（岩土工程专业论文）现浇钢渣混凝土薄壁管桩材料试验与单桩承载特性研究.pdf

摘要 摘要 本文针对现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 这种新桩型，在前人工作的基础上， 通过室内试验对桩体材料的强度特性进行了研究；引入了荷兰开发的大型岩土工程有限 元软件p l a x i s 程序，对p c c 单桩承载特性进行了研究，着重分析了桩长、桩径、桩土刚 度比等因素对单桩承载特性的影响。主要完成了如下工作： 1 通过试验研究了废钢渣作为原材料配制混凝土的方法，并将钢渣混凝土与普通混 凝土在配制过程中的某些性质指标作了比较，分析了其原因，并在试验的基础上建立了 强度与灰水比经验公式，为工程设计提供了依据。配制出的钢渣混凝土力学性能比普通 混凝土力学性能要高，而且节省了水泥和石子，具有很好的经济效益。由于利用了废 物，变废为宝，解决了环境污染问题，故又有很好的社会效益。 2 引入了p l a x i s 程序，对p l a x i s 程序的特点、计算分析原理进行了概述，对土体 的三轴试验和侧限固结试验进行了模拟，计算结果较好的反应了土体的基本特性，并与 试验结果符合良好。同时列举工程实例，应用m c 模型进行静载荷试验的模拟，计算结 果和实测结果符合良好，验证了程序在实际工程应用中的可靠性。理论和实践都证明， p l a x i s 程序完全可以应用于岩土工程的科研分析。 3 应用p l a x i s 程序模拟单桩静载荷试验的过程，并根据计算结果较为详细的分析了 p c c 单桩的基本承载特性，主要包括荷载一沉降曲线的特征、桩壁内外侧摩阻力的分 布、桩端阻力的分布、桩的轴向荷载传递以及孔压消散规律等。然后从桩长、桩径以及 桩土刚度比等角度分析了其对单桩承载力、内外侧摩阻力、桩端平面应力分布、轴向荷 载传递、桩身截面位移等的影响。主要得出了如下一些结论： ( i ) 对于长桩，承载力设 计宜按变形控制；相同荷载下，外摩阻力随着桩长的增加而减小，内摩阻力发挥的相对 长度随着桩长的增加也减小；在桩端平面上，桩壁处受到附加压应力，而两侧的土体中 有附加拉应力，在离桩心较远处，附加应力的影响已经很小，几乎为零。( 2 ) 随着桩径 的增大，桩的极限承载力有显著提高；在相同的荷载密度下，随着桩径的增加，外侧摩阻 力几乎没有变化而内摩阻力却有显著提高，并且内摩阻力的发挥长度也随着桩径的增大 而增长。( 3 ) 在桩土刚度比较小时，桩外侧摩阻力呈抛物线分布，沿着桩顶向下迅速增 大，达到最大值后再沿着桩深有迅速减小的趋势；桩壁内摩阻力沿着桩身向下逐渐增 大，达到最大值后持续减小至零，以下一段桩身继续减小至负值，在该段为负摩擦区， 然后再逐渐增大至零或正值。 关键词钢渣混凝土水灰比强度p c c 承载特性影响因素荷载传递 一垒堡璺! 壁垒曼! a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r ko ff o r m e rr e s e a r c h e r s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lo ft h e p i p ep i l e a r es t u d i e di nt h i st h e s i s b yi n d o o re x p e r i m e n t ；a l s ot h eb e a r i n g m e c h a n i s mi s a n a l y s e dc o m b i n e dw i t ht h ef a m o u sg e o t e c h n i c a lf e m s o f t w a r ep l a x i sa n dt h ei n f l u e n c e so f l e n g t ho fp i l e ，d i a m e t e ra n d t h er a t i oo ft h es t i f f n e s so f p i l et ot h es t i f f n e s so f s o i lo nt h eb e a r i n g m e c h a n i s ma r ed i s c u s s e d f o rd e t a i l s ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： 1 t h er e s e a r c hi sc o n d u c t e do nt h ec o n f e c t i n gm e t h o do fs t e e l s l a gc o n c r e t eb yi n d o o r e x p e r i m e n t t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e ns t e e l s l a g c o n c r e t ea n dp l a i nc o n c r e t e ，i tc a na n a l y z et h ea d v a n t a g e so fu s i n gs t e e l s l a gc o n c r e t e b a s e do n t h et e s t r e s u l