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浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 题目：重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 摘要 支盘桩是近二十年发展起来的一种新桩型，具有承载能力高、嵌 固性好、技术经济指标优越等特点而得到广泛的应用。研究表明，设 置不同支盘的支盘桩的承载力与等直径桩相比可以成倍提高，而混凝 土的用量增加很有限，如本次模型试验中，支盘桩的承载力可以达到 等直径桩承载力的3 倍，而其混凝土用量只多用1 5 左右，可见支盘 桩的经济效益非常可观。 目前国内外对桩的一次性加载研究比较多，而桩在重复荷载作用 下的相关研究较少。本文介绍了支盘桩的特点、施工工艺及研究现状， 通过荷载大小不同、加载频率不同的重复荷载作用，以及一次性加载 作用进行支盘桩的模型试验，根据试验中模型支盘桩桩顶的沉降量， 以及在模型支盘桩桩身不同位置粘贴的应变片和桩周土中埋设的压 力盒所采集的有关数据，分析研究了支盘桩在重复荷载作用下的荷载 传递机理，以及桩周土压力变化情况，并相互比较。最后通过a b q u a s 有限元软件对支盘桩在不同含水量土体中重复荷载作用下工程性状 进行了数值模拟，并进行了分析。 支盘桩在不同荷载大小、不同加载频率的重复荷载作用下，承载 能力会不同，工作中的沉降变形有较大差异，工作荷载大小和加载卸 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 载频率都是影响沉降量的主要因素；支盘桩桩身轴力在设盘位置发生 了突变，盘下轴力明显减小，说明盘的荷载传递作用十分显著；桩周 土体、盘上下土体的压力变化十分复杂，特别是盘上下土体压力会出 现波浪形变化。 通过对相同土体，三组不同含水量下支盘桩重复荷载作用的数值 模拟分析，研究了土的含水量改变对支盘桩工程性状的影响。指出受 含水量的影响，粉粘土土样的孔隙比、压缩系数、压缩模量、粘聚力 等物理力学性质指标发生了变化，导致桩的工程性状发生变化。土样 含水量越大，孔隙比越小，土体压缩模量越小，在相同荷载作用下， 产生的沉降变形越大。 关键词：支盘桩，重复荷载，沉降变形，模型试验，数值模拟 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 p r o j e c tp e r f o r m a n c es t u d yo f m o d e lp i l e sw i t hb r a n c h e sa n d p l a t e su n d e rr e p e a t e dl o a di ns i l t y c l a y a b s t r a c t t h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e si san e wp i l et y p eo ft h er e c e n t2 0y e a sw h i c h h a sah i g hb e a r i n gc a p a c i t y ，g o o ds o l i de m b e d d e da n dm o r ee c o n o m i c a l ，t h e r e f o r ei t i sw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s s t u d i e ss h o wt h a t ，b e a r i n gc a p a c i t yo f d i f f e r e n tb e l l so ft h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e sc a nb ed o u b l e di m p r o v e dc o m p a r e d t oe q u i v a l e n td i a m e t e rp i l e s ，b u tt h ei n c r e a s e du s eo fc o n c r e t ei sv e r yl i m i t e d s u c ha s i nt h i sm o d e lt e s t ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e si s3t i m e s t h ee q u i v a l e n td i a m e t e rp i l e s w h i l et h ea m o u n to fc o n c r e t em o r et h a na b o u tl5 。