胡明,雷用,李林,陳平(后勤工程學(xué)院軍事建筑系,重慶401311)
微型樁計(jì)算方法研究綜述
胡明,雷用,李林,陳平
(后勤工程學(xué)院軍事建筑系,重慶401311)
微型樁具有直徑小、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),所以它在工程實(shí)踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用。該文主要從微型樁承受豎向荷載、承受水平荷載以及微型樁為抗拔樁、微型樁的穩(wěn)定驗(yàn)算四個(gè)方面總結(jié)微型樁計(jì)算方法的研究成果,并據(jù)此提出了微型樁的應(yīng)用在工程實(shí)踐中的問(wèn)題及相關(guān)建議。
微型樁;計(jì)算方法;穩(wěn)定驗(yàn)算;荷載
微型樁一般是指樁徑小于300mm,長(zhǎng)細(xì)比大于30,采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁。其主要特點(diǎn)有:施工機(jī)具小,在狹窄的施工作業(yè)區(qū)應(yīng)用方便;施工振動(dòng)、噪聲小,適用于對(duì)環(huán)境要求高的市區(qū)施工;長(zhǎng)細(xì)比大,單樁耗用材料少;采用二次注漿工藝,與同體積灌注樁相比,承載力高。常見的微型樁類型有壓入或打入微型樁、壓密注漿加固型微型樁、懸噴-型鋼復(fù)合微型樁、后壓漿微型樁、壓力注漿微型樁以及端承微型樁等[1]。微型樁在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛,可用于加層改造工程的地基加固、對(duì)既有建筑物地基基礎(chǔ)加固和托換以及抗震加固、提高邊坡穩(wěn)定性、基坑支護(hù)或支承新建建筑物。微型樁單樁承載力計(jì)算簡(jiǎn)單;而微型樁群樁的工作機(jī)理、傳遞特性以及破壞模式復(fù)雜,相應(yīng)地承載力計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜,計(jì)算時(shí)不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為只是把基礎(chǔ)荷載全部傳遞到地基土,而應(yīng)當(dāng)把微型樁看作是地基土的加筋,正如混凝土中加入鋼筋,受力特性就會(huì)發(fā)生變化。微型樁施工后,樁和地基土形成復(fù)合土工材料,其受力和荷載傳遞特性發(fā)生相應(yīng)的變化。而目前對(duì)于這種微型樁-土形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)共同作用的受力和荷載的傳遞特性還沒有完整的理論系統(tǒng),在國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也沒有相關(guān)的規(guī)定。因此,對(duì)微型樁計(jì)算方法研究進(jìn)展的總結(jié),有助于今后對(duì)微型樁深入的研究和指導(dǎo)工程實(shí)踐。
微型樁在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),許多問(wèn)題還沒有得到充分的認(rèn)識(shí),計(jì)算方法理論還不完善。若樁與樁的間距較大并且軸向受力,在設(shè)計(jì)中通常采用常規(guī)灌注樁的計(jì)算方法;若樁與樁的間距較小,則樁-土作為整體作用,此時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法復(fù)雜多樣。以下從四個(gè)方面闡述微型樁計(jì)算方法研究進(jìn)展。
1.1 微型樁承受豎向荷載
微型樁的直徑很小,因此計(jì)算微型樁單樁豎向承載力時(shí)一般忽略端阻力,而考慮摩阻力;但當(dāng)樁端支承在巖石上時(shí),要考慮端阻力,此時(shí)樁的承載力主要由樁身材料強(qiáng)度控制;而計(jì)算微型樁群樁的豎向承載力則需要考慮多種因素的影響,計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。
澳大利亞的H.Brandl提出了一套半經(jīng)驗(yàn)半理論的微型樁設(shè)計(jì)方法,微型樁單樁豎向承載力主要由摩阻力提供,不考慮端阻力。通過(guò)載荷試驗(yàn)測(cè)得微型樁的側(cè)摩阻力極限值,然后根據(jù)測(cè)得的極限值和樁入土部分表面積求得單樁的極限承載力。
單樁豎向承載力可通過(guò)單樁載荷試驗(yàn)確定,但在試驗(yàn)前,需對(duì)微型樁承載力進(jìn)行估算。由材料強(qiáng)度確定單樁承載力時(shí),樁身上部的截面材料強(qiáng)度決定了單樁承載力,Bruce[3]提出其豎向抗壓按下式確定:
