柱樁與摩擦樁剛度差異分析研究

邱朝陽

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031 )

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柱樁與摩擦樁剛度差異分析研究

邱朝陽

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031 )

【摘要】在鐵路樁基計算中，在樁底巖層極限抗壓強度不高，既可以按摩擦樁計算也可以按柱樁計算的條件下，在相同樁徑、樁長、樁數(shù)及布置條件下，按柱樁和摩擦樁分別計算，墩頂會得出差異較大的線剛度。文章根據(jù)樁基計算過程，分析了剛度存在差異的原因及相關(guān)原因?qū)偠炔町惖挠绊懗潭取?/p>

【關(guān)鍵詞】柱樁；摩擦樁；線剛度；差異分析

隨著我國鐵路的高速發(fā)展，無縫線路被普遍采用，為了滿足無縫線路的要求，無縫線路對墩頂線剛度提出了嚴格的限值。在墩較高、樁基表層地質(zhì)條件差的條件下，線剛度往往成為控制樁基設計的主要因素，對樁徑、樁數(shù)、樁基布置及承臺尺寸有較大影響，直接影響工程費用。在相同條件下，按摩擦樁計算的墩頂線剛度往往比按柱樁計算的大。按摩擦樁設計已滿足要求的情況下，若按柱樁設計易出現(xiàn)不滿足要求的情況，但實際情況只會有一個，不會因為計算方法的不同而不同。為進一步研究計算上的剛度差異，對計算過程進行分析，并找出引起差異的主要原因及影響程度是必要的。

1計算過程分析

1.1計算換算深度

1.2計算A1～D4級數(shù)

樁軸線撓曲線方程、樁身各截面轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力計算需用到A1～D4十六個級數(shù)，十六個級數(shù)是由換算深度αL所決定的收斂級數(shù)，可通過編程求得。

1.3計算單樁樁頂柔度系數(shù)

δ1、δ3為樁頂作用單位橫向力時，樁頂面的橫向位移和轉(zhuǎn)角；

δ3、δ2為樁頂作用單位力矩時，樁頂面的橫向位移和轉(zhuǎn)角。

當樁底位移和轉(zhuǎn)角為零時(樁尖嵌入巖層的柱樁)：

當樁底位移為零，轉(zhuǎn)角可不為零時(樁底置于非巖石地基中的摩擦樁或樁底支立于巖層的柱樁)：

1.4計算樁基礎(chǔ)中單樁樁頂剛度系數(shù)

ρ1為當承臺底面沿樁軸線方向作單位位移時，所引起的樁頂軸向力；

ρ2為當承臺底面沿樁軸線方向的垂直方向作單位位移時，所引起的樁頂橫向力；

ρ3為當承臺底面沿樁軸線方向的垂直方向產(chǎn)生單位位移時，所引起樁頂處的彎矩；或當承臺底面在樁頂處轉(zhuǎn)單位轉(zhuǎn)角時，所引起樁頂處的橫向力；

ρ4為當承臺底面在樁頂處轉(zhuǎn)單位轉(zhuǎn)角時，所引起樁頂處的彎矩。

式中：A0表示樁底土的受壓面積;ε表示折減系數(shù)。

柱樁：ε=1時， A0取樁底面積A0=0.25πd2。

鉆孔摩擦樁：ε=0.5時， A0取樁身由地面按1/4內(nèi)摩擦角擴散至樁底的底面積。當?shù)酌娣e大于樁尖中心距離之間的面積時，取樁中心之間的面積。A0=0.25πD2，D=min(d+2Ltan(φ/4),Ljj)，Ljj表示最小樁間距。

1.5計算群樁樁頂?shù)膭偠戎笜?/p>

群樁頂剛度指標有γbb、γab、γβb、γba、γaa、γβa、γbβ、γaβ、γββ共9個。

γbb、γab、γβb表示承臺產(chǎn)生單位豎向位移時，所有樁樁頂作用于承臺底的豎向、水平力、彎矩之和。

γba、γaa、γβa表示承臺產(chǎn)生單位水平位移時，所有樁樁頂作用于承臺底的豎向、水平力、彎矩之和。

γbβ、γaβ、γββ表示承臺繞過底面的形心軸轉(zhuǎn)單位角時，所有樁樁頂作用于承臺底的豎向、水平力、彎矩之和。

鐵路樁基多為具有兩個對稱軸的豎直樁，這種情況下:

γba=γab=0γbβ=γβb=0

γbb=∑ρ1γaa=∑ρ2+b0Ac

γββ=∑ρ4+∑x2ρ1+b0Ic

γaβ=γβa=-∑ρ3+b0Sc

1.6計算承臺變位及墩頂綜合線剛度

2影響因素分析

(1)假定樁基的地質(zhì)情況：

第一層為黏土，厚度為樁長減4 m，地基系數(shù)的比例系數(shù)m=10 000 kPa/m2，內(nèi)摩擦角φ=10°。

第二層為泥巖，厚度大于4 m，地基系數(shù)的比例系數(shù)m=50 000 kPa/m2，內(nèi)摩擦角φ=42°。

基本承載力σo=500 kPa，極限抗壓強度R=4.5 MPa，豎向地基系數(shù)Co=244 3750 kPa/m。

(2)假定樁基的布置情況：

承臺順橋向長5.7 m，橫橋向長9.0 m，承臺高2.0 m，6根1.25 m樁行列式布置，樁間距3.4 m。

(3)假定墩高及墩頂線剛度：

墩底到頂帽頂15 m，墊石高0.42 m，墊石頂處墩身線剛度339.2 kN/cm。

柱樁與摩擦樁墩頂綜合線剛度對比見圖1。

圖1　柱樁與摩擦樁墩頂綜合線剛度對比

由圖1可見，相同條件下分別按柱樁和摩擦計算，得出的墩頂線剛度差異較大，下面分四種情況測試兩個影響因素的影響程度。

2.1測試樁底邊界條件對剛度的影響程度

(1)柱樁。

樁底由不可轉(zhuǎn)動改為可轉(zhuǎn)動，剛度曲線見圖2。

圖2　柱樁樁底可轉(zhuǎn)動的剛度曲線

樁底由不可轉(zhuǎn)動改為可轉(zhuǎn)動后剛度變小是因為換算長度變長了，柱樁是假定基巖面處的轉(zhuǎn)角和位移為零，換算長度是α×(L-嵌巖深度)，現(xiàn)改到樁底后換算長度是α×L，引起了樁頂水平剛度的減少。

(2)摩擦樁。

樁底由可轉(zhuǎn)動改為不可轉(zhuǎn)動,剛度曲線見圖3。

圖3　摩擦樁樁底不可轉(zhuǎn)動的剛度曲線

樁底由可轉(zhuǎn)動改為不可轉(zhuǎn)動，樁長超過一定深度后對剛度無影響，與換算深度α×L>4時，樁身變位及內(nèi)力與樁底支承條件的關(guān)系不大的定論一致。

2.2測試樁身及樁底土彈性壓縮對剛度的影響程度

(1)柱樁。

樁身計算受壓長度系數(shù)ξ取0.5，樁底受壓面積取按φ/4擴散角且最大不大于樁間距計算，剛度曲線見圖4。

圖4　柱樁樁身及樁底土彈性壓縮的剛度曲線

樁身及樁底土彈性壓縮采用摩擦樁的假定條件計算后，剛度大幅提高，與摩擦樁的剛度基本一致。

(2)摩擦樁。

樁身計算受壓長度系數(shù)ξ取1，樁底受壓面積取按樁底直徑計算，剛度曲線見圖5。

圖5　摩擦樁樁身及樁底土彈性壓縮的剛度曲線

樁身及樁底土彈性壓縮采用柱樁的假定條件計算后，剛度大幅減少，與柱樁的剛度基本一致。

3結(jié)論

(1)相同條件下摩擦樁與柱樁剛度差異大的主要原因是樁身及樁底土彈性壓縮的假定不同。

(2)相同條件下摩擦樁與柱樁剛度差異大的次要原因是樁底邊界條件的假定不同，此原因的影響甚微，樁長大于一定深度后無影響。

(3)相同條件下柱樁與摩擦樁剛度差異有30%～50%，存在一定的不合理性，實際剛度只會是一個，不會因計算方法的不同而不同，究竟是柱樁的假定接近實際還是摩擦樁的假定接近實際，需進一步建立課題實測研究。

(4) 相同條件下摩擦樁剛度比柱樁大的主要原因是柱樁樁身及樁底土彈性壓縮比摩擦樁的大，柱樁樁身壓縮大是因為樁身不考慮摩擦力影響，計算受壓長度系數(shù)ξ取1，而摩擦樁樁身計算受壓長度系數(shù)考慮了摩擦力影響，計算受壓長度系數(shù)ξ取0.5。柱樁頂在豎向力作用下樁身的彈性壓縮與土層之間同樣會產(chǎn)生相對位移，不考慮基巖面以上樁身摩擦力影響存在一定的不合理性。柱樁樁底土彈性壓縮大是因為樁底計算面積比摩擦樁的小，柱樁樁底土壓縮面積采用的是樁底面積，而摩擦樁樁底土壓縮面積由于考慮了摩擦力對樁側(cè)土的作用，采用的是擴散面積，最大面積是樁間距的圓周面積，比柱樁的大，從而引起了壓縮量的減少，增加了樁的豎向剛度。從分析可知，摩擦樁壓縮量比柱樁還小導致了剛度比柱柱大，目前規(guī)范的假定存在一定的不合理，需建立課題實測研究相關(guān)假定及相關(guān)假定的取值。

參考文獻

[1]湯康明. 基礎(chǔ)工程[M]. 成都：西南交通大學出版社, 1990.

[2]TB 10002.5-2005 鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設計規(guī)范[S].

【中圖分類號】TU473.1+2

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-03-01