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樁基設計十個基礎要點

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樁基設計十個基礎要點
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一、關于大直徑樁(d≥800mm)極限側阻力和極限端阻力的尺寸效應

1.大直徑樁端阻力的尺寸效應。主要原因是樁成孔卸載造成的孔底土回彈,造成端阻力的降低,類似于深基坑的回彈。大直徑樁靜載試驗曲線均呈緩變型,反映出其端阻力以壓剪變形為主導的漸進破壞。G.G.Meyerhof(1998)指出,砂土中大直徑樁的極限端阻随樁徑增大而呈雙曲線減小。

2.大直徑樁側阻尺寸效應系數,樁成孔後産生應力釋放,孔壁出現松弛變形,導緻側阻力有所降低,側阻力随樁徑增呈雙曲線型減小 。

二、岩溶地區的樁基設計原則(規範3.4.4條)一不宜采用管樁的原因如下

1.管樁一旦穿過風化岩層覆蓋就立即接觸岩層,管樁很容易就破壞,破壞率達30%~50%。

2.樁尖接觸岩面後,很容易沿傾斜的岩面滑移,造成樁身傾斜,導緻樁身斷裂或傾斜率過大。

3.樁長難以把握,配樁困難。

4.樁尖落在基岩上,周圍土體嵌固力小,樁身穩定性差。

三、灌注樁後注漿

1.灌注樁成樁後一定時間,通過預設于樁身内的注漿導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿,使樁端、樁側土體(包括沉渣和泥皮)得到加固,從而提高單樁承載力,減小沉降。承載力一般可提高40%~100%(但湖北省标DB42/242-2003規定不宜超過同類非壓漿樁的1.3倍),沉降可減少20%~30%,可使用與除沉管灌注樁外的各種鑽、挖、沖孔樁。

2.增強機理:後注漿對樁側及樁端土的加固作用,表現為:固化效應 -樁底沉渣及樁側泥皮因漿液滲入而發生物理化學作用而固化,充填膠結效應-對樁底沉渣及樁側泥皮因滲入注漿而顯示的充填膠結,加筋效應-因劈裂注漿現成網狀結石。

3.增強特點:端阻的增幅高于側阻,粗粒土的增幅高于細粒土。樁端、樁側複式注漿高于樁端、樁側單一注漿。這是由于端阻受沉渣影響敏感,經後注漿後沉渣得到加固且樁端有擴底效應,樁端沉渣和土的加固效應強于樁側泥皮的加固效應;粗粒土是滲透注漿,細粒土是劈裂注漿,前者的加固效應強于後者。

4.注漿後變形特點:非注漿的Q-s曲線為陡降型,而後注漿為緩變型,使得在相同安全系數下樁的可靠度提高,沉降減少。沉降減少的主要原因如下:

(1)固化了樁底沉渣及虛土,同時樁端有擴底效應

(2)由于注漿壓力較大(一般均大于1MPa),對樁端土進行了預壓。

5.設計以注意的事項:

(1)注漿管的連接應采用套管連接;

(2)當注漿管代替鋼筋時,最好在樁頂處預埋附加鋼筋,避免由于施工保護不當導緻注漿管在樁頂處折斷 ;

(3)注漿管的固定應采用綁紮固定。

四、單樁承載力的時間效應

所謂的單樁承載力的時間效應是指樁的承載力随時間變化,一般出現在擠土樁中,特别是預制樁。上海的資料顯示,随着打樁後間歇時間的增加承載力都有不同程度的增加,間歇一年後的但樁承載力可提高30%~60%。

分析原因如下:

樁打入時,土不易被立即擠實(特别是軟土中),在強大的擠壓力作用下,使貼近樁身的土體中産生了很大的空隙水壓力,土的結構也造成了破壞,抗剪強度降低(觸變)。經過一段時間的間歇後,孔隙水壓力逐漸消散,土逐漸固結密實,同時土的結構強度也逐漸恢複,抗剪強度逐漸提高。因而摩擦力及樁端阻力也不斷增加。

強度提高最快發生在1~3個月時。某種程度上可由高孔隙水壓和排擠開的體積的影響,使緊靠樁的土産生迅速的排水固結來解釋。實際上緊靠樁的土(大約50~200mm的範圍内)往往固結的很厲害,以至使樁的有效直徑增加。