式中,f'c-grout為注漿體單軸抗拉強(qiáng)度(MPa);FSgrout為注漿體強(qiáng)度安全系數(shù);Agrout為注漿體截面凈面積(m2);Fy-steel為加筋體鋼材最小屈服應(yīng)力(MPa);FSy-steel為加筋體鋼材安全系數(shù);Abar為加筋體橫截面積(m2);Acasing為套管橫截面積(m2);Fa為允許軸向應(yīng)力(MPa)。
而由土確定單樁承載力時(shí),樁荷載一般通過(guò)側(cè)阻傳遞到土中,微型樁側(cè)阻力主要由注漿體-土的界面決定,按下式確定[1]:
式中,ui為樁周第i層土的厚度(m);qsui為樁周第i層土極限側(cè)摩阻力(kPa)。
微型樁群樁承載力計(jì)算要考慮群樁效應(yīng),影響群樁效應(yīng)的因素有:相鄰兩柱中心距與樁徑之比、樁的入土深度、樁頂與帽梁帽板的連接情況、群樁大小以及土質(zhì)特性。對(duì)于微型樁承受很大集中荷載的樁土復(fù)合體,可采用兩種假設(shè)確定容許荷載:(1)考慮群樁效應(yīng)后的單樁穩(wěn)定性;(2)考慮整個(gè)樁土圓柱體的安全度[2]。
因?yàn)槲覈?guó)沒有微型樁相關(guān)規(guī)范,估算微型樁的單樁承載力通常按普通灌注樁的承載力經(jīng)驗(yàn)公式,這是偏于安全的。因微型樁是用壓力灌漿的方法灌注水泥砂漿形成的,其中一部分漿液會(huì)滲入樁周土體,使得樁與樁周土體結(jié)合緊密,微型樁的承載力便會(huì)比普通灌注樁要大很多。因此,對(duì)于微型樁的工作性能、樁與土體間的相互作用機(jī)理以及計(jì)算方法理論的改進(jìn)有待進(jìn)一步研究。
1.2 微型樁承受水平荷載
微型樁單樁的水平承載力計(jì)算較為簡(jiǎn)便,微型樁群樁在水平力作用下的工作性能、荷載傳遞以及破壞模式不同于單樁,與多種因素有關(guān),因此計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。
對(duì)于微型樁單樁的水平承載力計(jì)算:
配筋率小于0.65%,其單樁水平承載力特征值可按下式估算[4]:
式中,α為樁的水平變形系數(shù);γm為樁截面模量塑性系數(shù),圓形截面γm=2,矩形截面γm=1.75;ft為樁身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;γM為樁身最大彎矩系數(shù);ρg為樁身配筋率;W0為樁身?yè)Q算截面受拉邊緣的截面模量。
配筋率不小于0.65%,其單樁水平承載力特征值可按下式估算[4]:
式中,EI為樁身抗彎剛度;x0a為樁頂允許水平位移;γx為樁頂水平位移系數(shù)。
對(duì)于微型樁群樁在水平荷載作用下的水平承載力計(jì)算理論較多,計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。若樁與樁的間距較小,分析時(shí)把微型樁看成是地基基礎(chǔ)的加筋,此時(shí)微型樁的受荷情況就類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),并且發(fā)揮了“紐結(jié)效應(yīng)”(Knot Effect),使樁與土作為一個(gè)整體,形成一個(gè)具有粘聚力的加筋土結(jié)構(gòu)[5]。H. Brandl計(jì)算加筋土墻便是模擬鋼筋混凝土梁計(jì)算,只是其假定地基土的抗拉強(qiáng)度為零[2]。
微型樁基礎(chǔ)承受水平荷載多設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的群樁,網(wǎng)狀微型樁形成樁-土復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理復(fù)雜,但它的外部穩(wěn)定性仍可按理想重力式擋土墻進(jìn)行抗滑、傾覆和基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算,其內(nèi)部安全度則假定可能出現(xiàn)的滑動(dòng)土楔進(jìn)行驗(yàn)算[2]。只是該計(jì)算方法取決于現(xiàn)場(chǎng)樁-土的相互關(guān)系,因此還是以經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷為主[5]。周德培等[6]將微型樁與頂梁的連接看做固定連接,把樁群組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面剛架,但這種方法并沒有考慮樁間土的作用。朱寶龍等[7]將微型樁和注漿體結(jié)合起來(lái)并看作抗滑擋墻,將滑坡中的部分滑動(dòng)體改造成抗滑體來(lái)治理滑坡。還有一種網(wǎng)狀微型樁的作用理念是邊坡加固,即一個(gè)擋土結(jié)構(gòu)和一個(gè)土壁或巖壁的土釘系統(tǒng)。用樁包圍滑面以上的土并“釘”住滑面以增大抗剪阻力,基本方法是計(jì)算樁基對(duì)自然土阻力的作用[8]。
