（岩土工程专业论文）预应力混凝土管桩及其沉桩挤土效应研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 预应力混凝土管桩是近年来出现的一种新的预制桩型。由于该桩型具有工艺简 单、质量可靠、造价较低、检测方便等优点，因此在工程中得到了广泛的应用。尽管 如此，预应力混凝土管桩的沉桩挤土效应仍有待深入研究，设计计算理论也需要进一 步完善，因而对预应力混凝土管桩进行研究具有重要的理论及实际意义。 首先，本文回顾了预应力混凝土管桩的发展历史，介绍了目前该桩型的设计计算 方法和施工检测工艺，主要探讨了一些工程实践中经常出现的问题，并给出了作者的 一些看法。 其次，利用圆孔扩张理论对沉桩挤土效应进行了研究。介绍了v e s i c 关于圆孔扩 张问题的解答，其中包括柱形孔扩张问题和球形孔扩张问题，并应用柱形孔扩张理论 分析了饱和软土中的沉桩挤土效应问题：在常规三轴试验成果的基础上，采用三折线 模型模拟具有应变软化性质的岩土材料的应力应变关系曲线，分析了在应变软化土体 电沉桩时桩周土的位移玩应力场和应变场的变化，得到了解析解答；分；扼i 静压桩 的沉桩机理，并利用球形孔扩张理论，视桩端处的挤土为半个球形孔的扩张，分析了 桩端处士的位移场、应力场和应变场的变化，并根据最终扩张压力计算出沉桩时的桩 端阻力，可作为压桩力的估算。 最后，介绍了静压桩承载力的时效性研究。从机理上分析了承载力随时间增长的 机理，通过试验分析得到了承载力随时间的变化曲线，说明了承载力随时间变化的趋 势，并给出了估算任意时刻桩的承载力的经验公式。 本文的研究进一步揭示了预应力混凝土管桩的作用机理，完善了其设计计算的理 论，具有重要的理论及工程实际意义。 关键词：预应力混凝土管桩挤土效应柱形孔扩张应变软化球形孔扩张 压桩力承载力时效 华中科技大学硕士学位论文 ： - ：= = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l ei san e wt y p eo fp r e c a s tc o n c r e t ep i l e t h i st y p eo fp i l e h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l et e c h n o l o g y , b e t t e rq u a l i t y , l o wc o s ta n dc o n v e n i e n t d e t e c t i o n ，s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gd u r i n gt h er e c e n ty e a r s t h o u g h w i t ht h ea b o v em e r i t s ，i t sc o m p a c t i o ne f f e c to f p i l ed r i v i n g s t i l ln e e d st ob ef u r t h e r r e s e a r c h e d ，a n di t sd e s i g nt h e o r yn e e d st ob e f u r t h e rp e r f e c t e d s ot h es t u d yo np r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p ep i l ei so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h i st h e s i sr e v i e w sd e v e l o p m e n th i s t o r yo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l ea n d i n t r o d u c e sm e t h o d so fd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dd e t e c t i o n s e v e r a lp r o b l e m st h a t a r i s e f r e q u e n t l y i n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a r e d i s c u s s e d ，a n d t h ea u t h o r g i v e s h i so w n v i e w p o i n t so n t h e s ep r o b l e m s ，s e c o n d l y , c a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y i sa p p l i e dt os t u d yc o m p a c t i o ne f f e c t , o fp i l ed r i v i n g v e s i c ss o l u t i o n st oc a v i t ye x