtheforcerelationshipbetweenpilefoundationandsoil,andtheinfluentialfactorsontheverticalbearingpile.Thepaperintroducedso

3、mecommonmethodstocalculateverticalbearingcapacityofpilefoundationandtheadvantagesanddisadvantagesofeachmethod.Keywords:pilefoundation;verticalbearingcapacity;workingprinciple;determinemethod0引言樁基礎(chǔ)由于其具有承載力高、穩(wěn)定性好、對(duì)沉降變形適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用?，F(xiàn)代樁基礎(chǔ)的樁型主要有鋼管樁、混凝土樁及鋼筋混凝土樁、灰土樁、砂狀、碎石樁等多種形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁基礎(chǔ)承載力方面的研

4、究已有較長(zhǎng)歷史且也取得了一定的成果。目前確定單樁豎向抗壓承載力的方法繁多，因此對(duì)各種方法進(jìn)行歸納總結(jié)并分析各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)工程應(yīng)用及學(xué)術(shù)研究是十分必要的。本文在分析了樁基礎(chǔ)的工作原理的基礎(chǔ)上，介紹了目前主要的單樁豎向承載力確定方法，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。1樁基礎(chǔ)的工作原理當(dāng)樁頂受壓時(shí)，樁身橫截面將因受力而壓縮，相對(duì)土產(chǎn)生向下的豎向位移，與此同時(shí)土將對(duì)樁的側(cè)面產(chǎn)生向上的反作用力(樁側(cè)摩阻力)，樁身所受荷載也相應(yīng)傳到了樁周圍的土體。因樁周土體的向上摩阻力作用，致使樁身軸力呈現(xiàn)出從上到下實(shí)際上是依次遞減的趨勢(shì)。當(dāng)荷載不大時(shí)，僅上部樁土產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而下部無(wú)相對(duì)位移。繼續(xù)加大荷載，樁身壓縮量及位

5、移量逐漸加大，側(cè)摩阻力相應(yīng)增加，當(dāng)樁底端的土與樁將發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，此時(shí)側(cè)摩阻力最大，樁底將壓縮樁端土而產(chǎn)生土的反作用力(樁端阻力)。因此，樁基礎(chǔ)工作時(shí)實(shí)際上是樁側(cè)摩阻力先發(fā)揮，樁端阻力后發(fā)揮，樁身上部土體先于下部土體受載的過(guò)程。當(dāng)側(cè)摩阻力和端阻力達(dá)到極限時(shí)，若繼續(xù)加載，則樁底土被壓縮，樁體有向下的塑性擠出，產(chǎn)生剪切破壞。2單樁豎向承載力的影響因素(1)樁身穿越的地質(zhì)條件。作為對(duì)樁的豎向承載力起關(guān)鍵性作用的因素，樁身穿越的地質(zhì)條件直接影響土層的強(qiáng)度、變形性質(zhì)和應(yīng)力歷史，從而進(jìn)一步影響到土對(duì)樁的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力。另外，當(dāng)樁穿越欠同結(jié)土層厚度較大時(shí)，地層會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，對(duì)樁基礎(chǔ)有較大影響。(2)

6、成樁工藝。成樁方法與工藝對(duì)樁側(cè)摩阻力和樁端阻力都有重要的影響。采用不同的成樁工藝，會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生不同的擾動(dòng)，同時(shí)也影響到樁體自身的質(zhì)量狀況，從而影響到樁基礎(chǔ)的豎向承載力。對(duì)于預(yù)制打入式，樁承載力易于保證，而灌注樁因灌注質(zhì)量無(wú)法有效保證會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題。不同的成樁工藝，會(huì)提高或降低樁基礎(chǔ)豎向承載力。因此在一些規(guī)范的計(jì)算公式中，考慮成樁工藝的不同，會(huì)給出不同的成樁工藝系數(shù)。(3)樁身與樁底的幾何特征。樁身的比表面積(側(cè)表面積與體積之比)越大，由樁側(cè)摩阻力所提供的承載力就越高。(4)樁徑和樁長(zhǎng)。樁長(zhǎng)和樁徑作為樁基礎(chǔ)豎向承載力的重要影響因素之一，對(duì)樁基荷載的傳遞具有重要作用。國(guó)外的研究表示，建議在長(zhǎng)樁中

