（岩土工程专业论文）挤扩灌注桩工作性态的研究.pdf

摘要 摘要 挤扩灌注桩是近年来在我国兴起的一种新型变截面桩。工程实践表明，与 普通灌注桩相比，挤扩灌注桩可以提高桩基承载力，具有较好的经济和社会效 益。然而，到目前为止，无论是挤扩灌注桩工程实测资料的积累还是其荷载传 递机理、设计理论和方法等研究都还不多见。人们对挤扩灌注桩的认识还不够 深入和全面，研究工作仍处于探索阶段。因此，有必要对其工作性态进行系统 的分析研究。本文运用数值模拟、理论研究以及工程试验分析研究等综合手段， 较为系统地研究了挤扩灌注桩的荷载传递特性、荷载分担等工作性态，研究成 果具有较高的学术和工程应用价值。 本文的研究内容主要包括几个方面： 1 ) 针对f l a c ”前后处理的缺陷，编写相应的程序，可以很方便地进行复杂模 型建立及计算结果输出。同时，以m o h r - c o u l o m b 强度理论为准则编制应用程序 构建具有摩擦角、粘聚力等属性参数的接触面，可以有效模拟各种因素影响下 的挤扩灌注桩工作性态。 2 ) 在同一地层中，竖向受压荷载作用下同一桩长桩径的挤扩灌注桩与普通 灌注桩相比，其极限承载力有了较大幅度的提高。普通灌注桩的荷载一沉降关 系表现为陡降型，有明显的破坏特征点，而挤扩灌注桩由于挤扩体的端承力作 用表现为缓变型，无明显的破坏特征点。 3 ) 挤扩灌注桩为变截面的摩擦多支点端承桩，在负荷初期，挤扩体就己开 始承载，表现为轴力变化曲线的挤扩体位置处出现了台阶性突变。随着荷载的 增加，桩身轴力变化曲线的台阶性突变程度增大。桩顶荷载在挤扩体分层承载、 逐一卸载的作用下，传至桩端的荷载很小，从而有利于桩端土层的稳定。 4 ) 挤扩体的设置位置影响着挤扩灌注桩承载力的发挥。在工程地质条件允 许的前提下，挤扩体应尽量设置在硬土层中下方，以利于桩身上部桩侧摩阻力 的发挥。同时尽量满足桩根长度l t 不小于2 d ，以利于桩端阻力的充分发挥，这 一结论也更正了某些实际工程的错误设计观念。 5 ) 在实际工程设计时，建议挤扩体的间距不应小于2 5 d ，挤扩体直径d = ( 2 2 5 ) d ，挤扩角口为5 0 9 0o 。 6 ) 当桩身弹性模量达到一定数值后，过分地提高桩身弹性模量对提高桩承 i 摘要 载力、减小桩沉降的效果并不明显。因此，在桩基设计时不能无谓地提高桩身 的弹性模量，否则会造成不必要的浪费。 7 ) 在相同桩顶工作荷载作用下，随着桩长的增加，桩顶的沉降量在逐渐减 小，但沉降量减小的幅度在逐渐变缓。 8 ) 随着接触面的参数变化，桩身轴力也发生了很大的变化，桩侧摩阻力也 随之发生变化。同一竖向荷载作用下，在接触面参数为最理想状态假定时，桩 侧摩阻力得到了充分的发挥。在接触面参数为最不利状态假定时，上部荷载则 完全由挤扩体的端承力及桩端阻力来承担，表现为多支点端承桩的工作性态。 9 ) 从理论上系统推导了挤扩灌注桩的轴力及位移公式。 l o ) 在g e d d e s 应力解的基础上考虑桩身的弹性压缩量与桩周土的位移协调 引入分层总和法计算沉降，能充分考虑桩身及土层的性能参数，并将其推广应 用于挤扩灌注桩的应力及沉降计算中。同时，利用m a t l a b 语言自编的程序可以 进行普通灌注桩及挤扩灌注桩的应力及位移计算。 1 1 ) 应充分重视桩基施工方法的重要性。在挤扩灌注桩施工前，应根据场地 的工程地质条件，选择合理的施工工艺及工序。在施工过程中要加强信息化管 理，以便调整工艺参数，利于后续工作的开展。 1 2 ) 在钻孔灌注桩施工中，泥浆的制备、循环、净化等是其关键技术之一。 泥浆质量控制好坏直接影响钻进速度、成孔质量和桩基承载力的发挥。 关键词：挤扩灌注桩，摩擦多支点端承桩，工作性态，轴力，沉降，旌工 a b s t r a c t a b s t r a c t e x t r u d i n gc a s t - i n - s i t up i l ei san e wt y p eo fp i l e sw i t hv a r i a b l es e c t i o n sd e v e l o p e d i nc h i n ar e c e n t y e a r s e n g i n e e r i n gp r a c t i c e sh a v es h o w nt h a tc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lc a s t - i n s i t up i l e ，e x t r u d i n gc a s t - i n - s i t up i l en o to n l yc a ng r e a t l yi n c r e a s e b e a r i n gc a p a c i t y , b u ta l s oh a so b v i o u s l ye c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t h o w e v e r ，u pt o n o w , w h e t h e ra c c m n u l a t i o n so fi t se n g i n e e r i n gt e