桩基沉降机理分析与预警系统研究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：桩基随着土层的压缩模量变化也会相应地导致沉降。冯忠居［15］分析了桩及桩周土浸水期间的沉降变化规律。孙金柱［18］通过在桩-土相互作用下土的弹性模量、桩长和桩径这3个因素对桩基础沉降影响进行了分析研究。直至目前阶段单桩沉降与群桩沉降之间关系的研究还不成熟。蒋媛［20］提出利用Mindlin位移解计算桩桩相互作用，以群桩中桩基的平均荷载控制群桩沉降计算时的土体弹性模量取值的单桩推算群桩的方法。

土是多相非均质体，土体的弹性模量是反映土体强度重要指标之一，弹性模量的改变反映土体内部的应力状态变化。土的弹性模量随其影响因素变化而变化，含水率对土的弹性模量有着十分显著的影响，弹性模量的最大值出现在塑限含水率附近，当含水率小于土的塑限含水率时，弹性模量随含水率增加而变大，当土中含水率超过塑限含水率时，弹性模量随着含水率增加而减小，并且减小幅度加快，直至达到土的液限含水率。在这种大气作用的外荷载下，土体的响应是一种特殊的应力应变模式。由于土不是弹性材料，在这种水分变化引起的应力应变下，土体内部会产生一定的塑性变形，故必然会引起一定的损伤，导致土体强度衰减。桩基随着土层的压缩模量变化也会相应地导致沉降。然而，正是因为入渗的作用，土体水分不断地迁移，这才会诱发了不少的自然灾变，给岩土工程领域带来不少的难题。

冯忠居［15］分析了桩及桩周土浸水期间的沉降变化规律。王建州等［16］研究在冻土上限变化条件下旱桥桩基的承载力特性，获得冻土上限变化对桩基稳定性的影响规律。张进军［17］通过一个建筑地基实例，对不同的地基土，以不同的压缩模量，进行地基沉降量计算，从而认识压缩模量对地基沉降量的影响，对压缩模量和沉降量的关系有一个明确的了解。孙金柱［18］通过在桩-土相互作用下土的弹性模量、桩长和桩径这3个因素对桩基础沉降影响进行了分析研究。桩长、桩径和弹性模量的增加反映了桩体刚度的增加，使得桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力将上部结构荷载更多地传到持力层中去，从而减小了沉降。

按塑性多年冻土或按逐渐融化状态设计时，按第二极限状态（按变形）进行地基变形计算时，通常都应考虑地基与基础（建筑物）协同工作。当计算正融化地基时，必须考虑极限融化深度及其随时间的发展，按极限变形计算。多年冻土地基的沉降量有两种情况：塑性冻土地基的压缩蠕变下沉和冻土地基逐渐融化下沉。前者是荷载与压缩的关系，后者是冻土融化下沉和压缩沉降的关系。建筑物在使用过程中，地基的变形量必须满足下列关系：

式中，S——地基的变形量；

　　　Sy——《建筑地基基础设计规范》规定的地基变形的允许值。

（1）压缩蠕变下沉

根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118—2011）的附录《多年冻土地基单桩竖向静荷载试验》规定，试验中得到“桩-地基”整个综合变形特性，给出计算桩基在不同时间下沉过程的可能性，得出蠕变总曲线的“变形-时间”坐标曲线图，既可以用以确定桩的承载力，又可以绘制桩的荷载与相对变形间的关系图。桩的承载力，可将蠕变曲线改绘为“下沉速度荷载”关系取得流变曲线来确定，将流变曲线延长与横坐标相交而得的线段，即试验桩在静荷载下的试验承载力，通过温度和工作条件系数的修正变为计算承载力。

道库洽耶夫试验得出下沉与荷载的幂函数解析式：

式中，σ——假定应力，等于桩的荷载除以侧面积（周长u乘以冻结段的长度hf），kPa。

　　　ε——桩的相对应变（桩的下沉量除以周长）；

　　　A（τ）——桩在荷载作用时间差别为变数的综合形变系数，kPa。

　　　m——压实的无量纲系数。

参数A（τ）和m，由位移随时间变化的蠕变曲线加以修正即可得出。把相应于荷载各阶段的曲线各段，在横坐标上分成5～6个等分线段。按这些线段的划分点，绘出在某些时间τ1、τ2、τ3等的应力-应变（σ-ε）曲线图。将应力-应变（σ-ε）曲线图改绘在对数坐标系中，Inσ-Inε应变直线群的倾斜角，即为压实系数m值，而各直线延长线切在纵坐标轴上的各线段，即相当于InA（τ）值，当荷载作用时间不超过试验时间时，桩的下沉计算可按下式求得：