t s ，e m p i r i c a l f o r m u l a ei s d e v e l o p e d ，w h i c hp r o v i d e s s o m eb a s e sf o r p r a c t i c a l p r o j e c t s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l s l a gc o n c r e t ep r e v a i l s m o r ea d v a n t a g e st h a nt h e p l a i nc o n c r e t e ，a l s ot h eq u a n t i t i e so fc e m e n ta n dg r a v e la r er e d u c e d ，c o n s e q u e n t l yr e d u c i n gt h e c a p i t a lc o s to f t h e p r o j e c tm a t e r i a l s ，s ot h i sm e t h o d i se c o n o m i c a l l ya n ds a f e l yt ob eu s e da n di t c a ns o l v et h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so fu n u s e ds t e e l - s l a g 2 t h ef e ms o f t w a r ep l a x i si si n t r o d u c e da n di t st h e o r i e sa n dn u m e r i c a lm e t h o d sa r e g i v e n t h es t a n d a r dd r a i n e dt r i a x i a lt e s ta n d t h eo e d o m e t e rt e s ta r es u b j e c t e dt os i m u l a t i o n so f v a r i o u sl a b o r a t o r yt e s t si no r d e rt ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t yw i t hm e a s u r e dt e s td a t a a l s ot h e1 0 a d - s e t t l e m e n tc u r v e sb yf i e l dt e s ta n df e mo nap r a c t i c a le n g i n e e r i n ga r ec o m p a r e d t h er e l i a b i l i t y i sv a l i d a t e df u r t h e ro n 3 t h es t a t i c l o a d i n g t e s ti sm o d e l e db yp l a s ，b a s e do nt h i s ，t h e b a s i c b e a r i n g m e c h a n i s mi sa n a l y s e dw h i c hc o m p r i s et h er u l eo ft h el o a d - s e t t l e m e n tc u r v e s 。i n n e ra n do u t e r f r i c t i o nr e s i s t a n c e ，e n db e a r i n g ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gp i l ed e p t ha n dt h ed i s s i p a t i o no fe x c e s s p o r ep r e s s u r e s a l s ot h ei n f l u e n c e so f t h el e n g t h ，d i a m e t e r ，a n dt h er a t i oo ft h es t i f f n e s so fp i p e t ot h es t i f f n e s so fs o i lo i lt h eb e a r i n gm e c h a n i s m s a r ed i s c u s s e d b a s e do nt h e s e ，s o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa l er e a c h e d k e yw o r d s s t e e l s l a gc o n c r e t e b e a t i n g m e c h a n i s m c e m e n tw a t e rr a t i o i n f l u e n c ef a c t o r s t r e n g t h p c c l o a dt r a n s f e r i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节问题的提出 我国地域辽阔，地质条件极为复杂，特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在 着许多复杂的软土地基，在这些地质条件下修建高质量的公路及建筑物都要进行软基处 理，以增加地基的稳定性及减少沉降。