p a n s i o nt h a ti n c l u d ec y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o na n ds p h e r i c a l c a v i t ye x p a n s i o na r ei n t r o d u c e d t h e nc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r yi sa p p l i e dt o s t u d yc o m p a c t i o n e f f e c to fp i l e d r i v i n g i ns a t u r a t e ds o i l b a s e do nt h er e s u l t so f c o n v e n t i o n a lt r i a x i a lt e s t s at r i l i n e a rc u r v em o d e li su s e dt os i m u l a t es t r e s s - s t r a i nc u r v eo f s t r a i n - s o f t e n i n gm a t e r i a l s m e a n w h i l e ，t r i l i n e a rc u f v c sa r ea l s ou s e dt os i m u l a t ec u r v e so f v o l u m e t r i cs t r a i n ，m i n o rp r i n c i p a ls t r a l ua n dm a j o rp r i n c i p a ls t r a i n b yu s i n ge l a s t o p l a s t i c t h e o r y , a n a l 删s o l u t i o n st oc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n i n s t r a i n s o f t e n i n g s o i la r e p r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h em e c h a n i s mo f s t a t i c a l l yp r e s s e dp i l ed r i v i n g ，c o m p a c t i o n e f f e c t o fp i l e t i p c a nb ev i e w e da s h e m i s p h e r i cc a v i t ye x p a n s i o n t h e r e f o r es p h e r i c a lc a v i t y e x p a n s i o nt h e o r yi sa p p l i e dt oo b t a i nt h es o l u t i o n st os t r e s s , s t r a i n ，d i s p l a c e m e n t f i e l d sa n d f i n a lp r e s s u r e r e s i s t a n c ef o r c eo f p i l et i pi sc a l c u l a t e d t oe s t i m a t es m i l e p r e s s u r e f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st i m ee f f e c to nb e a r i n gc a p a c i t yo fs t a t i c a l l yp r e s s e dp i l e t h em e c h a n i s mo ft i m ee f f e c to nb e a r i n gc a p a c i t yi sa n a l y z e d ，a n dr e l a t i o nc u r v eo f b e a r i n gc a p a c i t ya n dt i m ei so b t a i n e db yu s i n g c ：i 】l l v e f i t t i n gm e t h o dt oh a n d l er e p r e s s u r e t e s td a t a a c c o r d i n gt ot h i sr e l a t i o nc u r v e i n c r e a s et e n d e n c yo fb e a r i n gc a p a c i t y 、v i t ht i m e i sr e p r e s e n t e d , a n da ne m p i r i c a lf o r m u l ai sg i v e nt oe s t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f