s o t h a tt h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e si sav e r ys u b s t a n t i a le c o n o m i cb e n e f i t s m u c hr e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f p i l e sr e c e n t l y ，w h i l el i t t l e i s d o n ea b o u tp i l e sw h e nu n d e rr e p e a t e d1 0 a d s o ， c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e s ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n d r e s e a r c hs t a t u sa r ei n t r o d u c e di r lt h i sp a p e r t h r o u g hr e p e a t e dl o a d sw h e nu n d e rl o a d s o fd i f f e r e n ts i z ea n dd i f f e r e n tl o a d i n gf r e q u e n c y ，a sw e l la st h er o l eo fo n e - t i m el o a d t h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e sm o d e lt e s t ，a c c o r d i n gt ot h em o d e lp i l e - t o p s e t t l e m e n ta n dc o l l e c t e dd a t am e a s u r e di nt h eb e l l - p i l e sd i f f e r e n tl o c a t i o n sp a s t es t r a i n g a g e sp l a n t e di nt h es o i la n dt h ep r e s s u r eb o x ，t h el o a dt r a n s f e r m e c h a n i s ma n d p r e s s u r ec h a n g e si ns o i lo fb e l lp i l e sw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d f i n a l l y ，t h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea b q u a sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e s e n g i n e e r i n gt r a i t sw a sd o n ei nd i f f e r e n ts o i lm o i s t u r ec o n t e n tw h e nu n d e rr e p e a t e d l o a d w h e nt h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e si nd i f f e r e n t1 0 a ds i z e sa n dd i f f e r e n t l o a d i n gr e p e t i t i o nf r e q u e n c y ，b e a r i n gc a p a c i t yw i l lb ed i f f e r e n ta n da l s ot h e r ea r e l a r g ed i f f e r e n c e so fs e t t l e m e n td e f o r m a t i o n 。t h ew o r k i n gl o a ds i z e 1 0 a d i n ga n d u n l o a d i n gf r e q u e n c yw h i c ha f f e c tt h es e t t l e m e n ta r et h em a i nf a c t o r s l o a dt r a n s f e ro f b e l l si sv e r yr e m a r k a b l eb e c a u s ep i l ea x i a lf o r c ei nt h eb e l ll o c a t i o no ft h em u t a t i o n o c c u r r e ds ot h a ta x i a lf o r c es i g n i f i c a n t l yr e d u c e du n d e rb e l l s ，p r e s s u r ec h a n g e so fs o i l i i i 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 a r o u n dp i l e sa n du pa n dd o w nt h eb e l l sa r