（岩土工程专业论文）预应力管桩承载力性状的研究.pdf

硕府力管桩承载力性状的研究 仑兴、卜 浙汀大学硕十学位论文 预应力管桩承载力性状的研究 摘要 l 预应力混凝土预制管桩是预应力技术与离心制管技术相结合的产物，由于其 具有工程造价较便宜，质量可靠，长度易调整，施二r = 速度快，监测方便，场地施工文明 矿 等优点，近年来广泛应用于工程建设中本文通过实心混凝土预制桩与空心预应 力管桩和预应力管桩与钢管桩两组试桩的实测资料分析，发现在尺寸相同的条 件下预应力管桩的承载力性能介于实心预制桩和钢管桩之间。在对预应力管桩 进行荷载传递法分析时，取桩侧土的荷载传递函数为双曲线函数型式，桩端土 的荷载传递函数选用b o u s s i n e q 型式，并通过与桩静载试验的对比分析，得到 、 确定计算参数的方法0 然后通过荷载传递法计算和实测资料分析了桩侧土性质、 桩端土性质、桩身混凝土弹性模量、预应力管桩的桩径、开口预应力管桩管壁 厚度、进入持力层深度对预应力管桩的承载力性状的影响，并利用实测资料研 究了开口管桩土塞的工作性状。通过静力触探的锥尖阻力和侧壁摩阻力与预应 力管桩的端阻和侧阻的相关分析计算，建立了利用双桥静探的侧摩阻力和锥尖 阻力来估算预应力管桩单桩竖向极限承载力的计算公式。陋过工程实例的分析 验证了该公式的合理性及适用性。卜方一 关键词日：预应力管桩，单桩承载力，荷载传递法，静力触探。 ! ! 里塑嬖壁堡茎塑些鲨塑! 窒 全兰兰塑! ! 查兰堡! ! 堂堡堡兰 r e s e a r c ho i lb e h a v i o ro f p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e a b s t r a c t w i t ht h et e c h n i q u eo f p r e s t r e s s i n gf o r c ea n dc e n t r i f u g a lt e c h n i q u e ，an e wt y p e o f p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l eh a sb e e np r e s e n t e d i ti se x t e n s i v e l yu s e dn o w a d a y s b e c a u s eo fi t sc h e a p n e s s ，r e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e b a s e do nt h er e s u l t so ft h ei n s i t um e a s u r e m e n t so fs o l i dc o n c r e t ep i l e ，p r e s t r e s s e dc o n c r e tt u b ep i l ea n ds t e e lt u b e p i l e ，i ti s f o u n dt h a tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f p r e s t r e s s e dc o n c r e tt u b ep i l ei sb e t w e e n t h es o l i dc o n c r e t p i l e a n ds t e e lt u b ep i l ef o rt h es a m es i z eo ft h e ml o a dt r a n f e r m e t h o dw a se m p l o y e dt o a n a l y z e t h ev e r t i c a l b e a r i n gb e h a v i o r o f p r e s t r e s s e d c o n c r e tt u b ep i l e ，a s s u m i n gt h el o a dt r a n s f e rf u n c t i o no fp i l es h a f ts o i l a st h e h y p e r b o l aa n dt h el o a dt r a n s f e rf u n c t i o no fp i l et o er e s i s t a n c ea st h eb o u s s i n e q t h e i n f l u e n c e so f t h ee l a s t i cm o d u l u so f p i l e ，p i l ed i a m e t e r ，p i l et h i c k n e s s a n dt h ed e p t ho f b e a t i n gs t r a t u mo ni t sb e a t i n gc a p a c i t y w e r es t u d i e dam e t h o dt oe s t i m a t et h e b e a t i n gc a p a c i t yo f t h i st y p eo f p i l ew i t ht h ec o n