抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

文章编号:100926825(20200920208202抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算收稿日期:2020211223简介:张正雨(19822,男,硕士,国家一级注册结构工程师,浙江大学建筑设计研究院,浙江杭州310027尹晔(19822,男,工程师,杭州市高速公路管理局,浙江杭州310016张正雨尹晔摘要:通过分析抗拔桩与抗压桩桩周土在桩身部位及桩端部位应力路径的不同,阐述了抗拔桩和抗压桩不同的荷载传递机理,在计算黏土地基中钻孔灌注桩的抗拔承载力时,针对抗压桩和抗拔桩侧阻在桩身部位和桩端部位土体应力的不同,引入了两个侧阻折减系数,并通过实例验证了公式的可行性。关键词:抗拔桩,抗压桩,侧阻,增强效应,应力路径中图分类号:TU473.1文献标识码:A现今,随着高层建筑和基础工程的大量涌现,桩基的使用越来越多。对于抗压桩的荷载传递机理及承载力的计算,前人已做了大量的研究[1]。大量的文献证明[2,3],抗拔桩和抗压桩的荷载作用机理是有所不同的,它们的桩侧摩阻力也是有所差异的。深入研究抗拔桩的受力性状,剖析它与抗压桩之间存在的差异,能更好的指导抗拔桩的施工和设计,这是本文研究的意义所在。1土的应力路径与桩的荷载传递机理1.1桩身部分土层的应力路径无论是抗拔桩还是抗压桩,土体单元在受到剪切后,水平有效应力都不再是主应力,主应力的方向发生了旋转。剪应力越大,旋转角就越大。Roscoe(年[4]提出,在排水剪中:τσ′v=K・tgφ(1其中,τ为施加的剪应力;σ′v为竖向有效应力;K为材料的常数;φ为σv′和大主应力之间的夹角。水平有效应力σ′r的变化取决于土的应力应变性能,室内三轴试验证明[5]:一定密度的砂土,围压越小,剪胀越明显。当围压渐增到一定值时,砂土则表现为常体积,当围压增大时,则表现为剪缩。对于一定密度的正常固结黏土,三轴剪切试验中都表现为剪缩,且围压越大,剪缩越明显。不过,无论是抗压桩还是抗拔桩,如果土体剪缩,水平有效应力将减小,反之,则水平有效应力将增大。Lehane等(1993年[6]进行了松~中密石英砂中的桩静载试验,并测量了有效应力。并指出,荷载引起了土中径向有效应力的变化及桩土接触面处剪胀现象的产生。同时试验表明,在桩破坏时,抗压桩试验中的σ′v大于抗拔桩试验的σ′v,使抗拔桩侧阻小于抗压桩侧阻。总结前人的研究,笔者认为造成抗拔桩侧阻不同于抗压桩侧阻的机理是:1荷载方向的不同,导致桩周土应力场有所不同。抗压桩桩周土应力场中平均应力不断提高,抗拔桩应力场中平均应力不断降低。2桩身材料泊松效应的影响,抗压桩桩身半径扩大,而抗拔桩桩身半径收缩,导致了桩周土中径向有效应力发生变化。3剪切应力的出现,使主应力方向发生了旋转。主应力方向转动的角度和荷载方向及残余应力场有关。1.2桩端处土层的影响图1,图2分别为抗压桩与抗拔桩受荷时桩侧平均摩阻力沿桩身的分布图。从图1,图2中不难发现,在桩开始受荷时,抗拔桩与抗压桩沿桩身的侧摩阻力分布曲线相似,即桩侧阻都是从桩上部开始发挥并逐渐往下传递的。随着荷载的不断增大,抗拔桩桩身上部和参考文献:[1]沈细中.深基坑工程基本过程数值模拟及实时优化研究[D].武汉:武汉大学,2004.[2]赵志缙.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[3]曹汉杰,王伟霞.基坑支护的综合应用[J].山西建筑,2020,34(12:1312132.[4]彭聚云.基础工程设计原理[M].上海:同济大学出版社,2004.