（岩土工程专业论文）预应力管桩及挤土效应的研究.pdf

预应力管桩及挤土效应的研究 内容摘要 预应力混凝土管桩由于诸多的优点而在软1 1 山愿城订建设嘻，获得f i 益广泛 的应用。然而，预应力管桩的施工过程中所产生的挤 ：效应会对周围的丁程环境 造成相当严重的影响。学者们已从多方面对软1 ：地罐 1 预应力管桩的挤土效应问 题进行了探索。从前人的探索中可以看到，这个问题涉及到多方面的理论，是非 常复杂的。) 本文从预应力混凝土管桩的工艺入手，首先刈预应力混凝土管桩制造过程中 的材料和专用设备进行了介绍，并且对各个工艺过w 时预应力混凝土管桩的成i i 的影响做了详尽的介绍。 其次，在前人工作的基础上，根据土型性力学的j 止水琢础，似定j ：体为均质、 各向同性的理想弹塑性体，引入了土性参数剪胀们，采用摩尔一库仑屈服函数和 不相适应的流动法则获得了考虑土体剪胀性的球) 1 ：- 5 3 “张n 根的解析解，包括球肜 空穴扩张后周围范围的大小、空穴扩张总体积变化，并得出了些规律性的结沦。 再次，基于连续介质力学有限单元理论，尝试采用点和匝接触的物质理想模 型模拟软土地基中桩土的互相作用，通过二二维弹蚋性有限单元模拟桩的压入过 程，分析了单桩周围土体的位移。最后结合工程。峡测资料，对群桩施_ ：时的挤l ： 效应进行分析比较，计算结果与试验结果基本吻合，较好地模拟了压桩过程中桩 周土体位移场地真实变化规律。 最后，作为预应力混凝土管桩压桩过程中挤：f ：效应研究地一部分，分析了工 程中压桩过程对周围环境产生的不良影响，并提出了一些适合的预防或减缓挤土 效应对周围环境影响的措施。 关键词：预应力混凝土管桩j 工轰 球形空扩张：软粘土，有限单元 第1 负 r e s e a r c h d r i v i n g e f f e c to np r e t e s i o n e d s p u n s t r e g t h c o n c r e t ep i l e s a b s t r a c t p cp i l l i n gi sn o wu s e di nt h ec i t i e si nw h i c hs o f tc l a yf o u n d a t i o ni sc o m m o n b e c a u s eo fi t sv a r i o u sa d v a n t a g e s h o w e v e r ，p cp i l l i n gi ns o f tc l a yt o u n d a t i o na l s o h a si t so w nd i s a d v a n t a g e s t h e p r o m i n e n tp r o b l e mi s t h a t d u r i n g t h e d u r i n gt h e p e n e t r a t i o no ft h ep i l ei n t os o i l so b v i o u sc o m p a c t i n ge f f e c t i ns o i l sa r o u n dt h ep i l e t a k e sp l a c ea n dt h i sa f f e c t st h ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n ts e ! i o u s l y m a n yr e s e a l l c h e l s s t u d i e dt h e p r o b l e m f r o m t h e i rr e s e a r c hi ti sf o u n dt h a tt h e p r o b l e m i s v e r y c o m p l i c a t e db e c a u s e i ti n v o l v e si nm u l t i p l eb a s i ct h e o j l i e s f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h e a u t h o ri n t r o d u c et h ep r o c e s so fp co rp h cm a n u f a c t u r e a n dd e s c r i b em a t e r i a la n d e q u i p m e n t s e c o n d l y ，s o i li s a s s u m e dt ob eah o m o g e n e o u s i s o t r o p i ca n de l a s t i c - p e r f e c t l y p l a s t i cm a t e r i a l ，a n dad i l a t i o n a la n g l ei su s e dt oc o n s i d e rs o i ld i l a t a n c y b yu s i n gt h e p r i n c i p l eo ft h ee l a s t o p l a s t i ct h e o r y , t h ea n a l y t i c a l s o l u t i o no ft h es p h e r i c a lc a v i t y e x p a n s i o ni n c l u d i n gt h e t o t a lv o l u m e t r i c i n c r e a s e ，p l a s t i c a n de l a s t i cv o l u m e t r i c i n c r e a s ea n ds e v e r a lc o n c l u s i o n sw a so b t a i n e d t h i r d l y , o nt h eb a s i s o ft h e t h e o r y o ff i n i t ed e f o r m a t i o no fm e c h a n i c so f c o n t i n u e s ，t h ea u t h o rh a st r i e dt oa d o p tt h ep h y s i c a lm o d e lo fn o d e sc o n t a c t i n gw i t h p l a n et os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no fp i l e sa n ds o i l s t i l ep r o c e s so fd r i v i n gp i l ei s s i m u l a t e d b ye l a s t o p l a s t i cp r o g r a m c a l c u l a t i o n r e s u l t sa r e r e p o r t e d o ft h e d i s p l a c e m e t t h e c a l c u l a t e da r e c o m p a r e d w i t hi n s i t um e a s u r e m e n ta n ds o m e c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d f i n a l l y ，a sp a r to f r e s e a r c hw o r k ，t h ea u t h o rh a sa n a l y s e dt h es e r i o u sd a m a g e s t h e nt h ea u t h o rh a sp u tf o r w a r ds o m ee f f e c t i v el n c a s t l r c st op r e v e n t0 1 。r e d u c et h e d a m a g e s t ot h ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n ti nt h e v i c i n i t y k e yw o r d s ：p r e t e s i o n e ds p u ns t r e g t hc o n c r e t ep i l e s c r a f t s p h e r i cc a v i t y e x p a n s i o nc l a y t h e t h e o r yo f f i n i t ed e f o r m a t i o n 第2 页 型塑型苎望翌量坠堂垡望皇 丝二皇堑堡 ! 塑! ! ：! ! 旦 1 1 问题的提出 第一章绪论 桩基础是软土地区常用的基础形式。当天然地瓞上的浅基础沉降量过火或地 基稳定性不能满足建筑物的要求时，常采用桩基础。桩基础主要功能是将上部结 构的荷载传至地下较深处的密实土层，以满足承载力和沉降的要求。因而桩基础 具有承载力高、沉降量较小而且均匀等特点，能承受垂直荷载、水平荷载、上拔 力及动力作用等。 刚性桩基础过去常见的有沉管灌注桩、钻孔灌注桩和预制方桩等，随着生产 力的发展和科学技术的进步，桩的类型和性能也得到了进一步发展，特别是近年 来预应力管桩在城市建设中越来越得到广泛应用。 我国应用预应力管桩最早的地区应推台湾省，大约是在6 0 年代开始被应用 的，那时主要应用于铁路工程和桥梁工程中，大规模应用是在8 0 年代。预应力 混凝土管桩在我国应用的历史已有三十年了，但真j f 得到迅速发展的还是近十年 的事情。到1 9 9 7 年年底，我国大陆生产管桩的厂家有7 0 一8 0 家，主要分布在广 东和华东地区。该产品按照国标g b l 3 4 7 6 - - 9 2 ( 先张法预应力混凝土管桩) 设计 制造。是我国目前各种预制方桩理想的更新换代产品，受到越来越多设计人员的 欢迎。 预应力管桩桩节由圆筒形的预应力混凝土桩身和两端的钢端板及钢板圈组 成，它是预应力技术与离，心制管技术结合的产物。列+ 混凝土桩施加预应力一般分 先张法和后张法。先张法为先将钢筋张拉开，再在其周围浇上混凝土，浇完桩身 混凝土以后，经过离心机制作，混凝土中的水分由于离心力的作用被甩出去，形 成致密度极其高的高强度混凝土桩。