er e s i s t a n c e a n ds h a f tr e s i s t a n c eo f c p tw a s p r e s e n t e d c o m p a r i n g t h et h e o r e t i cr e s u l t sw i t ht h o s eo fi n - s i t u m e a s u r e m e n t s ，i t sr e a l i b i l i t ya n du s e f u l n e s sw a s s h o w n ， k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e ，b e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e ，l o a dt r a n s f e r m e t h o d ，c o n ep e n e t r a t i o nt e s t i n g 堡生塑堕丝堡堕尘竺型型堕堂里一一 垒茎羔塑堑查兰塑! 堂堡垒兰 第一章绪论 l 。i 引言 根据美国肯塔基大学的考古学家1 9 8 1 年1 月在太平洋东南沿岸智利的蒙特德 尔附近的森林里发现一问支承于木桩上木屋测定，人类桩的应用至少已有1 2 0 0 0 年 到1 4 0 0 0 年的历史。在我国浙江余姚河姆渡发现古时遗存的木桩，距今也有6 0 0 0 7 0 0 0 年了。人类应用木桩经历了漫长的历史时期，直到】8 9 4 年h e n n e b i g u e 发明了 预制混凝土桩，1 9 0 6 年出现了采用配螺旋筋混凝土桩n 儿”1 。桩基作为深基础的 种，逐渐广泛地应用于工程建设中。近年来，随着工程建设的工业技术的发展，桩 基的科研水平、设计和施工有了很大的提高。 预应力管桩是预应力技术与离心制管技术相结合的产物。1 9 1 5 年澳大利亚人 w r h u m e 发明了离心密实混凝土成型方法，日本于1 9 3 4 年开始制造钢筋混凝土 离心管桩，1 9 6 2 年制成预应力管桩( 简称p c 桩) ，1 9 7 0 年制造了超高强预应力管桩 ( 简称p h c ) 。我国应用预应力管桩最早的地区应推台湾省，从6 0 年代中期开始生 产和应用p c 桩。北京丰台桥梁工厂是我国研制和应用预应力管桩最早的厂家之一， 大约在1 9 6 8 年开始批量生产夺4 0 0 x 8 0 和由5 5 0 1 0 0 的p c 桩。在铁路工程和桥梁 工程中广泛应用。1 9 8 0 年日本人在香港建厂生产预应力高强度混凝土管桩( p h c 桩) ， 8 0 年代末交通部三航局、9 0 年代初宝钢二十冶开始生产p h c 桩。目前，我国大陆生 产预应力管桩的厂家有7 0 一8 0 家，主要分布在华东地区和广东省，仅广东省年生产 能力达1 2 0 0 万米以上，制桩水平也比十年前有了很大的提高m “】。 由于预应力管桩具有工程造价较便宜，质量较可靠，长度易调整，施工速度快， 监测方便，监测时间短等优点。目前已广泛应用于工业与民用建筑、铁路、公路、 桥梁、港口、码头等工程中。以工业与民用建筑用量最大，约占总量的8 0 。预应 力管桩不仅用于多层建筑，更多的用于高层建筑。 预应力管桩的制作质量要求已有国家标准先张法预应力混凝土管桩 ( g b l 3 4 7 6 - - 9 2 ) 【7 j 。先张法预应力管桩的生产制作工艺包括混凝土制备、钢筋笼制 作、布料合模、预应力张拉、离心成型。普通蒸养和蒸压养护六大环节，其制桩工 艺流程见图11 所示 1 s l o 预麻力管桩承载力性状的研究 会兴平浙江大学硕j 学付论文 图1 1 预制管桩制桩工艺流程图 1 2 预应力预制管桩的分类 管桩按混凝土强度等级分为：预应力混凝土管桩和高强度预应力混凝土管桩。 前者简称p c 桩，其混凝土强度等级一般为c 6 0 和c 7 0 ，后者简称p h c 桩，混凝土 强度等级为c 8 0 以上，一般要经过高压蒸养才能生产出来，从成型到使用的最短时 间只需3 - 4 天，而p c 管桩有些厂家采用常压蒸汽养护，脱模后再移入水池养护1 5 天左右，出厂时间较长，一般要经过2 8 天才能施打。 ( 一) 、日本预制管桩的分类 日本是预制管桩开发和应用较早的国家，其对桩基础的基本分类为二大部分：预 制桩和现场灌注桩两大类。对预制管桩分为六大基本类别1 7 1 ： f 1 ) 、r c 桩，即离心钢筋混凝土管桩r e i n f o r c e d s p u n c o n c r e t e p i l e 桩径：2 5 0 6 0 0 m m 混凝土强度等级：c 4 0 用途：一般土木工程建筑物。 ( 2 ) 、p h c 桩，即先张法离心高强度预应力混凝土桩p r e f e s i o n e ds p u nh i g hs t r e g t h c o n c r e t ep i l e s 桩径：3 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 混凝土强度等级：c 8 0 c 8 5 塑生尘里塑坐堡墼翌些鲨曼堕 全茎! 塑! ! 查兰塑主兰焦堡塞 有效压虑力：a 型40 m p a 1 3 型8 0 m p a c 型1 0 0 m p a j _ j 途：2 t 2 m ，。