用p-y曲線法分析微型樁橫向受荷是目前常用且較為合理的方法。p-y曲線法,也稱為復(fù)合地基反力系數(shù)法,該方法的基本思想是沿樁深度方向?qū)吨芡翍?yīng)力應(yīng)變關(guān)系用一組曲線來(lái)表示,即p-y曲線。楊克己等[9]通過(guò)修正單樁的p-y曲線求得群樁的p-y曲線的方法和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值接近并且比國(guó)外有關(guān)同類方法簡(jiǎn)單實(shí)用,可供有關(guān)樁基工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。洪平等[10]利用給定的p-y曲線進(jìn)行了樁在水平荷載作用下的可靠性分析。龔健等[11]對(duì)軟土地基中的微型樁單樁及群樁進(jìn)行了水平荷載試驗(yàn)并應(yīng)用p-y曲線法計(jì)算了單樁和群樁的水平位移。
還有一種方法是彈力地基反力法,即假定土為彈性體,用梁的彎曲理論來(lái)求樁的水平抗力。沈龍運(yùn)等[12]用地基反力系數(shù)法對(duì)微型樁進(jìn)行位移和內(nèi)力計(jì)算,土體反力按彈性抗力考慮,將全樁分為受荷段和錨固段,根據(jù)樁的變位連續(xù)條件和樁底端邊界條件求得微型樁的變位和內(nèi)力。
從理論上講,p-y曲線法是一種比較理想的方法,配合數(shù)值解法,可以計(jì)算樁內(nèi)力及位移,當(dāng)樁身變形較大時(shí),這種方法比地基反力系數(shù)法有更大的優(yōu)勢(shì)。
目前,模型試驗(yàn)以及數(shù)值模型試驗(yàn)分析微型樁的方法也得到廣泛應(yīng)用。模型試驗(yàn)一般是在試驗(yàn)室完成,是一種強(qiáng)有力的驗(yàn)證計(jì)算方法和解決實(shí)際問(wèn)題的手段。數(shù)值模型試驗(yàn)是通過(guò)建立合理的有限元模型并利用有限元軟件完成,利用有限元法解決問(wèn)題方便快捷,可以將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化并直觀地觀察微型樁的工作性能、荷載特性以及破壞模式。吳文平等[13]根據(jù)工程中可能出現(xiàn)的微型樁布置形式設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn),假設(shè)滑面以上部分結(jié)構(gòu)中土體與樁的相互作用可以忽略,提出了微型樁組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)化模型。陳強(qiáng)[14]通過(guò)離心模型試驗(yàn),分別從坡頂位移、坡面位移及坡內(nèi)部位移分析了注漿鋼管微型樁對(duì)滑坡的控制效果,并討論了鋼管微型樁的受力特征。蔣楚生[15]等借用滑坡分析的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算樁上的滑坡推力,將計(jì)算模式簡(jiǎn)化為滑面以上受推力或土壓力作用的剛性頂板的多柱框架,滑面以下按固定端考慮。馮君[16]將微型樁體系和樁間巖土體視為樁-巖土體的復(fù)合型結(jié)構(gòu),提出了樁-巖土體-樁的相互作用模式和作用力計(jì)算分析模型,該模型考慮樁-巖土體-樁的相互作用,可較好模擬滑坡推力在各排樁之間的傳遞機(jī)制。最后,應(yīng)用有限元理論建立計(jì)算微型樁體系內(nèi)力和變形的力學(xué)模型。曲進(jìn)等[17]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)探討了循環(huán)荷載下勁性微型樁的彎矩分布及破壞機(jī)制。郭亮等[18]利用ABAQUS有限元軟件對(duì)不同施工工藝的微型樁現(xiàn)場(chǎng)水平荷載試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了在水平荷載作用下二次注漿施工工藝對(duì)微型樁單樁工作性狀的影響。陳正等[19]利用ABAQUS有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)柔性微型樁試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析結(jié)果基本能反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。
