（岩土工程专业论文）昔格达岩层中灌注桩的横向承载特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文丰要根据西部交通科研项目“昔格达地层公路修建技术研究”了课 题：“昔格达地层桩基承载性能试验研究”和“昔格达地层中抗滑桩工作性能研 究”，并在参考昔格达地层中灌注桩现有研究的基础上，通过室内土工试验、现 场静载试验和理论计算对昔格达地层中灌注桩横向承载特性进行了比较系统的 研究工作。 首先，依据攀枝花地区新九试桩工地的两根圆桩和安宁河流域的永郎试桩 工地的两根方桩的室内土工试验和现场桩孔开挖资料，分析得出：昔格达组岩 层虽然经历了一定的成岩作用，但比起前四系的成岩程度差别较大，因而强度 较低。而且该岩层长时间暴露于空气中将会风化，导致承载力下降。 其次，昔格达岩层中，桩身弯矩和桩侧土抗力在水平荷载作用下沿着桩的 埋深向下逐渐增大，在桩埋深2 d 3 d 左右时出现最大值。接着随深度继续增加 很快衰减变小。但在较大深度时仍然存在弯矩和土抗力，其分布形式与砂土地 基中水平承载灌注桩内力分布相似，与嵌入基岩中的桩差别较大。另9 h ，从茜 格达岩层中灌注桩横向土抗力在不同荷载下的分布规律可以看出上部土层对桩 的弯矩和横向抗力起主要作用。 再次，运用地基系数的两种分布形式常数法和m 法对两组试验桩进行内力 检算，结果表明：( 1 ) 攀枝花地区新九试桩工点和安宁河流域永郎试桩工点虽 然土的强度和特性有一定差别，在采用m 法检算时，计算出的桩身内力与实测 比较吻合，因此该方法在两个地区均可应用。采用常数法计算桩身内力时，弯 矩和位移能与实测吻合较好，但土抗力分布差别较大。( 2 ) 新九两根试桩根据 实测资料试桩在临界荷载时取值m = 3 0 m n m 4 ，永郎两根试桩取值牌= 1 1 0 m n m 4 。对照公路桥涵地基与基础设计规范( t j t 0 2 4 - - 8 5 ) ，m = 3 0 m n m 4 属于坚硬半坚硬粘性土、粗砂的地基系数范围；，l = 1 1 0 m n m 4 属于密实卵石夹 柑砂、密实漂卵石的地基系数范围。因而，新九昔格达岩层的横向抗力特性与 硬塑枯性土相当，永郎昔格达岩层的横向抗力特性与密实卵石夹粗砂、密实漂 卵石相当。( 3 ) 昔格达岩层中灌注桩采用m 法计算时，采用“桩顶为自由，桩 底支承在非岩石类土或耩岩面上的单桩”假设比较符合实际。( 4 ) 在不同的荷 载作用下、不同的截面形式试验得出的m 值不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 最后，运用f l a c 有限差分软件对试桩进行建模计算。在昔格达岩层中， 运用数值计算时桩采用弹性模型，昔格达岩层采用摩尔一库仑本构模型计算， 材料参数丰要依试验结果确定。计算结果在一定程度上反映了实测结果，说明 有限差分法作为检算昔格达岩层中水平承载灌注桩的内力的辅助设计工具还是 可取的。 关键词： 昔格达岩层；水平承载特性；t n 值；本构模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ji 页 a b s t r a c t b a s e dm a i n l yo nt h es u b j e c t “t e s t i n gs t u d yo nb e a r i n gp r o p e r t i e so fp i l ef 0 u n d a t i o ni nx i g e d a r o c k ”a n d “s t u d yo i lw o r kp r o p e r - t i e so fs l i d f r e s i s t a n tp i l ei nx i g e d a r o c k ”u n d e rt h ew e s t e r nt r a f f _ i cs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t “r e s e a r c ho uh i g h w a yc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e si nx i g e d a r o c k ”a n dr e f e r i n g t oa l r e a d ye x i s t i n gr e s e a r c hi n f o r m a t i o n so fp i l ei nx i g e d a r o c k t h i st h e s i ss y - s t e m a t i c l ys t u d yt h eh o t i z o n t a ib e a r i n gp r o p e r t i e so fc a s t - i n p l a c ep i l ei nx i g e d a r o c kb yl a b o r a t o r ys o i lt e s t 。