（岩土工程专业论文）泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究.pdf

浙江大学硕士学位论文泥皮性状刘钻孔桩工程特性的影响研究张厂兴2 0 0 6 年2 月 摘要 本文通过对杭州淤泥质土、粘性土以及砂质粉土中钻孔灌注桩桩侧泥皮土和 桩间土进行三轴不排水剪切试验及室内常规试验，研究了二者的物理力学性质以 及工程性状的差异，分析了桩侧泥皮土对钻孔灌注桩侧摩阻力和承载力的影响。 通过对掺入不同含量水泥浆的泥浆土的试验研究，分析了桩侧( 端) 注浆对改善 泥皮土物理力学性状的作用。试验结果表明：泥皮土比桩间土含水量增高了6 1 6 、孔隙比增大了5 1 6 、压缩模量降低了6 2 4 、粘聚力和内 摩擦角分别降低了7 2 5 和1 4 3 0 ，泥皮土的强度要低于同类桩问土。 破坏时泥皮土的一吼) ，下降了9 2 1 7 ，而且容易发生软化，软化后残余 强度较低，形成了桩土间的薄弱层，降低了桩侧摩阻力。当泥浆中掺入水泥浆( 水 灰比0 5 ) 的掺入量由1 0 提高到4 0 时，其压缩模量由1 8 6 m p a 提高到8 9 6 m p a ， 泥浆土样的内摩擦角由0 5 。提高到1 9 。，粘聚力由最初的2 k p a 提高到1 8 k p a ， 抗剪强度得到了大幅提高。 对考虑泥皮的桩沉降理论计算方法进行了分析，在剪切位移法的基础上，推 导了考虑桩侧泥皮的土弹塑性模型的荷载沉降解析公式，并将公式推广到成层地 基，讨论了考虑泥皮及孔壁粗糙时的钻孔桩承载力估算方法，并通过工程实倒进 行了计算，计算结果与实测结果吻合的较好。 通过有限元软件建立了考虑泥皮的钻孔桩模型。分析了泥皮的厚度和弹性模 量的变化引起的桩基受力性状的变化以及在不同桩长下，泥皮的存在对钻孔桩受 力性状的影响。另外，通过建立含桩底沉渣的模型，分析了桩端沉渣厚度对桩基 承载力的影响。分析结果表明：泥皮的存在，对桩基受荷载时的桩土位移场和应 力场都会产生影响，使桩端处的竖向和水平向位移及应力均有所增大，并且桩身 出现提前滑动，也导致了桩基沉降的加大。对于相同的桩，随着泥皮厚度的增加 和泥皮弹性模量的降低，其侧摩阻力和承载力也逐渐降低。含有沉渣的桩基随着 沉渣厚度的增加其承载力也不断降低，桩沉降越来越大。 关键词：钻孔桩；室内试验；泥皮；沉渣；剪切位移法；沉降计算；有限单元 法；受力性状 本文属国家自然科学基金资助课题：大直径长桩侧阻软化机理研究5 0 4 7 8 0 8 0 1 1 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 a b s t r a c t t h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t s o nm u d c a k ea n dm i d d l es o i lo fb o r e dp i l e si ns i l t s o i l ，c l a ya n ds i l ti nh a n g z h o u , t h ei n f l u e n c eo fm u d c a k eo ns h a f tf r i c t i o na n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nm u d c a k ea n dm i d d l es o i lo fb o r e dp i l e sh a v eb e e ns t u d i e d i n a d d i t i o n ，b yu s i n gl a b o r a t o r yt e s t so nm i x e dm u dw i t hc e m e n tg r o u t ，t h ei m p r o v e d e f f e c to nm u d c a k e 、i mc e m e n tg r o u ti sa n a l y z e d r e s e a r c h i n gr e s u l ts h o w st h a t c o m p a r e dw i t hm i d d l es o i l ，m u d c a k em o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s e s6 1 6 ，v o i dr a t i o i n c r e a s e s5 16 ，c o m p r e s s i b i l i t yr e d u c e s6 2 4 ，s h e a rs t r e n g t ha n df r i c t i o n r e d u c es e p a r a t e l y7 2 5 a n d1 4 3 0 m u d c a k ei sw e a k e rt h a nm i d d l es o i l a n d i t s ( o - 1 一c r y ) ，r e d u c e s9 2 1 7 m u d c a k e b e c o m e sa w e a k l a y e r b e t w e e n p i l e a n ds o i la n dr e d u c e st h es h a f tf r i c t i o no f p i l e s a st h ep e r c e n to f c e m e n tg r o u ti n c r e a s e f r o m1 0 t o4 0 ，c o m p r e s s i b i l i t yi n c r e a s ef r o m1 8 6 m p at o8 9 6 m p a ，s h e a rs t r e n g t h a n d f r i c t i o n i n c r e a s es e p a r a t e l y f r o m0 5 0 t o1 9 。