[5]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑出版社,2001.NumericalanalysisoffoundationpitconstructiontothearchitectureintheneibourhoodZHANGFei2jinLIXu2weiAbstract:Ittakes32Dnumericaldifferencesanalysissoftwaretoanalyzethefoundationpitofsubwaytunnelinopen2cutconstruction.Itevalu2atesthesafetyofarchitecturethroughtheanalysisofthesinkingandinclinationofarchitecturecausedbyfoundationpitconstruction,soastoofferstechnicalsupporttothecontrolling,monitoringandsurveyingofconstructionprocess.Keywords:foundationpitconstruction,architecture,numericalanalysis・811・第35卷第9期2020年3月山西建筑SHANXIARCHITECTUREVol.35No.9Mar.2020端部的侧阻几乎没有变化,而桩身中部侧阻变化较大;抗压桩除桩上部侧阻达到极限外,中下部侧阻均快速增长。对于端阻的增强效应,前人已做了大量的工作。试验资料表明,桩端土层强度越高,对桩侧阻力增强效果就越明显。同时,Vesic[7]试验表明,在其他条件相同情况下,桩越长,桩侧阻力的强化效应越明显。这说明,桩端阻对侧阻的强化作用还受到桩长的影响。2等截面抗拔桩承载力的计算考虑到抗拔桩为深厚黏土中的中长钻孔灌注桩,可采用复合剪切面破坏形态[9]。为计算简便起见,采用桩土侧壁界面上发生土的圆柱体剪切破坏。抗拔桩极限承载力Pu可以由以下两部分组成,即:桩侧摩阻力Ps,桩有效自重Wp,基本计算公式为:Pu=Ps+Wp(2Kulhawy等证实钻孔桩实际破坏面一般出现在界面以外附近的土体内,因此只需知道土的抗剪强度即可。则抗拔桩侧阻Ps为:Ps=λ1πd(∫L1λ2qsdz+∫LL1qsdz(3其中,d为钻孔桩有效桩径;L1为桩端侧阻影响区的长度(由静载资料确定;L为桩长;λ1为侧阻折减系数,取0.8;λ2为端阻对侧阻的影响系数,取12~23;qs为单位极限侧摩阻力。3算例下面取杭州某工程两根抗拔试桩来验证公式。3.1试桩参数工程中两试桩分别为:S1:桩径800mm,桩长26.82m,充盈系数1.16;S2:桩径800mm,桩长25.94m,充盈系数1.18,则试桩有效桩径d分别为928mm,944mm。3.2试桩的桩身轴力S1试桩离桩端5.82m处,轴力变化很小,S2试桩离桩端4.66m处,轴力变化很小,则取L1分别为5.82m,4.66m。3.3公式计算值与试验得出抗拔力的比较根据静载试验可知,两试桩在加载到1700kN时,上拔量分别为6.23mm,7.12mm,即两试桩极限承载力均不小于1700kN。实际计算中,取λ2=1/2,混凝土有效重度27N/cm3,综合试桩的各项参数,由承载力计算公式可得:Ps1=0.8×3.14×0.928(∫5.820.5×qsdz+qsdz=1317.48kN。Ps2=0.8×3.14×0.944(∫4.6600.5×qsdz+∫qsdz=1318.75kN。Wp1=27×(3.14/4×0.9282×26.82=489.54kN。Wp2=27×(3.14/4×0.9442×25.94=489.95kN。Pu1=Ps1+Wp1=1317.48+489.54=1807.02kN。Pu2=Ps2+Wp2=1318.75+489.95=1808.7kN。公式计算所得的极限承载力比测值大6.34%,6.35%,满足极限承载力不小于1700kN的要求,可见公式具有很好的计算精度。4结语抗拔桩与抗压桩的荷载传递机理是有差异的,其主要影响因素为:1荷载的方向;2桩土界面间摩擦作用的剪胀性能;3桩体的泊松比;4主应力方向的旋转;5桩端阻的发挥。抗拔桩与抗压桩桩周土体的应力路径在桩身部位和桩端部位是有很大不同的,在具体分析时应该分开来进行考虑。抗压桩桩端部位侧阻发生增强效应,而抗拔桩桩端侧阻发生退化效应。参考文献:[1]桩基工程手册编委会.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.[2]黄锋,黄文峰,李广信,等.不同受载方式下桩侧阻的渗水力模型试验研究[J].岩土工程学报,1998,20(2:10214.[3]黄锋.单桩在压和拔荷载下桩侧摩阻力发展机理研究[D].北京:清华大学,1998.