ec o m p l e x ；e s p e c i a l l yt h eb e l l su p p e ra n d l o w e rs o i lp r e s s u r ec h a n g e sw i ua p p e a rw a v y b ya n a l y s i so f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es a m es o i l ，t h r e eg r o u p si nd i f f e r e n t w a t e rc o n t e n to ft h ep i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e su n d e rr e p e a t e dl o a d ，c h a n g e si ns o i l m o i s t u r ec o n t e n to ft h eb e l l - p i l e so nt h ec h a r a c t e r so ft h ep r o j e c tw e r es t u d i e d p o i n t e do u tb yt h ei m p a c to fw a t e rc o n t e n t ，s o i ls a m p l e so fs i l t yc l a yv o i dr a t i o ， c o e f f i c i e n tc o m p r e s s i b i l i t y ，m o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t y , c o h e s i o ni n t e r c e p ta n do t h e r i n d i c a t o r so fp 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 sh a v ec h a n g e dr e s u l t i n gi np r o j e c t p i l et r a i t sc h a n g e t h eg r e a t e rt h es o i lm o i s t u r ec o n t e n t ，也es m a l l e rt h ev o i dr a t i o ，t h e s m a l l e rt h em o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t yo fs o i l ，r e s u l t i n gi ng r e a t e rs e t t l e m e n t d e f o r m a t i o nu n d e rt h es a m e 】o a d k e yw o r d s ：p i l ew i t hb r a n c h e sa n dp l a t e s ；r e p e a t e dl o a d ；s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ； m o d e lt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：，棠颖硒，日期：抛夕年铲月h 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密翻。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：鼢栎 日期：洳9 年月劢目 导师签名：卢从芦 日期：1 年驴月印日 浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 1 绪论 1 1 引言 近几十年来，随着我国高层建筑、大型公共建筑、公路和铁路桥梁、城市高 架路及轨道交通设施等的大量兴建，基础工程的地位显得更加突出，桩基以其适 应性强、承载性能好、承载力高等一系列固有的优点在土木工程中被广泛采用。 当建筑物上部结构荷载较大，地基上部土层较差，而下卧层土有可作为桩基持力 层的较好的土层时，最适宜采用桩基。另外，建筑物受竖向荷载大，或受地面大 面积荷载影响，对沉降方面有较高要求的结构也可采用桩基。据不完全统计，我 国每年用桩量在1 0 0 万根以上，桩基已成为我国工程建设中最重要的基础形式， 而在上述交通工程中尤其在交通设施建设中这个比例还要更大。在目前上部结构 设计基本定型，结构计算理论日臻完善的情况下，考虑桩基础的造价一般占工程 总造价的四分之一以上，所以研究和应用技术经济指标更优越的桩基对于在我国 基本建设领域节省投资是大有可为的，对我国建设节约型社会也是十分有意义 的。上世纪八十年代末在我国开发应用的支盘桩( 包括挤扩支盘桩和旋扩珠盘桩 等) 就是在此条件下发展起来的新型变径桩，这项技术是我国首创，拥有自主知 识产权，并且在美国、加拿大等多个国家申请了发明专利。 