（岩土工程专业论文）现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践.pdf

摘要 摘要 振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩( 下文简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程研究所 刘汉龙教授等自主开发研制的新型桩基技术，已通过江苏省科技厅组织的专家鉴定，且已 获得了国家专利( z l 0 1 2 7 3 1 8 2 x ；c n1 3 6 7 2 9 6 a ) 。该技术吸收了预应力管桩、振动沉管桩 和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点，施工工艺简单，可操作性强，是一种适合于软土地 区的新型高效优质桩型，具有较大的推广应用价值。作为一种全新的桩型，其单桩承载性能 还缺乏系统完善的研究，p c c 桩复合地基的变形特性研究也基本空白，设计理论的滞后制 约了该新技术的推广。) k 一 本文在前人工作的基础上，通过现场试验、理论分析、数值分析，对p c c 桩的加固机 理和计算方法进行了研究，本文的主要工作有： ( 1 ) 开发p c c 桩的施工机具，介绍了p c c 桩的技术原理、施工机具设备、施工工艺及 要点、技术特点、适用范围、设计检测方法等。 ( 2 ) 设计了一组p c c 桩沉桩挤土试验，试验结果表明在软粘土中的p c c 桩在沉桩过程 中没有，“生闭塞效应或闭塞效应较小；p c c 桩存在着部分挤土效应，桩的几何特征是控制 挤上效应的关键因素。 ( 3 ) 联合采用应变路径法和有限单元法对p c c 桩的贯入问题做了进一步的分析，分 析表明，土塞和桩周土体的变形模式与应变路径与圆孑l 扩张法等常规方法有较大区别。 ( 4 ) 结合现场试验，对p c c 桩的现场试验研究进行了全面的介绍，通过单桩载荷试验 和复合地基载荷试验，初步评价了p c c 桩的工作性能。试验内容基本上可以反映出p c c 桩 在软土地基施工中所遇到的问题，以及成桩后桩土作用的特点，可为相关类似工程提供参 考。 ( 5 ) 将桩体和上塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟，建立了一种p c c 桩单 桩荷载沉降曲线的简化分析方法。利用简化方法对主要影响因素进行了分析，得到了一 些有益的结论，结果表明简化分析方法力学模型简化合理，物理概念明确，能较好的反映 p c c 桩的工作性状。 ( 6 ) 全面的介绍7 p c c 桩单桩的有限元分析模型的建立，对p c c 桩荷载传递机理及其影 响因素进行了深入分析，重点是土塞对单桩性能的影响、p c c 桩的破坏模式、桩内、外摩阻 力的分布及发挥模式和土塞的应力应变等。内摩阻力沿土塞高度的视为指数分布，内摩阻 力及相应的p c c 桩单桩竖向极限承载力的简化计算公式，便于工程应用。 ( 7 ) 在路堤荷载作用下，路堤填土材料中的拱效应、土工格栅的拉膜效应或加筋垫层 的刚性垫层效应、桩上间刚度差异引起的应力集中效应保证了大部分荷载由桩承担，有效 的减小了总沉降和不均匀沉降。同时对荷载传递机理的影响因素做了分析。 ( 8 ) 认为大面积路堤荷载作用下的刚性桩复合地基只有竖向变形，水平变形可以忽略， 然后应用士体的平衡、几何、物理方程，建立了沉降计算的控制方程。桩土界面的接触条 i 摘要 件按位移协调或产生滑移变形两种情况分别建立，采用有限差分法离散求解可得桩、桩周 土各自的沉降变形，桩土界面的摩擦力分布。与有限元分析和现场实测结果的对比表明该 简化方法具有较高的准确性，可以方便地应用到工程实际。 ( 9 ) 介绍了p c c 桩技术在盐通高速公路、上海北环高速公路中的应用，对这些工程的 ：【程特性进行了简单的归纳，便于类似工程参考。 关键词：现浇薄壁管桩，土塞，挤土效应，荷载传递，路堤荷载，刚性桩复合地基 承载力，沉降 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i n - w a l lp i p ep i l e u s i n gc a s t - i n - s i r ec o n c r e t e ( s i m p l yn a m e dp c c ) t e c h n i q u ei san e w g r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yp r o f l i uh a n - l o n ge t a 1 ( g e o t e c h n i c a ti n s t i t u t eo f h o h a iu n i v e r s i t y ) 。