如果再用高压釜进行高压蒸养，则可以生产 出超高强预应力管桩( p h c 桩) ，这种桩混凝土强度等级高达c 8 0 ，待混凝土硬 化以后，松开钢筋张拉装置，使预应力作用在混凝土桩身上，后张法为预先在桩 身上留一条细长孔道，在混凝土硬化以后，i l 内穿入预应力钢筋进行张拉，并将 其用锚具锚固在桩身端部，然后向穿入预应力钢筋的孔道高压灌注水泥浆。一般 情况下，高强预应力混凝土管桩可以避免在搬运操作中或在打桩过程中桩身出现 第6 页 逝江人萝串请硕卜学位论文第幸绪论 裂缝，并且具有较好的贯入性及抗冲击疲劳性，尤其能很好地适应软土地区超长 桩的沉桩要求。 预应力管桩具有良好的抗裂性、抗冲击疲劳r i ：及贯入性以外，其造价也很经 济，一般为钢管桩的2 0 - - - 3 0 。但略比沉管灌注枷贵一一些，可是桩身质量能保证。 管桩桩节由圆筒体的预应力混凝土桩身和两端的钢端板及谣板( 钢套箍) 组 成。桩节长一般为4 1 3 米不等。有高压蒸养釜的厂家，生产p h c 桩( 桩身混 凝土强度等级达c 8 0 ) ，一般厂家生产p c 桩，管j j 1 接驳采用端头板电焊焊接法， 桩尖用封口十字刃钢桩尖。 袭1 ：p h c 管桩力学性能 外径型式壁厚砼有效预轴心受压抗裂弯矩极限弯矩 ( m l t l )( n l m )压应力极限值k n mk n i t i m p a k n 薄壁 5 54 1 52 3 2 54 16 3 4 0 0a 9 54 1 43 5 6 65 98 1 b9 57 4 33 4 8 68 01 4 5 薄壁 6 03 4 13 2 5 06 89 l 5 0 0a1 0 04 3 24 9 1 91 0 91 5 l 一一一、 b1 0 08 2 74 7 8 81 5 62 9 2 薄壁 7 03 0 44 5 8 8“l1 3 7 6 0 0a1 1 03 8 26 6 4 71 7 22 2 3 b1 3 07 4 37 3 5 02 6 04 7 1 管桩有如下优点：单桩承载力高，单位承载力价格便宜；设计选用范围 广，容易布桩；对桩端持力层起伏变化的地质条件适用性强；运输吊装方便； 施工前期准备时间短；施工速度快，工期短；施工现场简洁；桩身耐扣， 穿透能力强：成桩质量监测方便。 管桩应用也有其缺点和局限性，当基坑较深( 如有几层地下室时) ，由于送 桩长度的限制，在开挖后截去的余桩较多。在某些工程地质条件下也不宜应用预 应力管桩：孤石和障碍多的地层；有坚硬隔层的地区；石灰岩地区；从 第7 页 塑塑型兰塑! 坠堂竺鲨苎 篁= 兰堑堡；! ! ! ! ：! ! ! 软塑层突变到特别坚硬层地区。 管桩目前遇到的两大问题是：土塞效应问题和挤：e 效应问题。而且对这两大 工程急需解决问题的理论研究落后工程应用，这就是本论文选题研究的由来。管 桩的挤土问题主要包括以下几个方面： ( ) 打桩引起的土中应力和孔隙水压力的变化、土体性状的改变，及打桩挤 土对高灵敏土的结构的破坏。 ( 二) 打桩引起的土体垂直隆起和水平位移。 ( 三) 现打入土中的桩对相邻的已打入土中的桩产生挤压，使桩顶偏位，桩身 挠曲，向上浮起。 ( 四) 打桩对邻近建筑物的不利影响。 ( 五) 打桩对边坡稳定性的不利影响。 ( 六) 打入管桩对周围正在打的钻孔灌注桩桩身挤土破坏。 ( 七) 打桩对深基坑开挖的不利影响。 ( 八) 对隧道的不利影响。 以上这一系列的问题涉及到环保、力学及土力学等多方面的知识，学术界已 将之归属于环境土工学。沉桩对周围环境的不利影响是众所周知的，但由于环境 土工学刚刚起步，仍缺乏完整成熟的计算方法，同时由于实践中的疏忽或经验不 足，造成的工程事故屡见不止。 实际上，打桩和静力压桩过程中的挤土效应问题是研究较早的课题，许多岩 土工程技术人员对此进行了研究。以前的研究在探索打桩过程中桩周土体中的应 力状态的变化规律、土体强度的变化规律方面，尤其在桩的承载力的估算以及承 载力随时间的变化规律方面进行了较多的研究，如桩土间的接触、滑移和摩擦效 应，桩尖土体的压密和开裂，其中包含几何大变形、材料非线性及接触面非线性 等一系列复杂的问题，有关这方面的文献也较多。近年来，国内外的研究者对静 力压桩的挤土效应及其对周围环境的影响规律进行了较多的研究但还没有获得 令人满意的结果。以前的研究工作主要是从现场实验观测和理论分析两个方面展 开的。最初的研究工作大约始于五十年代，由于当时的计算手段、计算方法以及 人们对这一问题的认识水平等因素的限制，早期的研究工作主要是对压桩过程的 进行现场量测，从大量的实测资料中总结规律，以及在此基础上提出一些经验公 第8 页 羔墅三查兰旦旦堕生兰兰焦堡塞 丝= 翌堑! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 式等。大约在七十年代，开始有人对这一问题进行理沦探索，主要的分析方法包 括圆孔扩张法、应力路径法、有限单元法。 1 2 前人研究的成果 1 2 1 研究现状 打桩过程中，一般持续时问较短，对周围土休1 们苦基本是个不排水受挤过 程，土体将发生垂直隆起和水平位移；当桩周土为饱和软土时，将产生相当高的 孔隙水压力，土中的有效应力大幅度降低；沉桩结束后，孔隙水压力随着时蚓逐 渐消散，即所谓再固结过程，再固结使土体有效、t 力增长，桩例土面下沉，土体 强度恢复，这时桩侧摩阻力减少( 甚至有时会出现负摩阻力) ，桩尖端阻力却随 之增长。