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[技术] 承压桩压力-变形机理及计算(一) [复制链接]

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桥梁网 发表于 2011-9-21 11:21:44 |显示全部楼层 |          |
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承压桩压力-变形机理及计算(一)


                                                                    ——基本理论和等截面均质土中基桩的计算
                                                                                                                                文/王伯惠

桩基是桥梁重要的承压构造,其承压能力在老规范JTJ024-85提出的公式中,存在的缺点已为研究者所指出,主要有:

1.垂直承压力没有和桩身和地基的垂直变形相关联,也没有提出桩基垂直变形的计算方法,反而在水平承载力计算中因采用了前苏联的m法,才附带有远欠完善的垂直变形计算方法[1],严重的不协调。

2.桩基垂直变形除了桩身的压缩外,还有桩尖土壤的压缩变形和桩周土壤的剪切变形,且所有变形及其相关联的力,都是随深度变化的。而规范公式则是不论多大深度,不仅桩周土都提供了容许摩阻力,桩尖土也提供了容许支承力,承载力由二者叠加,也就大大提高了桩尖支承力所占比重,这与许多试验结果不符。

3.由于桥梁规模日益增大,桩基负荷加重,设计者按公式力求加深桩长以寻找有利的持力层,或增加桩周摩阻力,桩长常常达百米以上,形成所谓的“超长桩”,而其下段究竟能提供多少摩阻力是可疑的。多位学者提出了“有效桩长”问题。

其他问题,不一一赘述。目前的桥梁计算理论,基本上在弹性范围内工作,桩基也不例外。只计桩基受力而不计其弹性变形,显然在理论上就不完善。鉴于此,作者在拙著[1]中,曾初次提出桩土体系的力和变形机理,以及相应计算方法。遗憾的是,这个问题还未引起有关方面的注意和重视,在新规范JTG D63-2007中,仍沿用老规范的计算方法,没有关于垂直变形方面的论述。究其原因,除主观方面之外,客观上应是由于:

1.目前还没有建立一个合理的计算理论和方法;

2.缺乏在这种计算方法基础上提出的系统的各种有关参数。

本文拟根据拙著[1]中的思路,深入地探索桩基的受力和变形机理,从而提出基于变形理论的新的桩基承载力计算方法。望共同探讨这基础理论问题。在新理论和计算方法建立后,再经几年搜集系统的实验资料和分析参数,为建立合理、完善的新规范打下基础。

桩-土受力和变形机理

图1a所示为等直径d的承压桩,取原点o于桩顶,竖坐标y向下,横坐标X向右,桩长h。在桩顶o处承受压载Po,桩尖h处持力层垂直抗力Ph,桩周有土体摩阻力T,根据力的平衡:

[attach]4824[/attach]

桩周土体对桩身的作用力为摩阻力,反之,桩身对桩周土体的作用力则为剪切力。剪切力由剪切位移(变形)引起,而这个位移源于:

1.桩尖土体受Ph作用引起的桩身下沉△h,这个下沉是沿桩身整体发生的,因而沿桩身引起的剪切力τh相同,为矩形分布(图1b)。

2.桩身受轴向力引起的桩身材料的弹性压缩。轴向力在桩顶为Po最大,以后随深度受到摩阻力T的抵消而到桩尖为Ph最小,Ph最后传达到桩尖土基。这个弹性压缩引起的桩身位移,在桩尖处为O,在桩顶处集中表现为△c(肩标“C”表示压缩),由此引起的土体剪切力为τc(图1C),是沿桩身三角形分布的。

桩周剪切力为上两部分之和(图1d),沿桩身梯形分布。以下要解决的问题是:

1.桩尖压力Ph和下沉△h的关系;

2.桩周土体剪切力τ和剪切位移△τ的关系;

3.如何计算桩身弹性压缩△c。

[attach]4818[/attach]

m法中的桩顶垂直位移公式

前苏联桩基水平力计算m法中,提出的桩顶垂直位移计算式为新、老规范所采用:

[attach]4866[/attach]

式中:ρpp—桩的抗压刚度,

[attach]4867[/attach]—单位力作用下桩身的弹性压缩△c,式中Lo为桩身地面以上长度,h为地面以下长度,EA为抗压弹性模量和截面积,ξ为考虑摩阻力的折减系数,对钻孔桩取;

[attach]4868[/attach]单位力作用下桩尖的下沉量,一般用δ表示。

A0—每一桩四周自地面按向下扩散至桩底面处的面积,为桩所穿过土层的平均内摩擦角,如图2所示。扩散是指集中力作用在物体某点通过剪力横向向前传播逐渐达到整个断面的现象,是结构计算常用的一种简化方法。横向扩散的角度称为扩散角,对于松散体如土壤,扩散角取,为内摩擦角,这些都是土壤力学试验研究的结果,是正确的。

[attach]4869[/attach]

CO—为桩底土的竖向地基系数。

令△=桩顶荷载作用下桩尖的下沉量。

σ—桩尖平面土壤的压应力。

由前应有:

[attach]4870[/attach]

这个土壤垂直位移和土基垂直压应力成直线比例的关系,是捷克土力学学者文克尔(E·Winkler)1867年提出的(苏联资料称沙俄院士尼古拉·伊万诺维奇·鲁斯在1801年也曾提出),又称 “文克尔理论”。它虽然尚不能严格地表达土基受力和变形之间的十分复杂的关系,但却使计算公式大大简化,容易得出数学解答,而且系数由实验求得,一般土基又多在弹性范围内工作,因而采用很广。苏联学者用之于弹性地基上的梁和板方面研究开发了一整套用初参数法的计算公式,形成了一个学派。

注意,在一般材料力学里,一个物体的压缩变形由下式来确定(图3):

[attach]4871[/attach]

式中:弹性模量E的量纲为[attach]4872[/attach]受压体高度h的量纲是[长度]。当力作用在土壤表层(弹性地基梁)或深层(桩尖)时,土基无论横向或竖向都是半无限体,其受压高度是无法确定的,因而不能用一般弹性模量的概念来表达其抗压特征,只能用地基系数CO来表达,这个系数巧妙地避开了受压高度的问题,相当于(4)式中的[attach]4873[/attach],其量纲为[attach]4874[/attach]。


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xiahuan12345 发表于 2012-11-21 21:28:48 |显示全部楼层
楼主辛苦了。3 V1 j1 L  @8 i0 Q, `  X

0 G) P4 Z+ v. @; Q( k  jrl]

[发帖际遇]: xiahuan12345发帖时在路边捡到金钱2,偷偷放进了口袋. (金钱+2)

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