t h i sn e wp i l es t y l eh a sa d v a n t a g e so f p r e s t r e s s e d p i p ep i l e ，b u f f e t i n gp i p e s u n kp i l e sa n db u f f e t i n gm o u l d s u n kc u t o f f w a l l t h i sn e wf o r mo f p i l e s y s t e mi s s u i tf o rs o f ta r e a sw i t hs h o nc o n s t r u c t i o nt i m ea n de a s yo p e r a t i o n s oi th a sg r e a t p r a c t i c a lv a l u ea n db r i g h tm a r k e tp r o s p e c t a sa n e w t e c h n i q u e s ，t h e l o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mf o r s i n g l ep c cp i l ea n dp e r f o r m a n c eo f p c cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r es t i l lu l l k n o ，, v n t h i ss t a t u s l i m i t e dt h em o r e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o f t h i sm e t h o d ， b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e r sw o r k , t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h eq u e s t i o na b o v ev i af i e l d e x p e r i m e n t ，l a b o r a t o r y t e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i nc o n t e n t so f t h ec u r r e n tr e s e a r c ha r e a sf c i l l o w s ： ( 1 ) a u e w p i l es t y l e - p c cp i l ei sd e v e l o p e d t h ep r i n c i p l e ，e q m p r n e n t ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d , t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，a p p l i c a t i o n sm a d p i l eq u m i t y t e s tm e t h o do f p c ca r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ( 2 ) b a s e d o nt h e t e s t s 纽s i t u ，t h ee f f e c to f c o m p a c t e d s o i ld u r i n gp c c p i l ei n s t a l l a t i o ni nc l a y i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s i ti sf o u n dt h a tt h es o i lp l u gi su n p l u g g e do r p a r t i a l l y p l u g g e dd u r i n g t h e p i l ed r i v i n g i ti sa l s os h o w n t h a tt h ep c c p i l ei sap a r t i a l l yd i s p l a c e m e n to rs m a l ld i s p l a c e m e n t a n dt h e p i l eg e o m e t r y i st h e k e yf a c t o rt oc o n t r o lt h ee f f e c to f p i l e i n s t a l l a t i o n ( 3 ) u s i n gt h es t r a i np a t hm e t h o d ( s p m ) a n d t h ef i n i t ee l e m e n tm e m o d ( f e m ) ，t h es o i l d i s t u r b a n c e sc a u s e db yt h ep e n e t r a t i o no fp c c p i l ei ss t u d i e d t h ed e f o r m a t i o na n ds t r a i nf i e l d s s o l v e dp r o v i d em o r er e a l i s t i cp r e d i c t i o n st h a nc a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d su t i l i z e da tp r e s e n tt o e s t i m a t ei n s t a l l a t i o ne f f e c t s ( 4 ) f i e l de