支盘桩是通过在传统的等直径桩的桩身不同位置设置承力盘或分支来增大 桩的端承面积( 端阻力) ，从而大大提高桩承载力的新桩型，这种桩根据设支盘 数量的不同，其端承载力可以占桩总承载力的6 0 以上。支盘桩的优越性通过十 几年广大同行的研究和实践已被业内人士共知( 附录所列的众多文献都有这方面 的报道) ，目前在我国房屋建筑中的应用也越来越多，但有关支盘桩的研究基本 上局限在房屋建筑这种一次加载条件下的工程性状和荷载传递规律方面。 重复荷载作用的结构物在实际工程占有相当大的比例，最典型的就是承受交 通荷载的道路桥梁、城市高架、轨道交通设施等，这些结构基本上都采用桩基础。 近年来，随着国民经济的快速增长，交通的发展相对滞后，所以，当前国家对交 通建设方面给予较大的重视，各地也都有较大的投入，已经建设或正在建设一大 批交通项目。然而受地理条件的限制，许多交通项目不得不建在深厚的软土地基 上，如宁波机场、舟山机场、深圳国际机场和杭甬、沪宁高速公路等。对饱和软 粘土来说，由于其具有天然含水量高，孔隙比大、透水性差、压缩性高、强度低 等工程性质，因此，在建造前一般先要进行较长时间的堆载预压，以消除绝大部 分的固结沉降。尽管如此，使用过程中在飞机、汽车等交通荷载作用下软粘土的 沉降仍在继续发生。日本道路协会曾对交通荷载引起基础地基沉降作过一些实际 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 观测，在道路路堤和路面荷载引起的沉降基础上，增加了开放交通以后的新沉降， 这种沉降是由交通荷载引起的。而且若交通荷载作用下路基累积永久变形过大， 将引起线路不均匀下沉，造成线路不平顺，同时也影响线路的正常维修养护。 另外，像大型油罐，储物仓等大量采用桩基础的构筑物也是承受重复循环荷 载的，但这些构筑物加卸载的频率较低，动的特性不是很明显。 基于上述两方面，本文研究桩基在重复荷载作用下的工程性状，尤其是作为 性价比较高的支盘桩的工程性状很有必要，也很有意义。 支盘桩的荷载传递机理十分复杂，对这类新桩型的受力机理及承载力计算方法 特别是影响因素等方面的研究现在还处在探索阶段，如对变形( 沉降) 的计算在 何天资料中很少涉及，而关于支盘桩在重复荷载作用下的工程性状及荷载传递机 理等方面的研究工作，在可检索到的国内外支盘桩研究资料中还涉及较少。 本文针对交通循环荷载通过桥梁结构或路面对基础和地基不断进行着加、卸 载过程进行分析研究。交通循环荷载作用时，由于车速和车辆拥堵程度的不同， 其作用的频率和强度也是不同的。当桥梁等交通设施承受快速的车辆移动荷载 时，结构及地基基础所承受的这些重复荷载的动力特性比较明显。因此桩与周围 上体的共同工作不但使土体不断重复着压缩固结和卸荷反弹的过程，在不同强度 的荷载作用下土体可能会经历正常固结、超固结、欠固结等状态，而且有时还要 考虑土体的动强度问题，所以桩周土体的应力状态十分复杂。本文旨在对重复荷 载作用下支盘桩的工作性状进行试验研究和理论研究，并建立相关计算模型，进 行对比，掌握支盘桩在重复荷载下的工程特性，推动支盘桩这种技术先进的新桩 型在交通工程建设中的应用，以取得良好的经济效益和社会效益。 1 2 支盘桩工程应用现状 支盘桩是一种新型钢筋混凝土灌注桩。支盘桩的桩型从成孔方式看，属于钻 孔灌注桩形式的一种；从其承载特性看，属于摩擦型端承桩；从桩身直径看，它 是一种变直径桩；从承载功能方面看，它是一种可靠的抗压桩，同时也是一种理 想的抗拔桩；如果从承载原理上来认识，它是依据树根的抗压、抗拔作用特点， 结合变截面钻孔灌注桩性状进行构思、研究而萌发的一种新型的桩型结构。 1 2 1 支盘桩特点 1 、承载力高 挤扩支盘桩可根据承载力的需要充分利用较好的土层，采取增设分支和承力 盘数量以提高单桩承载力。突破了传统桩型为提高承载力而必须找到坚硬岩土层 的限制，通过机械方式在较稳定的土层形成承力盘，而提高桩基的承载力。 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 2 、操作简便 挤扩支盘桩的施工工艺相对简单，施工速度快，机械化程度高，且无振动和 噪音，对周围环境和相邻建筑物影响小。 3 、嵌固性好 挤扩支盘桩的各承力盘与持力层土体相互嵌固，使挤扩支盘桩竖向抗压承载 力、抗拔承载力，抗水平推力都得到相应的提高。对承受动荷载、抗震均有良好 的作用。 4 、比较经济 挤扩支盘桩与相同直径、长度的等直径灌注桩相比，混凝土用量略有增加， 但其承载力则可大幅度地提高。在承受荷载相同的情况下，可比普通等直径灌注 桩缩短桩长，减小桩径，减少桩数。通过合理的设计，可以改变桩基的组成结构， 从而能达到工期短、质量好、节约原材料、保护环境的目的。 1 2 2 支盘桩适用范围 1 、支盘桩适用于地基不同深度上存在着性质和厚度都适用于施工成盘( 支) 的 土层。 2 、适用于支盘桩施工土层一般为： ( 1 ) 可塑、坚硬状态的粘性土，中密、密实的粉土和砂土，碎石土，全风化岩 和强风化软质岩石。 ( 2 ) 分支和承力盘不应设置在可液化土层、流塑状粘性土以及中等风化、微风 化和未风化的岩石层中。 ( 3 ) 对塑性指数偏高的粘土，应经试验确定成盘的可靠性。 1 2 3 支盘桩施工工艺 支盘桩根据施工方法不同可分为挤扩支盘桩和旋扩珠盘桩。