s t a t i cl o a dt e s to nt h ef i e l d ，a n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n f i r s t l y , b a s e dw i t ht h ed a t ao fl a b o r a t o r ys o i lt e s ta n de x c a v a t i o no ut h e f i e l do ft w oc i r c u l a rt e s tp i l e si nx i n j i uo fp a n z h i h u aa n dt w or e c t a n g l et e s t p i l e si na n n i n gr i v e rv a l l e y , t h ea u t h o ra n a l y s i sx i g e d a r o c k ：a l t h o u 曲h a s b e a r e dc e r t a i na m o u n to fb e c o m i n gt h er o c kf u n c t i o n ，i t sd e g r e eo fb e c o m i n g t h er o c kf u n c t i o n ni sd i f f e r e n tt ot h er o c kb e f o r et h ef o u r t hd e p a r t m e n t s oi t s s t r e n g t hi sl o w e lt h i sr o c kw o u l dw e a t h e r i n gw h e ne x p o s e dt ot h ea i rl o n g t i m ea n dw o u l dl e a dt oc a p a c i t yd e c l i n e d s e c o n d l y , t h em o m e n ta n ds o l l r e s i s t a n c eo fp i l ei n c r e a s eg r a d u a l l y ：a l o n g t h et o po fp i l et od e e pp l a c ea n dt h e yw o u l db e c o m em a x i m u mv a l u ea ta b o u tt w oo rt h r e et i m e sd i a m e t e ro fp i l eu n d e rt h eg r o u n d f o l l o w i n gt h e yw o n l gr a p i dr e d u c ew h e nt h ed e p t hg oo ni n c r e a s i n g b u tt h em o m e n ta n ds o i l r e s i s t a n c es t i l ie x i s ta tm o r ed e e pp l a c e t h e i rd i s t r i b u t i o nf o i l n sa r es i m i l a r t ot h eh o r i z o n t a lb e a t i n gp r o p e r t i e so fp i l ei ns a n d ys o i lf o u n d a t i o n s ，t h e i rd i s t r i b u t i o nf o r m sa r ed i f f e r e n tf r o mp i l ei a i di nt h er o c k m o r e o v e r w ek n e w t h a tt h es o i l so fu p p e rp a r ta r et h em a i nf u n c t i o nt ot h em a x i m u mv a l u e so f m o m e n ta n dh o r i z o n t a ls o i lr e s i s t a n c eb ya n a l y s i s i n gt h e i rr e g u l a t i o ni nx i g e d a r o c k t h i r d l y , u s i n gt h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o nf o r m so ff o u n d a t i o nc o e f f i c i e n t m m e t h o da n dc o n s t a n tm e t h o d c a l c u l a t e dt h ei n t e r n a lf o r c eo ft e s tp i l e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：f 1 1a l t h o u g ht h ei n t e n s i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ft e s t p i l e sa r ed i f f e r e n ti nx i n j i uo fp a n z h i h u aa n dy o n g l a n go fa n n i n gr i v e rv a l l e v i t ss h o wt h es a m er u l e si n m m e t h o dc a l c u