软基处理方法的选择使用对工程质量、工期和经 济效益均有重要的影响。现在软基处理中使用的方法主要有桩基、水泥土搅拌桩、强夯 法和真空预压、超载预压等加固方法。每种加固技术都有它的适用性和局限性。水泥土 搅拌桩施工质量难以控制，加固深度也有限，且检测量大且费用高；超载预压方法由于 软弱地基土的强度很低，存在路堤的稳定性问题，不能快速加载，制约工程的进度，因 此施工工期很长，影响了工程投资的经济性。强夯法主要是针对透水性较强软土的加固 效果明显，对软粘土不适宜，对沿海地区的粘土及淤泥质土的加固处理受到了限制。 桩基在加固软土地基中使用由于施工速度快，可大大缩短工期，加固处理深度不受 限制，适宜各种地质条件，可明显增加路基的稳定性，提高地基的承载力和减小变形， 长期以来，无论在建筑工程，还是在道路工程中，都得到普遍采用。这其中主要包括实 心预制桩和现场灌注混凝土桩，以及预制混凝土管桩等。预制实心桩较现场灌注桩造价 要高；现场浇筑混凝土桩单方造价较低，但也不能节省混凝土材料，从根本上看，现场 浇筑混凝土实心桩的造价并未得到根本的降低。为此，又发展了预制混凝土管桩，该桩 型的单方混凝土提高承载力较实心混凝土桩有了较大的提高。但预制混凝土管桩的使用 需要在工厂预制，预制混凝土管桩从形式上是节省了材料，但考虑到运输和施工等因 素，又必须加入了大量的钢筋以增加强度抵抗施工可能带来的破坏性，从而增加了造 价，故地基加固成本较高。因此，寻求使用较少的混凝土方量，以实现造价低、承载力 高，并且地基的稳定性增加明显的新桩型成为岩土工程界的迫切需要解决的问题。正是 考虑到实心桩及预制管桩的不足，考虑到实心桩及预制管桩的不足，河海大学开发了高 效经济的现场浇筑混凝土薄壁管桩【1 1 1 2 1 3 软土地基加固专利技术( z l0 1 2 7 3 1 8 2 x ) 和施工工 艺( c n1 3 6 7 2 9 6 a ) ，达到了造价低、承载力高、地基的稳定性增加和地基沉降降低等明显 目的。 钢铁企业在生产过程中产生了大量的钢渣【4 】，每年全国排放量达2 0 0 0 万吨，国内堆 放量近2 亿吨。由于许多钢渣未得到及时处理，大量的堆放不仅占用了大量的耕地，而 且使附近的农田水域碱化，土壤板结、尘土飞扬，其中可利用的成分白白抛弃了，造成 了环境污染问题。随着环境治理越来越成为一个热门话题，钢渣的利用已成为土木工程 材料的研究方向之一。钢渣桩、水泥粉煤灰钢渣桩己在填土地区、失陷性黄土地区得到 应用 7 】，但承载能力较低，当承载力要求较高时，需要考虑采用更高粘结强度的桩型。 将钢渣作为粗骨料代替石子配置混凝土，不仅提高了混凝土的力学性能，而且具有一定 的经济价值。 利用上海宝钢排出的钢渣作为原料配制钢渣混凝土，研究其配比与强度的关系，从而 将其作为一种建筑材料，在p c c 桩中将其应用，不仅可以更进一步的发挥p c c 桩的造价低 第一章绪论 的特性，而且起到变废为宝的效果。 现浇钢渣混凝土薄壁管桩作为一种新桩型，其承载特性是广大岩土工程工作者极为 关注的。现场试验受试验设备和经费的限制静载试验很难做到破坏，并且在实际工程中 往往将工程桩作为试验桩，很难取得较为完整的荷载沉降曲线。同时由于在现场浇灌混 凝土成桩，很难在桩身埋设仪器，工作条件下土塞的应力分布，内外摩阻力的发挥方式 和程度等都无法回答。以有限元法为代表的数值分析方法可以很方便地模拟桩和桩周土 的几何形状，本构模型，边界条件，桩和土之间的接触，可以展示整个区域的应力场应 变场，从而揭示p c c 管桩的荷载传递机理。本项研究旨在前人的基础上，对桩土相互作 用，荷载传递机理进行较为系统的探讨。 第二节现浇混凝土薄壁管桩技术原理 振动沉模现浇混凝土管桩技术【3 】采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土而成管桩，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，在腔体内现成浇注混凝土，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。在形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷 载，并调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载得分担比例以及减少基础底面的应力集 中问题，在桩顶设置褥垫层，从而形成现浇薄壁管桩复合地基。振动沉模大直径现浇管 桩动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心力。当两轴 相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振 动。振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入 地层。腔体模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、粘性、 粒径有关。