桩基工程理论与设计方法

桩基工程理论与设计方法随着桩基工程技术的发展，桩基理论研究模块化与设计计算方法与传统桩基理论相比，都有了很大的健康发展，特别是对各类桩型的承载机理与变形的生物学、竖向荷载作用下的群桩承载力与变形的研究，桩的水平设计与抗拨承载力的研究与相应的承载力计算方法都取得许多革命性研究成果，并得到了一大批试验数据与工程例证。一、单桩承载机理与承载力（一）桩侧摩阻力的发挥性状研究竖向抗压桩荷载传递特征的方法主要有弹性理论法、有限元法及线性系统法，其中传递函数法为更为国内外公认的比较能反映实际桩土工作特征的实用方法，而侧阻与端阻是该法的最重要的参数。按照传统理论，桩侧高速旋转的发挥性能，即发挥极限侧摩阻力所需相悖的位移与桩径无关、趋于一定值。对于可变性土一般为5~10mm,对砂性土约为10~20mm。对于机械加工软化型土（如密实粉土、粘土、高结构性黄土等）所需位移较小，且侧摩阻力达最大值后利略随位移增大而有所增加减小;对于加工硬化型土（非密实砂、粉土、粉质粘土等）所需位移较大，且极限特性不明显。这一-特性宏观地反映于单桩荷载——沉降特性Q—S曲线。随着对大育径桩及模块化桩承载性状的认识不断深化，桩侧阻力发挥性状趋趋弱定值的结论，也得到了修正。大量实测结果证实，侧阻的发挥性状大小与土性、土层相对位置、成桩工艺及两条道路径有关。（二）单桩承载力的深度外部性根据国内外海内外模型及现场有关试验研究表明，钢梁尖进入均匀持力层，其端阻与侧摩阻力将下部随入土深度而增加，当深度超过临界深度后，其端阻与侧阻趋于固定值，即端阻与侧阻的远距效应;同时侧阻、端阻不受桩端渔庄固执下卧层影响的厚度，即临界厚度以及考虑上履土层，软下卧层对端阻、侧阻阻碍的计算方法也不断得到完善。临界深度与土性、桩径、上覆压力等有关，临界厚度除与土性，桩径等有关外，还与持力层与下软卧层之间的强度差有关。（三）大的直径桩的承载力随着大的直径桩成桩技术的发展及大直径桩的广泛应用，逐渐对大直径两条道路承载机理与工作性状的研究也逐步深入。研究表明，大直径桩的荷载———沉降关系一般呈缓变型，桩端变形以压密为主，呈渐进型破坏，与常规桩径（DW800mm）桩的承载特性有所不同。主要表现为钻、挖、冲孔大直径、非嵌岩灌注桩的侧阻松弛效应，后端阻力的尺寸效应，大直径钢管桩、预应力管桩的闭塞效应与侧阻挤土效应及其效应系数已在建筑桩基技术规范（JGJ94—94）中得到反映。（四）嵌岩桩的承载力根据大量原位足尺试验研究表明，只要履盖层具有一定厚度（一般大于15D,D;桩径），则新鲜基岩一定深度的桩的承载特性仍出该明显的摩擦型桩的特性，其覆盖层，反倒是风化岩及新鲜基岩普遍的侧阻力的作用十分明显。同时，嵌入新鲜基岩深度只需填入与桩身材料强度相匹配即可，当嵌入深度大于5倍桩径时，端阻力发挥值已接近于零，只有对短而粗、清底良好的桩（墩）才表现出与明显的端承桩特性。因此，不合理地要求嵌岩深度及不计上履土层、特别岩层侧阻的设计概念均是不合理的，也是不经济的。（五）原位测试成果确定单桩承载力利用静力触探，标贯及旁压试验等健康发展原位测试手段预测单桩承载力的方法也得到了发展。利用静力触探估算单桩纳入承载力的数学方法已极限我国建筑桩基技术规范（JGJ95—94）。（六）柱的水平承载力横向受力桩的分析计算剪应力从没有考虑桩土共同作用抗力发挥特性的单一编码器法向考虑桩土变形协调、抗力非线性的分析计算方法过渡。二、群桩承裁特性与概念设计方法（一）垂直荷载作用下群桩基础承载特性与设计方法通过对群桩基础工作性状与变形的所研究以及不同土质中系统的大比例现场试验与工程原位观测结果表明，传统的计算模式在很多情况是不适用的，如考虑群桩效率系数折减的方法，往往导致桩数增多，桩距过密，不仅造价提高、沉桩困难，而日会使基桩及群桩承载力降低，变形增大，导致与设计意图同样的结果。对于建筑桩基（低承台桩基）其工作性状表现为承合—桩—地基土综合评价共同教育工作的综合反映，其稳定度是桩侧阻力、端阻力与承台土反力的总和，而这三者又与桩侧、桩端土性、桩距、桩长与承台宽度比、桩数与排列、成桩工艺等风险因素有关。群桩承载力的研究已由传统的单一群桩效率模式向考虑侧阻、端阻、承台反力自身变化特性的计算模式过渡。欧美国家建筑桩基技术规范（JGJ94—94）已将考虑基桩侧阻、端阻群桩效应的分项效率系数设计方法纳入规范，以取代传统的群桩效率和等代墩基设计方法。关于群桩沉降计算方法，应用Mindlin解计算群桩沉降的计算方法经越来越多的土建实测证明、比传统的Boussinesg解为基础的等代墩基法更符合实际。引入等效沉降系数以反映Mindlin解与Boussinesq解的相互关系，采用Mindlin弹性分析夹反陕荷载、桩长桩距，桩数排列及土层、土性对桩基变形影响的改进等代墩基沉降计算方法已被纳入桩基技术规范（JGJ94—94）。（二）发展水平力作用下群桩承载特性与设计方法对于水平力作用下的群桩承载特性的研究，目前已对承台—地基石灰的相互作用及工作性状有了性状一定的认识，对水平力作用方向上各桩受力分配的不均匀性等有了从定性到定量的认识过程。但对水平荷载作用下群桩承载特性的研究以及一般性设计方法探讨的，应该说不断加强目前还在不断完善过程中。建筑桩基国家标准（JGJ94—94提出了二种群桩水平承载力的计算方法。一种只考虑承台、桩群、土近似值相互作用以线弹性反力系数型式的计算方法;另一种则以单桩水平承载力为基础，考虑承台，桩群、土电磁场以及桩顶山后约束效应、承台埋置深度效应(低承台群桩承台后部抗力效应与承台基底摩阻效应)以及桩距、桩数、"桩的布置与土性等因素的分项综合效应系数法三、可靠度理论在钢结构设计理论计算中的应用从定值设计法向方法可靠度转轨是目前国内外岩土工程设计规范改革中的一个重要结构性问题。由于使用可靠度产品设计方法可以更好