s t a t i c a l l y p r e s s e dp i l ea ts o m e t i m ea f t e r p i l ed r i v i n g 华中科技大学硕士学位论文 t h i st h e s i sp r o m o t e st h er e s e a r c ho i lw o r km e c h a n i s ma n d d e s i g nt h e o r yo fp r e s t r e s s e d c o n c r e t ep i p e p i l e ，s oi ti so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，- k e yw o r d s ：p r c s t r c s s 踟lc o n c r e t ep i p ew e c o m p a c t i o ne f f e c tc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n s t l a i l l s o f t e n i n gs p h e r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n s t a t i c p r e s s u r eb e a r i n gc a p a c i t y t i m ee 自f c c t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：熬宏 j 日期：2 t o e q - 年4 月三8 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在 本论文属于 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：彭， 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：旃霞士 e l 期：z o o q - 年牛月2 9 日日期：卯) 年p 月2 p 日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 预应力混凝土管桩的概述 预制混凝土桩是岩土工程中重要的桩基形式。预制混凝土桩基工程与一般基础工 程相比，具有桩材质量好、施工快、工程地质适应性强、场地文明的优点，因而被广 泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工程上。 预应力混凝土管桩是近年来出现的一种新型预制桩型。它是在预制厂经过先张预 应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的一种细长的空心环形等截面预制混凝土 构件。 与传统预制桩型相比，预应力混凝土管桩具有如下的特点： ( 1 ) 使用高强度等级混凝土、离心成型技术及高压蒸养工艺，故桩身强度高， 单桩承载力大； ( 2 ) 由于预压应力的存在，故桩体具有良好的抗弯抗剪抗裂性能： ( 3 ) 具有良好的穿越土层的能力； ( 4 ) 成桩质量可靠： ( 5 ) 旋工方便快捷，旖工周期短： ( 6 ) 单位承载力造价比普通桩便宜； ( 7 ) 管桩基础具有较好的抗震性能。 由于具有以上特点，该桩型在国内外得到了广泛的应用。特别是我国，由于该桩 型在广东、上海、江苏、浙江等地的推广应用取得了巨大的经济效益，目前正有向全 国各地区推广的趋势。 1 1 1 国外预应力混凝土管桩发展概况 1 8 9 4 年，h c n n c b i g u c 发明了预制混凝土桩。1 9 0 6 年，出现了采用配螺旋箍筋的 混凝土预制桩，桩的形状开始设计并使用三角形、正方形、六角形、八角形。1 9 1 5 年，澳大利亚人w r h u m c 发明了用离心密实混凝土的成型方法，很快就用来制造 环形管桩、圆锥形桩和混凝土电杆。 日本、美国、加拿大、意大利、英国、德国、新西兰、俄罗斯是研究、生产、使 用预应力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 宾等对预应力混凝土管桩的生产应用也普及起来。总的说起来，日本对预应力混凝土 华中科技大学硕士学位论文 管桩的研究、设计、施工、应用上下过很大功夫，取得了丰富的经验，是当今预应力 混凝土管桩方面技术领先的国家。 1 9 3 4 年，日本开始制造离心混凝土管桩( r c ) 。1 9 6 2 年又开发出预应力混凝土 管桩( p c ) 。开发初期用先张法和后张法同时生产p c 桩，后来以先张法生产工艺为 主。1 9 6 8 年制订了先张法离心预应力混凝土管桩标准j i s a 5 3 3 5 。 由于异型预应力钢筋的开发使用进一步促进了p c 管桩的发展，6 0 年代末至7 0 年代初，日本又开发出预应力离心高强混凝土管桩( p h c ) ，1 9 8 2 年制订了先张法 离心高强预应力混凝土管桩标准j i s a 5 3 3 7 ，并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。 