有关文献。将粘土中打桩的挤土效应分为以f 四个方面： 1 桩周土完全重塑或土体结构的部分改变； 2 桩周土的位移及应力状态的改变； 3 桩周土体中超孔隙水压力的产生及其消敞： 4 土体强度的长期恢复。 土体的位移性状随着土性的不同而不同。如灵敏粘土在打桩过程中产生了软 化，从桩两侧挤出地表，因而土体隆起较大；而非灵敏粘土如硬粘土、细砂和粗 圄1 一lt e r z a g h i 位移模式圈l 一2m e y e r h o f 位移模式 砂等土层，则其隆起量要小得多。 桩在压入不同土层深度时，其位移模式也不相同的。对于粘性土层，当桩进 入较浅土层时，由图卜1t e r z a g h i 。所提出的桩刷j 二位移模式可看出，桩尖以下 第9 负 浙江人学申请硕：忙学位论文 笫章绪论 土体的破坏面直延伸至地表，从桩侧呈 楔形破坏挤出；当桩进入较深土层时，从 图卜2m e y e r h o 产所提出的桩周土破坏模 式中看出，桩尖土体呈李形破坏，近地表 处的土体隆起要比深部的土体隆起大。当 桩尖刺入不可压缩介质中时，土体可能按 图1 3 的模式移动，此模式类似于球形孔 的扩张。m a s s a r c h ( 1 9 7 4 ) 。对打入硬的、 密实的粘土中的模型桩周围的土体变形机 理作了描述，由于粘聚力的作用，其运动集 中在垂直面上向下位移，然后从桩两侧挤 出，近地表的土体主要向上隆起，随着桩的 深入，其位移模式逐渐变化，运动主要沿径 向发展，类似于一柱状孔的扩张如图l 4 。 t o m li s o b ( 1 9 7 0 ) 。认为这个变形机理与现场 开挖观察到的结果一致，以下的圆孔扩张理 论正是建立在此基础上的。 1 2 2 圆孔扩张理论 i 坚硬底板 i 幽i 3z e e v a r e r t 位移模 幽卜4m a s s r a s c h 位移模式 圆孔扩张法是一个曾经被广泛用于分析沉桩效应的方法。这个方法最初被用 于金属加工方面( b i s h o ph i l l & m o t t1 9 4 5 ；h i l l1 9 4 5 ) ，后来( g i b s o n a n d e r s o n t 9 6 1 ) 被推广用于岩土工程中的压力测试分析、深基础的承载力分析以及由于沉 桩而产生的土体扰动分析( b a g u e ，1 9 7 2 ；v e s i c ，1 9 7 2 ；c a r t e r ，1 9 7 8 ) 。 r a n d o l p h ( 1 9 7 9 ) 首次用圆柱孔扩张方法模拟沉桩过程，求出了沉桩后桩周土体中 的有效应力和孔隙水压力。c a r t e r ( 1 9 7 9 ) 也进行了类似的分析。 1 9 5 0 年，h i l l 首先提出球形孔扩张理论，并得到t r e s c a 材料中压力一扩张 关系的通解，c h a d w i c k ( 1 9 5 9 ) 得到服从相关联的m o h r - - c o u l o m b 流动法则弹塑 性球形孔扩张解，v e s i c ( 1 9 7 2 ) 把这一理论推广到可压缩材料，他通过假定各 点处的体应变为某一限值来分析，得到了极限压力的近似解，并应用于深基础承 载力的估算。c a r t e re ta l ( 1 9 8 6 ) 剥不相关联的服从m o h r - - c o u t o m b 流动法则 第1 0 页 划h 淤魍 塑堕塑堕堕主兰垡堡苎苎二望堕堡 ! ! ! ! 兰! ! 塑 材料求得球形孔扩张解。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 应用球形孔扩张理论来模拟沉桩过程，得到了地面的垂直 隆起。该文分为三步： ( 1 ) 利用不可压缩无限介质中圆形孔( 或球形孔) 扩张解，求得介质 中位移场( 忽略表面处的自由条件) ： ( 2 ) 由于地表处存在应力，违背了应力自由条件，可以采用下述两种 方法之一来解决：以地表作为镜面，映射一个负的虚拟点源，作 相同的扩张，在地表产生负的正应力和币的剪应力；以地表作为 镜面，映射一个正的虚拟点源，作相同的扩张，在地表产生正的 正应力和负的剪应力： ( 3 ) 残留的应力采用相反的应力。 三步迭加，得到地表下i l 扩张的真实解。 后来v e s i c 在文献利用弹塑性力学求解问题，剥所作圆孔扩张问题的一般假 定如下。初始状态： ( 1 ) 土体处于均一应力状态； ( 2 ) 土体为均匀，各向同性的理想弹塑性材料： ( 3 ) 土体内存在一个半径为r 的圆孔； ( 4 ) 土体满足b l o r e - 二c o u l o m b 强度准则。 加荷方式和性状：内扩张压在扩张过程中保持不变；圆孔周围一定范围的土 体进入塑性状态；某一特定扩张压下，圆孔有一定的扩张半径r 。和塑性区边界半 径r 。，在r 。范围之外，土体仍处于弹性状态。 解决问题时，忽略地表与桩尖的影响，简化成轴对称平面应变问题，把桩沉 入土中看作土中扩张出一个与桩径相同的圆柱形4 , - i t ，扩张过程中，内应力不断 增大，直到扩张完成形成塑性区与弹性区。然后利用力学平衡方程和假定的土体 本构关系，进行总应力分析，求出塑性区和弹性区的应力增量、孔隙水压力增量 等等。 