（岩土工程专业论文）竖向荷载作用下挤扩支盘桩承载力试验研究和沉降计算.pdf

太原理工大学硕士学位论文 摘要 y 5 1 8 2 3 6 挤扩支盘桩是在普通混凝土钻孔灌注桩的基础上衍生出来 的一种新型的桩基础，具有显著的经济效益和社会效益。 本文结合现场静载荷试验、g e d d e s 公式法、有限元法和规 范法中的有关理论，对挤扩支盘桩在竖向荷载作用下的承载力 及沉降进行了研究，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 在现场静载荷试验结果的基础上，分析了挤扩支盘桩单 桩沉降特征，指出其荷载沉降( q s ) 曲线为缓变形。 ( 2 ) 对挤扩支盘桩能高承载力、节约成本进行了定量分析。 ( 3 ) 在g e d d e s 公式的基础上，提出了适合挤扩支盘桩单桩沉 降的计算公式，并用有限元法和工程实测值验证了该公式的可行 性。 ( 4 ) 用有限元法对挤扩支盘桩和直桩的沉降、应力分布进行 分析，指出它们应力分布的异同点，这有助于桩的设计。 ( 5 ) 利用规范法中的有关理论，结合工程实例，编制了 计算机程序，对挤扩支盘桩群桩的沉降进行计算和分析。 关键词：挤扩支盘桩 规范法 竖向荷载沉降 g e d d e s 公式法有限元法 太原理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a s t i n - s i t u p i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e s o rp l a t e sb a s e do n c o m m o nc o n c r e t eb o r e dp i l e sa r can e wt y p eo fp i l e sf o u n d a t i o n ， w h i c hh a v eb e e nm a r k e de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s b a s e do np l a t e l o a d i n gt e s t i n - s i t u t h em e t h o do fg e d d e s f o r m u l a f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h er e l a t i v et h e o r yo fm e t h o do f c o d e ，t h ep a p e rm a k e sat h o r o u g hs t u d yo nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to fv e r t i c a l l y l o a d i n g c a s t i n s i t i l p i l e s w i t he x p a n d e d b r a n c h e sa n dp l a t e s a n dt 1 1 em a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h er e s u l t so fp l a t el o a d i n gt e s ti n s i t u ，t h es i n g l e p i l es e t t l e m e n tb e h a v i o ri sa n a l y z e d i ti sp o i n t e do u tt h a ti t sl o a d s e t t l e m e n t ( q s 、c u r v ea st a r d y d e f o r l t l a t i o n ( 2 ) i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ec a s t i n s i t up i l e sw i t he x p a n d e d b r a n c h e so r p l a t e s c a n p r o v i d e ah i g h e r b e a r i n gc a p a c i t y t h a n c o m m o nc o n c r e t eb o r e d p i l e s i nt h i sp a p e r , t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s f o re c o n o m i c si sa l s oc o n d u c t e d ( 3 ) b a s e do ng e d d e s f o r m u l a ，t h ea u t h o rd e v e l o p sas e a l e m e n t c a l c u l a t i n gf o r m u l as u i t a b l ef o rt h es i n g l ep i l e o fc a s t i n s i