s td a t ao rr e s e a r c h e sa b o u ti t sl o a d t r a n s f e rm e c h a n i s m ，d e s i g nt h e o r yo rm e t h o d ，w h i c ha r ef e wp e o p l el a c kt h ed e e p a n do v e r a l lk n o w l e d g eo fe x t r u d i n gc a s t i n s i t u p i l e ，i t sr e s e a r c hi ss t i l la tt h e e x p l o r a t i o ns t a g e t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt om a k eas y s t e m i cr e s e a r c ho nt h e w o r k i n gb e h a v i o ro fp i l e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ew o r k i n g b e h a v i o r so fe x t r u d i n gc a s t i n - s i t up i l e ，s u c ha sl o a dt r a n s f e r , l o a ds h a r i n gc h a r a c t e r s ， e t c ，w a sa p p l i e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e o r yr e s e a r c h e sa n de n g i n e e r i n gt e s t i n g s t u d i e s ，e t c t h er e s u l t sh a v eg r e a ts c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a lv a l u ei ne n g i n e e r i n g t h es t u d i e so f t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 ) t h ep r o g r a m sa r ec o m p i l e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go fp r e a n dp o s t - p r o c e s s i n gt e c h n i q u e so ff l a c ”，c a nc o n v e n i e n t l ye s t a b l i s hc o m p l i c a t e dm o d e l s a n do u t p u tc a l c u l a t i o nr e s u l t s s i m u l t a n e o u s l y , b a s e do nm o h r c o u l o m bs t r e n g t h c r i t e r i o n ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e dt oc o n s t r u c ti n t e r f a c e ，w h i c h a t t r i b u t ep a r a m e t e r si n c l u d ef r i c t i o na n g l e ，c o h e s i o n ，e t c a n dc a l l s u c c e s s f u l l y s i m u l a t ew o r k i n gb e h a v i o ro f v a r i o u si n f l u e n c e sb ya d j u s t i n gp a r a m e t e r s 2 ) i nt h es a m el a y e gc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc a s t i n s i t up i l e ，e x t r u d i n g c a s t - i n s i t up i l ec a ng r e a t l yi n c r e a s eb e a r i n gc a p a c i t y t h ef o r m e rl o a d - s e t t l e m e n t c u r v ei s p r o g r e s s i v ef a i l u r ep a t t e r n ，w h e r e a st h e l a t t e rl o a d s e t t l e m e n tc u r v ei s r e m a r k a b l yd i f f e r e n tf r o mf