l a t i o n s o m m e t h o da d a p ti nt h et w or e g i o n s t m o u d lm o m e n ta n dd i s t a n c ec a l c u l a t e di nc o n s t a n t m e t h o dc a nf i tw i t ha c t u a l l ym e a s u r e ，t h es o i lr e s i s t a n c ed i s t r i b u t ei sd i f f e r e n t f r o ma c t u a l l ym e a s u r e f 2 ) t h ev a l u eo f “m ”i s3 0 m n m a n d1 1 0m n m c a l c u l a t e di n “m ”m e t h o di nx i n j i ua n dy o n g l a n g r e f e r e n c i n gt h e ”f o u n d a t i o i l so ft h eh i g h w a yb r i d g ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n ”( t j t0 2 4 8 5 ) ，me q u a l 3 0 m n m i n c l u d i n gt o h a r do rs e m i h a r dc l a y ，c o a r s es a n df o u n d a t i o nc o e f f i c j e n t a n dme q u a j11 0m n m + i n c l u d i n gt oc o m p a c ts a n d c o b b l e c o b s t o n ef o u n d a t i o nc o e f f i c i e n t ，s oh o r i z o n t a lr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co fx i g e d a r o c ki nx i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 - j i ui se q u a lw i t hh a r dp l a s t i cc l a y , a n dh o r i z o n t a lr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co f x i g e d a r o c ki ny o n g l a n gi se q n a lw i t hc o m p a c ts a n d c o b b l e ，c o b s t o n e ( 3 ) w h c au s g “m ”m e t h o di nx i g e d a r o c k ，”t h et o po fp i l ei sf r e e a n dt h ee n do f p i l el a yi nn o n r o c ko rl a yo i lt h er o c k ”a t em o r er e a l i s t i ca s s u m p t i o n s f 4 ) i t c a ng e td i f f e r e n t m u n d e rd i f i e r e n tl o a d sa n ds e c t i o n se x p e r i m e n t s 。 f i n a l l y , t h ea u t h o rc a l c u l a t e dt e s tp i l eu s i n gf l a cs o f t w a r e t h ep i l e sa d o p t i n ge l a s t i cm o d e la n dx i g e d a - r o c ku s i n gm o h r - c o u l o m bc o n s t i t u t i v em o d e - 1w h e nc a l c u l a t eu s i n gf l a cs o f t w a r e t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o nc e r t a i nd e g 1 e er e f l e c t st h et e s tr e s u l t s i ts e e m st h a tt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dc a l c u l a t i n gt h eh o r i z o n t a lb e a r i n gp i l ea sa i d e dd e s i g nt o o l i s p r o p e l k e y w o r d s ：x i g e d a r o c k ；h o r i z o n t a lb e a r i n gp r o p e r t i e s ；，l ：c o n s t i t u t i v em o d e l ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 桩基的应用和发展 第一章绪论 桩基础是一种古老、传统的基础形式。