a n d f r o m 2 k p a t o1 8 k p a a n a l y z et h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no f b o l e dp i l e sw i mm u d c a k e b a s e do ns h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o d ，t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n sf o rd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o r a x i a ll o a d - s e t t l e m e n to f p i l ew i t hm u d c a k ew e r ed e r i v e d a n di ti sa l s oe x t e n d e dt o s t r a t i f i c a t i o ns o i lf o u n d a t i o n a n a l y z et h eb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o no f p i l e s t h i n k i n ga b o u tm u d c a k ea n dc o a r s eb o r e a n di ti sp r o v e dw i t ha l la c t u a le n g i n e e r i n g b yu s i n gt h eg r e a tf e mp r o g r a m m e , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a t e r so f b o r e d p i l ew i t hm u d c a k ei np i l e so f d i f f e r e n tl e n t h a n da n a l y s e st h ed i f f e r e n tc h a r a t e r so f b o r e dp i l ew i md i f f e r e n tt h i c k n e s sm u d c a k ea n dd i f f e r e n te l a s t i cm o d u l u s i n a d d i t i o n , t h r o u g hp i l em o d e l sw i t l ls e d i m e n ti np i l et i p t h ei n f l u e n c eo f s e d i m e n ti n p i l et i po nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l e si sa n a l y s e d r e s e a r c h i n gr e s u l ts h o w st h a t t h es h a 赶f r i c t i o na n d b e a r i n gc a p a c i t yo f p i l e si sr e d u c e d a st h et h i c k n e s so f m u d c a k e i n c r e a s e sa n dt h ee l a s t i cm o d u l u so f m u d c a k er e d u c e d a n dt h ep i l ew i l lg l i d ea b e a do f s c h e d u l e t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to f t h ep i l e s 埘t l ls e d i m e n ti np i l et i pi s r e d u c e da st h et h i c k n e s so fs e d i m e n ti n c r e a s e s k e yw o r d s ：b o r e dp i l e ；l a b o r a t o r yt e s t ；m u d c a k e ；s e d i m e n ti np i l et i p ；s h e a rd i s p l a c e m e n t m e t h o d ；t h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ；f i n i r ee l e m e n tm e t h o d ：c a p a c i t yp r o p e r t y i i i 浙江人学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩t 程特性的影响研究 张广兴2 0 0 6 年2 月 第一章绪论 1 - l 问题的提出 1 1 1 钻孔灌注桩应用背景 随着大规模建设工程的开展，桩基础日益成为软弱地基上的工业建筑、高层 楼字、码头桥梁、重型储仓等工程经常用的嘈十深基础型式。