（岩土工程专业论文）phc桩在高速公路桥梁工程中优化设计研究.pdf

摘要 摘要 p h c 管桩具有施工质量容易控制、施工速度快、工后沉降及不均匀沉降小、单桩承载力高、单 位承载力造价便宜等优点。工程中其多应用于工业与民用建筑中，在高速公路桥梁工程中尚未得到 推广应用。对p h c 管桩承台的优化设计方法，管桩填芯补强和管桩桩土承台之间的相互作用等问 题，国内外缺乏系统的分析。因此，对其进行深入研究是十分有必要的。 本文在p h c 管桩现场和室内试验的基础上，通过理论分析和数值模拟，从p h c 管桩承台优化 设计、p h c 管桩填芯补强和p h c 管桩群桩效应系数和承台荷载分担比等几个方面进行研究。在此基 础之上，研究高速公路桥梁工程p h c 管桩基础的优化设计问题，主要研究内容和成果总结如下： ( 1 ) 对承台设计的两种模式进行对比分析，通过研究高速公路桥梁工程p h c 桩基础的特点，提 出高速公路桥梁p h c 桩承台的撑系杆设计模式；分析在该设计模式中影响承台承载力的各种主要 因素，并对其和承台承载力的关系进行研究：综合上述具体分析和研究结论，在考虑众多影响因素 的前提下，设想并建立了具体的承台优化设计的模型函数，使其可以根据工程实际参数运用 m a t l a b 进行具体的优化设计计算。 ( 2 ) 通过研究p h c 管桩水平荷载作用下的承载特性，分析各主要因素对p h c 管桩水平承载特性 的影响，根据水平受荷管桩桩身承载特性，通过理论计算，分析填芯对管桩极限抗弯承载力和抗剪 承载力的影响，对填芯体混凝土强度等级、配筋率、配筋形式对管桩承载力的影响进行分析研究， 并且运用有限元分析了填芯对管桩桩身应力分布的影响和管桩合理填芯长度的取值。 ( 3 ) 通过有限元计算，得到了p h c 管桩的群桩效应系数和承台荷载分担比规律，主要分析了p h c 管桩的群桩效应系数和承台荷载分担比与桩长、桩间距及桩数之间的关系。 ( 4 ) 通过p h c 管桩在宁常高速公路桥梁工程中的应用实例，从桩型、桩长、桩数、桩的平面布 置、承台和管桩填芯等几个方面，进行了p h c 管桩优化设计的研究；通过分析桥梁动静载试验和群 桩桩基荷载观测结果，验证了p h c 管桩在高速公路桥梁工程中应用的适用性和本文优化设计的可行 性。 关键词：p i - i c 管桩；高速公路桥梁工程；承台设计；撑系杆设计模式；管桩填芯；三维数值模 拟；群桩效应系数；承台荷载分担比 a b 盯r a c t a b s t r a c t p h cp i p ep i l eh a st e c h n i c a la n de c o n o m i c a la d v a n t a g e so fc o n v e n i e n ta l t e r n a t i n gc o n s t r u c t i o n , l i t t l e p o s t - c o n s l r u e t i o na n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t s ，h i g hl o a dc a p a c i 【ya n ds a v i n g so f c o n s t r u c t i o nt i m ea n dc o s i s p h cp i p ep i l ei so f t e nu s e di ni n d u s t r i a la n dc m lb u i l d i n g ，h o w e v e r , i th a sn o tb e e np o p u l a r i z e di n e x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n g a n di tl a c k sc o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a la n a l y si so nt h eo p t i m i z e dd e s i g n m e t h o do fp h cp i p ep i l ec a p s ，r e i n f o r c e dp i p ep i l ew i t hc o r ef i l l e di n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l e ，s o i l a n dt h ec a p a sar e s u l t ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt og i v et h e ma ni n - d e p t hs t u d y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r em a d eb a s e do ni n s i t ua n di n d o o rt e s t so fp i - i cp i p e p i l e o p t i m i z e dd e s i g no fp h