国内的胡中雄等人将饱和软土中的打入桩挤二匕过程看成无限土体内柱孔的 不排水扩张，而桩尖处看成球状孔的扩张。假定饱和软土不可压缩( = 0 5 ) ， 根据静力极限平衡及m o h r - c o u o m b 准则，导出了径向、竖向总应力和孔隙水压 第1 i 页 塑坚兰塑堕堡主兰垡堡壅篁二皇笪堡 ! 竺! 堡! ! 旦 力的表达式，其结果与实测结果较为符合。 1 2 3 有限单元理论 y u h o u l s b y ( 1 9 9 0 ) 指出，如果要考虑土体的大变形、二匕体的压缩性、塑性 变形、需要用有限元方法求解。事实上，采用较复杂的土体本构关系和边界条件 时，求解析解或近似解是比较困难的。在采用有限元方法分析静力沉桩方面的研 究集中体现在c h o p r a m b d a r g u s h g g ( 1 9 9 2 ) 和m a b s o u tm e t a s o u l a st i 。 的工作上。 c h o p r a 指出用经典有限单元法分析荷载作用下的二l 的行为时，假定土体中 只产生小变形，这对于大圆柱形物体贯入土中的问题是不适当的。这时桩周土体 的变形不再是小变形了，该区域内的应变也不再与位移梯度成线性关系，必须考 虑构形的变化修改平衡方程，同时，还要考虑土体的塑性变形。c h o p r a 采用有 限单元法分析了沉桩过程，将上看成两相的、临界状态的弹塑性材料，并且用修 正的拉格朗日方法描述在桩的贯入过程中桩周土体中发生的大增量的塑性变形 和有限旋转，沉桩过程被模拟成桩尖土的逐渐劈裂过程。土体的应力应变关系服 从修正的剑桥模型，土中水的流动服从达西定律，最后采用有效应力原理求出沉 桩瞬时和固结后的孔隙水压力场和有效应力场。c h o p r a 还比较了桩周土体中孝h 细不同的两种网格划分对计算结果的影响，但没订计算出位移场。c h o p r a 采用 的模拟沉桩过程的方法比较简单，容易在程序上实现。其不足之处在于没有考虑 桩与土之间可能发生的滑动。此外，c h o p r a 对桩头锥面上土颗粒的运动方向的 确定也是不合理的。 m a b s o u t ( 1 9 9 4 ) 对用有限单元法分析研究打桩问题的可行性进行了详细的分 析。问题的描述如下：一个圆截面混凝土桩被打入不排水粘土之中，混凝土桩的 直径d p = 0 5 0 m ，桩长l = 2 0 m ，桩头形状为抛物面，桩身和桩头的连接处光滑过 渡。分析过程中，对土采用了k a l i a k i n d a f a l i a s ( 1 9 8 9 ) 提出的边界模型，对 桩采用线弹性模型，桩土边界采用了h a l l q u i s te t a 1 ( 1 9 8 5 ) 和s c h w e re t a 1 ( 1 9 8 8 ) 描述的滑动面算法，用一个周期函数表示锤对桩的作用。桩入土的过 程用模擦接触滑移线算法( af i c t i o n a lc o n t a c l k ljd eji n ea j g o t i t h i n ) 模拟。 分析过程中考虑了大变形，用修正的拉格朗日方法描述。这项工作的研究者的最 初意图是模拟桩入土的整个过程。然而，由于完成整个桩入土过程分析的计算时 第1 2 页 堂堂拦里堕堡兰兰垡堡苎塑二皇堑笙 ! ! ! ! 堡! ! 旦 间相当长( 在c r a y y 制p 8 8 6 4 机上计算时，计钟- - 次锤击效果所花费的机时依 据桩入土中深度的不同在4 - 1 6 小时之间) 。因此，研究者后来改变了研究计划， 决定预先钻一组不同深度的孔，再把桩放入不同深度的孔中。这样可以对已放入 不同深度的孔中的桩进行锤击效果的研究，计算出每次锤击与桩的入土深度之问 的关系。m a b s o u t 采用的滑动面算法是由接触准则或变分不等式建立起数学模型 并通过二次规化或惩罚算方法来求出解答的。这种方法允许土与桩之间的相列滑 动，当在桩土接触面上有拉应力时，容许桩土相互分离。用这种方法模拟桩的入 土过程能够模拟出桩土界面的相互作用，但该算法花费机时太多。这项工作的研 究者自己认为，这种方法是进行理论研究的强有力的工具，但不宜应用于实际工 程。m a b s o u t ( 1 9 9 5 ) 还对打桩问题进行了定量分析。研究的方法是在不同深度的 孔中放入桩，然后进行锤击。每桩只锤击一次，计算二i 二对桩的阻力以及阻力沿桩 身和桩尖的分布。追踪土中应力状态的变化过程和土体中的孔隙水压的变化舰 律，还探索土体的强度对打桩的影响，比较了计算结果对不同的有限单元网格划 分的灵敏性。 ， 鲁祖统( 1 9 9 8 ) 。对静力压桩问题进行了初步的探索，他参照c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 所采用的方法也对静压桩挤土效应进行了数值模拟尝试。 陈文( 1 9 9 9 ) o 用离心模型试验对压桩问题进行了有意义的研究，对压桩时的 土体位移和超孔压进行了测量。他还采用d e s a i 接触面单元和基于圆孔扩张理论 的空间轴对称有限元对静压桩过程进行了模拟。 1 2 4 应变路径法 经过多年的研究，麻省理工学院m o h s e nm b a l i g h 等总结出一种主要用于 分析深基础问题的方法一应变路径法( b a l i g h ，1 9 8 5 ) 。