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        PHC樁土結(jié)構(gòu)材料力學(xué)特性及承載可靠性研究

        2024-01-31 07:36:56聶智鵬王卉叢
        關(guān)鍵詞:狀態(tài)方程單樁管樁

        聶智鵬,謝 波,王卉叢,王 軍

        (1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭 411104;2.湖南第一工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,長(zhǎng)沙 410125)

        0 引言

        樁基礎(chǔ)是建筑工程中一種常用的基礎(chǔ)形式,因樁基礎(chǔ)能夠處理各種復(fù)雜條件下的地基問(wèn)題而被廣泛地應(yīng)用到高層建筑、大型橋梁、深海工程以及高速公路和高速鐵路的基礎(chǔ)中.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC 管樁)在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,PHC 管樁的應(yīng)用也越來(lái)越引起人們的重視.其工作性質(zhì)是由樁身和土體共同控制,因此樁基的破壞模式也比較復(fù)雜[1].由于PHC 管樁在土木工程中的廣泛應(yīng)用,其豎向承載特性研究成果較多,主要集中在荷載傳遞機(jī)理與影響因素、樁身軸力與側(cè)摩阻力變化規(guī)律等方面[2-3].

        我國(guó)對(duì)樁基承載可靠性的研究也在不斷深入,在單樁承載極限狀態(tài)模式、土性隨機(jī)場(chǎng)分析、單樁承載力可靠指標(biāo)等方面取得大量的研究成果[4-6].與上部結(jié)構(gòu)相比,樁基礎(chǔ)的工作狀態(tài)和荷承載性能更為復(fù)雜,它不僅涉及樁身材料強(qiáng)度,更主要與變異性很大的巖土體性質(zhì)密切相關(guān).然而,目前對(duì)樁土共同作用機(jī)理的研究尚不夠完善,從確定論角度上處理樁基工程問(wèn)題仍存在不足之處.

        為進(jìn)行單樁豎向極限承載力可靠性研究,通過(guò)建立樁土共同作用下承載力極限狀態(tài)方程,進(jìn)行單樁豎向極限承載力的可靠度計(jì)算,進(jìn)而獲得樁土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠指標(biāo).為使各種單樁處于同一分析水平,對(duì)各種差異下得到的承載力進(jìn)行歸一化處理,即直接對(duì)無(wú)量綱隨機(jī)變量試計(jì)比[7]λR(λR為單樁極限承載力R與按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式所得計(jì)算值Quk之比)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定單樁極限承載力的概率分布和統(tǒng)計(jì)參數(shù),有效地解決了單樁豎向極限承載力可靠性分析中部分參數(shù)不確定的問(wèn)題,為工程實(shí)踐提供借鑒.

        1 單樁豎向極限承載力

        1.1 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁豎向極限承載力

        單樁豎向極限承載力Quk為樁土體系在豎向荷載作用下所能長(zhǎng)期穩(wěn)定承受的最大荷載.它反映出樁身材料、樁側(cè)土與樁端土性狀的綜合指標(biāo)[8],經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法是一種常用確定單樁豎向極限承載力的方法.該方法適用于一些土質(zhì)較為均勻、樁長(zhǎng)適中且樁側(cè)阻力起主要作用的情況.

        根據(jù)靜力試樁結(jié)構(gòu)與樁側(cè)、樁端土層的物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立樁側(cè)阻力、樁端阻力與土體的物理力學(xué)指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,并利用該關(guān)系計(jì)算單樁豎向極限承載力.

        由土體的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力Quk時(shí),按下式計(jì)算[9]:

        式中,Qsk、Qpk為單樁總極限側(cè)阻力和單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;u為樁身周長(zhǎng);li為樁身第i層土的厚度;Ap為樁端面積.

        經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法只能作為初步的樁基設(shè)計(jì)參考,實(shí)際設(shè)計(jì)還需要考慮其他因素,如荷載傳遞機(jī)制、樁身穩(wěn)定性等.同時(shí),對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件和長(zhǎng)樁等情況,應(yīng)該考慮其他更為精確的方法來(lái)確定單樁豎向極限承載力.