物：a 型主要用于承担垂直荷载的建筑物：b 型、c 型主要 用于承担垂直及水平荷载的建筑物。 ( 3 ) 、s c 桩，即钢管离心混凝土桩s t e e lc o m p o s i t ec o n c r e t ep i l e 桩径：3 0 0 1 0 0 0 m m 钢管厚：45 1 9 m m 混凝土强度等级：c 8 0 用途：因为其抗弯性好，故用于抗水平力要求高的建筑，从经济角度出发可与p h c 管桩组合作为上节桩用。 ( 4 ) 、p r c 桩，即先张法离心高强度混凝土桩p r e f e s i o n e ds p u nh i 曲s t r e g t hc o n c r e t e p i l e 桩径：3 0 0 1 0 0 0 m m 混凝土强度等级：c 8 5 有效压应力：4 o m p a 非预应力钢筋：由1 0 由2 56 1 9 根 用途：抗弯性能介于p h c 桩与s c 桩之间可根据设计条件需要选用。 ( 5 ) 、s t 桩，即变截面桩s t e pt a p e r p i l e s 桩径：3 0 0 ( 3 5 0 ) 9 0 0 ( 1 0 0 0 ) m m 混凝土强度等级：c 8 0 c 8 5 有效压应力：a 型40 m p ab 型8 0 m p ac 型1 0 0 m p a 用途：可根据土层物理力学性能利于扩径部分的支承力，提高整根桩的承载力，在 建筑物中与p h c 、s c 、p r c 桩组合使用。 ( 6 ) 、s l 桩，即降低负摩擦桩s l i pl a y e r p i l e s 桩径：3 0 0 1 0 0 0 r a m 混凝土强度等级：c 8 0 c 8 5 有效预压应力：同p h c 桩，在p h c 桩表面涂厚度为6 r a m 及表明保护涂层 用途：针对某些地质条件下由于建筑物地质温度及下降量产生负摩擦而设计的负摩 擦桩。 ( 二) 、我国预应力管桩的分类7 1 3 塑堕尘篁堡望童塑苎鲨垦塑 一 鱼茎兰 塑! ! 查兰堡兰垡笙塞 神：我国t 后张法预应力管桩、钢管混凝上管桩等尚属研制阶段，依据围标 g b l 3 4 7 6 1 9 9 8 ，对预虑力预制管桩进行以下分类： ( 1 ) 、产晶a 种：预制管桩按强度等级可分为预应力混凝土管桩( 代号p c ) 和预应 力高强混凝土管桩( 代号p h c ) 。p c 桩的离心混凝土强度等级不得低于c 5 0 级，一 般为c 6 0 ：p h c 桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。 ( 2 ) 、产品规格：管桩按外径分为3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 、8 0 0 和1 0 0 0 m m 长度7 1 5 m 。 ( 3 ) 、管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。其含义是管体上混凝 土有效预压应力的大小。 常用管桩的规格及应用情况见下表1 1n 0 “1 ： p c 、p h c 、p t c 管桩选用表表1 一1 竖向承竖向 外径壁厚节长 混凝混凝土桩裂弯极限弯 承载极限载 张拉控 有效预矩不小矩不小 力设力标准 dl 土强 型号 制力 种类 度等压应力 计值值 ( m m )( m m ) ( m ) ( k n ) 级( m p a )( 烈m )( 心 m ) r pq p k f k n l( k n ) a5 7 237 79 91 4 82 1 0 03 3 0 0 雾差 5 0 01 0 09 1 2c 6 0 a b8 0 452 51 2 12 0 0 a7 6 341 81 6 42 , 4 62 7 0 04 1 0 0 蔚 6 0 01 0 01 0 1 5c 6 0 a b1 0 7 358 32 0 i3 3 2 a7 6 338 81 6 42 4 62 9 0 04 5 0 0 6 0 01 1 01 0 1 5c 6 0 a b1 0 7 354 22 0 13 3 2 【高强 5 0 0】o o9 1 2c 8 0 a5 7 23 7 79 91 4 82 8 0 04 8 0 0 预应 a b8 0 452 71 2 12 0 0 力混 6 0 01 1 0 一1 5c 8 0 a7 6 3 41 81 6 42 4 63 4 0 05 9 0 0 a b1 0 7 358 42 0 13 3 2 i 凝土 a7 6 338 9 1 6 42 4 63 8 0 06 5 0 0 r 管桩 6 0 01 l o1 0 1 5c 8 0a b1 0 7 3 54 22 0 13 3 2 ( p h c l b1 6 l o80 42 3 94 3 03 6 0 06 3 0 0 薄壁 2 7 840 19 0 01 5 0 0 预应 4 0 05 59 1 2c 6 0 |3 55 5 力混 2 4 235 凝土 管桩 5 0 06 0 9 1 2c 6 0 |3 6 537 1 5 59 01 2 6 02 1 0 0 ( p t c ) 6 0 07 09 1 2c 6 0 5 7 3421 0 01 8 01 8 6 03 1 0 0 注：引自杭州新业管桩有限公司 另外预应力管桩的设计承载力、桩身强度与壁厚、节长等还与各生产厂家的生 产能力有关。 