工程樁基沉降因素研究

摘 要：樁基是一種既古老而又常見的基礎(chǔ)形式之一，樁的作用是利用本身遠(yuǎn)大于土的剛度將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到樁基周圍及樁端較堅(jiān)硬、壓縮性小的土或巖石中，以此來使建（構(gòu)）筑物滿足正常的使用功能及達(dá)到抗震等要求。同時(shí)樁基因其具有承載能力高、穩(wěn)定性好、抗震性能好以及能適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜地質(zhì)條件等特點(diǎn)，于是樁基得到了廣泛應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的樁基使用量達(dá)100萬根以上，而這一數(shù)字正在逐年增加。文章將具體研究影響樁基沉降的因素。

關(guān)鍵詞：工程樁基；沉降；因素研究；單樁沉降；群樁沉降；樁筏基礎(chǔ)沉降

中圖分類號(hào)：TU753.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）12-0158-02

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市化的高速發(fā)展，我國(guó)加大了對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的力度，因此樁基礎(chǔ)在工業(yè)與民用建筑、港口、鐵路和公路等工程的基礎(chǔ)工程中，得到廣泛應(yīng)用，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)我們需要對(duì)樁基的沉降因素進(jìn)行充分考慮，以此減小樁基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)沉降和差異性沉降。

1 單樁沉降

對(duì)于一樁一基的情況，單樁的沉降就是一個(gè)實(shí)際的工程問題，因此想要對(duì)單樁基的沉降進(jìn)行估算，首先就得先分析單樁的沉降。在豎直工作載荷的作用下單樁沉降主要有以下兩部分組成：①樁身混凝土自身的彈塑性壓縮；②樁端以下土體所產(chǎn)生的樁端沉降。因此單樁樁頂?shù)某两悼梢员磉_(dá)為：樁身壓縮通常情況下是將樁身混凝土看做彈性材料，并應(yīng)用彈性理論進(jìn)行計(jì)算。樁端以下的土體壓縮包含土的主固結(jié)變形和次固結(jié)變形以及鉆孔樁有樁端沉渣壓縮等，同時(shí)當(dāng)樁端刺入土體后可能會(huì)發(fā)生變形。由于固結(jié)變形而產(chǎn)生的沉降是隨著時(shí)間的推移而發(fā)展的，因此其具有時(shí)間效應(yīng)的特征，如果當(dāng)樁端以下土體的壓縮與載荷的關(guān)系近似為直線的時(shí)候，我們也能夠?qū)⑼馏w看做線彈性介質(zhì)并運(yùn)用彈性理論對(duì)其進(jìn)行近似運(yùn)算。在實(shí)際的工程應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際載荷情況、土層條件、樁的種類來選擇適合的樁基沉降計(jì)算模式及相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，目前在工程中主要計(jì)算單樁沉降的有彈性理論法、載荷傳遞法和剪切位移法。

1.1 彈性理論法

彈性理論計(jì)算方法是在20世紀(jì)60年代提出來的，它的基本思路是將樁土性狀做系統(tǒng)化的分析，并將實(shí)際情況進(jìn)行理想化，使其成為數(shù)學(xué)上容易處理的模型，隨后對(duì)單樁在豎向荷載作用下樁土之間的作用力與位移之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并基于樁的位移與臨近土位移的協(xié)調(diào)條件，同時(shí)借助于軸向荷載下樁身的壓縮求得樁的位移，又應(yīng)用荷載作用于半無限體內(nèi)某一點(diǎn)所產(chǎn)生的明德林（Mindlin）理論位移解求得樁周土體的位移。由于彈性理論假定樁土界面普遍滿足彈性即界面不發(fā)生滑移這一條件，沿界面諸相鄰點(diǎn)的樁位移應(yīng)與土位移相等，由此即可求得樁身摩阻力和樁端阻力的分布，并進(jìn)而求得樁的位移分布。

1.2 載荷傳遞法

載荷傳遞法是目前實(shí)際樁基工程應(yīng)用最為廣泛的簡(jiǎn)化算法，它的基本理論是將樁基劃分為許多微小單元，隨后并將每一個(gè)微小單元與土體之間用非線性彈簧聯(lián)系，用這種方法來模擬樁-土間的載荷傳遞關(guān)系。樁端處土也可以用非線性彈簧與樁端聯(lián)系，這些非線性彈簧的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，這一關(guān)系一般就稱作為傳遞函數(shù)，考慮每個(gè)單元的內(nèi)力與位移的協(xié)調(diào)關(guān)系，就可以求解出樁基的載荷傳遞及沉降量。荷載傳遞法的關(guān)鍵就在于建立一種真實(shí)反應(yīng)樁土界面?zhèn)饶ψ枇图羟形灰频膫鬟f函數(shù)。

1.3 剪切位移法

剪切位移法主要是假定受荷載樁基的樁身周圍土體以及承受剪切變形，由于樁土之間沒有相對(duì)的位移，因此我們可以將樁土看作為理想的同心圓柱體，同時(shí)剪應(yīng)力是從樁側(cè)表面沿徑向向四周擴(kuò)散到周圍土體中；摩擦樁一般在工作荷載作用時(shí)，樁端承擔(dān)的荷載比例較小，因此沉降主要是由樁側(cè)傳遞的荷載所引起。于是我們可以監(jiān)測(cè)樁土之間的相對(duì)位移情況，并計(jì)算出其剪切應(yīng)力就可以得出樁基的沉降。