[4]Roscoe,K.H..PrincipalAxesObservedDuringSimpleShearofaSand.Proc.Geotech.Conf,1967:2312237.[5]黄锋,李广信.土的剪胀性对桩侧摩阻力的影响[J].地基基础工程,1999,9(1:18223.[6]Lehane,B.M..MechanismsofShaftFricitioninSandfromIn2strumentedPileTests[J].Jou.ofGeotech.Eng.,1993,119(1:19235.[7]A.S.Vesic.桩与土体系中的荷载传递,地基与基础译文集,桩基础[M].洪毓康,译.北京:中国建筑工业出版社,1982:69279.[8]Touma.F.T.,Reese.L.C..BehaviorofboredPilesinsand[J].JournaloftheGeotechnicalEngineeringDivision,1974(7:31232.[9]刘祖德.抗拔桩基础[J].地基处理,1995,6(4:1212.UpliftpileandcompressivepilemechanismanalysisandloadingcapacitycalculationZHANGZheng2yuYINYeAbstract:Accordingtoanalyzethedifferencesofstresspathbetweenupliftpileandcompressivepile’ssoilaroundpileonpilebodypartandpiletippart,theauthoranalyzesthedifferentloadingtransfermechanismbetweenupliftpileandcompressivepile,intheprocessofcalculatingupliftloadingcapacityofboredpileinclayfoundation,aimingatthedifferencesofstresspathbetweenupliftpileandcompressivepile’sside2frictiononpilebodypartandpiletippart,introducestwoside2frictionreductionfactors,andverifiestheformula’sfeasibilitybasedonexperi2ment.Keywords:upliftpile,compressivepile,side2friction,enhancementeffect,stresspath・911・第35卷第9期2020年3月张正雨等:抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算收稿日期:2020-12-18简介:吴年斌(1968,男,浙江杭州市人,工程师,从事工程项目管理工作。,抗拔桩承载力不足对建筑物的影响分析吴年斌1,齐宇文2(1.浙江新盛建筑工程,浙江杭州310000;2.杭州市拱墅区城市建设发展中心,浙江杭州310000摘要:对于土层地质条件较差的软土地区,如果采用抗拔桩来解决建筑物的抗浮问题,时常会产生由于抗浮桩的承载力不足而导致上部结构的开裂。在进行抗拔桩设计时,通常采用地质报告中给出的设防水位进行抗拔设计,而且设计方法也大多不考虑桩与上部结构的共同作用问题。本文运用ANSYS有限元软件,建立了上部结构、底板和桩基共同作用的三维有限元模型,对一栋受地下水影响而导致上部结构开裂的工程实例进行分析。揭示了建筑物周围局部地区地下水位高于设防水位的原因,建立了上部结构开裂与地下水位上升之间的关系,并给出了采用预应力锚杆的加固方法。关键词:抗拔桩;承载力;水浮力;预应力锚杆;共同作用中图分类号:TU473.1文献标识码:B文章编号:1008-3707(202004-0022-03在降雨丰富、地下水位较高的地区建造地下建筑物时,通常需要采用一定的抗浮措施。过去几年中,因地下水浮力的影响而导致上部结构开裂、地下室的破坏等事故时有发生。在这些事故中,有的地下室底板隆起,有的地下建筑物整体浮起,导致梁柱节点处以及墙体开裂。因此,地下建筑的抗浮问题引起了关注[1]。