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擠擴支盤樁優化設計研究

  • 發布日期:2017-04-01
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第 1 章 緒論
 
1.1 研究背景 
樁基礎是人類在承載力不足的地基上建造建筑物的一種創造性的舉措。它不僅是一種最古老,最基礎的基礎類型,還是一種應用范圍廣,發展速度快的基礎形式。樁基礎由樁和連接于樁頂的承臺共同組成,而樁作為基礎的主要承力構件,一般深埋于土層之中,其作用是將上部荷載傳遞到深層土層之中。因此,樁基礎擁有單樁承載力高,能有效控制不均勻沉降和抗傾覆穩定性好的優點[1-5]。根據對全國樁基工程的不完全統計,我國每年的用樁量超過 100 萬根。自此可看出樁基工程在建筑工程領域的地位是多么重要。但隨著建筑行業的不斷發展,高層建筑的逐漸興起、地質條件的日趨復雜和市場經濟的嚴苛要求又迫使樁基技術面臨著前所未有的新挑戰。面臨這樣的嚴峻形勢,上個世紀九十年代張俊生先生發明出了擠擴支盤樁這樣一種新型樁基技術。擠擴支盤樁技術源于傳統的灌注樁工藝,但不同于傳統灌注樁的是增加了一項擠擴工序。即利用特有的設備,在樁身不同深度的地方,設置分支或承力盤。擠擴支盤樁利用支盤類似于擴地樁的端承性質,將所受到的荷載逐一傳遞。是在傳統灌注樁工藝中增加了一道擠擴工序,利用專用設備,沿樁身不同深度設置一些分支或承力盤[6]。并且,由于承力盤由上到下分布在樁身上,對荷載形成了分層承載的有利承載模式,有效的減小了樁底所承受的荷載和沉降量,使得樁具有了良好的穩定性以及較高的承載力,在實際工程中具有巨大的應用前景[7]。擠擴支盤樁發展至今,經過大量的理論研究及實際工程應用,被證明存在許多其他樁型不可超越的優勢,具有巨大的工程潛質,它的出現使得樁基技術得到了更進一步的發展。  
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1.2 樁基技術的歷史與發展 
樁基礎是一種古老的基礎形式。早在新石器時期,人類就曾在湖泊或沼澤地中搭建木樁修筑平臺作為居住點,以防止野獸的襲擊。據考古工作者對陜西半坡遺址和浙江余姚河姆渡遺址的考察表明,在我國,先人們早在 7000 年前就開始采用木樁,利用其支承的特性,對房屋進行支承。除此之外,我國現存的古建筑也有許多以樁基礎作為基礎形式,如秦代的渭橋、隋唐的鄭州超化寺、五代的杭州灣大海堤、西安的灞橋、上海的龍華寺等,都是我國古代樁基的典范。在水泥未問世以前,樁基多為木樁,一般為防蟲、耐火性和耐腐蝕性均較差。19 世紀中葉水泥工業的出現,此后,隨著水泥工業的發展,鋼筋混凝土被逐步應用于建筑工程中,于是混凝土樁與鋼筋混凝土樁開始出現并被廣泛應用。在其發展初期,混凝土與鋼筋這兩種材料的強度都比較低,鋼筋混凝土這種新型材料的工作特性還研究不夠深入,其計算理論也還沒有建立,因此,那個時期的鋼筋混凝土樁,大部分都是直線型樁。在 20 世紀 20 年代,特別是第二次世界大戰以后,隨著橋梁、鐵路和公路的大規模建設,推動了樁基基礎理論和施工方法的發展。現在,它已變成了高層建筑、大橋、碼頭以及石油海洋平臺等最常用的基礎形式[8-10]。
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第 2 章 擠擴支盤樁的施工工藝與作用機理 
 