cp i p ep i l ec a p s r e i n f o r c e dp i p ep i l ew i t hc o r ef i l l e d i n , g r o u pe f f i c i e n c yo f p h cp i p ep i l e ，1 0 a d - s h a r i n gr a t i oo fc a p sa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ef a c t sm e n t i o n e da b o v e , t h eo p t i m i z e d d e s i g no fp h cp i p ep i l ei ne x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n gi ss t u d i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t w od e s i g nm o d e l so ft h ec a pa r ea n a l y s i s e d , b a s e do nt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c so fp h cp i p ep i l e b a s i ci ne x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n g ，t h ep i l l a r e da n dt i e db a rm o d e lo fp h cp i p ep i l ec a pi ne x p r e s s w a y b r i d g ee n g i n e e r i n gi sp r o p o s e d a l lm a i nh f f h e n c i n gf a c t o r so fb e a r i n gc a p a c 时o fc a p si nt h ed e s i g n m o d e la r ea n a l y s i s e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa n db e a r i n gc a p a c i t yo fc a p si s c a l c u l a t e d t os i j t iu pc o n c l u s i o n so fa n a l y s i sa n ds t u d y , b a s e do na l lk i n d so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s , s p e c i f i c o p t i mi z e dd e si g nm o d e lf u n c t i o no ft h ec a pi se n v i s a g e da n de s t a b l i s h e d ，a n ds p e c i f i cd e s e r tc a l c u l a t i o ni s b r o u g h ti n t op r a c t i c ew i t hm a t l a bw i t hr e a le n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s ( 2 ) a l lm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp h cp i p ep i l eb yh o r i z o n t a ll o a da r e a n a l y s i s e d b a s e di nb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，w i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ff i l l e d i nc o r et o l i m i tb e a r i n gc a p a c i t yo fb o t hb e n d i n ga n ds h e a r i n go fp i p ep i l ei sa n a l y s i s e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo f s t r e n g t h g r a d eo fc o n c r e t eo f 脚e d - i nc o r e r e i n f o r c e m e n tr a t i oa n dr e i n f o r c e m e n tf o r mt ob e a r i n gc a p a c i t yo fp i p e p i l ea r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d ( 3 ) t h eg r o u pe f f i c i e n c yo fp h cp i p ep i l ea n dt h el a wo fl o a d s h a r i n gr a t i oo fc a p sa r ea c q u i r e dw i t h f e m t h ei n t e r a c t i o no f t h e ma n dt h ei e n g t 1 s p a c i n ga n dt h en u m b e ro f p i l e si sm a i n l yr e s e a r c h e d ( 4 ) b yt h ee x a m p l eo fp h cp i p ep i l ei nn i n g c h a n ge x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n g ，t h eo p t i m i z e dd e s i g n o fp h cp i p ep i l ei ss t u d i e db yt h ef o r m , l e n g t h ，n u m b e ra n dl a y o u to fp i l e s ，c a p sa n df j l l e d - i nc o r ea n ds o f o r n l b yt h ea n a l y s i s o fs t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s ta n do b s e r v a t i o no fg r o u pp i l e sp r e s s u r e , t h e a p p l i c a b i l i t yo fp h cp i p ep i l ei ne x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n ga n dt h ef e a sm i l i t yo fo p t i mi z e dd e s i g na r e v a l i d a t e d k e yw o r d s ：p h cp i p ep i l e ，e x p r e s s w a yb r i d g ee n g i n e e r i n g ，d e s i g no fc a p s ，p i l l a r e da n dt i e db a rd e s i g n m o d e lp i p ep i l ew i t hc o r ef i l l e di n , s p a c en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , g r o u pe f f i c i e n c yo fp i - i cp i p ep i l e ， l o a d s h a r i n gr a t i oo fc a p s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 三苎述 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主芝达。导师签名：垂塑垒日期： 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 桩基是深基础的一种，其作用是将上部结构的荷载通过较软弱地层等传递到深处较坚硬的、压 缩性较小的土层或岩层。水泥未问世以前，能利用的桩型只有采用天然材料做成的桩体。1 9 世纪中 叶以后由于水泥的出现和工业的发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始得到应用，于是出现了钢筋混 凝土桩，在2 0 世纪以后，桩基的理论和技术有了更大的发展，桩的应用范围也不断的扩大，出现了 多种桩型。p h c 桩，即预应力高强度混凝土管桩( p r e t e s i o n e ds p u rh 曲s t r e n g t hc o n c r e t ep i l e s ) 就 是近几十年来出现的一种新型基桩。 从1 8 9 4 年h e n n e b i g u e 发明了预制混凝土桩开始，预制混凝土管桩的发展进入了一个全新的时 代，在众多研究预制混凝土管桩的国家中，日本对预应力混凝土管桩的研究、设计、施工、应用都 下了很大的功夫，积累了丰富的经验，是当今预应力管桩方面技术领先的国家。 日本早在1 9 3 4 年就开始制造离心混凝土管桩( r c ) ，而后1 9 6 2 年日本又开发应用了预应力混 凝土管桩( p c 桩) ，开发初期用先张法和后张法同时生产p c 桩，后来以先张法生产工艺为主，6 0 年代末至7 0 年代日本又开发了预应力离心高强混凝土管桩( p h c 桩) 。p h c 管桩开发以来，由于 其优良的质量及多变的适应能力，产量猛增。