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[技术] 怎样认识持力层在抗压桩中的作用 [复制链接]

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桥梁网 发表于 2011-9-22 11:45:37 |显示全部楼层 |          |
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怎样认识持力层在抗压桩中的作用


                                                                                                                      文/李靖森 宋春霞
片面的理念

关于抗压桩抗压功能的构成,普遍的理念是由“桩侧摩阻力和持力层的承载力”构成,即承载力P等于桩周极限摩阻力A与持力层极限承载力B之简单的代数和,安全系数取2

[attach]4914[/attach]

这一理念把承载力问题,机械地与变形相协调问题剥离开来,应用于设计多年。

我国公路桥基新规范JTG D63-2007就按此理念;而1985年的JTJ024-85老规范,对于支承在基岩上或嵌入基岩内的钻(挖)孔桩等的轴向受压容许承载力,更是突出了持力层的作用,而不考虑摩阻力A 。

新、老规范的理念,仅就持力层来说,实质上是错把持力层所天然固有的支承能力,片面地、不加分析地当作是抗压桩提供出来的贡献,且这一贡献与桩的沉降、长度、刚度等无关,哪怕是一根柔弱的细长桩,也能把岩层的功能百分之百地传递到桩顶。

大量长桩抗压试验,证实了这一理念是错的。试桩反映出的物理现象表明:

桩顶下沉,主要由桩身的压缩和持力层压缩变形所构成,而前者往往还是主要的;桩的轴向力由桩身和周围的土体向下传递,由于平衡了桩侧面的摩阻力,桩轴向压力随着深度的增加而逐渐减少;桩的压缩和沉降使桩周土发生剪切变形,剪切变形到一定程度,桩土间发生滑移;桩侧摩阻力的大小,不仅与土质、深度、持力层等有关,与剪切变形密切相关;随着外力增加,桩顶下沉量加大,桩侧摩阻力相应增长并达到极限值;对同一土层或不同土层来说,极限摩阻力的出现和扩展范围,一般是由上往下扩展;当桩周土层摩阻力均达极限后,继续增加的荷载全由持力层承担,且持力层压缩变形加大,桩底压力增长;试验发现,即使按判别标准已经达到了极限荷载,但桩周土体摩阻力由上至下,只在一定范围达到了极限,而持力层不仅没有达到极限,甚至桩底压力为零;很多长桩抗压试验,都难以压到规范那样的理念,即桩侧摩阻力和持力层受力都达到了极限值。

以上现象并非个例,证实上述理念与事实不符。规范据此理念,不仅缺失理论依据,还夸大了持力层的作用;同时也难以提供与承载力相应的沉降计算式。

采用“系统组构”的方法,可以科学地认识持力层的作用,解读抗压桩工作机理,更新理念,为建立完善的设计计算理论和方法创造条件。


抗压桩承载力是怎样构成的

所谓“系统组构”,即组合成系统的各元素间互相结合的构成方式,它可以深刻地揭示事物(系统)内部的联结状态和组织状态。

研究上述试验现象发现,影响抗压桩抗压功能的,主要是桩、桩侧土和持力层三个元素及其组构方式;而体现各元素的抗压和变形功能的物理量就是他们的“刚度”。

分别用符号[attach]4915[/attach]、[attach]4915[/attach]和[attach]4916[/attach]表示桩、桩侧土、持力层三要素的刚度。其中,桩的抗压刚度[attach]4917[/attach],式中E、A、L[attach]4918[/attach]分别代表桩的弹性模量、截面积、桩长;桩侧土剪切刚度,式中T1为桩侧极限摩阻力[attach]4919[/attach],为剪切变形临界值;持力层抗压刚度。

将这三个刚度元素有机地组构成“抗压刚度结构”,就可揭示抗压桩承载力构成的特征。


桩在均质土中的抗压刚度结构
[attach]4920[/attach]

图1c即在均质土层中用三个要素构建的抗压刚度结构。该结构属于复合型,其特点是桩与持力层相串联,串联后又与桩侧土的剪切刚度相并联,三者并非简单的叠加。它们的 “集成刚度”[attach]4922[/attach]为

[attach]4921[/attach]

式(2)表明,桩-土弹性系统A(图1 c)是由子系统 A1和A2并联构成,它是简单的代数和;但结构中揭示的A1是桩与持力层相串联[attach]4916[/attach],其特点是刚度越串越衰减,串联值A1不仅小于也小于[attach]4916[/attach],桩越细长,衰减越快;A2则为桩侧土的抗剪切刚度,桩越长则[attach]4922[/attach]越大,它与A1共同构成桩的抗压集成刚度[attach]4922[/attach]。