o r m e ra n di s s l o wf a i l u r ep a t t e r nw i t h o u ta p p a r e n t c h a r a c t e r i s t i cp o i n tb e c a u s eo f m u l t i - e n db e a r i n g 3 ) e x t r u d i n gc a s t - i n s i t up i l ei sf r i c t i o nm u l t i - e n db e a r i n gp i l e d u r i n gt h ee a r l y l o a d i n gs t a g e ，e x t r u d i n gb o d i e si sa l r e a d yc a r r i e dc a p a c i t y , a n da x i a lf o r c et r a n s f e r c u r v ea p p e a r sl a d d e rt r a n s f o r m a t i o na te x t r u d i n gb o d i e s t h el a d d e rt r a n s f o r m a t i o n v a b s t r a c t d e g r e e sa te x t r u d i n gb o d i e sw i l li n c r e a s ew i t hl o a d i n g l o a do f p i l et i pi ss m a l lu n d e r t h ea c t i o no fe x t r u d i n gb o d i e s m u l t i l a y e r sl o a da n du n l o a d ，w h i c hc a ne n h a n c et h e s t a b i l i t yo f p i l et i ps o i l 4 ) p o s i t i o n so fe x t r u d i n gb o d i e si n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to fb e a r i n gc a p a c i v w i t h i nt h ec a r r y i n g c a p a c i t yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，e x t r u d i n gb o d i e s s h o u l d p o s s i b l ys e t i nt h em i d d l e - l o w e rr e a c ho fh a r ds o i li no r d e rt oe x e r tp i l ef r i c t i o n r e s i s t a n c ea n dl ti sn o tl e s st h a n2 d 。t h er e s u l t sc o r r e c tt h ed e s i g nm i s t a k e so fs o m e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g 5 ) i nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h ed i s t a n c eb e t w e e ne x t r u d i n gb o d ys h o u l d n o tl e s st h a n2 5 d ，t h ed i a m e t e ro fe x t r u d i n gb o d y ( n a m e l yd ) i sf r o m2t o2 5 d ( di s p i l ed i a m e t e r ) ，t h ee x t r u d i n ga n g l e ( n a m e l yc t ) i sf r o m5 0t o9 0d e g r e e 6 ) w h e nt h ep i l ee l a s t i cm o d u l u sr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，i no r d e rt oi n c r e a s e b e a r i n gc a p a c i t ya n dd e c r e a s es e t t l e m e n t ，e f f e c t so fm u c hm o r ee n h a n c i n gt h ep i l e e l a s t i cm o d u l u si sn o tc l e a r t h e r e f o r e ，u n n e c e s s a r ye n h a n c i n gt h ep i l ee l a s t i c m o d u l u ss h o u l dp r e