（工程力学专业论文）嵌岩桩承载性能研究及影响桩设计因素分析.pdf

摘要 由于桩与土相互作用的复杂性，通过桩基的试验及检测来考 察桩的承载特性依然是非常重要的手段。本文着重介绍了桩基 的几种检测方法，特别是高、低应变与静载试验结合的检测及 数据处理方法。通过对埋设测试元件的嵌岩扩底桩进行高、低 应变和静载试验，分析研究嵌岩扩底桩的承载特性，并对其的 侧摩阻力与端阻力的发挥性状进行探讨。同时工程条件复杂，试 验经费过于庞大，原型桩的试验过于困难等的限制，桩基的数 值计算也是非常必要手段之一，本文通过a n s y s 分析计算嵌岩桩 的q s 性态和影响嵌岩桩沉降的因素。在实践应用方面，从桥 梁桩基础设计角度出发，着重分析了影响单桩承载力、纵横向 刚度、桩基沉降的几个主要因素。 关键词：静载试验；低应变；a n s y s ；单桩承载力；纵横向 刚度；桩基沉降 硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l e sa n d s o i l ，t e s t i n gt ot h ep i l e si ss t i l lt h em o s ti m p o r t a n tw a yt oc h e c ko u t t h eb e a r i n gt r a i to ft h e m i nt h i sp a p e r ，s o n l et e s t i n gm e t h o d sh a v e b e e ni n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h et e s t i n gm e t h o dw h i c hc o m b i n e st h e h i g h ，l o wr e s p o n s et e s ta n dt h ef i e l db e a r i n gt e s t ，a n dt h em e t h o d s o fd a t ap r o c e s s i n g t h r o u g ht h eh i 曲，l o wr e s p o n s et e s ta n dt h e f i e l db e a r i n gt e s to fr o c k s o c k e t e da n de x c a v a t e db e l le dp i l e sw i t h e m b e d d e dt e s te l e m e n t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a r i n gc a p a c i t ya r e a n a l y z e d t h ea c t i o no fl a t e r a lf r i c t i o nr e s i s t a n c ea n de n dr e s i s t a n c e o ft h eo n e sa r ed i s c u s s e dt o o b u ta tt h es a m et i m e t h ec o m p l e x i t y o fp r o j e c tc o n d i t i o n ，t h el a r g eo u t l a ys p e n d i n go ft e s t i n ga n dt h e d i f f i c u l t yo fp i l eb a s et e s t i l 3 9m a k et h en u m e r i c a la n de m u l a t i o n a l a n a l y s i sb e c o m ea n o t h e rn e c e s s a r yw a y i nt h i sp a p e r , b yt h eh e l po f s o f t w a r ea n s y s ，t h eq - sc u r v eo ft o c k s o c k e tf i l l i n gp i l e sa n d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es e d i m e n t a t i o n so fr o c k s o c k e tf i l l i n gp i l e s a r ea n a l y z e d i nt h es i d eo fa p p l i c a t i o n ，s o m ei m p o r t a n tf a c t o r s a f f e c t i n gs i n g l e p i l ec a r r y i n gc a p a c i t y , v e r t i c a la n dh o r i z o n t a l t o l e r a n c eo fp i l e sa n d p i l es e d i m e n t a t i o n sf r o mt h ep o i n to fv i e wo f d e s i g no fb r i d g ep i l eb a s ea r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：t h ef i e t db e a r i n gt e s t ；t h el o wr e s p o n s et e s t ；a n s y s s i n g l e p i l ec a r r y i n gc a p a c i t y ； v e 。