        1.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

        靜載荷試驗(yàn)[10]采用快速維持荷載法,加載反力裝置采用堆載平臺(tái)、加載反力裝置提供的反力不得小于最大加載值的1.2 倍.

        本次試驗(yàn)加載過(guò)程分級(jí)進(jìn)行,共分10 級(jí).其中第一級(jí)可取分級(jí)荷載的2 倍,每次荷載加載后按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min 測(cè)讀樁頂沉降量,每隔30 min 測(cè)讀一次,測(cè)讀時(shí)間累計(jì)為2 h 時(shí).若最后30 min 時(shí)間間隔的樁頂沉降增量與相鄰30 min時(shí)間間隔的樁頂沉降增量相比未明顯收斂時(shí),延長(zhǎng)維持荷載時(shí)間,直至最后30 min 的沉降增量小于相鄰3 min 的沉降增量為止.

        在滿足終止加載條件后開(kāi)始卸載.每級(jí)卸載量為加載的兩倍.每級(jí)卸載后,間隔15 min、15 min、30 min各測(cè)讀一次,總共測(cè)讀60 min 即可卸下一級(jí)荷載.全部卸載完畢,隔3~4 h 再測(cè)讀一次.

        對(duì)PHC 管樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),應(yīng)力加載即按靜載試驗(yàn)方法,在樁頂逐級(jí)加載,計(jì)算結(jié)束后提取每級(jí)荷載下樁頂位移,記錄每級(jí)加載量所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降量,通過(guò)數(shù)據(jù)處理和反演分析,得到樁的荷載變形曲線,并確定樁的極限承載力.

        2 基于改進(jìn)的一次二階矩法的可靠性分析模型

        2.1 樁土結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)與可靠度指標(biāo)

        當(dāng)整個(gè)樁土結(jié)構(gòu)或者樁土結(jié)構(gòu)的部分超過(guò)特定狀態(tài)而不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的安全要求時(shí),此特定狀態(tài)稱(chēng)為樁土結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài).在研究樁基承載可靠性時(shí),必須對(duì)單樁豎向極限承載力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其承載力大小由樁身和巖土體共同作用所決定,故影響樁基豎向極限承載力的可靠性存在多方面因素[11].樁土結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)如圖1 所示.

        圖1 樁土結(jié)構(gòu)共同作用

        設(shè)(x1,x2,…,xn)為極限狀態(tài)方程中基本隨機(jī)變量,則樁基承載力極限狀態(tài)方程為

        假設(shè)基本變量由抗力R和荷載效應(yīng)S組成,影響抗力的因素包括樁和土的材料性能、幾何尺寸等.則單樁豎向承載力的極限狀態(tài)方程可表示為

        式中,R為單樁豎向極限承載力;G為恒載;Q為活載.

        假設(shè)R與S兩者相互獨(dú)立且均服從正態(tài)分布,其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為μR、μS和σR、σS,則樁土結(jié)構(gòu)功能函數(shù)也服從正態(tài)分布,其均值為μZ=μR-μS,標(biāo)準(zhǔn)差為.樁土結(jié)構(gòu)的可靠度與可靠指標(biāo)的關(guān)系如圖2 所示.

        圖2 樁土結(jié)構(gòu)可靠度與可靠指標(biāo)關(guān)系

        樁土結(jié)構(gòu)可靠度可表示為

        由圖2 可知,從0 到均值μZ的距離可用標(biāo)準(zhǔn)差度量,即μZ=βσZ.樁土結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)可表示為

        2.2 單樁豎向承載力極限狀態(tài)方程可靠度的計(jì)算

        由于單樁豎向極限承載力主要因素均集中反映在計(jì)算承載力參數(shù)的不確定上,這種不確定包括土體參數(shù)及幾何尺寸的變異性,故引用無(wú)量綱隨機(jī)變量的極限狀態(tài)方程,進(jìn)而單樁承載力的變異性僅與單樁的試計(jì)比λR比值變異性有關(guān)(λR為試樁極限承載力實(shí)測(cè)值與試樁豎向極限承載力計(jì)算值的比值),試計(jì)比為

        式中,R為試樁豎向極限承載力實(shí)測(cè)值;RK為按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式所得計(jì)算值.