v e n ti np r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n ，o t h e r w i s e ，w i l lc a u s e u n n e c e s s a r yw a s t e 7 ) i nt h es a m ep i l et 碴l o a d ，p i l es e t t l e m e n t sd e c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s e o fp i l el e n g t hw h i l et h ed e c r e a s i n gd e g r e ec h a n g e ss l o w l y 8 ) p i l ea x i a lf o r c ea n df r i c t i o nr e s i s t a n c ec h a n g ew i t ht h ev a r i a t i o no fi n t e r f a c e p a r a m e t e r i nt h es a m ev e r t i c a ll o a d ，i fi n t e r f a c ep a r a m e t e ri st h eb e s ti d e a lv a l u e ，p i l e f r i c t i o nr e s i s t a n c ed e v e l o p ss u f f i c i e n t l y , h o w e v e r , i fi n t e r f a c ep a r a m e t e ri st h em o s t d i s a d v a n t a g ev a l u e ，t h ev e r t i c a ll o a dr e s i s t sb ye x t r u d i n gb o d i e sm u l t i - e n db e a r i n g a n dp i l et i pe n db e a r i n g 9 ) t h ed i s s e r t a t i o nd e d u c e sa x i a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to f e x t r u d i n gc a s t - i n s i t u p i l ec o m p l e t e l yi nt h e o r y 1 0 ) g e d d e ss o l u t i o ni sm o d i f i e d ，c a nb es p r e a da n da p p l i e di nt h es t r e s sa n d s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fe x t r u d i n gc a s t - i n s i t up i l e t h ep r o g r a mw r i t t e nb y m a t l a bc a nc a l c u l a t et h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fc o n v e n t i o n a lc a s t - i n s i t up i l e a n de x t r u d i n gc a s t - i n - s i t up i l e 11 ) i ti sv e r yi m p o r t a n to fc o n s t r u c t i o np r o p o s a l b e f o r ep i l ec o n s t r u c t i o n ，r a t i o n a l c o n s t r u c t i o ns k i l la n do r d e rs h o u l ds e l e c ta n de s t a b l i s hc o n s i d e r e do fg e o l o g i c a l v i a b s t r a c t c o n d i t i o n s d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ，s t r e n g t h e n i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti sp u t f o r w a r ds oa st oa d j u s tt h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e ra n ds u p e r v i s et h ef o l l o w i n gw o r k 1 2 ) t h eq u a l i t yc o n t r o lo fs l u r r yi sa l w a y so n eo ft h ek e yp o