r h c a la n dh o r i z o n t a lt o l e r a n c e ； p i l es e d i m e n t a t i o n s i i 】 独创性声明 y9 2 8 7 6 0 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：彳敝签字日期：洳“年月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌文学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：橄 签字日期：6 年f 月c 7 日 导师签名：布之彳藩 签字日期：沙c 年月p 日 硕士学位论文 第一章绪论 本章阐述了国内外对桩基础动测和嵌岩灌注桩研究现状，提出本论文的意 义、主要内容和方法。 1 1 国内外研究现状 1 1 1 桩基础动测 近年来，国内外在桩基础检测方面越来越偏重具有检测迅速，对桩无损坏的 动测方法。自2 0 世纪7 0 年代j 斯坦巴克等提出了应力波传播法以来，已广泛应用 于实际。我国的低应变动力测桩法及其观测系统是从8 0 年代后期研究发展起来 的，并且己经取得了一系列可喜变化，这种变化不仅表现在国产检测设备及国内 研究水准已与国外相差无j l ，更多的则表现在正确的动测技术已得到了极大地推 广和贯彻，表现在广大测试人员对于各种桩基动测方法的合理运用与理性思维。 1 9 9 5 年1 2 月j 日起我国施行了基桩低应变动力检测规程( j g j t 9 3 9 5 ) 6 l ，规 程列入了反射波法、机械阻抗法、动力参数法和声波透射法来检测桩的结构完整 性和推算单桩承载力。其中低应变反射波法r 自i j 应用最广泛，但实际工作中测试 得到的各种曲线是很复杂的，分析时需要结合地层的地质条件，充分了解成桩工 艺、护壁的尺寸、材料和桩周土的性质等，消除各种干扰因素的影i 响。国外诸如 英国、西德、荷兰、美国等国家都先后制订颁布了桩的动力检测规程。第十一届 国际土力学会曾于会前做过调查，当询问到桩的质量测定用什么方法时，有2 5 的专家认为可以使用动力测试法，欧洲使用动力试桩的人数己超过静力试桩的人 数。西德土力学基础工程学会a k 5 分委员会“关于桩的动测建议”提到动测结果 不仅取决于仪器，而且在很大程度上还取决于检测人员的经验和技术，对于桩结 构完整性试验，即使有经验的专家也可得到下面不同的结论：完整桩：缺陷桩 可能有缺陷；实测信号无法解释。现在通常采用动测与静测相结合的办法， 全部桩都要进行动测确定其完整性，抽少部分进行静测以确定其承载力。 1 1 2 嵌岩桩 硕士学位涂文 嵌岩桩作为一种特定的桩基类型在我国，从九十年代开始得到了广泛的应 用和研究，嵌岩桩特性的理论研究和嵌岩桩的工程应用国内外均有大量的报道。 在国内卜2 ：在 提岩桩的定义方面，桩端嵌入岩体中的桩称为嵌岩桩，不论岩体 的风化程度如何只要桩端嵌入岩体巾均可称为嵌岩雌， 扼入不同特性的岩体中 的嵌岩桩其特性的差异是由岩体特性的差异所引起的。关于嵌岩桩嵌岩段剪应 力分布模式的研究围内外均进行了不少的研究，归结起来 获岩桩嵌岩段剪应力 沿侧向从上向下分布模式有三种：上大下小分布式上小下大分布式两头 大中间小分布式。关于对最优嵌岩比的理解问题若不讲条件地确定嵌岩桩最佳 嵌固深度，而一律将壤佳嵌固深度定为3 倍桩径的提法似乎不够合理，且易产 生误导作刚。- 由此可见嵌岩桩最佳嵌固深度是随着嵌岩桩所嵌岩体特性的不同 而不同，不可一概而论。在嵌岩桩承载力方面，认为嵌岩桩承载力是由嵌岩桩嵌 岩段承载力并【i 嵌岩桩非嵌岩段承载力组成，通常认为由于嵌岩桩f 获岩，嵌岩桩非 嵌岩段承载力要降低，这一观点已被建筑桩基技术规范c j g j 9 4 9 4 ) m 1 所采 用。嵌岩桩所嵌入的岩体状态对嵌岩桩工作特性存在很大的影响，从某种意义 上讲岩体的状态决定了嵌岩桩的工作特性。在软质岩体和硬质岩体上嵌岩桩的 工作特性有较大差别，这种差别的本质原因来自于岩体的状态。描述嗽岩桩所 嵌入的岩体状态包括两方面：嵌岩桩嵌岩段岩体状态嵌岩桩桩底岩体状态。 但对嵌岩深度的选择，以及嵌岩深度对嵌岩桩承载力性状的影响如何众说纷纭， 对嵌岩桩受力机理和工作特性的研究一直不很充分，在桩的荷载传递机理和承 载力特性方面：只有在桩端、侧阻共同作用概念的基础上，才能解释清楚嵌岩 桩承载机理和工作特性。