它不仅能有效地承受竖向荷载；还 能承受水平荷载和上拔力，并且能作为抗震地区的减震措施。同时由于桩基础 具有承载力高、稳定性好、沉降量小、便于机械化施工，桩的长度与设置方法 以及桩的工作方式有很大的交化，很容易适应基础工程的不同要求，因此在土 木工程中得到了广泛的应用。尤其是近年来随着生产水平的提高和科学技术的 发展，桩的种类、施工机具和工艺以及桩基设计理论和方法等都得到快速发展。 在近代土木工程中，桩基础起了越来越重要的作用，已成为高层建筑、桥梁， 码头和石油海洋平台等常用的基础形式之一【，卅。 1 1 1 桩基础的发展 木桩是使用最早，历史最悠久的桩。可以追溯到新石器时代，人类在湖泊 和沼泽地里，栽木桩搭平台作为水上住所。到我国宋朝时期，桩基技术已比较 成熟。今上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年代修建 的以桩为基础的建筑物。由于木桩在水位以下部分易受腐蚀，通常需打到最低 地下水位或低潮位处，后来除临时工程，一般多被钢筋混凝土预制桩所代替， 预制的钢筋混凝土打入桩强度商，耐久性好，不易被腐蚀，预应力钢筋混凝土 打入桩还可以减少打桩过程中出现的裂缝，钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土打 入桩在工业和民用建筑以及港口工程中得到广泛应用 到2 0 吐纪初，美国出现了各种型式的型钢钢桩，特别是h 型的钢桩受到 营造商的重视。美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩摹础。到2 0 世纪3 0 年 代在欧洲也被广泛采用。二次大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝 钢符也被作为桩材用于基础工程。上海宝钢工程中，曾使用直径为9 0 c m ，长约 6 0 m 的钢管桩基础。 人工挖孔桩于1 8 9 3 年在美国问世，其后过了约5 0 年，即2 0 世纪4 0 年代， 即有钻孔灌注桩出现。在我国，1 9 5 9 年河南黄县利用打井锥具铺孔，首次做成 了钻孔灌注桩，到了2 0 世纪6 0 年代，我国的铁路和公路桥梁，就开始大量采 用钻孔灌注混凝：i = 桩和挖孔灌注桩。后来，随着社会建设的发展，又根据地质 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 条件和施工工艺，发展了钻、挖、冲孔灌注桩和爆：| 7 桩，桩型多样化，直径向 大型化发展刚。 1 1 2 桩基础的特点和适用性 桩摹础具有较高的承载力与稳定性的特点，它是减少建筑物沉降与不均匀 沉降、克服复杂条件下不良地质现象危害的重要措施。并且桩基础具有很强的 灵活性，对结构体系、荷载变化等有较强的适应能力。 桩有很多功能：一是承受轴向荷载的抗压作用，二是承受轴向荷载的抗拔 作用，三是承受水平荷载的抗弯作用，四是承受上两种荷载的叠加的组合荷载。 2 0 世纪5 0 年代以前，桩摹丰要起抗压作用，作用在建筑物上的水平力一般由 斜桩来承受，直桩不考虑承受水平力的作用。实际上大直径的灌注桩、钢筋混 凝土大管桩和钢篱桩的抗弯网0 度大，本身具有较大的水平承载能力，因此全部 由竖直桩组成的码头等建筑物也逐步修建起来。 近几十年来，随着铁路和公路的发展，对桥梁桩基需要承受较大水平力和 弯矩要求不断提高。水平承载桩丰要承受水平力和力矩，工程中常遇到的水平 承载桩如图1 - 1 所示。图1 - 1 ( a ) 为仅承受水平力的桩，如承受系在地面处缆索的 水平力的锚桩；图1 - l ( b ) 为同时承受水平力和力矩的桩；圈1 - 1 ( c ) 为承受水平力 且在地面处固定不转动的桩；图1 - l ( d ) 为向上伸展且成为柔性上部结构一部分 的桩。在这几种典型情况中，桩还可能承受竖向荷载。 水平承载桩的应用日益广泛， u - 水平荷载作用下桩和桩基设计计算还有不 少问题尚未解决。采用现场荷载试验确定水平承载桩的承载力、水平地基系数、 桩顶水平位移和桩身内力是最可靠的方法。f 试桩不仅耗时费力，而且费用昂 贵，因此根据试验取得的计算参数对水平承载桩的计算方法进行研究，以满足 实际工程的需要是非常必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 h 一 h 。h ， 、 图1 - 1 典裂的水平承载桩 1 2 水平承载桩计算方法的发展与现状 水平承载桩的应用促进了水平力作用下桩和桩基的研究，而研究成果又进 一步推进了水平承载桩的发展。水平承载桩的计算方法根据地基的不同状态分 为极限地基反力法、弹性理论法( 包括弹性地基反力法) 、弹塑性地摹反力法； 根据得到的途径可以分为经验法、理论法。理论法又分为解析法、半解析法、 数值分析方法等。 对于刚性桩的计算，雷斯( r a s e ) ( 1 9 3 6 ) 【7 l 首先假定桩侧土地基反力为线 性分布，根据作用在桩上的外力及其平衡条件求解桩的水平抗力，此即为极限 地基反力法。冈部( 1 9 5 1 ) l 目、布罗姆斯( b r o m s ，1 9 6 4 、1 9 6 5 ) i m - n l 、斯奈科 特( s n i t k o ) 相继提出了不同的地摹反力线性分布形式。