2.1 擠擴支盤樁的構造 
擠擴支盤樁也被稱為擠擴多支盤灌注樁、多支盤鉆孔灌注樁、多節擠擴灌注樁或簡稱為 DX 樁。但不同于傳統灌注樁的是增加了一項擠擴工序。即利用特有的設備,在樁身不同深度的地方,設置分支或承力盤。這種技術突破了傳統鉆孔灌注樁的諸多缺陷,使擠擴支盤樁成為了一個由樁身與承力盤(承力分支)雙重承載的新型樁型。擠擴支盤樁由樁身與承力盤(或承力分支)兩部分組成,如圖 2.1 所示。其由于承力盤的可調節性與靈活性,更好的挖掘了地基土中承載力好的土層的承載力潛力也正是由于承力盤的存在將其變普通摩擦樁為變截面多支點端承摩擦樁,端承能力的也因支盤的存在而大幅度增強。因此,擠擴支盤樁在承受豎向荷載(包括豎直向下的荷載和豎直向上的荷載)方面都有出眾的表現。 擠擴支盤樁技術的不斷成熟,使得樁基在承載力方面承載力有了較大幅度的提升。經比較發現,在樁的既定承載力相同時,支盤樁較普通樁,所需要的原材料、施工工期、工程費用都大大減少。也就是說,擠擴支盤樁技術能在保證質量的同時,節約了工程造價,縮短了工程工期,具有良好的經濟性[52](比較如圖2.2)。 
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2.2 擠擴支盤樁的施工工藝
擠擴支盤樁成樁過程中會用到許多器械設備,其根據工序的不同,包括樁身成孔設備、支盤的專用成型設備、灌注樁體設備等。擠擴支盤樁具體所需常用設備器械及其相對應的功能如表 2.1 所示。對于擠擴支盤樁而言,支盤為整個樁的主要承力構件。因此,成盤擠擴工序是整個樁體形成過程中的重要步驟,而擠擴成盤設備也成為了擠擴支盤樁施工中最關鍵的器械設備之一。縱觀擠擴支盤樁技術發展至今,不僅該樁型的各方面理論在不斷完善,其擠擴成樁設備也是不斷的更新進步。在該技術出現初期,ZKY-100 型擴孔器被首先應用于成盤工作中,它是由國家建筑機械研究所為主要研發單位研發而成。這種擴孔機械的出現大大方便了擠擴工序的進行,同時該設備還可以進行鉆孔和清土工作。減少了因機械的更換而導致的工程偏差。到了上個世紀 90 年代,到 20 世紀 90 年代,北京俊華地基基礎工程技術集團的研發人員一同研制出了支盤成型專用設備:第一代錘擊式擠擴裝置。隨后,又研制出了更高效的第二代 YZJ 型液壓擠擴支盤成型機。高效器械的出現使得擠擴支盤樁技術被迅速應用到許多實際工程中。后來更先進、準確、高效的三岔雙缸雙向液壓擠擴支盤裝置被研發出,其不僅使得支盤在成型時對土體的擠密效應發揮的更加完全,還擁有了與設備匹配的專用承載力計算公式。隨著支盤成型設備不斷更新換代,使得擠擴支盤樁技術更加精良,更加高效,運用更加廣泛。 
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第 3 章  擠擴支盤樁荷載傳遞規律研究 ..... 27 
3.1 常見的荷載傳遞理論研究方法 ......... 27 
3.2 Midas GTS 軟件簡介 .......... 28 
3.2.1Midas GTS 背景介紹 ........... 29 
3.2.2 Midas GTS 功能介紹 ....... 29 
3.3 有限元模型的建立 ........... 29 
3.4  不同位置支盤承擔荷載情況 ...... 36 
3.5  擠擴支盤樁荷載傳遞規律 ........... 37 
3.6 本章小結 ............ 38 
第 4 章  擠擴支盤樁設計優化的研究 ...... 39 
4.1 擠擴支盤樁的單樁豎向承載力計算方法 ........ 39
4.2  擠擴支盤樁的承載力確定原則 ..... 47
4.3  擠擴支盤樁正交分析設計 ........... 48 
4.3.1  正交分析優點 .......... 48 
4.3.1  正交分析設計 .......... 48 
4.4  數值模擬結果 ............. 49 
4.5  擠擴支盤樁的優化分析結果 ...... 52
4.6 本章小結 ............ 53 
 