依靠经验分析和数据统计，只能得出一些粗浅的定性 概念，得到嵌岩桩的工作机理受嵌岩桩的单桩承载力，桩顶沉降与桩侧土层土 性、岩层岩性、桩身混凝土的弹性模量、截面尺寸以及施工工艺、桩端清底程 度等因素影响，还随荷载施加方式和时间的变化而变化，但在影响的l 幅度方面研 究文章还很少。在国外 3 13 9 ：对嵌岩桩工作特性的理论研究方而，刁i 沦是在漩 岩桩工作特性分析的有限元计算，还是在嵌岩桩工作特性试验方面均进行了大 量的研究工作，特别需要一提的足b e n m o k r a n e 等人，通过嵌岩桩模型试验说 明，在嵌岩桩桩底存在岩体软弱夹层面时，夹层面倾角不同对限岩桩的极限承 载力影响也不同，但如何考虑其影响一有待进一步研究。国外著名学者 硕：l 学位论文 r 。e g o o d m a n 提出了综合考虑荷载水平、桩体强度、岩体结构强度和桩与围岩 接触性状的嵌岩桩竖向承载传递规律。考虑到嵌岩桩的承载能力主要依靠嵌岩 段的发挥，不计桩与土之间的侧摩阻力，但公式c p 未考虑桩与围岩间的粘结力。 然而嵌岩桩理论研究同时还存在许多问题等待我们去研究和发展，特别是嵌岩 桩所嵌岩体特性对嵌岩桩：l ：作特性影响的研究应引起科研人员的高度重视。总 之，在嵌岩桩理沦研究中，岩体特性对嵌岩桩工作特性的影响还研究不够充分， 工作特性试验研究的进一步发展，一些偏面认识会逐步加以修正，显而易见今后 对嵌岩桩工作特性的研究重点将转移到嵌岩桩所嵌岩体特性对嵌岩桩工作特性 的影响上来。在理论计算方面，虽然七十年代以来，国p j ? , 1 - 许多专家、学者对嵌 岩桩的工作性状做了大量的研究工作，但由于试验经费过于庞大，原型桩的试 验过于困难等原因，所以研究成果不是很理想。在这种情况下，对嵌岩桩的理 论计算成为研究、探索和解决问题的一种有效方法。荷载传递法、弹性理论法、 剪切位移法、有限单元法理论计算方法都有大量的改进和应用，特别是有限单 元法的应用更是起到了举足轻重的作用，在土工问题分析中得到愈来愈多的应 用。 硕士学位论j 1 2 研究意义、主要内容和方法 建筑桩基技术规范( j 6 j 9 4 9 4 ) ”o 提出了根据桩侧阻力计算嵌岩桩承 载力的方法，但还远不能解释嵌岩桩桩侧阻力的作用机制和嵌岩桩的承载变形 特性，需要进一步的探讨。本文试着从试验手段和有限单元法计算手段得出具体 拟建工程中嵌岩桩桩侧阻力的作用机制、嵌岩桩的承载变形性状特征和采用规 范中计算方法对影响桥梁桩基础i 殳计的三个方面的主要因素进行计算分析，以 便指导桥梁桩基础设计提供参考。 ( 1 ) 桩的试验和检测方法：桩的试验和检测依然是获取桩的设计参数的非 常重要的手段。本文介绍桩的动测与静测相结合的试验方法和数据处理方法。 具体采用的方法是( a ) 低应变测静载试验前后试验桩和锚桩的完整性，以确定 桩是否处于正常工作。( b ) 高应变测试验桩的极限承载力，并与竖向静载试验 测得的极限承载力进行对比。( c ) 在试验桩埋精确定位功能的锥形环，通过滑 动测微计法对考桩的桩侧摩阻力与端阻力的发挥性状进行探讨。( d ) 水平静载 试验测试验桩水平极限承载力。 ( 2 ) 桩的数值计算和岩土的本构：对桩的岩土的本构模型和数值计算方法 进行介绍。 ( 3 ) 有限元分析软件a n s y s 在嵌岩桩基础的问题中的应用：利用有限元分 析软件a n s y s 对嵌岩桩的沉降特性及影响因数进行计算分析。 ( 4 ) 桥梁基础的桩设计方面：桩基础的设计除应检算单桩侧面土的承载力和 桩底士的承载力以及群桩周围土的承载力外，还应检算桩身材料的强度和桩身的 稳定性。本文采用规范中计算方法对影响桥梁桩基础设计的三个方面的主要因素 进行计算分析，为指导桥梁基础的桩设计提供参考。 4 硕士学位论文 第二章桩的试验和检测方法 本章阐述了目前桩的试验和检测主要方法并根据实践介绍了桩的动测跟静 测相结合的试验方法及数据处理方法。 2 1 - 1 静载试验”0 】 2 1 桩的试验和检测方法 通过反力装置用千斤顶给桩施加竖向荷载，桩顶沉降量采用大量程百分表或 位移传感器量测。静载试验可确定桩的承载力，单桩竖向抗压静载试验可以确定 单桩竖向抗压极限承载力，单桩竖向抗拔静载试验可以确定单桩竖向抗拔极限 承载力，单桩水平静载试验确定单桩水平承载力，结合在桩身和桩端预埋测试元 件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身轴力等。 静荷载试验方法按提供反力的方式可分为：锚桩法、堆载法、锚桩一堆载法。 按加载时间可以分为慢速维持荷载法、快速维持荷载法、循环加载法、等贯入 速度法、等时间问隔加载法、终级衙载长喇间维持法等试验方法。 ( a ) 单桩竖向抗压静载试验 试验加卸载办法 工程中最常用的是慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载值为单桩承载 力设计值的i 5 i 8 ，当每级荷载下桩顶沉降量小于0 i n l i l l h 时，则认为己趋 稳定，然后施加下一级荷载直到试桩破坏，再分级卸载到零。对于工程桩的检 验性试验，也可采用快速维持荷载法，即一般每隔l h 加一级荷载。 