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桩的极限状态和破坏模式---桩的极限状态-欧感荷载箱

[2017-10-31]

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传统的桩基设计方法是将荷载、承载力(抗力)等设计参数视为定值,又称为定值设计法。但是建筑工程中的桩基础,从勘察到施工,都是在大量的不确定的情况下进行的,对于不同的地质条件、不同桩型、不同施工工艺,在取相同的安全系数的条件下,其实际的可靠度是不同的。

桩的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态对应于桩基达到最大承载能力或整体失稳或发生不适于继续承载的变形。正常使用极限状态对应于桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。

桩基承载能力极限状态

为了保证建(构)筑物的安全,建筑工程对桩基础的基本要求有三方面,第一是在建筑物正常使用期间,承载力满足上部结构荷载的要求,要求桩身本身的材料强度是足够的,有足够的桩侧和桩端阻力;第二是变形(沉降及不均匀沉降)不超过建筑物的允许变形值,保证建筑物不会因地基产生过大的变形或差异沉降而影响建筑物的安全与正常使用。第三是整体稳定性,在建筑物正常使用期间保证不发生整体强度破坏,不会导致发生开裂、滑动或塌陷等有害现象,要求桩与地基土相互之间的作用是稳定的。

以竖向受压桩基为例,建筑工程对桩基础的这三方面要求表现为下面三种桩基承载能力极限状态:

⑴桩基达到最大承载力,超出该最大承载力即发生破坏。就竖向受荷单桩而言,其荷载-沉降曲线大体表现为陡降型(A)和缓变型(B)两类。Q-s曲线是破坏模式与破坏特征的宏观反映,陡降型属于“急进破坏”,缓变型属“渐进破坏”。前者破坏特征点明显,一旦荷载超过极限承载力,沉降便急剧增大,即发生破坏,只有减小荷载,沉降才能稳定。后者破坏特征点不明显,常常是通过多种分析方法判定其极限承载力,且判定的极限承载力并非真正的最大承载力,因此继续增加荷载,沉降仍能趋于稳定,不过是塑性区开展范围扩大、塑性沉降量增加而已。对于大直径桩、群桩基础尤其是低承台群桩,其荷载-沉降曲线变化更为平缓,渐进破坏特征更明显。由此可见,对于两类破坏模式的桩基,其承载力失效后果是不同的。

⑵桩基出现不适于继续承载的变形。如前所述,对于大部分大直径单桩基础、低承台群桩基础,其荷载-沉降呈缓变型,属渐进破坏,判定其极限承载力比较困难,带有任意性,且物理意义不甚明确。因此,为充分发挥其承载潜力,宜按建(构)筑物所能承受的桩顶的最大变形确定其极限承载力,取对应的荷载为极限承载力。该承载能力极限状态由不适于继续承载的变形所制约。

⑶桩基发生整体失稳。位于岸边、斜坡的桩基、浅埋桩基、存在软弱下卧层的桩基,在竖向荷载作用下,有发生整体失稳的可能。因此,其承载力极限状态除由上述两种状态之一制约外,尚应验算桩基的整体稳定性。

对于承受水平荷载、上拔荷载的桩基,其承载能力极限状态同样由上述三种状态之一所制约。对于桩身和承台,其承载能力极限状态的具体涵义包括受压、受拉、受弯、受剪、受冲切极限承载力。

桩基的正常使用极限状态系指桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值,具体指:

⑴桩基的变形。竖向荷载引起的沉降或水平荷载引起的水平变位,可能导致建筑物标高的过大变化,差异沉降或水平位移使建筑物倾斜过大、开裂、装修受损、设备不能正常运转、人们心理不能承受等,从而影响建筑物的正常使用功能。

⑵桩身和承台的耐久性。对处于腐蚀性环境中的桩身和承台,要进行混凝土的抗裂验算和钢桩的耐腐蚀处理;对于使用上需限制混凝土裂缝宽度的桩基可按《混凝土结构设计规范》规定,验算桩身和承台的裂缝宽度。这些验算的目的是为了满足桩基的耐久性,保持建筑物的正常使用。

单桩竖向受压极限承载力

单桩竖向受压极限承载力指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身材料强度,一般由土对桩的支承阻力控制,对于端承桩、超长桩和桩身质量有缺陷的桩,可能由桩身材料强度控制。即单桩竖向极限承载力包含两层涵义:一是桩身结构极限承载力,二是支承桩侧桩端地基土的极限承载力。

静载试验是确定单桩竖向抗压极限承载力的最直接方法,Q-s曲线是静载试验结果的主要表现形式之一,总的来说Q-s曲线的形态主要有三种:一是Q-s曲线为“陡降型”,造成这种试验结果的原因主要有以下几种情况:①桩身存在明显缺陷(桩身缩颈、离析、松散、夹泥等),试验时桩身结构破坏;②设计承载力高,桩身整体强度偏低,在高荷载作用下桩身结构破坏;③桩底虚土或沉渣太厚,试验时导致桩顶位移过大;④桩端持力层存在软夹层、破碎带、溶洞或孔洞,试验时持力层破坏;⑤预制桩接头脱节;⑥桩帽制作不符合要求,如桩帽与原桩身不对中,桩帽混凝土强度低,试验时桩帽破坏。二是Q-s曲线呈“缓变型”,桩身结构承载能力满足要求,地基土破坏特征不是很明显。大多数工程桩验收检测的Q-s曲线都呈“缓变型”。三是Q-s曲线呈台阶状,当桩身水平裂缝、接缝被压实,桩底虚土或沉渣被压密时,桩能够继续承受更高的竖向抗压荷载。

静载试验所得Q-s曲线的形态随桩侧和桩端土层的分布与性质、成桩工艺、桩的形状和尺寸(桩径、桩长及其比值)、应力历史等诸多因素而变化。Q-s曲线是桩土体系的荷载传递、侧阻和端阻的发挥性状的综合反映。

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