物部( 1 9 5 2 ) t , ，j s u 恩 格尔则提出了地基反力假定为2 次曲线分布的极限地基反力法。日本港湾构造 物设计标准( 1 9 6 8 ) i i | 坝0 假定地基反力为任意分布( 部分近似为直线) ，提出 挠度曲线法。 然而实际工程中应用较多的弹性桩，将桩作为竖放的弹性地基上的梁，根 据文克儿( e w i n k l e r ) 假设进行求解，是最早提出、也是研究最多的方法。中 国学者张有龄( 1 9 3 7 ) m 】假定水平地肇系数沿深度为常数，求出了弹性氏桩 ! i 力和位移分析的解析解，通常称为常数法，也有称为张氏法。安盖尔斯联( 1 9 3 7 ) 二u二二 t ，fifll虻 h jl|li|ijj) 卜jflllliiljliil m p ：lf，。，。+。l 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 提出法：假定地面处水平地基系数为零，沿深度逐渐增大( 增大的规律未给 出，一般按凹形抛物线考虑) ，到桩身第一弹性零点处增大到m 再往下则为常 数。该法也曾在我国广泛应用，目前也因为其存在不足而逐渐不用。k c 西林 ( 1 9 6 2 ) 提出了水平地摹系数由地面处为零沿深度线性增加的盘法，是目前应 用较广的方法。久保( 1 9 6 4 ) 【1 6 】假定水平地基系数随深度的0 5 次方( 呈l ”i 抛 物线形) 增加，1 9 7 4 年我国交通部组织的钻孔桩研究协作组旧根据桩摹实测结 果分析，推荐采用该法，成为c 法，但推广较少。吴恒立( 2 0 0 0 ) t 1 8 1 提出综合 刚度原理和双参数法，将水平地摹系数随深度变化的指数也作为待定参数，通 过两个待定系数的调整使计算结果更好的符合实际情况。 对于非线性地基，采用文克尔地基难以正确表达。马特洛克( m a t l o c k ) ( 1 9 7 0 ) 与里斯一考克斯( r e e s e c o x ) 等人( 1 9 7 4 ) 1 2 0 1 在试验和麦克菜伦特 ( m o c l e l l a n d ) 的研究基础上，提出了根据土工指标求得桩得实际应力一应变关 系得p 7 曲线法。此法目前已成为流行的计算方法。叶万灵( 2 0 0 0 ) 1 2 】根据国 内众多的现场试验资料进行进一步完善了p 7 曲线的士抗力分布形式，采用相 似理论的计算方法提出了肥法，该法已纳入港口工程桩摹规范( j t j 2 5 0 9 8 ) 局部修订闻。 水平承载桩同时承受竖向荷载( 或直桩承受倾斜荷载) 时，作用较为复杂。 赵明华( 1 9 8 7 ) 1 2 3 1 在7 法的假设基础上导得了轴向与横向荷载综合作用下柔性 桩的解析解，并与候运秋等( 1 9 9 9 ) 一起进一步提出了相应的简化解法。 1 3 昔格达组岩层概述 昔格达组原名“混旦层”，1 9 5 8 年，根据昔格达村实际出露地点的研究而 统称“昔格达层”。其后，在区域地质调查中，昔格达组被广泛用来代表安宁河、 金沙江、大渡河、雅砻江河谷覆盖在第三系之上的一套河湖相地层。昔格达组 一般产状乎缓，陡倾节理发育，砂岩和泥岩形成相对渗水和隔水的百层。由于 西南地区的气候特点，昔格达组常有潜水和微量的裂隙水。 昔格达组地层，按岩性可分为粘土岩、砂岩，也有人把它细分为泥岩、泥 质粉砂岩及细砂岩等。其粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘土岩矿物成分以伊利 石为丰，绿泥石次之，针铁矿少量。砂岩的碎屑成分丰要为斜长石，少量为方 解石、石英、黑云母等。泥岩具有微细层胖，浸水后容易崩解成鳞片状：砂岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 半胶结状，胶结矿物为泥质或钙质。工程性质不利的有机质和可溶盐含量均大 大低于设计规范所要求的允许值2 和8 。p h 值小于7 ，表明该土层系在酸性 环境下牛成的。昔格达组膨胀、收缩均较小，各项指标均未达到膨胀岩土标准， 不属于膨胀土。 就岩性、岩体的物珲力学性质、承载力丽言，对于一般性的民用建筑，昔 格达组地层系较为良好的地基持力层。这已为西攀地区近三十年来的大量工作 实践所证实。但是，昔格达组地层确实具有不可忽视的不良地质因素，丰要表 现在以下几个方面l ： ( 1 ) 昔格达地层虽然经受了一定的成岩作用，但比起前四系的成岩程度有 天壤之别，强度较低。尤其是在水的作用下，承载性能和抗剪强度都会大幅度 降低。 ( 2 ) 由于在西攀地区新构造运动强烈，岩体中常存在断裂和构造裂隙为主 的破裂结构面。这显然是在工民建、道路与桥梁、水利工程等的建设中须非常 注意的不良结构而之一。 ( 3 ) 由于昔格达组为砂( 粉砂) 、泥( 页) 岩互层，岩体中常有软弱的沉积 结构面，特别时所谓“红层”( 很薄的红土层) 等。这些软弱结构面及昔格达组 层与上覆松散堆积层的接触界面和下伏地层的界面，是在该地层上容易产生滑 坡、塌方的丰要不良结构面。 ( 4 ) 昔格达岩层中页岩、泥岩具有微细的层理，在风干后，特别时反复浸 水，极易崩解。 