试验终止加载条件 当出现下列情况之一时即可终止加载： ( 1 ) 某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5 倍； ( 2 ) 莱级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的2 倍且经2 4 小时尚未达到相对稳定； ( 3 ) 试桩的累计沉降量超过4 0 m m 。 ( 4 ) 锚桩的上拔量超过6 r a m 。 ( 5 ) 已达最大要求加载值。 极限承载力取值办法 ( 1 ) 根据沉降随荷裁的变化特征确定极限承载力；剥于陡降型q s 曲线取 q j | ；l l 线发生明显陡降的起始点( 注：取旦1 曲线发生明显陡降的起始点的这 利t 方法的缺点是作图比例将影响q s 曲线的斜率和所选的q ，因此宜按一定的 做图比例，一股可取整个图形比例横：竖= 2 ：3 或采用切线交汇法即取相应于 g s 曲线始段和末段两点切线交点所对应的荷载做为极限衙载o 。) ； ( 2 ) 根据沉降量确定极限承载力；对于缓变型q s 曲线一般可取s = 4 0 r a m 对 应的荷载； ( 3 ) 根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力：取s i g t 曲线尾部出现明 显向下弯曲的前一级荷载值。 ( b ) 单桩水平静载试验： 试验加卸载办法 一般采用单向多循环加卸载法，每级荷载增量约为预估水平极限承载力的 l l o l 1 5 ，根据桩径大小并考虑土层软硬，对于直径3 0 0 1 0 0 0 f i i n 的桩，每 级荷载增量可取2 5 2 0 k n 。每级荷载施加后，恒载4 m i n 测读水平位移，然后 卸载至零，停2 m i n 测读残余水平位移，或者加载，卸载各l o m i n ，如此循环5 次，再施加下一级荷载。对于个别承受长期水乎荷载的桩基也可采用慢速连续 加载法进行，其稳定标准可参照竖向静载试验确定。 终止d h 载条件： ( 1 ) 桩身折断： ( 2 ) 水平位移超过4 0 m m 。 承载力取值办法 ( a ) 单桩水平i 临界荷载取值 ( t ) 取h 。一f x 。，曲线出现突变( 相同荷载增量的条件下，出现比前一级明 显增大的位移增量) 点的前一级荷载为水平临界荷载； ( 2 ) 取。一战。砜曲线第一直线段的终点或l o g h 。一l o g x 。曲线拐点所 列应的荷载为水平i 临界荷载。 6 硕二| ：学位论文 ( b ) 单桩水平极限荷载取值 ( 1 ) 取风一f z 。曲线明显陡降的前一级荷载为极限荷载； ( 2 ) 取日。一z 。打。曲线第二直线段的终点对应的荷载为极限荷载。 地基土水平抗力系数的比例系数m 值确定。 地基土水平抗力系数的比例系数，”值根据现场水平推力静载试验确定时可 采用线弹性地基反力法求得。当对桩顶施加水平力n 并测得相应的桩头水平位 移氓，根据m 法中的关系式及公式( 1 ) 即可求得m 值。 皿，：h - c r a o( 1 ) 口。e f 其中： r _ 髓： 堕 ve 1 式中：台卜单桩水平临界荷载对应位移； 膨，单桩水平临界荷载； a 。无量钢系数( 可查表) ： e 桩身的弹模； ，桩截面惯性矩： b 。一一桩身计算宽度； ”t 地基士水平抗力的比例系数。 ( c ) 桩身应变测试 ( a ) 滑动测微计法 滑动测微计法【4 ”是一种新的桩身应力应变测试方法。8 0 年代初由瑞士联邦 苏黎世综合科技大学k 一k o v a r i 教授等人提出线法监测原理及其相应的测试技 术一滑动测微计。其主体为一标距l m 、两端带有球形测头的探头，内装一个l v d t 位移计和一个n t c 温度计。为了测定测线上的应变和温度分布，沿测线每隔一 米安置一个具有精确定位功能的锥形环，环问用 i p v c 管( 硬塑料管) 相连，测 试时，将滑动测微计探头放入测管中，即可依次量测各相邻环之间的相对位移， 换算成测线方向上的应变。根据两测管的实测应变占。和“及两测管的间距d ， 即可推算出每一点的变形和位移，包括平均应变f 、曲率k 、转角口、水平位 移“和垂直位移w 。其工作原理如图1 所示。 硕士学位论文 酬l 滑动测微计工作原理 桩身鹰变测试可以采用瑞士s o l e x p e r t s 公司生产的线法测量设备一滑动测 微计进行测量。该设备由探头( 内含电感位移计和温度传感器) ，电缆，用于数 据采集、处理、存储的仪表组成，探头的基准长度为10 0 0 m m ，量程为l o m m ，灵 敏度为0 0 0 1 ，因此应变测量分辨率可达l 】0 “，此外相对于固定埋设的电测 原件而言滑动测微计还避免了零点漂移并具有温度白补偿功能。 在钻孔灌注桩中埋设滑动测微计观测管，测管上每隔l m 安置一个具有特殊 定位功能的环形测标，环形测标之问用硬塑料管连接，滑动测微计通过滑动测 微计探头一米一米地向下前进，只需装探头旋转4 5 。，就可在滑动位置与量测 位置之问互相切换，经过自上而下和自下而上的操作，该线的量测工作就完成 了，可盼得到两个环形测标之问的相对位移成果。