7、相應(yīng)減小打人樁的側(cè)面摩擦系數(shù)。(5)時(shí)間影響。對(duì)于摩擦型樁，入土后的承載力不是一定值，它會(huì)隨時(shí)間的變化而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這稱之為樁基承載力的時(shí)間效應(yīng)。對(duì)于鉆孔樁，當(dāng)成孔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，孔壁側(cè)向應(yīng)力解除、應(yīng)力松弛明顯，從而會(huì)影響樁基礎(chǔ)的側(cè)摩阻力的發(fā)揮。3單樁豎向承載力的確定方法3.1 直接法3.1.1 靜載荷試驗(yàn)為了使靜載荷試驗(yàn)?zāi)芊从痴鎸?shí)的樁的承載力，打人式預(yù)制樁和沉管灌注樁在設(shè)置后，宜間隔一段時(shí)間才開(kāi)始靜載試驗(yàn)，一般間歇時(shí)間不宜少于兩周，對(duì)于砂土可以短些，軟土則應(yīng)長(zhǎng)些，灌注樁的間歇時(shí)間還應(yīng)滿足混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的時(shí)間要求。根據(jù)試驗(yàn)紀(jì)錄可繪制各種試驗(yàn)曲線，如載荷一樁頂沉降曲線和沉降一時(shí)間(對(duì)數(shù))曲線等，

8、單樁極限荷載可通過(guò)試驗(yàn)曲線反映的變形特征分析確定，已有的這類分析方法很多，但主要的有以下三種：(1)載荷一樁頂沉降曲線明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)法。有靜載荷試驗(yàn)繪制的載荷一樁頂沉降曲線如果其末端明顯向下彎折，則可取該明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載作為單樁的極限荷載。(2)沉降一時(shí)間(對(duì)數(shù))曲線斜率明顯轉(zhuǎn)折法。取樁頂沉降作縱坐標(biāo)，時(shí)間的對(duì)數(shù)作橫坐標(biāo)，繪出每一級(jí)荷載下的沉降一時(shí)間(對(duì)數(shù))曲線，在這一組曲線中取斜率劇增且發(fā)生明顯向下轉(zhuǎn)折的那一條曲線所對(duì)應(yīng)的荷載作為破壞荷載，取其前一級(jí)荷載作為單樁的極限荷載。(3)按樁頂沉降量確定。相應(yīng)于極限荷載下的樁頂沉降量，世界各國(guó)的規(guī)定很不一致，但多數(shù)認(rèn)為采用一個(gè)與樁徑有關(guān)的相對(duì)沉降標(biāo)

9、準(zhǔn)，比規(guī)定某一個(gè)絕對(duì)樁頂沉降量作為確定單樁極限荷載的標(biāo)準(zhǔn)要合理，一般認(rèn)為以產(chǎn)生樁頂沉降等于10%樁徑時(shí)的荷載作為極限荷載。3.1.2動(dòng)力測(cè)定方法動(dòng)力測(cè)定方法預(yù)估單樁豎向抗壓承載力，按其基本原理可分為高應(yīng)變方法和低應(yīng)變方法兩類。高應(yīng)變方法是直接測(cè)定樁在動(dòng)力狀態(tài)下的極限土阻力，然后用半經(jīng)驗(yàn)、半理論方法將他分成動(dòng)阻尼力和靜極限阻力兩部分，以求得實(shí)際靜極限承載力。低應(yīng)變方法是測(cè)定樁一一土系統(tǒng)的某一彈性特征值(例如動(dòng)剛度等)，然后必須采用經(jīng)驗(yàn)方法由動(dòng)靜試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比資料按實(shí)測(cè)彈性特征值估算單樁容許承載力。測(cè)試時(shí)激振能量較小，樁周土一般都處于彈性變形狀態(tài)。該法主要用于樁身質(zhì)量檢測(cè)，用于預(yù)估單樁豎向抗壓承載力

10、時(shí)應(yīng)慎重。高應(yīng)變方法包括波動(dòng)方程法、錘擊貫入法和動(dòng)力打樁公式法。具體如下：(1)波動(dòng)方程法(CASEI)。它采用重錘敲擊樁頂，使樁產(chǎn)生貫人度；同時(shí)由于錘擊引起樁身內(nèi)應(yīng)力波的傳播，根據(jù)一維波動(dòng)方程的解和假定的參數(shù)，可以求得樁側(cè)土和樁端土的動(dòng)阻力，分析中可假定樁為均質(zhì)等截面的彈性杠(連續(xù)模型)，也可以作為離散模型考慮?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)安裝在樁頂部的應(yīng)變計(jì)和加速度傳感器，測(cè)得錘擊后樁頂?shù)乃俣群土Φ臅r(shí)程曲線，從而求出動(dòng)阻力，最后得出靜阻力即單樁的極限承載力。(2)錘擊貫人法。它也采用重錘敲擊樁頂，使樁產(chǎn)生貫人度，通過(guò)重錘的不同落高，由小增大得到相應(yīng)貫人度，同時(shí)通過(guò)裝在錘上的力傳感器，測(cè)得每次敲擊時(shí)的錘

