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在进行桩基础的设计和施工时,必须准确的算出桩基础的承载力,以便使设计和施工更加合理
二、桥梁桩基础的竖向受力原理分析 桩基础之所以能承受上部桥梁结构如此大的载荷,是因为桩和周围土体之间的相互作用
下面分别从这三个方面来分析桩基础的受理原理: 1.桩基础侧摩阻力受力原理
桩基在竖向荷载作用下,会压缩桩身混凝土,并给桩身施加向下的作用力,而桩侧土会在桩土界面产生向上的摩擦阻力以抵抗向下的位移,这个力即为桩侧摩阻力,桩土界面土体发挥到极限所对应的摩阻力称为桩侧极限摩阻力,它主要取决于中下部土层的摩阻力发挥
可通过在桩身埋设钢筋应力计,以测出不同荷载作用下的桩身轴力分布,从而得出桩侧摩阻力
桩在荷载作用下,桩身会产生压缩,这个压缩值即为桩顶沉降与桩端沉降之差
荷载与压缩值之间的关系可由荷载-桩身压缩曲线反映出来,它们之间并不是线性关系,桩身压缩曲线会随着荷载的增大而呈向下弯曲的形状,说明桩身在大荷载作用下出现了塑性变形
2.桩基础端阻力受力原理
桩身和桩侧土将桩顶荷载传递到桩端土,它所承受的力即为桩端阻力,单桩竖向极限承载力减去桩的极限摩阻力的值等于极限桩端阻力
桩端阻力通常比桩侧阻力后发挥作用,桩端阻力一般在桩侧阻力充分发挥时还远没有完全发挥,通常需要更多的桩基础沉降来充分发挥桩端阻力,桩端阻力与桩端位移几乎呈线性关系
桩端土受力的分析相当复杂,它不仅受桩尖荷载作用,还受到桩端平面以上土体自重和桩侧阻力的作用
影响单桩桩端阻力的主要因素有成桩方法、桩的尺寸、土层及持力层的特性、加荷速率等
桩端阻力与桩入土深度存在一定的变化规律:桩端进入持力层或均匀土层后,开始时桩端阻力基本随深度呈线性增大,但桩端阻力会在一定深度后基本保持恒定,只会随深度继续增加而产生很微小的增加,恒定的桩端阻力称为桩端阻力稳值,此值的起点深度称之为该桩端阻力的临界深度
3.桩基础的负摩阻力
一般情况下桩身会在桩顶载荷作用下产生向下的压缩位移,而桩侧土体会产生与之相反的摩阻力,称之为负摩阻力
桩基负摩阻力能增加桩内轴向荷载,使桩轴向压缩量增加,从而增大桩端阻力
三、桥梁桩基础竖向承载力的影响因素 1.桩周土的工程性质
桩基础极限承载力最直接也是最重要的影响因素是桩周土的工程性质,不同性质的桩周土的物理性质各不相同,产生的桩端阻力和桩基础侧摩阻力也不同
桩侧摩阻力的发挥会受到桩侧土的剪切变形系数的影响
2.成桩工艺
桩的承载力也受到成桩工艺的影响,主要是由于不同的成桩工艺对土体的扰动程度不同,使得桩的承载性能也随之受到影响
将桩打入地基土中时,会破坏其天然结构,使桩周围土的重塑,土在桩身打进时的急速挤压情况下,会造成孔隙水压力急剧上升,从而减少有效应力
3.刚度与刚度比
桩基础刚度较小时,属于柔性桩,桩顶截面产生位移最大,会使得桩身摩擦力上大下小
桩基础刚度较大时,实际上接近于刚性桩,桩尖附近土的初始法向应力大,所以该处的摩阻力就较大,其上部摩阻力接近于均匀分布
当桩端土与桩周土的刚度比接近于0时,就属于纯摩擦桩,上部荷载几乎全部由桩侧摩阻力所承担,且其摩阻力在均匀土层中接近于均匀分布
当桩端土与桩周土的刚度比等于1时,属均匀土层中的摩擦桩,其桩侧摩阻力分布和荷载传递曲线与摩擦桩相似
当刚度比趋于无穷大时,桩身荷载上段随深度减小,桩基础侧摩阻力可得到发挥,下段荷载近乎沿深度不变,无法发挥桩基础侧摩阻力
4.桩长与桩径比