如果在荷载作用的时间较长的情况下，桩的下沉计算，应根据全部深度的平均温度来考虑桩基变形特性的变化。

（2）地基融化下沉

在建筑物施工和使用过程中，地基逐渐融化时，可按线性变形计算地基沉降变形量

式中，A0——无荷载作用时的冻土融化系数；

　　　h——冻土地基的融化深度；

　　　mv——融化地基土的体积压缩系数；

　　　p——基础中心下的平均附加应力。

上式主要应用于无明显冰夹层的情况。如果在冻土地基中存在有明显的冰夹层时，正融化的冻土地基沉降量，一般按下式计算：

式中，Δi——第i层土中冰夹层的平均厚度，mm，当厚度大于10mm时才计取；

　　　pri——基础中下地基土融冻界面处第i层土的平均附加应力，kPa；

　　　pci——第i层土中部以上土的自重压力，kPa；

　　　n——计算深度内土层划分的层数。

（3）土体弹性模量对桩基沉降量的影响

在桩基工程中桩沉降量的计算一直以来是个难点，桩沉降计算与实际沉降相比误差较大。实际工程中常要进行单桩静荷载试验，单桩静荷载试验的Q-S曲线中包含大量土层和试验桩之间的相互作用信息，可将其运用于桩沉降的计算。

早期Vesic等［19］研究建立了单桩沉降与群桩沉降之间的经验关系，但其缺乏理论依据。直至目前阶段单桩沉降与群桩沉降之间关系的研究还不成熟。蒋媛［20］提出利用Mindlin位移解计算桩桩相互作用，以群桩中桩基的平均荷载控制群桩沉降计算时的土体弹性模量取值的单桩推算群桩的方法。

根据孙金柱等［21］分析桩侧不同土弹性模量所做荷载-沉降曲线可得：随着桩顶荷载的增加，桩侧土的性状越好，弹性模量越大，同等荷载作用下桩顶的沉降就越小，因而土弹性模量越大，桩的极限承载力越高，但当土的弹性模量增大到一定的程度时，其对桩的沉降的影响关系就不是很明显了。同样，在不同桩侧土情况下，侧阻力与端阻力发挥的程度和大小是不同的。根据模拟得出侧阻力和端阻力的大小，桩顶荷载与桩端阻力和桩侧阻力的变化关系如图7-1。

图7-1　不同弹性模量下桩顶荷载与桩端阻力和桩侧阻力的关系

由上图可见，随着桩侧土弹性模量的增加，桩侧阻力在不断增加，且增加值随着桩顶荷载的增大而逐渐增大。而由于桩侧阻力与桩端阻力之和等于桩顶荷载，所以桩端阻力随着桩侧土弹性模量的增加而下降。并且桩顶荷载与桩侧阻力的关系几乎呈直线变化，这是因为在桩的各个尺寸已知的情况下，其桩侧阻力大小只与桩侧土的性状有关，只要桩侧阻力没有发挥到极限值，两者都是线性的直线关系。而一旦桩侧阻力发挥到极限值后，则该曲线可能要发生屈服。一开始随着桩顶荷载的增加，桩侧土摩阻力逐渐发挥，在同等桩顶沉降的情况下，桩侧土弹性模量越大，则所能发挥的桩侧阻力就越大；在同等桩侧阻力作用下，随着桩侧土性状的提高，所对应的桩顶沉降则越小。随着桩顶荷载的逐渐增大，桩侧阻力逐渐发挥，但是增加的趋势变缓。桩侧阻力与桩顶沉降的关系曲线可分为两类：在桩侧土弹性模量较小时基本为陡降型，而当弹性模量较高时则为缓变型，这与桩顶荷载沉降关系类型相似，这也说明了由于桩侧土先与桩端土发挥，因此桩侧土的性状直接决定了桩的承载力性状。随弹性模量的增加而减小，但是到一定限度以后，弹性模量的继续增加对单桩的沉降影响不大，这是由于随着弹性模量的增加，持力层土体的黏聚力和内摩擦角也逐渐增加，而桩的沉降随之减小。由此可得，要减小桩基础的沉降量，可以通过对地基土进行改良等方法，比如反复夯实对软土进行置换等。

桩基沉降机理分析与预警系统研究

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