11、擊力，并可繪制最大錘擊力與累計(jì)貫人度的關(guān)系曲線，該曲線與單樁靜載荷試驗(yàn)的載荷一樁頂沉降曲線有相似性，即可由動(dòng)測(cè)曲線最大錘擊力與累計(jì)貫人度的關(guān)系曲線的陡降起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的錘擊力作為動(dòng)極限承載力，并按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出靜極限承載力。(3)動(dòng)力打樁公式法。它是根據(jù)打樁錘擊時(shí)所作的功和實(shí)測(cè)灌人度，按牛頓碰撞理論和能量守恒定理，直接計(jì)算出樁的極限承載力。因公式推導(dǎo)中采用了不同的簡(jiǎn)化假定，所體工程中有許多不同的動(dòng)力打樁公式，但這些公式中都有許多參數(shù)(如錘擊效率系數(shù)，撞擊恢復(fù)系數(shù)，樁帽、樁墊和錘墊的彈性變形值)難以準(zhǔn)確確定，因此使用中有很大的經(jīng)驗(yàn)性。低應(yīng)變方法包括動(dòng)力參數(shù)法、共振法、機(jī)械阻尼法和水電效應(yīng)法。具體如

12、下：(1)動(dòng)力參數(shù)法。它是通過(guò)自由下落的穿心錘錘擊樁頂墊板使樁產(chǎn)生豎向自由振動(dòng)，待錘擊反彈后再次自由下落撞擊樁頂，通過(guò)安裝在樁頂?shù)氖罢衿鳒y(cè)得前后兩次撞擊的振動(dòng)波形，得到樁一土體系的自由振動(dòng)頻率和兩次撞擊的時(shí)差，求得回彈高度，從而求出碰撞系統(tǒng)、樁頂振動(dòng)的初速度，最后得出單樁的容許承載力。(2)共振法。它是用電磁激振器對(duì)樁頂進(jìn)行掃頻激振，使樁產(chǎn)生豎向的強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)頻率由低到高變化時(shí)，在某一個(gè)(或幾個(gè))頻率上使樁一土體系產(chǎn)生共振，并通過(guò)安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鳒y(cè)得樁頂?shù)南鄳?yīng)值隨頻率的變化曲線，采用多自由度的質(zhì)量一彈簧一阻尼器的模型分析，根據(jù)共振頻率和樁頂響應(yīng)的幅頻曲線求得樁一土體系綜合動(dòng)剛度，最后得出單樁

13、的容許承載力。(3)機(jī)械阻抗法。它采用掃頻激振的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)激振，也可采用沖擊方法進(jìn)行瞬態(tài)激振，通過(guò)安裝在樁頂?shù)牧拖鄳?yīng)傳感器，測(cè)得樁頂?shù)膶?dǎo)納曲線正弦激振力，相應(yīng)于每一激振頻率的樁頂振動(dòng)速度，通過(guò)求得的樁一土系統(tǒng)的機(jī)械阻抗和動(dòng)剛度，最后得出單樁的容許承載力。(4)水電效應(yīng)法。它是通過(guò)樁頂上的水容器內(nèi)進(jìn)行放電，對(duì)樁頂施加一瞬態(tài)脈沖壓力波，由于水介質(zhì)不傳遞剪切波，故樁只受壓縮波的作用而產(chǎn)生豎向的自由振動(dòng)，通過(guò)安放在容器內(nèi)水中的水聽(tīng)器和容器外樁頂上的速度計(jì)和加速度計(jì)，即可測(cè)得放電時(shí)作用在樁頂?shù)拿}沖壓力和樁頂?shù)乃俣群图铀俣龋詈蟮贸鰡螛兜娜菰S承載力。該試驗(yàn)中樁端土仍處在彈性范圍，因此，直接求算的樁的極

