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海洋工程中桩基抗拔承载力研究

更新时间:2016-07-05

0 引言

随着国家经济建设的发展,抗拔桩的应用日益广泛。抗拔桩主要用于地下水位较高的建筑,如地下停车场、建筑的地下室等,这是由于地下水浮力较高,需要抗拔桩来抵抗上拔荷载。此外,抗拔桩还用于海洋平台的系泊系统和输电线塔的桩基础,因为其上层建筑受到较大的风浪作用,需要抗拔桩来承受由上部结构传递下来的拉拔荷载。

抗拔桩的设计中,抗拔承载力的计算是一项重要内容。但目前有关抗拔桩的研究深度远不及抗压桩,且现有规范中桩基抗拔承载力的计算来源于对抗压承载力的修正。国内外学者研究提出了一些抗拔承载力的计算方法:一类是在进行抗拔桩模型试验后分析总结出的半经验算法,如Meyerhof[1]和Das[2]提出的抗拔承载力计算方法。另一类是在假设抗拔桩某种破坏模式的基础上,通过极限平衡法建立方程得出的计算方法,如Chattopadhyay等[3]、Shanker等[4]、何思明等[5]提出的计算方法。

上述抗拔承载力的计算方法多是通过抗拔桩的模型试验得到的,且研究多集中于砂土中的抗拔桩。对于黏土中的抗拔桩,上述计算方法的适用与否需要进一步验证。基于此,本文系统阐述现有的桩基抗拔承载力计算方法,包括规范法、半经验法和极限平衡法,并结合实际工程计算桩基的抗拔承载力,对比各种计算方法在砂土和黏土中的适用性,以期对实际工程应用提供参考。

1 抗拔桩的承载机制

1.1 荷载传递规律

上拔荷载作用于桩顶时桩身上部受拉,桩与桩周土之间产生相对位移,桩周土在桩侧产生向下的侧摩阻力。抗拔阻力一开始由上部土体提供,随着桩与桩周土之间相对位移的增加,下部土体开始提供侧摩阻力。当桩侧摩阻力达到极限值时桩发生上拔破坏。一般来说,桩数少且桩距大的抗拔桩,其破坏模式是单桩拔出破坏;桩数多且桩距小的抗拔桩,其破坏模式是群桩整体破坏[6]

1.2 主要的破坏模式

目前研究认为桩基的抗拔破坏模式主要有[7]:(1)沿桩-土界面剪切破坏,如图1(a)所示。这是桩的主要破坏模式,破坏面沿着桩的侧表面。(2)沿复合剪切面破坏,如图1(b)所示。桩下部的破坏面沿桩的侧表面,桩上部的破坏面沿桩周土体,通常发生在硬黏土中钻孔灌注桩的上拔过程中。(3)沿桩周土体剪切破坏,如图1(c)所示。破坏面沿与桩长等高的倒锥形或喇叭形土体表面,通常发生在软岩中灌注桩的上拔过程中。

图 1 抗拔桩的破坏模式 Fig.1 The failure modes of uplift piles

1.3 影响桩基抗拔承载力的因素

(1) 桩参数和土性

Chattopadhyay等[3]研究发现砂土中桩基的抗拔承载力与桩的长径比、土的内摩擦角和桩土界面摩擦角等因素有关。Shin等[8]研究发现黏土中桩的抗拔承载力与桩身横截面面积和桩土界面黏附力有关。Alawneh等[9]研究发现砂土中闭口桩的抗拔承载力比开口桩高,粗糙桩的抗拔承载力比光滑桩高。梁云发等[10]通过研究发现桩身刚度对桩的荷载传递有显著影响。此外有研究表明沉桩方式对桩基的承载力也有影响[11-12]

(2) 外部荷载

Turner等[13]研究发现循环荷载作用下,桩基的抗拔承载力有所下降。任国峰等[14]研究发现上拔力加载速率增加,桩基的抗拔承载力也增加。Rao等[15]研究发现黏土中受水平循环荷载作用的刚性桩,当其荷载作用频率小于一定值时,桩基的抗拔承载力将不受影响。Shelke等[16]研究发现随着桩轴压的增大,抗拔桩的侧摩阻力减小。