4 塑生塑筻壁垦塾生堕鉴塑塑窒 全茎兰 塑望查兰堡圭鲎笪堡垄 1 3 预应力管桩的特点 131 预应力管桩的优缺点 2 1 【1 4 】 4 7 1 【5 1 1 实践证明预应力管桩有如卜- 优点： 1 、单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 c 8 0 之间，桩身强 度高，并可打入中密密实的砂砾层及强风化岩层，桩端持力层经过强大的挤压而极 大地改变受力性能，因而可以获得较大的单桩设计承载力。如杭州久阳锦绣项目由6 0 0 一 ( 1 0 0 ) 管桩，以砂砾层作持力层，单桩竖向极限承载力k 4 6 2 0 k n 。 2 、设计选用范围广。由于管桩规格多，常见规格由3 0 0 6 0 0 ，单桩承载力从 6 0 0 k n 4 6 2 0 k n ，既适用于多层建筑，也适用于高层建筑，且在同一建筑物基础中， 还可根据桩荷载的大小采用不同直径的管桩，既容易解决设计布桩问题，也可发挥 每根桩的最大承载力，并使桩基沉降均匀。 3 、持力层起伏变化大的地质条件适应性强。因为管桩节长长短不一，搭配灵活， 接长方便，可随时根据施工现场持力层深度的变化来调整接桩长度，减少截桩，节 约用桩量。 4 、单位承载力造价便宜。管桩每米造价比沉管灌注桩贵，但单桩承载力高，一 般情况下，管桩的单位承载力造价较钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制桩均便宜。 5 、运输吊装方便，接桩快捷。 6 、成桩长度不受施工机械的限制。管桩成桩长度短者5 6 米，如杭州潮鸣小 区二期桩长为6 米，长者可达到5 0 米以上，如嘉兴电厂二期桩长为5 7 6 米，根据地 质条件，灵活搭配。 7 、施工速度快、工效高、工期短。主要表现在：施工前期准备时间短，尤其p f t c 桩，从生产到使用最短时问只需3 4 天；施工速度快；监测时间短。 8 、桩身耐打，穿透力强。由于管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩身可 承受较大的压力或冲击力而不破裂，可以穿透5 6 米厚的密集砂隔层。 9 、施工文明，现场整洁。 1 0 、成桩质量较可靠。由于工厂生产，桩身质量稳定可靠，加上管桩的耐打耐 压性，只要桩基施工时操作规范、认真，成桩质量是各种桩基中最可靠的。 1 1 、监理、监测方便。 另一方面，预应力管桩也有它的局限性和缺点，主要表现在： 预虚力管桩承载力性状的研究 金兴平浙 大学硕士学位论丈 1 、所需的生产、施t 设备投资较大。 2 、用锤击法施t 时，震动剧烈、噪音大，不能在城区内打桩，用静压法施工时， 震动和噪音较小，但静压桩架进出场搬运不方便。预应力管桩施工属挤土桩，会给 周围环境造成不利影响。 3 、打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去的条桩较多，同时基坑开挖时， 若每次开挖的深度及开挖的顺序不当时，易产生桩体倾斜。 4 、有些地质条件，如石灰岩地区岩溶地层作持力层时，是不宜采用管桩的。 13 2 预应力管桩适宜的地质条件2 】【 一般情况下，软土、粘性土、粘土、砂土及风化基岩等地层条件可采用管桩， 但对以下四类情况不宜采用预应力管桩： 1 、障碍物、老基础及孤石较多的地层不宜采用。主要原因是容易产生如下质量 事故： ( 1 ) 、管桩不能全部进入设计持力层，有的桩打到设计持力层，满足了设计承 载力的要求，有的桩打不下去，桩长相差较多，承载力也不能满足设计要求； ( 2 ) 、桩尖接触到孤石或地下障碍物时，桩身会突然偏离原位产生大幅倾斜， 甚至会折断桩身，造成断桩现象： ( 3 ) 、管桩桩尖易破损，桩头易打烂。 2 、有坚硬夹层且不能作持力层时不宜应用或慎用。有些场地存在有一层或多层 次密实状态的砂砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持力层，桩 基必须穿越此坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩旌工遇到这些夹层时，要么 穿不了，要么破损率很高，不能保证工程的质量。 3 、石灰岩地区( 岩溶发育的地区) 。由于石灰岩地区岩溶较发育，造成的石芽 和石沟使基岩岩面起伏变化极大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩是水溶性岩石， 不存在强风化层，基岩表面直接是新鲜的岩石，强度高。在这样的地质条件下进行 管桩施工，桩长很难控制，容易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳定性差等现象。 4 、从软弱地层突变成坚硬地层。在上软下硬、软硬突变的地层中，采用锤击法 进行预应力管桩施工时，由于缺少一层“缓冲层”，桩尖一接触硬岩层，贯入度就立 即变小甚至为零，使得管桩桩身容易破损，另外，由于桩端进入持力层深度浅，桩 的稳定性差，当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤动及e 抬，桩基质 6 堕竖竺笪里堡! ! ! 