14、限承載力是否適宜，可作進(jìn)一步探討。3.2間接法(1)按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定樁的承載力時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合理的力學(xué)指標(biāo)，如對(duì)不排水情況下的飽和粘土中的樁，應(yīng)采用不排水的粘聚力、摩擦角試驗(yàn)值；對(duì)排水情況下粘土和砂土中的樁則采用排水的粘聚力、摩擦角試驗(yàn)值。(2)按土的原位試驗(yàn)結(jié)果確定土的原位試驗(yàn)有靜力觸探法、標(biāo)貫試驗(yàn)法、旁壓儀試驗(yàn)法等。(3)經(jīng)驗(yàn)公式法在我國(guó)建筑低級(jí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范、鐵路工程技術(shù)規(guī)范、公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范、港口工程樁基規(guī)范等有關(guān)技術(shù)規(guī)范都列有建議的單位極限端阻和單位極限側(cè)阻值，這些參數(shù)與土層的物理力學(xué)指標(biāo)有關(guān)系，是有關(guān)部門對(duì)大量工程實(shí)踐及試樁資

15、料統(tǒng)計(jì)分析提出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，再根據(jù)樁的摩阻力和側(cè)阻力計(jì)算樁基承載力。但應(yīng)用這些技術(shù)規(guī)范時(shí)應(yīng)注意其局限性，特別是地區(qū)的局限性，往往不同的規(guī)范和地區(qū)提供的樁端阻值和側(cè)阻值有一些差異。3單樁豎向承載力確定方法的比較樁的靜載荷試驗(yàn)是公認(rèn)的確定樁基承載力的最可靠方法。也是檢驗(yàn)其他方法精度的依據(jù)，其效果得到了學(xué)者的一致認(rèn)可，但試樁花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，且試驗(yàn)結(jié)果受個(gè)別試樁結(jié)果影響較大，在特殊惡劣條件下往往無(wú)法開(kāi)展試驗(yàn)或?qū)υ囼?yàn)效果有影響。與靜載荷試驗(yàn)相比，動(dòng)力測(cè)樁法快速方便，時(shí)間和費(fèi)用較少，但其結(jié)果受測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試人員素質(zhì)的影響，適用范圍有限，還需進(jìn)行更深入的研究。理論公式法從樁的豎向承載機(jī)理人手，合理考慮

16、了樁的側(cè)阻力和端阻力，其結(jié)果應(yīng)該是毋庸置疑的，但是理論提出時(shí)必然要進(jìn)行簡(jiǎn)化和建設(shè)，而實(shí)際工程地質(zhì)條件往往是復(fù)雜多樣的，與假設(shè)的理論條件有差異，因而理論計(jì)算的結(jié)果往往與實(shí)際不能很好地吻合。作為當(dāng)前廣泛運(yùn)用并作為設(shè)計(jì)、計(jì)算依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范法是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，其數(shù)值能夠滿足工程需要。但其多半為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式，結(jié)果也往往偏于安全，不能完全發(fā)揮樁基價(jià)值，此外有些經(jīng)驗(yàn)公式差異較大，受行業(yè)和地區(qū)影響顯著。4結(jié)論與建議(1)樁發(fā)揮承載能力的過(guò)程是樁土發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，樁側(cè)土和樁端土共同受載的過(guò)程,且樁側(cè)摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮，上部土先于下部土發(fā)揮。(2)樁的承載力受地質(zhì)條件、成樁工藝、樁長(zhǎng)和樁

17、徑、樁身和樁底特征、時(shí)間等因素的共同影響，但各種因素對(duì)不同類型的樁又有不同影響。(1)一般可分為直接法和間接法兩大類，其中直接法主要包括靜載荷試驗(yàn)法和各種動(dòng)按土的原位試驗(yàn)結(jié)果確定法在工程中應(yīng)該根據(jù)工程類型在學(xué)術(shù)研究中，應(yīng)該著力優(yōu)化力測(cè)定方法；而間接法則主要包括按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定法、以及經(jīng)驗(yàn)公式法等。確定單樁豎向承載力的各種方法各有優(yōu)劣,和地質(zhì)條件選擇合適的確定方法，也可以多種方法共同使用;靜載試驗(yàn)和動(dòng)載測(cè)樁方法，使降低試驗(yàn)成本和所需時(shí)間。參考文獻(xiàn)：1 建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94-2008)2 建筑地基基石設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2011)3波爾斯，邱承平.粘土中樁長(zhǎng)對(duì)樁承載力的影響J.

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