据日本通产省调查统计资料表明，1 9 6 5 1 9 9 2 年日本各种管桩年产量在2 0 0 8 0 0 万吨之间。p h c 管桩开发以来，由于其优良的质量及多变的适应能力，得到了广泛的 应用。1 9 9 1 年各种管桩的产量达7 9 0 万吨。9 0 年代初受世界经济波动影响，建筑市 场需桩量大幅度下降。1 9 9 5 年日本阪神地震后，对地震后建筑物的基础进行了调查， 发现使用管桩之外的建筑物基础都受到了不同程度的破坏，尤其是现场灌注桩破坏率 较高。 这表明，：，t h t - i c 管桩在抗震方面有很太的优势。从而一管桩卉量又逐年回升。 现在日本建( 构) 筑物各种基础都大量应用管桩，无论是市内建设或市郊建设， 在用桩上都有一套比较好的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质量、旋 工安全、企业效益等方面进行综合考虑制定可行的施工方案，这为管桩的应用提供了 可靠的保障。 1 1 2 我国预应力混凝土管桩发展状况 我国预应力混凝土管桩最早起源于6 0 年代，当时仅仅是为了满足一些特殊工程 的需要。8 0 年代才开始在广东省推广使用。 4 j 0 年代，铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径4 0 0 m m 钢筋混凝土离心管桩。 该厂又于1 9 6 6 年开始研制用f 7 高强钢丝为主筋制造直径5 5 0 m m 预应力混凝土管桩， 获得成功并生产至今。6 0 年代末，为建设南京长江大桥需要，大桥工程局三处也开始 生产预应力混凝土管桩至今。 1 9 8 4 年，广东省构件公司与广东省基础公司、广东省建筑科学研究所合作首先研 制现代形式的预应力混凝土管桩( 以往是法兰接口，现为焊接驳接) ，并于1 9 8 7 年通 过广东省建委组织的技术鉴定。由于该桩型与传统预制桩型相比，具有明显的优越性 和良好的经济效益，故在广东省得到了广泛的应用。 1 9 9 1 1 9 9 5 年是我国建立管桩厂最多的时期。继广东省构件公司之后，全国又一 2 华中科技大学硕士学位论文 批管桩厂相继诞生。如南方管桩厂、上海三航局混凝土预制厂、番禺桥丰水泥制品公 司、广东省七建管桩基础公司、鸿运管桩厂、宏基管桩厂、鸿业管桩厂、羊城管桩厂 等。与此同时，还发展了一批凹螺纹预应力钢棒厂、高效减水剂厂、磨细石英砂厂和 管桩生产专业制造厂，形成了一支强大的行业队伍。随着管桩的大量使用，其设计施 工的水平不断提高。浙江、江苏、上海、广西、福建等地也纷纷引进该桩型，并获得 巨大的经济效益。 1 9 9 2 年，我国制定了国家标准先张法预应力混凝土管桩g b l 3 4 7 6 9 2 。建设 部自1 9 9 3 年起，已将“高强度预应力混凝土管桩”列入重点推广项目。广东省是全 国管桩厂最多，使用管桩最为普遍的省份。早在1 9 9 1 年制定了省标建筑地基基础 施工及验收规程d b j l 5 2 0 1 - 9 1 ，将预应力混凝土管桩编入标准内。1 9 9 5 年又组织有 关科研、设计、管桩厂及施工单位编写了省标预应力混凝土管桩基础技术规程 d b j t 1 5 2 2 9 8 。1 9 9 8 年，我国还对国标g b l 3 4 7 6 9 2 进行了修订，g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 现 也出台实施。 1 鲫8 年，。全国约生产预应力混凝土管桩2 0 0 0 万米，其中广 东省古，7 0 。成国现 已成功研制出f1 0 0 0 r a m 3 0 m 预应力高强混凝土管桩；成功将电厂粉煤灰和磨细石 英砂应用于预应力混凝土管桩的生产；已生产出f1 0 0 0 m m 2 8 m 大型滚焊机并成功 应用于预应力钢筋的加工工艺；浙江省推广使用薄壁p c 管桩已有十多年历史，并制 订了相应的地方规范。 相信随着新材料、新工艺、新产品、新机械的不断涌现，以及广大工程技术人员 对该桩型的进一步了解和使用，预应力混凝土管桩将会在全国范围得到更加广泛的应 用，我国的管桩行业将会更加健康地发展。 1 2 沉桩挤土效应研究的发展及现状 1 2 1 沉桩挤土效应研究的主要内容 桩基础是最古老的基础形式之一，也是目前应用最广泛的基础形式之一。桩基础 按旖工方法的不同，大致可以分为预制桩和灌注桩两大类。若按桩设置效应的不同， 则可分为挤土桩、小量挤土桩和非挤土桩。 从旌工方法来看，预应力混凝土管桩属于预制桩型。而从设置效应来看，则有两 种情况：对于下端封闭的预应力混凝土管桩，在沉桩过程中都将桩位处的土大量排挤 3 华中科技大学硕士学位论文 开，因而使桩周土的结构受到严重扰动破坏，故属挤土桩：对于下端开口的预应力混 凝土管桩，沉桩时对桩周土体稍有排挤作用，但土的强度和变形性质变化不大，因而 属于小墨挤土桩。 关于沉桩挤土效应的研究，一直是岩土工程中的热点课题。其研究方法可以大致 分为两类，即试验研究和理论分析。国内外不少专家和学者从不同的方丽对此课题进 行了研究，并取得了相当丰富的实践经验和理论成果。