旋扩珠盘桩是先 用长螺旋钻按照一定的深度和直径成孔，然后用螺旋设备在所设计的深度一边旋 转一边切削，该设备的切削旋转速度为2 0 - 4 0 转分，切削量为每转切削土层厚 为3 - 7 r a m ，一般情况下，五分钟左右可以完成一个承载腔体的切削工作，切削 出来的残土掉入一个接土桶中，该桶容量稍大于一个被切削的承载腔的土的体 积。切削工具在切削过程中已对承载腔体中的残土做了清理，这就使得成型后的 承载腔腔体的质量能够得到保证。在完成某个指定的承载腔体的切削工作后，切 削刀具会自动收回，此时连同接土桶一起从孔中提出，接着清理掉接土桶里的残 土后进行下一个承载腔体的施工。旋扩切削成型的优点是：对原状土的扰动小， 基本上不改变土体的性状；不会产生塌方现象；承载腔体中的残土量很少，小桩 3 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 径的变直径桩也可以很好的成型。 而目前应用较为广泛，研究较多是的挤扩支盘桩，如图1 1 。挤扩支盘桩的 施工工序与钻孔灌注桩基本相同，只是在钻孔灌注桩的施工工艺中增加了一道 “挤扩支、盘”的工序。同时在各工序操作过程中的技术要求与灌注桩有所差异。 支盘桩的成孔工艺有：泥浆护壁成孔、干作业成孔、水泥注浆护壁成孔和重 锤捣扩成孔工艺方法。 a 泥浆护壁成孔工艺 当地下水位较高时，通常利用钻孔中钻出的孔内原状土或从场地外的其他地 方取土，以合适的比例制造泥浆，钻孔的同时将泥浆注入孔中进行护壁与清渣。 设计和施工时，要根据地质情况选择持力层，合理设置分支或承力盘的挤扩作业， 最后浇灌混凝土成桩。该施工工艺的特点是成形比较可靠，支盘空腔有泥浆保护， 不容易坍塌，孔内沉渣容易清出，大多数支盘桩施工均采用此工艺。 承力鑫分支 图1 1 挤扩支盘桩 b 干作业成孔工艺 当地下水位较深时，水位以上可采用螺旋钻孔干作业方法进行成孔，然后通 过支盘成形机完成支、盘的挤扩成形作业，再浇灌混凝土成桩。该成孔工艺的特 点是施工速度快，节省材料和时间，对坏境污染小等。 c 水泥注浆护壁成孔工艺 对于一些较为特殊的土层，比如在干砂土层成孔过程中，孔壁容易坍塌，成 盘作业更难以进行。这时多采用灌注水泥浆的方法。先将成孔的孔壁做稳定性加 固和保护，然后进行支盘的挤扩成形。这种工艺虽有过具体的应用，但目前使用 的比较少，尤其当干砂层较厚时，施工难度较大。 d 重锤捣扩成孔工艺 该工艺适合于地质土层为浅层，以软土层分布为主的地区进行施工，在上部 荷载不大的情况下，利用浅部可塑粘性土层为依托，通过插入孔内的外套加入一 定量的建筑废料，在管内用重锤冲捣，将废料挤入孔壁土层中，完成成孔作业。 成孔后，放入支盘成形机，在设计确定的支、盘位置实施支盘挤扩成形，并浇灌 4 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 混凝土成桩，以获取理想的单桩承载力。该法可以大量节约建筑材料和工程成本， 用于不受噪声和振动限制的场区。 尽管上述各种工艺方法不同，特点各异，但其最终目的都是为了保证支盘成 形，实际工程设计和施工进度，应根据具体地质条件、现场施工技术条件和状况 等进行合理选择，并制定专门的施工方案，编制施工组织设计，确保施工质量。 目前工程施工中泥浆护壁成孔工艺占据了绝大多数。其施工工艺过程为：泥 浆护壁成孔一磨孔及清孔一支盘挤扩成形一沉放钢筋笼一吊放导管并浇注混凝 土，如图1 2 所示。 弱翻啦。哲 设 1 鼙i计标i 台j k 裂 b j o o o ， o 。 o 。o ：o 笮 *， 境 oc o o o - o o o a o l 。- o 一 止 没 d l f ) g ) 图1 2 泥浆护壁成孔支盘桩施工工艺示意图 ( 1 ) 泥浆护壁成孔 先使钻机就位于所要施工的桩位，在孔口先挖掘直径等于桩身直径，深度 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 l m 左右的圆形坑口，并埋设护筒，调好钻机钻杆的垂直度，开始钻孔。在钻进 的同时注入一定比重的护壁泥浆进行钻孔，护壁泥浆的稠度应予以严格的控制， 并定期检测排出泥浆的比重、含砂量和胶体率。如图1 2a ) 。 ( 2 ) 磨孔及清孔 成孔后，要进行认真彻底地清孔。一般的操作方法是，待钻孔达到设计深度 后，将钻头拔高离孔底约2 0 0 - - 5 0 0 m m ；然后大泵量注入性能指标符合要求的新 泥浆，并维持半小时左右，以清除孔底的沉碴、冲磨孔壁的泥皮( 磨孔) ，直到 检测排出的泥浆含砂量小于4 ，比重略小于1 1 5 时为合格，如图1 2b ) 。清孔 和磨孔后，孔底沉渣厚度应小于3 0 c m 。 ( 3 ) 支、盘挤扩成形 先将钻机移开孔口至适当位置，再用起重设备起吊支盘成形机主机对中下放 入孔。按支盘桩设计所确定的支盘位置，依次挤扩形成分支或承力盘空腔，如图 1 2c ) 。在支、盘的挤扩过程中，要注意及时补入足够的泥浆，随时观察孔内泥 浆液面的下降情况，准确测量液面下降高度，计算孔中泥浆下降体积，用以检验 挤扩成盘的可靠性。支盘挤扩完毕后，将主机从孔中提出，并测量孔底沉渣量， 如发现有沉渣超限现象，应再次进行清孔，直至符合要求。必要时还可使用井径 仪等成孔检测装置检查挤扩成形后支、盘直径的大小，以便确认和判定挤扩成形 的情况。 ( 4 ) 沉放钢筋笼 目前的支盘桩技术还没有考虑在分支、承力盘腔内布置钢筋笼的问题，所以 支盘桩的钢筋笼制作与常规灌注桩的钢筋笼制作技术要求基本相同。经检查和检 验，支盘成形合格后，开始沉放钢筋笼。一般情况下，钢筋笼宜一次整体吊入。 如果钢筋笼过长，亦可分段吊入，即先吊入一段并在孔口固定好，然后起吊另一 段并在孔口将两段钢筋笼的主筋接头一一对应焊好，再接着沉放入孔。 吊放钢筋笼时，要尽量避免钢筋笼变形：入孔后，要设法减少钢筋笼碰撞孔 壁。钢筋笼入孔后，其中心线的位置要尽可能与孔中心线位置重合，还要特别注 意缩短沉放钢筋笼的时间，避免时间拖延造成支、盘空腔的坍塌。 ( 5 ) 吊放导管和浇筑混凝土 钢筋笼放好后，立即沉放导管并浇筑混凝土。首次浇注混凝土时，要求导管 离孔底不得大于0 5 m ，即h 1 o 5 m ；初灌量的大小除应考虑桩和承载力盘空间容 积外，至少应将导管埋入1 6 0 m 以上，即h 2 1 6 m ，如图1 2f ) 。在浇注混凝土过 程中，严禁把导管底部从已浇注的混凝土上端面拔出，应做到边浇灌边上拔导管； 浇注后桩顶至少应高出设计桩顶标高0 5 m ，即超灌量h 3 _ o 5 m ，如图1 2e ) 。全 部浇注完毕后，拔出导管的护筒。 ( 6 ) 二次注浆( 压注) 工艺 6 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 如果在沉放导管的同时，沉放一根供二次注浆的细管。一次浇筑2 4 h 后，经 细导管进行压力注浆，即称二次注浆。因二次注浆是在桩体初凝后由压力泵注入 的，高压水泥浆通过主桩底部的缝隙挤入桩周土中，将桩周土向桩的四周、下部 挤压，形成有较大密实度的挤压桩底，起到了扩底桩的作用，从而极大地提高了 支盘桩的桩端阻力，使单桩承载力再度增加。 1 2 4 支盘桩破坏形式 支盘桩的破坏机理类似于大直径扩底桩基础。由于施工时通过液压装置挤扩 成孔，对盘周土压密，所以盘底土承载力高于原状土，支盘的上部斜面上会出现 j 空面，如在适宜土层处设多个承力盘，则挤扩支盘桩的极限承载力会明显高于 大直径桩基础。 由于桩支盘有较大的支承面积，以盘底土的压密变形为主，伴有少量的侧向 挤出。支承于砾、砂、硬粘性土、粉土上的支盘桩，由于端阻破坏所需位移量过 大，其q s 曲线呈缓变型。 当有两个承力盘时，如果其间距大于最小临界间距，则各承力盘周围的土体， 在成桩时被挤密加固，承力盘能提供较大的承载力。如果盘间距太近，则承力盘 的土体就可能被剪裂，甚至塌落至下面承力盘的临空面缝隙中，从而破坏了这一 段桩士间的摩擦力以及上盘的承载力。当设置两个以上承力盘时，进行合理的盘 间距的确定是设计多支盘桩的一个重要因素。因为盘太多或盘间距太近，盘与盘 之间土层将会被剪切破坏。 1 3 支盘桩抗压特性的研究现状 支盘桩的抗压研究目前比较成熟，在实验研究方面比较深入，工程中的使用 比较广泛。在支盘桩的抗压承载机理、承载力公式、沉降变形等方面目前都有较 深入的研究。 1 3 1 支盘桩的抗压承载机理 支盘桩的承载能力由三方面组成：土对桩端的承载力、土对桩周表面的摩阻 力和多道承力盘下土的端支承力。钱德铃u 】，王东坡 2 】对支盘桩的承载机理和荷 载传递规律方面做了比较全面的阐述。挤扩支盘桩充分利用了桩身各部分的硬土 层的承载力。支盘在受力时，将荷载通过支盘传递到各土层上，逐层卸载，使应 力产生扩散。由于扩大了承力面积，桩的承载力大幅度提高。荷载分层卸载后， 传至桩端荷载很小，保证了桩端土的稳定性。同时，支盘上、下土体在支盘机的 浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 挤扩作用下被压密，土体的物理力学性质异于原状土。还指出支盘桩的受力特性 具有明显的时间效应，即由于盘底土体性质的不同，各支盘达到极限承载力的时 间也不同。 在如何设置支盘问题上，崔江余，吕勤 3 】根据室内模型试验和现场室验表明 了支盘间距对摩擦力的影响，经统计分析提出临界值的计算公式： 翌二垡丝口( 1 1 ) 8 d q d 支盘直径；d 一桩直径；以一土体承载力标准值；q k 一摩擦力标准值；口一 经验系数。 武熙，武维承，孙和【4 在文章中给出最小盘间距确定公式： h= 口 ( d 2 - d 2 ) f k ( 1 2 ) 8 d q 竦 d 一支盘直径；d 一桩身直径；以一土体承载力标准值；一摩擦力标准值。 最小分支间距确定公式： ( 1 3 ) 1 3 2 承载力公式 钱德玲在文章【1 中基于静荷载试验，研究和分析了挤扩支盘桩的荷载传递性 状，提出了用经验公式计算承载力时采用的修正系数，并用实验加以验正。支盘 桩的承载力由三部分组成：桩侧摩阻力、桩端阻力和支盘端阻力。 q = 孝q 。+ + r q ：k = 影厶+ 4 + 巧以 ( 1 - 4 ) 善为摩阻力修正系数 1 3 3 沉降变形 桩顶沉降主要由四部分组成，即桩身混凝土的弹性压缩量墨；桩身混凝土的 塑性压缩量是：桩身缺陷( 如夹泥、堵管) 引起的压缩量是；桩端压缩量墨。 武熙等 4 1 在文章中给出计算沉降的公式： 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 赔喜出等+ 警刮 5 ， p i ：n d c i + n 打乞? z ip i h = p i 一叮s j ! 