分析抗拔桩承载力不足对建筑物的影响需要从以下几个方面着手:根据当地的水文、地质以及气候条件,正确地确定地下水位高度;参考抗拔试验成果,结合土层地质条件,合理选择抗拔桩与抗浮锚杆的承载力和刚度;采用合理的分析方法,分析桩、土、底板与上部结构的相互影响。本文借鉴结构设计中的基础与上部结构共同作用理念,运用ANSYS有限元软件,建立了上部结构、底板和桩基共同作用的三维有限元模型,对一栋受地下水影响而导致上部结构开裂的工程实例进行分析。揭示了建筑物周围局部地区地下水位高于设防水位的原因,建立了上部结构开裂与地下水位上升之间的关系,并给出采用预应力锚杆的加固方法。1地下水位对抗浮设计的影响水浮力的影响是导致建筑物上浮的主要原因,如何正确地计算建筑物基础抗浮验算的水压力,是建筑物抗浮设计的关键所在。由于对建筑设防水位h没有具体规定,带有人为的随意性,且对地下水压力认识不一,故造成水压力计算值的不准确[2]、[3]、[4]。设计人员往往仅参考地质报告提供的地下水位资料来确定设防地下水位,对于地下结构,由于施工因素的影响,会在地下建筑物周围留下一圈透水性较好的回填土层,在填土外围是未受扰动、渗透性差的黏土。当遇到长时间的强降雨气候时,很容易在建筑物周围形成一个连通的水力通道,此时地下水位很有可能超过原设防地下水位,如图1所示。图1填土对地下水位影响的示意图对于抗拔桩与抗拔锚杆受力性能的确定主要依靠单桩抗拔试验,忽视了抗拔桩或锚杆的刚度问题,以及地下水位上升对抗拔构件的承载力影响[5]、[6]、[7]。对于土层地质条件较差的地区,特别是在地层中有暗浜、暗沟、暗塘、暗谷的地段,在这些地质中存在大量变形性能极高的淤泥,使得桩与锚浙江建筑第24卷第4期2020年4月杆的变形量增大、刚度变低,同时由于地下水的上升,土体有效应力降低,导致桩与锚杆的刚度和承载力进一步下降。2工程实例某商业广场,总建筑面积为39778.6m2,其中地上28959.8m2,地下10818.8m2,地上为3层高、地下1层。本工程为钢筋混凝土框架结构,设四条伸缩缝兼抗震缝,将结构平面分为五个单元。基础为预压法预应力管桩,单桩竖向抗压设计极限承载力标准值为2200kN,单桩竖向抗拔承载力设计值为630kN。地下室与下沉式广场为钢筋混凝土整体连接底板,在主体地下室板设置混凝土后浇带。2020年1月26日发现商铺间ALC砌块墙体出现裂缝,下沉式广场楼梯出现裂缝。2020年2月20日发现:在原有裂缝相应部位的下沉式广场及地下室底板发生斜向裂缝,裂缝部位主要集中在下沉式广场的四角对角线方向向主体内侧延伸。根据现场和设计、施工的情况,初步判断裂缝为水浮力所引起。3建模材料参数按设计规范取值。混凝土材料为C40混凝土,弹性模量E=3.25!1010N/m2,泊松比=0.2,混凝土材料密度=2500kg/m3;墙体为加气混凝土砌块,弹性模量E=4.0!109N/m2,泊松比=0.25,密度=650kg/m3。按桩基抗拔与抗压试验结果取弹性刚度系数分别为:K拔=抗拔试验极限值/上拔量,K拔=1.3!108N/mK压=抗压试验极限值/沉降量,K压=2.7!108N/m按设计图纸中的构件尺寸及位置建立结构的有限元计算模型如图2所示。图2有限元计算模型4整体结构受力分析根据现场和设计、施工的情况,初步判断裂缝为水浮力所引起。计算荷载为现有上部结构的自重以及水浮力、覆土自重(均为标准值,重力加速度g=9.8m/s2。上部结构自重考虑为恒载,根据水浮力的变化,分8种工况对结构进行受力分析,如表1所示。表18种工况下的水浮力计算值工况12345678地下水位高度(m-5.3-4.1-2.9-1.7-1.3-0.7(扣除覆土重下沉式广场底板板底水浮力/kN/m221334549576243(扣除覆土重4.1沉降及上浮量计算结果建筑物底板变形最大值计算结果如图3、图4所示,从图3中可以看出:随着水浮力的增加,底板由下沉转变为上浮,上浮量随着水浮力的增加而增大。由此也可以看出,下沉式广场的覆土能有效的减小底板的上浮量。图3底板变形与水浮力的关系图4工况7,底板变形(最大值为12.1mm,上浮4.2桩顶反力计算结果桩顶反力结果如图5所示,从图5中可以看出:随着水浮力的增加,底桩顶反力由受压转为受拉,单桩上拔力随着水浮力的增加而增大;当地下水位高于-1.7m时,下沉式广场底板板底水浮力超过45kN/m2,部分桩的上拔力就超过了桩基抗拔力承载力设计值6.3!105N;下沉式广场的覆土能缓解桩的上拔力,但仍有部分桩的抗拔力不足。