（岩土工程专业论文）预应力管桩承载力的分析研究.pdf

摘要 预应力混凝土管桩是从2 0 世纪8 0 年代末在我国开始应用较多的一种预制桩型。由于 该桩型具有工艺简单、质量可靠、施工速度快、造价较低、检测方便等优点，因而在工 程中得到了相当广泛的应用。虽然如此，预应力混凝土管桩的设计计算理论及施工技术 仍需要进一步完善。 管桩设计的关键是竖向单桩承载力的确定，但目前国际上关于预应力管桩竖向承载 力计算的经验公式不多，国内也没有一种计算方法形成主导。如果按照现行规范的经验 公式来确定单桩承载力，往往比通过静载荷试验所得的试桩值低很多。本文从分析预应 力管桩的两大效应一土塞效应和挤土效应着手，详细剖析了预应力管桩的受力性状以及 独特的承载机理，阐明了土塞效应和挤土效应的存在是预应力管桩单桩竖向承载力提高 的主要原因。 根据土塞效应与挤土效应对预应力管桩竖向承载力的影响，本文对大量的预应力管 桩竖向静载荷试验结果进行了统计归纳，并对管桩实际承载力与设计计算承载力之间的 差异进行了分析研究，提出了对现有的计算方法的修改建议，并通过计算值与实测值的 对比，验证了修正后计算公式的实际意义，希望能为今后预应力管桩设计提供一定的分 析与参考价值。 本文对预应力混凝土管桩的设计方法及施工技术进行了探讨，其结果具有一定的工 程实际意义。 关键词：预应力混凝土管桩，竖向承载力，土塞效应，挤土效应 t h e a n a l y s i so fv e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e s h a om i n g d o n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c e - p r o f s u nx i u z h u 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 sw i d e l yu s e di nt h e8 0 so f2 0 t hc e n t u r y ，a n di ti sa s p e c i a lt y p eo fp r e f a b r i c a t e dc o n c r e t ep i l e t h i st y p eo fp i l eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s s i m p l et e c h n i q u e ，b e a e rq u a l i t y ，f a s tc o n s t r u c t i o nl o w c o s ta n dc o n v e n i e n td e t e c t i o n ，s oi th a s b 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 g t h o u g h 、) l ，i t ht h ea b o v em e r i t s ，i t sd e s i g n t h e o r ya n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u en e e dt ob ef t l r t h e rp e r f e c t e d t h ek e ye l e m e n ti nt h ed e s i g no fp i p ep i l e si st h ed e t e r m i n a t i o no ft h ev e r t i c a lb e a r i n g c a p a c i t yo f as i n g l ep i l e h o w e v e r ，t i nn o w , t h e r ea r eo n l yaf e we m p i r i c a lf o r m u l a sa b o u tt h e c o m p u t a t i o no ft h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l ei nt h e w o r l d w i d ea n dt h e r ei sn ol e a d i n gm e t h o di nc h i n a i ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep i l ei s d e t e r m i n e db a s e do nt h ee m p i r i c a lf o r m u l ao ft h ec u r r e n td e s i g nc o d e ，g e n e r a l l yi tw i l lb e m u c hl o w e rt h a nt h a tb ys t a t i cl o a dt e s t i nt h ep a p e r ，b a s e do nt h es o i lp l u g g i n ge f f e c ta n d s o i lc o m p a c t i o ne f f e c t , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h eb e h a v i o ro fs t r e s sa n di t su n i q u em e c h a n i s mo f b e a t i n gi nd e t a i l s i ta l s oi l l u s t r a t e st h a tt h es o i lp l u g g i n ge f f e c ta n ds o i lc o m p a c t i o ne f f e c ti s t h em a i nr e a s o nf o rt h ee n h a n c e m e n to ft h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep r e - s t r e s s e d p i p ep i l e b a s e do nt h ei n f l u e n c eo fs o i lc o m p a c t i o ne f f e c ta n ds o i lp l u g g i n ge f f e c to nt h ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t yo fp h c ，t h i sp a p e rc o u n ta n dc o n c l u d el a r g eq u a n t i t yc a s e so f s t a t i cl o a dt e s t r e s u l t sa n da n a l y s i st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r a c t i c a la n dd e s i g n i n gb e a t i n gc a p a c i t y ，t h e n p u t sf o r w a r dan e wm e t h o da b o u tt h ec a l c u l a t i o no ft h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l e p i l e t h r o u g ht h ec o n t r a s to fc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dm e a s u r e dr e s u l t ，t h ea u t h o rv e r i f i e st h e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h en e wm e t h o d i th o p e st h i sp a p e rw i l ls u p p l ys o m er e f e r e n c ev a l u e a n dh e l p f u lf o rt h ed e s i g no fp h ci nt h el a t e r t h e s er e s e a r c h e so ft h ed e s i g nm e t h o da n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fp r e s t r e s s e d c o n c r e t ep i p ep i l ea r eo fi m p o r t a n tp 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 e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e ，v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t y ，s o i lp l u g g i n ge f f e c t ， s o i lc o m p a c t i o ne f f e c t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：矽多年d 多月上7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 呦年心月矽日 日期：。矿移年矿歹月矽e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章引言 桩基是深基础的一种，其作用是将上部结构的荷载，通过较软弱地层或水传递到深 处较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩基具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、 沉降速率低而收敛快等特点。 桩基础是应用比较广泛的基础类型，也是最古老的基础之一。人类在远古时代就开 始应用木桩支承房屋并经历了漫长的历史时期。1 9 8 1 年美国考古学家在智利发现的木桩 距今至少已有1 2 0 0 0 年。我国在房建中应用木桩基础也有7 0 0 0 年历史。到了1 9 世纪后期， 钢、水泥、混凝土和钢筋混凝土相继问世，桩基础才广泛应用于不良地质条件下建造的 桥梁、房屋建筑、重型厂房和各种具有特殊要求的建筑物，成为广泛采用的基础形式之 一。 在2 0 世纪2 0 年代，特别是第二次世界大战以后，桩基的理论和技术才有了更大的发 展，桩的应用范围也不断扩大，出现了形形色色的，花样繁多的桩型，例如高强度钢筋 混凝土桩、钢管桩、预应力钢筋混凝土管桩( 以下简称预应力管桩) 等。预应力管桩是预 应力技术与离心制管技术结合的产物。按照预应力张拉工艺，预应力管桩可分为后张法 预应力管桩和先张法预应力管桩。后张法预应力管桩又称大直径预应力管桩，桩身采用 离心一辊压一振动复合工艺成型。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成 型制成的一种空心圆筒体细长混凝土预制构件，主要有圆筒形桩身、端头板和钢套箍等 组成。预应力管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩和预应力高强度混凝土管 桩。预应力混凝土管桩代号为p c ，预应力高强度混凝土管桩代号为p h c 。p c 桩的混凝土 强度等级不得低于c 5 0 ，p h c 桩的混凝土强度不得低于c 8 0 。1 9 1 5 年澳大利亚人 w r h u m e 发明了用离心法密实砼的成型方法。1 9 3 4 年日本开始制造钢筋砼离心管桩 ( r c 桩) ，1 9 6 2 年制成预应力管桩( p c 桩) ，1 9 7 0 年创制了预应力离心高强度砼管桩( p h c 桩) 。