大致概括起来，主要有如下方 面的内容： ( 1 ) 沉桩时桩周土和桩端中产生的应力、应变，位移及其超静孔隙水压力的 研究： ( 2 ) 沉桩时桩侧和桩端阻力的计算研究，即如何合理估算压桩力： ( 3 ) 沉桩完毕，土的工程力学性质随时间变化的研究，即土体触变性的研究； ( 4 ) 沉桩完毕，土中超静孔隙水压力随时间消散规律的研究，即土体固结问题 的研究； ( 5 ) 沉桩后桩基承载力随时间增长规律的研究，即承载力时效的研究。 1 2 2 沉桩挤土效应试验研究的发展及成果 挤土效应最初的研究始于5 0 年代，由于当时的条件限制，早期的研究工作限于 对眶桩过程进行现场量测，从大量的实测资料中总结沉桩规律，并在此基础上提出一 些经验公式。 h o u s e l 和b u r k e y t 2 l ( 1 9 4 8 ) ，c u m m i n g s 、k e r h o f f 和v e r k t 3 】( 1 9 5 0 ) 等较早地研究 了沉桩对粘士性能的影响。根据在沉桩后不同时刻对桩进行的持续加载到桩失效的试 验结果，推断出粘土的不排水强度在沉桩的初始阶段下降很多，但随后会随时间的推 移而逐渐恢复，并分析得出这是由于沉桩瞬时桩周土被严重重塑，使桩周土的不排水 剪切强度有显著下降。而随后的强度增长则是由于粘土的不排水强度的触变性恢复和 桩周土的局部固结所产生的强度恢复。o r r i e 和b r o m s 4 1 ( 1 9 6 7 ) 则研究了灵敏土中沉 入混凝土桩对桩周土体强度影响时间的长短。他们认为土的不排水强度在沉桩9 个月 之后几乎恢复到其原有的值。 l a m b e h o r n f f l ( 1 9 6 5 ) 等研究了沉桩过程中的孔隙水压力，其结果显示：超 静孔晾水压力等于甚至大于附加应力；产生的孔隙水压力随着离桩距离的增加而急剧 降低，且随着这个距离的增大消散得非常快。另外，结果还显示：土的灵敏度对孔压 4 华中科技大学硕士学位论文 的大小有显著的影响，灵敏度高的土中产生的孔压值也高。 a d a m s h a n n a 6 j ( 1 9 7 0 ) 和h a g e r t y p e c k i 7 】( 1 9 7 1 ) 等分别对沉桩时桩周土体 的隆起进行了现场的量测，但结果却有很大的差异。以桩周土体的隆起量与桩在土体 内的总体积之比作为度量，h a g e r t y 和p e c k 认为这一比值约为5 0 。而a d a m s h a n n a 则认为该值分别为3 0 和1 0 0 。这些数据上的差异大多数是由于在各自的观测中土 的类型的差异产生的。h a g e r t y 和p e c k 还在对灵敏度不同的粘土中压桩产生的位移进 行测量观测时发现：压桩时灵敏性土中土的位移比非灵敏性土中的位移要小。 s e e d & r e e s e l 8 】( 1 9 5 9 ) 和e i d ee ta l 9 】( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，桩打入粘性土后， 桩的承载力会随时间而增加。他们认为承载力的增长主要是由超静孔隙水压力随时间 的消散，桩周士含水量减小而引起的。 国内早在5 0 年代末，已积累了一些桩承载力随时间增长的试验资料。如1 9 5 9 年 天津新港，截面为4 0 0 m m x 4 0 0 m m 的钢筋混凝土预制桩沉桩后，2 4 0 天承载力比4 2 天增长3 7 ，2 1 0 天比1 4 天增长4 2 t “l 。 胡中雄【1 ( 1 9 8 5 ) 通过上海地区_ 些工程单桩静载荷试验的资料，归纳了上海地 区单桩承载力、桩侧摩阻力与时间的变化关系。 李雄等1 1 2 j ( 1 9 9 2 ) 进行了静力试桩，研究时效影响并测试了桩身荷载的传递。 叶为民等1 1 3 i ( 2 0 0 0 ) 通过复压试验，发现饱和软土中的打入式预制桩，在沉桩两 周后其单桩极限承载力比单桩设计最大加载值平均提高了将近3 0 。 张明义等j ( 2 0 0 2 ) 根据静压桩的隔时复压试验和静载荷试验，提出静压桩的极 限承载力随时间呈双曲线增长。同时，还认为静压桩时效性的机理主要是触变恢复效 应及固结效应，桩的承载力的提高主要是因为桩侧摩阻力的提高，桩端阻力的贡献较 小。根据静压桩的压桩力和复压力，可以推算桩的最终承载力，并给出了一种简便的 计算方法。 唐世栋等1 1 5 j ( 2 0 0 2 ) 通过对桩基施工过程中土中超孔隙水压力实际量测，探讨了 沉桩时单桩周围土中产生的超静孔隙水压力的大小、分布及影响范围，并与理论解进 行了对比。同时，还对桩土界面处的超静孔隙水压力进行了讨论。 陈福全等【1 6 】( 2 0 0 2 ) 通过一个小截面静压桩基工程的现场试验，研究了压桩机理、 压桩阻力估算及承载力计算等问题。 1 2 3 沉桩挤土效应理论研究的发展及成果 大约从7 0 年代起，人们开始采用理论分析和数值模拟的方法来研究压桩问题。 s 华中科技大学硕士学位论文 归纳起来，对沉桩引起的应力、孔压及土体位移的计算有以下几种方法：圆孔扩张理 论、应变路径法、有限元法【切。由于本文对沉桩挤土效应的研究采用的是圆孔扩张理 论，故仅介绍在这方面的发展及成果。圆孔扩张理论包括柱形孔扩张和球形孔扩张两 个部分。 圆孔扩张理论于1 9 4 5 年被首先提出f “1 ，用于研究金属压痕问题。随后开始用这 种理论解决岩土力学问题，如用于解释旁压试验，并得到了很大的发展。 