t u p i l e s w i t h e x p a n d e db r a n c h e s o rp l a t e s a n di t s f e a s i b i l i t y i sv e r i f i e d t h r o u g h f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dac a s eh i s t o r ya n a l y s i s ( 4 ) b yu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h es e t t l e m e n ta n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n sb o t hc a s t i n s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e so rp l a t e s a n dc o m m o nc o n c r e t eb o r e dp i l eh a v eb e e nc o m p a r i e d t h em a i n d i f f e r e n c e sa r ep o i n t e do u t w h i c hm a yb eu s e f u lf o rp i l ed e s i g n ( 5 ) a c c o r d i n gt o t h er e l a t i v e t h e o r yo fm e t h o do fc o d e ，a n d c o n n e c t i n gt h ep r o j e c t ，c o m p i l i n gc o m p u t e rp r o g r a m ，s e t t l e m e n t so f t h ep i l eg r o u p sf o rc a s t - - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e so rp l a t e sa r c c a r r i e do u ta n da n a l y z e d k e y w o r d s ：c a s t - i n s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e so rp l a t e s v e r t i c a l l yl o a d i n g s e t t l e m e n tm e t h o do f c o d e g e d d e s f o r m u l af i n i t ee l e m e n t m e t h o d 太原理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 垂直或微斜埋置于土中的受力杆件称为桩【l 】。桩是一种很古老 的处理不良地基的有效方法，早在新石器时代在我国就有使用木 桩的记录。桩的主要作用之一是将上部结构的竖向荷载和水平荷 载传到深层土层。 桩基础作为最古老的基础形式，有着悠久的历史，它随着人类 文明的发展而不断更新变化。桩基础是建筑物基础的重要形式之 一，对于高层建筑物和桥梁，绝大部分采用桩基础。改革开放促 使我国建筑业迅速发展。据不完全统计，全国年用桩量达1 0 0 万 根以上。目前，随着材料科学和施工技术及土力学基础工程理论 的逐步丰富和完善，桩基础的成桩技术日新月异，在我国已形成 多种工艺，多种桩型。桩基础具有良好的工程效果，但其工程造 价高，通常占工程总造价的1 0 3 0 ，有时甚至超过3 0 。影响 桩基工程造价的因素也很多，例如工程地质条件、建筑物的结构 类型、荷载大小、变形控制要求以及施工技术条件、桩型、桩长、 桩径和桩端持力层选择的合理与否，其工程造价往往相差很大。 因此，选择合理的桩基方案，是桩基础设计中的重要内容之一。 在桩基技术发展史上，国外一方面向长、大直径钻孔灌注桩方 面发展，另一方面又向短的扩底墩和多节扩径桩方面发展，这些 都是从增加桩土接触面积来提高单桩承载力的。如印度的d m 0 h a l l 孔早在1 9 6 9 年就在小范围内对变截面桩进行小规模的试验 太原理工大学硕士学位论文 和应用，并探讨了最佳扩大盘的间距。国内桩基发展也不例外， 近几年来不断涌现出人工挖孔桩、大直径扩底桩和变截面桩( 如 图1 1 所示) 。一般的变截面桩或多级扩大盘桩成桩时是用钻机 成孔，然后在桩身不同位置处扩大桩径。这种变截面桩由于成盘 时未对土体进行挤压，盘的上下土 体由于“挖扩”而变得松动或产生 应力释放，其力学性质比原状土差， 土的强度也有所下降。特别是在桩j 顶荷载作用下，由于桩体的下沉， 豆榧 图1 - 1 造成盘的上方出现较大的松动区， 一般桩型示意图 而盘的下方土体的摩阻力减少，而且也使盘的端阻力减少。虽然 其单桩承载力比直桩( 本论文约定：本篇论文中的直桩均指普通 混凝土灌注桩) 要大，但增值不大，效益也不明显。 为了弥补直桩、扩底桩和变截面桩的一些缺陷，使桩的承载力 ，一f 下7 - n 蕊此多 e ，。