        設(shè)λR的均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為μλ、σλ;R的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為μR、σR和δR.由式(6)關(guān)系可得

        進(jìn)而求R的變異特性就可轉(zhuǎn)化為求λR的變異特性.

        單樁豎向承載力R的標(biāo)準(zhǔn)值為

        式中,GK、QK分別為恒載效應(yīng)、活載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;k為安全系數(shù),通常取2.0.設(shè)γ為活載與恒載之比,即荷載效應(yīng)比:γ=QKGK,通常取γ為0.25.故式(7)可以表示為:RK=K(1+γ)GK.

        根據(jù)式(6),同理可得

        將式(6)~式(8)代入式(3),則單樁豎向承載力的極限狀態(tài)方程可表示為

        即可利用式(9)進(jìn)行單樁豎向極限承載力可靠度計(jì)算[12-14].

        3 算例分析

        3.1 實(shí)際工程概況及PHC 管樁單樁豎向極限承載力的確定

        以湖南省某高校新建教學(xué)大樓為工程背景,該建筑為框架式結(jié)構(gòu),總建筑面積約13 524 m2,用地面積約14 551.42 m2,由1 棟6 層22.5 m 的大樓及1棟1 層的實(shí)驗(yàn)室組成.本工程基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC 管樁),樁長(zhǎng)為13~15.5 m,樁徑為500 mm,設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C80,樁端持力層為圓礫.

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和勘察資料,場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下依次為:

        (1)雜填土:層厚6.40~9.10 m,其層頂標(biāo)高為38.40~40.42 m,層底標(biāo)高為31.10~32.48 m;主要由黏性土和礫石回填而成,為新近填土,尚未完成自重固結(jié).

        (2)粉質(zhì)黏土:層厚8.50~9.80 m,其層頂標(biāo)高為31.10~32.48 m,層底標(biāo)高為21.37~23.28 m,沖積而成.

        (3)圓礫:層厚0.50~1.70 m,其層頂標(biāo)高為21.37~23.28 m,其層底標(biāo)高為20.27~22.48 m,沖積而成.無(wú)不良地質(zhì),為PHC 管樁的持力層.

        (4)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,其層厚5.10~7.70m,層頂標(biāo)高20.27~22.48 m.層底標(biāo)高13.30~15.88 m.

        根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件和建筑物特征,樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示.

        表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

        結(jié)合表1 以及PHC 管樁各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法式(1)得單樁豎向極限承載力的計(jì)算值為1 887.45 kN.

        根據(jù)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果,繪制出荷載—變形曲線,如圖3 所示.

        圖3 荷載-沉降曲線

        由荷載—沉降曲線獲得單樁豎向極限承載力可按以下方法綜合確定:

        (1)對(duì)于Q-S曲線,應(yīng)取曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn),該點(diǎn)表明土體對(duì)樁側(cè)摩擦力已經(jīng)達(dá)到極限;

        (2)對(duì)于s-lgQ曲線,曲線的陡降直線段在拐彎后比較明顯,取曲線陡降直線段的起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載為樁的極限荷載;

        (3)對(duì)于s-lgt曲線,曲線的斜率對(duì)應(yīng)著樁頂沉降速率,當(dāng)荷載還沒(méi)達(dá)到極限時(shí),各點(diǎn)一般可以近似連成直線,當(dāng)荷載超過(guò)極限值時(shí),曲線坡度變陡,且尾部向下彎曲,故取尾部明顯向下彎曲前一級(jí)荷載值為極限荷載[15].

        綜上可知,在圖3(1)中,曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)為加載4 000 kN 時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降量,此時(shí)土體對(duì)樁側(cè)摩擦力已經(jīng)達(dá)到極限;在圖3(2)中,曲線陡降直線段的起始點(diǎn)為沉降量達(dá)到11.5 mm 時(shí)所對(duì)應(yīng)荷載;在圖3(3)中,尾部明顯向下彎曲對(duì)應(yīng)前一級(jí)荷載為4 000 kN,因此,PHC 管樁單樁豎向?qū)崪y(cè)極限承載力為4 000 kN.結(jié)合單樁豎向承載力特征值Ra為單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)k,通常規(guī)定k取2.根據(jù)靜載荷試驗(yàn)所獲結(jié)果,得出單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2 000 kN,與按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式所得計(jì)算結(jié)果較吻合.