兰三拿二o s i - - o ic o s o f 支盘桩是我国近二十年发展起来的新桩型，其优越的经济技术性能已经被业 内人士广泛认同，对该桩型在竖向压力作用下的承载力性状和荷载传递机理等方 面已有大量研究，在这方面的工程应用实例已数不胜数。但目前支盘桩在重复荷 载作用下的工程应用实例还鲜有报道，对支盘桩的重复荷载作用下的承载力、荷 载传递机理、以及不同频率重复荷载作用下承载力发挥的特性和破坏模式的异同 等方面的研究资料很少，还没有形成这方面较系统较成熟的理论。 1 4 土的动应力应变关系的基本特性 土在动荷载作用下的变形常常包括弹性变形和塑性变形两部分。当动荷载较 小时，主要表现为弹性变形，而当动荷载增大时，塑性变形逐渐产生和发展。因 此，当土体在小应变幅情况下工作时，土将呈现出近似弹性体的特征。这种小应 变的动应力应变关系控制了波在土中的传播速度；但是，当动应变增大时，动荷 载将会引起土的结构改变，从而引起土的永久变形和强度的损失，使土的动力特 性将明显不同于小应变幅的情况。 对于小应变幅的情况( 轴向应变或剪应变小于1 0 4 ) ，一般只要研究动切变模 量和阻尼比的变化规律，为动力分析提供土的动力参数；但在大应变幅情况下， 除了需研究动切变模量和阻尼比的变化规律外，还必须研究土的动强度和变形问 题。由于土具有明显的各向异性( 结构各向异性、应力历史的各向异性) ，加上 土中水的影响，使土的动应力应变关系极为复杂。土在动荷载作用下不仅具有弹 塑性的特点，而且还有粘性的特点，可将土视为弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑性 体。描述土的动应力应变关系，必须对土的非线性、滞后性、变形积累三方面的 特性均有较深入的了解。 1 非线性 土的非线性可以从土的动应力应变骨干曲线的实测资料反映出来，如图1 3 所示。骨干曲线是受同一固结应力的土在不同动应力( 仃d = o r , s i n 甜) 作用下每 一周应力应变关系曲线滞回圈顶点的连线。骨干曲线的非线性反映了土的等动变 形模量的非线性。 浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 a l f矿 。7 飞 图1 3 土的动应力应变骨干曲线图1 4 土的动应力应变滞回曲线 2 滞后性 土的动应力应变关系中的滞回圈反映了应变的滞后性，变现出土的粘性特 性。从图1 4 可以看出，由于阻尼的影响，动应力与应变的最大值并不是同步出 现的，动应变滞后于动应力。 3 变形积累性 由于土体在受荷过程中会产生不可恢复的塑性变形，这一部分变形在往返荷 载作用下会逐渐积累。从图1 5 可见，即使荷载大小不变，随着荷载作用往返次 数的增加，变形愈来愈大，滞回圈中心不断朝一个方向移动。滞回圈中心的变化 反映了土对往返荷载作用的积累效应，它产生于土的塑性即荷载作用下土的不可 恢复的结构破坏。变形的积累效应包含了动应力应变的影响。 土的动应力应变关系，并不是简单地变现为这三个特性的组合。土的各种特 性之间有着特定的依赖关系。就简单而言，可以将这三者分别加以考虑得到土的 a 一荷载作用周期增加 0nnnn nn1na 一 匕 火k 匕匕么逆芝溉i 图1 5 变形的积累效应 动本构关系，它可以在一定范围内取得足够精确的结果。对于复杂问题而言，必 须将这三者联合考虑，才能得到满意的解答。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 1 5 本文研究的工作 目前支盘桩在重复荷载作用下的研究较少，本文通过模型试验和有限元模拟 来研究支盘桩在重复荷载作用下的工程性状。研究工作主要分以下几步： 1 5 1 试验研究 主要通过模型试验对以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 研究支盘桩在重复荷载作用下的荷载传递规律，沉降变形特点，以及桩身 土压力变化情况，并与支盘桩的一次加载进行比较。 ( 2 ) 研究不同频率重复荷载作用下支盘桩的荷载传递规律、桩周土压力及变形 发展的差异。 ( 3 ) 研究不同大小重复荷载作用下支盘桩的荷载传递规律、桩周土压力及变形 发展的差异。 ( 4 ) 比较重复荷载作用与一次性加载作用下支盘桩的荷载传递规律、桩周土压 力及变形发展的差异。 1 5 2 数值模拟研究 为了对支盘桩重复荷载作用下工程性状进行进一步研究，并与试验结果进行 对比，在以上研究基础上，利用通过土工试验得到试验土样的有关参数，建立支 盘桩在重复荷载作用下的数值计算模型，采用非线性有限元软件a b a q u a s 进行数 值模拟研究。 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 2 国内外研究现状 2 1 国内研究现状 1 、有关支盘桩的研究工作经过近几年的发展，目前国内报道的文章己越来越 多，这也反映了国内同行对该项新技术的重视。