坐鲨塑竺茎 全茎! 塑鲨查兰塑! 堂焦堡茎 量得不到保证。 1 4 单桩荷载分析的理论方法 j 卜多年来，单桩荷载传递的理论分析主要有以四种方法：弹性理论法、剪切 变形传递法、筒载传递法和有限元法。 j 弹性理论法 弹性理论法是以弹性连续介质理论模拟桩周土体受力性状，将桩划分成若干均 匀的受力单元，通过轴向荷载下的压缩求得桩的位移，使用荷载作用于土体内某一 点所得的m i n d i n 解求得土的位移，通过桩上各单元的桩位移与相邻土位移之间的协 调条件获得各受荷单元的解。 不同的学者对单桩上的剪应力分布作了不同的假设，如： a ) 假设桩侧剪应力为作用在桩轴心上的集中荷载，d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ( 1 9 6 3 ) 、t h u r m a n 和d a p p o l o n i a ( 1 9 6 5 ) s a l e sb e l z u n c e ( 1 9 6 5 ) 等进行了这方面 研究1 5 4 1 ， b ) n a i r ( 1 9 6 7 ) 假设桩侧剪应力为作用于各单元圆形截面上的均布荷载： c ) p o u l o u s 和d a v i s ( 1 9 6 8 ) 、m a t t e s 和p o u l o u s ( 1 9 6 9 ) 提出的假设桩侧剪应力沿桩侧 表面均匀分布，这种情况同桩的实际受荷工作状态最为接近。 弹性理论法把土体看成线弹性体，目前研究较成熟的为均质土模型，p o l o u s 为 代表的采用参数分析法为分析单桩性状提供重要理论依据，对于成层土中的单桩沉 降分析，可按p o l o u s 提到的近似弹性解，即土中应力的分布用m i n d i n 的解按均质土 计算，土的位移则用相应点处的弹性量和泊松比。r a n d o l p h 和w o r t h ( 1 9 7 8 ) p o u l o s ( 1 9 7 9 ) ，b a n e r j e e 和d a v i e s ( 1 9 7 7 ) 对此做过详细分析。k e ek o g 和k a r t m a r a t r e ( 1 9 8 6 ) 运用f o u r i e r 和h a n k e l 变换技术求得作用在层状弹性半空间体内部的位移 与应力的解析解，分析了非均质土中的单桩性状2 。 弹性理论法的优点是考虑了土的连续性，但计算单桩沉降需要土的有关弹性参 数e n 和v 。取值困难，且这一方法假定土为线弹性体，对于分层土计算较为困难。 2 荷载传递法1 1 2 5 5 1 荷载传递法也称传递函数分析法，它是由s e e d 和r e e s e 于1 9 5 7 年首先提出的a 它是假定桩是由一系列的弹性单元组成，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系， 匠心力管艟承载力性状的研宄 舍若乎 浙江大学硕士学位论文 这些非线性弹簧的心力应变关系即表示桩侧摩耻【力( 或端桩e f ! 力) 与剪切位移( 或 桩端沉降) 间的关系，称为荷载传递函数， 扫于该法概念明确、适应性强、计算简 便而深工程界的喜爱和重 视。 图1l 桩土体系荷载传递分析 3 剪切变形传递法 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 年提出摩擦桩的荷载传递的机理模型，如图1 2 所示。它假定当 轴向荷载p p u 较小时，桩的沉 降较小，桩与土之间产生位移。 因此桩沉降时桩周土体也随之产 生剪切变形，剪应力t 从桩侧表 面沿径向向四周扩到周围土体 中，桩上下层之间没有互作用， 桩沉降主要由桩侧荷载传递而引 起的。 图1 2剪切变形传递法的桩身荷载传递模型 图i 2 中桩侧环形单元a b o d 在桩受荷发生沉降后随之沉降，并发生剪切变形 形成a b c d ，并将剪应力传递给相邻单元b c e f ，这个传 递过程连续地沿径向往外传递到x 点，该点距桩轴r m 啊m 。 在距桩轴r 处单元的竖向位移为s ，水平位移很小，可忽略不计，则该处的剪应 j 。 变为y ：半，其剪应力t 为 州娟s 冬 式中g s 一土的剪切模量 p睡熊陌鼗 r 2 “ “ 塑皇生笪塑堡望塑堕丛! ! ! 堕 全茎! 塑坚查兰堡兰垡堡兰 f = 尘叽1 2 叫式得拈d r w 吼者 h 其中，b 桩侧摩阻力 如呸与r 无关则： s = 帮字= 鼢n 卜。 若桩侧摩阻力均匀分布，且叱= o 5 ，则桩顶沉降品计算公式为 & ：掣 c o o k e 通过实验及与p o u l o s 弹性理论计算公式的计算结果表明，当_ = n r o 2 0 r o 后，土的剪应变已很小，一般可将工程上桩受荷后的影响半径定为2 0 ，r a n d o l p h 和w r o t h ( 1 9 7 8 ) 认为桩的影响半径k 与桩长及土的均匀性有关，建议= 2 5 p ( 1 一k ) ， 其中p 为不均匀系数，表示桩入土深度1 2 处与桩端处土的剪切模量之比 3 3 1 0 以上分析中，c o o k e 忽略了桩端处的荷载传递作用，对短桩误差较大。