        3.2 可靠度指標(biāo)的計(jì)算

        采用改進(jìn)的一次二階矩法對(duì)可靠度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算.樁土結(jié)構(gòu)的狀態(tài)函數(shù)見(jiàn)式(3),表示坐標(biāo)系(X1,X2,…,Xn)中的一個(gè)曲面,該曲面將n維空間劃分為可靠區(qū)域和有效區(qū)域.

        其可靠指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)原點(diǎn)到該極限狀態(tài)方程表示的曲面之間的垂直距離,其垂足為驗(yàn)算點(diǎn)P*.

        將功能函數(shù)在驗(yàn)算點(diǎn)P*處作泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),驗(yàn)算點(diǎn)坐標(biāo)取其均值,則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)線性化為

        故可求得可靠指標(biāo)為:

        PHC 管樁單樁豎向承載力的極限狀態(tài)方程見(jiàn)式(9),求出各隨機(jī)變量在極限狀態(tài)方程的各偏導(dǎo)數(shù)為

        樁基所受外荷載可分為恒載和活載,故計(jì)算單樁豎向承載力可靠指標(biāo)需判斷外荷載分布規(guī)律并統(tǒng)計(jì)各參數(shù).實(shí)際工程中最常見(jiàn)的荷載組合是僅有一個(gè)可變荷載參與組合,本文計(jì)算取恒載G和辦公樓Q的組合情況.

        由經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁豎向極限承載力計(jì)算值和根據(jù)靜載試驗(yàn)獲得實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知:試計(jì)比λR均值為1.059,標(biāo)準(zhǔn)差為0.137,變異系數(shù)為0.129,服從正態(tài)分布.根據(jù)文獻(xiàn)[16]推薦的統(tǒng)計(jì)參數(shù)及概型分布,荷載隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2 所示.

        表2 荷載隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)單樁豎向承載極限狀態(tài)方程并結(jié)合各隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù),可獲得單樁豎向極限承載力可靠度指標(biāo)為:β=3.75,失效概率Pf=2.326×10-4.

        根據(jù)文獻(xiàn)[17]對(duì)結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的規(guī)定,在樁土結(jié)構(gòu)共同作用下,PHC 管樁豎向承載力可靠度大于其建議值,滿足安全設(shè)計(jì)要求.

        4 結(jié)論

        以湖南省某高校新建教學(xué)樓為工程背景,結(jié)合收集到的試樁資料,按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁豎向極限承載力計(jì)算值;根據(jù)靜載荷試驗(yàn)獲得PHC 管樁豎向極限承載力實(shí)測(cè)值;建立樁土共同作用下極限狀態(tài)方程,并采用改進(jìn)的一次二階矩法,成功進(jìn)行單樁豎向極限承載力的可靠度計(jì)算.結(jié)論如下:

        (1)結(jié)合收集到的試樁資料,根據(jù)土體物理力學(xué)指標(biāo)與單樁豎向承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力Quk,得出單樁豎向極限承載力計(jì)算值為1 887.45 kN.

        (2)根據(jù)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果,繪制荷載—沉降曲線,對(duì)曲線進(jìn)行分析得出PHC 管樁的單樁豎向?qū)崪y(cè)極限承載力為4 000 kN、單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2 000 kN,與按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式所得單樁豎向極限承載力計(jì)算值較吻合.

        (3)通過(guò)建立樁土共同作用下極限狀態(tài)方程,采用改進(jìn)的一次二階矩法,進(jìn)行單樁豎向極限承載力的可靠度計(jì)算,并計(jì)算出可靠指標(biāo)β為3.75,失效概率Pf為2.326×10-4,滿足設(shè)計(jì)安全要求.

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