预制桩由于施打过 程中的强烈振动和噪音，使用范围越来越受到限制，而压桩机械能力有限，所以 压入桩的直径( 或边长) 目前也相对不大，承载力较低。因此，大直径钻孔钢筋 混凝土就地灌注桩受到设计人员和施工单位的重视，使其一跃成为桩基中的主 角。 灌注桩于1 8 9 3 年在美国芝加哥问世，主要是解决厚度很大的软土或中等强度 的粘土层中地基沉降过大的问题。当时采用的是人工挖孔桩，是在借鉴自古相传 的掘井技术的基础上得到成功应用的。这种桩后来就被称为“芝加哥式挖孔桩”。 本世纪3 0 年代在美国已出现沉管灌注桩。钻孔灌注桩是在人工挖孔桩问世约5 0 年后，即2 0 世纪4 0 年代初，随着大功率钻孔机具研制成功，首先在美国问世的。 第二次世界大战后，各国进行大规模战后重建，鉴于当时钢材的短缺，钻孑l 灌注 桩这种经济桩型发挥了巨大的作用。随着钻孔机械和施工工艺的提高，大直径灌 注桩至今在世界各国的基本建设中发挥着重要作用。在我国，1 9 5 9 年河南黄县利 用打井锥具钻孔，首次作成了钻孔灌注桩。6 0 年代初，这种施工工艺首先在河南 公路桥梁采用后，逐渐发展成为一种常用的桥梁基础型式，而后在全国各地推广 使用。随着我国经济建设的蓬勃发展，钻孔机械和工艺的提高，灌注桩这种深基 础型式，因其广泛的适应性、承载力大、性能较稳定、施工较为简单，在我国得 到广泛应用和发展，应用于包括软土、黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基， 积累了丰富的经验。 灌注桩是直接在桩位上就地成孔，然后在孔内灌注混凝土或钢筋混凝土的一 种成桩方法。灌注桩施工具有低噪音、低振动，桩长和直径可按设计要求变化自 如、桩端也能可靠地进入持力层、单桩承载力大等特点。另外，桩的混凝土强度 及配筋只要满足使用要求就可以，因而具有节约材料，成本低廉，施工不受底层 变化的限制，无需接桩及截桩等优点。但也存在着技术间隔时间长，不能立即承 受荷载，操作要求严，在软土地基中易出现桩身缩径、夹泥、断桩和沉渣过厚等 浙 【大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广必2 0 0 6 年2 月 各种形态的质量缺陷的缺点，影响桩身的完整性和单桩的承载能力，尤其是泥浆 护壁钻孔灌注桩，稠度过大形成桩侧表面的“泥皮”会大大降低桩侧摩阻力，过 厚的孔底沉渣也会导致端阻力明显降低。国内外许多学者及科研人员都致力于解 决以上问题而进行了一系列的研究工作。 另外，随着桩基的不断发展和应用，人们对桩基理论的研究也直在进行， 人们对桩基的研究主要是从单桩开始的，因此单桩沉降计算理论得到了不断的发 展。根据理论的出发点和基本假设不同，目前国内外比较完善的单桩沉降计算方 法分为经验方法、弹性理论法、简化方法、数值分析法，但遗憾的是到目前还没 有完全搞清楚桩的受力和沉降机理，传统的桩基设计理论在一些特殊土中也是不 完全成立的。比如软土地基，其特点是含水量高、压缩性大、强度低，我国江浙 乃至华南、华东、华北的沿海地区软土都具有上述特点。而软土地基中最为常用 的大直径灌注桩，在施工中使用泥浆护壁而导致的侧阻降低以及由沉渣难清理干 净、持力层扰动而降低端阻力，成为其设计施工中的两大技术难题。目前的单桩 沉降计算理论中基本上都没考虑泥皮性状的影响，因此本文在理论上对考虑泥皮 的单桩沉降简化分析方法进行了研究，推导了考虑泥皮的钻孔桩荷载沉降公式， 便于工程上的应用。 1 1 2 问题的提出 伴随着高层、大跨建筑物的兴起，对桩基础的承载力有了更高的要求，大 直径灌注桩因此得到快速的发展，桩长和桩径也越做越大。 大直径灌注桩的优点主要包括：非挤土或少量挤土，施工时基本无噪音、无 振动、无地面隆起或侧移；对环境影响小、桩径大、入土深、承载力高，可适用 于不同类型的建筑物及地质条件：桩身刚度大，能承受较大的竖向荷载外，还能 承受较大的横向荷载；布桩间距大，群桩效应小；可采用较低的配筋率，消耗钢 材少，较为经济。 然而，钻孔灌注桩在工程实践中也暴露出许多问题。由于多采用水下灌注混 凝土工艺，其桩身质量不可能象预制桩那样稳定、可靠，混凝土强度也较难保证。 在目前钻孔桩的施工技术水平下，桩底沉渣、软弱沉淀层不可避免。 另外，在钻孑l 灌注桩成桩工艺中，国内广泛采用泥浆护壁的工艺，这种工艺 的目的是避免钻孔过程中桩周土体坍塌，在孔壁形成一层保护膜，起到防止渗水 浙江大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 的作用，同时对钻头也起到润滑和冷却的作用。目前对于大直径灌注桩的施工方 法，由于土体这种工程材料的特殊性，为保证施工顺利进行及防止工程事故的发 生，往往也需要膨润土泥浆护壁成孔工艺。