j ，i 留i 。 1 支盘桩承力盘 十字型支 米字型支 图1 2 挤扩支盘桩示意图 2 ：j 厂 厂 酷r与与uj娥 桩二=儿磊 太原理工大学硕士学位论文 大幅度提高，同时桩又具有较高的抗拔力，较好的抗震性、稳定 性及明显的经济效益，在钻孔灌注桩或沉管灌注桩的基础上，使 用专用的挤扩设备，用来挤密扩径处土体，以减少土体的压缩量， 从而研制出挤扩支盘桩( 如图1 2 所示) 。挤扩支盘桩从仿生学 原理出发，把自然界树木生长的规律应用到工程上来，是一种新 的发明和刨造。这种桩使用特制的设备在支盘周围可形成坚硬的 土体，既有较大的承压能力，又有较大的抗拔能力，由于桩体周 围有支和盘的存在，可增加桩的稳定性，挤扩支盘桩克服了传统 桩型承载力低、抗拔能力小、稳定性差的缺点，可以认为是夯扩 桩和大直径桩( 墩) 的改进。 为了进一步研究挤扩支盘桩，本章从挤扩支盘桩的发展概况、 基本原理、施工工艺流程、优缺点、支和盘的设置原则、单桩承 载力的计算以及桩的沉降理论等方面进行阐述。 1 2 挤扩支盘桩的发展概况 挤扩支盘桩( 曾被称为多枝桩、树枝桩、多分支承力盘混凝土 灌注桩，也有人称为多次扩孔混凝土灌注桩或挤压多支桩) 的专 利技术由两大部分组成，第一部分为该桩型及工艺的发明专利； 第二部分为完成该桩型的机械设备的实用新型专利。2 0 世纪8 0 年 代末，张俊生高级工程师取得了该技术的发明专利和实用新型专 利。同时又在美国、欧洲、日本、加拿大和泰国取得或申请了专 利。目前，该技术在中国已有十几项相关专利。人民日报、工 太原理工大学硕士学位论文 人日报、中央电视台等多家新闻媒体对这项专利技术进行过 报道。 挤扩支盘桩从1 9 9 2 年开始在我国建筑工程中使用。到目前为 止，已在十多个省市的1 0 0 多项工程中采用了挤扩支盘桩技术。 在提高桩基安全性、降低工程造价和缩短工期等方面都取得了显 著效果。 1 9 7 9 年，建设部建筑机械研究所和北京市机械施工公司在国 内首先研制开发出挤扩、钻孔和清虚土的三联机，简称z k y 一1 0 0 型扩孔器【4 o 2 0 世纪8 0 年代末，北京俊华地基基础工程技术集团研制开发 出该公司的第一代锤击式挤扩装置和第二代y z j 型液体挤扩支盘 成型机及挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩【4 】o 1 9 9 8 年中国北方光电工业总公司地基基础工程部贺德新研制 开发出新型的多功能液压挤扩装置，依次实施d x 多节扩孔桩，成 为挤扩支盘桩的第三代产品【4 1 。 2 0 0 0 年山西金石基础支盘桩工程有限公司研制成功双油缸换 臂式立板液压支盘成型机和可变式支盘扩底桩成桩工艺。该工艺 可在同一钻孑l 内利用同一挤扩设备，根据土层的不同，挤扩完成 不同直径的支盘，其施工工法被评为1 9 9 9 2 0 0 0 年度国家级工法。 已在山西省多项工程中应用，效果显著 4 】o 建设部于1 9 9 7 年5 月和7 月分别在建筑施工手册和地 基基础施工手册中编入了挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩的章 节，内容包括挤扩支盘桩的特点、适用范围、工艺工法、承载力 计算、质量要求、工程实例和效果评价等i 5 1 。 太原理工大学硕士学位论文 园家科委于1 9 9 8 年4 月组织专家论证，认为该桩是“以独特 的挤扩方式所形成的新的桩型，对地基土层起到了挤密作用，充 分发挥了桩身上下各持力层的承载作用，大幅度提高了桩的承载 力。”并将挤扩支盘桩技术纳入“重点国家级火炬计划项目”，建 议在全国推广应用【5 1 。 天津市建委于1 9 9 7 年召开专家审定会后，下发了“挤扩支盘 桩应用认定证书”。北京市建委认为“挤扩支盘桩是一项已取得国 内外专利的新技术，能有效地提高桩基承载力，节约原材料，缩 短施工工期，在北京及外省市多项工程建设中得到应用，取得了 良好的经济效益，是一项应用价值较高的新技术”。1 9 9 8 年1 1 月， 科技部等五大部委联合发文将挤扩支盘灌注桩及设备做为“国家 重点新产品”郑重推出【5 】o 目前，挤扩支盘桩这项新技术尽管有显著的经济效益和社会效 益，但其承载机理还不十分清楚，施工设备及工艺有待进一步完 善，整体上还处于技术开发和推广应用阶段。在工程中的应用也 是近几年的事情，无论工程资料的积累还是荷载传递机理、工程 设计理论和方法的研究都不多见。因此，挤扩支盘桩的理论分析 和实用计算方法都有待继续研究。 1 3 挤扩支盘桩的基本原理、工艺分类、施工工艺、 机具、优缺点、支和承力盘设置及适用范围 1 3 1 挤扩支盘桩的基本原理 太原理工大学硕士学位论文 挤扩支盘桩是在钻( 冲) 孔后，向孔内下入专用的液压挤扩支 盘成型机，通过地面液压站控制该机的弓压臂的扩张和收缩，按 承载能力要求和地层条件，在桩身不同部位挤压出对称分布的扩 大支腔或近似的圆锥盘状的扩大头腔后，放入钢筋笼，灌注混凝 土，形成由桩身、分支、分承力盘和桩根共同承载的桩型。 1 3 2 挤扩支盘桩成直孑l 工艺分类”1 ( 1 ) 泥浆护壁成直孔工艺 当地下水位较高时，通常采用潜水钻机、正循环钻机以及冲 击钻机在泥浆护壁条件下钻进成直孔。 ( 2 ) 干作业成直孔工艺 当地下水位较深，且桩身位于水位以上时，采用螺旋钻机进 行干作业钻进成直孔。 ( 3 ) 重锤冲捣成直孔工艺 利用浅部可塑粘性土为依托，向孔内插入套管：然后向管内 灌入碎石或建筑废料；再用重锤冲捣将其挤入孑l 壁，达到一定厚 度，形成直孔。 ( 4 ) 水泥浆护壁成直孔工艺 在干作业成孔时，如果桩身砂土层很厚，孔壁易坍塌，此时 可采用水泥浆护壁，用螺旋钻机成直孔。 1 3 3 挤扩支盘桩施工工艺流程 施工工艺流程为：桩定位放线一挖桩坑一埋设护简一钻机 就位一钻孔至设计深度一钻机移位至下一桩位钻孔，将分支器 吊入已钻孔内，按设计位置挤压分支和承力盘一清孔一下钢筋 笼一下导管一水中灌注混凝土一清理桩头 太原理工大学硕士学位论文 施工工序示意图如图l 一3 所示。 i 酬 ( a )( d )( e ) 图1 3 挤扩支盘桩施工工序示意图 ( 时成扎( ”成盘( 0 成盘( 由清孑k ( 曲下钢筋笼( n 灌注混凝士：( 对成诧 1 34 挤扩支盘桩施工机具 施工机具选用参考下表1 1 所示 表1 1 名称数量备注 成孔钻机2 台钻机用 挤扩设备1 套挤扩支盘用 吊车1 台挤扩支盘用 泥浆泵3 台排浆用 混凝土搅拌设备1 套搅拌混凝土 泥浆运输车2 辆运输泥浆 电焊机2 台制作钢筋笼 钢筋切断机 1 台制作钢筋笼 导管1 套灌注混凝土用 7 枣一 一蛰_ 太原理工大学硕士学位论文 1 3 5 挤扩支盘桩的主要优点 ( 1 ) 它可充分利用桩身上下各部位的硬土层。在相同土层条件 下，它与相同桩径、桩长的普通混凝土灌注桩相比，承载力高， 沉降量小；混凝土用量增加1 0 2 0 ，承载力则可增加6 0 1 0 0 t ”。 ( 2 ) 操作简便。工作人员经短期培训可独立操作挤扩设备。 ( 3 ) 低噪声、低振动、泥浆排放量减少，对环保要求高的市区 尤为适用。 ( 4 ) 节约原材料、缩短工期、降低工程造价。相同单桩承载力 的挤扩支盘桩与普通钻孔灌注桩相比，可节约原材料3 0 5 0 ， 缩短工期3 0 左右，降低工程造价3 0 左右i 8 1 1 9 。 ( 5 ) 抗拔性能、稳定性好。由于桩身的支盘受土体的支撑作用， 改善了桩身刚度，提高了桩的抗拔力，增加了桩的稳定性，提高 了抵抗水平荷载的能力。 ( 6 ) 施工中，技术含量高，机械化程度高。 ( 7 ) 成孔成桩工艺适用范围较广。 1 3 6 挤扩支盘桩的主要缺点 ( 1 ) 设计参数及承载力计算公式尚需进一步完善。 ( 2 ) 因是多节桩，用低应变法监测其完整性难度较大。 ( 3 ) 挤扩力还需增大，以便在硬土层中挤扩成桩。 ( 4 ) 在淤泥质土、风化岩层中使用效果较差。 1 3 7 挤扩支盘桩支和承力盘设置原则 ( 1 ) 承力盘应设置在可塑硬塑状态的粘性土或中密密实 太原理工大学硕士学位论文 状态的砂土或中密密实状态的粉土中，底承力盘也可设置在中 密密实状态的卵砾石层、强风化岩或残积土层的上层面上。设 置承力盘的硬土层厚度宜大于3 d ( d 为桩身直径) ，且各承力盘下2 d 深度范围内不应有软弱下卧层。 ( 2 ) 分支形式有一字型( 双支) 、十字型( 四支，见图l 一2 所示) 、 米字型( 八支，见图1 2 所示) 及其他类型，通常以十字型为主。 分支的作用：作为竖向承载力的补充：增加桩的整体刚度；在桩 身上部的较硬土层中设分支以增加对水平荷载的抗力；当某些地 层设承力盘可能引起坍塌，而此时设分支，因挤扩次数大大减少 而能保证分支腔体直立而不坍塌。分支设置时选择地层的原则基 本上与分承力盘相同。但设置分支的硬土层厚度宜大于2 d ，且各 分支下d 深度范围内不允许有软弱下卧层。 ( 3 ) 分承力盘之间或分承力盘与分支之间的最小间距不宜小 于2 d ，分支之间的最小间距不宜小于1 5 1 9 ( d 为支、盘直径) 。 1 3 8 挤扩支盘桩的适用范围“” ( 1 ) 工艺在软弱粘性土、淤泥质土中施工，成桩长度一般为 1 0 4 0 m ，桩径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用沉管加填料挤密成型，达 到防渗、防缩颈及加强地基、减少地基变形的作用。 ( 2 ) 该工艺在粘性土、地下水位以上施工，成桩长度一般由成 孔深度而定，桩径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用长、短螺旋钻造孔，原 位挤压成型，达到提高地基强度、节约原料、缩短工期、减少沉 降的目的。 ( 3 ) 该工艺在砂土中施工，成桩长度小于5 0 m ，桩径可达3 0 0 太原理工大学硕士学位论文 8 0 0 m m ，采用反循环泥浆护壁成孔，原位挤压成型，达到缩短桩 长、节约材料、缩短工期的目的。 ( 4 ) 该工艺在卵砾石层中施工，成桩长度一般由成孔深度而 定，桩径可达3 0 0 8 0 0 r n m ，采用反循环泥浆护壁成孔，达到提高 承载力、缩短桩长、节约材料、控制变形的作用。 ( 5 ) 该工艺在地下水位以下粘性土中施工，成桩长度一般由成 孔深度而定，桩径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用正、反循环机械成孔， 挤压成型，达到缩短桩长、提高地基承载力、减少承降的目的。 