目前，在日本现在各种基础都大量应用管桩，无论是 市内建设或市郊建设在用桩上都有一套比较好的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质 量、施工安全、企业效益等方面进行综合考虑制定可行的施工方案，这也为管桩可以很好应用提供 了保障。 我国应用预应力管桩最早的地区之一是台湾省，从2 0 世纪6 0 年代开始就大量使用。4 0 年代， 铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径4 0 0 毫米的钢筋混凝土离心管桩，从6 0 年代中期开始批量 生产，而后在铁路工程中大量应用。6 0 年代末为建设南京长江大桥，大桥工程局三处也开始生产预 应力混凝土管桩。1 9 8 0 年日本人在香港设厂制造并应用高强预应力混凝土管桩( p h c 桩) ，从此香 港、澳门等地大量应用预应力管桩。1 9 8 3 年铁道部大桥工程局将在南京生产的管桩运往深圳推广应 用，开创了广东应用管桩的先例。1 9 8 9 1 9 9 2 年，由苏州水泥制品研究院牵头全国11 个单位组成的 管桩规范起草小组编制了我国首部 先张法预应力混凝土管桩g b l 3 4 7 6 9 2 国家标准。建设部自 1 9 9 3 年起，已将“高强预应力混凝土管桩”列入重点推广项目。根据行业的发展，1 9 9 8 年还对国标 g b l3 4 7 6 9 2 进行修订，现修订后的g b l3 4 7 6 19 9 9 已经实施。几乎在同时，上海市也着手编制预应 力管桩设计和施工规范。应用领域已不仅限于珠江三角洲及长江三角洲，凡我国沿海区域、长江、 黄河等江河流域、湖泊软土地区以及有冲积层、坡积层、风化残积层地区都可以应用预应力管桩。 预应力管桩在我国的应用方兴未艾。 我国正处于构建和谐社会的关键时期，为了和谐社会这个新的目标，基础设施的建设也应该紧 跟时代的潮流。交通建设的新阶段对高速公路桥梁桩基础也提出了新的要求，主要体现在以下几个 方面：( 1 ) 高质量要求：桩基的质量不仅关系到建筑物的成败，更关系到人民生命财产的安全。以 往的高速公路桥梁桩基础中大多采用的是灌注桩，但是灌注桩在施工过程中经常会出现许多质量问 题，如：断桩、短桩、缩径、离析、疏松、夹泥、桩底沉渣、混凝土强度达不到设计要求等。这些 因素无疑会给工程造成巨大的隐患，给人民的生命财产安全带来潜在的威胁。( 2 ) 环境保护的要求： 社会的发展应该走以人为本、讲究人与社会、人与自然和谐相处的可持续性发展道路，而不是以牺 牲环境为代价来换取g d p 指数的增长。传统的灌注桩对周围环境影响非常大，排出的泥浆会造成水 东南大学硕士学位论文 污染，并且施工有很大的噪音，会干扰周边居民日常的生活和工作。( 3 ) 工业现代化的要求：工业 现代化要求生产能够实现集成化和工厂化，提高工作效率，实现资源的优化配置。灌注桩作为一种 传统的桩基工艺，科技附加值较低，而且能耗较大，并且其工作效率也并不高，成桩时间比较久， 工期比较长，无疑不符合现在广为遵从的“时间就是金钱，工期就是生命”的施工要求。由于预应 力管桩具有单桩承载力高、应用范围广、成桩质量高、工程造价较低、质量较可靠、长度易调整、 施工速度快、监测方便、监测时间短等优点，目前已广泛应用于工业与民用建筑、铁路、公路、桥 梁、港口、码头等工程中。鉴于以上优点，国内外的行业工作者已经将预应力高强度混凝土管桩作 为一种新型桩基形式在桥梁工程中进行推广表1 1 为预应力高强混凝土( p h c 桩) 管桩常见规格 的力学性能。 表1 1 常用p h c 管桩力学性能表1 1 外径壁厚混凝土强度型 极限弯矩检验值 抗裂弯矩检验值 桩身结构竖向承 d ( m m )h ( m m ) 等级号 m u ( k n 。m ) m c r ( k n 。m ) 载力设计值r p ( k n ) a3 42 3 a b4 52 8 3 0 07 0c 8 01 2 5 0 b5 93 3 c7 63 8 a 7 7 5 2 a b1 0 46 3 4 0 09 5c 8 02 2 5 0 b1 3 57 5 c1 7 48 7 a1 4 89 9 a b2 0 01 2 l 5 0 01 0 0c 8 03 1 5 0 b 2 5 81 4 4 c 3 3 21 6 6 a2 4 61 6 4 a b3 3 22 0 l 6 0 01 1 0c 8 04 2 5 0 b4 3 02 3 9 c 5 5 22 7 6 a 5 5 03 6 7 a b 7 4 34 5 l 8 0 0l l oc 8 06 0 0 0 b9 6 25 3 5 c1 2 3 86 1 9 a1 0 3 06 8 9 a b1 3 9 48 4 5 1 0 0 0 1 3 0c 8 08 9 0 0 b 1 8 0 5 1 0 0 3 c2 3 2 21 1 6 1 p h c 管桩按抗裂弯矩和极限弯矩的大小可分为a 型、a b 、b 和c 型，其中a 型最小，c 型最 大。对于一般的建筑工程，采用a 型或b 型管桩即可。 