(3) 时间效应

饱和软黏土地基中沉桩后,桩基的抗拔承载力具有一定的时效性。黄占芳等[17]研究表明桩侧摩阻力的发挥存在时间效应。张添文等[18]研究表明抗压桩和抗拔桩的侧摩阻力均存在时间效应因素的影响。

(4) 群桩效应

群桩效应就是指群桩基础受竖向荷载后,由于桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化,承载力不等于各单桩承载力之和这一现象。群桩效应与土的性质、桩距、桩的长径比和沉桩方式等因素有关[19-20]

2 抗拔承载力的计算方法

2.1 规范法

从表3的计算结果可以看出:抗拔承载力在黏性土层的计算中,API规范计算值与实测值最接近,偏差为-35.3%。从表4的计算结果可以看出:抗拔承载力在砂性土层的计算中,Chattopadhyay计算值与实测值最接近,偏差为-13.31%。

《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)[21]中规定,打入桩的单桩抗拔承载力设计值可按下式计算:

(1)

式中:Tu为单桩抗拔极限承载力设计值;γR 为单桩抗拔承载力分项系数,取1.45~1.55;d为桩身截面直径;ξi为折减系数,对黏性土取0.7~0.8,对砂土取0.5~0.6,桩的入土深度大时取大值,反之取小值;qfi为桩周第i层土的单位面积极限侧阻力标准值,无当地经验时,可根据规范中给定的参考值选取;li为桩身穿过第i层土的长度;W为桩重力,水下部分按浮重力计;α为桩轴线与垂线夹角。

2.1.2 建筑桩基技术规范

《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[23]中指出,承受上拔力的桩基,其单桩抗拔承载力应满足:

(2)

式中:Tu为桩的抗拔拔力;Tuk为抗拔极限承载力标准值;Gp为桩自重,地下水位以下取浮重度。

式中:γ为土的单位重度;Ku为桩的抗拔系数;δ为桩-土界面摩擦角。抗拔系数Ku和土的内摩擦角φ有关,二者关系如图3所示。

显然在近代中国,新式教育虽在以通商口岸为主体的少数城市有较明显的推进,但在广袤的农村仍很隔膜,城乡间近代文化教育的联系微弱,甚至呈现出明显的断层,远不足以能触动乡村经济凋敝、文化闭塞、教育落后的普遍状况。政府却依旧冷漠和无所作为,穆藕初曾尖锐地指出:“农村经济之破碎零落,已至不堪收拾之程度,此其故何在,盖徒托空言,而不务实际是也。”[32]

抗拔极限承载力标准值Tuk可按下式计算:

Tuk=∑λiqsikuili

(3)

式中:Tuk为抗拔极限承载力标准值;ui为桩身周长;qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值;λi为抗拔系数,砂土取0.5~0.7,黏土和粉土取0.7~0.8。

2.1.3 API规范

根据API规范(API RP 2A)[23],黏性土和无黏性土的单桩抗拔承载力设计值可按下式计算:

(4)

式中:Tu为单桩抗拔极限承载力设计值;d为桩的直径;W为桩重力,水下部分按浮重力计;f为沿着桩身任意一点处的桩侧摩阻力。

(1) 黏性土中的单位侧摩阻力f

f=αc

(5)

式中:c为该点的不排水抗剪强度;α为无量纲参数。参数α 满足α≤1.0,根据下式计算:

计算拟合值,计算模型值,得出考核期模型预测值分别为0.501、0.499 9、0.507 8、0.515 7、0.523 8、0.532、0.540 4、0.5488、0.557 4。灰色预测模型预测相对平均误差率为3.27%。

α=0.5ψ-0.5ψ≤1.0

(6)

α=0.5ψ-0.25ψ>1.0

(7)

其中:为该点处的有效覆盖土压力,按下式计算:

(8)

式中:γs为土的有效重度;z为入土深度。

(2) 无黏性土中的单位侧摩阻力f

f=Kp0tanδ

(9)

式中:K为侧土压力系数,对于开口桩且没有土塞,侧土压力系数K通常取0.8,对于闭口桩或桩端有土塞的桩,K值取1.0;p0为该点处的有效覆盖土压力;δ为桩土摩擦角。

2.2 半经验法

国内外学者通过桩的上拔模型试验和现场试验,提出了一些计算桩基抗拔承载力的半经验法。该方法通常认为桩的总抗拔承载力由桩侧摩阻力和桩重两部分提供,表达式为:

Tug=Tun+W

(10)

式中:Tug为总抗拔承载力,如图2所示;Tun为净抗拔承载力;W为桩的有效重力。

图 2 桩的抗拔承载力 Fig.2 Uplift bearing capacity of piles

2.2.1 Meyerhof计算方法

Meyerhof[1]通过砂土中粗糙桩的上拔试验(其中试验桩的长径比L/d小于10),提出了桩的单位侧摩阻力计算公式:

f=γzKutanδ

(11)

从服务评价效果来看,产出不足的主要有3家机构,分别是机构10、机构1、机构15,且机构10产出不足率高达62%。可以通过提高老人的满意度和安全管理两方面的效果提高其产出。

支护是确保地下洞室开挖安全的有效途径,一般有喷浆、挂网、锚杆、钢拱架等组成。该施工段特殊,洞口段采用分层开挖方式,在上半部开挖完成后立即进行注浆锚杆和钢拱架支护,锚杆和钢拱架布设完成后,采用混凝土或钢纤维混凝土进行喷护,喷护厚度为10cm,待上部稳定后再进行下部开挖,开挖完成后立即进行下部支护,和上半部形成统一整体,为了防止过度沉降,在钢拱架底部焊接较大垫片。反复进行循环操作,甚至进行局部灌浆再处理。

在公路工程建设过程中,需要大面积的临时施工场地、土石堆放场、预制加工厂和施工便道等。据统计,新公路临时占用土地一般占总面积的30%左右。公路建设过程中,临时占地区域原有地貌的破坏,易引发严重的水土流失。

图 3 抗拔系数与土内摩擦角曲线 Fig.3 Relation curve of uplifting coefficient and soil friction angle

所以,桩的净抗拔承载力表达式:

(12)

2.2.2 Das计算方法

(1) 砂土中的桩

[3] CHATTOPADHYAY B C,PISE P J.Uplift Capacity of Piles in Sand[J].Journal of Geotechnical Engineering,1986,112(9):888-904.

省政协副主席周国辉到省自然资源厅调研(省厅办公室) .............................................................................12-5

(13)

(14)

桩的净抗拔承载力表达式:

(15)

(16)

f=γzKutanδ

根据Radon-Nikodym定理[9]和似然函数的定义[10],本文采用Radon-Nikodym导数定义似然函数,得

(17)

式中:Ku为抗拔系数,取自Meyerhof试验;δ为桩土界面摩擦角。

Das根据试验结果还发现桩-土界面摩擦角δ与土的内摩擦角φ和相对密实度Dr有关,δ/φDr的关系如图4所示。

图 4 δ/φ与相对密度曲线 Fig.4 Relation curve of δ/φ and relative density

(2) 黏土中的桩

除了砂土中的抗拔试验,Das还进行了黏土中桩的抗拔试验,提出饱和软黏土中桩的净抗拔承载力公式:

康与之《卜算子·潮生浦口云》是一首哲理词。通篇借潮与人表达无限与有限的深刻道理。上阕写潮起潮落乃自然现象,并非潮水自身的有意之举,就如人来了又离去一样。下阕笔锋一转,写古今长亭、短亭,迎了多少人,送了多少人,就算老尽这些东西南北各处来往之人,亭下的潮水也依旧如故。诗人借助潮水的无限存在来揭示人类生命的有限。结句可谓画龙点睛之笔,辞尽意不尽,使读者回味无穷。

本文使用的是2006年一季度至2017年三季度的山东省居民消费价格指数(CPI)和农产品生产价格指数(API)的季度数据①截至本文数据获取时,山东省统计局暂未公布2017年12月的居民消费价格指数。,数据均来源于《山东省统计年鉴》。其中,CPI季度数据由月度数据整理得到。

(18)

式中:L为桩的埋入深度;U为桩身截面周长;cu为黏土的不排水强度;α′为桩-土界面的黏附系数,对钢管桩:

α′=0.715-0.019 1cu (cu≤27 kPa)

(19)

α′=0.2 (cu>27 kPa)

(20)