桩基础的承载力受桩基础的长度影响也较大,桩端阻力在进入持力层后随深度的变化不规则,在开始的某一深度之前呈线性变化,到达临界深度后基本不变
桩长跟桩径之比对荷载传递有一定影响,所以也会影响到单桩极限承载力
5.时间效应
桩的竖向承载力还与时间有关,其值一般是随时间增长的,而且开始增长速度快,随后逐渐变慢,最后趋于稳定
这种承载力变化的时间效应在软土中尤为明显
在粘性土中,土的强度和桩的承载力由于土的固结硬化作用会随时间而增加
摩擦桩的承载力增长主要与土质条件有关系
由于软土的蠕变作用,荷载会重新分布,可能造成最后桩端承受的载荷比前期测量值高得多,所以在粘土中设桩时一定要充分重视时间效应
四、桥梁桩基础竖向承载力的计算方法 我国现行《公路桥涵地基与基础设计规范》中规定,桥梁桩基础竖向容许承载力P,可按下列方法进行计算: 其中,P为单桩轴向受压容许承载力(kN),U代表桩的周长(m),l为桩在局部冲刷 线以下的有效长度(m),为桩壁土的平均极限摩阻力(kPa),A为桩底横截面面积(m2),为桩端土的极限承载力(kPa)
此式说明了桥梁桩基础竖向承载力的影响因素
五、结束语 总之,如果桥梁桩基础的承载力分析不当,计算不准确,都可能造成设计、施工方面的失误,甚至严重的会威胁到桥梁结构的安全;再加上各种新桩型、新工艺也不断涌现,所以工程人员必须熟悉灌注桩的受力机理和变形特性,以便合理分析桩基础的承载力,确保其能够承受桥梁载荷,保证桥梁的安全
参考文献: 【1】王广月,王盛桂,地基基础工程【M】.北京:中国水利水电出版社,2006. 【2】公路桥涵地基与基础设计规范【S】.北京:人民交通出版社,1999. 由于软土地基具有孔隙大、承载能力差等特点,这就给高速公路施工带来了很大的危害
因此,采取切实可行的处理方法来加以防治,有利于提高高速公路的施工质量
一、高速公路软土地基的危害 (一)影响道路的使用寿命 软土是指强度低、压缩性高的软弱土层,主要分为软粘性土、淤泥质土、淤泥等
软土地基质量的好与坏,直接影响高速公路的使用寿命
当行驶的车辆在软土地基上施加一定的力,很可能会出现翻浆的现象,降低地基的强度,对路面的结构造成破坏
(二)出现质量事故 由于软土地基是因地、因层而异,具有不可预见性
因此,在进行设计和施工的过程中,如果不能结合软土地基的性质,那么很可能会出现质量事故,例如,会引起路面塌方,不均匀的沉降,使路面出现开裂、倾斜等问题,严重的时候会引发交通事故
这些质量事故会直接影响到整个施工工程的经济效益和社会效益
(三)在设计中存在问题 由于设计部门对软土地基的设计不够准确,没有真实的将高速公路软土地基所分布的情况反映出来,应该对软土地基进行处理的没有进行及时处理,在设计中不能从高速公路的实际出发,没有从软土地基对桩基础的承载力会产生影响的方面进行分析,从而导致高速公路出现了倾斜、裂缝、路堤失稳以及沉降等危害
二、高速公路软土地基的特点 高速公路软土主要是由淤泥和软粘土组成的,里面含有一些有机质,软土中的含水量比较高,其孔隙很大,而且压缩性比较高,强度低,其渗透性比较差,有较高的灵敏度,在荷载的作用下,抗剪强度比较低,同时,具有流变性显著等特点
三、高速公路软土地基处理方法 (一)表层处理法 对于浅表层软弱土的处理可以采用表层处理法,其适用范围是粘性土和粉土
在通常情况下,主要是对深度在一米的软土进行处理
这种方法主要是在地表排水的情况下,在地表铺砂土或者铺土工布等材料,并且运用高效添加剂,这对地表层的含水率可以起到很好的改善效果,同时使得土体的结构、地基土承载力得到改善,从而有利于保证施工机械的正常使用