p h c 管桩具有以下的优点【2 叫： l 、单桩承载力高：由于管桩桩身混凝土强度高，并可打入密实的砂层及强风化岩层，桩尖进入 强风化岩层或密实的砂层后，经过剧烈的挤压，桩尖附近的强风化岩层或密实的砂层已不是原来的 状态，桩端承载力可比原状提高8 0 1 0 0 ，所以管桩的设计承载力比同样直径的沉管灌注桩和钻 2 第1 章绪论 ( 冲) 孔灌注桩取值高，如( i ) 5 0 0 管桩，最高设计承载力用到2 7 0 0 k n ，相当于嘶0 0 和( i ) 7 0 0 的钻( 冲) 孔灌注桩。 2 、设计选用范围广：由于管桩外径规格多，单桩承载力可从6 0 0 k n 达到4 5 0 0 k n ， 3 、对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性较强。因为管桩桩节长短不同，搭配较灵活。 4 、单位承载力造价便宜：管桩每米造价比沉管灌注桩贵，但单桩承载力高，管桩单方混凝土造 价比挖孔桩、钻孔桩高，但持力层比挖孔桩钻孔桩浅，所以每吨承载力造价在一般情况下是最便宜 的。 5 、运输吊装方便，接桩快捷。 6 、成桩长度不受施工机械的限制。管桩成桩长度，短则5 - 6 m ，长则6 0 7 0 m ，可根据地质条件 灵活搭配。 7 、施工速度快、工效高、工期短。尤其是p h c 桩，从生产到使用的最短时间只需3 4 天。 8 、桩身耐打，穿透力强。因为管桩桩身强度高，加上有一定的预压应力，桩身既可承受静压施 工的抱桩力，也可承受重型柴油锤成百上千次的锤击而不破裂，而且可穿透5 - 6 m 厚的密实砂夹层， 从目前应用情况来看，如果设计合理，施工沉桩标准定得恰当，管桩施工的破损率一般不会超过1 ， 有的工地甚至没有一根桩被打坏。 9 、施工文明，现场整洁。 1 0 、成桩质量可靠。管桩是工厂化生产，板身质量可靠，加上耐打性较好，只要按施工要点认真 操作，成桩质量在各种桩基中是最可靠的。 表1 2 为p h c 管桩和其它桥梁桩基常用桩型的主要指标对比p 训。 表1 2p h c 管桩和桥梁常用桩型主要指标比较 主要指标p h c 管桩沉管灌注桩钻孔灌注桩人工挖孔桩 主要承载力侧阻力和端阻力主要靠侧阻力侧阻力和端阻力主要靠端阻力承 方式共同承担承受荷载共同承担荷载受荷载 常用桩径 ( 外径) 3 0 0 - 8 0 0 ( m m )3 0 0 - 8 0 0 ( m m )之8 0 0 ( m m )芝8 0 0 ( m m ) 砂、砾石夹层 3 0 米的砂夹 可穿越土层穿越性好穿越性好 7 0 m 层 软质岩、强风化硬岩土、密实砂 进入持力层中微风化岩中微风化岩 岩层和碎石层 由上可见，预应力管桩不但可以满足桥梁桩基的要求，而且其造价低廉，经济性也较好。但是 预应力管桩目前主要应用于工业与民用建筑地基处理，在高速公路桥梁工程中尚未得到应用推广。 预应力管桩应用于高速公路桥梁工程中，在设计、施工和检测方面，均存在不少工程技术问题，主 要表现在以下几个方面： 1 、现行规范问题：我国尽管颁布了预应力管桩的生产制作标准 先张法预应力混凝土管桩 ( g b j1 3 4 7 6 9 2 ) ，但关于管桩的勘察设计和施工方面，国家目前尚无统一的规范。广东省于1 9 9 8 年 制定了广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程，但该标准主要是针对珠江三角洲地区基岩埋 藏浅，风化严重，风化层较厚且采用环击贯入法施工的管桩而制定的。而华东沿海地区多为深厚淤 泥层土质，两者土质情况相差太大，因而无法参照使用。因此目前广大技术人员在高速公路桥梁工 程中设计管桩基础时尚无国家规范可执行。 3 东南大学硕士学位论文 2 、设计理论问题：高等级公路桥梁工程桩基础设计主要以灌注桩为主，对预应力管桩在公路荷 载作用下的设计方法、稳定计算、变形分析等问题均缺乏系统研究。 3 、对于在沿海、沿江地区广泛分布的各类典型的软弱土地基，其主要特点是含水量极高、孔隙 比大、属于高压缩性土，承载力极差。在这类软弱土地基中桥梁管桩基础如何合理设计应进行进一 步的深入研究。 综上所述，p h c 桩在桥梁桩基础中的应用和普及还存在许多问题，其作为一种有广阔应用空间 和发展潜力的新型桩基，需要对其存在的问题进行深入的研究并找到合适的解决途径。本文以江苏 省宁常高速公路汤庄分离式立交桥工程为依托，通过现场试验、室内数值模拟和理论分析，分析了 预应力管桩在高速公路桥梁工程中的应用问题，着重研究桥梁工程中p h c 桩基础的优化设计，进一 步完善其设计方法和理论，为预应力管桩在高速公路桥梁工程中的推广应用提供参考。 1 2 桩基础优化设计研究 自2 0 世纪初，米歇尔( m i c h e l l ) 发表了题为“桁架结构材料最省问题”的论文，提出了m i c h e l l 架的优化准则，这标志着结构优化的诞生。桥梁桩基础的优化设计，通常将承台和桩、土分开来进 行考虑，这样的分析难以全面反映桩承台土之间的相互作用体系。因此，研究高速公路桥梁工程中 p h c 桩基础的整体优化问题无疑具有重要的理论与工程实际意义。目前国内外对桩基础优化设计主 要进行了以下一些工作。 周( ykc h o w ) 和赛文( vt h e v e n d - r a n ) u 1 ( 1 9 8 7 ) 按优化理论对群桩进行优化设计，目标函数 为群桩的桩长总和最小，约束条件为群桩中的各桩桩顶荷载相等，群桩刚度不变( 相对于优化前的 方案) 。 