通过阅读近几年的大量文献，可 以把我国有关支盘桩的最新研究工作归纳为以下几个方面： ( 1 ) 关于支盘桩的工程性状、荷载传递规律和工程应用方面的研究工作 对于在桩身变截面和扩径的变截面桩、扩径桩、结节形桩、多节扩径桩、多 分支承力盘桩等在上世纪8 0 年代中后期已有文献报道，在文献 5 中把它们称为 现代异形桩的一部分( 与工字形、三角形等异形截面相比) 提出，并对它们的荷 载传递特征、受力机理等力学特点作了理论评述，但没有提出更深入的研究资料， 如对此类桩的承载力、变形( 沉降) 的计算公式、影响因素、应采取的对策等。 文献 6 中提到了多节扩孔灌注桩( 竹节桩) 可以大幅度提高桩的承载力，扩大 头数量越多承载力提高效果越好，但由于桩土的作用机理复杂还有待进一步研 究。 针对本文提出的多支盘桩的试验研究和工程应用的报道多见于近几年的有关 文献。 7 1 6 等文献中都是通过对支盘桩现场静载试验的基础上，分析了支盘 桩的承载性能。通过与普通等直径混凝土灌注桩的对比，证明了支盘桩承载能力 的优越性，对支盘桩的设计提出了一些建议。巨玉文等n 钔通过试验还分析了支盘 阻力韵变化规律，分析了荷载传递机理和变形性能，证明了在加载后期支盘将承 担5 0 以上的荷载；卢成原等n 7 1 还提出了基于下式的单桩承载力计算公式： 目肘 q 止= 甜q mf f + q 肼a 加+ q 雕彳， i l jj - j 该公式表明该桩型的承载力由侧阻、分支及盘的端阻和桩身摩擦力三部分组成。 这些文献都通过试验研究，分析了承载力影响因素，如扩支( 盘) 时挤压地基土 对承载力的影响，分支或盘的数量、间距、形状及施工质量对承载力的影响等， 然后对上式提出一些修正建议或修正系数。 卢成原等n 7 1 印还通过模型试验研究了支盘桩的承载力影响因素，支盘桩在不 同土层的荷载传递规律。 ( 2 ) 关于支盘桩的数值模拟研究 这方面的研究工作近几年做得较多，文献 2 0 2 3 根据支盘桩静载试验的实测 数据，分析了荷载传递机理，并根据有关数据采用m a r c 非线性软件对桩土共同 工作进行了三维数值模拟研究，提出了三维建模方法，分析了应力场和位移场的 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 分布和变化规律，提出了桩和盘间距的合理参数。万林海等晗屯厕采用f l a c 3 d 三 维有限差分程序对支盘桩的承载特性进行了数值模拟研究，分析了沉降曲线，承 载力的发挥，桩周土位移变化规律，并与实测结果进行了对比。梁昌俊汹1 用a n s y s 软件分析了多支盘水泥土桩复合地基中的桩体应力，桩间土的应力和位移，总结 了多支盘水泥土桩的承载特性。巨玉文等他7 3 以荷载传递函数的双曲线模型为基 础，建立了适合于挤扩支盘桩荷载一沉降关系的数值分析迭代模型，并结合实际 工程，进行实测数据和模拟计算的对比分析。文献 2 8 2 9 也对挤扩支盘桩进行 了非线性有限元分析。殷亚军等m 1 对支盘桩的固结沉降进行了有限元分析并与试 验结果作了对比。高笑娟口门等针对不同土参数对支盘桩承载力的影响进行了有限 元分析， ( 3 ) 关于挤扩支盘桩的挤密效应 钱德玲3 根据球形孔扩张理论分析了由于扩孔压力作用使盘周土体排水固 结或使土粒结构重组而使土承载力提高的原理，并用算例计算分析了挤密后土体 的承载力。卢成原等n 7 18 1 9 3 分别通过现场桩的开挖土工试验分析了盘周土体挤密 后土样物理性质的变化情况，还通过室内模型试验比较了挤密土体和非挤密土体 支盘桩的承载力异同，证明了挤密土体后桩的承载力有明显的提高。 ( 4 ) 关于支盘桩一土一结构动力响应方面的研究 这方面的研究工作目前只有钱德玲的研究报告，文献 3 5 ，3 6 作者制作了一 个挤扩支盘桩一土一结构的模型，进行了振动台模型试验，以了解在地震激励下该 体系的抗震性能，以及支盘桩对结构体系的抗拉、抗压和抗扭作用。在试验基础 上对该体系的基频、阻尼比、振型、最大位移、结构顶层加速度反应以及破坏特 征进行了计算和分析。结果表明，相互作用体系对结构动力特性和结构地震反应 均有较大影响，结构的破坏形式与基础形式、土层性质等因素有关，支盘桩对地 震的阻抗作用有了初步显示。 ( 5 ) 支盘桩在其它方面的应用及研究 以上提到的支盘桩的文献都是针对支盘桩在竖向压力作用进行的研究工作， 在检索到的文献中还有少数研究了支盘桩的抗拔和抗水平荷载性能。李启明等 分析了挤扩支盘桩用于基坑支护上的工作特性和计算方法，并与普通支护桩进行 了对比，证实了支盘桩具有的优势。肖海洪等汹3 对横向荷载下支盘桩的内力和位 移特点进行了分析。赵志鲜等钔对挤扩支盘桩水平荷载性能通过a n s y s 进行了有 限元分析研究，得出不同设盘的支盘桩其水平承载力比普通等直径有不同程度提 高的结论。 文献 4 0 4 3 研究了支盘桩用于抗拔和抗浮方面的工作性能，提出了抗拔承 载力的设计计算方法和连接构造特点，通过工程实例验证其良好的承载能力。尹 祚强3 等利用a n s y s 模拟支盘桩抗拔性能，讨论了建模和求解方法。 浙江工业大学硕士学位论文重复荷载作用下支盘桩的工程性状试验研究 张航等h 5 3 还在一些统计资料分析的基础上对挤扩支盘桩单桩竖向承载力可 靠度进行了计算分析，得到了一些有意义的结论。 2 、关于重复荷载特点以及对地基基础的作用机理方面的研究，从检索到的 文献看，主要以交通荷载对路基的变形研究为主，而对桩基础的承载力和变形研