樁基靜載試驗(yàn)檢測(cè)中荷載作用機(jī)理分析

【摘 要】基樁靜載試驗(yàn)是目前進(jìn)行承載力和變形特性評(píng)價(jià)的最可靠的方法。本文主要基于樁基靜載試驗(yàn)的應(yīng)用對(duì)樁基的荷載作用機(jī)理做進(jìn)一步分析。

【關(guān)鍵詞】樁基；靜載試驗(yàn)；荷載作用

靜載試驗(yàn)主要是在樁頂部逐級(jí)施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力，觀測(cè)樁頂部隨時(shí)間產(chǎn)生的沉降、上拔位移或水平位移，以確定相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力的試驗(yàn)方法?；鶚鹅o載試驗(yàn)是目前進(jìn)行承載力和變形特性評(píng)價(jià)的最可靠的方法，也是其它方法（如基樁高應(yīng)變法）與之進(jìn)行比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。本文主要基于樁基靜載試驗(yàn)的應(yīng)用對(duì)樁基的荷載作用機(jī)理做進(jìn)一步分析。

一、單樁豎向受壓荷載作用機(jī)理分析

單樁豎向抗壓極限承載力主要由樁本身的材料強(qiáng)度和地基土強(qiáng)度二個(gè)因素決定。在初始受荷階段，樁頂位移小，荷載由樁上側(cè)表面的土阻力承擔(dān)，以剪應(yīng)力形式傳遞給樁周土體，樁身應(yīng)力和應(yīng)變隨深度遞減；隨著荷載的增大，樁頂位移加大，樁側(cè)摩阻力由上至下逐步被發(fā)揮出來。在達(dá)到極限值后，繼續(xù)增加的荷載則全部由樁端土阻力承擔(dān)。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長(zhǎng)速度加大，在樁端阻力達(dá)到極限值后，位移迅速增大而破壞，此時(shí)樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。

側(cè)阻主要受樁周巖土層性狀、成樁效應(yīng)、樁材和樁的幾何外形、樁入土深度、時(shí)間效應(yīng)等因素影響。飽和土中的成樁效應(yīng)大于非飽和土的，群樁的大于單樁的。作用在樁身的水平有效應(yīng)力成比例增大[1]。按照土力學(xué)理論，樁的側(cè)摩阻力也應(yīng)逐漸增大；但實(shí)驗(yàn)表明，在均質(zhì)土中，當(dāng)樁的入土超過一定深度后，樁側(cè)摩阻力不再隨深度的增加而變大，而是趨于定值，該深度被稱為側(cè)摩阻力的臨界深度。對(duì)于在飽和粘性土中施工的擠土樁，在施工過程中對(duì)土的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，它會(huì)使樁側(cè)向有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致在樁形成的初期側(cè)摩阻力偏??；隨時(shí)間的增長(zhǎng)，超孔隙水壓力逐漸沿徑向消散，擾動(dòng)區(qū)土的強(qiáng)度慢慢得到恢復(fù)，樁側(cè)摩阻力得到提高。

樁端阻力的發(fā)揮也需要一定的位移量。持力層的選擇對(duì)提高承載力、減少沉降量至關(guān)重要。樁端進(jìn)入持力層的深度，一般認(rèn)為，樁端進(jìn)入持力層越深，端阻力越大；但大量實(shí)驗(yàn)表明，超過一定深度后，端阻力基本恒定。關(guān)于端阻的尺寸效應(yīng)問題，一般認(rèn)為隨樁尺寸的增大，樁端阻力的極限值變小。

實(shí)際上，側(cè)阻和端阻的發(fā)揮和分布是相互作用、相互制約。

二、單樁豎向受拉拔荷載作用機(jī)理分析 抗拔計(jì)算的理論計(jì)算公式是先假定不同的樁基破壞模式，然后以土的抗剪強(qiáng)度及側(cè)壓力系數(shù)等參數(shù)來進(jìn)行承載力計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式則以試樁實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，建立起樁的抗拔側(cè)阻力與抗壓側(cè)阻力之間的關(guān)系和抗拔破壞模式。

在上拔荷載作用下，初始階段，上拔阻力主要由淺部土層提供，樁身的拉應(yīng)力主要分布在樁的上部，隨著樁身上拔位移量的增加，樁身應(yīng)力逐漸向下擴(kuò)展，樁的中、下部的上拔土阻力逐漸發(fā)揮[2]。當(dāng)樁端位移量超過某一數(shù)值（通常為6～10mm）時(shí)，就可以認(rèn)為整個(gè)樁身的土層抗拔阻力達(dá)到極限，其后抗拔阻力就會(huì)下降。此時(shí)，如果繼續(xù)增加上拔荷載，就會(huì)產(chǎn)生破壞。

樁的抗拔承載力由樁側(cè)阻力、樁身重力組成，樁端真空吸引力一般不予考慮。樁周阻力的大小，受樁土界面的幾何特征、土層的物理力學(xué)特性等較多因素的影響；但粘性土中的抗拔樁在長(zhǎng)期荷載作用下，隨上拔量的增大，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化的現(xiàn)象，即抗拔荷載達(dá)到峰值后會(huì)下降，而最終趨于定值。為提高抗拔樁的豎向抗拔力，可以考慮改變樁身截面形式。樁身材料強(qiáng)度也是影響樁抗拔承載力的因素之一。