朱永华等i s ( 1 9 9 5 ) 提出变截面优化桩的概念，利用有限单元法和数学规划方法相结合，得到了桩 的截面面积随深度变化的最优曲线，达到最轻重量设计的目的。 盛永旺等t g ( 19 9 5 ) 采用桩数变化系数变量技术建立了桩基优化显函数式的优化数学模型，采用分 级优化求解，并结合专家工程库进行拓扑优化。 宰金珉i l 叫( 1 9 9 5 ) 对符合桩基及其设计方法进行研究，提出桩土共同作用机理并明确分担荷载的 符合桩基，提出了整体承载力和沉降量双重控制的优化设计方法。 周锡掣1 1 1 ( 1 9 9 9 ) 从桩基内力分布入手，用序列二次规划法求解最少桩数下的基桩内力最优布置。 刘金砺等1 1 2 ( 2 0 0 0 ) 提出土土、桩土、桩桩相互作用影响计算修正模型，应用于高层建筑地基 基础上部结构共同作用计算，工程验证表明实测沉降等值线与计算接近；并提出共同作用变刚度调 平优化设计概念与方法，应用于7 项工程，收到了大幅节约桩基造价、减小差异沉降的效果。 魏芳1 1 3 ( 2 0 0 6 ) 聚j 灌注桩合理的桩间距布置进行了分析和研究，通过大量的数值模拟发现在达到 群桩承载力安全范围内的情况下，合理地减小最小桩距，优化设计有一定的经济意义。 赵明华等 4 1 ( 2 0 0 7 ) 在高桥墩桩基屈曲能量法分析的基础上，提出兼顾结构稳定、强度和经济性 的优化模型。 上述研究，虽从各方面来获取对桩基的优化结果，但总的来说还远远没有达到实用阶段，考虑 的因素也较少，其次对桩土承台共同作用机理认识不清楚。因此，本文拟在现有桩基设计理论的基 础上通过大型有限元分析软件f l a c 对高速公路桥梁工程中的p h c 桩基础进行数值模拟，实现p h c 桩基础设计的优化。主要就以下几个方面进行优化设计研究：p h c 桩承台优化设计、管桩填芯补强 设计优化、考虑群桩效率系数和承台荷载分担比的桩基础布置优化。要进行桩基础的优化设计必须 对其设计理论进行深入分析和理解，我们对先前学者的相关成果进行介绍。 4 第l 章绪论 1 2 1 承台设计研究 桩基承台的作用是将上部荷载安全可靠的传递到桩体中去，也就是起到承上启下的作用，所谓 。承上”就是它要承担柱子的内力轴力、剪力和弯矩；所谓“启下”就是如何把柱子的内力轴 力、剪力和弯矩安全可靠的传递到桩的全截面上去。作为其传递荷载作用的结构构件来说，其传力 途径直接影响到结构构件的受力性能。力的传递路径越短，结构的受力性能越好，从而可以最大限 度的发挥材料的效率。在传递竖向力时，使结构处于轴心受压状态能在最大限度发挥材料的强度， 因为这时传力路径最直接，截面均匀受压。 承台的性能直接影响建筑物的安全，但是目前的设计并未按照承台的实际受力进行。桩基承台 应力分布较为复杂，目前各国规范仅对承台设计做了一些原则性的规定，相互差别较大。对于桩基 的桥梁承台一般从传力模式和破坏模式来分有两种设计方法：第一种把桩和承台看作一般的受弯构 件，进行受弯、受冲切、受剪切承载力计算，考虑跨径比的影响对承载力公式进行修正，国内外现 行的建筑桩基技术规范、公路桥涵地基与基础设计规范、钢筋混凝土承台设计规程、美国混 凝土协会、前苏联规范采用该设计方法；第二种是根据厚承台空间受力特点，建议采用撑系杆模型 进行分析，认为荷载主要是由承台内应力流方向的混凝土和钢筋构成的桁架来承担，国内外现行的 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范、加拿大规范、英国规范、美国公路桥梁规范采用 的是此设计方法。 承台设计的关键在于确定承台的传力模式和破坏模式。近年来随着国内外对桩基承台受力机理 研究的进一步深入，空间桁架模型得到广泛研究人员的验证。普遍认为这种理论将成为桩基承台设 计的可靠依据。 空间桁架理论最早由r i t t e r l l 5 于1 8 9 9 年首先提出，接着m o r e s c h 在1 9 0 2 又对该理论进行了相关 的改进。随着世界范围内土木建筑建行业的发展，各国学者对拉压杆的理论进行了越来越多的探索， 取得显著的理论成果。 m i t c h e l l 和c o l l i n s ”1 ( 1 9 7 4 ) 将空间桁架理论应用于预应力混凝土受弯构件，进行了相关试验，得 出关于预应力混凝土抗剪设计的新方法。并且c o l l i n s 和v e c c h i o 一起改进了理论，创建了压应力场 理论。 c o l l i n s 和p a k u c h m n 【l 习( 1 9 8 6 ) 对桩基承台又做了更深入的研究，认为a c i 过分强调承台有效厚 度这个参数，而空间桁架模型较准确地描述了桩基承台的受力特性。 1 9 8 7 年，s d b a l e x a n d e r 和s h s i m m o n d s l l 6 又提出一种桁架破坏机理。它是基于斜裂缝出现 后，受拉钢筋成为拉杆，而斜向受压混凝土成为斜压杆的桁架模式，最后的冲切破坏是由于桁架的 拉杆破坏或斜压杆的破坏而形成，这一理论在国外引起人们的关注，但斜压杆的倾角，拉杆所含钢 筋的数量等参数对冲切破坏的影响，有待进一步研究。 p e r r y a 等 1 7 ( 1 9 9 0 ) ：1 进彳- 丁t6 个承台模型试验，研究表明：承台不同于宽梁，其主要的抗剪机理 是压杆效应而非梁效应，拉压杆模型能较准确地反应承台的受力特性。