x p e r i m e n ts t u d yo i lp c c p i l ei si n t r o d u c e d i nd e t a i li nt h et h e s i s t h et e s tc o n t e n t i n c l u d e st h e p m b l e r n st h a tm a y b e o c c u r r e dd u r i n gc o n s t r u c t i o ni ns o f tc l a y t h et e s tp r o g r a mc a n g u i d es i m i l a rp r o j e c t s ( 5 ) t h e s o i lp l u ga n d p i l e a r em o d e l e da sas e r i e so f m a s s e sa n d s p r i n g s , as i m p l i f i e dm e t h o d t oe s t i m a t et h el o a d s e t t l e m e n tr e l a t i o no f p c ci sp r o p o s e d i nt h em e t h o dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n t h es o i l p l u ga n dt h ep i l ei sc o n s i d e r e d ap a r a m e t r i cs t u d yb a sb e e nm a d eb yt h es i m p l i f i e d m e t h o d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h em e t h o d i sm o r ec o n v e n i e n tt ob eu s e di ne n g i n e e r i n g d e s i g n ( 6 ) l o a dt r a n s f e ri ss t u d i e db ym e a n so faa x i s y m m e t r i cf i n i t ee l e m e n te l a s t o p l a s f i cm o d e l t h a ti n c l u d e si n t e r f a c ee l e m e n t sf o rr e p r e s e n t i n gs l i p p a g e ，p i l e - s o i ls e p a r a t i o na n ds o i ln o n l i n e a r b e h a v i o r n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a t g o o da g r e e m e n te x i s t s b e t w e e nt h ef i n i t ee l e m e n t p r e d i c t i o na n dt h ef i e l dt e s tf o rt h eh e a dl o a d s e t t l e m e n tc t l r v e i n n e rf r i c t i o n a lr e s i s t a n c e , o u t e r s h e a rs t r e s s ，e n db e a r i n ga n de f f e c t so fs o i l p l u gt h o s ec a nn o tb ei n v e s t i g a t e db yf i e l dt e s ta r e s t u d i e di nd e t a i l s i n n e rf r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea l o n gs o i lp l u gi sd e s c r i b e db y e x p o n e n tf i m c t i o n ， v a b s t r a c t t h e l lt h ef o r m u l at o c o m p u t et h ei n n e rf f i c 5 0 n a lf o r c ea n dt h eu l t i r n a t el o a do fp c cd i l ei s p r o p o s e d ( 7 ) t h er e s u l t so ff e ma n a l y s i ss h o wt h a td u et ot h ec o m b i n a t i o no fe m b a n k m e n ts o i l a r c h i n g ，t e n s i o n e dm e m b r a n e o rs t i f f e n e dp l a t f o r mo f g e o g r i d ，a n ds t r e s sc o n c e n 仕a t i o nd u e t ot h e s t i f f i a e s sd i f f e r