结构图1c中各符号的含义:粗线1代表桩顶,粗线0代表桩底,和则分别代表桩顶和持力层的下沉量。结构直观地表明,桩顶下沉与桩侧土剪切变形(包括桩土相对滑移在内)相一致,即为。图中T1既代表桩土相对滑移的滑动键,也代表桩侧极限摩阻力,且[attach]4923[/attach],当剪切变形[attach]4924[/attach]或摩阻力[attach]4925[/attach]时,土体处于弹性状态;当[attach]4926[/attach]时,则发生滑动,摩阻力不再增加,土处于弹塑性状态。


抗压桩承载力的构成

根据结构图1c可知,抗压桩的承载能力就是集成抗压刚度与沉降量的乘积,即:

[attach]4927[/attach]式中桩顶下沉 [attach]4928[/attach]  

在弹性范围,承载力P为   

[attach]4929[/attach]

其中: 摩阻力; 持力层支承力,桩传递的力即P1,且

[attach]4930[/attach]

而其中A1代表的就是持力层通过桩所能提供出来的功能。

应该强调,公式(3)表达了抗压桩承载力是由持力层和土的摩擦力所构成,宏观上它与规范的形式一样,但本质上却不同,不同之处在于它从组成结构方面揭示了抗压桩承载力构成的内在关系。式(4)突出了作为载体的桩K1对承载力的影响以及桩顶下沉量的重要性。而这一重要信息正是被规范所忽略的。

对于穿过多层土的基桩,其承载力的构成,同样可用刚度结构来揭示。

[attach]4931[/attach]

图2a~c所示为二层土的情况。将桩相应分为两段,第一段及其周边土视为子系统A1,A1的集成刚度即;第二段桩在力P及周边土阻力作用下,视为弹性支承在A1系统上并与其串联,又构成系统A2;A2的刚度结构如图2c所示,其集成刚度为:

[attach]4932[/attach]

以此类推,可得n层次的抗压刚度结构(略),其集成抗压刚度一般式为:

[attach]4933[/attach]

试验证实桩的抗压刚度结构,符合实际,具有普遍性;它揭示了抗压功能的构造特征,同样表达了持力层的抗压功能是如何自下而上逐一迭代传递,以及作用力如何从上往下递推,形象简明地解读了抗压桩试验所发生的物理现象及工作机理。



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jimiljx 发表于 2011-11-14 20:32:38 |显示全部楼层
文章的编辑不太顺畅,有些地方看不懂,换行,公式的格式等,和word里面的格式有很大的差别。请版主或者编辑留意一下。比如下面这一段:分别用符号  
  }3 Y2 z. J; z、和   表示桩、桩侧土、持力层三要素的刚度。其中,桩的抗压刚度   ,式中E、A、L   分别代表桩的弹性模量、截面积、桩长;桩侧土剪切刚度,式中T1为桩侧极限摩阻力   ,为剪切变形临界值;持力层抗压刚度。
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jimiljx 发表于 2011-11-14 20:37:44 |显示全部楼层
式(2)表明,桩-土弹性系统A(图1 c)是由子系统 A1和A2并联构成,它是简单的代数和;但结构中揭示的A1是桩与持力层相串联,其特点是刚度越串越衰减,串联值A1不仅小于也小于,桩越细长,衰减越快;A2则为桩侧土的抗剪切刚度,桩越长则越大,它与A1共同构成桩的抗压集成刚度。- J# D% S( h2 ~& f& A( v( X- T0 D2 e% ~

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jimiljx 发表于 2011-11-14 21:47:37 |显示全部楼层
式(11)表明,极限值的大小,在一定条件下,仅与刚度比φ有关,与桩端持力层的性质已无关系。其概念是,当桩和土的刚度已知且为定值,那么桩的长度达到一定临界深度后,即使再加长,所增加的部分,对桩的抗压功能已提供不了什么支持。! o0 L& |/ \  L2 P; e
经分析,集成系数随着迭代次数的增加而趋近于极限,且集成系数增长或减少或不变化,都将取决于初始集成系数。当,则由小逐渐增大至极限;当>XA,则将由大变小直至极限;当,则不变化,恒等于XA。
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