压杆的破坏不会出自混凝土 的受压破坏。而是由于压应力在拉杆扩散引起横向拉力，使压杆纵向劈裂而破坏。 ad e b a rp 等【1 8 1 卵( 1 9 9 0 ) 介绍了6 个大型桩承台的双向剪切破坏试验结果，并与属于截面力法的 a c i 建筑规范和采用拉压杆模型的加拿大规范进行了比较。并且其在原有工作基础上，根据4 8 个桩 承台试验结果进行分析，提出了基于拉压杆模型的厚承台设计方法。 s i a owe n b i n 等【2 0 j ( 1 9 9 3 ) 贝u 将拉压杆模型用于分析深梁和厚承台的受力情况和承载力计算，并进 行了精度分析。 概括起来，国外近期研究表明：采用桁架模型为理论基础的分析研究是很有前途的，至少可 以定性地解释承台的传力机理与破坏模式；纵向钢筋的数量与配筋方式对承台的承载力有较大的 影响，在承台受冲剪承载力计算时，应考虑纵向钢筋的有利影响，钢筋集中布置在桩径范围内比钢 5 东南大学硕士学位论文 筋均匀布置于承台内承台承载力要高；传统的设计方法对承台厚度的作用估计过高，这可能是导 致工程中常常采用厚承台的主要因素之一；在厚承台中，压杆的破坏不会出自混凝土的受压破坏， 而是由于压应力的扩展在压杆中引起横向拉力，使压杆产生纵向劈裂而破坏，因此在厚承台中适当 增加柱子的支承面积可有效地提高承台的抗剪能力；下一步的工作重点将是提出基于桁架模型的 桩承台设计计算方法。 2 0 世纪8 0 年代以来桩承台的研究在国内越来越得到重视，许多单位开展了这方面的工作。主要 表现在以下三个方面：把承台当作一般的双向板，用弹塑性理论分析其力学性能和极限承载力： 基于大量的足尺或缩尺试件的试验研究和平面有限元或三维非线性有限元方法，分析承台的受力 特性、传力机理和极限承载力；在普通桩承台的混凝土基体中掺入适量钢纤维，制成钢纤维混凝 土桩承台，研究其力学性能和极限承载力。 沈景华，蒋大华口u ( 1 9 8 4 ) 应用钢筋混凝土板的塑性铰线理论，按机动法基本原理，研究了三、 四、五、六桩承台弯曲破坏时的极限承载力，推导了抗弯强度上限解并给出了相应的计算方法。 王家宽等1 2 2 ( 1 9 8 7 ) 在试验研究的基础上，根据试件最典型的破坏形态，给出了桩承台的抗剪切、 抗冲切和抗弯承载力计算方法。抗弯承载力计算仍然采用传统的梁板受弯模式，利用极限平衡方法 求得与规范公式类似的抗弯承载力计算公式，但公式中考虑了柱子截面尺寸的约束影响。同时，按 拱式受力体系分析了承台的受剪承载力，根据6 9 个试件的试验结果，利用最小二乘法求得承台的受 剪承载力计算公式。试验发现，一般常用的桩基承台，其冲切往往是角桩起控制作用，并利用3 4 个 试件的试验数据，推导了角桩对承台冲切的一般表达式。二、三、四、六桩承台的试验研究。结果 表明，当承台厚度较小时，破坏带有明显的弯曲特征；当承台厚度较大时，表现为冲剪破坏。并且 从实测的钢筋应变值来看，承台底部拉应力的传递主要集中在桩径范围内。由此建议厚承台的设计 方法是，由抗冲剪计算确定承台的厚度，根据空间桁架模型求解拉杆的拉力与钢筋用量。 季静等“刮( 1 9 9 5 ) 人对2 ，3 ，4 ，6 根桩基承台进行了试验研究，结果表明：所有试件均为剪切破 坏：桩冲切和柱冲切是同一种破坏形态下局部与总体的区别。随承台厚度的增大，破坏形态由弯剪 转为冲剪破坏。厚桩承台的传力模式为空间桁架，钢筋集中布置在桩间比板式均匀布置更合理。 武汉工业大学的李继翔，谷储j ：( 1 9 9 6 ) 口4 q 副介绍了钢纤维混凝土三、四桩承台的试验研究和三维 非线性有限元分析情况，其主要结论是：钢纤维的掺入可提高承台的受冲切承载力，减小承台的 厚度，改善承台冲切破坏的脆性；厚承台的受力特性不同于一般的受弯构件，建议计算模型采用 空间桁架模型；钢筋配置方式对承台极限承载力的影响不容忽视，合理的配置方式可有效地提高 承台的承载力，钢筋集中布置在桩径范围内比均匀布置在整个宽度范围内的承台承载力可提高约 1 7 ；根据试验数据回归，给出了钢纤维混凝土三桩、四桩承台受冲切承载力计算公式，根据桁 架模型得到纵向钢筋计算公式。 郭宏磊等【2 列( 1 9 9 7 ) 通过比例是l 5 的6 桩厚承台模型试验表明：承台的破坏以冲切破坏为主的 弯一冲破坏，属脆性破坏：钢筋布置对承载力有明显影响；其受力体系为空间桁架。 赵飞宇、蒋永生等瞄剐( 1 9 9 7 ) 通过圆柱体试验和有限元法模拟承台斜压杆的应力场，得到影响承 台抗冲切承载力因素和计算公式，给出承台和筏板的设计建议：局部不能满足抗冲切承载力时，优 先采用承台和筏板中腹部斜压杆处配置水平钢筋网片、空间型钢骨架或两者并用方法提高承台和筏 板局部的抗冲切承载力；承台和筏板下部纵筋集中布置于桩顶拉杆区域时，中间板带应按构造配置 分布筋。同时通过实际工程验证了该设计方法的合理性。 东南大学的梁书亭等( 1 9 9 8 ) 1 2 9 1 通过对桩承台空间桁架试验数据的曲线拟合，得到承台斜压杆承 载力计算公式，并通过对l 块混凝土6 桩承台，2 块不同布筋形式的钢筋混凝土6 桩承台受冲切试 验研究，指出承台的受力机理是空间桁架理论。 