2.3 极限平衡法

国内外一些学者通过假设抗拔桩的破坏面形状和范围,考虑桩和土的相关参数,运用极限平衡法推导桩的抗拔承载力计算方法。

2.3.1 Chattopadhyay理论

Chattopadhyay等[3]认为砂土中抗拔桩在上拔过程中,桩土破坏面的形状和范围取决于桩的埋深率λ(λ=L/d)、桩土界面摩擦角δ和土的内摩擦角φ。砂土中抗拔桩的破坏面模型如图5所示。基于极限平衡条件,Chattopadhyay推导了桩的抗拔承载力公式:

Tun=A1πdγL2

(21)

(22)

式中:θ为桩破坏面与水平面之间的夹角;A1为净抗拔承载力系数。

图 5 抗拔桩的破坏面 Fig.5 Failure surface of uplife pile

净抗拔承载力系数A1与桩的埋深率λ和桩土界面摩擦角δ有关,在其他条件不变的情况下,三者关系如图6所示。

图 6 净抗拔承载力系数A1与埋深率λ曲线 Fig.6 Relation curve of net uplift capacity factor A1 and embedment depth λ

2.3.2 Shanker理论

式中:系数C1C2表达式如下:

本文两个实际工程的桩长径比过大,Meyerhof计算方法不适用,两个工程均不再对Meyerhof公式进行计算。Chattopadhyay和Shanker算法适用于砂土,工程一也不对这两个公式进行计算,其他计算结果如表3、表4所列。

(23)

Shanker等[4]认为砂土中抗拔桩的破坏面形状与埋深率有关,当L/d≤20时,抗拔桩的破坏面沿桩周土体剪切破坏[图7(a)]。根据极限平衡法推导的抗拔承载力表达式为:

(24)

随着新课改的逐步推进,很多幼儿教师的教学观念也得到了一定程度的有效革新,其逐步意识到了语言教学活动游戏化对于教学的重要价值和意义。但是,在实际的教学过程中,我们会发现,很多教师并没有将这种观念和认知落实到教学行为之中,即便有些教师已经尝试这种教学方法,但是很少有人将教学游戏化作为教学的重要方法,这样就降低了语言教学活动游戏化的应用质量和效果水平[2]。

(25)

(26)

当(L/d)>20时,抗拔桩的破坏面为复合剪切破坏面[图7(b)]。此时桩的抗拔承载力由两部分相加而成:一部分是桩上部0.75L长的抗拔承载力;另一部分是下部0.25L长的侧摩阻力。

图 7 桩土破坏面 Fig.7 Failure surface of pile and soil

3 不同计算方法的对比

3.1 工程概述

工程一是渤海某码头的钢管桩拔除施工[24]。拆除的钢管桩直径630 mm,壁厚12 mm,桩长25.7 m,L/d=40,桩底标高-21.00 m。钢管桩采用封闭式桩尖结构,空腔中装满细沙,桩重48 kN,桩内砂重144 kN,工程实际上拔力1 700 kN。具体土层参数如表1所列。

工程二是上海某大型地下变电站的单桩抗拔承载力的原位试桩[25]。钻孔灌注桩的桩长L=48.5 m,d=0.8 m,L/d=61,壁厚为12 mm,桩身的重度为25 kN/m3。抗拔承载力实测值为5 000 kN。具体土层参数如表2所列。

3.2 不同方法计算结果的对比

(3)对被拐卖、绑架的妇女、儿童不进行解救3人次以上的。对此,可以从两方面加以理解:一方面,对被拐卖、绑架的妇女、儿童不进行解救3人以上的;其二,对被拐卖、绑架的妇女、儿童不进行解救3次以上的。具体情况可能会多种多样,例如1次3人的,3次1人的,或者2次共3人的等等,但不论具体情况如何,以上两者只需具备其一即应予立案。

1 土层的计算参数(工程1) Table 1 Calculated parameters of soils layers (Project 1)

层号土层名称层厚/mγ/(kN·m-3)δ/(°)φ/(°)cu/kPaα′qfi/kPa1淤泥1.57.87.08.840.6410.72淤泥质黏土4.08.415.018.8120.4912.03黏土7.59.420.025.0420.2028.04泥炭质黏土2.59.420.025.0500.2048.05粉质黏土3.510.020.025.0600.2058.76黏土2.510.020.025.0670.2080.0