此外,還有其他的計(jì)算微型樁承載力的方法值得深入研究和探討。周德培等[6]提出對(duì)具有剛性頂梁固定微型樁的組合結(jié)構(gòu)可按橫向約束的彈性地基梁法計(jì)算其內(nèi)力,由此形成的設(shè)計(jì)計(jì)算方法可得出較為合理的計(jì)算結(jié)果,工程應(yīng)用效果也較好。潘星等[20]假定微型樁和土釘墻面層為剛度較大的復(fù)合面層并采用等效剛度法,按地下連續(xù)墻的理論進(jìn)行受力和變形計(jì)算。葉萬(wàn)靈等[21]以大量的樁基水平靜載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),提出了一種水平土抗力與深度、位移的函數(shù)關(guān)系以及水平地基反力系數(shù)與土質(zhì)指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系,并利用相似原理,將非線性有限元的數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的查表計(jì)算,建立了一種新的樁在水平荷載作用的非線性計(jì)算方法——NL法。
1.3 微型樁為抗拔樁
微型樁作為抗拔樁的研究文獻(xiàn)較少,其單樁承載力可按下式估算[4]:
Rt≤0.8πdlf
Rt為微型樁單樁抗拔承載力特征值(kN);d為微型樁的直徑(m);l為微型樁的錨固段長(zhǎng)度(m);f為微型樁的砂漿或混凝土與巖土間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值(kPa)。
黃俊等[22]利用Plaxis 3D有限元軟件分析了在上拔荷載與水平荷載作用下微型樁的工作性狀,研究了微型樁豎向抗拔承載工作機(jī)制,得到的結(jié)論對(duì)抗拔微型樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了積極的作用。蘇榮臻等[23]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了壓力注漿工藝對(duì)微型樁抗拔承載力的影響。試驗(yàn)表明二次注漿工藝對(duì)微型樁的抗拔承載力有提升效應(yīng)。
1.4 微型樁的穩(wěn)定驗(yàn)算
由于微型樁長(zhǎng)細(xì)比較大,一般由注漿體與土界面?zhèn)茸杼峁┑某休d力大于樁身材料強(qiáng)度決定的承載力,因此要考慮微型樁在豎向荷載作用下的穩(wěn)定問(wèn)題。
Bjerrum[24]通過(guò)對(duì)鋼筋、鋼軌、H型鋼等不同截面形式的微型樁的壓曲進(jìn)行了研究,認(rèn)為即使軟弱土也能提供微型樁足夠的側(cè)向支持,防止微型樁壓曲并建議用下式估算微型樁的壓曲臨界荷載:
式中E為樁截面彈性模量(MPa);I為樁截面最小慣性矩(m4);l為樁側(cè)向無(wú)約束長(zhǎng)度,指樁側(cè)僅僅受到土約束的長(zhǎng)度(m);Esp-y為土側(cè)向抗力模量,即p-y曲線的斜率。
之后,Cadden等[25]、[26]把上式改寫為:
式中A為微型樁橫截面積(m2);fy為樁材料的屈服應(yīng)力(MPa)。
Esp-yCR實(shí)際是一個(gè)臨界值[26],當(dāng)土的實(shí)際Esp-y小于Esp-yCR時(shí),就需要校核樁的壓曲穩(wěn)定。
此外,王喚龍等[27]建立了考慮土體抗力的微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)受壓樁計(jì)算模型,并對(duì)受壓微型樁進(jìn)行了屈曲分析,推導(dǎo)出受壓微型樁屈曲臨界荷載的理論計(jì)算公式,進(jìn)而導(dǎo)出壓桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。
微型樁在地基處理的過(guò)程中使部分土體得到加強(qiáng),理論上即為復(fù)合地基。微型樁的穩(wěn)定驗(yàn)算理論上即對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行穩(wěn)定分析,復(fù)合地基穩(wěn)定分析方法很多,一般可采用圓弧分析法計(jì)算[28]。
微型樁雖然在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間還不是很長(zhǎng),但發(fā)展迅速,在邊坡治理、地面沉陷修復(fù)、地基加固以及滑坡處理等方面得到廣泛應(yīng)用,由于微型樁有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在某些特定的情況下,可能微型樁是唯一有效的解決方法,但其在應(yīng)用和研究中還存在一些問(wèn)題需要探討:
(1)微型樁通常采用常規(guī)灌注樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,微型樁群的計(jì)算方法雖然較多,但不同方法適用條件的確定以及如何尋求適合具體工況的設(shè)計(jì)方法還有待深入研究。
(2)微型群樁不同的組合布置形式的共同工作性能、荷載傳遞以及破壞模式的研究還不充分,尋找不同條件或工況下微型樁群的最優(yōu)組合布置形式有利于工程應(yīng)用。
(3)利用模型試驗(yàn)可以反復(fù)觀察來(lái)研究微型樁的工作性狀,但其研究結(jié)果易受模型的局限,得出的結(jié)論不一定可靠。一般來(lái)說(shuō)模型與試驗(yàn)對(duì)象的相似程度越高,試驗(yàn)的效果越好。因此,使模型更加接近實(shí)際情況以及相關(guān)計(jì)算參數(shù)的選取與確定還需要進(jìn)一步研究。