由于粘土浆吸附性强，常常在孔壁残 留泥浆套层，这一软弱夹层待成桩后仍然存在，厚度可达j l 厘米，如图卜l 、图 卜2 所示。 诗杭 泥皮 图卜1 泥浆护壁与桩身夸张示意图 i j 迪藤 灏 了 卜 0 瓷 ：l ， 。f 1 、溉疆主- 姑摹 2 ，耗薰藿 9 ，辩鬟一 d ，圭接敏化) 图1 - 2 泥浆护壁钻孔桩在桩周形成的泥浆套 众所周知，桩基础是通过桩土体系的相互作用将上部荷载传递至深部承载力 高的土层中去，以充分利用深部土层的承载力，从而减小基础的沉降，克服浅基 础和表层土层承载力的不足，而泥浆套层的存在可能大大削弱侧摩阻力。再者， 由于钻孔灌注桩为排土型桩，桩周土应力松弛伴随着成孔过程而发生，也会影响 到桩侧阻的发挥。 浙江大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 另外，研究表明，由于桩侧泥皮的存在，导致了桩侧土应力一应变关系的变 化，泥皮的应力应变关系中，相同的应变下其主应力差明显小于无泥皮情况，由 于固结不充分，有些泥皮甚至表现出了应力应变的软化，如图卜3 ，这些都极大 的影响了桩侧阻的发挥。 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 051 01 52 02 5 轴应变e 图1 3 粘土土样的( a l - g 3 ) - 关系 上述问题的存在，使桩基础的优点未能得到充分的发挥。有资料表明，有些 工程中钻孔灌注桩因上述原因造成工程桩的失效率高达1 4 ，从而造成工程的 失败和大量资金的浪费。 因此，不断深化对桩一土介面性状的研究，正确认识泥皮性状，可靠地评估 钻孔灌注桩的承载力，对工程建设具有积极意义。 l - 2 钻孔桩泥皮性状的研究现状 随着高层建筑的日益增多，钻孔灌注桩以其承载力大、适应性强等优点在工 程中得到了广泛的应用。为防止钻孔灌注桩在成孔过程中发生孔壁坍塌，缩孔等 现象，工程上一般采用泥浆护壁措施。护壁泥浆成桩后在桩周形成一薄弱层，一 般从几r a m 到几c m 不等，其厚度主要受成孔时间、成孔方式以及泥浆比重等因 素影响。桩侧泥皮土的存在，改变了桩周土摩擦能力的发挥，往往导致桩侧摩阻 力的降低，国内外许多学者及科研人员都致力于为解决以上问题进行了一系列的 研究工作。 在国内，一些学者通过对工程实例的研究，理论方法的分析，实验的研究， 有限元模型的分析以及大量数据规律的总结与归纳等手段，对钻孔桩的一些沉降 计算方法，受力特性和泥皮特性进行了一系列的研究。 李峰( 1 9 9 6 ) 通过工程实例，对承载力降低的试桩进行了开挖分析，发现 浙江大学砍士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 泥皮过后是其承载力降低的主要原因所在，经过分析他提出护壁泥皮的厚度与泥 浆渗失量有很大关系，渗失量大，在井壁( 特别是砂层) 容易形成厚泥皮，这层 泥皮，就象镶嵌于地层与桩侧土问的一个活套筒一样，降低桩与地层间的摩擦系 数，使地层本应提供的摩擦力失真，失水量的大小还与泥浆比熏，粘度、清孔时 间及气候有关。 王建华( 2 0 0 2 ) 通过工程实例分析，研究了钻孔灌注桩极限侧阻力的一种 计算方法，他认为钻孔灌注桩极限侧阻力标准值与预制桩的极限侧阻力标准值的 的关系不是单一折减系数关系，对土粒较细的粘性土、粉土和粉细砂，不同强度 的土应采取不同的折减系数。强度较低的土，其强度与泥皮较接近，可少折减； 强度高的土，泥皮作用明显，应多折减；也可采用本文方法计算。对粘粒含量低 的碎石类土可不折减，甚至可乘上大于1 的系数。 单海银等( 2 0 0 2 ) 时效性对钻孔桩承载力的影响，他认为非挤土灌注桩由于 成桩过程不产生挤土效应，不引起超隙水压力，土的扰动范围较小，因此，桩承 载力的时间效应相对于挤士桩要小。粘性土中非挤土灌注校承载力随时间的变 化，主要是由于成孔过程孔壁上受到扰动，由于土的触变作用，被损失的强度随 时间逐步恢复。对于泥浆护壁成桩的情况下，附着于孔壁的泥浆也有触变硬化的 过程。因此承载力的时效，泥浆护壁法成桩要比干作业明显。干作业成桩的情况 下，孔壁土扰动范围小，其承载力的时效一般可予忽略。 舒翔，刘利民( 2 0 0 3 ) 研究了钻孔灌注桩的成孔效应，分析了桩孑l 性状、泥 皮厚度、沉渣厚度、桩孔暴露时间等桩孔特征因素对桩的承载性状及承载力产生 的影响，研究表明，在其他条件相同的情况下，孔壁光滑、平直的桩的承载力比 孔壁起伏、粗糙的桩的承载力低，其原因是孔壁性状光滑、平直的桩孔，混凝土 与桩侧土之间的咬合作用较差，接触面受泥皮厚度影响大，泥皮“涂抹”作用明显， 桩土间易发生剪切滑移，不利于桩侧阻力的发挥。反之，孔壁性状粗糙，凹凸不 平，混凝土与桩侧土咬合作用良好，接触面受泥皮厚度的影响减小，抗剪强度较 高，桩侧阻力较易正常发挥。 温世游等( 2 0 0 3 ) 在指出规范、规程中关于泥浆论述的不合理性和某工程失 败的基础上，提出采用有限元方法来模拟泥浆护壁的过程和效果，既可以节省大 量的前期试验费用，又能给泥浆护壁提供合理的浓度范围。通过实例分析发现， 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 钻孔过程中泥浆的浓度变化在不断地改变钻孔的受力状态和变形规律。在前期钻 孔阶段，泥浆浓度比重可以在1 3 1 4 范围；在后期清孔阶段，尽可能地控制 在1 1 1 2 范围。 