r a n d o l p h 等提出将桩端作为刚性墩，按弹性力学方法计算桩端沉降量s b 则： 邑= 掣卜 只：桩端阻力：屹：桩端土泊松比：呸：桩端土剪切模量，：q 桩入土深度影响系数， 然后考虑两个变形的相容条件，求解桩的轴力、位移和摩阻力。 剪切变形传递法原理简单，基本假设合理。在计算时正确地测量土的q 及其随 深度的变化将比采用简化计算式更为重要。 6 0 年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，有限元法运用于桩及群桩的分析有 预心力管桩承载力惟状的研究 会兴平浙汀大学硕上学位论丈 _ r 很大的发展。采用小同的土本构模型，对土体进行不同的单元划分，e l l i s o n ( 1 9 7 1 ) 采用i 角形和四边形划分网络，并在某些单元加。卜l 弹簧单元来进行单桩承载性能分 析 3 1 1 。o v i 籼i ( 1 9 7 5 ) 采用8 节点立方体单元对5 3 和3 x 3 的群桩作三维线性分析， t r o c h a n i s 等人( 1 9 9 6 ) 用有限元法讨论了单桩和两根桩的简化算法1 5 4 1 。 国内陈雨孙和周红( 1 9 8 7 ) 用有限元方法分析了挖孔灌注桩纯摩擦桩的性状 4 0 】， 倪新华( 1 9 9 0 ) 较详细地研究了桩的三维有限元分析。 从理论t 说，有限元法考虑了土体的不均匀性、非线性及各向异性等复杂因素， 因此它能有效地分析桩工作性能，揭示桩的受力特征和规律，并与实测结果相验证。 其缺点是计算机容量大，时间长，同时参数难以确定。 1 5 本文的主要工作 1 回顾预应力预制管桩的发展过程及对其进行分类，分析了预应力管桩使用 的优缺点及适用的地质条件，并评述桩基四种计算方法及其优缺点； 2 通过预应力管桩与预制混凝土桩、钢管桩的承载力性状的对比，来分析它 们间的异同点，为分析预应力预制管桩的侧摩阻力、桩端阻力确定合理的方法； 3 选用合理的荷载传递函数及位移协调法进行荷载传递计算，与实际工程实 例进行比较，分析其吻合程度，并通过工程实例的计算来确定荷载传递函数的参数 范围； 4 、分别对桩侧土、桩端土的性质、桩身弹性模量e 、桩径d 、开口管桩的壁厚 t 、及进入持力层深度h 对预应力预制管桩的承载力性状及p s 曲线的影响进行分析， 从而认识影响预应力管桩承载力因素和规律。并通过土塞效应产生的机理分析并结 合工程实践，来分析开口预应力预制管桩的工作性状。 5 回顾静力触探原位测试方法在计算桩基承载力的应用，通过对工程桩承载 力性能的研究分析，来建立静力触探指标与预制管桩承载力间的关系。 6 对预应力预制管桩进行工程实例分析。 型兰塑壁丝垦望尘燮竺塞 全茎! 塑坚查兰堡主兰笪堡茎 第二章 预应力管桩与其它预制桩型比较 2 1 预应力管桩与混凝土预制桩比较 混凝土预应力管桩与混凝土预制桩同属预制桩，施工时均会对周围土产生挤压 和挤密作用，不同的是开口预制管桩由于土塞作用，其挤土作用相对较弱。 工程实例：安徽阜阳电厂5 7 1 新建阜阳电厂规模为1 2 0 0 m w ，安装两台6 0 0 m w 级超临界燃煤发电机组。本 次采用混凝土预制方桩和高强度混凝土预应力管桩( p h c 桩) 两种桩型，通过静载 荷实验来测定单桩竖向极限承载力和桩端沉降及桩身应力状况。 1 工程地质条件 根据地质报告，该试桩区的地质状况如下： 粉质粘土：褐黄色，硬塑，含少量钙质结核： 粘土：灰黄色，硬塑，含姜结石，下部夹薄层粉土； 粉土：灰黄色，湿，中密密实； 粉质粘土：灰黄色，可塑偏硬，夹钙质结核和薄层粉土； 粉土：棕黄灰黄色，湿，密实，含少量姜结石； 粉质粘土：青灰深灰色，湿，可塑偏硬，含较多姜结石； 粉质粘土：灰黄色，可塑偏硬，夹较多粉土，含姜结石； 粉质粘土：黄褐灰黄色，硬塑，含少量姜结石： 粉质粘土：灰黄青灰色，硬塑； 粉土：棕黄色，密实，夹少量粉砂： 0 d 粉质粘土：黄褐灰黄色，硬塑。 以上各土层的物理力学性质指标见下表2 1 ： 堡堕望堡塑壹堂兰型型塑 全坚! 塑坚查兰堕兰笪堡壅 各土层的物理力学性质指标表21 瓦劈 同结直剪 静力标准地基 快剪 快剪慢剪触探 贯入承载力预制榜 标极限 凝摩凝摩 凝摩 锥 侧 极限自 贯标准值摩阻 聚擦聚 擦聚擦尖摩 阻力# 击建议值力标 力角力角力角阻阻 准值 数准值 力力 c巾c中c 中 q ce nf l ( kq “ k p a 度k p a度k p a度 m p a k p a击k p ak p ak p a 粉质粘土3 5 01 9 53 831 984 4 42 0 9l5 8 09 22 0 06 6 粉质粘土3 7o1 85 4 071 854 851 8 42 11 1 01 152 2 0 8 5 粉土 1 212 281 5 02 31331 0 51 3o1 6 0 6 6 粉质粘土 3 75】6 43 1 62 2135 01 102 0 0 7 0 粉士 1 502 2 01 542 2 92 452 35l81 2 21 521 6 06 4 粉质粘土 4 121 8 44 741 8 94 302 13186 0i l 52 3 06 82 7 0 0 ，粉质粘土 6 2 01 856 3 41 9 4281 1 01 532 5 07 03 3 0 0 粉质粘土 6 7 01 516 391 7 9291 3 01 582 6 07 54 0 0 0 粉质粘土 6 6 01 5 ，46 7 52 0 8361 6 01 683 0 07 8 粉质粘土 3 5 0 a d 粉质粘土8 7 02 5 3 5 0 j 3 匕竺二坚竺= 生竺二兰：型 口目# i 艿隹 0自女f e 一基藿桩 r ：，8 * o * n m标节a o o n 女m 期 口，t* 木 位# 瑰涮 i # 降女 图2 1 试桩布置平面位置图 l2 吣口 口 岫口 口 w 口 口 孑 孑 苫 占 占 。