这个方法基于这样的假设， 即在沉桩过程中不必考虑土的本构关系就可以比较准确地确定土体的位移场，这 就使问题的求解过程大大地简化了。具体说来，这种方法利用一个点源和一个均 匀的竖直方向的流场相结合，模拟出一个光滑的、圆头桩的沉入过程，得到了准 确的、表达式简洁、且独立于本构关系的位移场。 应变路径法被b a l i g h 等人( 1 9 8 5 ) 提出之后，多次被用来分析与深基坑的有 关的问题，这个方法至今仍然有生命力。t i t i ( 1 9 9 7 ) 对饱和软粘土中的承载力随 时间增加的问题进行了分析。在分析的过程中用应变路径法模拟沉桩过程，用 第1 3 页 羔坚生鉴兰旦堂受生竺兰垡堡兰 丝二童丝笙 ! ! ! ! 竺! ! 旦 h i s s 模型( h i e r a r c h i c a ls i n g l es u r f a c em o d e l ) 表征桩二e 界面处土的行为，采 用非线性多孔介质的有限单元方法模拟沉桩后固结过程和桩的承载力试验。最后 得到的数值与实测结果吻合得相当好。然而，应变路径法忽略了土单元的旋转， 也忽略了基础表面的效应，用这种方法不能求出压桩时土体在垂直方向的隆起 量。 1 2 5 原位试验研究综述 t e r z a g h i ( 1 9 4 2 ) 。曾报道将2 1 米长的木桩打入软粘土中，每锤一击，相邻的 桩会升起1 0 一】5 c m ，这即是沉桩引起的上覆土层隆起的问题。h a g e r t y 和 p e e k ( 1 9 7 1 年) 。通过调查1 3 个涉及到土体位移和桩身位移的工程实例，对土体 位移和地表隆起着了分析研究，其结论如下： ( 1 ) 打桩过程中，灵敏粘性土的体积压缩导致了所排土体体积的减少。而对 于饱和的、非灵敏粘性土，在打桩过程中，其不可压缩性使得所排土体的体积就 等于打入桩的体积，因而地表隆起要比前者大得多。 ( 2 ) 打桩顺序和基础尺寸对地表隆起也有影响，当打桩顺序是从桩基周边向 中间包围时，桩基中问的地表隆起要比按从桩基一端打到另一端顺序的地表隆起 大。 ( 3 ) 给定饱和的、非灵敏的粘性土，以及有规则的打桩顺序和水平地表的假 设，则基础范围内的地表隆起可按下列过程估算：先将打入桩的桩身体积v ，除以 桩基所包围的土体体积v 。得到体积置换比；土体隆起的归一化( 等于土体隆起h ， 除以桩身长度上) 按经验估算，对于常用的型号和尺寸及基础布局，归一化的土 体隆起近似等于在体积置换比的一半；归一化的土体隆起与桩的平均长度的乘 积，便是土体隆起的估算值。 c o o k e 和p r i c e ( 1 9 7 3 年) 。对静压桩沉入伦敦粘土中的模型桩进行了现场观 测。桩体不同高度处安装了4 个拉压应力传感器，利用水平埋设的测斜管测景不 同深度土体的竖向位移，利用径向埋设的探头及位移传感器，测量靠近地表和桩 体最终位置中间深度处的土体位移。得出以下结论： ( 1 ) 当桩尖距观察水平面以上2 倍桩径处时，土体主要发生向下运动； ( 2 ) 离桩2 倍桩径处，地表隆起较大，在超过十倍桩径的距离处，仍能测到 隆起现象； 第1 4 页 浙江大学申请硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 由于打桩的影响，离桩一倍桩径范围内的土体被完全地扰动了。 m a r s s a c h ( 1 9 7 6 年) 通过对真实桩沉桩过程中单桩周围土体的观察，得出以 下结论：距桩身处的土体主要向下运动，然后从桩两侧挤出，近地表的土体主要 发生向上运动，而深层土体主要发生水平向的运动。故在沉桩中，桩尖处土的变 形类似一个球形孔的扩张，而在除桩尖和地表附近以外的绝大部分桩身周围，土 的变形有似于圆柱形孔的扩张。 国内的专家学者对该课题也有大量的研究。一卜海工业建筑设计院与南京水利 科学研究所于1 9 7 5 年对上海二区散粮筒仓工程的群桩基础进行了原位观测，并 作了定性分析。 浙江大学张忠苗教授。等在杭州对预应力混凝土管桩的应用效果进行了统 计，分类等工作。 浙江樊良本( 1 9 8 7 ) “在杭州某教学大楼桩施工阶段，对孔隙水压力分布进行 了观测，发现孔隙水压力在打桩过程中起伏变化的过程。 另外，上海工业建筑设计院从噪音、振动、挤土三方面并结合危害实例论述 了沉桩对周围环境的影响。 1 3 本文所作的主要工作 本论文要从实际工程实例出发，并结合理论，综述预应力混凝土管桩在实际 中遇到的关于挤土对周围环境的影响。研究了饱和粘土地基中预应力管桩压桩问 题，主要的工作有： ( 1 ) 从基本知识入手，总结了管桩的一些基础知识，并与其他桩作比较。论述 了前人研究桩周土中的位移、应力、孔隙水压力消散情况等理论，并提出 了本文所要研究的工作。 ( 2 ) 论述了预应力混凝土管桩的生产制造过程，对预应力混凝土管桩的生产原 料作了一一论述，并对其在制造过程中的影响作了详尽的介绍。 ( 3 ) 基于球形空穴扩张理论，将沉桩挤土过程简化成轴对称平面应变问题，把 桩沉入土中看作土中扩张出一个与桩径相同的圆柱形小孔，扩张过程中， 内应力不断增大，直到扩张完成形成塑性区与弹性区。