i n t so fb o r e dp i l e c o n s t r u c t i o n t h e s ef a c t o r s ，s u c ha ss l u r r y sp r e p a r a t i o n ，c i r c u l a t i o n ，a n dd e p u r a t i o n e t c ，w o u l di n f l u e n c ed r i l l i n gs p e e d ，b o r eq a a l i t ya n dp i l eb e a r i n gc a p a c i t y k e yw o r d s ：e x t r u d i n gc a s t - i n - s i t up i l e ，f r i c t i o nm u l t i - e n db e a r i n gp i l e ， w o r k i n gb e h a v i o r , a x i a lf o r c e ，s e t t l e m e n t ，c o n s t r u c t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：崮崾 2 0 管事4 月彩日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：当峨 年月日卫口名，年4 月三矿日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 i i 签名：翻懂墨 卫。衫年彳月留日 同济大学申请博士学位论文论文题目：挤扩灌注桩工作性态的研究 1 1 前言 第1 章绪论 从世界各国和各地区的历史发展沿革来看，土木工程都是- f 3 古老的、传 统的、综合的学科。土木工程的应用范围十分广泛，几乎涉及到人类生产、生 活等活动的一切领域，在国民经济和社会发展中占有极其重要的地位，是人类 赖以生存与发展的基础。纵观历史，土木工程技术为推动经济和社会发展做出 了巨大贡献。 基础工程是土木工程的先导，对后续工程乃至整个工程项目的顺利完成起 着决定性作用0 1 。由于桩基础能够有效地减少建筑物沉降、提高地基承载力、抵 抗复杂荷载以及适应各类工程地质条件，因而成为现代土木工程中一类非常重 要的基础形式。 桩基础的应用迄今为止已有1 2 0 0 0 年至1 4 0 0 0 年的历史。这是美国肯塔基 大学的考古学家于1 9 8 1 年1 月根据太平洋东南沿岸智利的蒙特维尔德附近森林 里发现的一间支承于木桩上的木屋，经放射性碳6 0 测定后所作出的论断。1 。 我国考古学家于1 9 7 3 年至1 9 7 8 年在浙江省余姚市河姆渡村发掘了新石器 时代的文化遗址，出土占地约4 万m 2 的大量木结构遗存，其中有木桩数百根( 圆 桩直径约6 0 1 8 0 r m 不等，方桩截面约6 0 m i n xl o o m m 至1 5 0 m m x1 8 0 r a m 不等，板 桩厚度约1 4 4 0 m m ，宽度约1 0 0 5 0 0 m m 不等) 。经测定，该处浅层和深层文化 层大约分别距今6 0 0 0 至7 0 0 0 年。这是全球至今发现规模最大的木桩遗存。 人类应用木桩经历了漫长的历史时期。然而，由于种种原因限制。古老的 木桩现已基本完成其历史使命伽叫”。 1 9 世纪后期，钢材、水泥、混凝土和钢篾混凝土相继问世，先被应用于桥 梁、房屋等各种上部结构，接着均被成功地用作制桩材料。应用也不过i 0 0 年 的钢管桩、预制桩也都因其对环境的不利影响而在许多国家的城市( 包括我国台 湾地区的城市) 被禁止或很少使用。看来打入桩时代也即将过去，承袭它的传统， 出现了预钻孔插入桩和静压桩，但由于它们的承载力不可能很高，故仍不能满 足工程的普遍需要。在这种形势下，工程建设者们不得不更多地依赖于不同类 第1 章绪论 型的灌注桩，不仅将其应用于高重建构筑物，而且在量大面广的多层建筑物中 进行广泛应用，以弥补打入桩留下的空白。 众所周知，在工程地质水文地质一定的条件下，灌注桩的承载力并非固定 不变的，而是可以通过采取一定技术措施来驾驭的叫“1 。众多专家学者和工程 技术人员做了大量的研究和实践工作：l 、发展新的桩型，增加桩的有效承载面 积，改善桩身承载条件：2 、改进传统施工工艺，引进新的施工工艺，提高施工 水平，加强施工过程管理，达到信息化施工；3 、引进、开发新技术和新工艺对 桩基进行加固处理，改善桩端、桩侧土层性质，提高桩的承载特性。鉴于此， 新的桩型、工艺设备得到开发应用和推广，如挤扩灌注桩、后压浆灌注桩、壁 板桩、夯扩桩、扩底桩等。桩型、尺寸和施工工艺的发展给桩基础承载变形性 态、设计理论和方法提出了新的研究课题。 d ( 设计直径) s ( b ) 挤扩装置的运动轨迹示意图 挤扩体臂 ( c ) 挤扩体形成示意图 ( a ) 挤扩灌注桩桩身结构示意图 图卜1 挤扩灌注桩示意图 挤扩灌注桩( 如图卜1 ) 是近年来在我国得到开发应用和推广的一种新型变 截面桩“nc n 。