振动体系的竖向往复振动，将腔体模板沉入地层。当激振力r 大于以下三种 阻力之和：刃面的法向力n 的竖向分力、刃面的摩擦力f 的竖向分力，腔体模板周边的 摩阻力p 的合力时( 见图i - i ) ，模板即能沉入地层；当r 与n 、f 、p 竖向分力平衡时或达 到预定深度时，则模板停止下沉。由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产 生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉 入速度。同时挤压、振密作用使得环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的士体得到密 实。该成桩机理为： ( 1 ) 模板作用。在振动力的作用下环形腔体模板沉入土中后浇注混凝土；当振动模板 提拔时，同时混凝土从环形腔体模板下端注入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用， 因此不会出现缩壁和塌壁现象。从而成为造槽、扩壁、浇注一次性直接成管桩的新工 艺，保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。 ( 2 ) 振捣作用。环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续 振捣作用，使桩体充分振动密实。同时又使混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。 ( 3 ) 挤密作用。振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩在施工过程中由于振动、挤压和 排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。挤压、振密范围与环形腔体模板的厚度 及原位土体的性质有关。 第一章绪论 图1 - 1 振动沉模时受力示意图 第三节国内外研究现状及存在的问题 现浇钢渣混凝土薄壁管桩研究课题可以分为两个方面：桩体材料及其性状研究；荷 载传递机理及承载特性分析。 3 1 钢渣材料在土建工程中的应用研究现状 1 钢渣桩【9 】复合地基的研究利用。 钢渣桩是由日本的烟博昭等人率先开发的一种以钢渣为主要材料的柔性材料桩，它 是使用不同的方法将钢渣灌入地基成桩，用以提高地基承载力和减少沉降的方法。钢渣 桩地基加固法是利用制桩过程中对桩周士的振密、挤压和桩体材料的吸收、膨胀以及与 桩周土的离子交换、硬凝反应等作用，改善桩周土的物理力学性质，并与桩周土一起共 同构成复合地基。钢渣桩加固软土地基的办法综合了固化剂加固法和挤密地基加固法两 种方法的优点，同时又避免了这两类加固法中的某些不足( 如材料造价高、施工工艺问 题、固结机理中的问题等) ，使之在软土地基的加固中显示出了较大的优越性。用钢渣 加固软土地基，我国7 0 年代在东北已经开展，有记录的使用钢渣桩是在1 9 8 2 年1 2 月至 1 9 8 3 年2 月对上海市南汇县咸塘港桥桥台进行地基加固。 2 水泥黄沙钢渣桩的应用研究【”。 中冶集团武汉勘测院从桩型材料的物理力学性质，配比设计，复合地基承载力及桩 土应力比等方面进行了探讨，并在南方地下水位以上填土地基处理中得到了很好的应 用。研究表明钢渣混凝土的单轴干、湿抗压强度统计值比同条件下的素混凝土高a 3 全钢渣集料混凝土的发明应用l l 。 石家庄钢铁厂发明了全钢渣集料混凝土，并申请了专利。该发明属于建筑材料，更 具体的说，属于一种建筑用混凝土。一般建筑工程中所用的混凝土，都是按照传统工艺 用砂子做细集料，石子做粗集料，再利用水和水泥按定量配合加工而成。但由于石料要 中 罗， 弧砸 f可卜”蚶， 干可川川川侧 第一章绪论 从采石场d n - r 、运输来，砂子要从河滩等富砂区运来，其成本都较钢渣为高。并且，由 于石子、砂子这些原料产地各异，天然原料中杂质多，会对混凝土质量产生不利影响， 同时砂粒的自然粒径不易达到规范标准，还要人工配砂，否则将使混凝土的空隙率增 大，强度下降。该发明针对传统混凝土集料的上述缺点，对混凝土所用的粗细集料的成 分用量、水泥、水的用量等进行了革新，发明了全钢渣集料混凝土。 4 水泥粉煤灰钢渣桩 】( c f s 桩) 处理地基试验的初步研究。 中冶集团武汉勘测院在湿陷性黄土地区进行了c f s 桩复合地基的设计、检测和加固 效果评测，对该桩型的加固效果进行了初步的肯定。 5 钢渣用于道路材料h 钢渣用于道路材料是多方面的，可用于道路的基层、垫层及面层。宝钢、包钢、武 钢、太钢、首钢、鞍钢等已用钢渣铺筑了大量道路。 宝钢每年排出钢渣约8 0 多万吨，三期工程建成后将增至1 3 0 万吨左右，如此大量的 钢渣若不及时处理利用，将占用大量的堆渣场地，并对环境造成污染。目前钢渣利用途 径中除了用于工程地基回填和旖工场地垫层外，用量大的还是道路工程。使用钢渣铺 路，取得了较明显的经济效益。 在国外钢渣用于筑路是钢渣综合利用的一个主要途径。日本钢铁联盟炉渣资源委员 会汇总的联合国欧洲经济委员会( e c e ) 对美国、日本、德国和法国等2 0 个国家的钢渣 利用状况的调查结果表明，2 0 个国家在利用钢渣中有6 0 左右用于道路工程。