表层处理法是非常简单的,在采购材料时比较方便,而且价格低
因此这种方法是高速公路软土地基处理最经济、又可靠的方法,在使用表层处理法时,可以根据施工场地的实际情况,以便达到最佳的处理效果
(二)换填法 该方法主要是将高速公路软土换成优质土,以保障填土的稳定性,并且使土的沉降量减少,这种方法的适用范围是砂、碎石等填筑材料抗剪强度较软弱土层
在具体施工时可以利用人工挖土进行换土,同时也可以采用爆炸法,将软土挤出,然后强制性的将软土进行置换
这两种施工方法都比较简单,能够在很短的时间里完成置换的任务
从可靠性来进行分析,通过人工进行挖掘的方法最可靠
其中需要注意的是置换材料必须选择具有很强承载力的粗粒土,必须对粗粒土进行压实
(三)加载法 加载法主要是为了增加高速公路软土地基的强度,以防止在填土内的构造物发生有害沉降现象,对路面结构造成损坏,这种方法的适用范围是软土地基
促进软土地基沉降的方法主要有:(1)增加地基上的压力,以减少土中的水含量(2)利用填土加载法,在地表上面铺砂,使用不透水膜,依据大气压力的基本原理,来促进软土地基的处理
在使用填土加载法过程中,必须要充分考虑地基是否稳定
利用大气加压的方法不会对地基带来破坏,但是要注意的是这种方法可能会受到地基适应性的影响和限制,而且使用的工程费用比较多,在一般情况下不推荐使用这种方法
(四)排水固结法 在通常情况下,排水固结法是一种比较常见的高速公路软土地基处理方法,主要是利用长度和间距不同的袋装砂和砂垫层进行相互间的结合,其适用范围是砂土
虽然这种方法比较普通,但是十分经济实惠
(五)深层处理法 深层处理法的适用范围是复合地基
对于高填方路基和桥头路基,可以从路基的厚度、所含数量来进行分析,然后可以使用粉喷桩的方式对软土地基进行处理,进行深层处理后体现出来的效果通常很明显
(六)轻质路堤法 这种方法主要适用范围是软土地基粉细砂路堤
该方法在很大程度上减轻路堤自重,使软土地基上面的附加应力减小,从而达到减少沉降的目的,同时它是一种非常节约填料的软土地基处理方法
(七)真空预压法 这种方法的适用范围是淤泥黏土层
对软土地基的快速沉降起到很大的作用,同时能够增加软土地基的承载力,应用效果非常明显
由此可见,高速公路软土地基处理方法有很多种,常常被用于工程实例中,例如,在2012年的四月,某高速公路路基发生垮塌,导致公路交通中断,近150多台车辆,400余人受阻
通过对事故发生原因进行分析,利用换填法,向事故现场运大量石块,将石块填埋路基中,经过抢修,使地基稳定,效果明显
总结: 综上所述,在高速公路的建设和发展中,常常存在软土地基处理不当等问题,可能会引发很多病害
那么,如何采取切实可行的软土地基处理方法,保障公路施工质量,保障高速公路的运营安全,应该得到高度重视和切实解决
只有根据高速公路软土地基的性质和实际情况进行分析,然后采取有针对性的措施,不断的引进新技术、新方法、新材料,在具体的施工中对施工技术进行严格控制,才能有效提高施工质量
参考文献: 【1】刘辉.浅谈高速公路软土地基处理技术【J】.公路交通科技(应用技术版),2011(3). 【2】陈丽.高速公路软土地基处理对策研究【J】.黑龙江科技信息,2011(3). 【3】李泽春.高速公路软土地基处理对策【J】.科技传播,2010(11). 【4】陈志敏.高速公路软土地基处理【J】.交通世界(建养机械),2011(10).