它是在普通混凝土灌注桩基础上，从仿生学原理角度出发，根据 同济大学申请博士学位论文论文题目：掺扩灌注桩工作性态的研究 自然界树木生长规律，仿效树根根系结构，按照承载力要求和工程地质水文地 质条件的不同，在桩身不同部位通过挤扩成形设备施加较大液压，对周围岩土 体进行强力挤密以形成挤扩体而构成。其工作性态既不同于一般树根桩，也不 同于普通直线形钢筋混凝土灌注桩。近几年来，挤扩灌注桩先后在北京市、天 津市、河北省、山东省、湖北省、浙江省、山西省等省市获得建设科技成果重 点推广项目，并且已经产生比较可观的经济和社会效益，是一项比较有价值的 发明。 已有工程实践经验表明，挤扩灌注桩应用于桩基础工程后，可以：1 ) 提高 桩的承载力，特别是单方混凝土所提供的承载力，使桩身材料强度得到充分利 用，提高材料的利用率，使自然资源得到更为充分合理的利用；2 ) 减小桩基沉 降；3 ) 在相同的桩顶荷载作用下，可以减小桩长、桩径及工作量，赢得宝贵的 施工工期。 在桩基工程中，建筑材料潜在的浪费是十分惊人的。按照平衡设计原理， 设计的最佳状态应是使设计对象的各个部件具有同等的可靠度，即在设计者预 期的工作环境下使设计对象各部件的破坏概率相同。在通常情况下，桩的承载 力是由桩周地基土强度来控制，桩身材料强度很难得到应有的发挥，这种现象 在普通灌注桩中尤为突出。与普通灌注桩相比，挤扩灌注桩可以尽量减少建筑 材料的浪费。 综上所述可知，挤扩灌注桩基具有良好的经济和社会效益，是一种很有应 用前景的新型桩基。然而，在新型桩基能够适应各类地层、各种环境和各级荷 载要求，并且被人们普遍熟悉和认同之前，无疑还需要相当长的时间和大量工 程实践。挤扩灌注桩在工程中的应用时间很短，无论是工程实测资料的积累还 是其荷载传递机理、工程设计理论和方法等的研究都还不多见。到目前为止， 人们对挤扩灌注桩设计理念的认识仍停留在初步阶段，对其认识还不够深入和 全面，也未能形成比较完善的设计理论和计算方法，研究工作仍处于探索阶段。 因此，本论文对挤扩灌注桩的工作性态作深入分析研究无疑是一个理论水平高 且工程实用价值大的重要课题。 i 2 桩基础研究概述 长期以来，致力于桩基础的众多专家学者为我们留下了颇为丰富的研究成 第1 章绪论 果。卜。”，在桩基础的设计理论，桩土相互作用机理、数值模拟分析研究、新工 艺和新桩型等诸多方面均取得较大进展。 1 2 1 桩基础的分类 为了更好地理解和掌握桩基础的不同特征，以便在实际工程设计时根据现 场具体条件和上部结构荷载要求选择安全、经济、合理、适用的桩基础，可按 表1 - 1 对其进行分类。 表卜l 桩基础的分类 分类依据桩基础的类型 荷载传递机理纯端承桩、摩擦端承桩、端承摩撺桩、纯摩擦桩 使用功能竖向受压桩、竖向抗拔桩、横向受荷桩、组合受荷桩 桩的形状等截面桩、变截面桩( 挤扩灌注桩、扩底桩、楔形桩等) 制桩材料木桩、石桩、水泥桩、混凝土桩，钢桩、组合材料桩等 桩的直径大直径桩( 巾8 0 0 r m ) ，中等直径桩( 巾2 5 0 n w 士8 0 c h r e ) 、小直径桩( 由2 5 0 r r , m ) 打入桩 桩 振动沉入桩 预制桩 的 静力压入桩 施 锚杆静压桩 工无护壁作业( 螺旋钻孔、人工挖孔等) 灌注桩 方 泥浆护壁作业( 潜水钻孔、旋转钻成孔等) 灌注桩 灌注桩 法 沉井护壁作业( 混凝土沉井，钻沉井) 灌注桩 套管护壁作业( 锤击、振动沉管等) 灌注桩 在桩基础的工程实践中，应用最为广泛的是竖向受压荷载作用下的桩基础。 1 2 2 竖向受压桩 竖向受压桩的作用是将上部结构施加于桩顶的竖向受压荷载传递至深部岩 土层，以满足上部结构对基础的承载力和变形要求。由于现代建筑材料和成桩 技术的快速发展，对于各类地质条件、不同荷载大小的建筑物，均可通过变化 桩的截面形状、尺寸和数量以及进入良好持力层的不同深度等来实现上部结构 4 同济大学申请博士学位论文论文题目：挤扩灌注桩工作性态的研究 的设计要求。若以桩的荷载传递机理来划分，又可进一步分为四种类型：纯摩 擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩以及纯端承桩，如表1 - 2 所示。 表卜2 受压桩按照荷载传递方式的分类 桩的分类纯摩擦桩端承摩擦桩摩擦端承桩纯端承桩 q s u q u ( )1 0 0 9 59 5 5 05 0 55 0 q p u q u ( ) 0 55 5 05 0 9 59 5 1 0 0 由表1 - 2 可知，纯摩擦桩是指桩顶荷载几乎全部由桩侧摩阻力q s 来承受， 即q s u - m q u ，q p u 。o ；纯端承桩是指桩顶荷载几乎全部由桩端阻力q p 来承受， 即q p u m q u ，q s u 。o ；端承摩擦桩和摩擦端承桩是介于纯摩擦桩和纯端承桩之间 的两种桩型，其桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受；对于端承摩 擦桩而言，桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受，o s u q p u ：对于摩擦端承桩而言， 桩顶荷载主要由桩端阻力承受，q p u q s u 。 在通常情况下，以剪应力形式传递给桩周土体的荷载最终将扩散分布于桩 端下的持力层。持力层受桩端荷载和桩侧荷载作用而产生压缩变形( 含部分剪切 变形) 。