美国商品 钢渣在道路中应用逐年有所增加，目前商品钢渣的9 0 用于道路中，根据2 0 年来钢渣在 道路上的应用结果，美国许多州都制定了州标准。符合这些标准的钢渣可以与天然骨料 一样使用，各州使用的部位也不一样，有的用在沥青混凝土路面基层，有的用于路肩， 有的用于回填路基等。日本、俄罗斯、德国、英国、荷兰、比利时等国在道路上都应用 钢渣，其中以俄罗斯应用量较大，达9 0 以上。 3 2 桩体荷载传递机理及承载特性分析研究现状 桩的荷载传递研究是从上世纪5 0 年代开始的，主要通过桩的原位试验、模型试验及 理论分析三个途径进行。 3 2 1 模型试验和现场试验 较早研究荷载传递的原位试验【6 3 1 是1 9 5 1 年报导的由美国铁路协会在西阿查法拉亚溢 洪道进行的原位试验及其研究。1 9 5 5 年赛德( s e e d ) 和里斯( r e e s e ) 报导了在美国旧金 山湾的烂泥中进行的钢管桩荷载传递实测试验，并且根据试验结果提出荷载传递的理论 分析方法荷载传递函数法。通过3 0 多年来大量桩的原位试验、模型试验及理论分析 工作，对桩的荷载传递过程有了一定的认识。我国在7 0 年代也积极开展了桩的原位试验 及研究，并获得了大量实测资料。 国内外学者在荷载传递及桩的承载特性方面的内容详见表卜l 。 河海大学岩土所对盐通高速公路p c c 桩软基加固项目所进行的现场试验进行了全面 的研究7 7 1 ，研究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。主要结论如下：p c c 桩复合地基为 刚性桩复合地基，桩土应力比在1 5 2 0 之间。在路堤荷载作用下桩与桩间土的沉降存在 曼二皇竺丝 着明显的差异，路堤填土中将会产生剪应力，促使填土荷载向桩转移，桩的作用是一个 逐渐发挥的过程。p c c 桩复合地基的沉降和压缩变形主要发生在表层桩间土内，影响范 围浅，深层土压缩变形小，限制了软土的侧向变形，防止路基失稳，可以大大提高填筑 速度，缩短施工周期。 来源土类别试桩规格 试验内容试验结果 谢尔曼、开硬粘土层不排水h 型钢 荷载传递( 1 ) 摩阻力系数随深度呈 里西尔、亚剪强度为1 7 2 k p a 直线或抛物线形增大： 均质粘土( 2 ) 表明试桩前桩上有残 余应变。 美国铁路协厚2 3 m 的中等强桩长1 9 8 m 的打单桩荷载传 ( 1 ) 摩阻力为抛物线形分布， 会在西阿查度的粘土，下面入钢桩 递平均摩阻力约等于粘土不排水 法拉亚溢洪为砂土 抗剪强度的平均值； 道( 2 ) 单桩摩阻力集中在桩的上 部； ( 3 ) 摩阻力约占总荷载的8 4 ，桩端只有很少荷载。 艾尔哈特海相硬粘土层n ) 4 0 0 毫米，长 摩阻力分布侧阻力一次为抛物线分布，一 1 5 2 米钢管桩次为均匀分布 福纳西尔穿过高压缩性粉2 5 9 协的空心钢荷载传递( 1 ) 几乎全部荷载传递给粘 土打至岩石管桩 土，没有到达桩端； ( 2 ) 蠕变作用使荷载发生了重 分布，最后桩端荷载可能比短 期内测值高一些，桩端实际没 有位移值 曼苏尔及卡土剖面为1 5 2 m2 根h 型钢管桩荷载传递( i ) 压桩时摩阻力为抛物线形 福曼的超压密粉质砂和钢桩，桩长分布： 土及砂质粉土，1 3 7 m( 2 ) 拔桩时摩阻力随深度线性 下面为原密砂层增加： ( 3 ) 桩端以上密砂层摩阻力偏 低，这种应力松弛作用约在桩 端以上三倍桩径范围内 宝钢工程桩通过淤泥质粘5 0 x 5 0 厘米钢筋荷载传递( 1 ) 大部分荷载传递给桩侧 土和亚秸土支承混凝土方桩，长土，没有到达桩端： 于粉细砂层 6 0 m( 2 ) 摩阻力为抛物线形分布； ( 3 ) 摩阻力值约等于桩侧土平均 不排水抗剪强度 第一章绪论 3 2 2 荷载传递及承载特性理论计算方法研究现状 目前用于单桩受力机理分析的主要方澍”】：荷载传递分析法、弹性理论分析法、剪 切变形传递法、有限元法、边界元法和其它简化方法，简述如下。 荷载传递分析法也称传递函数法，这种方法的基本概念是把桩划分为许多弹性单 元，每一个单元与土体单元之间用非线性弹簧联系，以此来模拟桩土之间的荷载传递关 系。桩端处也用非线性弹簧与桩端相联系。这些非线性弹簧的应力一应变关系，即表示 桩侧摩阻力( 或桩端阻力) 与剪切位移间的关系，一般就称作传递函数。 弹性理论分析法把地基看作为均匀的、连续的、各向同性的线弹性半空间体，假定 桩的位移与邻近土体的位移保持协调，即桩土界面不发生滑移。该方法的公式推导基于 半空间体内集中荷载作用下的m d i n l i n 位移和应力解，得到的公式根据桩侧阻力分布假 定不同而有所不同。大量的桩试验结果同弹性分析的对比表明，弹性理论分析在大多数 方面能反应桩和桩基础在工作荷载下的性状。 剪切变形传递法假定当荷载水平较小时，桩与土之间不产生相对位移。因此桩沉降 时周围土体也随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。 分析时假定桩侧上下土层之间没有相互作用。此外，认为摩擦桩一般在工作荷载作用 时，桩端承担的荷载较小，计算中可略去不计，即假定桩的沉降主要是由桩侧荷载传递 引起的。 有限单元法是一种数值方法，它具有适用性强，处理非线性方便等突出优点。在岩 土工程领域，它广泛应用于基础工程的设计计算中，用于分析单桩承载机理也是十分有 效的，它可以在计算中同时考虑影响桩基性能的许多因素，如土的非线性、固结时效性 以及动力特性等：但是由于在具体计算时，所需参数多，准备工作复杂，计算量大，费 用昂贵等原因，在群桩的分析中应用较少。