樁的承載力随時間的增長的現象在軟土中比較明顯。但在硬塑土中的變化規律有待進一步研究。

不是所有的樁的承載力都随時間增加,一些樁的承載力随時間降低。

五、樁筏基礎反力呈馬鞍型分布的解釋

根據傳統的荷載分布原則,荷載的分布是根據剛度進行分配 ,基礎中間部位樁的承載力低說明土對樁的支撐剛度降低,也就是樁側樁端土的剛度降低。

原因是中間部位的樁間土要承受四周樁傳來的荷載。換一種解釋方法是,中間有限的樁間土不能同時給周圍的樁提供所要求的承載力,而靠近外側的樁除依靠基礎内側的土提供承載力外,還能利用靠近基礎外側的土提供承載力,而靠近基礎外側的土受内部樁的影響小,能比内部的土提供更多的承載力,因此外側的樁能承受較内部樁更多的荷載,也就是樁反力呈馬鞍型分布的原因。

另基坑開挖對樁間土的卸載造成樁間土的回彈,導緻靠近基坑邊緣處樁剛度大,中部樁剛度小,更加加劇了基礎反力呈馬鞍型分布。

六、變剛調平設計原則總體思路

根據上部結構布局、荷載和地質特征,考慮相互作用效應,采取增強與弱化結合,減沉增沉結合,整體平整,實現差異沉降最小化,基礎内力最小化和資源消耗最小化。

1.根據建築物體型、結構、荷載和地質條件,選擇樁基、複合樁基、剛性樁複合地基,合理布局,調整樁土支承剛度,使之與荷載相匹配。

2.為減小各區位應力場的相互重疊堆核心區有效剛度的削弱,樁土支承體布局宜做到豎向錯位或水平向拉開距離。

3.考慮樁土的相互作用效應,支承剛度的調整宜采用強化指數進行控制。核心區強化指數宜為1.05~1.30,外框區弱化指數宜為0.95~0.85。

4.對于主裙連體建築,應按增強主體,弱化裙房的原則進行設計。

5.樁基的樁選型和樁端持力層的确定,應有利于應用後注漿技術,應确保單樁承載力有較大的調整空間。基樁宜集中布置于柱牆下,以降低承台内力,最大限度發揮承台底地基土分擔荷載的作用,減小柱下樁基與核心筒樁基的相互作用。

6.宜在概念設計的基礎上進行上部結構-基礎-樁土的共同作用分析,優化細部設計,差異沉降宜嚴于規範值,以提高耐久性可靠度。

七、樁基變剛度設計細則

1. 框筒結構

核心筒和外框柱的基樁宜按集團式布置于核心筒和柱下,以減小承台内力和減小各部分相鄰影響。

以樁筏總承載力特征值與總荷載效應标準組合值平衡為前提,強化核心區,弱化外框區。核心區強化指數,對于核心區與外框區樁端平面豎向錯位或外框區柱下樁數不超過5根時,宜取1.05~1.15,外框為一排柱時取低值,二排柱時取高值;對于樁端平面處在同一标高且柱下樁數超過5根時,核心區強化指數宜取1.2~1.3,一排柱時取低值,二排柱時取高值。

外框區弱化指數根據核心區強化指數越高,外框區弱化指數越低的關系确定;或按總承載力特征值與總荷載标準值平衡,單獨控制核心區強化指數,使外框區弱化指數相應降低。

框剪,框支剪力牆,筒中筒結構形式,參框筒結構确定。

2. 剪力牆結構

剪力牆結構整體性好,牆下荷載分布較均勻,對于電梯井和樓梯間等荷載集度高處宜強化布樁。基樁宜布置于牆下,對于牆體交叉、轉角處應予以布樁,當單樁承載力較小,按滿堂布樁時,應強化内部,弱化外圍。

3. 樁基承台設計

對變剛調皮設計的承台,應按計算結果确定截面和配筋,其最小闆厚和梁高,對于柱下梁闆式承台,梁的高跨比和平闆式承台闆的厚跨比,宜取1/8;梁闆式筏式承台的闆厚和最大雙向闆區格短邊淨跨之比不宜小于1/16,且厚度不小于400mm;對于牆下平闆式承台厚跨比不宜小于1/20,且厚度不小于400mm;筏闆最小配筋率應符合規範要求。