e n c eb e t w e e n p i l ea n ds o i l ，am a j o r i t yo f r o a de m b a n k m e n tl o a d i n gi st r a n s f e r r e dt o p i l e s ，t h e nt h es e t t l e m e n t sa n dd i f f e r e n t i a ls e r l e m e n t sa r er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y t h em a i nf a c t o r s a r ea l s os t u d i e db yn u m e r i c a la n a l y s i s ( 8 ) t h eh o r i z o n t a ld i 刚a c e m e n t o ft h ec o m p o s i t eg r o u n d i m p r o v e db y 妇dp i l e s i s n e g l i g i b l ys m a l l ，t h u st h eo n l yr e m a i n i n gc o m p o n e n t i sv e r t i c a ls e t t l e m e n t e q u i f i b r i u m e q u a t i o n s ， g e o m e t r ye q u a t i o n sa n dp h y s i c a le q u a t i o n sa r eu s e dt od e r i v et h eg o v e r n i n ge q u a t i o no ft h e p r o b l e m b o u n d a r yc o n d i t i o na tt h es o i l - p i l ei n t e r f a c ei sa c c o u n t e da tt w od i f f e r e n ts t a t e s ：t h e d i s p l a c e m e n to f t h ep i l ea n dt h es u r r o u n d i n g s o i la r ec o m p a t i b i l i t yo r s l i p p a g ei sd e v e l o p e da tt h e i n t e r f a c e t h ed i s p l a c e m e n to f t h e p i l ea n d s o i lc a r lb es o l v e db yf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 舶mt h e g o v e r n i n ge q u a t i o n t h e ns k i nf r i c t i o no nt h ep i l ec a nb ep r e d i c t e d b yc o m p a r i n gw i t hf e m a n a l y s i sa n dt h em e a s u r e dd a t ai ns i t e ，t h es i m p l i f i e dm e t h o di sv e r i f i e da n di sc o n v e n i e n tt ob e u s e di ne n g i n e e r i n g d e s i g n ( 9 ) t h ea p p l i c a t i o no fp c cp i l ei ny a n t o n gh i g h w a ya n ds h a n g h a ib e i h u a nh i g h w a ya r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h ee x p e r i e n c ec a r lb eu s e da sar e f e r e n c et oo t h e r p r o j e c t s k e y w o r d s ：t h i n w a l l p i p ep i l eu s i n gc a s t i n - s i t uc o n c r e t e ，s o i lp l u g , c o m p a c t i o ne f f e c t ， l o a d 打a n s f e r , r o a de m b a n k m e n tl o a d i n g , c o m p o s i t eg r o u n di m p r o v e db y r i g i dp i l e s , b e a t i n gc a p a c i t y ，s e t t l e m e n t v i 剐昂 目u舌 近年来我国基础建设进入了飞速发展的时代，其中绝大部分建于经济发展较快的东部 沿海地区，而这些地区土层多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱 和的正常压密软粘土。