如果将昔格达作为桩摹的丰要受力层，则可能出现下述问题： ( 1 ) 由于该岩层遇水易软化，而钻孔过程中不可避免地要使用泥浆，这将 会削弱岩层提供的桩侧摩阻力和桩的端阻； ( 2 ) 钻具钻进过程中对该岩层的扰动也会降低岩层的阻抗，而这种影响难 以预先估计； ( 3 ) 成桩以后，桩侧受扰动的土体和泥浆形成的泥皮会逐步析水固结，桩 身混凝土也会产生收缩，这两种因素的综合作用会在桩岩之间形成细小的裂缝， 地下水可能沿裂缝向下渗透，使得桩侧和桩端的岩层界面软化，造成桩水平位 移增大。 ( 4 ) 上述几方面的不利因素不f u 会降低桩的承载力，而且会对桩罐础的沉 降( 包括施j ：期间的沉降和工后沉降) 产乍不利影响； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 5 ) 由于岩层承载力低，研究资料少，根据地勘单位提交的参数估算，一 般桩长在5 0 m 左右，下部结构工程量大、造价高。 因此，当选择昔格达地层为重要建筑物基础的持力层时，应充分考虑该地 层的特殊性质，尤其是在水的作用下，易滑、易于崩解、强度会大幅度降低等 重要属性。 1 4 本文的选题背景及研究内容 1 4 1 本文的选题背景 西昌一攀枝花高速公路沿线具有地形复杂、地质条件差、地震烈度高等特 点。本路段桥梁结构众多，桥梁下部结构摹本采用灌注桩基础、柱式桥墩。而 公路沿线约有9 0 余k m 路段的地层中均存在着厚度较大的第三、四系一冰期昔 格达组岩层( n o ，) ，该岩层为半成岩状，灰黑色，裂隙较发育，遇水易软化， 具有弱膨胀性，强度极低。昔格达组岩层的厚度大( 钻探未揭穿) ，难于采用穿 越该层的桩基技术方案。而昔格达岩层工程特性的研究资料极少，如果将凌层 作为桩摹的主要受力层，则可能出现许多问胚。 鉴于昔格达组地层的特殊性质以及勘探过程与实际施工过程的差异，地勘 资料提供的桩周岩层的力学参数与实际情况可能存在相当的差别，为了保证桥 梁结构的安全和基础设计的科学合理性，节省整个工程投资，也为类似地层中 桩基础的设计与施工提供依据和积累资料，因此对设置于该种地层中的灌注桩 基础的承载特性的立项得到了交通厅的资助。本论文选题结合我校岩土所参与 的，由四川省交通厅公路规划勘察设计研究院丰持的省级科研项目“昔格达地 层桩摹承载性能试验研究”和“昔格达地层中抗滑桩的工作性能研究”，直接 服务于西攀路的建设，其成果可推广应用于在四川地区类似地层条件下工程桩 的设计和施工。 1 4 2 本文的研究意义和内容 目前，国内外对桩摹础垂直承载力的研究较多，t u 水平作用力下桩的承载 特性研究还不很成熟。随着桩在公路和铁路桥涵、码头建筑、高层建筑物中的 广泛应用，要求桩承受一定的水平力。在水平荷载作用下的桩一土共同作用机 蝉和特性的研究和有效可靠的计算方法越来越受到工程设汁人员的重视。我国 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 从2 0 世纪6 0 年代起曾做过许多推力桩的足尺试验，并提出了多种线性的和非 线性的地基反力法，有的已被列入设计规范中。但由于桩一土结构的复杂性， 不同荷载、土质条件及施工条件等的差异使桩的刚度系数无法统一，不同地区 桩基础的承载性状有其自身的规律，研究区域性桩基础承载性状已成为当前岩 土工作者面l 临的课题之一。昔格达岩层中灌注桩的承载特性研究极少，而且在 该地层中的桩摹也没有明确完整的计算方法，因此从事这方面的研究，不仅是 为牛产建设服务，更是桩摹础理论自身发展的需要。 本文的研究方法采用理论与试验研究相结合的方法进行。试验研究主要通 过对现场试桩进行静荷载试验，以积累资料，为理论分析提供可靠的依据。试 验过程主要包括：在桩成孔期问，对不同深度的土层取样进行室内物理、力学 性状试验，以测定相应的土工参数；灌注混凝土之前，在桩身适当位置埋设钢 筋计及相关测试元件，为静载试验做准备；待桩身混凝土达到规定的龄期后， 对试桩进行声波透射检测，以检验桩身质量的完整性；检测完成后进行桩的静 载试验；最后对所有的试验数据进行分析和整理。理论研究 丰要包括：在试验 分析的基础上，进一步研究昔格达岩层中灌注桩的横向承载特性。 本文的丰要工作是： ( 1 ) 在昔格达地层工点取样进行物理力学参数等试验； ( 2 ) 昔格达地层灌注桩基的横向承载性能现场试验； ( 3 ) 根据试验资料确定各试验桩的水平承载力； ( 4 ) 根据试验资料分析各试验桩土抗力的大小、分布和发挥规律。 ( 5 ) 根据土抗力系数的不同分布形式计算出桩身内力和桩在地面处的位 移，与实测值进行比较、归纳并提出适合于昔格达地层中灌注桩水平承载力内 力验算的土抗力系数分布形式和土抗力系数值。 ( 6 ) 运用f l a c 有限差分软件对试桩进行建模计算并与实测比较，找出 适合于昔格达地层中灌注桩水平承载力计算的本构模型和参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章昔格达岩层中桩的现场静荷载试验 2 1 新九试桩 2 1 1 试验场地及工程地质概况 1 试验场地的选择 本次攀枝花地区的试验工点选择在新九工地。该工地昔格达地层出露，交 通及施工条件较好。图2 - 1 ( 照片) 是施工过程中的试验场地。 图2 - 1 新九试验场地 2 场地处工程地质概况 ( 1 ) 地形地貌 试验场地所在路段位于川滇接壤之安宁河、金沙江两岸，沿线山高坡陡， 沟谷迂回，属米易、会理断褶侵蚀和岩浆岩剥蚀地形，地形陡峻，山高谷深， 为典型山区地形，相对高差为3 0 5 0 0 m ，海拔高度在1 0 5 0 1 5 4 0 m 之间。 ( 2 ) 工程地质条件 出露地层有第四系全新统残坡积( q 4 e l + d 1 ) 碎( 块) 石质土；冲洪积( q 4 3 l + p ) 粉土、粉土质砂、卵石质土。昔格达组泥质粉砂岩、粉砂泥质岩，局部有微胶 结的卵石质土。二迭系白果湾组石英跃石砂岩，泥岩瓦层夹页岩、煤线。前震 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 旦系会理群千枚岩，角闪片麻岩，云母片岩、角闪片岩、角闪石英片岩，角闪 变粒岩及前震系石英闪长岩。 ( 3 ) 地质构造 该段仅见昔格达断层，总体走向近南北，倾向南西或北面，倾角4 0 6 矿， 断层破碎宽2 4 m ，两次与路线相交。 新构造运动以间歇性抬升运动为丰，形成高程1 1 0 0 1 2 0 0 m 和1 8 0 0 m 左 右两级夷平面。受断裂影响原水平状昔格达地层，倾角可达6 1 6 0 ，最陡处3 0 。 2 1 2 试验方案 灌注桩的常用施工方法一般为人工挖孔和机械钻孔，为简化试验条件，本 次试验主要研究人工挖孔灌注桩的承载性能。 本次试验共设置6 根试验桩，桩径8 0 c m ，布置在同一场地中。6 根试桩均 采用人工挖孔的方式成孔。为了测试桩身力的分布规律，在桩身中均设置钢筋 计。设置8 根锚桩。每根锚桩长1 6 m ，截面尺寸为1 r e x1 4 m ，底部2 m 范围设 置扩大头，采用人工挖孔成孔。试桩的反力系统采用锚桩反力梁体系，其最大 加载能力按2 0 0 0 0 k n 设计。 l 1 扣5 觎式桩进行竖向抗压试验，错、5 航式桩进行水平推力试验，水平推力 试验在竖向抗压试验完成后进行。6 # 试桩因塌孔严重而取消此孔的荷载试验， 并将桩孔用矿砂填实、填平。本论文只对4 # 、5 # 桩的水平试验进行研究。 试桩进入昔格达地层的深度分别确定为4 # 桩9 m 和5 撑桩1 2 m 。 1 试桩、锚桩的设计与施工 6 根试桩均采用人工挖孔桩，每根试桩桩身混凝土均采用c 5 0 ，试验测得 其最终强度为5 4 5 m p a ，纵向受力丰筋均采用i i 级螺纹钢筋。 4 # 、5 # 试桩设计的摹本情况如表2 - 1 所示，试桩钢筋计布置图见图2 - 3 、 2 4 。 场地处昔格达地层出露，并无覆盖层，在施工过程中，由于4 # 试桩在成 孔以后底部有渗水现象，造成底部塌孔严重，对此采用了在底部加钢护桶的措 施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 表2 - 1 各试桩的基本情况 试桩成孔设计桩设讣孔实勋：桩实际孔 编号方式 释( m ) 深( m ) 径( m ) 深( m ) 备注 底部安袈盲8 0 c m 、厚 4 人1 ：挖孔 0 890 9 28 9 9 3 2 5 r a m 、1 1 5 ，5 c m 钢护桶 砼浇注后表面山现塌陷， 5 人j ：挖孔 o 81 20 9 21 2 0 d 2 浇注质早= 稍差 锚桩和试桩的平面布置图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 试桩、锚桩的平面布置图( 单位：m ) 2 加载系统设计 水平加载系统的最大加载能力为1 5 0 0 k n 。水平加载系统由反力梁、传力柱、 千斤项和反力锚桩组成。反力梁采用西南交大拥有的钢制箱形梁( 单根梁可承 受荷载5 0 0 0 k n ) ：千斤顶采用5 0 0 吨级的千斤顶，用油泵进行加载，以精密油 压表测读压力；反力锚桩采用竖向试验锚桩。加载系统的布置详见图2 - 5 。 广i甜引卜“引卜jl 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ；： + j i 墨一 莒! 喜 图2 34 # 试桩钢筋计设计位置图( 单位：) 一一= 一： t 1 2 ：i 9 2 1 ：i lo2 l ： 一 1 1 z2 2 i 矿一i 割 引 图2 - 45 # 试桩钢筋计设计位置图( 单侍：f f i 1 1 ) 一i_：_一_ 一 一 ) ) 博 揩 s 9 誊1引。引引1引1引_刮引+引1引i射 、r-1- q ? 一。 1 一 峨乙 t 瞳 i：_一_一一h 一一，一 ，一 ，一 ， ， ， 一 ” 卜 一一 羔一一一一= s 一 一 l引1引引引_引引“一毛+引；虱。彰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 平面布立徊布置 一4 一 图 2 - 5 水平加载系统布置图( 单位：m ) 3 测试系统 用百分表测试桩在水平荷载作用下桩在地面处的水平位移，在桩顶背荷面 对称的位置上安装2 个百分表。百分表用磁性表坐固定在基准梁上，根据现场 情况利用槽钢假设相应的基准梁，其布置图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 现场加载及测试系统( 照j r ) 钢筋计的应变用p z x 1 型振弦频率检测仪采集。 2 1 3 室内土工试验 1 现场取样 现场结合锚桩的施工在不同深度处采取了5 组试样，岩样的摹本情况如表 2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 - 2 岩样的基本情况 组别 取样孔位 取样深度( m ) 基本特征表述 第一组 4 # 锚桩 2 8 黄色砂性泥岩，质较软，层理不明显，强风化 第：组 l # 锚桩 4 5 黄色砂性泥岩，质较硬，层理不明显，强风化 深褐色泥质粉砂岩，质较硬，层理不明显，饱 第三组 6 # 锚桩 1 1 0 和，强风化 深褐色砂质泥岩，质较软，层理明显，饱和， 第四组 4 # 锚桩 1 1 0 强风化 灰褐色泥质粉砂岩，质较硬，层理不明显，饱 第五组 l # 锚桩 1 5 0 和。