然后利用力学平衡 方程和假定的土体本构关系，进行总应力分析，求出塑性区和弹性区的应 第1 5 页 浙江大学申请硕士学位论文第一章绪论 力增量、孔隙水压力增量及位移量并且运用得到的公式模拟计算了凝聚 力、内摩擦角、剪胀角和弹性模量对极限爪 、塑性压力、塑性区平均体 积应变和塑性区范围的影响。 基于连续介质力学有限变形理论，首次尝试采用点和面接触的物理模型模 拟软土地基中静力压桩过程中桩土的相互作用，用拉格朗日乘子法引入桩 土之间的约束条件，对桩体和土体作为一个整体的系统势能进行修f ，然 后用约束变分原理建立适合静力压桩挤土效应问题的控制方程。 结合球形空穴扩张理论和有限单元方法模拟土体的位移，将土体视为弹塑 性物质，根据特定的工程实例中的土层物理力学性质参数，对其位移场进 行程序分析和演算，结合工程实例资料进行对比。 本文在以上工作的基础上提出进一步开展本领以内工作的建议。 第1 6 页 ) ) ) 旦曼! ：! 量堕堡主鲎垡堡兰 丝三童塑窒垄塑竖篁堡塑! ! ! ! 生! ! 旦 2 1 概述 第二章预应力混凝土管桩的工艺 预应力管桩是重要的桩基材料，也是重要的水泥制品。预应力混凝土桩基j ： 程和一般基础工程相比，具有桩材质量好、施工快、工程地质适应性强、场地文 明等优点，被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工程上，如高层建筑、公共 建筑一般工业与民用建筑、港口、码头、高速公路、桥梁、重型机床、仓库、护 岸等领域。 日本、美国、加拿大、意大利、英国、荷兰、德国、新西兰、俄罗斯是研究、 生产、使用混凝土管桩较多的国家。8 0 年代末起，发展中国家，如中国、马来 西亚、菲律宾对预应力混凝土管桩的生产应用也普及起来，而且起步较高。总的 来看日本是岛国，且人多地少，工业发达又处在地震多发带，因此，他们对预应 力管桩地研究、设计、施工、应用下过很大地功夫，取得了丰富的经验，是当今 世界混凝土桩方面的技术领先国家，日本的经验可供我们借鉴。 日本现在把预制桩分为三大部分：预制混凝土桩、木桩、钢管桩。 其中预制管桩基本分六大类： ( 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 混凝士强度等级：c 4 0 用途：一般土木工程建筑物 ( 2 ) p h c 桩，即先张离心高强预应力混凝土桩p r e t 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 ep i l e s 桩径：3 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4 0 m p ab 型8 0 m p ac 型1 0 0 m p a 用途：各种土木工程建筑物：a 型主要用于承担垂直荷载地建筑物； b 型、c 型、主要用于承担垂直及水平荷载地建筑物。 第1 7 页 浙江大学申请硕士学位论文 第二章预应力混凝f ：管机的2 0 0 | 年1 1 月 ( 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 r e t ep i t e 桩径：3 0 0 1 0 0 0 m m 钢管厚：4 5 1 9 m m 混凝土强度等级：c 8 0 用途：因为其抗弯性能良好，故用于抗水平要求高地建筑物，从经 济角度出发可与p h c 管桩组合作为上：市桩用。 ( 4 ) p r c 桩，即先张法离心预应力钢筋混凝土桩p r e t e s i o n e da n d r e i n f o r c e ds p u n h i g hs t r e g t hc o n c r e t ep i l e s 桩径：3 0 0 1 0 0 0 m m 混凝土强度等级：c 8 5 有效预压应力：4 0 m p a 非预应力：6 1 9 根1 0 0 2 5 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 m m ( 3 5 0 m m ) 9 0 0 m m ( 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：a 型：4 0 m p a b 型：8 0 m p a c 型：1 0 0 m p a 用途：针对某些特殊地质条件下由于建筑物地质温度及下沉量产生负 摩擦而设计的降低负摩擦桩。 在我国，后张法预应力管桩、预应力混凝土板桩以在码头上应用；钢管混凝 土管桩尚属研制阶段；钢纤维混凝土桩也小批量试用。 管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩( p c 桩) 和预应力高强混凝 土管桩( p h c 桩) 。预应力混凝土管桩的离心混凝土等级不得低于c 5 0 级；预应 力高强混凝土管桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。因此，区分p c 桩与 p h c 桩仅仅事桩的离心混凝土强度。对于几何尺寸、抗弯等级相同时，p c 桩和 p h c 桩仅反应承载能力大小。 