(4)利用數(shù)值模擬試驗(yàn)分析微型樁可以從不同角度觀察微型樁的工作性狀,但目前還沒有一個(gè)巖土本構(gòu)模型可以完全反映土體所有的力學(xué)性質(zhì),而且相應(yīng)的模型參數(shù)有時(shí)難以獲得,因此利用有限元分析還很難完全模擬微型樁與土體實(shí)際的相互作用。
(5)微型樁在地震或機(jī)械振動(dòng)影響下要承受水平方向的動(dòng)力荷載,而目前對(duì)微型樁承受側(cè)向循環(huán)荷載的研究還不多,設(shè)計(jì)理論不完善。微型樁作為一種支擋結(jié)構(gòu),充分研究其在動(dòng)力荷載下的工作機(jī)理,對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家有重要意義。
相比于常規(guī)灌注樁,微型樁在工作性能、樁-土的相互作用、破壞模式及工程應(yīng)用中有自己的特點(diǎn),因此對(duì)于微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算也應(yīng)區(qū)別于常規(guī)灌注樁。但由于微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算理論滯后,一定程度上限制了微型樁在工程中的應(yīng)用,因此根據(jù)具體情況合理設(shè)計(jì)和選擇恰當(dāng)?shù)奈⑿蜆队?jì)算方法對(duì)微型樁的應(yīng)用和發(fā)展有重要意義。
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責(zé)任編輯:孫蘇
鋼結(jié)構(gòu)廠房天溝施工應(yīng)注意的問(wèn)題
目前,鋼結(jié)構(gòu)廠房天溝為3mm厚鋼板,是機(jī)械加工的成品,在施工中由于焊接等原因,容易變形,造成積水排不干凈,時(shí)間長(zhǎng)了,導(dǎo)致天溝銹蝕。如何解決此類問(wèn)題呢?
一、細(xì)化天溝做法
當(dāng)前,天溝設(shè)計(jì)一般是盲區(qū),圖紙只有示意圖,而給排水圖紙只有落水管排水系統(tǒng)圖。施工時(shí),按示意圖施工,沒有排水坡度、焊接變形等原因,難免造成積水排不干凈,所以,細(xì)化天溝做法很有必要。根據(jù)給排水圖紙中的排水系統(tǒng),確定天溝排水口位置,劃分天溝排水區(qū)域,按1%的坡度確定天溝排水深度。
二、天溝加工及施工
(1)加工天溝鋼板時(shí),對(duì)天溝鋼板逐一編號(hào)。安裝時(shí),由低到高先點(diǎn)焊,檢查坡度是否符合要求,再進(jìn)行天溝鋼板接頭焊接。焊接時(shí),由中間向兩邊對(duì)稱焊接,防止焊接變形。
(2)劃出排水口的位置,用乙炔切割開孔,邊口打坡,平焊排水口。
(3)安裝、焊接兩端山墻的溢水口。
三、注意事項(xiàng)
有雨水口的位置,屋面梁系桿應(yīng)偏離縱向中心線。避開落水管。特別是落水管采用倒虹吸管時(shí)影響最大,倒虹吸排水口整體高約500mm、中心安裝,正好與屋面梁系桿相碰,造成屋面梁系桿無(wú)法安裝。中間天溝采用倒虹吸管排水時(shí),倒虹吸雨水口底盤高出天溝板,應(yīng)從天溝板底焊接倒虹吸雨水口底盤,降低雨水口高差。天溝鋼板底應(yīng)做保溫,防止產(chǎn)生冷凝水;天溝內(nèi)側(cè)除做防銹外,還應(yīng)做防腐處理。(摘自:《建筑工人》)
Research Summary on Calculation Method of Micro-pile
Micro-pile has the advantages of small diameter,low cost and simple construction,so it is widely applied in geotechnical engineering practice.The research results are summarized on the basis of the vertical loads,horizontal loads,micro-pile as uplift pile and the stability verifying of micro-pile.Problems of micro-pile in application and some advice are also presented.
micro-pile;calculation methods;stability verifying;loads
TU473
A
1671-9107(2012)12-0015-04
10.3969/j.issn.1671-9107.2012.12.015
2012-9-26
胡明(1987-),男,山西太原人,在讀碩士研究生,主要從事防災(zāi)減災(zāi)研究。