v e s i c 指出，对土的基本应力、应变、时间关 系知识的贫乏，这可能是目前有限元受到的最大限制，即有限单元法的计算分析结果的 可靠性依赖于土的本构关系的真实性。 在实际应用中，有限元法还是主要用在单桩的计算分析方面【l ”。由于几何形状和变 形对称于桩的垂直轴线等特点，因而可按轴对称平面问题来考虑。e 1 l i s o n ( 1 9 7 1 ) ”刈首先 使用二维轴对称有限单元法来分析硬粘土中钻孔灌注桩的荷载传递机理，首次在桩侧和 桩端应用了接触面单元，通过接触面单元上下接触面间的位移差，成功的分析了桩端以 外土的拉裂现象，并指出破裂带不会伸展到桩尖的上侧。陈雨孙和周红( 1 9 8 7 ) 0 7 0 l 对纯 摩擦的钻孔灌注桩也进行了有限元分析，分析时对接触单元刚度系数采用叠代法计算， 来考虑刚度系数随剪应力增大而减小。倪新华( 1 9 9 0 ) 【7 ”较详细的研究了桩基的三维有 限元分析，把有限元和无限元结合起来，并考虑土的非线性、固结等许多因素。 t r o c h a n i s 等人( 1 9 9 1 ) 1 7 6 用有限元讨论了单桩和群桩的三维、非线性特征，特别讨论了 桩土之间的滑移，并根据有限元计算结果，提出了单桩和两根桩的近似算法。 3 3 存在的问题 综上所述，在钢渣材料应用及单桩承载特性计算理论方面已经取得了一定的成果， 但是仍然存在很多问题，理论研究远远落后于工程实践，不少理论问题至今仍未得到解 决。 第一章绪论 钢渣混凝土薄壁管桩作为一种新开发出来的桩型，其材料特性及承载特性理论研究 还是刚刚起步。由于试验方法、试验条件的差异，在桩体材料强度特性的认识上还很肤 浅；通过模型试验和现场试验揭示的桩土作用规律，对其传力机理的分析还待完善；有 限元计算中模型的选择、桩土接触面的处理、施工顺序的考虑等还有许多问题值得探 讨。 第四节本文的主要工作 结合当前的研究现状和存在的问题，本文主要研究以下几个方面的问题： ( 1 ) 桩体材料强度特性试验研究【1 8 h 1 9 】。钢渣作为建筑材料，近年来才得到研究，关 于钢渣混凝土的配合比计算还没有建立经验公式，且由于各炼钢厂排出的钢渣成分含量 差别较大，必须有系统有计划的按一定方法进行，才能定出各材料的用量比例。本文首 先分析了钢渣混凝土的基本技术指标，然后由简单的试验测定了钢渣的基本物理性质。 接着进行了钢渣混凝土的强度特性试验，在配合比的确定上，由于没有现成的经验公 式，本文通过试验研究了废钢渣作为原材料配制混凝土的方法，并将钢渣混凝土与普通 混凝土在配制过程中的某些性质指标作了比较，分析了其原因，并在试验的基础上建立 了强度与灰水比经验公式，为工程设计提供了依据。 ( 2 ) p l a x i s 程序的引入和应用2 2 1 1 2 3 1 1 6 6 1 。岩土工程有限元软件p l a x i s 程序在欧洲 比较流行，但是国内使用的较少，河海大学岩土工程研究所自2 0 0 2 年开始引入该程序， 为进一步发挥该软件在岩土工程科研中的作用并推广该软件，本文引入了p l a x i s 程序进 行数值计算并对该程序的特点、计算分析原理进行了总结，对p l a x i s 程序的可靠性进行 了验证，主要内容如下： 对p l a x i s 程序的优点、计算类型、组成部分、计算分析原理、本构模型、强度参数 的确定等情况进行了详细的介绍； 应用p l a x i s 程序对圆形基础的承载力、条形基础的承载力和土体的单向固结问题进 行了分析，并将计算结果与经典的理论解进行对比，结果表明误差较小，从而从理论上 验证了程序的合理性； 应用h s 模型，对土体的三轴试验和侧限固结试验进行了模拟，计算结果较好的反应 了土体的基本特性，并与室内试验结果符合良好。 列举工程实例，应用m c 模型进行p c c 桩静载荷试验的模拟，计算结果和现场实测结 果符合良好，验证了程序在p c c 桩实际工程应用中的可靠性。 ( 3 ) 现浇钢渣混凝土薄壁管桩单桩承载特性分析。本文首先应用p l a x i s 程序模拟 单桩静载荷试验的全过程，并根据计算结果较为详细的分析了p c c 单桩的基本承载特 性，主要包括荷载一沉降曲线的特征、桩壁内外侧摩阻力的分布、桩端阻力的分布、桩 的轴向荷载传递以及孔压消散规律等。然后从桩长、桩径以及桩土刚度比等角度分析了 其对单桩承载特性的影响。 第二章桩体材料室内试验研究 第二章桩体材料室内试验研究 第一节概述 钢渣混凝土是由水泥、水、砂及钢渣四种基本材料所组成的【1 7 】。水泥和水成为水泥 浆，水泥浆填充砂的空隙并包裹在砂颗粒的周围形成砂浆，砂浆又填充钢渣的空隙，并 把钢渣包裹起来，在混凝土拌和物中，水泥浆在砂、钢渣之间起着润滑作用，使拌和物 能便于浇筑施工。水泥浆在硬化后形成水泥石，将砂、钢渣胶接为一个整体。混凝土中 的砂称为细骨料，钢渣称为粗骨料。在普通混凝土中粗细骨料一般不与水泥起化学反 应，其作用是构成混凝土的骨架，并对水泥石的体积变形起一定的抑制作用。但在钢渣 混凝土中，由于钢渣化学成分和物理性质的特殊性，将表现出与普通混凝土不同的性 质，并影响混凝士的力学性能。 现浇钢渣混凝土薄壁管桩施工中要求的混凝土需满足以下几个基本要求： ( 1 ) 钢渣混凝土拌和物应具有一定的和易性，便于施工时浇筑振捣密实，并能保证 混凝土的均匀性。 ( 2 ) 钢渣混凝土经养护至规定凝期，应达到设计所要求的强度。 ( 3 ) 硬化后的钢渣混凝土应具有相应于所处环境的耐久性，如抗渗、抗冻、抗侵 蚀、抗磨等。 ( 4 ) 在保证钢渣混凝土质量的前提下，各项材料的配合应经济合理，尽量降低成 本。 第二节钢渣混凝土的主要技术性质 钢渣混凝土的主要技术指标包括和易性、强度及耐久性，现分述如下。 2 1 和易性 和易性是指混凝土拌和物在一定的施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、 密实的混凝土性能。和易性包括流动性、粘聚性及保水性方面的含义。 一般采用坍落度来表示混凝土流动性的大小，粘聚性和保水性常根据经验，通过试 验或施工现场的观察来判断其优劣。 坍落度的测定是将混凝土拌和物按规定的方法，装入标准截头圆锥筒内，将筒垂直 提起后，截锥形拌和物便产生一定程度的坍落，坍落的毫米数称为坍落度。坍落度越 大，表明流动性越大。坍落度大于l o m m 的称为塑性混凝土，其中l o 3 0 m m 的常称为低 流动性混凝土。坍落度为零的称为干硬性混凝土。 在测定坍落度的同时，应检查混凝土的粘聚性及保水性。粘聚性的检查方法，是用 捣棒在已坍落的拌和物锥体一侧轻打，若轻打后锥体渐渐下沉，表示粘聚性良好；如果 锥体突然倒塌、部分崩裂或发生钢渣离析，则表示粘聚性不好。保水性以混凝土拌和物 中稀浆析出的程度来评定。 影响混凝土和易性的因素很多，主要有水泥浆含量、含砂率的大小、水泥浆的稀 稠、以及原材料的种类及外加剂等。 8 第二章桩体材料室内试验研究 ( 1 ) 水泥浆含量的影响 水泥浆含量是指单位体积混凝土内水泥浆的含量。在水泥浆稀稠不变，亦即混凝土 的水用量与水泥用量之比( 水灰比) 保持不变的条件下，水泥浆含量越多，拌和物的流 动性越大。拌和物中，除必须有足够的水泥浆以填充砂、钢渣骨料的空隙外，还需要有 一些富余的水泥浆包裹在骨料周围，使骨料颗粒之间有一定厚度的润滑层，以减少骨料 颗粒之间的摩阻力，使拌和物有一定的流动性。但若水泥浆过多，骨料不能将水泥浆很 好的保持在拌和物内，混凝土拌和物将会出现流浆、泌水现象，使拌和物的粘聚性及保 水性变差。这不仅要增加水泥用量，而且还会对混凝土强度及耐久性产生不利影响。因 此混凝内水泥浆的含量，以使混凝土拌和物达到要求的流动度为准，不应任意加大。 在水灰比不变的条件下，单位体积混凝土内水泥浆的含量，可用单位体积混凝土的 加水量来表示。因此水泥浆含量对拌和物流动性的影响实质上就是加水量的影响。当 加水量增大时，拌和物流动性增大，反之则减小。在实际工程中，为增大拌和物的流动 性而增加用水量时，必须保持水灰比不变，相应的增加水泥用量，否则将显著影响混凝 土质量。 ( 2 ) 含砂率的影响 混凝土含砂率( 简称砂率) 是指砂的用量占砂、钢渣总用量的百分数( 按重量 计) 。钢渣混凝土中的砂浆应填满钢渣空隙，并把钢渣颗粒包裹起来。砂率过小，砂浆 量不足，不能在粗骨料周围形成足够的砂浆润滑层，将降低拌和物的流动性a 更主要的 是影响混凝土拌和物的粘聚性及保水性，使粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散现 象。砂率过大，钢渣含量相对过少骨料的空隙率及总表面积都较大，在水灰比及水泥用 量一定的条件下，混凝土拌和物显得干稠，流动性显著降低，如图2 1 所示；在保持混 凝土流动性不变的条件下，会使混凝土的水泥浆用量显著增大，如图2 2 所示，因此， 混凝土含砂率不能过小，也不能过大，应取合理砂率。 一 、一 捌 饕 褰 n a ) 图g - 1含砂率与坍落度的关系曲线图2 - 2 含砂率与水泥用量的关系曲线 所谓合理砂率，是在水灰比( w c ) 及水泥用量( c ) 一定的条件下，能使混凝土拌 和物在保持粘聚性和保水性良好的前提下，获得最大流动性的含砂率( 如图2 - l 所 示) 。也即在水灰比一定的条件下，当混凝土拌和物达到要求的流动性、而且具有良好 9 氅啦* 一一 笙三兰苎笪塑塑窒堕蔓堕堑壅 的粘聚性及保水性时，水泥用量最省的含砂率，如图2 2 所示。 ( 3 ) 水泥浆稀稠的影响 在水泥品种定的条件下，水泥浆的稀稠取决于水灰比的大小。当水灰比较小时， 水泥浆较稠，拌和物的粘聚性较好，泌水较少，但流动性较小：反之，水灰比较大时， 拌和物流动性较大，但凝聚性较差、泌水较多。当水灰比小至某一极限值以下时，拌和 物过于干稠，在般旖工方法下混凝土不能被浇筑密实。当水灰比大于某一极限值以上 时，拌和物将产生严重的离析、泌水现象，影响混凝土质量。因此，为了使混凝土拌和 物能够成型密实，所采用的水灰比值不能过小，为了保证混凝土拌和物具有良好的粘聚 性，所采用的水灰比值又不能过大。 在常用水灰比范围内，当混凝士中用水量一定时，水灰比在较小的范围内变动对混 凝土流动性的影响不大。其原因是，当水灰比较小时，虽然水泥浆较稠，混凝土流动性 较小，但粘聚性较好，可采用较好的砂率值。这样，由于含砂率减小而增大的流动性可 补偿由于水泥浆较稠而减小的流动性。当水灰比较大时，为保证混凝土的粘聚性，需采 用较大的砂率值。这样，水泥浆较稀所增大的流动性将被含砂率增大两减小的流动性所 抵消。因此，当混凝土单位用水量定时，水泥用量略有变动，混凝土流动性将基本不 变。 ( 4 ) 其他影响因素 除上述影响因素外，混凝土和易性还受水泥品种、掺和料品种及掺量、骨料种类、 粒行及级配、混凝土外加剂以及混凝土搅拌工艺和环境温度等条件的影响。 