徐奋强等( 2 0 0 4 ) 利用极限分析原理对土体中泥浆护壁深钻孑l 的极限孔深问 题进行计算研究，计算中考虑了护壁泥浆的工作机理、泥浆性质、孔径等对孔深 的影响。极限分析结论：泥浆护壁深钻孔的极限孔深随泥浆比熏及孔壁土体内摩 擦角的增加而增大，随孔径的增加而减小，计算表明，极限分析法是一种切实可 行、简单明了的分析方法。 另外，也有一些学者针对考虑大直径超长钻孔桩的侧阻软化现象，以及影响 侧阻发挥的因素等进行了一系列的研究工作。 张忠苗等( 2 0 0 3 ) 通过多根试桩的实测资料，认为在高承载水平下，持力层 为粘土层的超长桩也会发生桩端刺入破坏。桩侧阻的发挥是先上后下，且在达到 极限后，桩侧阻会因滑移而下降。随后他( 2 0 0 5 ) 又统计了在竖向荷载作用下6 0 0 0 多根试桩的静载试验资料，研究了钻孔桩的泥皮效应，并提出了泥皮导致侧阻软 化的机理。 辛公锋( 2 0 0 3 ) 针对超长桩在受荷过程中出现的侧阻软化现象，从理论上做 了研究，分析了c7 、币7 的异步发挥，土的剪胀性，土单元主应力方向旋转，孔 隙水压力以及损伤软化对侧阻发挥的影响，并在荷载传递法的基础上，推导了考 虑侧阻软化的超长桩荷载沉降的解析解。 朱向荣( 2 0 0 3 ) 通过对深厚软土地基中的超长钻孔灌注桩的静载荷测试，得 出超长桩的p s 曲线为缓变形。他认为桩侧摩阻力和桩端摩阻力并非同时发挥， 侧摩阻力会随桩长的增加逐渐减小。最后他把实测侧摩阻力与规范和勘察报告的 值进行比较，指出传统的承载设计方法无法适用于超长桩。 m e y e r h o f ( 1 9 7 6 ) 在对统计数据的分析基础上建议，在粘土中相对细长的桩 其桩身侧阻力会降低，m e y e r h o f 在统计数据的分析基础上给出了一个经验公式： s = 0 6 。 式中：b 侧摩阻力系数 吒，一沿桩身平均竖向有效应力 8 随着桩长的增加会明显的降低。 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 也有一些国外学者针对钻孔桩承载特性的影响因素进行了一系列的研究工 作。 h o s o i ( 1 9 9 4 ) 通过试验得出混凝土与泥皮土间的摩阻力明显小于其与同种 无泥皮土间的摩阻力，认为泥浆护壁钻孔桩的泥皮在浇灌混凝土时不能完全被清 除，侧摩阻力应考虑泥皮的影响； a n - b i nh u a n g ( 2 0 0 1 ) 对钻孔桩和打入桩进行了现场实测，并运用数值方法对 c p t 和d m t 的数据进行了分析，得出钻孔桩的存在会对桩周土体产生削弱效应， 而打入桩则相反。 m a j a n o ( 1 9 9 4 ) 通过室内模型试验研究了影响泥皮厚度与强度的因素，以及 影响泥浆护壁钻孔桩侧阻发挥的主要因素。 n a r o n g ( 1 9 9 9 ) ：通过总结前人的成果，认为施工时间( 成孔后到成桩前) 和泥浆 性质( 粘性等) 对钻孔桩承载力的下降有很大影响。 a n - b i nh u a n g ( 2 0 0 1 ) 对钻孔桩和打入桩进行了现场实测，并运用数值方法对 c p t 和d m t 的数据进行了分析，得出钻孔桩的存在会对桩周土体产生削弱效应， 而打入桩则相反。 m i n g - f a n gc h a n g ( 2 0 0 4 ) 通过现场单桩静载试验和室内桩周土体的湿度试验， 对钻孔桩的结构效应进行了分析，并指出桩周土体的应力和湿度的变化会对桩的 承载特性产生较大的影响，且随时间的增加，影响会逐渐减弱。 人们对桩基的研究主要是从单桩开始的，因此单桩沉降计算理论得到了不断 的发展。根据理论的出发点和基本假设不同，目前比较完善的单桩沉降计算方法 分为四大类：经验方法、弹性理论法、简化方法和数值分析方法。 桩基的理论分析需要考虑很多的影响因素，尤其是群桩，其研究结果很难应 用到实际工程中，因此，为了能较正确的反映桩基的特性，同时又能在实际中使 用，有必要采用简化分析方法。目前工程上常用的简化方法有荷载传递法和剪切 位移法。 荷载传递法是目前应用最广泛的简化分析方法，它将桩沿桩长方向离散成若 干单元，土体与桩之间的相互作用用弹簧来模拟，桩体每一点阻力仅与该点沉降 有关，而与同一根桩上的其它点的性状无关，同样与其它桩也没关系，也正因为 此，该法无法直接应用到群桩基础中。 浙江大学硕上学位论文泥皮性状对钻孔桩t 程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 从桩身取出一微单元体进行受力分析可得出如下方程： 掣d z 一去a 脚瑚 2 e 。” 式中：w p ( z ) 为桩体位移；“p ，4 ，e ，只分别为桩身截面周长、面积、截 面弹性模量和桩侧摩阻力。 k e z i d ( 1 9 5 7 ) 令桩侧摩阻力和位移的关系为指数关系，以此求解了刚性桩 的位移解，对于柔性桩则采用级数求解。 佐藤悟( 1 9 6 5 ) 则假设桩侧弹簧和桩底弹簧均为线性弹簧，由此求出了单桩 位移解。 罗惟德( 1 9 9 0 ) 提出了全深度和变深度弹簧约束的解，他的假设与佐藤悟的 相似，不同之处在于：前者考虑桩周土弹簧是理想弹塑性的，而后者把它看成是 线弹性的。这种事先假定的传递函数比较简单，可能与实际的传递函数形式有出 入，为此，c o y l e & r e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出了迭代求解的位移协调法，这使得复杂传 递函数的应用成为可能。