强风化 2 室内试验成果分析 室内土工试验的统计结果如表2 - 3 所示。 由统计结果可以看出，场地处昔格达岩层具有如下特点： ( 1 ) 岩层的强度极低。试样在天然状态下的单轴抗压强度一般均低子 1 m p a ，饱和后的强度更低，按公路桥涵地基与基础设计规范j t j0 2 4 - 8 5 的 规定属于极软岩( 饱和单轴极限抗压强度 5 m p a ) 。 ( 2 ) 岩层遇水后易软化。试样在饱和后的单轴抗压强度降低明显，因岩样 的软化系数一般低于0 6 ，按公路桥涵地基与基础设计规范j t j0 2 4 8 5 的规 定属于遇水软化的岩石。 ( 3 ) 岩层的压缩模量较小，而且其破坏具有脆性破坏的特征。 ( 4 ) 场地处的昔格达岩层辛要为泥质粉砂岩和泥岩。从取样情况和试验结 果看，泥岩的强度低于泥质粉砂岩。 ( 5 ) 从试样的各项指标看，昔格达岩层虽然属于半成岩， u 较相应土层的 工程性质良好，可作为桥梁基础的持力层。 ( 6 ) 昔格达岩层呈现出较高的二轴抗压强度。根据大量的实测资料、室内 二轴试验结果的统计分折及理论计算，地面1 5 m 以下岩体所能承受的压力一般 为天然湿度单轴抗压强度的1 5 2 0 倍。因此当桩埋置较深时，其承载力将大 幅度地提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 - 3 室内试验统计结果 岩石风化子样数算术平均标准差变异系数 统计项目 名称稗度 n值sc 天然容重y ( 寸) 91 8 9 61 2 0 20 0 6 3 比重g 22 6 9 0 0 2 10 0 0 8 泥 天然含水率( ) 22 9 9 5 1 2 0 9 20 4 0 4 天然状态r o ( k p a ) 44 8 8 ，7 5 1 0 2 3 8 60 2 0 9 饱和状态品( k p a ) 43 2 3 2 53 9 3 1 40 1 2 2 天然状态尼( k p a ) 2 7 6 5 1 3 4 3 5 00 1 7 6 岩 e m 嗡由 27 9 7 33 0 0 8 00 3 7 7 粘聚力“k p a )26 1 51 3 4 3 50 2 1 8 强 泸( 。) 24 4 8 57 5 6 6 0 1 6 9 天然容重y ( k n m )1 1 1 9 7 9 1 | 9 5 00 0 9 9 风 比重& 32 7 00 0 0 6o 0 0 2 化 天然含水率( ) 3 2 4 1 7 1 1 3 8 10 4 7 1 泥 天然状态尼( k p a ) 68 7 4 3 39 4 0 0 1 0 1 0 8 质 粉 饱和状态见( k p a ) 62 9 0 5 7 3 4 3 50 2 5 3 砂 岩 天然状态尼( k p a ) 3 1 2 9 2 3 3 5 2 5 8 3 90 4 0 7 e m m 姆心 31 0 1 4 03 4 2 0 7 0 3 3 7 枯聚) 3c ( k p a ) 3 1 1 5 3 3 5 0 8 4 60 4 4 1 ，( 。)34 2 4 73 7 5 40 0 8 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 4 蕾格达岩层力学参数建议值 岩 天然天然状态饱和状态 粘聚力 地层 ：状态或 容重强度 强度 天然 霸l c ( ”a ) 爿。) 代号名风化程度 ( k n 一) r o ( k p a 、月“”a ) 态r ，( k l a )( m v a ) 称 泥质 蛾 粉砂岩 强风化1 9 ，08 5 02 5 01 2 0 0 l o o1 0 04 0 泥岩强风化2 0 04 5 03 0 07 0 0 8 06 04 0 2 1 4 单桩水平推力试验 本次试验采用慢速维持荷载法，试验设备的布置见图2 - 6 。试桩共两根， 分别为甜桩和5 # 桩。 各试桩的水平推力试验在成桩后混凝土达到能承受设计要求荷载以后进 行。本次试验执行公路桥涵施工技术规范( 3 t j0 4 1 2 0 0 0 ) 标准。荷载按顶 估最大加载量分作1 0 级逐级加载。每级加载完毕后，第一小时内每隔1 5 r a i n 观测一次；第二小时内每隔3 0 r a i n 观测一次，以后每隔1 h 测读一次桩在地面 处的位移量，当每级加载位移量在l h 内不大于0 1 m m ，并连续出现2 次时即 可认为位移稳定，然后再施加下一级荷载。当满足规范要求的加载终止条件和 反力系统安全的其它异常现象时，即终止加载过程。终止加载条件如下： ( 1 ) 出现可能威胁试桩和反力系统安全的迹象时： ( 2 ) 桩身折断； ( 3 ) 水平位移达到设计要求的水平位移容许值： ( 4 ) 水平位移超过4 0 m m ； 加载过程终止后进行卸载，卸载方式为隔级卸载，即每一级卸载量为两个 加载级的荷载值。每级荷载卸载后，观测桩顶的回弹量。直到回弹稳定后，再 卸下一级荷载，回弹稳定标准与水平位移稳定标准相同。卸载到零后，至少在 2 h 内每3 0 r a i n 观测一次