这类土具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和 厚度不均等特点，在这些地区修建建筑物必须解决承载力不足、沉降或不均匀沉降过大、 侧向变形过大、整体或局部失稳等问题。 目前软土地基处理的思路主要有两类，一类是进行地基土的改良，这类方法包括强夯 法、置换法、预压法和排水固结法等；另一类方法是在土体中设置结构( 如桩、土工隔栅) ， 以承担上部建筑物传来的主要荷载。如近年来公路软土地基加固中运用的较多的是复合地 基加固法，包括：柔性桩复合地基( 如粉喷桩) 、散粒体复合地基( 如碎石桩) 、刚性桩复合地 基( 如c f g 桩) 等。各种方法都有其适用范l 訇及局限性：超载预压方法由于软弱地基土的强 度很低，因存在路堤的稳定性问题，不可能快速加载，制约着工程的进度，因此施工工期 很长，影响工程本身的经济效益，另外超载预压需要额外土方，在平原地区如苏南地区会 多占用耕地，破坏环境；柔性桩复合地基和散粒体复合地基造价低廉，但其加固深度有限， 且质量难以挖制；刚性桩复合地基具有加固深度长，承载力提高和沉降减小明显等优点， 但常规的刚性桩复合地基中采用传统的实心混凝土桩，存在着造价高的缺点。预制混凝土 管桩具有节省混凝土用量，提高单方混凝土承载能力的优点，但其配筋是根据搬运和锤击 的要求设计的，通常远高于正常工作荷载的要求，钢的用量大，单价较灌注桩高。如何得 到混凝土使用方量最少、实现造价最低、提高承载力明显、达到增加地基的稳定性的剐性 桩是岩土工程界研究的热点。 正是针对实心桩及预制混凝土管桩造价高的不足，河海大学岩土工程研究所在广泛工 程实践的基础上自主开发研制了p c c 桩软基加固专利技术，该技术依靠沉腔上部锤头的振 动力将内外双层套管所形成的环形腔体沉入预定的设计深度，在腔体内灌注混凝土，之后 振动拔管。环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。与传统的实心桩相比，具 有以下优点：桩表面积大，单方混凝土承载力高，可大量节省混凝土，从而降低造价；施 工速度较静压桩和钻孔灌注桩及一般的沉管灌注桩要快，成桩质量稳定：加固范围大，桩 体与桩周士形成刚性复合地基，承载力提高幅度大，可调性强，可有效减少沉降。目前， p c c 桩软基加固技术在江苏省、上海市、浙江省等地区的高速公路软基加固中已开始试用， 实践证明该技术具有承载力高、质量可靠和工程造价低等优点。但作为一种全新的桩型， 理论远远落后于实践，为进一步推广p c c 桩技术，需对其工作特性做较深入的分析研究。 其研究成果方面将丰富和发展地基基础工程理论，另一方面将有助于指导工程实践，不 仅具有较高的学术价值，而且具有重要的工程应用意义。 本文在前人工作的基础上，通过现场试验、理论分析、数值分析，对p c c 桩的加固机 理和计算方法进行了较为深入的研究。本文的主要创新成果有：( 1 ) 开发了p c c 桩的旌工 前言 机具，文中主要介绍了p c c 桩的技术原理、技术特点、适用范围、设计检测方法等方面的 内容。( 2 ) 设计了p c c 桩现场挤士试验，联合采用应变路径法和有限单元法对p c c 管桩的 贯入问题进行了分析，对p c c 这一全新桩型的挤土特性有了较深入的了解。( 3 ) 建立的p c c 桩单桩荷载沉降曲线的简化分析方法力学模型简化合理，物理概念明确，能较好的反映 p c c 桩的工作性状。给出了p c c 桩单桩竖向极限承载力的简化计算公式，便于工程应用。( 4 ) 建立了路堤荷载作用下刚性桩复合地基沉降计算的简化计算方法，可简便的应用于工程设 计。 儿 学位论文独创性声明： 本人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 文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 煎庭2 。晦，月。5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 名蕊 一 2 0 0 年月口岁日 河海大学博上学位论文：现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践费康 第一章绪论 1 1 桩基技术发展概况 桩定义为“垂直或微斜埋置于土中的受力杆件 1 1 ”，可将上部结构的荷载传递到深部较 坚硬，压缩性小的土层或岩层，是一种很古老的处理不良地基的有效方法。在一般的房屋 基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载，但在河港、桥梁、高耸搭型建筑、近海结构钻 采平台、支挡建筑，以及抗地震工程中，桩还需承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和 地震力等水平荷载。 桩基的发展过程，可以从桩的材料和成桩工艺方法两方面来归纳 2 】。 ( 1 ) 从桩的材料来看，最早使用的是木桩。考古研究表明，我国和世界许多国家许多 地方都存在着人类自新石器时代伊始在不同年代利用木桩支承房屋、桥梁、高塔、码头、 海塘或城墙的遗址。如1 9 8 1 年1 月美国肯塔基大学的考古学家在太平洋东南沿岸智利的蒙 特维尔德附近的杉树林内发现了一所支承于木桩上的木屋，距今已有1 2 0 0 0 至1 4 0 0 0 年历 史，这可能是全球迄今所发现的人类最古老的建筑物和木桩遗存；浙江东部余姚市河姆渡 村出土的木桩结构，甚至还包括了简单的打桩工具；重建于宋太平兴国二年的上海的龙华 塔塔基采用矩形木桩，截面宽度为1 8 0 m m 。