我国的曹汉志提出了桩尖位移等值法，该法基本原理与 c o y l e 方法是一致的，仅仅是迭代方法和步骤有所不同而已。这两种方法可以很 方便的考虑土体的分层和非线性，因此应用比较广泛。但他们都需要知道荷载传 递函数。 由于桩型土质的不同，不同荷载状况下的荷载传递函数可能变化很大。因此 在不同的地质条件下采用不同的较复杂的传递函数可能会更好。 陈龙珠( 1 9 9 4 ) 假设桩侧桩端荷载传递函数为双折线硬化模型推导了均质地 基中单桩的荷载一沉降的解析表达式，随后朱金颖等将此结论应用到成层地基 中。 潘时声立足于工程实际提出根据实际工程的勘察报告提供的桩侧极限摩阻 力和桩端极限反力，采用双曲线函数模拟传递函数。 阳吉宝( 1 9 9 8 ) 改进了传统的荷载传递函数，采用迭代法考虑了由于桩侧摩 阻力向下传递而引起的桩端土体的压缩沉降。 陈明中( 2 0 0 0 ) 用三折线模型模拟桩侧荷载传递关系，考虑了土体强度随深 度增长的特性，推导了单桩荷载一沉降关系的解析解，并对成层地基中的单桩沉 降做了分析。 浙江大学硕十学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 荷载传递法通过假设桩一土之间的荷载传递函数来分析单桩荷载沉降特 性，该法计算简单，便于工程应用。但是他假设桩身每一点的沉降同其他点无关， 与其他桩也无关，这些都与桩的实际工作性状不符，也无法直接应用到群桩情况。 工程上简化分析的另一种方法是剪切位移法，该法认为桩侧剪应力向外传 播，引起土体的剪切变形，由于推导过程中采用了不少人为假设，因此该法基本 属于近似解析解。 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 曾运用简化方法分析桩体向周围土体传递荷载的过程，他假 设桩体周围剪应力与距桩体位移有关，离桩轴线距离越远剪应力就越小，具体公 式如下： f = c s 利用上式和弹性力学理论就可以得出距桩体轴线一定距离处的土体的沉降了。 c o o k e 还运用上述简化分析方法分析了伦敦软粘土中单桩和群桩的荷载传递和 沉降性状，结果与实测较吻合。 为将该法推广到可压缩土层，r a n d o l p h & w o r t h ( 1 9 7 8 ) 推导了基于c o o k e 假设的可压缩性的单桩沉降解析解，并推广到群桩。 k r a t l 等人( 1 9 8 1 ) 考虑了土体的非线性性状，将r a n d o l p h 单桩解推广至土 体非线性情况。c h o w 将k r a f t 的结论推广到群桩分析。 王启铜( 1 9 9 1 ) 将r a n d o l p h 单桩解从均质地基推广到成层地基，并考虑了 桩端扩大的情况。 目前对泥皮土的物理力学性质和应力一应变关系以及泥皮土与桩间土的工 程性状和力学性质的差异一直缺乏足够的研究，泥皮的存在对钻孑l 桩的受力性状 影响的深入研究也很少，考虑泥皮的单桩沉降的理论分析也还是空白，因此本文 从这几方面着手，进行了一些研究工作，对正确认识钻孔桩受力性状有着一定的 意义。 1 3 钻孑l 桩泥皮对桩承载力的危害性 桩周泥皮对单桩承载力的影响实际上就是对桩侧摩阻力的影响。所谓桩周泥 皮是指钻孔灌注桩在成桩过程中，由于地层条件、施工工艺、地下水等因素的影 响，在桩外表面与孔壁之间形成一层膏状的粘性土泥皮。桩周泥皮中粘土含量非 常高，在饱和状态下，塑性极好，静切力值很小，因而抗剪切能力差，在外力作 9 浙汀太学颤f 擘位论文 泥监性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 荷载传递法通过假设桩一土之问的荷载传递函数来分析单桩荷载u _ 沉降特 忖，该法计算简单，便于工程应用。但是他假设桩身每点的沉降同其他点无关， 与其他桩也无关，这些都与桩的实际工作性状不符，也无法直接应用到群桩情况。 工程上简化分析的另一种方法是剪切位移法，该法认为桩侧剪应力向外传 播，引起土体的剪切变形，由于推导过程中采用了不少人为假设，因此该法基本 属于近似解析解。 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 曾运用简化方法分析桩体向周围土体传递荷载的过程，他假 设桩体周围剪应力与距桩体位移有关，离桩轴线距离越远剪应力就越小，具体公 式如下： t = c s 利用上式和弹性力学理论就可以得出距桩体轴线一定距离处的土体的沉降了。 c o o k e 还运用上述简化分析方法分析了伦敦软粘土中单桩和群桩的荷载传递和 沉降性状，结果与实钡4 较吻合。 为将该法推广到可压缩土层，r a n d o l p h & w o r t h ( 1 9 7 8 ) 推导了基于c o o k e 假设的可压缩性的单桩沉降解析解，并推广到群桩。 k r a f t 等人( 1 9 8 1 ) 考虑了土体的非线性性状，将r a n d o l p h 单桩解推广至士 体非线性情况。c h o w 将轴埴的结论推广到群桩分析。 王启铜( 1 9 9 1 ) 将r a n d o l p h 单桩解从均质地基推广到成层地基，并考虑了 桩端扩大的情况。 