在下列地层情况不能采用支盘桩：淤泥及淤泥质粘土层很 厚，并在桩长范围内无适合挤压支盘的土层；沿海线岩地层， 即地表下软土层较浅，且其以下紧接为岩层，或虽然两者之间夹 有硬土层，但其厚度小，无法挤扩支盘时；由于承压水而无法 成直孔时。 1 4 挤扩支盘桩的承载力计算 普通混凝土灌注桩的单桩竖向承载力一般仍沿用现场静载试 验、经验公式估算以及参考附近的桩基资料来确定，挤扩支盘桩 同普通混凝土灌注桩相同，仍可采用这几种方法进行。静载试验 在同一场地或同一栋建筑物中试桩数量不宜少于总桩数的i ，且 不应小于3 根，工程总桩数在5 0 根以内时不应小于2 根，当单桩 荷载较大或土层变化差异较大时宜适当增加试桩数量，或做相应 的动力测试。还可根据地质报告中提供的各层土物理力学性质和 1 0 太原理工大学硕士学位论文 试验数据，并结合上部结构对单桩承载力的要求来按下式进行估 算【2 0 】： q 旷“q ，m l ，+ 矿p ，j q 舭爿舭+ p p q p k a p ( 卜1 ) 忙l j = l 式中： q 。k _ 一单桩竖向极限承载力标准值( k n ) ； u 一主桩桩身周长( m ) q s i t 一桩身第i 层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验时， 可根据施工工艺按j g j 9 4 9 4 水下钻( 冲) 孔桩或干作业钻孔桩 选用，如有当地经验按经验取值( k p a ) ； n 一桩有效深度范围内的土层数： m 一除底盘外的承力盘与分支个数： l 广桩周第i 层土的计算厚度( m ) ： 当桩周设有支或承力盘时，该处的土层计算厚度l j 按表l 一2 取值。 表1 2 l 粘性土、粉土l砂土l碎石、砾石i 其它 l l h ，一1 2 h j h i - ( 1 5 1 8 ) h l h 。一1 8 h ih 。- - ( i 1 1 2 ) hl 注：h ，一盘问净距( m ) ；h 一盘体高度( m ) 。 q 。k _ 一第j 承力盘所在土层的极限端阻力标准值，如无当地经 验值时，可根据麓工工艺按j g j 9 4 9 4 水下钻( 冲) 孔或干作业 钻孔桩选用，如有当地经验按经验取值( k p a ) ； q 口k 一桩端所在土层的极限端阻力标准值，如无当地经验值时， 可根据施工工艺按j g j 9 4 9 4 水下钻( 冲) 孔或干作业钻孔桩选 用，如有当地经验按经验取值( k p a ) ； a p j k _ 一扣除主桩截面积的第j 承力盘的水平投影面积( m 2 ) i 太霖莲王夫学磺士学往论文 a 旷圭摭桩漆豹嚣积( 玉) ； l l ts i 、1 i r 旷一大或径桩侧、端阻尺寸效应系数，按浅1 3 取值。 表1 3 士类别粘性土、粉士砂土、碎石土 l擎。f l 国8 c t ) “3 iv 。 8 d ) ”m 8 d ) ” 注：玲支擞赢径；d 一生桩直径。 yi 一桩身各支擞所在土层极限端阻力调整系数，水下铺( 冲) 手l 摭鼗1 4 ，子俸数桩取1 0 。宝投攒邀区经验遥翔； 据以上公式估算单桩竖向极限承载力时，桩端、桩侧土的极限 侧陬力和极陵筛阻力按于僚妲方法遴行取德诗算，式中y ；窳下佟 业时取值为1 ，4 ，因通过挤扩对土层挤密的效果的影响范围水平方 向在距桩孔外边1 o m 以内，垂直方向在o 5 m 以内，干密腹的提 裹攥度可这1 5 2 0 左袁，又因支盘钵下表嚣本身为斜瑟设计， 水下作业泥浆护壁成孔时，盘体不易留存沉渣，因此在设计计算 霹，应遥当提高冀承载力，暂定溺藤力在计算对东下传篷按提离 1 4 ，干作业不存在沉渣问题，所以干作业按t 0 计。 当各盘体下2 d 范围内存在软弱下卧屎时，计算承载力时应验 算软弱下卧瀑麴承栽力，菸与式( 1 2 ) 对比取较小馕。计算公式如 下： q 弹k 2 攀p ￥j q 小a 醛( 1 2 ) q p 。k 一承力盘软弱下卧层承载力极限值( k n ) ； q w k j 承力盘下软弱下卧层土极限端阻力标准值，取值方法 同q p j k ( k p a ) n p j k 盘持力膳按e 角扩散后，软弱下卧层顶面积( m 2 ) ； 太原理工大学硕士学位论文 卜盘最大直径以下持力层厚( m ) ； 0 一盘持力层压力扩散角，按下表l 一4 取值 表1 4 e s i e s 2 t = 02 5 d t o 2 5 d 1 4 。1 2 o 3 6 。 2 3 o 5 1 0 。 2 5 。 1 0 2 0 。3 0 。 注：e 。1 、e 。2 为硬持力层、软下卧层的压缩模量；当t 0 2 5 d 时，0 降低取值。 当盘数量多且盘间距较小时，可以按大直径桩( 以盘直径为直 径) 来计算桩基的承载力与式( 1 1 ) 对比取小值。 挤扩支盘桩的承载力设计值取值方法同普通混凝土灌注桩相 同，且抗拔承载力也采用普通混凝土灌注状的计算方法进行计算， 但这样计算显然安全系数较大，还应通过大量的工程实践和室内 外试验来取得更多的经验数据，总结出适合支盘桩抗拔承载力的 计算公式。 1 5 桩基础沉降的理论研究 桩基础沉降的理论研究方法主要有：荷载传递法：弹性理论法； 剪切变形传递法；有限元法及其它一些简化方法【“】【1 2 】。 