试验加载前读取观测管内环 形测标的初读数，待初读数读取完毕后即开始加载，每级荷载稳定后分别测定 观测管每米问测标在该级荷载下的变化量即可得出桩身应变随荷载变化曲线。 由实测应变结果推算轴向力及摩阻力是一个较复杂的课题，首先，测量元件本 身存在一定的误差，其次，环形测标与观测管对接时不管采用何种连接方式， 其刚度必然会出现一定的差异，导致测量误差。再加上，桩身混凝土强度的不 均匀性决定了实测曲线不是一条光滑曲线。因此不能直接由实测i f 线推算摩阻 力，应对实测曲线进行回归分析，得到一条光滑平顺曲线进而由此推算试桩的 轴向力及摩阻力。 由公式( ：) 计算出各级荷载下桩身轴向力分布： 硕士学位论文 n 。= e s l ar ：十e t , ! a k 式中：桩身某截丽轴向力； ( 2 ) e 桩身砼的弹模，根据规范c 3 0 砼的弹模e 。= 3 0 0 g p a ； e 桩身钢筋的弹模，根据规范e = 2 1 0 g p a ； 爿，桩身某截面的纵向钢筋总面积； 爿。桩身砼截面积； s ，桩身某截面的应变值。 再由公式( 3 ) 计算单位摩阻力。 ，= ( n ，一n + 1 ) i ( n d ，h ) ( 3 ) 式中： ，轴向力；b 桩身某截面直径； 矗两截面积间距。 将各试桩桩底截面的轴力作为端阻力，桩顶轴力减端阻力即为该桩的总摩 阻力( 注：即桩侧摩阻力之和) 。 ( b ) 钢弦式应力计+ 土压力盒法 4 2 1 在钻孔灌注桩试桩施工时，在每根试桩对称的三根主筋的每个地层交界截 面上预埋了三根钢筋应力计，在桩端中心点位置埋设土压力盒。试桩时在现场 读取钢弦应力计的频率数，根据出厂时标定的钢弦应力计的频率和受力的拟合 曲线关系，可以求得对应的力，即为试桩主筋轴力。而由钢筋的规格和弹性模 量为已知，便可计算出钢筋应力和应变。由于钢筋和混凝土是应变协调，混凝 土的强度等级和桩的直径为已知，即可以计算出单桩各个测点截面处的桩身轴 力，任相邻的截面上的轴力差与对应侧表面之比即为此土层的平均侧摩阻力。 桩端承力由土压力盒测得。这种测试方法其优点是原理简单，测试元件易于安 装，成本相对较低，在我国得到了普遍的应用。但同时具有以下缺点：1 ) 探头 和介质之间无法做到理想匹配，电测元件易产生零点漂移，实测结果于实际结 硕士学血沦文 果误差较大；2 ) 钢筋计、压力盒靠焊接依附于桩身与桩底，同i 1 , 1 信弓线的埋没 以及成桩等过程都将直接影响钢筋汁、压力盒的成活率，对测试结果的可靠性 和精度直接造成影响；3 ) 钢筋计和压力盒法是一种地型的点法龄测，其观测数 据只能代表测点处的应变值。 2 1 - 2 静力触探法 静力触探是将圆锥形的金属探头，以静力方式按一定的述率均匀压入土 中n 借助探头的传感器，测出探头侧阻正及端阻g 。探头由浅_ 入深测出各种二l 层的这些参数后，即可算出单桩承载力。根据探头构造的不同，又可分为单桥 探头和双桥探头两种。 静力触探与桩的静载荷试验虽有很大的区别，但与桩打入土中的过程基本 相似，所以可把静力触探近似看成小尺寸打入桩的现场模拟试验，且由于其设 各简单，自动化程度高等优点，被认为是一种很有前途的确定单桩承载力的方 法，国外应用极广。我国自1 9 7 5 年以来，已进行了大量研究，积累了丰富的静 力触探与单桩竖向静载试验的对比资料，提出了不少反映地区经验的计算率桩 竖向极限承载力标准值q 。的公式。 双桥探头( 圆锥面积1 5 c m2 ，锥角6 0 0 ，摩擦套筒高2 1 8 5 m m ，侧面积 3 0 x 1 0 3 m m2 ) 可同时测出正和g 。，桩基规在总结各地经验的基础上提出，当 按双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值q 。时， 对于粘性土，粉土和砂土，如无当地经验时可按式( 4 ) 计算： q “= 口q c a 。+ “。f ，f 。 ( 4 ) 式中： g 。桩端平面上，下探头阻力( k p a ) ，取桩端平面以上4 d 范围内探 头阻力加权平均值，再与桩端平面以下1d 范围内的探头阻力进 行平均： 甜桩端阻力修正系数，对粘性土，粉土取2 3 ，饱和砂土取l 2 ； 六i 第f 层土的探头平均侧阻力( k p a ) ； 硕士学位论文 屈第i 层土桩侧阻力综合修正系数，按式( 5 ) 或( 6 ) 计算 粘性土： 屈= 1 0 0 4 ( 厶) 。0 5 5 砂性土： 肛= 5 0 5 ( 六。) - ( 1 4 5 2 1 3 桩的低应变 ( 5 ) ( 6 ) 该方法是用小能量激振，桩土问不产生相对位移，处于弹性应力状态。它 是通过测定桩土弹性振动时的动力特性参数( 动刚度) ，参照动、静刚度的关系 和静刚度与承载力之间的相关性确定桩的容许承载力。低应变动力测试技术最 有代表性的有以下几种方法：桩基动测参数法、机械阻抗法、共振法、水电效 应法、瞬态导纳状态调整系数法。 ( 1 ) ：低应变检测流程 检测时要严格依据执行建筑基桩检测技术规范( d c j l 0 62 0 0 3 ) 1 被 检测桩均被凿去浮浆及破损部分，露出新鲜密实的混凝士。每根桩布置2 4 个 检测点，每个检测点记录的有效信号数均大于3 。