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螺纹桩不同桩段阻力的计算方法

文章来源:螺杆桩   内容作者:sdcxyt   发布时间:2018-01-06 17:31   浏览次数:

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  螺纹桩自上而下不同桩段受到土体阻力种类不同,故要计算螺纹桩的承载能力,就要对其不同桩段阻力进行计算。不同桩段阻力由桩侧阻力与桩身位移关系确定。本文所采用桩侧阻力与桩身位移关系曲线如图3所示。曲线变化规律为:oa段线性变化;bc段为水平直线;ab段非线性变化,并用双曲线函数近似模拟,即:

螺纹桩

 

  式中:m为曲线过原点切线斜率tanθ的倒数,1/m= tanθ;n为桩侧极限阻力qu的倒数,即1/n=qu。

螺纹桩工程

 

  图3 桩侧阻力与桩身位移的关系

  qu,su为桩侧极限阻力、桩侧极限阻力出现时的桩身位移;qe,se为桩侧阻力弹性应变阶段的 应力、 应变。各量可由试验测得。

  要计算各桩段阻力,首先要确定划分各桩段的方法。由承载机理分析可知:桩段类型取决于本段桩身位移及桩侧土体性质,即取决于桩侧阻力与桩身位移关系(图3)。对于某一层固定土体,其土体性质是既定的,位于该土层中桩身的桩侧阻力与桩身位移关系便确定了(由试验测定)。当桩体受到桩顶荷载,该土层中桩身产生向下位移s,根据s的大小划分本段桩身类型:当0<s≤se时,桩身位移与桩侧阻力处于线性变化范围内(对应图3中oa段),本段桩身即为弹性段;当se<s≤su时,桩身位移与桩侧阻力非线性变化(对应图3中ab段),本段桩身即为弹塑性段;当s>su时,桩侧阻力不随桩身位移变化而变化,桩侧阻力达到极限(对应图3中bc段),本段桩身即为极限段。

  1.极限段阻力

  由于极限段桩体向下位移较大,螺纹桩协同螺纹内部土体一起向下滑移,螺纹内部土体与桩周土体脱离,机械咬合力消失,即螺纹底部土体不再对螺纹产生阻力。此时桩侧阻力仅由侧摩阻力提供,侧摩阻力包括螺纹外缘与土体的摩阻力和螺纹内部土体与外部土体之间的摩阻力。可以认为螺纹内部土体直径与螺纹外径相同。

  故极限段总阻力为:

螺纹桩

 

  式中:Ql为极限段总阻力;u2为螺纹水平方向投影周长;τfi为极限段桩侧第i层土的抗剪强度,其值可由实验测得;li1为极限段桩身穿越第i层土的厚度,计算时减去螺纹根部累计长度;li2为极限段螺纹穿越第i层土的厚度,计算时转换为整圆厚度;qsui为弹塑性段桩侧第i层土体屈服摩阻力。

  2. 弹塑性段阻力

  设弹塑性段桩身位移为sep,则se≤sep≤su;令弹塑性系数

螺纹桩工程

 

  则

螺纹桩

 

  即弹塑性段低点

螺纹桩工程

 

   点ξ=1,弹塑性系数ξ沿桩身并非按线性变化,为简化计算,可将其近似为线性变化,则弹性段桩侧阻力可取为ξqu。计算所得总阻力值会略低于真实值,用修正系数δ予以修正,1≤δ≤1.1。

  由对螺纹桩承载机理的分析可知:弹塑性段桩身所受阻力包括螺纹桩内圆桩侧摩阻力(取值为ξqsu)和螺纹所受阻力(图4),螺纹所受阻力包括螺纹下表面受到土体的正压力(取值为ξqpu)、底摩阻力和螺纹外缘所受土体的侧摩阻力(取值为ξqsu)

螺纹桩

 

  图4 竖向荷载下螺纹受力示意

  故弹塑性段总阻力为:

螺纹桩

 

  式中:Qep为弹塑性段总阻力;u1为桩身内圆周长;u2为螺纹水平方向投影周长;li1为弹塑性段桩身穿越第i层土的厚度,计算时减去螺纹根部累计长度;li2为弹塑性段螺纹穿越第i层土的厚度,计算时转换为整圆厚度;β为螺纹与水平面之间夹角;ξi为第i层土的弹塑性系数;qsui为弹塑性段桩侧第i层土体屈服摩阻力;qpui为弹塑性段桩侧第i层土体屈服端阻力;δ为修正系数;Api为扣除主桩桩身截面积的第i个螺纹的水平投影面积。

  3.弹性段阻力

  设弹性段位移为see,则有0≤see≤se;令弹性系数

螺纹桩工程

 

  则有0≤γ≤1。即弹性段低点γ=0, 点γ=1,整个弹性段γ沿桩身线性变化,则弹性段桩侧阻力可取为γqe。

  弹性段桩身所受阻力性质和弹塑性段相同,阻力大小不同。螺纹桩内圆桩侧摩阻力(取值为γqse)和螺纹所受阻力见图4,螺纹所受阻力包括螺纹下表面受到土体的正压力(取值为γqpe)、底摩阻力和螺纹外缘所受土体的侧摩阻力(取值为γqse)。

  故弹性段总阻力为:

螺纹桩

 

  式中:Qe为弹性段总阻力;γi为第i层土的弹性系数;li1为弹性段桩身穿越第i层土的厚度,计算时减去螺纹根部累计长度;li2为弹性段螺纹穿越第i层土的厚度,计算时转换为整圆厚度;qsei为弹性段桩侧第i层土体弹性应变阶段 摩阻力;qpei为弹性段桩侧第i层土体弹性应变阶段 端阻力;其余各量与前述公式(5)中相应量意义相同。

  4.桩端阻力

  设桩端沉降sb,当sb取值不同时,桩端阻力采用不同计算方法。

  当0≤sb≤se时,桩端土体处于弹性压缩阶段,令弹性系数

螺纹桩工程

 

  则有0≤γ≤1,桩端阻力可取为γqe,此时桩端总阻力为:

螺纹桩

 

  当se≤sb≤su时,桩端土体处于弹塑性压缩阶段,令弹塑性系数

螺纹桩工程

 

  则

山东螺纹桩

 

  ,桩端阻力可取为ξqu,此时桩端总阻力为:

山东螺纹桩工程

 

  当sb>su时,桩端土体受压屈服,桩端阻力达到极限值qu,此时桩端总阻力为:

山东螺纹桩

 

  由以上分析可知,当螺纹桩尚未达到极限承载力时的承载能力由下式确定:

螺纹桩工程

 

  式中各量由式(4)~(6)与式(7)或(8)确定。

  当螺纹桩达到极限承载力时,整个桩身均为极限段,只需将式(4)求和区域扩大到整个桩身便可求得桩身极限侧阻力,即:

螺纹桩

 

  极限端阻力由式(9)确定,则螺纹桩竖向极限承载力计算公式为:

螺纹桩工程

 

  结论

  1)由理论分析可知,螺纹桩承载依靠桩周侧摩阻力、螺纹与土体间机械咬合力和桩端阻力。螺纹桩破坏特征是螺纹外的土体剪切强度耗尽和桩端土体受压屈服,整个桩身有较大下沉的趋势。

  2)螺纹桩在竖向荷载作用下,荷载沿着桩身向下传递;由于受到桩周土体阻力作用,桩身轴力不断减小;不同深度处桩周土体受力状态不同,即不同桩段阻力不同,据此将螺纹桩分为弹性段、弹塑性段、极限段和无轴力段,并得到不同桩段阻力及桩端阻力计算方法。由此得到螺纹桩承载能力计算方法式(10)及螺纹桩极限承载力计算公式(12)。

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