1 5 1 荷载传递法 荷载传递法也称传递函数分析法，是1 9 5 5 年s e e d 和r e e s e 首 先提出来的，用来分析桩的荷载传递规律及其沉降计算。这种方 太藤理芏丈学礤： 学位论文 法豹基本溉念是恕投划分成诲多强缝单元，每一攀元与之闯溺 非线性弹簧联系，以模拟桩土间的衙载传递关系，表示桩侧摩 阻力与剪讶位移间豹关系，桩端处也用菲线程弹餐与桩端联系。 这些菲线性弹簧麓庭力癍交关系郄为赘载健遽酗数。爨戆娘握 求解微分方程豹途径不弼，磁分为嚣秘方法：熬褥法，燕崮k e z d i 秘後腾倭等摄出；位移协调法，楚由s e e d 和r e e s e 、c o y l e 耩 r e e s e 等提出。 传递溺数法懿哭键是魏侮鞭褥符含实际情况嚣蘅载传递鬣数。 穗裁传递法( 通常也称之必t z 曲线方法) 因形式麓单、易予应用 疆绳戮了广泛麴鍪粳瓤成嗣，缀多学者、专家饕邀行了不同角度 鹣分辑帮研究，撬趣了许多实用的葡载传递函数模黧，鲡双益绫 模型、双拼线模登、指数对数模羹等等。其中以双拆线横螫跑 较篱单虽较符合擎摭实鼯王炸状况，麸蕊褥到广泛鲍应鼹。 凰夕 关予萄裁传递邈数的研究主要有：k r a f t l l 4 】等在1 9 8 1 年建 立了理论旖载传递函数，使褥傣递函数法褥到了避一步晌笈展。 o n e i t l l l 锄蕾先跑较系统魄将传递函数法褥子辩桩分柝，疆 y k c h o w 0 6 1 鄹| 基o n e i l t 的瑷论为基础，获得遴疹发袋。国内关 予梅载传遂涵数麴研究主要鸯：张永谋等在h e y d i n g e r 鄹o ，n e i l l 提如的荷裁传递函数基础上，应用矩晦位移法，建立了种单桩 旖载与沉降的数值分析方泫，并与经典黯弹性理论解及实测数糖 送行了对院，缔聚表鳃滔者有楚静的一致性。鞫吉宝1 1 8 】奁对现鸯 酶擎桩沉降计算的葡载传递法进行了详缀讨论韵蒺弛上，藩霞对 焚载传遂法在拱浸移、缓端浚降计算等闯题处理上，提爨了 新的看法，他认为根据g e d d e s 解可弥补荷载传递法朱考虑桩侧摩 1 4 太原理工大学硕士学位论文 阻力对桩端沉降的贡献，并对荷载传递法进行了改进。 但荷载传递法在理论上有两个缺陷：利用桩身某点的荷载传 递曲线时，只考虑了点剪应力的影响，未考虑桩身各单元间的相 互影响；未考虑土体的连续性，因而荷载传递法不适用于分析 群桩的荷载沉降特性。 1 5 2 弹性理论法 弹性理论法是研究桩基沉降理论用得最多的一种方法，主要原 因是其数学推导过程简单，理论上比较严密。 对弹性理论法曾有许多学者作过研究和改进，如g e d d e s 1 9 根 据弹性半空间中m i n d l i n 应力解答，假定桩侧土反力沿桩轴线按梯 形分布，由此求解出单桩荷载作用下的应力系数，得出单桩应力 解。这种方法中的土反力分布假定局限性大，但计算过程简单。 在国内，近年来亦有一些研究者从事弹性理论的改进和发展，如 陈竹昌和王建华( 采用弹性理论法分析搅拌桩性能的探讨，1 9 9 3 ) ， 宰金珉和宰金璋( 高层建筑基础分析与设计，1 9 9 3 ) 2 1 】。鉴于 y , h h u a n g 2 2 】的分析结论：地基土的非线性性质对土体位移有较大 影响，而对土中的竖向应力和剪应力影响不大，杨敏【2 3 】以边界单 元法为基础，采用m i n d l i n 应力解为基本解，并结合实际地基的非 均质情况对该基本解加以修正，得出的分析结果能够近似适用于 各种实际地质情况。王树娟【2 4 在g e d d e s 附加应力系数的基础上， 将筏板视为弹性薄板从而进行桩土筏板的相互作用分析，并 通过荷载的“c u t o f f ”方法考虑了承台下局部地区土表面及桩承 担的荷载可能达到极限承载力的情况，形成了一套考虑极限承载 太原理工大学硕士学位论文 力下的桩筏基础相互作用的实用分析方法。黄强等人对g e d d e s 方 法加以改进，总结出刚性承台和柔性承台下群桩的计算公式，这 就是建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - - 9 4 ) 【2 5 】。刘前曦口6 】贝0 又重新假 定桩为可压缩，利用桩与土的位移协调条件，进行单桩和群桩的 分析。 已有的弹性理论法中的主要区别在于对桩侧的剪应力分布做 了不同的假定，大体上有三种：以作用在这单元桩段中点处圆 截面上的均布荷载代替( 如n a i r ) 以作用在各单元中点处桩轴线 上的集中力代替( 如d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ，t h u m a n 和 d a p p o l o n i a 等) ；以作用在各单元桩段四周圆环面积上的均布荷 载代替( 如p o u l o s 和d a v i s ，m a t t e s 和p o u l o s ) 。 该方法的缺陷是：弹性模量很难从室内土工试验取得精确的 数值；考虑非均质土时，不得不采用些近似的假设：不能 进行非线性分析。 1 5 3 剪切位移法 剪切位移法由r w c o o k e t 2 7 】于2 0 世纪7 0 年代提出。c o o k e 假 定由于桩上荷载的作用使周围土发生剪切变形，而剪应力又通过 桩侧周围连续环形土单元向四周传递，这一假定的正确性被c o o k e 的桩试验结果所证实。