本站原创摘 要:文章首先分析了桥梁桩基础竖向受力的原理,然后探讨了桥梁桩基础竖向承载力的影响因素,最后介绍了桩基础竖向承载力的计算方法.
关 键 词:桥梁桩基础竖向承载力桩侧摩阻力桩端阻力
一、引言
灌注桩在建设工程的地基处理中已有多年的应用历史,特别是近年来公路建设事业迅猛发展,大跨径桥梁越来越多,桩基础的作用也越来越重要.在进行桩基础的设计和施工时,必须准确的算出桩基础的承载力,以便使设计和施工更加合理.
二、桥梁桩基础的竖向受力原理分析
桩基础之所以能承受上部桥梁结构如此大的载荷,是因为桩和周围土体之间的相互作用.下面分别从这三个方面来分析桩基础的受理原理:
1.桩基础侧摩阻力受力原理.桩基在竖向荷载作用下,会压缩桩身混凝土,并给桩身施加向下的作用力,而桩侧土会在桩土界面产生向上的摩擦阻力以抵抗向下的位移,这个力即为桩侧摩阻力,桩土界面土体发挥到极限所对应的摩阻力称为桩侧极限摩阻力,它主要取决于中下部土层的摩阻力发挥.
可通过在桩身埋设钢筋应力计,以测出不同荷载作用下的桩身轴力分布,从而得出桩侧摩阻力.桩在荷载作用下,桩身会产生压缩,这个压缩值即为桩顶沉降与桩端沉降之差.荷载与压缩值之间的关系可由荷载-桩身压缩曲线反映出来,它们之间并不是线性关系,桩身压缩曲线会随着荷载的增大而呈向下弯曲的形状,说明桩身在大荷载作用下出现了塑性变形.
2.桩基础端阻力受力原理.桩身和桩侧土将桩顶荷载传递到桩端土,它所承受的力即为桩端阻力,单桩竖向极限承载力减去桩的极限摩阻力的值等于极限桩端阻力.
桩端阻力通常比桩侧阻力后发挥作用,桩端阻力一般在桩侧阻力充分发挥时还远没有完全发挥,通常需要更多的桩基础沉降来充分发挥桩端阻力,桩端阻力与桩端位移几乎呈线性关系.桩端土受力的分析相当复杂,它不仅受桩尖荷载作用,还受到桩端平面以上土体自重和桩侧阻力的作用.影响单桩桩端阻力的主要因素有成桩方法、桩的尺寸、土层及持力层的特性、加荷速率等.
桩端阻力与桩入土深度存在一定的变化规律:桩端进入持力层或均匀土层后,开始时桩端阻力基本随深度呈线性增大,但桩端阻力会在一定深度后基本保持恒定,只会随深度继续增加而产生很微小的增加,恒定的桩端阻力称为桩端阻力稳值,此值的起点深度称之为该桩端阻力的临界深度.
3.桩基础的负摩阻力.一般情况下桩身会在桩顶载荷作用下产生向下的压缩位移,而桩侧土体会产生与之相反的摩阻力,称之为负摩阻力.桩基负摩阻力能增加桩内轴向荷载,使桩轴向压缩量增加,从而增大桩端阻力.
三、桥梁桩基础竖向承载力的影响因素
1.桩周土的工程性质.桩基础极限承载力最直接也是最重要的影响因素是桩周土的工程性质,不同性质的桩周土的物理性质各不相同,产生的桩端阻力和桩基础侧摩阻力也不同.桩侧摩阻力的发挥会受到桩侧土的剪切变形系数的影响.
2.成桩工艺.桩的承载力也受到成桩工艺的影响,主要是由于不同的成桩工艺对土体的扰动程度不同,使得桩的承载性能也随之受到影响.将桩打入地基土中时,会破坏其天然结构,使桩周围土的重塑,土在桩身打进时的急速挤压情况下,会造成孔隙水压力急剧上升,从而减少有效应力.
3.刚度与刚度比.桩基础刚度较小时,属于柔性桩,桩顶截面产生位移最大,会使得桩身摩擦力上大下小.桩基础刚度较大时,实际上接近于刚性桩,桩尖附近土的初始法向应力大,所以该处的摩阻力就较大,其上部摩阻力接近于均匀分布.
当桩端土与桩周土的刚度比接近于0时,就属于纯摩擦桩,上部荷载几乎全部由桩侧摩阻力所承担,且其摩阻力在均匀土层中接近于均匀分布.当桩端土与桩周土的刚度比等于1时,属均匀土层中的摩擦桩,其桩侧摩阻力分布和荷载传递曲线与摩擦桩相似.当刚度比趋于无穷大时,桩身荷载上段随深度减小,桩基础侧摩阻力可得到发挥,下段荷载近乎沿深度不变,无法发挥桩基础侧摩阻力.
4.桩长与桩径比.桩基础的承载力受桩基础的长度影响也较大,桩端阻力在进入持力层后随深度的变化不规则,在开始的某一深度之前呈线性变化,到达临界深度后基本不变.桩长跟桩径之比对荷载传递有一定影响,所以也会影响到单桩极限承载力.
5.时间效应.桩的竖向承载力还与时间有关,其值一般是随时间增长的,而且开始增长速度快,随后逐渐变慢,最后趋于稳定.这种承载力变化的时间效应在软土中尤为明显.在粘性土中,土的强度和桩的承载力由于土的固结硬化作用会随时间而增加.摩擦桩的承载力增长主要与土质条件有关系.由于软土的蠕变作用,荷载会重新分布,可能造成最后桩端承受的载荷比前期测量值高得多,所以在粘土中设桩时一定要充分重视时间效应.
四、桥梁桩基础竖向承载力的计算方法
我国现行《公路桥涵地基与基础设计规范》中规定,桥梁桩基础竖向容许承载力P,可按下列方法进行计算:
其中,P为单桩轴向受压容许承载力(kN),U代表桩的周长(m),l为桩在局部冲刷线以下的有效长度(m),为桩壁土的平均极限摩阻力(kPa),A为桩底横截面面积(m2),为桩端土的极限承载力(kPa).此式说明了桥梁桩基础竖向承载力的影响因素.
五、结束语
总之,如果桥梁桩基础的承载力分析不当,计算不准确,都可能造成设计、施工方面的失误,甚至严重的会威胁到桥梁结构的安全,再加上各种新桩型、新工艺也不断涌现,所以工程人员必须熟悉灌注桩的受力机理和变形特性,以便合理分析桩基础的承载力,确保其能够承受桥梁载荷,保证桥梁的安全.