检测示意图如图2 。 图2 基桩反射波法现场检测示意图 婴：! 堂：堕堡奎 ( 2 ) ：低应变完整性判断标准 波速山式( 7 ) 计算 1t c ：竺0 1 c = 2 上， ( 7 ) r 式中( 见图3 ) ： c 桩身材料的一维应力波纵波波速( n s ) ，简称波速： 三测点下桩的长度( m ) ； 垃桩底反射波峰值与入射波峰值的时刻差( s ) ； 幅值谱上完整桩相邻峰值问的频率差( h z ) 。 b ) 兽5 l 艘波速掘域计算 图3完整桩纵波波速计算示意图 ( 3 ) 完整性类别划分 i 类桩：桩身结构完整。 桩底反射合理，实测波速在合理范围内，桩底反射波到达前，无同相反射 波发生。 i i 类桩：桩身结构基本完整，存在轻微缺陷。 桩底反射基本合理，实测波速在合理范围之内缺陷反射波幅值相对较弱。 i 类桩：完整性介于i i 类和类之间，一般存在明显镑陷，宜采用钻芯法 或声波透射法等其它方法进一步判断或直接进行处理。 记录到多个同相反射信号，形成复杂波列，且无合理的桩底反射信号。依反 射信号和提供桩长计算的波速明显偏离同类完整桩平均波速，或时域信号存在较 强的异常同相反射。嵌岩端承型桩虽有明显的桩底反射，但反射波却与入射波相 硕士学位论文 位相同。 类桩：桩身结构存在严重缺陷，就其结构完整性而言不能使用。 未见桩底反射。出现多次幅值较强的同相、等间距反射信号，或信号幅值明 显较强并以大低频形式出现，当振源脉冲宽度极窄时，同时伴有连续的f 很小 的同相反射( 频域为双峰) ，此为典型的浅部断桩特征。 ( 4 ) 桩身缺陷位置由式( 8 ) 估算： 妒半。r 。= 景 式中： c 。场区同条件桩平均波速； 上桩身第j 个缺陷的距离( m ) ； f ，桩身第，个缺陷的首次反射波峰与入射波波峰对应的时差( s ) ； 虮同一缺陷两相邻峰问频差。 2 1 4 高应变动力检测 方法是用打桩锤或一定质量的落锤锤击桩顶，使桩土之间产生相对位移， 桩产生一定量的贯入度，充分发挥桩周土体强度，通过能量守恒原理或波动理 论，参照静、动对比资料，确定单桩极限承载力，是国际上所有基桩承载力动测 方法研究中最热门的一种。属于此类最有代表性的有下面几种方法有：动力打 桩公式、锤击贯入法、实测曲线拟合法。 ( 1 ) 高应变检测流程 检测时要严格依据执行建筑基桩检测技术规范( j g j1 0 6 2 0 0 3 ) 4 0 1 被检 测桩均被凿去浮浆及破损部分，露出新鲜密实的混凝土：每根桩两侧经打磨平 整处理后各对称布置2 传感器。 硕士学位硷文 检测示意图如图4 。 ( 2 ) 高应变计算方法 实测曲线拟合法是利用重锤锤击下测量的桩顶力和速度波形来计算桩侧和 桩端阻力分布的一种高应变动测方法。其计算方法是从一条实测曲线 如v ( t ) 曲 线对加速度曲线积分而求得 出发，通过对桩身各段土阻力和其它动力参数进行 设定，然后通过波动理论计算程序，应用行波理论构造迭代格式，将汁算的桩 顶力波疋( r ) 曲线同实测的力波曲线y 0 0 ) 进行反复比较、迭代( 迭代过程中可 对人为假定参数进行调整) ，使得计算t ( f ) 曲线与实测磊( ，) i 饥线的拟合趋于完 善( 即拟合因子m q 达到设置的标准要求) 。其计算过程可概括为“假定一计算一 比较”的循环。这样既可确定桩的阻力分布和承载力，也可模拟桩的静载q s 曲线。该方法的具体分析过程如下： ( a ) 波动理论 将桩抽象为一维弹性杆，重锤锤击桩顶激发一应力波沿桩身传播，由动量 守恒原理、本构关系和变形协调方程可求得一维波动方程，如式( 9 ) ： 粤一口2 垡：r( 9 ) 而一8 瓦2 。9 式中： r 一截面位移； r 波速； 且卜空间、时间坐标；r 桩周土阻力。 一一i b ) 皮动理硷的迭代掐式 堡：! 兰丝堕奎 一 构造具体迭代格式时，涉及到桩模型、土体阻力模型以及桩土的相互作用 问题。对于桩，实测曲线拟合法采用r a u s c h e 和g o b l e 提出的c a p w a p c 所描述 的连续杆件模型( 如图5 ) 。 一维波动方程的波动解为，如式( 1 0 ) ： “0 ，f ) = 厂b 一吖) + g ( x + c t ) ( 1 0 ) 该解由两部分组成，分别代表两个行波。将波动方程的解怍更进一步的推 导可得桩截面的力波曲线计算公式，如式( 1 1 ) ： p c ( j ) = z 吒( ，) + 2 ( f ，j 一1 ) ( i i ) 桩身质点的运动速度v ( i ，) 为，如式( 1 2 ) ： y o , j = 掣+ 掣 ， 桩身质点的位移值s ( f ，) 为，如式( 1 3 ) ： s ( i ，j ) ：s ( i ，- ，一1 ) + 篓【l ( i ，_ ，一1 ) + v ( i ，朋 ( 1 3 ) 其中： e 上行波； 只一一下行波； ”m 实测速度波：卜波阻抗。 ( c ) 阻力模型 该方法土阻力模型采用的是s m i t h 法的土阻力模型，如式( 1 4 ) ： 伍( f ，) 三r u _ ( i ) s ( i ，j ) 一d & ，) ( 1 4 ) q ( o fs ( i ，) 一g ( f ) 当s ( f ，_ ，) 一d e ( i ，) g ( f ) d e ( i ，) = d e ( i ，一1 ) 当一q ( f ) s ( i ，) 一d e ( i ，_ ，一1 ) g ( f ) i s ( f ，j + 1 ) + g ( f ) 当一q ( i ) s ( i ，) 一d e ( i ，一1 ) 其中，伽( f ，一1 ) 为土体单元的塑性位移。 r a ( f ，_ ，) = l r s ( f ，j ) l j ，( f 沙o ，) ( 1 5 ) 在式( 1 5 ) 中： t ，( f ) s m i t h 阻尼系数；月，一一桩侧单元静摩阻力； 尺。桩侧单元动摩阻力。 ( d ) 优化方法和参数反映 硕士学位论文 根据上述建立的桩土模型，假定待反分析的参数j 为某个值，代入迭代公 式计算，取得计算力波e 0 ) 并与量测值o ) 比较，使二者的误差为最小的参 数值就是最终的反分析值，通常将理论计算值与量测值的误差用函数表示，如 式( 1 6 ) ： m ，h ，( z ) = 爿b s e f 。( j ) 一只，( 朋 ( 1 6 ) l 。l 式中x = 忸。( f l q h ；( ) ，r ，包，厂，睨，厶) i = 1 ，n p i l e a c t u a lc a p w a p c a p w a p c 料1 料i i r 1 + + 十 图5 ：g o b l e 提出的连续桩模型( c a p w a p c ) 示意图 n p 。桩单元数； “( f ) 桩侧土最大静阻力； q ( f ) 桩侧土最大弹性变形：由( f ) 桩侧土阻尼系数； 月，桩端最大静阻力：q 二。一桩端最大弹性变形： 桩端部刚柔系数；眠附加土体质量： i ，。，模拟能量消耗。 这样就可确定桩的阻力分布，单桩竖向极限承载力及模拟静载q j 曲线。 2 1 5 静一动试桩法 该方法是目前国际上一种新的基桩承载力检测方法。1 9 8 9 年由加拿大伯明 翰公司( b e r m i n gh a m m e r ) 和荷兰皇家科学院建工研究所( t n o ) 联合研制成功。它 是用固体燃料在气缸里燃烧，产生高压气体顶起配重对桩唢作用一反作用力， 口h且三三一 泪h 耳目 m m 由 卧 卧 硕士学位论文 由力传感器、加速度计和位移传感器实测力、加速度、速度和桩顶位移信号从 而获得静一动法的荷载位移曲线，最终通过解析处理获得类似静载试验曲线，从 而确定桩的承载力。它可以通过燃烧室大小，活塞气缸形状，燃料多少和配重 多少4 个因素控制作用力大小和动态力作用时间。在动荷载作用时问增长后， 使得桩土产生很小的加速度，分析过程不同波动方程理论，荷载作用机理近似 静力试桩，但又是用动的方法产生作用荷载。所以称为静一动试桩法。该方法简 便易行，相对成本比静载试验低，测试速度快，目前已在加拿大、荷兰、美国、 德国、以色列、韩国、日本和新加坡等十儿个国家得到应用，容许检测最大极 限承载力已达7 0 0 0 0 k n 。 2 1 6 声波透射法 该方法是检验混凝土灌注桩桩身缺陷，评价其完整性的一种有效方法，当声 波经混凝土传播后，它将携带有混凝土材料性质，内部结构与组成的信息，准确 测定声波经混凝土传播后各种声学参数的量值及变化，就可以推断混凝土的性 能，内部结构与组成情况。按照声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，声波 透射法可分为：桩内跨孔透射法、桩内单孔透射法、桩外孔透射法。 2 1 _ 7 钻芯法 该方法借鉴了地质勘探技术，在混凝土中钻取芯样，通过芯样表观质量和芯 样试件抗压强度试验结果，综合评价混凝土的质量是否满足设计要求，它不仅可 以检测混凝土质量及强度，而且可检测沉渣厚度，混凝土与持力层的接触情况， 以及持力层的岩土性状，是否存在夹层等现象，也可检测桩长，桩身质量及判断 桩身完整性类别等。有条件时也可采用钻孔电视直接观察孔壁孔底质量。这几 点也是目前其他检测方法无法比拟。钻芯法设备安装对拟建工程场地条件要求 要比静载试验和高应变动力检测低得多，检测能力的限制条件主要受桩的长径 比制约。 硕士学位论文 2 2 某嵌岩扩底灌注桩的试验研究 2 2 1 工程概况与地质倩况 地层描述如下： 表层为黏土，砂黏土，褐黄、褐灰色，流硬塑，厚约2 0 2 5 m ，基本承 载力= 5 5 2 0 0 k p a ，下部为中、粗砂、砾砂，基本承载力o - 。= 3 5 0 k p a ，厚3 2 3 m 再下为砂岩，全风化微风化，o - 。= 2 5 0 5 0 0 k p a 。 试验桩的地质钻孔柱状图见图6 。 崖崖 垦慢 、种植土 冀鬟 n 如 囊 黏土褐衣、福黄e 硬塑 t 赫 7 毋倚 d 杀n n 舶 柠质轱土褐黄色硬塑 霾霪 如 赢 如 丽抖n 爱器 粗砂夹卵石福黄色密宴、饱和 霉喜 嬲 皿岛砸 _ 尚 赢 、 ， 坭质砂岩青斑色喜风化呈砂l 状 泥质砂岩紫红间膏灰色青灰色 凤化呈碎块抗 执絮銎煮红色 ”里长“ 2 2 2 试验方案 图6 地质钻孔柱状图 本试桩工程确定以下试验内容： ( 1 ) 静载试验前和试验后，分别对试桩及锚桩进行低应变完整性检测 ( 2 ) 采用高应变法测试桩的极限承载力； 硕士学位论文 ( 3 ) 对试桩进行单桩竖向抗压静载试验及桩身应变测试 ( 4 ) 对试桩进行单桩水平静载试验。 