r a n d o l p ha n dw o r t h 2 8 1 【2 9 】在c o o k e 的基础 上，经过进一步的研究，对均质土、非均质土中的单桩和群桩进 行分析。赵锡宏、曹名葆等1 3 0 l 在r a n d o l p ha n dw o r t h 的基础上提出 一个较全面的分析方法，用于考虑桩周土的软化、强化对桩基的 影响。 太原理工大学硕士学位论文 该方法原理简单，但忽略了桩端处的荷载传递作用，在计算单 桩沉降时，对于短桩误差较大。 1 5 4 有限单元法 e l l i s o n 3 1 1 首先使用轴对称有限元法来分析钻孑l 灌注桩。为了更 准确地分析群桩的作用特性，尤其是桩身与土之间的荷载传递特 性，o t t a v i a n i l 3 2 1 将三维有限元用于群桩的分析，他的分析结果表明： 群桩沉降比同样条件下的单桩沉降大：群桩沉降与桩基下的可压 缩层厚度有很大的关系，而单桩不是；在同一深度范围内，土体 中剪应力不是常数，群桩内部土的剪应力很小。 三维有限元虽然精度很高，适用性强，但计算过程复杂，费用 昂贵。所以用有限元法分析群桩时般要对其简化。简化主要有 两种方法：把群桩转化为二维等效平面模型f 3 3 ：把群桩转化 为等效轴对称模型f 3 4 】。目前普遍认为，第二种方法更合理。 p r e s s l ya n dp o u l o s l 3 4 】把一般的方形群桩转化为轴对称形式，并 假定土体为理想弹塑性连续体，从而将二维轴对称有限元用于方 形桩的分析。 y k c h o w l 3 5 1 用一维模型来表示桩，把它离散成一些单元，将 土体视为非均质连续体，土体的作用使用轴对称二维有限元来分 析，桩土在接触面受力平衡且位移协调。用c h o w 的方法可以分析 一般群桩。 h o o p e r 探讨了高层建筑群桩的有限元计算p 6 l 。t r o c h a n i s 等人 用有限元法讨论了单桩和群桩的三维非线性特性，特别讨论了桩 土之间的滑移，并据此提出了单桩和两根桩的近似计算法口7 1 。 太原理工大学硕士学位论文 陈雨孙【3 8 】等人用有限元法模拟了挖孔灌注纯摩擦桩的实测荷 载沉降( q s ) 曲线，对纯摩擦桩的工作状态和破坏机理作了 分析，认为桩侧土体的抗剪强度直接决定着摩擦桩的承载力。 王炳龙p 9 1 用土的弹塑性模型和有限元确定桩的荷载沉降曲 线。 有限单元法虽然能考虑土的非均匀性、非线性特征，桩与土的 应力历史、滑动等情况，能够更好地反映实际问题，但该方法要 求很高的计算机容量，费用昂贵，尤其是对群桩问题的计算。 1 5 5 群桩分析的简易方法 等代墩基础法【1 2 】：假定等代墩基范围内的土体不发生压缩变 形，和实体墩基性质相同；沉降计算与扩展基础的沉降计算相同； 地中附加应力按m i n d l i n 课题确定，或按b o s s i n e s q 课题近似确定。 简易理论法1 4 0 ：董建国、赵锡宏提出的简易理论法在满足基础 承载力的情况下，首先判别能否采用深基础的沉降计算方法，然 后给出使用于短桩、长桩以及超长桩与筏( 箱) 基组合的沉降计算方 法。 超长桩筏( 箱) 基础的沉降计算：根据实测资料，文献 4 l 】总结 出预估沉降的经验公式和一个预估沉降的半经验半理论公式。 1 6 基桩沉降的试验方法及研究现状 1 6 1 基桩沉降计算方法的复杂性和存在的问题 现有沉降计算理论多采用线弹性理论，假定地基土为均匀、连 l s 太原理工大学硕士学位论文 续且各向同性的线性变形体，其变形较小，服从线弹性变形理论， 由于地基土的复杂性，若不符合上述假定，亦就不符合线弹性理 论，采用非线性理论和流变理论，假定地基土是非均匀、非连续、 各向异性的非线性变形体等。这些假定，虽较符合地基土的实际 情况，由于假定条件过于复杂，计算起来很麻烦，目前仍停留在 理论研究上，对实际沉降尚未有满意结果。沉降计算公式中的压 缩模量e s 的选取，因人而异，差别很大，而实际应按自重压力至 自重压力加附加压力作用时的e s 取值。土的力学指标离散性及不 均匀性等也是存在的问题。 1 6 2 桩顶与桩端沉降的实测方法“2 1 众所周知，研究桩的荷载传递特性的最好的方法是静载荷试验 法，静载试验不仅能观测桩顶沉降，测定桩的极限承载力，而且 能观测桩端沉降和桩身应力应变关系。对于大直径桩的静载荷试 验由于要求最大试验荷载往往很大( 一般在6 1 5 m n ) ，因此试验 试桩 图1 4单桩静载荷实验装置示意图 1 9 钢拉杆 焊接处 锚筋 锚桩( 4 根1 太蒙理鼍丈掌疆圭学位论文 一般采爰链擦反力架装量磐蠲慢速维持载旖法热载观测。图1 4 烧试验装置，利用桩帽、压板、钢拉杆将主粱、副梁、锚桩有 视魄连戒一整俸，安全实矮逐应满越i g j 9 4 - - 9 4 麓藏串豹麓定豹 试锚桩间距4 d 和试桩顶应高于地颟不少于6 0 c m 的要求。 试验时可以按规范布置独立的基准梁系统。桩顶沉降是猩露出 地霹豹桩顶浪凝髑冲责铽打出四个测点势翅子分裳或位移传感 器观测得到的。桩端沉降则是预先在打桩时用沿钢筋笼内侧埋设2 寸钢管，然麓秀在2 寸钢警肉下数4 分锶秆( 耱当予灏臻笔芯放在 圆珠笔筒内) ，再在桩顶4 分钢管上设测点米测量得到的。