我国应用预应力管桩最早的地区是台湾省，从六十年代中期开始就生产p c 桩。北 京丰台桥梁厂是我国研制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 q 0 4 0 0 8 0 和q ) 5 5 0 1 0 0 的p c 桩，主要应用于铁路工程和桥梁工程中。1 9 8 0 年日本人在香港 建厂生产高强度预应力管桩( p h c 桩) ，| 0 4 0 0 9 7 管桩的单桩承载力标准值高达2 0 7 4 k n ， q ) 5 0 0 1 0 0 管桩的单桩承载力标准值高达2 8 6 5 k n 。1 9 8 4 年广东省构件公司、广东省基础 第1 章引言 公司、广东省建科所研制成功预应力混凝土管桩。1 9 8 7 年交通部三航局混凝土预制厂全 套引进日本生产p h c 管桩的生产设备，专门生产9 6 0 0 ，9 8 0 0 和t p l 0 0 0 的较大直径的预应 力管桩。1 9 9 3 年以后宁波水泥制品厂也开始生产p c 桩和p h c 桩。预应力管桩在我国应用 的历史已有三十年了，但真正得到迅速发展还是近十年的事。预应力管桩( 尤其是大直 径的预应力管桩) 在一定程度上克服了实心桩在沉桩过程中的挤土影响，同时又比钢管 桩的造价低2 0 - 3 0 ，具有非常强的实用价值。 1 2 国内外预应力管桩发展概况 1 2 1 概述 目前，在预应力管桩的竖向承载力计算时，通常从两个方面考虑。一是按桩身结构 强度确定单桩竖向承载力，即核定桩身最大允许轴向承压力( 轴向抗压强度) ，此时需根 据桩周土质情况分析桩的纵向弯曲的影响( 稳定系数缈) 。一是按土的强度与变形来确定 单桩竖向承载力，一般情况有静载试验法、经验参数法、静力触探法、动测法等几种方 法。 1 2 2 国外预应力管桩发展概况 1 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 e 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 a5 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 ) ，19 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 a5 3 3 7 ) ，并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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 - - 一8 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。 19 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： p h c 管桩在抗震方面有很大的优势。从而，管桩产量又逐年回升。 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、施工安全、 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。 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力，日本和英国一般按公式( 1 1 ) ： r = 0 2 5 ( f 。- v 卵) 彳 ( 1 - 1 ) 式中：r 一管桩桩身额定承载力； f 一管桩桩身混凝土极限强度； v 雕一桩身有效预压应力； 彳一桩身有效横截面积。 动测法是指桩的动力测试，它是通过测定桩对所施加的动力作用的影响来分析桩的 工作状态的一类方法的总称。从桩的承载机理出发，可以按照桩土体系在动力作用下应 变的大小归纳为高应变和低应变两大类。高应变动测法是指具有足够击振能量，足以使 桩土之间发生相对位移，桩产生永久贯入度的动测法，例如史密斯( s m i t h ) 法、凯司( c a s e ) 法等。低应变动测法则指击振能量较小，只能激发桩土体系某种弹性变形，而不能引起 桩土相对位移的动测法。例如桩基参数动测法、机械阻抗法等。高应变动测法现己作为 确定单桩承载力的实验手段之一。国际土力学基础工程学会( i s s m f e ) 野外及实验室试验 委员会正式推荐高应变动测法可用以确定桩的参考轴向承载力。 静力触探试验，简称静探，最早应用于三十年代的荷兰。半个多世纪以来，静探的 探头和加压、记录设备有很大改善，许多国家的学者研究提出了用静探评价单桩承载力 的方法，并在一些国家技术归程中被正式纳入。国外通过静探试验确定单桩承载力的计 算公式见表1 1 。 3 第1 章引言 表1 1 静力触探试验确定单桩承载力 t a b l e l - 1d e t e r m i n i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l eb y s t a f i eg o n ep e n e t r a t i o nt e s t 国家公式备注 希腊 只= 志 q c a + 2 - - 急0 呜 英国 荷兰 只= 去k 。么】 双桥探头 印度 只= 去“2 i _ _ a ，5 q 石c 前苏联 只= o 。7 陋日么+ 厶4 ，】 法国 只= 了i m 三u 去幽 单桥探头 注：表中g c 为双桥探头的锥头阻力；q 。不同土层g 。的加权平均值；a 为锥底面积；a ，为侧 壁面积：r 为端头阻力；厶为侧壁摩阻力。 1 2 3 国内预应力管桩发展概况 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。 