在英国也保存有一些罗马时代修建的木桩基础 的桥和居民点。 1 9 世纪2 0 年代，人们已开始寻找木桩的代用品，开始使用铸铁、熟铁制成板桩、管桩 或棒桩以修筑围堰码头及其它构筑物，但由于铸铁性脆，熟铁不耐打击，未取得满意的结果。 到本世纪初，美i 雪出现了各种形式的型钢，特别是1 1 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了钢桩基础，到3 0 年代在欧洲也被广泛使用，二次大战后，随 着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管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。钢桩可根据荷载特征制作成各种有利于提高 承载力的断面，管形和h 形是现在常用的断面形式。 混凝土桩是当前各国使用最广泛的桩，它又可分为就地灌注混凝土桩和预制混凝土桩 两大类。本世纪2 0 到3 0 年代已出现沉管灌注混凝土桩。上海在3 0 年代修建的一些高程建 筑的基础，就曾采用沉管灌注混凝土桩，如f r a n k i 桩和v i b r o 桩，到5 0 年代，随着大型 钻孔机械的发展，出现了钻孔灌注混凝土桩或钢筋混凝土桩。在5 0 年代到6 0 年代，我国 的铁路和公路桥梁曾大量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。我国现用的预应力钢筋混 凝土桩多为圆型管桩，是由专业厂家采用先张法预应力工艺和离心成型，蒸汽养护而成， 是一种细长空心等截面预制混凝土构件。管桩发明于因外。国内发展极不平衡。广东地区 从8 0 年代开始大量应用。而华东地区从9 0 年代才逐渐推广使用。全国其它地方使用不是 很多，但最近在工业与民用建筑和高速公路等建设领域发展迅猛。 ( 2 ) 从成桩工艺的发展过程来看，最早采用的桩基施工方法是打入法。随着桩的用途 不断拓宽，并由于用桩场地地质和环境条件的变异性，旌工技术和机械设备不断得到改进 河海大学博士学位论文：现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践 费康 与发展，随之也产生打入、振入、压入、钻孔、冲孔、挖孔等各种新的桩型和新的工法。 打桩的工具已由手工木槌、石槌渐渐发展至改用绞盘提升锤头，然后让其自由坠落冲击桩 顶，即落锤法施工。随着打桩数量的增加和深度的加深，落锤式打桩机不能满足要求，于 是出现了蒸汽打桩锤和导杆式柴油机打桩锤等。另外，还发展了压缩空气为动力的各种打 桩机、电动的震动打桩机和静力压桩机。另一方面，1 8 7 1 年芝加哥高层建筑物桩基工程中， 借鉴人类古代的掘井技术，产生了人工挖孔桩；1 8 9 9 年俄国工程师斯特拉乌斯和1 9 0 0 年 美国工程师雷蒙特分别独立的提出了沉管灌注桩这一新桩型。随着就地灌注桩，特别是钻 孔灌注桩的出现，钻孔机械也在不断的改进，如适用于地下水位以上的长、短螺旋钻孔机， 适用于不同地层的各种正、反循环钻孔机，机动洛阳铲、旋转套管机等等，为提高灌注桩 的承载力，出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，出现了孔底或周边压浆的新工艺。 大直径现浇混凝土薄壁管桩j ( t h i n - w a l lp i p e p i l e u s i n g 璺s t i n - s i t u c o n c r e t e ， 下文简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程研究所自主开发研制的新桩型，己通过江苏省科技 厅组织的专家鉴定，且己获得了中国国家专利( 专利号分别为：z l9 8 2 3 3 4 4 0 0 和z l 0 1 2 7 3 1 8 2 x ) 。该技术采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土面成管桩，具体步骤是依靠沉 腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设 计深度，在腔体内现浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形 成混凝土管桩。通常桩径为中1 0 0 0 中1 5 0 0 n i l ，并正在向更大直径的方向发展；壁厚在1 5 0 2 0 0 n 硼之间；处理深度可达3 5 m 。如果需要形成复合地基，为了保证桩与土共同承担荷载， 并调整桩与桩问士之间竖向荷载及水平荷载的分担比例以及减少基础底面的应力集中问 题，待p c c 桩混凝土达到设计强度后，在桩顶铺设一层3 0 5 0 c m 的砂石垫层，并在砂石垫 层中放置土工格栅。 目前，p c c 桩己从原来的单体p c c 桩发展为联体p c c 桩，前者可用于建筑物的桩基础 或软弱地基的复合地基加固，后者以地下连续墙的形式解决基坑围护、护岸工程、隔堤工 程等。迄今为止，p c c 桩已成功的应用于下列类型的工程，并在不断的拓宽发展中： ( 1 ) 交通道路及桥梁工程 采用p c c 桩进行软弱路基处理造价低、旌工进度快、处理软基的质量好，不仅强度满 足要求，而且变形得到很好的控制。尤其是处理桥头不均匀沉降的效果是常见的砂井、塑 料排水板、深层搅拌桩、真空预压等方法所难以达到的。