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大直径摩擦端承桩沉降计算分析与应用

中煤科工集团重庆设计研究院有限公司 邬险峰 占文峰 2019/11/10 19:43:51

   摘 要:由于地质情况的不确定性,在地基基础设计中的沉降计算也尤为复杂,给设计人员带来诸多不便,本文通过弹性理论基本方法计算竖向荷载作用下单桩沉降,以Geddes弹性应力解为基础,采用Duncan-Chang本构模型,充分考虑土的空间应力分布,计算方法简单且计算结果较为合理准确,适合工程设计应用。
   关键词:大直径,摩擦端承桩,沉降分析
  
   1 前言
   大直径灌注桩在工程中得到广泛的应用,而对桩基础的沉降计算更是许多科研工作者和工程设计人员关注的问题,单桩的沉降计算方法一般有如下几种:1.弹性理论分析法;2.荷载传递分析法;3.分层总和法;4.剪切变形计算法;5.有限单元法。由于土层结构的多样化以及桩土受力的不确定性,导致桩基沉降计算方法的复杂化,因此需要提出一种有针对性而且较为合理的计算方法,便于工程应用。
   2 基本计算理论
   Mindlin(1936)给出竖向集中力和水平集中力作用于弹性半空间内部时,体内各点应力分量和位移分量的解析解,以Mindlin应力解为基础Geddes推导了任意桩侧摩阻力分布形态时地基土中附加应力的计算方法,并针对单桩的沉降问题进行了分析,为单桩的沉降量计算提供了较为合理的方法。Geddes将作用于桩端土上的压应力简化为一集中力,将通过桩侧摩阻力作用于桩周土的剪应力简化为沿桩轴线的若干集中力,由此假定桩顶荷载P由三种阻力承担(如图1):
   ① 桩端阻力 ;
   ② 桩侧矩形分布阻力 ;
   ③ 桩侧三角形分布阻力 ;
   其中: 分别为桩端和桩侧均布摩阻力分配系数
  
   图1 Geddes计算中桩的荷载分布图
   格德斯根据桩的荷载分布图式,分别给出了三种形式的土中应力表达式,假设土体为弹性体,利用叠加原理,由此得出土中任意一点(r,z)的各向正应力和剪应力表达式,公式中的附加应力系数 均根据Mindlin 应力解及Geddes 应力公式计算,根据 Mindlin 应力解推导了3种荷载作用下轴线及非轴线位置土体中的应力分布系数公式。
   地基土在荷载作用下的应力-应变呈非线性关系,因此在桩基的沉降分析中必须考虑地基土非线性特点。在Konder提出了土的应力-应变关系为曲线型后,Kuncan and Chang根据这个关系并利用摩尔库仑理论导出了非线性弹性地基型的切线模量计算公式。本文对土的变形计算采用了Duncan-Chang本构模型,其切线模量计算式如下:
  
   式中: , , , , 为确定切线模量 的5个试验常数
   Pa—为单位与应力相同的大气压力 。
   3. 竖向荷载作用下单桩沉降计算
   3.1 基本假定
   为了简化计算,对桩基的沉降计算考虑了以下假定:地基土为有限压缩层;桩侧只考虑竖向摩擦力;桩端只考虑竖向抗力;沉降仅由附加应力引起;不考虑桩土相对滑动,桩顶总沉降为由桩身压缩变形、桩端土变形和桩侧摩阻力向下传递到桩端平面所产生的变形三者构成,则桩的最终沉降量为 ,式中 为桩端力引起的沉降, 为桩侧阻力引起的沉降,二者之和 为桩底沉降量, 为桩自身的压缩量。
   3.2 桩身压缩位移计算
   对于大直径人工挖孔扩底桩,桩端阻力在桩的承载力中发挥着重要的作用,因此随荷载不断增大,在桩端阻力逐渐发挥主导作用的同时,桩身轴力也在不断增大,此时桩身材料的轴向变形是不可忽略的。假设桩身轴力呈梯形分布,那么其的压缩变形可由以下公式近似得出:
  
   式中:-----桩身材料的弹性模量
   ------桩顶的设计荷载
   ------桩身截面积和桩身长度
   3.3 桩底沉降量 计算
   由于地基土的应力-应变呈非线性关系,土的切线模量在加载过程中随土中应力变化而变化,因此根据土的成层分布特点,在沉降计算中将各类土层无限细分,同时考虑充分考虑土的侧向变形对沉降的影响,由线弹性理论计算每一细分土层压缩变形,最后将所有压缩变形进行叠加得到总的桩底沉降量。如图2所示.从第i层土中深度z处
   取出一单元dz,该处的附加应力为 (z),切线模量为Et(z),
   则第i层土的压缩量为:
   (未完,下一页

  
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