口主口 n o o ： o 引o ”口 他口 吣口 m 口 日。 卫 | 茔口 。、1ro_一 一 il 预应力管桩承载力降状的研究 金兴平浙江大学硕士学位论文 2 、试桩情况 试桩分二组，第一组规格为5 0 0 5 0 0 m m 混凝土预制方桩，桩长2 8 6 m ，混凝土 等级为c 3 0 ；第二组为高强度预应力管桩( p h c 桩) ，规格为巾6 0 0 1 1 0 m m ，桩长 为3 1 6 m ，混凝土等级为c 8 0 。试桩布置的平面位置见图2 1 。在这两组试桩中，t 3 和t 7 两试桩内埋设了钢弦式钢筋应力计，分别埋设了1 2 个和1 3 个断面，每个断面 设二只应力计，其埋设的位置及所处的地层见图2 2 ，目的为了测试桩身应力状况， 同时还对该两试桩分别进行了桩项沉降和桩底沉降的测试。另外t 5 试桩进行了循环 加载试验。各试桩的最大试验荷载成果分析汇总见表2 2 ，各试桩的各级荷载下沉降 量汇总表见表2 3 、2 4 ，t 3 试桩各级荷载下桩身测试断面轴向力见表2 5 ，t 7 试桩 各级荷载下桩身测试断面轴向力见表2 6 。 t 3 图2 , 2 试桩内钢筋应力计埋设位置图 堕竺塑笪壁璺量塑丝鉴塑竺塞 竺堂! 塑坚查堂塑! ：兰竺堡茎 试桩的最大试验荷载成果分析汇总表表2 2 试桩编号 t it 2t 3 t 5t 6t 7 最大试验倘载( k l n )8 4 0 09 2 4 08 4 0 08 4 0 07 1 9 98 4 d o 桩项最大沉降( r a m ) 2 0 1 62 4 6 21 78 22 37 4 4 34 l1 7 9 6 桩项残余沉降( m m )54 975 54 0 356 42 95 636 4 i 桩顶回弹量( r a m ) 1 4 6 71 70 71 37 9 1 8 11 38 51 43 2 【桩项回弹率( ) 7 36 97 7 7 63 28 0 桩端最大沉降( r a m ) 57 0 23 6 桩端残余沉降( r a m )l2 l04 6 i 桩端回弹量( n u n ) 4 4 9l9 桩端回弹率( ) 7 98 l 桩身压缩量( m m ) 1 21 21 56 i 桩身残余变形量( m m ) 28 231 8 i 桩身回弹量( r a m ) 931 2 4 2 桩身回弹率( ) 7 78 0 t i 、t 2 、t 7 桩各级荷载下沉降量汇总表表2 3 荷载t 1 桩项沉降t 2 桩项沉降 t 7 桩项沉降桩端沉降 ( k n )( m m )( n m a ) ( m m )( m m ) 1 6 8 02 62 4 2 21 8o 2 5 2 04 0 40 236 30 3 3 6 0 56 356 050 6 o 4 2 0 0 76 275 76 6 7 0 5 0 4 09 0 79 j 3 5 84 5o1 2 5 8 8 01 1 3 0 1 l4 71 0 4 80 2 3 6 7 2 01 37 4 1 38 91 23 0 o 5 6 7 5 6 01 6 9 5 1 6 4 l1 51 3l2 2 8 4 0 02 0 1 6 1 95 11 7 9 623 6 9 2 4 0 2 4 6 2 7 5 6 0 2 4 5 2 6 7 2 0 2 0 0 4 1 69 32 4 1 5 8 8 0 2 2 5 0 5 0 4 01 7 9 6 1 47 82 2 l 4 2 0 0 1 9 4 4 3 3 6 0 1 5 0 6 1 19 612 0 2 5 2 0 1 55 8 】6 8 0】11 0 85 60 8 0 05 4 9 75 5 3 6 40 4 6 l4 也塑墅型型塑堕一 全塑塑望查兰堡圭堂笪丝塞 t 3 、t 5 、t 6 桩各级荷载下沉降量汇总表表2 4 t 3 桩 t 5 桩t 6 桩 荷载 桩顶沉降 桩端沉降荷找 桩项沉降 荷载桩顶沉降 ( k n ) ( m i l l ) ( m m )( k n ) ( m m ) ( k n ) ( i t l m ) 16 8 0 j9 3 oj 4 0 0 2j 0 1 6 8 025 2 2 5 2 0 34 30 2 1 0 0 35 4 2 5 2 043 6 3 3 6 0 50 2o 2 8 0 049 8 3 3 6 064 1 4 2 0 0 68 3o9 8 3 5 0 0 6 7 2 4 2 0 086 9 5 0 4 088 0 14 8 4 2 0 086 】 5 0 4 0l l4 5 3 3 6 078 7 08 74 9 0 0 j 0 5 j5 8 8 0 】3 5 1 6 8 050 5 o3 5 0 0 88 2 6 7 2 01 78 4 o 08 7o2 1 0 0 60 57 1 9 9 4 3 4 i 1 6 8 032 3 o0 