第 4 章 擠擴支盤樁設計優化的研究 
 
4.1 擠擴支盤樁的單樁豎向承載力計算方法
經過第 2 章的介紹,發現擠擴支盤樁的單樁承載力除了由與直桿樁相同的樁周摩阻力與樁底端阻力提供,還包括由于支盤的存在而提供的盤端阻力。但是,由于支盤的存在,一部分樁周圍的摩阻力被支盤的端阻力所替代。與一般的樁型的承載力確定方法相同,擠擴支盤樁的單樁豎向抗壓承載力的確定方法一般分為兩大類,包括直接法與間接法。 常見的直接法包括靜載試驗法以及高應變動測法。眾所周知,靜載試驗是測定樁基承載力最常用的方法之一,即在被測對象的樁頂逐級施加豎向壓力,在加載的同時對樁頂的沉降進行觀測,以確定其承載力的大小。高應變動測法的主要測試用具是重錘,利用重錘沖擊樁頂,使樁與土體產生足夠大的的相對位移,使得樁各部分的承受能力發揮至極限,利用分布于樁身樁底等部位的信號采集器,對各部位速度和力信息進行采集,通過通過波動理論來對單樁豎向承載力進行確定。此外,這種動測法還可以對樁基整體的完整性進行試驗判定。 常見的間接法也包括兩類,分別為理論公式法與經驗公式法。理論公式法顯然是基于理論研究,這里就是基于已有的樁基研究成果,對影響擠擴支盤樁承載力因素進行分析,確定出擠擴支盤樁單樁豎向抗壓承載力的公式;而經驗公式則是根據大量室內試驗實驗數據與實際工程中所得到的實測數據,并考慮不同地質條件、土層情況以及支盤的特有性狀等因素,對其所測結果進行分析與總結,得出擠擴支盤樁單樁豎向抗壓承載力的經驗公式。 由此看出,直接法就是利用試驗對單樁豎向抗壓承載力直接進行測定,而間接法則是通過公式,基于所知的各項參數通過計算對單樁豎向抗壓承載力進行確定。通過兩種方法各自的特點比較來看,采用直接法比較耗費人工、材料與時間,不僅試驗數量有所限制,試驗也有一定的偶然性。因此,在設計階段一般采用間接法對擠擴支盤樁進行計算,在反復計算中,對擠擴支盤樁的各部件尺寸進行確定;在施工階段,一般先按規定確定試樁數量,并采用直接法對設計的正確性進行檢驗。 
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結論 
 
本文基于國內外已有的關于擠擴支盤樁的研究,運用 Midas  GTS 有限元分析軟件,對該樁的單樁豎向承載性能進行了數值模擬。通過對擠擴支盤樁各個支盤周圍土體的受壓情況以及盤直徑與盤間距正交分析,對其荷載傳遞規律以及盤間距和盤直徑對承載性能的影響進行了研究,并在此基礎上對擠擴支盤樁設計優化進行了分析與探討,得到了以下幾點結論: 
(1)擠擴支盤樁其盤體由上而下依次發揮承力性能,在整個樁體承受荷載較小時,支盤位置較深的支盤并不承受荷載。并且,受荷時,首個支盤所承擔的荷載最大,其他支盤隨支盤位置自上而下其所承受的荷載依次減小。因此,對于擠擴支盤樁而言,每個支盤均會承受荷載,證明其具有多支點端部受荷載的特點。此外,首個支盤所處的土層性質若良好,整個樁體的受荷能力將有較大提高; 
(2)當盤間距一定時,樁的承載力隨支盤直徑的增大,先增大后減小。因盤厚一定,直徑過大削弱了盤體邊緣的強度,有可能導致支盤自身被強大的剪切作用力破壞;而支盤直徑太小,導致支盤外伸面積不足以支撐剪切面,在樁土的相互作用下剪切面受到作用力被貫穿成為滑移面,使得擠擴支盤樁中盤端阻力不能發揮。當盤直徑一定時,樁的承載力多數隨支盤間距增大,也是先增大后減小。支盤間距過小,盤之間的土層將有可能被剪壞,同時還有可能由于間距過小造成剪切面貫穿成滑移面,導致承載力降低;盤間距過大,致使支盤的數量過少,擠擴支盤樁的多支點端承特性不能夠充分發揮,也會造成承載力不理想; 
(3)在進行擠擴支盤樁設計時,對支盤直徑進行初選可優先選擇樁徑的兩倍為盤徑,這樣選擇可以控制盤直徑不會出現過大過小的情況,直接避免了因支盤的大小而導致的整根樁承載力不良的現象;初選支盤間距時,在支盤的厚度是定值的情況下,可首選支盤間距為其厚度的 2~3 倍,這樣大大減少了因支盤相聚過近而導致樁周土體被剪切破壞現象,以及盤數量不足而導致的承載力不足的現象。  
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