目前对泥皮土的物理力学性质和应力一应变关系以及泥皮上与桩间上的工 程性状和_ f ：学性质的差异一直缺乏足够的研究，泥皮的存在对钻孔桩的受力性状 影响的深入研究也很少，考虑泥皮的单桩沉降的理论分析也还是空白，凼此本文 从这几方面着手，进行了一些研究工作，对正确认识钻孔桩受力性状有着一定的 意义。 1 3 钻孔桩泥皮对桩承载力的危害性 桩周泥皮对单桩承载力的影响实际上就是对桩侧摩阻力的影响。所谓桩周泥 皮是指钻孔灌注桩在成桩过程中，由于地层条件、旃工工艺、地下水等因素的影 响，在桩外表面与孔壁之间形成一层膏状的粘性土泥皮。桩周泥皮中桔十含量非 常高，在饱和状态下，塑性极好，静切力值很小，因而抗剪切能力差，在外力作 常高，在饱和状态下，塑性极好，静切力值很小，因而抗剪切能力差，在外力作 9 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广* 2 0 0 6 年2 月 用下极易产生塑性流动或滑动，即使在地下水位较深时，水位线以上部分的桩周 泥皮要固结成原状土状态，达到其力学性能也需要很长时间。故桩周泥皮对钻孔 灌注桩来说是有害的，它使桩与地基土之间的摩擦变成了桩外表面与泥皮之间的 摩擦。由于泥皮的力学性质差，并具有一定的润滑性( 若泥浆中加有处理剂，则 润滑性可能还会更好) 。当该层泥皮达到一定厚度时，就使桩的侧摩阻力大大降 低。因此，钻孔灌注桩对桩周泥皮厚度的要求理论上应是越小越好。 在钻孔灌注桩工程施工中，由于排渣清孔大多采用泥浆作冲洗介质，在桩周 形成泥皮是不可避免的。又由于桩外表面并非光滑而是较粗糙的，因而桩周泥皮 在一定的厚度以内对桩侧摩阻力的影响较小，桩的承载力基本可以反映实际情 况。当桩周泥皮厚度超过其临界值时，则对桩侧摩阻力的影响明显增大，桩的侧 摩阻力也就大大降低。 下面介绍了一个泥皮对钻孔桩承载力危害的工程实例。 工程实例( 弓i 自文献 9 ) ： 某工程地质情况如下： 素填土：灰黄色，稍密，稍湿，层厚0 3m ，q 。= 4 0k p a ； 淤泥：灰灰黑色，软塑，厚6 6m ，q 。= 2 5k p a ； 粘土：灰黄色灰白色，硬塑，厚2 3m ，g 。= 4 0k p a ； 中粗砂：灰黄色杂褐色，稍密，饱和，厚3 5m ，q 。= 6 0k p a ； 全风化花岗岩：灰黄色杂灰白色，原岩结构清晰，, 1 孽1 9 6m ，q 。= 8 0k p a ； 强风化花岗石：褐灰灰黄色，粗粒结构，块状构造，厚4 8m ，g 。= 1 2 0k p a ； 弱风化花岗岩：灰白色，裂隙发育，岩质较坚硬。 6 0 号试桩桩径1 2i r l ，桩长l = 3 7 6m ，设计极限承载力1 0 0 0 0k n ，荷载实 验曲线见图卜4 ，钢筋应力计测量各级荷载下侧摩阻力如图卜5 。据图表，实测 极限承载力4 6 0 0k n ，侧摩阻力4 4 1 8k n ，桩顶总沉降量5 8 0 7 5m i l l ，桩坚向位 移量5 5 3 2 2i i i l l l 。 5 5 号试桩桩径1 2m ，桩长l = 3 9 8m ，设计极限承载力1 0 0 0 0 k n ，荷载实验 曲线见图卜6 ，钢筋应力计测量各级荷载下侧摩阻力如图卜7 。据图表，实测极 1 0 浙江大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 限承载力1 0 0 0 0 k n ，侧摩阻力8 7 0 9 k n ，桩顶总沉降量5 1 5 7 2m m 。 0 1 0 g 2 0 美 蛙3 0 巨 辑4 0 5 0 6 0 o 5 1 0 目1 5 恺2 0 嫩 2 5 3 0 3 5 4 0 o 桩顶荷载k n 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 06 0 0 0 图卜46 0 # 桩单桩静荷载试验曲线 桩侧平均摩阻力f k p a 1 02 03 04 0 图1 - - 56 0 # 桩桩侧摩阻力分布图 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究 桩项荷载k n 0 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 0 图卜65 5 # 桩单桩静荷载试验曲线 桩侧平均摩阻力f k p a 2 04 06 08 01 0 0 图卜75 5 # 桩桩侧摩阻力分布图 桩身荷载传递机理是研究桩顶荷载如何通过侧摩阻力和端阻力传递至土中 的过程。当桩面受竖向荷载时，桩周土形成止滑土楔，反作用于桩，即为侧摩阻 力，桩周土强度越大，侧摩阻力越大，此时桩体产生竖向位移和竖向压缩，侧摩 阻力越大，单位侧摩阻力越大，桩身竖向压缩量也越大，而竖向位移量越小，随 压力增加并向下传递，当侧摩阻力和桩端阻力充分发挥时桩承载力达到极限。 基于荷载传递机理，6 0 号试桩受荷过程中，表现出侧摩阻力较理论计算值 小，致使其承载力偏低。当荷载很小时，应力计所测侧摩阻力基本不变，已达极 限，后面几层随荷载增加，较5 5 号桩侧摩阻力增加小( 见图卜4 和图卜5 ) ，达 o 0 m嵋加筇拈惦 0数媾臀辑 o 0 加 埔 踮 如 l 越翳 浙江大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 极限荷载时，桩身总压缩量2 7 5 3m m ，较5 5 号试桩极限荷载时总压缩量6 4 7 9m m 小，说明前者侧摩阻力小，不象后者压缩桩身，阻止桩身下滑。