g i b o ne ta l t ”j ( 1 9 6 1 ) 讨论了在无粘性土中圆柱形孔扩张时静力触探的锥尖阻力。 b u t t e r f i e l dre ta l l 2 0 1 ( 1 9 6 8 ) 首先提出将平面应变条件下的柱形孔扩张来解决桩 体贯入问题。为了利用弹塑性力学的理论，引进了一些假定，并建立了求解的基本方 程。 v c s i c l 2 1j ( 1 9 7 2 ) 假设土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s c a 或m o h r - c o u l o m b 屈服准则，根据弹塑性理论给出无限土体中，具有初始半径的圆柱形孔或球形孔，被 均匀分布的内压力所扩张的一般解。 r a n d o l p h m f e t a l l 2 2 】( 1 9 7 9 ) 用圆孔扩张理论结合有限元方法分析了粘性土中沉 桩产生的应力及随后的固结，采用的土体本构模型是修正的剑桥模型。由于现场测试 及研究表明主要孔压梯度在大部分桩长范围内是径向的，因而假定孑l 隙水的流动和土 颗粒的移动主要发生在径向，故只考虑径向一维固结，采用b l o t 一维固结方程进行求 解。 s a g a s e t a e ta l i 圳( 1 9 8 4 ) 应用圆孔扩张理论模拟了沉桩过程并推导出地面隆起量 的计算表达式。 c a t e re ta l l l 4 j ( 1 9 8 6 ) 利用圆孔扩张理论推得了土体在m o h r - c o u l o m b 屈服准则下， 塑性区内土体的位移表达式。 c h o w t e h 瞄j ( 1 9 9 0 ) 利用圆孔扩张理论，把沉桩过程视为一个准静态过程，求 出了桩周体的位移场。 国内不少学者利用圆孔扩张理论对沉桩挤土效应进行了研究，也取得了不少成 果。 胡中雄和侯学渊【瑚( 1 9 8 8 ) 将饱和软土中压桩的挤土效应问题视为半无限土体中 柱形孔的扩张问题，应用弹塑性理论求出了沉桩瞬间的应力和变形。 朱泓和殷宗泽i _ - , 7 1 ( 1 9 9 4 ) 用空间轴对称b l o t 固结有限元对打桩过程进行了模拟。 将沉桩过程视为从具有初始半径，的圆柱形空腔体扩张到2 r 的过程，在一定程度上考 虑了深度方向的影响，来弥补仅考虑平面应变的缺陷。在此基础上，对打桩引起的地 面隆起，桩周土的应力、位移、邻桩应力等问题进行了计算研究，得出了一些初步的 6 华中科技大学硕士学位论文 成果。 姚笑青【硎( 1 9 9 4 ) 研究了饱和软土中挤土桩沉桩时产生的超孔隙水压力以及孔隙 水压力的消散过程，得到了桩间土的再固结规律。在此基础上，研究了单桩承载力随 时间的增长与桩间再固结之间的关系。 蒋明镜和沈珠江【2 9 l ( 1 9 9 7 ) 从常规试验成果出发，用弹性软化残余塑性的三折 线模型来模拟应变软化岩土材料的应力应变关系曲线，并采用双剪统一强度理论的屈 服函数形式，推导了柱形孔扩张时的土体应力场、应变场、位移场及最终扩张压力的 计算公式和求解步骤。 许清侠 3 0 i ( 1 9 9 8 ) 利用圆柱形孔的扩张来模拟桩身中部土体的应力应变状态，并 利用球形孔的扩张来模拟桩尖处附近土体的应力状态的变化。在此基础上，着重研究 了沉桩的挤土效应对周边环境的影响。国内有学者将这方面的研究归为环境土力学的 范畴。 王家来和熊巨华p l j ( 1 9 9 9 ) 在蒋明镜研究的基础上，通过屈服函数的简化，给出 了考虑剪胀作用的线性应变软化土体中柱形孔扩张的应力、应变、位移的解析解答。 李月健和陈云敏【3 2 】( 2 0 0 2 ) 等利用v e s i c 关于球形孔扩张问题的应力解答和c a r t e r 关于球形孑l 扩张问题中塑性区内的位移阶段，首次推得了土体塑性区内平均体积应变 的理论计算公式，求得了球形孔扩张时土体中应力、应变和位移的一般解。 梁发云和陈龙珠吲( 2 0 0 4 ) 对考虑应变软化的t r e s c a 材料中柱形孔扩张问题进行 了解析解答，并分析了不排水饱和土扩孔问题的规律性。 1 3 本文的研究工作 本文的研究工作主要包括如下内容： ( 1 ) 介绍了预应力混凝土管桩的设计、旌工及检测技术，并对其中经常出现的 一些工程问题提出了作者自己的看法。 ( 2 ) 简要介绍了预制桩体沉桩挤土效应研究的基本理论方法，并着重介绍了本 文研究所采用的圆孔扩张理论：柱形孔扩张理论和球形孔扩张理论。利用该理论分析 了饱和软粘土的沉桩挤土效应，同时还介绍了饱和软粘土中沉桩时土体产生的初始孔 隙水压力的计算方法。 ( 3 ) 在经典弹塑性柱形孔扩张问题的基础上，利用基于应变软化土体常规三轴 压缩试验曲线的三折线简化模型，合理地假设了应变软化阶段的屈服函数，从而较为 华中科技大学硕士学位论文 简洁地求得了具有应变软化和剪胀特性这一类岩土材料中柱形孔扩张问题的全部解 析解答，较好地弥补了经典弹塑性柱形孔扩张理论的不足，且计算分析过程较为简单， 便于实际工程应用。 ( 4 ) 分析了静压桩沉桩机理，视桩端的挤土效应问题为球形孔扩张问题，并利 用球形孔扩张理论估算了静压桩的压桩力，计算结果与工程实测资料比较接近，说明 该方法具有一定的实用价值。 ( 5 ) 介绍了静压桩承载力的时效性研究，分析了产生时效性的机理，并介绍了 有关学者对承载力时效性的试验研究成果。 