2 群樁沉降

群樁是由群樁、土和承臺(tái)共同組成，并且群樁基礎(chǔ)在豎直載荷的作用下其沉降變形是由樁、承臺(tái)、地基土之間相互作用而影響的，因此群樁基礎(chǔ)沉降與單樁基礎(chǔ)沉降相比，其是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，因?yàn)樗婕暗囊蛩睾芏啵纾喝簶兜膸缀纬叽?、樁于樁之間的距離、樁基的根數(shù)、樁基施工流程、土的類別和性質(zhì)、土層剖面的變化、荷載的大小和荷載的持續(xù)時(shí)間等眾多因素。同時(shí)影響群樁基礎(chǔ)沉降與單樁基礎(chǔ)沉降的主要因素也不盡相同，單樁主要是由于樁基的側(cè)面因?yàn)槟Σ亮^小而承受不了建筑物的靜載荷和活荷載而產(chǎn)生沉降，而群樁基礎(chǔ)由于比單樁基礎(chǔ)的側(cè)面所受的摩擦力大，所以他的摩擦力可以不用優(yōu)先考慮，而影響群樁基礎(chǔ)的主要因素是樁基端以下土層的壓縮性相關(guān)。在設(shè)計(jì)單樁或群樁基礎(chǔ)時(shí)一定要注意，當(dāng)持力層下有軟下臥層的時(shí)候，單樁試驗(yàn)承載力和變形雖然能滿足設(shè)計(jì)要求，但并不代表群樁基礎(chǔ)也能滿足其設(shè)計(jì)要求，因此遇到上述情況的時(shí)候就要認(rèn)真檢查群樁周圍的土質(zhì)條件、樁距的設(shè)計(jì)大小、載荷水平和承臺(tái)的設(shè)置方式等因素，隨后要經(jīng)過一系列的驗(yàn)算后方才確定群樁基的設(shè)計(jì)方案。

3 樁筏基礎(chǔ)沉降

樁筏基礎(chǔ)主要是由群樁和筏板大體兩部分組成，因此根據(jù)彈性地基板或彈性地基梁理論，可以設(shè)想當(dāng)在其筏形基礎(chǔ)上施加均布荷載后，筏基或箱基由于擾度的存在會(huì)形成中間大、周邊小的碟形沉降。在高層建筑的結(jié)構(gòu)類型中主要有框剪結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)以及筒中筒結(jié)構(gòu)等，同時(shí)還會(huì)在高層建筑的主體結(jié)構(gòu)上設(shè)置裙房結(jié)構(gòu)，而且樁基的分布通常采用等樁長(zhǎng)、等樁距、等樁徑的均勻布樁方案，這樣的方案就使得基礎(chǔ)的差異沉降就顯得尤為突出，當(dāng)基礎(chǔ)的碟形沉降出現(xiàn)的同時(shí)還伴隨著基底反力和樁頂反力的馬鞍分布現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在某一方面來說，它增加了基礎(chǔ)的整體彎矩和剪力，使得基礎(chǔ)底板的配筋增加；同時(shí)由于樁頂反力的馬鞍形分布，使得中間部位的基礎(chǔ)底板抗沖剪力，所以我們可以采取增加樁筏基礎(chǔ)的底板厚度，以此來增加它的抗沖剪力的能力；另一方面，由于在上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-樁基（地基）存在共同作用下，當(dāng)基礎(chǔ)出現(xiàn)差異性沉降的時(shí)候就會(huì)使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次生應(yīng)力，從而容易使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫并降低了建筑物的正常使用極限和可靠度，有時(shí)甚至?xí)?duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響建筑物的承載能力極限。由上可知，當(dāng)滿足了結(jié)構(gòu)載荷的承載能力極限的狀態(tài)時(shí)，為了使其成為高層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，我們就要慎重考慮樁基礎(chǔ)的布置，以此來減小樁基礎(chǔ)的差異性沉降。

4 結(jié) 語

在近十幾年里，我國(guó)大興土木，加大對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投資力度，使得我國(guó)的建筑行業(yè)得以迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代工程建筑的地基中大多都采用樁基，建筑在長(zhǎng)年累月的超大荷載的作用下很容易就會(huì)產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，沉降現(xiàn)象嚴(yán)重的就會(huì)威脅建筑使用者的人生財(cái)產(chǎn)安全。因此對(duì)樁基的研究就顯得尤為重要，特別是樁基的沉降研究，只有有效的解決了樁基的沉降問題，才會(huì)增加建筑的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宰金珉，宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

[2] 馬克生，龔曉南.模量隨深度變化的單樁沉降[J].工業(yè)建筑，2000，（1）.

[3] 劉金礪.樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[4] 《樁基工程手冊(cè)》編寫委員會(huì).樁基工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

[5] 何頤華，王鐵宏.大直徑擴(kuò)底樁承載力及沉降變形的計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1993，（4）.