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    樁的極限狀態和破壞模式---樁的極限狀態-歐感荷載箱

    [2017-10-31]

    歐感荷載箱自2005年以來經過上萬個項目的成功實施,在行業中取得了重大的成就。
    傳統的樁基設計方法是將荷載、承載力(抗力)等設計參數視為定值,又稱為定值設計法。但是建筑工程中的樁基礎,從勘察到施工,都是在大量的不確定的情況下進行的,對于不同的地質條件、不同樁型、不同施工工藝,在取相同的安全系數的條件下,其實際的可靠度是不同的。

    樁的極限狀態分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類。承載能力極限狀態對應于樁基達到最大承載能力或整體失穩或發生不適于繼續承載的變形。正常使用極限狀態對應于樁基達到建筑物正常使用所規定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值。

    樁基承載能力極限狀態

    為了保證建(構)筑物的安全,建筑工程對樁基礎的基本要求有三方面,第一是在建筑物正常使用期間,承載力滿足上部結構荷載的要求,要求樁身本身的材料強度是足夠的,有足夠的樁側和樁端阻力;第二是變形(沉降及不均勻沉降)不超過建筑物的允許變形值,保證建筑物不會因地基產生過大的變形或差異沉降而影響建筑物的安全與正常使用。第三是整體穩定性,在建筑物正常使用期間保證不發生整體強度破壞,不會導致發生開裂、滑動或塌陷等有害現象,要求樁與地基土相互之間的作用是穩定的。

    以豎向受壓樁基為例,建筑工程對樁基礎的這三方面要求表現為下面三種樁基承載能力極限狀態:

    ⑴樁基達到最大承載力,超出該最大承載力即發生破壞。就豎向受荷單樁而言,其荷載-沉降曲線大體表現為陡降型(A)和緩變型(B)兩類。Q-s曲線是破壞模式與破壞特征的宏觀反映,陡降型屬于“急進破壞”,緩變型屬“漸進破壞”。前者破壞特征點明顯,一旦荷載超過極限承載力,沉降便急劇增大,即發生破壞,只有減小荷載,沉降才能穩定。后者破壞特征點不明顯,常常是通過多種分析方法判定其極限承載力,且判定的極限承載力并非真正的最大承載力,因此繼續增加荷載,沉降仍能趨于穩定,不過是塑性區開展范圍擴大、塑性沉降量增加而已。對于大直徑樁、群樁基礎尤其是低承臺群樁,其荷載-沉降曲線變化更為平緩,漸進破壞特征更明顯。由此可見,對于兩類破壞模式的樁基,其承載力失效后果是不同的。

    ⑵樁基出現不適于繼續承載的變形。如前所述,對于大部分大直徑單樁基礎、低承臺群樁基礎,其荷載-沉降呈緩變型,屬漸進破壞,判定其極限承載力比較困難,帶有任意性,且物理意義不甚明確。因此,為充分發揮其承載潛力,宜按建(構)筑物所能承受的樁頂的最大變形確定其極限承載力,取對應的荷載為極限承載力。該承載能力極限狀態由不適于繼續承載的變形所制約。

    ⑶樁基發生整體失穩。位于岸邊、斜坡的樁基、淺埋樁基、存在軟弱下臥層的樁基,在豎向荷載作用下,有發生整體失穩的可能。因此,其承載力極限狀態除由上述兩種狀態之一制約外,尚應驗算樁基的整體穩定性。

    對于承受水平荷載、上拔荷載的樁基,其承載能力極限狀態同樣由上述三種狀態之一所制約。對于樁身和承臺,其承載能力極限狀態的具體涵義包括受壓、受拉、受彎、受剪、受沖切極限承載力。

    樁基的正常使用極限狀態系指樁基達到建筑物正常使用所規定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值,具體指:

    ⑴樁基的變形。豎向荷載引起的沉降或水平荷載引起的水平變位,可能導致建筑物標高的過大變化,差異沉降或水平位移使建筑物傾斜過大、開裂、裝修受損、設備不能正常運轉、人們心理不能承受等,從而影響建筑物的正常使用功能。

    ⑵樁身和承臺的耐久性。對處于腐蝕性環境中的樁身和承臺,要進行混凝土的抗裂驗算和鋼樁的耐腐蝕處理;對于使用上需限制混凝土裂縫寬度的樁基可按《混凝土結構設計規范》規定,驗算樁身和承臺的裂縫寬度。這些驗算的目的是為了滿足樁基的耐久性,保持建筑物的正常使用。

    單樁豎向受壓極限承載力

    單樁豎向受壓極限承載力指單樁在豎向荷載作用下到達破壞狀態前或出現不適于繼續承載的變形時所對應的最大荷載。它取決于土對樁的支承阻力和樁身材料強度,一般由土對樁的支承阻力控制,對于端承樁、超長樁和樁身質量有缺陷的樁,可能由樁身材料強度控制。即單樁豎向極限承載力包含兩層涵義:一是樁身結構極限承載力,二是支承樁側樁端地基土的極限承載力。

    靜載試驗是確定單樁豎向抗壓極限承載力的最直接方法,Q-s曲線是靜載試驗結果的主要表現形式之一,總的來說Q-s曲線的形態主要有三種:一是Q-s曲線為“陡降型”,造成這種試驗結果的原因主要有以下幾種情況:①樁身存在明顯缺陷(樁身縮頸、離析、松散、夾泥等),試驗時樁身結構破壞;②設計承載力高,樁身整體強度偏低,在高荷載作用下樁身結構破壞;③樁底虛土或沉渣太厚,試驗時導致樁頂位移過大;④樁端持力層存在軟夾層、破碎帶、溶洞或孔洞,試驗時持力層破壞;⑤預制樁接頭脫節;⑥樁帽制作不符合要求,如樁帽與原樁身不對中,樁帽混凝土強度低,試驗時樁帽破壞。二是Q-s曲線呈“緩變型”,樁身結構承載能力滿足要求,地基土破壞特征不是很明顯。大多數工程樁驗收檢測的Q-s曲線都呈“緩變型”。三是Q-s曲線呈臺階狀,當樁身水平裂縫、接縫被壓實,樁底虛土或沉渣被壓密時,樁能夠繼續承受更高的豎向抗壓荷載。

    靜載試驗所得Q-s曲線的形態隨樁側和樁端土層的分布與性質、成樁工藝、樁的形狀和尺寸(樁徑、樁長及其比值)、應力歷史等諸多因素而變化。Q-s曲線是樁土體系的荷載傳遞、側阻和端阻的發揮性狀的綜合反映。

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