2 土层的计算参数(工程2) Table 2 Calculated parameters of soils layers (Project 2)

层号土层名称层厚/mγ/(kN·m-3)δ/(°)φ/(°)DrKuqfi/kPa1砂质粉土5.319.115.029.80.171.4047.82粉砂6.219.320.031.70.201.5067.03粉质黏土14.918.415.023.20.201.0040.04粉质黏土与粉砂互层13.018.520.023.80.371.2050.05粉质黏土与粉砂互层5.019.420.024.40.371.4050.06中砂2.120.125.030.80.371.3081.3

3 计算结果(工程1) Table 3 Computation result (Project 1)

算法抗拔桩极限承载力/kN实际上拔力/kN理论值和实测值的偏差/%港口工程桩基规范950.7建筑桩基技术规范824.8API规范1099.1Das569.31700-44.1-51.5-35.3-66.5

4 计算结果(工程2) Table 4 Computation result (Project 2)

算法抗拔桩极限承载力/kN实际上拔力/kN理论值和实测值的偏差/%港口工程桩基规范4481.1建筑桩基技术规范4001.0API规范5558.5Das5623.2Chattopadhyay6935.5Shanker5919.28000-43.99-49.99-30.52-29.71-13.31-26.01

2.1.1 港口工程桩基规范

4 结论

本文在规范和国内外研究成果的基础上,总结了桩基抗拔承载力的不同计算方法,并结合实际工程对比计算了各种算法,探讨了不同计算方法对抗拔承载力计算的适用性,得出如下结论:

(1) 规范法中,《港口工程桩基规范》和《建筑桩基技术规范》的计算值与实测值有较大偏差。如需使用规范法计算黏土中桩的抗拔承载力,建议用API规范中的计算方法,其计算值较其他计算方法与实测值更接近。

(2) 半经验法中,Meyerhof和Das计算方法均适合长径比小的桩,且Das计算方法在黏土中抗拔承载力的计算和实测值有较大偏差。

超验主义力图以生态中心主义立场破解工业文明之患。深受爱默生思想影响的亨利·戴维·梭罗,更为注重超验主义的生活体验。他从生态中心主义立场出发看待自然,以浪漫主义格调弹奏着反对人类中心主义的曲目。其代表作《瓦尔登湖》描绘了人和自然共生共荣的场景,令人神往之处恰如“出神冥想,置身于松树、山核桃树和漆树丛中,四下里一片孤寂和宁静,唯有鸟儿在近处歌唱,或者悄没声儿地掠过我的小屋,直到夕阳余晖照在我的西窗上”[9]82。其中清晰吐露出工业文明打破自然和理想生活平衡的哲学隐忧。

(3) 极限平衡法中,Chattopadhyay和Shanker计算方法可较为准确地计算砂土中桩的抗拔承载力,但是对于黏性土中的桩不适用,其抗拔承载力计算值与实测值有较大偏差。

式中:L为单幅宽度,在将各项相关参数代入其中后即可计算出主线以及连接线的摊铺速度分别为1.56m/min和2m/min。通过进一步计算可以得到,主线与连接线所使用的摊铺设备的生产能力各为114t/h与112t/h。因而在参考工程实际情况后,最终选用现有一台卡特彼勒AP—600沥青摊铺机,其摊铺宽度范围在2500mm到7800mm之间,基本摊铺厚度为2500mm,摊铺速度为60m/min。图1展示的就是工程中使用的摊铺机。

(4) 现有计算方法一般认为桩的抗拔承载力由两部分提供:一是净抗拔承载力,由桩侧摩阻力提供;二是桩身自重。现有计算方法忽略了黏土中的黏附力和负孔隙水压力,导致计算值与实测值之间存在较大偏差。

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Das[2]认为桩的抗拔承载力与桩的埋深率L/d有关,并进行了砂土中表面粗糙桩的模型试验,试验中取桩的长径比L/d=4~24。当桩的埋深小于临界桩长Lcr时,桩的单位侧摩阻力f呈线性增长;当桩的埋深等于Lcr时,桩的单位侧摩阻力f达到极限值;当桩的埋深超过Lcr后,桩的单位侧摩阻力f保持不变。桩的临界埋深率(L/d)cr根据下式计算:

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郭欣玥,刘润
《地震工程学报》 2018年第02期
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