筏式承台的選型,對于框筒結構,核心筒和柱下集團式布樁時,核心筒宜采用平闆,外框區宜采用梁闆式,對于剪力牆結構,宜采用平闆。承台配筋可按局部彎矩計算确定。

4. 共同作用分析與沉降計算

對于框筒結構宜進行共同作用計算分析,據此确定沉降分布、樁土反力分布和承台内力。當不進行共同作用分析時,應按規範計算沉降,據此檢驗差異沉降等指标。

八、樁基礎受力的基本規律

随着豎向荷載的加大,側阻的發揮先于端阻。随着變形的增加,端阻力得以發揮。一般樁土相對位移到達4~10mm左右(根據土種類而定),側阻力即可以充分發揮,而端阻力的充分發揮需要樁土相對位移達到d/12~d/4(小直徑樁),d為樁徑,黏性土為d/4,砂性土為d/12~d/10。

九、樁基沉降的特征

1.時間性。土體中樁基礎的沉降要經曆一個很長的時間。在上海地區,一般竣工後5~7年的沉降速度才會降到每年4mm以下。軟土中樁基礎沉降的主要部分是與時間因數有關的,按目前土力學的認識,沉降主要部分有固結變形和土體的流變組成。

2.刺入變形。産生刺入變形的解釋入下: 在群樁樁頂逐漸加載過程時,單樁頂荷載較小時,首先使樁的上部樁身産生壓縮,樁的上部質點向下位移于土體之間産生了相對位移,土體要阻止樁的上部的位移就産生了摩阻力。樁頂荷載通過摩阻力逐漸擴散到土體中去。不僅擴散到樁于樁之間的土體中,也擴散到樁尖以下的土體中。在這一階段,樁側阻力的分布可能是樁的上端大,下端小,逐步向下發展。

土體中的應力主要由于樁上部的摩阻力傳給上部的土體,因此樁間土體的應力也大于樁尖以下土體的應力。 再繼續加載,樁側上部滑移區域不斷向下擴大。樁尖承載力開始發揮作用,樁尖以下土體中的應力增加的幅度會大于樁間土體中的應力的增加。(一般認當但相對位移達到2~5mm時,樁側摩阻力達到極限,樁土之間将産生相對滑移) 加載完成以後,樁間土及樁尖土在應力場的作用下由于固結和流變會繼續變形。其中樁間土體的固結壓縮和流變更為重要,由于樁身的變形基本上是材料的彈性壓縮,因此在這段時間内,樁間土體質點向下的位移要大于同一截面深度處樁質點的位移,即在樁的上部,樁身質點向下位移與相鄰土質點之間的位移差會減小,甚至會改變方向。由于位移差産生的摩阻力也将随之減小,甚至産生負摩阻力。

為了使減少了的樁周土體反力與樁頂荷載平衡,必須産生一個新的沉降增量,增加樁土相對位移來增加土反力。在這一工程中就會發生新的滑移(刺入變形)。總的趨勢是使樁上部的摩阻力逐漸減少,樁下部的摩阻力和樁端支撐力逐漸增加。當樁的數量較多,樁的布置比較密集,樁間土體中應力較大時,樁上部可能出現負摩阻力,承台下的土體會與承台底面脫開。

3.土體中摩擦樁基礎的沉降實際上由 樁身壓縮、樁尖的刺入變形及樁尖下土體的壓縮變形(固結和流變)。

十、樁土共同工作

樁土共同工作是一個典型的非線性過程。樁土共同工作的實驗表明:

1.樁土共同作用的加載過程中,樁土是先後發揮作用的,是一個非線性的過程。樁總是先起支撐作用,樁的承載力達到100%以後,既達到極限以後土體才能起支承作用。樁土分擔比是随加載過程而變化,沒有固定的分擔比。

2.樁頂荷載小于單樁極限荷載時,每級增加的荷載主要由樁承受,樁承擔90~95%左右。

3.樁上荷載達到單樁屈服荷載後,承台底的地基土承受的荷載才明顯的增加,樁的分擔比顯著減小,沉降速度也有所增加。

4.樁土共同作用的極限承載力>單樁承載力+地基土的極限承載力。
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