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 ，管桩基本尺寸见下表2 一l ： 第1 8 页 浙江大学申请硕士学位论文第二章预应力混凝土管桩的2 0 0 1 年“月 表2 - 1 外径 最小壁厚，长 度 t 。( m m ) 型号 l ( m ) 3 ( m m ) p cp h c7 r8 91 01 11 21 31 41 5 a0oooo a b00oo0 3 0 06 06 0boo00o c0000o a000o0 a b0ooo0 3 5 06 56 0bo0 o00 c0o00 o ao00 000 a booooo0 4 0 07 56 5b 0o0o00 cooo o00 a0oo oo0 a b0o 0o00 4 5 08 07 0bo ， 00 o00 c0 0oo00 ao o00ooo 0o a boo0 ooo0oo 5 0 09 0 8 0b0 ，00 oo0o oo c00 0ooo 00o a 0 ooo0 00 o0 a b 0oo0o o0 o0 5 5 0 9 08 5b0 oo0o o0 oo c0 o000oo oo a0 0000 00o0 a b0000 ooo00 6 0 01 0 09 0 b0000 0oo o0 c 00000 oo00 a0ooo o0o o0 _ 、， a b0oo0 o00 oo 8 0 0 1 2 01 1 0b o0oo 000oo c0o 0o 0oo 00 aoo 00 000 oo a b0 00o o0o oo 1 0 0 01 4 0 1 3 0b o0o ooo o00 c 00oo oo oo0 第1 9 页 0 代表已有的单节长度 型坚生壁堑塑塑重兰堂垒堕苎- 笙三皇堡垒垄塑型：! 笪塑塑 ! ! ! ! 堡! ! 旦 管桩混凝土有效预压应力应考虑混凝士的弹性变形、混凝土徐变、混凝土干 缩和预应力钢筋松弛等四个因素。 ( 1 ) 紧接放张后的预应力钢筋的拉应力盯。 旷惫a i + 旧 式中：o p t 放张后的预应力钢筋的拉应力，n 1 n m 2 ： 口。，预应力钢筋初始拉应力，n r a m 2 ； a p 预应力钢筋的截面积，m m 2 ； a 。混凝土的截面积，m m 2 ； 疗放张时预应力钢筋和混凝土的弹性模量比。 ( 2 ) 预应力钢筋因混凝土徐变和干缩引起的拉应力损失盯， 蝇p 2 篙 式中： 盯，因混凝土徐变和干缩引起的钢筋拉应力的损失， a 盯。紧接放张后混凝土的预压应力，n m m 2 ： 瓴2 孕 n 预应力钢筋和混凝土的弹性模量比； 妒混凝土的狳变系数； s 。混凝土的干缩率； e 。预应力钢筋的弹性模量，n m m 2 。 ( 3 ) 预应力钢筋因松弛引起的拉应力损失仃， 盯，= y 。( 盯纠一2 盯p p ) 苎塑型塑望垫墅坠兰型塑竺兰一笙三童堡生垄塑鳖笪壁堕 ! ! ! ! 主! ! 旦 式中： y 0 预应力钢筋的净松弛系数 n r a m 2 。 盯，一一因松弛引起的预应力钢筋的拉应力的损失 ( 4 ) 预应力钢筋的有效拉应力口，。 o 霄= ow 一op p 一o - ： ( 5 ) 混凝土有效预压应力j 。 2 2 管桩制作框图 工艺流程 。一仃c 4 p 一 第2 1 页 塑垩查堂史堕堡圭堂位论文 第二章预应力混凝土管桩的 2 0 0 1 年1 1 月 2 3 水泥 国际标准g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 9 先张法预应力混凝土管桩规定，生产预应力 混凝土桩所采用的水泥应为：标号不低于5 2 5 # 的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。 矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，其质量要求分别符合g b l 7 5 、g b l 3 7 7 规 定。 在水泥的矿物组成上，我们希望c 3 s + c 2 s 7 0 ，c 3 a 6 。这样，既有为了 保证混凝土的早期强度和后期强度，也限制c 3 a 不能过大，过大消耗高效减水 剂会增多。因为c 3 s 和c 2 s 的水化物都是水化硅酸钙c 3 s 2 h 3 和消石灰c a ( o h ) 2 。c 3 s 2 h 3 是水泥石中最主要的强度构成组分，而消石灰当有活性氧化硅s i o ：存 在下，在一定条件下也能生成水化硅酸钙，甚至转化成托勃莫来石，水泥纯矿物 的水化物的水化与抗压强度的关系见图2 1 ，可见c 3 s 和c 2 s 的含量多对混凝土 1 = 憾 强 出 蜒 g ； 一 。 妒 - ， ， c i ： f 一 强度有利。相同c 3 a 对水泥的水化也有较 大的影响： 1 c 3 a 水化速度快 冒 在四种矿物组成中c 3 a 的水化速度是 。很快的，由于水化速度快，将会造成混凝 土混合料坍落度损失较大甚至造成假凝。 2 c 3 a 水化反应需水量大 圈2 一t 纯化合物的强度增长 c 3 a 的最终反应可以近似写成：c 3 a + 6 h c 3 a h 6 。1 0 0 份c 3 a 和4 0 份水 起反应，这需水量远比硅酸钙需水量高很多，对混凝土强度不利； 3 c 3 a 水化热大 c 3 a 水化热是四种矿物组成中最大的，水化热大容易