8 华中科技大学硕士学位论文 2预应力混凝土管桩技术及其应用 预应力混凝土管桩是一种细长的空心环形等截面预制混凝土构件。它是在预制厂 经过先张预应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的。目前，在我国后张法预应 力混凝土管桩还尚未开发。 2 1 预应力混凝土管桩的品种、规格及型号 管桩按混凝土强度等级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i h c ) 。预应力混凝土管桩的离心混凝土强度等级不得低于c 5 0 ：预应力 高强混凝土管桩的离心混凝土强度不得低于c 8 0 。因此，区分p c 桩和p h c 桩仅仅是 桩的离心混凝土强度。当几何尺寸、抗弯等级相同时，p c 桩和p h c 桩仅反映承载能 力大小。 管桩按外径分为3 0 0 m m 、3 5 0 m m 、4 0 0 m m 、4 5 0 m m 、5 0 0 m m 、5 5 0 m m 、6 0 0 m m 、 8 0 0 m m 和1 0 0 0 m m ，长度一般为7 1 5 m ，常见规格管桩基本尺寸见表2 1 。 表2 1 管桩的基本尺寸 外径( m m )3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 08 0 01 0 0 0 最小 p c6 06 57 58 09 09 01 0 01 2 01 4 0 壁厚 ( r a m ) p h c6 06 06 57 0 8 08 59 01 1 01 3 0 管桩按照抗裂弯矩的大小可分为a 型、a b 型、b 型和c 型。其含义即是管体上 混凝土有效预压应力大小。日本工业标准j i s a 5 3 3 7 9 4 规定：a 型混凝土有效预压应 力3 9 2 n r a m 2 ，b 型7 8 5n r a m 2 ，c 型9 8 1n n u n 2 。我国在a 型和b 型中插入a b 型， 其混凝土有效预压应力为5 8 8n r a m 2 。 美国预应力混凝土研究委员会预应力混凝土桩分会于1 9 9 4 年制订的预应力混 凝土桩设计、制造及设置实用指南中规定：对于桩长度4 0 英尺( 1 2 2 m ) 以下的混 凝土桩预压应力为2 7 4 8 m p a ：桩长为4 0 1 4 0 英尺( 1 2 2 4 2 m ) 的预压应力为 4 8 8 3 m 啤a 。 管桩混凝土有效预压应力应考虑混凝土弹性变形、混凝土徐变、混凝土干缩和预 应力钢筋松弛等四个因素的影响。 国标g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 8 所规定的各种管桩外径，不同类型所对应的抗裂弯矩和极限 弯矩见表2 2 。 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 2 管桩的抗弯性能 外径( 1 l l m )型号抗裂弯矩( k n m )极限弯矩( k n r r l ) a2 33 4 a b2 84 5 3 0 0 b3 35 9 c3 87 6 a3 55 2 a b4 27 0 3 5 0 b5 09 0 c5 81 1 6 a5 27 7 a b6 31 0 4 4 0 0 b7 51 3 5 c8 71 7 4 a7 21 0 7 a b。8 8 1 4 5 4 5 0 b1 0 41 8 7 c1 2 02 4 0 a9 91 4 8 a b1 2 12 0 0 5 0 0 b1 4 42 5 8 c1 6 63 3 2 a1 2 51 8 8 a b1 5 42 5 4 5 5 0 b1 8 23 2 8 c2 1 14 2 2 a1 6 42 4 6 a b2 0 13 3 2 6 0 0 b2 3 94 3 0 c2 7 65 5 2 a3 6 75 5 0 a b4 5 17 4 3 8 0 0 b5 3 59 6 2 c6 1 91 2 3 8 a6 8 91 0 3 0 a b8 4 51 3 9 4 1 咖 b1 0 0 31 8 0 5 c1 1 6 12 3 3 2 华中科技大学硕士学位论文 2 2 预应力混凝土管桩的特点及其场地适用条件 与传统预制桩型相比，预应力混凝土管桩具有如下的特点： ( 1 ) 由于使用高强度等级混凝土和离心成型及高压蒸养工艺，故桩身强度高， 单桩承载力大： ( 2 ) 由于预压应力的存在，故桩体具有良好的抗弯、抗剪与抗裂性能； ( 3 ) 具有良好的穿越土层的能力； ( 4 ) 成桩质量可靠； ( 5 ) 施工方便快捷，施工周期短； ( 6 ) 单位承载力造价比普通桩便宜。 ( 7 ) 管桩基础具有较好的抗震性能。 正因为预应力混凝土管桩具有如上优点，故其适用范围较广。在我国的推广使用 中，广大学者和工程技术人员对管桩的适用范围有着较为一致的认识。梁标【刊等认为： 预应力混凝土管桩主要适用予人工填土、软土、- 粘性土、t 粉土、粉砂、细砂、冲砂为 覆盖层的地区，持力层一般选为粗砂、砾砂、圆砾、风化岩。这考虑了管桩穿越土层 的能力和充分发挥管桩单桩承载力的因素。