图5桩顶反力与水浮力的关系4.3隔墙开裂分析隔墙的拉应力及计算结果如图6所示,从图6中可以看出:随着水浮力的增加,隔墙的拉应力增大,当墙体最大拉应力点的拉应力大于砌体的抗拉强度ft=0.16(MPa时,墙体就会开裂,并沿着应力梯度的方向由图中左上方向向图中右下方向发展(图4的右方向为建筑物靠下沉式广场方向。图6墙板拉应力最大值与水浮力的关系5加固方法通常的加固措施有:压重法、抗浮桩或抗浮锚杆[8]。根据前面的分析,回填土能有效地改善水浮力带来的影响。但受建筑物使用条件的限制,回填土量有限,部分桩的抗拔力仍不足,考虑到需要在室内施工,因此采用预应力锚杆进行加固。见图7由工况8回填土后桩顶反力最大值为6.7!105N大于桩基设计承载力6.3!105N。采用对称式补打锚杆的方案,每根抗拔桩附近加设2根预应力锚杆,每根锚杆所需的抗拔力设计值R=2!104(N图7预应力锚杆详图L=R/df=2!104/(3.14!0.048!20!103∀7m其中:L锚杆长度(m;R锚杆的抗拔力(N;d锚杆直径(m;f锚杆土摩阻力(Pa。6结语水浮力较大是墙板、底板产生裂缝的主要原因,结构所受到的水浮力已经超过原设计的水浮力值。根据附近地下水位的监测情况,建筑物外围地区的地下水并未超过该地区的设防水位。因此最可能的情况如前面所假定的一样:由于施工因素的影响,地下建筑物周围留下一圈透水性较好的回填土层,当遇到长时间的强降雨气候时,在建筑物周围形成了一个连通的水力通道,此时地下水位超过了原设防地下水位。参考文献[1]徐春国.地下室上浮开裂事故的鉴定与加固处理[J],建筑结构学报,2002,32(11:26~28.[2]扬瑞清,朱黎心.地下建筑结构设计和施工设防水位的选定与抗浮验算的探讨[J],工程勘察,2001(143-46.[3]张在明,孙保卫.地下水赋存状态与渗流特征对基础抗浮的影响[J],土木工程学报,2001,36(1:73-78.[4]孙保卫,徐宏声,张在明.孔隙水压力测试与建筑抗浮水压力的确定[J],工程勘察,1998,(331-35.[5]曹正康,饱和软土中的抗浮锚杆[J],工程力学,1996(增刊:212-216.[6]韦宏,舒宣武,广东奥林匹克体育场预应力混凝土管桩作为抗拔桩的设计研究[J],建筑结构,2001,31(5:55-57.[7]贾金青,袁永博.振兴广场抗浮工程的设计与试验研究[J],工程力学,2001(增刊:744-747.[8]贾金青,宋二祥.滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计与试验研究[J],岩土工程学报,2002,24(6:769-771.钢管桩标准节设计承载力计算φ630钢管桩钢管桩直径630mm，壁厚8mm。考虑锈蚀情况，壁厚按照6mm回转半径ix=22.062cm考虑钢管桩横联间距为10米，即钢管桩的自由长度按10m计算，钢管桩一端固定，一端自由，自由长度系数为2.0，则计算长度为2*10=钢管桩的长细比：λ=L/ix=20/0.22=90.7查《钢结构设计规范》表C--2得：φ=0.616考虑钢材的容许应力为［σ］=180MPa1.1最大轴向力计算求得：1.2横联计算根据以上计算结果，按照900KN轴向力，180KN.m弯矩来设计横联。横联竖向间距为10米。2［28a横联采用2［28a作为横联，按照最大长细比［λ］=100来控制。强度复核：按照桩顶承受18KN的水平力计算，由λ=100查《钢结构设计规范》表C--2得：φ=0.555则采用2［28a作为横联的时候，最大间距取4.6米。1.2.2φ采用φ42.6钢管横联（考虑锈蚀，壁厚为4mm）作为横联，按照最大长细比［λ］=100来控制。强度复核：按照桩顶承受18KN的水平力计算，由λ=100查《钢结构设计规范》表C--2得：φ=0.555则采用φ42.6作为横联的时候，最大间距取12米。综上：横联长度在4.6米以下的采用2［28a作为横联。4.6米以上12米以下的采用φ42.6钢管作为横联。12米以上的横联采用自行设计的桁架形式。φ820钢管桩钢管桩直径820mm，壁厚10mm