单桩承载力大小与桩的几何尺寸和外形、桩周土和桩端土的物理力学性 质、成桩施工工艺等因素均有关系“”。 1 2 2 1 桩的荷载传递机理 竖向受压荷载作用下桩基础的荷载传递机理是桩基础工作性态的核心内 容，从广义上讲，指的是桩基在外荷载作用下桩土体系中各个部分的总体表现， 包括荷载的分配、传递方式、地基土和桩身以及桩端共同承担外荷载的相互作 用关系，以及桩基承载力各个分量的形成、发挥过程和分布规律等。 桩侧摩阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩体系的荷载传递过程。在桩项 竖向受压荷载作用下，桩身上部受到压缩而产生相对于桩周土的向下位移。与 此同时，桩侧表面受到土体向上摩阻力，桩身荷载通过所发挥出来的摩阻力传 递到桩周土层中去，从而使得桩身轴力与压缩变形随深度而逐渐递减5 1 。在桩 相对位移等于零处，桩侧摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。在施加荷载初期， 摩阻力与位移近似呈直线关系。随着荷载的增加、桩身压缩量和位移量的增大， 桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，从而使得荷载也部分地传递给桩端土层 并使其压缩和产生桩端阻力。桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧 摩阻力进一步发挥，当桩侧摩阻力全部发挥出来达到极限后，继续增加荷载， 5 第1 章绪论 所增大的荷载则全部由桩端阻力来承担。随着桩端持力层的压缩和塑性挤出， 桩端阻力将逐渐达到峰值，从而桩基承载力达到其极限值。 通过分析研究加载过程中桩侧摩阻力和桩端阻力的变化规律，可以发现桩 侧摩阻力与桩端阻力呈异步发挥。1 。桩侧摩阻力先发挥，先达到极限：桩端阻力 后发挥，后达到极限。为了反映这一特性，在设计计算桩基承载力时，应对桩 侧摩阻力和桩端阻力引入不同的安全系数。 我国建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 规定，基桩的竖向承载力设计值r 为： r ：丝+ 坠( 1 1 ) ，。o 式中q 0 、q 。单桩总极限侧摩阻力、总极限端阻力标准值； 以、y ，桩侧摩阻力、桩端阻力抗力分项系数。 以、，不一定是相等的。以、y ，的大小随桩型、桩身材料、桩的长径比、 桩侧与桩端的土性、成桩施工工艺等而异。 当依据桩的静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值如但未加以区分 q j 。和q 。时，单桩的竖向承载力设计值r 为： r ：堕( 1 2 ) y | o 式中y 。桩侧摩阻力及桩端阻力的综合抗力分项系数。 m a t t e s ，n s 和p o u l o s ，h g ( 1 9 6 9 ，1 9 7 1 ) 运用线弹性理论进行分析的结果 表明，影响桩土体系荷载传递的因素主要有： ( 1 ) 桩端土与桩周土的刚度比e 。e ，：当e 。e 。= o 时，荷载全部由桩侧摩阻力 所承担，属纯摩擦桩。在均匀土层中的纯摩擦桩。摩阻力接近于均匀分布。当 e 。e ：= l ，属均匀土层中的摩擦桩，其荷载传递曲线和桩侧摩阻力分布与纯摩擦 桩相近。当e 。e 。= o 。且为中长桩( i d m 2 5 ) 时，桩身荷载上段随深度减小，下段 近乎沿深度不变。即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段由于桩土相对位移很小 ( 桩端无位移) 而无法发挥出来。桩端由于土的刚度大，可分担6 0 以上荷载，属 端承桩。 ( 2 ) 桩、土的刚度比e 。e 。：当e ，e ，愈大，桩端阻力所分担的荷载比例愈大； 反之，桩端阻力分担的荷载比例降低，而桩侧摩阻力分担的荷载比例增大。对 同济大学申请博士学位论文论文题目：栌扩灌注桩工作性态的研究 于e e 。1 0 的中长桩( 1 d i n 2 5 ) ，其桩端阻力接近于零。这说明对于砂桩、碎 石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础，应按复合地基工作原理进行设计。 ( 3 ) 桩底扩大头与桩身直径之比d d ：d d 愈大，桩端阻力分担荷载比例愈大。 ( 4 ) 桩的长径比1 d ：1 d 对荷载传递的影响较大。在均匀土层中的钢筋混凝 土桩，其荷载传递性状主要受1 d 的影响。当1 d 1 0 0 时，桩端土的性质对荷 载传递不再有任何影响。可见，长径比很大的桩都属于端承摩擦桩或纯摩擦桩， 在此种情况下显然无需采用扩底桩。此时若采用扩底桩只是为了增加桩承载力 的安全储备。 1 2 2 2 桩侧摩阻力的性状 桩侧摩阻力是由于桩身和桩周土发生相对位移( 或位移趋势) 而产生。 3 2 图卜2 土性对桩侧阻力发挥性状的影响 l 一加工软化型2 一非软化、硬化型3 硬化型 按照传统经验，桩侧摩阻力达到极限值所需的桩土相对极限位移w 。与土 的类别有关，而与桩径大小无关。对于粘性土w 。约为5 l o m m ，对于砂类土w 。 约为l o 2 0 m m 0 3 。