影響單樁豎向抗拔承載力的主要因素包括樁周圍土體性質(zhì)、土的抗剪強(qiáng)度、側(cè)壓力系數(shù)和土的應(yīng)力歷史；樁自身因素包括樁側(cè)表面的粗糙程度、樁截面形狀、樁長(zhǎng)、樁的剛度和樁材的泊松比；施工因素，如施工過程中樁周土體的擾動(dòng)、打入樁中的殘余應(yīng)力、樁身完整性、樁的傾斜角度等；休止時(shí)間，從成樁到開始試驗(yàn)之間的休止時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)單樁豎向抗拔承載力影響是明顯的；另外，樁頂?shù)募虞d方式、荷載維持時(shí)間、加載卸載過程等對(duì)單樁豎向抗拔承載力也有影響。

三、單樁受水平荷載作用機(jī)理分析 1、單樁水平靜載試驗(yàn)確定

單樁水平臨界荷載和極限荷載，推定土抗力參數(shù)，或?qū)こ虡兜乃匠休d力進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。當(dāng)樁身埋設(shè)有應(yīng)變測(cè)量傳感器時(shí)，可測(cè)量相應(yīng)水平荷載作用下的樁身應(yīng)力，并由此計(jì)算得出樁身彎矩分布情況，可為檢驗(yàn)樁身強(qiáng)度、推求不同深度彈性地基系數(shù)提供依據(jù)。

2、受荷傳遞

在樁受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的變形處在彈性階段；隨著荷載增大，樁變形量增加，表層土出現(xiàn)塑性屈服，土抗力逐漸由深部土層提供；隨著變形量的進(jìn)一步加大，土體塑性區(qū)自上而下逐漸開展擴(kuò)大，最大彎矩?cái)嗝嫦乱?，?dāng)樁本身的截面抗力無法承擔(dān)外部荷載產(chǎn)生的彎矩或樁側(cè)土強(qiáng)度遭到破壞，使土失去穩(wěn)定時(shí)，樁土體系便處于破壞狀態(tài)。

3、破壞機(jī)理

樁土相對(duì)剛度的不同，樁土體系的破壞機(jī)理及工作狀態(tài)也不同。對(duì)于鋼筋混凝土彈性長(zhǎng)樁，因其抗拉強(qiáng)度低于軸心抗壓強(qiáng)度，所以在水平荷載作用下，樁身的撓曲變形將導(dǎo)致樁身截面受拉側(cè)開裂，然后漸趨破壞；當(dāng)設(shè)計(jì)采用這種樁作為水平承載樁時(shí)，除考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)位移限值的要求外，還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級(jí)，考慮樁身截面開裂的問題；但對(duì)抗彎性能好的鋼筋混凝土預(yù)制樁和鋼樁，因其可忍受較大的撓曲變形而不至于截面受拉開裂，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮上部結(jié)構(gòu)水平位移允許值的問題。

4、影響樁水平承載力的因素

影響樁水平承載力的因素主要包括截面剛度、材料強(qiáng)度、樁側(cè)土質(zhì)條件、樁的入土深度、樁頂約束條件。

工程中通過靜載試驗(yàn)直接獲得水平承載力的方法因試驗(yàn)樁與工程樁邊界條件的差別，結(jié)果很難完全反應(yīng)工程樁實(shí)際工作情況；此時(shí)可通過靜載試驗(yàn)測(cè)得樁周土的地基反力特性，即地基土水平抗力系數(shù)，為設(shè)計(jì)部門確定土抗力大小進(jìn)而計(jì)算單樁水平承載力提供依據(jù)。

四、地基受豎向荷載的變形分析

地基受豎向荷載作用變形主要分為三個(gè)階段。

（1）直線變形階段：地基土的變形是由于土的孔隙體積的減小即壓密所引起。

（2）局部剪切階段：壓板下地基土在發(fā)生壓密的同時(shí)，壓板兩側(cè)基礎(chǔ)邊緣處的應(yīng)力首先達(dá)到極限平衡，土體產(chǎn)生剪切而發(fā)生塑性變形區(qū)，并隨荷載的增加，塑形變形區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，下沉量顯著增大。

（3）完全破壞階段：壓板連續(xù)急劇下沉，即地基土中的塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)大。

在軟弱地基土中，基礎(chǔ)的豎向位移產(chǎn)生沿基礎(chǔ)周邊的豎向剪切，使基礎(chǔ)不斷向下刺入。在壓縮性較小的密實(shí)砂土或粘性土地基中，由于塑性區(qū)的不斷擴(kuò)大而形成連續(xù)滑動(dòng)面，土從載荷壓板下擠出來，形成隆起的土堆，此時(shí)地基完全破壞，即基礎(chǔ)壓板喪失穩(wěn)定。地基變形的三個(gè)階段是難以明確劃分的，只有對(duì)砂土和密實(shí)的粘性土地基比較典型。了使地基載荷試驗(yàn)的結(jié)果能較好地描繪出地基土的變形特征，試驗(yàn)前應(yīng)施加預(yù)壓荷載，預(yù)壓荷載應(yīng)等于卸去壓板以上土的自重，其相應(yīng)的沉降量不計(jì)。加荷等級(jí)可分為8-12級(jí)，以后每級(jí)荷載增量，對(duì)較堅(jiān)硬的土不超過25-50kPa，對(duì)于松軟的土，不超過10-25kPa。地基載荷試驗(yàn)施加的總荷載不應(yīng)少于設(shè)計(jì)荷載值的2倍，或應(yīng)盡量接近土的極限荷載。

參考文獻(xiàn)：

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