i3 7 5 0 4 04 25 7 2 5 2 04 5 8o 1 4 0 048 4 3 3 6 03 9 5 4 3 3 6 0 59 8o2 1 0 0 6 2 8 1 6 8 03 5 6 8 4 2 0 073 0 o7 82 8 0 0 76 602 95 6 5 0 4 088 0 14 33 5 0 0 91 2 5 8 8 01 0 3 816 44 2 0 0 1 0 7 2 6 7 2 01 2 4 225 8 4 9 0 01 22 1 7 5 6 01 5 0 64 0 6 5 6 0 01 4 - 3 8 8 4 0 01 7 8 25 7 06 3 0 0 1 6 0 7 6 7 2 0 1 78 45 7 07 0 0 01 83 9 5 0 4 0 1 58 64 4 87 7 0 02 0 9 5 3 3 6 01 28 031 48 4 0 0 2 37 4 1 6 8 089 61 5 77 0 0 02 3o l 040 312 1 5 6 0 02 0 8 8 4 2 0 01 80 0 2 8 0 01 45 0 1 4 0 01 0 6 9 o56 4 i 3 试桩各级荷载下桩身溯试断面轴向力表2 5 潞 15356 58595】0 51 301 7 02 0 52 2o2 402 6 0 荷载 1 6 8 01 3 3 61 1 6 ll l l 69 8 49 1 38 5 25 9 53 5 91 5 61 3 37 06 0 2 5 2 01 9 0 81 7 6 41 6 5 81 5 6 61 4 5 9 1 3 9 21 0 2 67 1 33 1 2 2 5 31 4 18 4 3 3 6 02 4 8 22 3 1 12 1 2 61 9 1 21 7 9 51 7 3 61 4 6 29 9 84 8 33 7 22 l l1 4 5 4 2 0 03 3 3 62 9 1 52 6 5 32 4 6 72 3 0 92 2 4 2】9 3 81 3 7 37 4 15 0 43 0 42o _ 5 5 0 5 44 2 3 03 5 7 63 2 1 23 0 4 7 2 8 9 22 8 1 92 4 4 61 7 7 49 8 56 8 64 1 92 8 9 5 8 8 05 3 3 14 7 9 53 9 9 83 7 8 33 5 8 7 3 4 8 33 0 5 72 1 6 61 3 5 79 6 95 6 83 9 6 6 7 2 06 2 6 05 5 3 l4 6 1 24 3 4 04 1 2 8 4 0 2 03 5 3 32 5 5 01 5 3 51 1 4 76 7 04 9 0 7 5 6 07 1 0 96 3 6 25 3 0 3 4 9 6 84 7 4 44 6 2 64 0 5 62 8 8 51 6 0 81 2 7 07 7 05 9 6 8 4 0 08 1 0 9 7 1 6 45 9 6 75 5 5 15 2 9 3 5 1 9 04 5 4 2 3 2 1 41 7 8 41 4 1 58 7 1 6 9 0 备注：单位埋深：( m ) 轴向力：( k n ) 荷载( 埘) 1s 塑壁塑笪壁垩垫塑：堕鲨塑竺堑全茎里 塑坚查兰堕! 兰生丝壅 t 7 试桩各级荷载下桩身测试断面轴向力表2 6 嫌 椭力、 l5356o85951 05 1 4o1 7o2 052 2o2 402 6o3 0 0 衙莪 1 6 8 01 4 0 61 2 2 81 1 7 51 0 4 19 6 88 9 86 2 03 7 】1 7 41 4 37 96 6l o 2 5 2 02 0 0 01 8 5 41 7 4 8】6 5 0】5 3 01 4 6 01 0 7 57 6 63 3 3 2 7 01 5 08 93 8 3 3 6 02 6 1 22 4 3 62 2 2 82 0 1 71 8 8 11 8 2 91 5 3 81 0 5 55 0 53 9 02 2 l1 5 97 5 4 2 0 03 5 】73 0 7 02 7 9 82 5 9 92 4 3 62 3 6 42 0 4 01 4 4 97 7 85 3 83 2 02j 89 7 5 0 4 04 4 5 93 7 6 83 3 8 73 2 0 83 0 4 82 9 6 72 5 7 l1 8 6 71 0 3 77 2 94 4 l3 0 91 7 0 5 8 8 05 5 】45 0 4 24 2 0 13 9 8 13 7 7 03 6 6 】3 2 】of2 2 2 0) 4 2 2j 0 2 16 0 】 f 4 1 63 1 0 6 7 2 06 3 8 15 7 1 9 4 8 5 84 5 7 04 3 4 74 2 3 13 7 2 02 8 0 01 6 2 11 2 0 37 0 85 1 53 8 4 7 5 6 07 】8 86 5 9 05 5 8 25 2 3 04 9 9 04 8 6 44 2 6 93 0 3 01 6 9 9】3 3 4 8 1 96 3 04 5 5 8 4 0 0 1 2 2 8 0 5 77 3 3 66 3 8 85 8 5 45 5 8 15 4 6 34 7 9 0 3 6 9 0 2 5 0 02 0 5 57 2 9