对于加工软化型土( 如密实砂、粉土、高结构性黄土等) 所需 的矾较小，且吼达到最大值后又随w 的增大而有所减小。对于加工硬化型土( 如 非密实砂、粉土、粉质粘土等) 所需的w 。更大，且极限特征点不明显( 如图卜2 ) 。 7 第1 章绪论 随着近年来对大直径桩承载性状认识的不断深化，大量测桩结果表明，发挥侧阻 所需的相对位移并非定值，与桩径大小、施工工艺、土质性质与分布位置等有关。 桩侧摩阻力的准确确定是桩基设计的主要内容。影响竖向受压单桩桩侧摩 阻力的主要因素有：土的种类、桩的入土深度、制桩材料、桩土问相对位移、 成桩施工工艺等。3 川。 桩侧摩阻力q 。的计算可以分为总应力法和有效应力法两大类。根据各家计 算表达式所用的系数的不同，可将其归纳为n 法、b 法、 法0 1 。 a 法由t o m l i n s o n ( 1 9 7 1 ) 提出，用于计算饱和粘性土的侧摩阻力： q 。= a c 。 ( 卜3 ) 式中a 系数，取决于土的不排水剪切强度巳和桩进入粘性土层的深度比 吃d ； c 。桩侧粘性土层的平均不排水剪切强度，可采用无侧限压缩、三轴不 排水剪切和原位十字板、旁压试验等测定。 b 法由c h a n d l e r ( 1 9 6 8 ) 提出。1 3 法又称为有效应力法，用于计算粘性土和 非粘性土的侧摩阻力： q 。= o vr k t 9 6 = p o r v 式中桩侧土压力系数，和土的有效内摩擦角、成桩方法等有关； j 桩、土间的外摩擦角； 盯：桩侧计算土层的平均竖向有效应力，地下水位以下取土的浮重度。 对于正常固结粘性土：k o * l s i n e ，万一，= ( 1 一s i n e ) 辔。；对于超 固结土：= ( i s i n # 。) 辔p 积，其中o c r 为超固结比。 x 法是v i j a y v e r g i y a 和f o c h t ( 1 9 7 2 ) 在综合a 法和法特点的基础上，提 出的适用于粘性土的方法： q 。= a ( 仃：+ 2 c 。) ( 1 5 ) 式中盯：、c 。分别与式( 卜4 ) 和式( 卜3 ) 中同； 系数，可由图1 - 3 确定。 图1 - 3 所示的系数凡是根据大量静载试桩资料回归分析得出的。由图1 - 3 可以看出，系数川遗桩的入土深度增加而递减，至2 0 m 以下基本保持常量。这 主要反映了桩侧摩阻力的深度效应及有效竖向应力盯：的影响随深度增加而递减 同济大学申请博士学位论文 论文题目：挤扩灌注桩工作性态的研究 所致。因此，在应用该法时，应将桩侧土的q 。分层计算，即根据各层土的实际 平均埋深由图卜3 取相应的 值和一、巳值计算各层土的值。 系数 00 1o 20 30 4o 5 o 1 0 2 0 33 0 巡 翁4 0 一 i 。 张晓玲，王理，唐业清( 1 9 9 9 ) m 1 对挤扩支盘灌注桩的作用机理、主要特 征进行了论述，并结合工程实例对其加以阐述。 魏章和，李光茂，贺德新( 2 0 0 0 ) 通过对d x 桩的静载荷试验研究得如如下 结论；1 ) d x 桩由于其多个承力盘的作用充分发挥了场地桩周地基土的承载能力， 使d x 桩较大幅度地提高了单桩承载力。本试验中比相同直径和桩长的钻孔灌注 桩的单桩承载力提高一倍以上，而其工程造价仅增加3 0 ，是一种值得推广应用 的桩型。2 ) 在比较均匀的地层中，d x 桩各承力盘端阻力的发挥具有明显的时间 和顺序效应。总体趋势是上盘比下盘承载力发挥得早、荷载分担多。因此在设 计d x 桩时，应考虑地质条件及极限荷载作用下各承力盘的受力情况，合理设置 承力盘数量和盘间距，能够充分发挥桩周地基土对荷载的分担作用。3 ) d x 桩中 设置承力盘进而影响桩侧摩阻力的发挥，与同桩径、桩长的钻孔灌注桩相比， d x 桩的桩侧摩阻力要小一些。本次试验测得结果为其6 9 。4 ) d x 桩的破坏模式 第l 章绪论 是在极限荷载下各承力盘端阻力先后达到极限状态而破坏，表现在桩顶上为破 坏迅速发生。5 ) d x 桩承载力提高是在于承力盘端阻力发挥显著，故d x 桩施工时， 保证挤扩承力盘的质量是关键。 吴永红，郑刚，闫澍旺( 2 0 0 0 ) 呻1 根据多支盘钻孔灌注桩的受力机理，应 用分层总和法计算沉降的概念，提出了一种多支盘钻孔灌注桩基础沉降计算理 论与方法，编制了相应的计算软件。 吴兴龙，李光茂，魏章和( 2 0 0 0 ) 即1 在d x 桩现场测试、有限元计算和理论分 析的基础上，提出了d x 桩的单桩极限承载力的经验公式： 如= 级+ 卵如+ = u 吼女l a + 叩q 取a b j + 以( 1 9 ) l = l 式中q ，。第i 土层桩身极限侧摩阻力标准值； 乙第i 土层有效侧阻桩段长度； 桩侧摩阻力综合修正系数，。= 虬。，虬。为施工工艺对桩 侧各类土层摩阻力影响修正系数，眇，。为桩侧摩阻力尺寸效应； 玎承力扩大盘发挥性状修正系数； g 。桩身第j 个承力扩大盘处土体的极限端阻力标准值； 4 。，扣除桩身截面积的承力扩大盘投影面积； 矿毋第j 个承力扩大盘端阻力综合修正系数，y 彤= 9 b j s y 加缈彰，妒加 为施工工艺对各类土层承力扩大盘端阻力影响的修正系数，。为 承力扩大盘尺寸修正系数，。，为承力支盘盘间净距折减系数； g 。普通混凝土灌注桩桩端土层极限阻力标准值； a 桩端面积。 周