以静荷载试验曲 线分析，桩顶总沉降量5 8 0 7 5m m ，回弹量4 0 0 2m m ，残余变形5 5 3 2 2t u t t i ，端 承载力基本发挥，由于摩擦桩承载力主要由侧摩阻力决定。从图卜5 和图卜7 看，6 0 号试桩实测侧摩阻力较实际原状土桩周侧摩阻力小近二分之一，所以其 承载力亦小。 后经查明，6 0 号试桩在施工过程中，使用泥浆比重过大，造成泥皮过厚。开 挖验证；开挖3 0m 左右，孔壁泥皮厚度为5 c m 一6 c m 。由此可见，泥皮过厚极大地 影响了单桩承载力。 5 5 号试桩实侧极限承载力与设计值相符，说明施工正常。 由此可见，由于钻孔桩桩侧泥皮过厚而引起的桩承载力降低是很严重的，不 容忽视的，有必要对其进行深入的研究，来充分的认识钻孔桩受荷下的力学性状 和机理。 1 4 本文的研究思路和主要研究内容 对于钻孔桩泥浆护壁所引起的泥皮效应，前人从泥皮产生的原理，泥皮对桩 承载力的影响，以及减少泥皮的方法上都有所研究，但泥皮对桩的受力性状的影 响，大多局限于对个别工程实例的分析，没有针对泥皮存在对钻孔桩受力性状的 变化作详细和深入的研究，在泥皮土与桩间土的各种不同性状方面也少有研究， 对考虑泥皮的钻孔桩的沉降计算理论方法也还处于空白，基于此，本文主要进行 了以下一些工作。 1 、从理论和工程实例中对钻孔桩泥皮产生的机理，影响泥皮厚度的各种因 素，进行了总结和分析，在此基础上对泥皮对钻孔桩承载力的影响进行了研究。 2 、通过对杭州淤泥质土、粘性土以及砂质粉士中钻孔灌注桩桩侧泥皮土和桩 间土进行三轴不排水剪切试验及室内常规试验，研究了二者的物理力学性质以及 工程性状的差异，分析了桩侧泥皮土对钻孔灌注桩侧摩阻力和承载力的影响。通 过对掺入不同含量水泥浆的泥浆土的试验研究，分析了桩侧( 端) 注浆对改善泥 皮土物理力学性状的作用。 3 、对考虑泥皮的桩沉降理论计算方法进行了分析，在剪切位移法的基础上。 推导了考虑桩侧泥皮的土弹塑性模型的荷载沉降解析公式，在此基础上将公式推 浙江大学硕十学位论文 泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 广到成层地基，并通过工程实例进行了验证。 4 、在室内试验的基础j 二，通过有限，i 程序模拟钻孔桩桩侧存在泥皮土的情 况，研究了不同桩长和不同泥皮厚度以及不同泥皮性状的情况下，桩侧泥皮土对 钻孔桩桩土位移场应力场以及荷载位移曲线，桩的极限侧摩阻力等的变化情况的 影响，分析了考虑泥皮性状的钻孔桩承载力变化规律。 浙江大学硕士学位论文泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究张广兴2 0 0 6 年2 月 第二章钻孔桩泥皮力学性状试验研究 为了了解钻孔灌注桩桩侧泥皮土和桩间土物理力学性状的差异，本章对杭州 地区的淤泥质土、粘性土和砂质粉土中的泥皮和桩间土采用薄壁取土筒进行现场 采样，并通过室内物理力学试验和三轴试验对其物理力学性状的差异进行了对比 分析，最后对注入不同百分比水泥浆的泥浆土也进行了室内试验，以研究注浆对 泥浆土物理力学性状的影响。 2 1 钻孔桩泥浆护壁的机理 2 1 1 护壁泥浆的主要技术指标 孔壁的防护在钻孔桩成孔过程中起着至关重要的作用，其是孑l 位处于地质不 良地带和大直径钻孔桩( 含空心桩) 成孑l 情况下必须采取的技术措施。 护壁泥浆按用途分为单纯护壁泥浆和护壁兼悬浮钻渣泥浆；按原材料分为粘 土泥浆和膨润土泥浆；按是否添加外掺剂分为掺外加剂型和不掺外加剂型两种。 护壁泥浆一般由水，粘土( 或膨润土) 和添加剂组成，比重大于水的比重，故 护筒内同样高的水头，泥浆的静水压力比水大。由于静水压力的作用，泥浆可在 孔壁形成一层泥皮，阻止孔内外的渗流，保护孔壁不致坍塌；同时借助于泥浆的 大比重，用以悬浮钻渣，有利于钻孔作业。 泥浆的主要技术指标包括：相对密度、粘度、静切力、含砂率、胶体率、失 水率、酸碱度、稳定性等。 相对密度：泥浆的相对密度是泥浆与4 。c 时同体积水的质量之比，用p 、表示。 相对密度增大时，孔内水压力相应增大，孑l 壁稳定，浮渣能力增大。但是，相对 密度过大的泥浆，其失水量亦大，孔壁泥皮增厚，增加泥浆消耗，加大钻具磨损， 加大清孔、灌注砼的难度，降低钻进速度，特别对正、反循环回转钻进和钻进速 度影响更为明显。 粘度：粘度是液体或混合液体运动时，各分子或颗粒之间产生的内摩擦力， 用”表示。粘度大的泥浆产生的孔壁泥皮厚，孔壁稳定，浮渣能力强，对正循环 回转钻进有利，但易“粘钻”，影响钻进速度，增加泥浆净化难度。 静切力：静切力是静止的泥浆受外力开始流动所需的最小的力，用0 表示。 泥浆静切力要适当，太大则泥浆相对密度过大，钻进速度降低，钻渣不易沉淀， 太小则悬浮携渣效果不好，钻渣易回沉。 浙江大学硕士学位论文 泥皮性状对钻孔桃工程特性的影响研究 张广兴2 0 0 6 年2 月 含砂率：含砂率是泥浆内所含的砂和粘土颗粒的体积百分比。泥浆含砂率大 时，会降低粘度，增加沉淀，容易磨损泥浆泵和水管摇头，钻锥等机具；停钻时 易造成埋钻、卡钻事故。 胶体率：胶体率是泥浆静止后，其中呈悬浮状态的粘土颗粒与水分离的程度， 以百分比表示。胶体率高的泥浆，粘土颗粒不易沉淀，悬浮钻渣的能力高，否则 反之。 失水率：失水率是泥浆在钻孔内受内外水头压力差的作用在一定时间内渗人 地层的水量，以m l 3