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單柱單樁的沖切問(wèn)題

 nplaiyanfang 2023-04-17 發(fā)布于福建

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),存在這樣一條常識(shí),即單柱單樁不需要考慮沖切問(wèn)題,所以工程師傾向于把承臺(tái)做得較小較薄。

這條常識(shí)的前提是,柱軸力與樁反力基本接近,所以計(jì)算得到的沖切力幾乎為零。

然而,某些情況下,事與愿違。

在深圳地區(qū),150m~200m的超高層辦公樓非常普遍,這些高層建筑通常采用典型的框筒結(jié)構(gòu),地下室3~4層(抗浮水頭15~20m),基礎(chǔ)大部分采用嵌巖樁,外框柱通??梢宰鰡沃鶈螛丁?/span>

這個(gè)時(shí)候,單柱單樁很容易出現(xiàn)沖切問(wèn)題。

圖片

沖切力從哪里來(lái)呢?

FL=N-R-Fp

N為框柱軸力;
R為樁反力;
Fp為沖切破壞錐體范圍內(nèi)的水浮力;

在水浮力組合工況下,水浮力向上的浮托作用,其實(shí)相當(dāng)于給樁卸載,所以樁反力R大幅減小,這就是沖切力的來(lái)源。

舉個(gè)例子,假如外框柱的受荷面積為12mX12m,抗浮水頭為20m,則受荷面積范圍內(nèi)水浮力為28800kN。

沖切力大概也在這個(gè)量級(jí),這個(gè)力是非常大的。

根據(jù)上圖,單柱沖切主要有兩種情況,一種是柱沖承臺(tái)(沖切破壞錐體2),另一種是承臺(tái)沖筏板(沖切破壞錐體1)。

換個(gè)角度看,沖切的本質(zhì),其實(shí)是沖切破壞錐體范圍以外水浮力對(duì)承臺(tái)及筏板的沖切。

我們來(lái)估算一下,20000kN左右的水浮力,大概需要多大的承臺(tái)。

假設(shè)框架柱截面為1.5mX1.5m,則承臺(tái)尺寸為4.5mX4.5mX1.5m時(shí),沖切承載力為21000kN(以C40混凝土為例),沖切安全系數(shù)僅為1.05。

要解決這個(gè)沖切問(wèn)題,單純加厚承臺(tái)作用不大,我們也需要同時(shí)將承臺(tái)加寬。

即使解決了柱沖承臺(tái),還需要解決承臺(tái)沖筏板,這就決定了承臺(tái)尺寸和厚度,以及筏板厚度都不能太小。

回頭來(lái)看,單柱單樁,之所以存在沖切問(wèn)題,是因?yàn)橹S力與其下的樁反力不平衡。上面講的水浮力是導(dǎo)致不平衡的一個(gè)重要原因,單柱單樁的沖切問(wèn)題可以歸結(jié)為水浮力沖切?

我們可能想簡(jiǎn)單了。

事實(shí)上,力的不平衡,影響因素很多。基礎(chǔ)計(jì)算時(shí),上部結(jié)構(gòu)的剛度、樁剛度、以及筏板或承臺(tái)的彎曲剛度,都會(huì)導(dǎo)致柱軸力重分配,重分配的結(jié)果就是柱軸力不等于其下的樁反力,甚至差異很大。

關(guān)于內(nèi)力隨剛度重分配,試舉兩例。

例一,塔樓裙房較矮,裙房地下室范圍的豎向荷載不足以抵抗水浮力,雖然在此范圍配置了抗拔樁或抗浮錨桿,但在水浮力組合工況下,必然會(huì)產(chǎn)生向上的位移,但塔樓的位移依然向下。

從變形角度來(lái)看,中部塔樓猶如一個(gè)巨大的支座,四邊的裙房地下室在此支座周邊懸挑,這種變形模式,也會(huì)導(dǎo)致塔樓外框柱下樁基所受水浮力加大。

例二,地下室局部抗浮不足之處,即使設(shè)置了抗浮錨桿,但抗浮錨桿的計(jì)算內(nèi)力可能很小。原因就在于水浮力是根據(jù)抗浮錨桿的抗拔剛度和筏板/防水板的抗彎剛度來(lái)分配的,如果錨桿剛度太小,更多的力還是分配給了筏板。

最后,我們?cè)賮?lái)看看沖切問(wèn)題的第三個(gè)原因。

如果塔樓基礎(chǔ)按樁筏來(lái)設(shè)計(jì),在水平荷載作用下,尤其是風(fēng)載組合工況下,塔樓外框柱承臺(tái)底可能出現(xiàn)很大的地基反力,此反力也會(huì)形成沖切作用,其原理類(lèi)似于水浮力。

通常情況下,如果樁基為嵌巖樁,承臺(tái)或筏板是不考慮土反力的,即相關(guān)范圍的m值取為零。這對(duì)樁基計(jì)算是偏保守的,但對(duì)承臺(tái)或筏板卻未必。

有專(zhuān)家指出,即使塔樓采用嵌巖樁,樁底沉渣規(guī)范控制值為50mm,樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),其實(shí)不容易滿(mǎn)足此要求,尤其是入巖較深,成孔時(shí)間更長(zhǎng),沉渣厚度及泥皮效應(yīng)都會(huì)加重,這導(dǎo)致樁基軸向剛度減小,豎向變形增加。

與此同時(shí),基坑較深(四層地下室),坑底土質(zhì)較好(通常為強(qiáng)風(fēng)化巖),土的壓縮模量較大,一定的變形量,會(huì)形成較大的土反力。

所以有專(zhuān)家建議,塔樓范圍內(nèi)承臺(tái)和筏板,應(yīng)按樁筏再次復(fù)核,在這種情況下,土反力便會(huì)形成沖切力。


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