如张爱群【3 5 1 等认为：要求单桩竖向极限承 载力标准值在2 4 0 0 5 6 0 0 k n 之间的建筑选用管桩较为经济合理：基岩埋深在1 5 3 0 m 左右，有较厚的强风化岩层作持力层，持力层标贯在4 5 击左右的，采用管桩比 较合理；淤泥软土较厚的近海近河近湖建筑，采用其他桩型容易出现质量事故，采用 管桩为首选。 另外，预应力混凝土管桩在一些特殊的地质条件下应用时，曾出现过不少断桩、 裂缝、桩身倾斜等质量事故。许多工程技术人员通过对这些质量事故的原因分析，从 反面提出了预应力混凝土管桩不直应用的场地地质条件。王离m l 通过对十年来广东地 区管桩出现的质量事故原因分析，列出了以下四种不宜应用管桩的地质条件：( 1 ) 含 有较多孤石和障碍物的地层：( 2 ) 有不适宜作持力层且管桩又难以贯穿的坚硬夹层； ( 3 ) 基岩上无适合作管桩持力层的石灰岩地区；( 4 ) 从松软地层突变到特别坚硬 ( n 7 0 ) 的地层。又如甘展孜【3 7 1 等根据预应力混凝土管桩在岩溶地区使用时出现的 问题，也提出了三种容易发生事故的工程地质条件：( 1 ) 基岩面高低不平，在施压过 程中桩下端碰到倾斜基岩面发生断裂和出现桩身倾斜；( 2 ) 土层中含有较大溶洞，桩 穿过溶洞顶板后，突然快速下滑导致断桩；( 3 ) 旆压到一定压力值时，碰到溶洞、溶 槽、石笋等不规则层面，桩陷入深深的溶沟、溶槽内突然发生断裂。再如雷元新【3 8 1 华中科技大学硕士学位论文 等也对“上软下硬、软硬突变”地基上易出现断桩等质量事故的现象进行了分析，并 给出了一些相应的预防措施。 通过对管桩适用范围的研究，我们不难发现加强工程地质勘察工作，真实地反映 地基状况，对于正确地选择基础类型起着至关重要的作用。同时我们可以看出在武汉 地区推广预应力混凝土管桩的应用在技术上是完全可行的。 2 3 预应力混凝土管桩单桩竖向承载力的确定 同其他桩型一样，预应力混凝土管桩单桩竖向承载力的确定主要取决于两个方 面。一方面决定于桩体本身的材料强度。另一方面取决于地基土的支承力。因此，设 计时两者必须同时兼顾，即分别按这两方面确定后取其中的小值。 2 3 1 按照桩体材料强度确定单桩竖向承载力 关于按照材料强度计算单桩承载为，目前已有较为完善的计算方法。阮起楠【1 l 在 预应力混凝土管桩一书中较为详尽地介绍了管桩桩身竖向承载力设计值的计算： ( 1 ) 预应力混凝土管桩横截面承载能力 r 一( ，c 。一盯。) + a ( 2 - - 1 ) 式中r 管桩横截面承载能力，k n ； ，。管桩离心混凝土抗压强度，p c 桩取5 0 m p a ，p h c 桩取8 0 m p a ： 盯。管桩混凝土有效预压应力，m p a ： ，4 管桩横截面面积，t o n i 2 。 ( 2 ) 竖向承载力设计值 r p o 3 ( 允一盯f ) 。a ( 2 2 ) 式中 尺。桩身竖向承载力设计值。 其中，系数0 3 是考虑桩的耐打性、在锤击作用下的强度损失等提出的限制指标， 相当于安全系数。当使用静压桩机植桩时，无疑应该大于0 3 ，但尚未有更多试验数 据，并未对这个系数进行广泛的论证，暂时还不能确定。 根据式( 2 2 ) 可以计算出目前各种规格预应力混凝土管桩的竖向承载力设计值， 因此我们可以根据设计的需要选择合适规格的管桩类型。 表2 3 给出了常用规格的p h c 管桩竖向承载力设计值。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 表2 3p h c 管桩竖向承载力设计值 竖向承载力设计值 外径( t o n i )壁厚( 1 r f f n )型号 ( k n ) a1 1 5 2 6 a b1 1 2 2 3 3 0 07 0 b1 0 9 1 9 c1 0 6 1 6 a1 9 9 7 4 a b1 9 4 4 8 4 0 09 0 b1 8 9 2 3 c1 8 3 9 ，7 a2 0 7 4 3 a b 2 0 1 9 6 4 0 09 5 b1 9 6 5 1 c1 9 1 0 5 a2 8 6 5 1 a b2 7 8 9 7 5 0 01 0 0 b2 7 1 4 3 c2 6 3 8 9 a3 3 5 7 _ 5 a b3 2 6 9 2 5 0 0i 2 5 b3 1 8 0 9 c3 0 9 2 5 a3 8 5 8 8 a b3 7 5 7 2 6 0 01 1 0 b3 6 5 5 7 c3 5 5 4 1 2 3 2 按照地基土对桩体的支承力确定单桩竖向承载力 由于设计人员是根据设计要求选择管桩类型，除去桩体自身的质量缺陷和断桩等 质量事故的影响外，般是不会因桩身承载力不足而发生破坏的。在工程中，基础破 华中科技大学硕士学位论文 坏一般表现为地基土的支承力不足或桩体产生过大的沉降。因而，计算地基土对桩体 的支承力才是确定单桩竖向承载力的决定因素。根据地基土对桩体的支承力来确定单 桩竖向承载力，主要有如下几种方法： ( 1 ) 按照土性参数确定单桩竖向极限承载力标准值 设计部门按照工程地质勘察报告提供的极限侧阻力标准值g 。和极限端阻力标准 值鼋。，根据如下公式( 2 3 ) 来计算单桩竖向承载力。 r t “p 罗q , a i i + q a p ( 2 - - 3 ) 式中 r 。单桩竖向承载力标准值，k n h 桩身周边长度，m ： 爿。桩身横截面面积，m 2 。 按