2 2 混凝土的强度 混凝土强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。其中以抗压强度最 大，故混凝土主要用于承受压力。 抗压强度是混凝土的重要质量指标，它与混凝士其他性能指标有密切关系。抗压强 度用单位面积上所能承受的压力来表示。国家标准混凝土结构设计规范规定，以边 长为1 5 0 r a m 的立方体试件为标准试件，按标准方法成型，在标准养护条件( 温度2 0 3 、相对湿度9 0 以上) 下，养护到2 8 天凝期，用标准试验方法测得的极限抗压强度， 称为混凝士标准立方体抗压强度。在立方体极限抗压强度总体分布中，具有9 5 保证率 的抗压强度( 强度低于改值的百分率不超过5 ) ，称为立方体抗压强度标准值。根据立 方体抗压强度标准值( 以m p a 计) ，将混凝土划分为不同的等级：c 7 5 、c l o 、c 1 5 、 c 2 0 、c 2 5 、c 3 0 、c 3 5 、c 4 0 、c 4 5 、c 5 0 、c 5 5 、c 6 0 。如强度等级c 2 0 系指立方体抗压强度 标准值为2 0 m p a 。 影响混凝土抗压强度的因素很多，主要有水泥标号及水灰比、骨料种类及级配、养 护温度及凝期以及旖工方法和施工质量等。 ( 1 ) 水泥标号与水灰比 混凝土在凝结硬化过程中，由于水泥石的收缩受到骨料的约束，在水泥石中会出现 拉应力，在水泥石与骨料的胶接面上甚至在水泥石本身会产生微细裂缝。同时，由于混 凝土拌和物的泌水作用，也会在钢渣的下部形成水隙或裂缝。当混凝土受荷时，随着应 力的增加，这种微细裂缝或裂隙将逐步扩大、延长并连通起来，形成裂隙网系。此时材 第二章桩体材料室内试验研究 料丧失连续性，随即完全破坏，由此可见，一般情况下钢渣混凝土的破坏，主要发生在 水泥石与钢渣骨料的界面上，以及水泥石中，所以钢渣混凝土的强度，主要决定于水泥 石的强度及其与钢渣骨料间的粘接力。而水泥石的强度及其与骨料的粘结力又取决于水 泥标号及水灰比的大小。因此，水泥标号与水灰比是影响混凝土强度的主要因素。 ( 2 ) 骨料的种类及级配 骨料中有害杂质过多且品质低劣时，将降低混凝土的强度。用表面粗糙并富有棱角 的骨料，因与水泥石的粘结力较高，且骨料颗粒之间有嵌固作用，所得混凝土的强度也 高。 ( 3 ) 养护条件与凝期 混凝土的强度受养护条件及凝期的影响很大。在干燥的环境中，混凝土强度的发展 会随水分的逐渐蒸发而减慢或停止。养护温度高时，硬化速度较快，养护温度低时，硬 化比较慢，当温度低至0 。c 以下时，混凝土停止硬化，且又冰冻破坏的危险。因此，混 凝土浇捣完毕后，必须加强养护，保持适当的温度与湿度，以保证硬化不断发展，强度 不断增长。 在正常养护条件下，混凝土的强度在最初几天发展较快，以后便逐渐缓慢，2 8 天以 后更慢。 2 3 混凝土的耐久性 混凝土除要求具有设计的强度外，还应具有在所处环境及使用条件下经久耐用的性 能。例如抗渗性、抗冻性、抗冲磨性、抗侵蚀性以及抗风化性等，统称为混凝土的耐久 性。 本章将对钢渣混凝土薄壁管桩的材料进行室内试验进行研究。 第三节钢渣的特性与利用 3 1 钢渣的分类 钢渣根据炼钢工艺，可以简单的分为平炉钢渣、转炉钢渣和电炉钢渣【4 】等。 1 平炉钢渣 平炉炼钢周期比转炉长，分氧化期、精炼期与出钢期，并且每期终了都要出渣。氧 化期排出的渣称初期渣，精炼期排出的渣称精炼渣，出钢后排出的渣称出钢渣，精炼渣 与出钢渣又合称为末期渣。 目前每生产1 t 平炉钢约产生钢渣1 7 0 2 1 0 k g ，其中初期渣约占6 0 ，精炼渣占1 0 ，出钢渣占3 0 。 平炉钢渣矿物组成与转炉钢渣组成规律基本相似，c a o 含量低、碱度小的初期钢渣， 矿物组成以橄榄石、蔷薇辉石为主；c a o 含量高、碱度大的末期渣，矿物组成主要是 c 。s 、c 及r o 相。 2 转炉钢渣 转炉钢渣是钢渣的主要部分。目前生产1 t 转炉钢约产生1 3 0 2 4 0 k g 钢渣。上海宝 山钢铁总厂等的转炉钢渣化学成分见表2 1 。 转炉钢渣的矿物组成取决于它的化学成分。当钢渣的碱度( c a o s i o z + p 2 0 5 ) 为 第二章桩体材料室内试验研究 0 7 8 1 8 时，主要矿物为c m s ( 镁橄榄石) 、c 3 m s ：( 镁蔷薇辉石) ；碱度为1 8 2 5 时，主要矿物为c 。s ( 硅酸二钙) 及r o 相( - - 价金属氧化物固熔体) ；碱度为2 5 以上 时，主要矿物为c 。s ( 硅酸三钙) 、c ：s 及r o 相。不同碱度转炉钢渣的矿物组成见表2 2 。 表2 - 1 宝钢等4 个炼钢厂转炉钢渣的化学成分( 质量分数) 炼钢厂c a o m g o s i 嘎h l z 0 3f e of e 2 0 3m n op 2 0 5f c a 0 宝钢4 0 4 94 71 3 1 71 31 r 2 24 1 05 61 1 42 9 5 马钢 4 5 5 04 51 0 1 11 41 0 1 87 1 00 5 2 53 51 1 5 上钢4 5 、5 l5 1 28 1 00 6 15 2 0 5 1 01 5 2 52 34 l o 邯钢 4 2 5 43 81 2 2 02 64 1 82 5 1 31 20 2 1 32 1 0 表2 _ 2 不同碱度转炉钢渣的矿物组成( 质量分数) 碱度c