p c c 桩上海北环高速公路、苏北 盐城高速公路、南京市政道路、湖南常张高速公路等工程地基处理中大量应用。 ( 2 ) 海洋工程 采用p c c 桩作为深基础可形成钢筋混凝土结构的直立式海堤。港池侧为联体p c c 桩结 构，起到挡土、防浪及防渗作用；外海侧p c c 单桩之间的透空结构起到消波作用，可以显 著减小作用于港池侧联体p c c 桩墙上的波浪力；p c c 桩之间通过横粱连接，形成空间框架 结构。温卅i 鹿西岛已成功采用大直径( 中1 5 0 0 m m ) p c c 桩结构防波堤，堤长2 7 0 m ，建成后 经2 0 0 2 年1 6 号强台风的正面袭击仍安然无恙。而在相邻地区，采用海底爆破排淤的堆石 堤被1 6 号台风袭击冲决形成大缺口。 ( 3 ) 其他 2 河海大学博士学位论文：现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践费康 p c c 桩在工业民用建筑工程和水利工程中也开始得到越来越多的应用，如上海浦南东片 出海闸导流堤工程就是应用联体p c c 桩结构围堤建成的，工作状况良好。 p c c 桩技术吸收了预应力管桩、振动沉管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点，施 工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督。经工程实践证明，p c c 桩是一种适合于 软土地区的新型高效优质桩型，可有效地提高地基承载力和减小地基沉降，同时具有施工质 量可靠和工程造价低等优点，具有较大的推广应用价值。 作为一种新桩型，p c c 桩的荷载传递机理和承载性能还缺乏系统完善的研究。实质上 p c c 桩是开口管桩的一种，承载特性与钢管桩、预制混凝土管桩等有相似之处，可参照其 余刚性桩，特别是管桩的研究思路及研究方法。 1 2 管桩的研究重点及国内外研究现状 管桩的工作原理比闭口桩复杂的多，这是因为在开口管桩的沉桩过程中，土体不断的 进入桩体内部，直至桩管内土体( 土塞) 与桩管内壁之间发展了足够大的摩阻力，阻止了 土体进一步进入管内，桩呈现为闭口桩的特性，即产生了闭塞效应。闭塞效应对桩的性状 有非常大的影响：对粘土而言，闭塞效应的发生使打桩过程中桩周土孔隙水压力上升的范 围变大，导致孔隙水压力消散和桩承载力的恢复时间变长；对砂土而言，闭塞后打桩导致 水平向土压力变大，增加了桩的极限承载力。 目前，国内外对管桩的承载力的研究主要集中在土塞的作用上，包括开口桩沉桩的挤 土效应；静载作用下土塞的性状研究，包括端阻力，内摩阻力( 土塞与桩壁之间的摩阻力) 的发挥与分布等方面【5 - l ”。 1 2 1 管桩挤土效应研究 ( 一) 闭塞效应 桩管内土体的闭塞程度可以通过沉桩过程中土塞高度的变化来反映，同时可以通过土 塞高度与桩入土深度的差异来判断桩的沉桩模式是低挤土桩还是挤士桩。国内外一些学者 通过现场足尺试验或室内模型试验研究得到了一些有益的结论，简单归纳如下： k i n d e l 【1 3 总结了来自墨两哥湾6 2 个不同场地条件的2 6 8 根打入软粘土中的大直径管桩 的土塞高度变化规律。桩的外径为0 7 6 1 2 2 m ，壁厚2 0 3 6 m m ，桩入桩深度为3 7 1 2 2 m ， 在每次接桩的时候测量土塞的高度。文献中定义了一个描述闭塞程度的参数p l r = l d ， 即土塞长度与桩入土深度之比，研究结果表明儿尺平均值为0 9 2 ，有1 0 的桩p l r 1 ，在软粘士中的打入桩并没有产生明显的闭塞效应。 p a i k o w s k y 等【1 4 】对墨西哥湾1 0 个不同场地的6 0 根打入的管桩的土塞高度变化进行了 测量。试验桩的外径0 9 2 3 m ，壁厚3 0 6 6 m m ，桩长9 0 2 3 0 m 。通过将一系上重物的线 置于桩管内土塞顶面，由此测量桩管内外土体的高度差在打桩过程中的连续变化。研究结 果表明桩壁厚度沿桩身的变化是一个影响闭塞效应的重要因素，桩壁底端厚度较大的桩相 对于桩壁厚度沿高度均匀分布的情况不易发生闭塞效应。p a i k o w s k y 等还认为p l r 并不能 河海大学博士学位论文：现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践费康 真实的反映管桩的闭塞程度，并提出了一个新的闭塞程度的评价指标：s r r = d l d d 1 0 0 ， 即土塞长度的增量也与桩入土深度d d 的增量之比( 图1 1 ) 。文献 1 4 中指出薄壁取样器 与钢管桩在几何特征上具有相似性，可以通过分析薄壁取样器的闭塞效应来了解钢管桩闭 塞的一些特点。通过对l t v o r s l e v 【6 1 薄壁取样器的闭塞测试结果的分析表明，不同入土方法 ( 静压法，锤击法) 的闭塞效应没有很大的差异。但另外一些学者则有不同观点 1 6 , 1 7 k a r l s r u d 和h a u g e n 1 8 1 9 l 介绍了挪威岩土工程研究所进行的管桩大型模型试验研究。 模型桩的外径1 5 3 m m ，壁厚4 5 m m 。以5 7 c m m i n 的速率静压沉入超固结粘土中，试验过程 中测量土塞高度的连续变化。按照k i n d e 的分析方法，m r 达到9 4 ，桩是没有闭塞的， 但s r r ：0 ，达到完全闭塞，可见s r r 能更真实的反映桩的闭塞程度。