谯两根 2 寸铜管内逐可用声波透视检查桩身质量，箍置如采桩身压碎，可 用分管很方便她定如桩身殛碎豹深度位置。对桩身成力应变则需 在打桩时在钢筋上焊上电阻式或钢法式应变计并在桩顶用专用测 试仪溺褥豹。 1 6 。3 基桩沉降的研究现状 阳吉宝f 4 3 】运用贝叶斯( b a ”s ) 概率公式，通过对上海地区3 0 幢 1 2 2 5 层怒法建筑实测沉醛篷豹绞诗分摄。提鑫窝层建筑壤基沉 降值的概率统计预测法。该方法计算结果的正确与否很大程度上 取决于桩基沉降值与影确冀各因素的统计爨酌多与少，统计样本 越多，特征投沉降区间划分越合理，则预测的沉降馕越可傧。 秦建庆f 删等结禽由变形控制设计水泥土桩复合地基的实践经 验，褥m i n d l i n 应力解瑗予变形诗冀孛，著考虑承涎接懿旗爨桩 长，提出了种按三层地瓣模式计算水泥土桩复合地基变形的方 法。 太原理工大学硕士学位论文 舒翔【4 5 l 等以g e d d e s 关于桩周土中附加应力解公式为基础，改 进了文献【4 6 给出的g e d d e s 法仅适用于不考虑桩身压缩量的刚性 桩和文献 4 7 1 给出的g e d d e s 法仅适用于桩侧摩阻力分布为倒三角 形的柔性桩的计算方法，使g e d d e s 方法可以应用于实际工程上既 非刚性桩又非柔性桩的一般工程桩，扩大了g e d d e s 法的适用范围， 提高了单桩沉降量的计算精度。 对于单桩沉降问题的理论解，有的文献中采用剪切位移法直接 求解微分方程，给出了地基土的弹性模量与深度变化无关时桩顶 沉降的理论解，马克生娜1 等认为在实际工程中遇到的土体模量常 常随着深度的变化而变化，并用待定系数法得到了土的模量与深 度按变化时的桩身沉降与轴力的理论解。 韩柳欣【4 9 1 等利用人工神经网络对我国软土地基上某大型高炉 实测沉降建立了具有非线性时间序列的预测模型，通过实例验证， 预测效果良好，为预测大型设备基础沉降提供了一种新的方法。 王炳龙【3 9 】采用土的弹塑性和有限元法计算钻孔灌注桩荷载与 沉降的关系，并与现场载荷试验结果进行了对比，结果表明：在 容许承载力范围内，计算沉降值与实测值较接近。 赵锡宏【5 0 i 等结合负摩擦力产生的机理，认为软土地区的桩基的 负摩擦力问题主要是沉降问题，而不是强度问题。并利用半理论 半经验的桩基沉降问题计算方法，对承受负摩擦力的桩基的中性 点及桩基的沉降、桩的分担比进行简单的迭代计算，由此可确定 承受负摩擦力的桩基的沉降。 王建华5 1 l 等以神经网络结合信息扩散方法建立了用预估工作 荷载下单桩沉降模型。弹性理论法、三维线弹性有限元法、半理 太原理工大学硕士学位论文 论半经验法与神经网络法的预估值对比表明：神经网络法具有较 强的处理矛盾样本的能力且预估值精度高。 杨军龙5 2 1 等在双折线模型基础上推导单桩桩侧摩阻力的分布， 以m i n d l i n 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降，推导了单桩复 合桩基沉降的解析表达式，计算结果可直接用于单桩分析。 1 7 本课题研究的主要内容 挤扩支盘桩是一种既能带来经济效益又能带来社会效益的新 桩型，但目前还处在边使用边研究阶段，国内外对挤扩支盘桩的 荷载传递机理进行了一些研究，但对其沉降的分析甚少，为能更 清楚地了解挤扩支盘桩的沉降变形特性，为工程应用提供可靠的 理论依据，本课题拟通过现场静载荷试验、g e d d e s 公式法、有限 元法和规范法，对竖向荷载作用下的挤扩支盘桩单桩和群桩的承 载和变形进行分析，具体内容如下： ( 1 ) 通过现场静载荷试验，系统地探讨挤扩支盘桩单桩的沉降 特征、桩身轴力传递规律、承力盘的受力特性；还定量分析使用 挤扩支盘桩所带来的经济效益。 ( 2 ) 以g e d d e s 公式为基础，提出计算挤扩支盘桩单桩沉降计 算公式，并用有限元法和工程实测值加以验证。 ( 3 ) 通过轴对称有限元法，分析在竖向工作荷载作用下挤扩支 盘桩单桩和直桩的沉降和应力分布规律。 ( 4 ) 利用规范法中的有关理论，结合具体的工程实例，对 挤扩支盘桩群桩的沉降进行计算及分析。 太蘸理王大学鞣圭举位论文 。8 本章夺结 本章是钛柱基磷抟发震开始，谈到了接扩支鑫毽静发震躐援、 基本原理、施工流程以及桩熬沉降计算理论等内容。总结本章， 要注意以下凡方面的内容： 8 0 ) ， 取s = 6 0 8 0 m m 对应的荷载。 图2 33 4 试桩桩身轴力图 2 2 6 试验结果整理 第一组试桩 l 。试桩加载至8 2 5 0 k n ，桩身总沉降2 4 9 6 3 m m ，超过设计要求 7 5 0 k n ，停止加荷。每级荷载、沉降及稳定时间如表2 - - 3 所示。q s 曲线及s 1 0 戳曲线分别见图2 4 、2 5 所示。 1 。试桩单桩竖向静载试验沉降结果汇总表表2 3 荷载沉降增量累计沉降观察时间 ( k n 、( r a m )( m m )( r a i n ) 1 5 0 01 1 3 5 1 1 3 51 2 0 2 2 5 01 0 2 92 1 6 41 5 0 3 0 0 01 1 3 i3 2 9 51 2 0 3 7 5 02 2 0 55 5 0 01 2 0 4 5