童敏、彭少民等l l ( 2 0 0 5 ) 通过对2 5 个三桩厚承台研究，得到如下结论：厚承台的延性较差，后 6 第1 章绪论 期变形能力不足，不能形成塑性铰线；厚承台的破坏形态随冲跨比的减小，从弯曲破坏到弯剪破坏， 最后发展为冲切破坏；钢纤维掺入可以提高承台的延性和极限承载力；给出了三桩厚承台空间桁架 模型的具体形式，提出了相应的计算方法。 综上所述，目前大多数学者认为空间桁架模型可以很好的解释承台尤其是厚承台的传力机理， 现在对于桩基承台的研究和应用，主要向空间桁架模型理论以及由此而对应的承台捧系杆设计模式 靠拢。国内外学者对承台的传力机理有了较清楚的认识，在承台受力特性的定性分析上取得比较大 的进步，但对根据承台的受力特性建立系统的计算公式却仍没有很好的办法，基本停留在经验公式 的水平上。根据空间桁架模型理论，国内外承台设计的规范大不相同，但都过分强调承台厚度对承 载力的影响，承台的厚度往往过大。在撑系杆设计体系中准确的确定承台的最小配筋率有着重要的 实际工程意义，因在符合空间桁架和撑系杆设计模式的承台中，按撑系杆设计体系所得配筋量往往 大于按梁式体系的计算值，有必要通过试验和理论分析对此问题做进一步论证。对于受力特性比较 复杂的桩承台，很多研究者通过理论分析和大量的试验研究，采用了满足工程精度要求的半理论、 半经验的设计公式取得了很好的效果，为问题的解决提供了一条有效的途径。考虑p h c 桩承台中承 台桩特殊的连接方式，如果以空间桁架和撑系杆设计模式为基础，通过理论分析和试验研究建立 p h c 承台优化设计模型不失为其找出理想的设计计算方法。 1 2 2 管桩填芯研究 高速公路桥梁中的桩基与建筑桩基主要区别是：水平向荷载较大，而相对于灌注桩来说p h c 管 桩的截面惯性矩较小，极限抗弯、抗剪能力较差，这成为其在桥梁工程中广泛应用和推广需要突破 的一个瓶颈，如何增强其抗弯、抗剪承载力是一个很值得研究的问题。预应力混凝土管桩桩身材料 强度高，工厂生产质量有保证，轴向有预压应力，接口处的强度大于桩身强度，因此认为其是抗震 型管材，其应用在七级及以下地震区是没有问题的，但是对于八级或以上地区，就必须对其进行抗 震设计，1 9 7 8 年日本宫城县发生地震，仙台很多管桩发生了剪切和剪弯破坏这个实例表明，管桩 的耐震问题不容忽视，因采取相应措施。地震发生时，桩基础结构中考虑桩土之间的相互作用，毫 无疑问，最大剪力发生在桩和承台的结合处，最大弯矩也发生在桩的上部，因此开展对桩头结合部 的抗弯、抗剪承载力研究很有必要。很多学者研究通过填芯补强的措施来增强其抗剪和抗弯承载力。 管桩桩芯补强指的就是利用管桩的原有的内腔空间，在桩芯内现浇钢筋混凝土形成管桩芯桩，芯桩 与原来的桩基作为一个整体来共同工作。对于管桩填芯补强，国内学者主要进行如下研究： 胡军、汤耘1 3 0 1 ( 2 0 0 1 ) 对出现倾斜质量的管桩填芯补强方法进行了介绍，依据具体的工程实践， 对出现倾斜和裂痕的管桩进行填芯补强的处理方案。 吴纪宁等 s u ( 2 0 0 5 ) 对桩芯补强技术在预应力管桩加固中的应用进行了比较系统和全面的介绍， 对于填芯的材料、施工工艺流程、填芯的效果等进行了全面的介绍。 管桩在建筑桩基中的普及程度远远高于公路桥梁，一个重要的问题是管桩不能提供足够的抗剪 抗弯承载力。采取填芯补强的方法对受荷管桩不利的位置进行补强，使其满足工程的需要。在确定 其最不利的剪力及弯矩的位置以后，采取填芯的办法来对其进行加强。很多学者已经开展了填芯管 桩的力学性能研究。 汪加蔚等 3 2 ( 2 0 0 4 ) 人对预应力混凝土管桩的填芯混凝土抗拉强度进行试验研究，并提出了相应 的计算公式，对管桩在有抗拔要求的工程应用中的桩设计提供了很好的试验依据和数据参考。 张忠等 s 3 1 ( 2 0 0 7 ) j k 考虑管桩在工作环境中可能一侧受压一侧受拉，为了给设计提供试验依据和 理论基础对管桩填芯混凝土的轴拔试验及桩端应力分析。 宋寅等 3 4 1 ( 2 0 0 7 ) 人通过试验论证了填芯混凝土可以大幅度提高其抗弯承载力和延性性能，并推 导出填芯混凝土抗裂弯矩和抗弯承载力的计算公式，为工程设计和计算提供了很多有益的参考。 7 东南大学硕士学位论文 李建宏和盛海等p 刘( 2 0 0 7 ) 人采用非线性的有限元模拟方法对填芯混凝土对管桩抗剪强度的影响 进行了数值模拟，发现在填芯以后管桩极限抗剪强度提高了3 0 。 众多学者通过管桩填芯的试验和理论研究，对管桩填芯之后的工程性能有了更深的了解，这也 为利用填芯的方法扩大管桩的应用范围提供了科学的依据。本文通过填芯和非填芯管桩的极限弯矩 和极限抗剪承载力的对比研究，来指导管桩的设计和应用。当前需要解决的问题是怎么在了解这些 工程性能的基础上更好的将管桩进行推广和应用，对桩基设计进行优化。由于高强度预应力混凝土 管桩水平承载能力的欠缺一直是其在桥梁桩基础中推广所需要突破的瓶颈，许多研究者从用以处理 桩基事故的填芯补强方案入手，开展管桩填芯的研究，通过理论计算和大量的试验研究，对于填芯 管桩的力学特性有了比较深入的了解，分别提出了极限抗弯承载力、极限抗剪承载力、极限抗拔承 载力的计算公式，并通过有限元的模拟验证了公式的正确性，为高强度预应力混凝土管桩在工程中 的应用提供了比较完善的力学性能参数。上述试验都是将管桩