2 2 3 试桩基本情况 ( 1 ) 试验桩的基本参数 各试验桩基本参数表表1 桩长桩径桩端 桩身砼 单桩予估极 桩端持 桩号 桩型限承载力 ( 1 1 1 )直径( m )直径乓a ) 强度 力层 ( k n ) 试桩s l 钻孔扩底灌注桩 2 7】1 7c 3 09 70 0 砂鼍 m 1钻孔灌注桩2 7 71 2l 2c 20 m 2 钻孔灌注桩2 771 212c 2o 锚桩 毋 m 3钻孔灌注桩2 77】21 2c 20 m 4 钻孔灌注桩 2 7 7l _ 21 2c 2 0 ( 2 ) 试验桩桩位 试验桩与锚桩桩位平面布置见图7 。 ，十、 m zp 卜 刊m 舌 厂、s 1 厂、 w ? 3 n ：| 幽7 试桩及锚桩平面图 1 9 硕士学位论文 ( 3 ) 试验装置 本次单桩竖向抗压静载试验采用锚桩横梁反力装置，试验装置见图8 。 由 斤巴刿。胃 ii81i 丛 ll 羹j uu 图8 竖向静载试验装置示意图 本次水平静载试验的水平推力采用邻桩作为反力体，试验装置见图9 。 基准桩 撇一 图9 水平静载试验装置示意图 硕士学位论文 2 2 4 试验结果分析 ( 1 ) 低应变检测结果 受检5 根桩的静载试验前和静载试验后两次现场采样数据经分析、计算整理 后将结果汇总于表2 和表3 中。 桩身结构完整性结果表( 试验前)袁2 桩号桩径( m )桩长( m )波速( m s )桩身结构完整性类别 试桩s ll2 73 7 47 桩身结构完整 i m l1 22 7 73 6 43 桩身结构完整 i m 21 22 7 73 6 28 桩身结构完整 i 锚桩 m 3 22 7 73 5 7 5 桩身结构完整 【 m 41 2 2 7 73 5 5 9桩身结构完整 i 桩身结构完整性结果表( 试验后)表3 桩号 桩径( m )桩长( m )波速( m s )桩身结构完整性类别 试桩 s 1l2 73 7 4 7 桩身结构完整 i m 1 1 22 773 6 4 3 桩身结构完整 i m 2 122 7 73 6 2 8 桩身结构完整 i 锚桩 m 3122 7 7 3 5 7 5桩身结构完整 i m 412 2 773 5 5 9桩身结构完整 i 硕士学位论文 ( 2 ) 单桩竖向抗压静载试验结果 s 1 桩静载试验结果汇总袁表4 序荷载 本级沉降 累计沉降本级历时累计历时 号 ( k n )( m m ) ( r a m ) ( r a i n )( m i n ) l1 6 0 00 2 5 0 2 5 1 2 0 1 2 0 22 4 0 004 0 0 6 51 2 02 4 0 33 2 0 01 0 1 1 6 6 1 2 0 3 6 0 4 4 0 0 007 32 3 91 2 04 8 0 54 8 0 0 0 3 42 7 31 2 06 0 0 65 6 0 0o 2 129 41 2 07 2 0 7 6 4 0 00 3 93 3 31 2 08 4 0 87 2 0 00 2 7 3 61 2 09 6 0 9 8 0 0 00 33 g1 2 01 0 8 0 1 08 8 0 00 4 64 3 6 1 2 01 2 0 0 1 1 9 6 0 00 4 7 4 8 3 1 2 0 1 3 2 0 1 2 1 0 4 0 00 5 55 3 81 2 01 4 4 0 1 3 1 1 2 0 01 2 666 41 2 01 5 6 0 1 41 2 0 0 00 7 1 7 3 51 2 01 6 8 0 1 51 2 8 0 01 2 68 6 11 2 0 1 8 0 0 1 6 1 3 6 0 01 0 29 6 31 2 01 9 2 0 1 71 4 4 0 00 9 91 0 6 21 2 02 0 4 0 】8 i 5 2 0 01 51 2 1 21 5 02 1 9 0 卸裁 1 9 1 3 6 0 0- 0 0 21 2 16 02 1 0 0 2 0 1 2 0 0 0一o 1 21 1 9 86 02 1 6 0 2 1 1 0 4 0 00 41 1 5 86 02 2 2 0 2 28 8 0 0一o 4 9 1 1 0 96 02 2 8 0 2 3 7 2 0 0一o 6 11 0 4 86 02 3 4 0 2 45 6 0 00 7 39 7 56 02 4 0 0 2 54 0 0 00 6 59 1 6 0 2 4 6 0 2 6 2 4 0 0一o 6 28 4 86 02 5 2 0 2 700 5 4 7 9 46 02 5 8 0 硕士学位沦文 图1 0q j曲线图1 1l g q s 曲线 1 01 0 01 0 0 0 图1 2l g t s 曲线 根据数据整理得q j ，l g q s ，l g 卜- s 曲线，从中发现这三l _ | 线确定的单 桩极限承载力较接近，本次实验采用l g t s 确定单桩极