p a i k 和l e e z 0 对打 入不同砂土中的管桩进行了压力舱模型试验，也验证了这个观点。 图1 1 土塞的三种可能状态 p l r = l 2 d 2 s r r = ( d r b ) d 2 = 0 9 6 鉴于土塞高度连续变化的测量具有很大的不确定性，p a i k o w s k y 和w h j 仃n a i l 口1 1 按照桩 入土深度d 和桩外径曰的比值d 口，将沉桩过程中的土塞分为三种状态：( a ) d b 非常 小，即桩刚刚刺入土中时，呈未闭塞状态；( b ) d b 较大时，土塞移动的距离比桩壁的向 下的贯入距离小，呈部分闭塞状态，；( c ) d b 达到一定值时，土塞随桩一起移动，达到 完全闭塞状态，对于粘土，这个值在1 0 2 0 之间。o n e i l l 和r a i n e s 2 2 在压力舱的高压力条 件下对紧密砂土巾的模型管桩进行了试验研究。试验结果表明，在d b = 6 8 时土塞从 未闭塞状态变化到部分闭塞状态，而即使d b 达到2 1 ，也没有出现完全闭塞现象。 从以上研究成果看，沉桩过程中的闭塞效应受到桩的几何f 生状、沉桩方法、土的类型 等因素的影响，同时沉桩过程中土塞高度的连续变化很难准确获得。这些都给沉桩过程中 4 河海大学博士学位论文：现浇混凝土薄壁管桩的理论与实践费康 的闭塞效应的判断带来了困难，目前的现场试验手段只能给出定性的分析。 ( 二) 挤土效应 ( 1 ) 试验研究 r a n d o l p h l 2 3 】对打入粘土中的开口桩和闭口桩引起的径向位移进行了室内试验研究，试 验结果表明完全闭塞桩引起的变形是没有闭塞桩的3 倍。文中根据径向体积平衡给出了计 算开口桩挤土位移的公式，挤土位移的大小主要取决予桩的直径和壁厚。主要采用了以下 假设：1 ) 土体体积在沉桩过程中没有变化：2 ) 土体位移是径向的：3 ) 沉桩只引起桩壁下 的土体产生向外的位移； 桩侧土压力的变化也是挤土效应的体现。k r a k i 刎归纳了砂土中轴向受荷管桩的工作性 状及其影响因素。他指出侧向应力是影响桩承载力的一个非常关键的参数。通常用侧向有 效应力与上覆有效应力之比，即水平土压力k 来反映。打桩前k 为静止土压力系数，打桩 过程中有可能达到被动状态。当桩端移动时，土压力系数因为振动作用和卸载而减小。未 发生闭塞效应的管桩属于低挤土桩，对桩周土的扰动小，对侧向应力的改变也不大，造成 开口桩与闭口桩桩侧摩阻力的差异。b e r i n g e n 等口副发现打入超固结砂土中闭口桩的侧摩阻 力比开口桩大5 0 。n a u r o y 和t i r a n t t m 也发现了开口桩和闭口桩侧摩阻力的差异。0 n e i l l 和r a i n e s t 2 2 韵室内试验表明如果发生了闭塞效应，就算是开口桩，侧向有效应力在打桩过 程中也有比较明显的提高，尤其是当在浅层出现部分闭塞就会比较明显的影响侧向应力。 m i 儿e r 和l u t e n e g g e r 口6 】对超固结粘土中4 4 根模型管桩的侧摩阻力进行了试验研究试验结 果表明水平土压力系数足，随着土塞闭塞程度而在k 。和一之间变化。k o 是静止土压 力系数，k 。一是闭口桩打入后的土压力系数。并建立了k 和k 。、k 。、s r r 之间的关 系。 试验方法能够直接测量沉桩引起的列周围土体的扰动、土塞和桩周土性质的变化，并 能得到一定的经验公式，但模型的尺寸效应没有得到很好的解决，试验操作也比较困难。 ( 2 ) 理论分析 沉桩引起的土中的孔隙水压力的产生及消散过程，垂直隆起及水平位移的方法主要包 括：圆孔扩张理论，应变路径法，有限元方法，下面逐一简单介绍。 1 ) 圆孔扩张理论 圆孔扩张理论口”首先假设土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s c a 或m o h r - - c o u l o m b 屈服准则，根据弹塑性理论得到无限土体内具有初始半径的柱形孔或球形孔，被均匀分布 的内压力所扩张的一般解答。 圆孔扩张理论的提出起先是为了解决金属压痕问题2 8 0 ”，g i b s o n 和a n d e r s o n 3 0 1 把这种 理论应用于岩土力学问题中，随后得到了很快的发展 3 1 - 3 3 1 。b u t t e r f i e l d 和b a n e r j e e “1 首 先将沉桩过程简化成平面轴对称的圆孔扩张问题。s a g a s e t a i ”增先应用球形孔扩张理论来 模拟沉桩过程，得到了满足地面应力自由条件的垂直隆起量的解答。c h o w 和t h e d 6 1 参考 s a g a s e t a 的做法，利用球形孔扩张理论，把沉桩过程作为准静态过程，把每一微段作为一 珂海大学博士学位论文：现浇混凝土簿壁管桩的理论与实践 费康 个球形孔，沿桩长积分得到桩周图的位移场。国内的樊良本和朱国元口1 应用桩模型试验对 圆孔扩张理论进行了验证，而王启铜等【3 8 】等采用拉压不同的模量，建立了桩周匪i 土体的应 力和位移表达式。陈文【3 明在传统圆孔扩张方法的基础上进行了改进，考虑了土体的非线性， 空间性等因素分析了桩体的贯入过程。并得到了桩体贯入引起的初始超孔隙水压力的三维 解析解答。圆孔扩张理论经过学者们的的研究，n t l 扩张理论成为解决沉桩对周围土体影 响应用最为广泛的一种方法，并可采用复杂的士体本构