6 0 年代，铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径4 0 0 r a 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 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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，己将“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 胛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 9 9 8 年，全国约生产预应力混凝土管桩2 0 0 0 万米，其中广东省占7 0 。我国现已 成功研制出f 1 0 0 0 m m x 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；己生产出f 1 0 0 0 m m x 2 8 m 大型滚焊机并成功应用于预应 力钢筋的加工工艺。 我国预应力管桩的常见规格见表( 1 2 ) ： 表1 - 2 预应力管桩常见规格 t a b l e l - 2t h ee o m m o ns p e c i f i c a t i o no f t h ep r es t r e s s e dp i p e 种类混凝土等级 外径( m m )壁厚( 删n )长度( m )桩身竖向极限承载力标准值( 1 姗 5 0 0 1 0 01 2 3 9 7 0 - 4 0 7 0 5 5 0 1 0 0 、1 2 51 2 4 4 7 0 4 5 8 0 p h c 型 c 8 0 6 0 01 0 0 、1 1 0 、1 3 01 54 9 3 0 6 2 3 0 8 0 0l l o1 57 4 3 0 - 7 6 4 0 4 0 07 51 22 0 1 0 5 0 0 1 0 01 2 3 2 7 0 3 3 6 0 p c 型 c 6 0 5 5 01 0 01 23 6 5 0 3 7 9 0 6 0 01 0 0 、1 1 0s1 54 0 2 0 - - 4 5 4 0 3 0 05 0s1 01 0 6 0 4 0 05 5 、6 51 21 6 l o 1 8 3 0 p t c 型 c 6 0 5 0 0 6 01 2 2 2 3 0 ( 薄壁) 5 5 06 0 、7 0 1 2 2 4 8 0 2 8 1 0 6 0 07 01 23 l o o 5 第1 章引言 1 2 4 工程实践中确定单桩极限承载力的常用方法 1 、单桩竖向抗压静载试验 单桩竖向抗压极限承载力( 以下简称单桩极限承载力) 的确定仍以静载试验最为可 靠，但静载试验的最大缺点是费用、时间、人力的消耗都较高，大量推广应用显然是不 现实。 按照桩基规范( j g j 9 4 9 4 ) 的规定，采用现场静载试验确定单桩极限承载力标准 值时，在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的l ，工程总桩数在5 0 根以内时不应 少2 根，其他条件下不应少于3 根。单桩极限承载力标准值尚须根据试桩位置、实际地质 条件、施工情况等综合确定。 按照桩基规范( j g j 9 4 9 4 ) 的规定，出现下列情况之一时，即可终止加荷。 ( 1 ) 某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5 倍； ( 2 ) 某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2 倍，且经2 4 d x 时 尚未达到相对稳定； ( 3 ) 己达到锚桩最大抗拨力或压重平台的最大重量时。 单桩竖向极限承载力可按下列方法综合分析确立。 ( 1 ) 根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力：对于陡降型q s 曲线取q s 曲线 发生明显陡降的起始点； ( 2 ) 根据沉降量确定极限承载力：对于缓变型q , - - , s l 抽线一般可取s = 4 0 - - , 6 0 m m 相对应 的荷载：对于大直径桩可取s = 0 0 3 一0 0 6 d ( d 为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值) 所对应的荷载值；对于细长桩( 1 d 8 0 ) 可取s = 6 0 - - - 8 0 m m 对应的的荷载值。 ( 3 ) 根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力：取s - - q g t 曲线尾部出现明显向下弯 曲的前一级荷载值。 2 、经验方法确定单桩极限承载力 桩基规范( j g j 9 4 9 4 ) 规定，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系 确定单桩竖向极限承载力标准值时，按下式计算1 4 】： q k = 绋+ 纵= 材q ，庸l + g 础a ， ( 1 - 2 ) 式中：纵一单桩竖向极限承载力标准值； 瓯一单桩总极限侧阻力标准值； 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 纵单桩总极限端阻力标准值； ”一桩身周长； g 破一桩侧第f 层土的极限侧阻力标准值，可从规范查得或根据当地经验取 值； ，一桩穿越第f 层土的厚度； g 碡一极限端阻力标准值，可从规范查得或根据当地经验取值； 彳p 桩端面积。 预应力混凝土管桩基础技术规程( d b j t 1 5 2 2 9 8 ) ( 以下简称管桩规程 ( d b j t 1 5 2 2 9 8 ) 基本沿用了上述的办法去确定单桩竖向极限承载力标准值，管桩的极限 侧阻力标准值和极限端阻力标准值也是根据桩基规范( j g j 9 4 9 4 ) 中关于混凝土预制 桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值给出，但根据广东的实际情况补充了花岗岩 残积土和强风化岩的力学指标。但管桩规范) ) ( d b j t 1 5 2 2 9 8 ) - 9 桩基规范) ) ( j g j 9 4 9 4 ) 的不同之处是管桩侧阻力和端阻力都乘上一个修正系数。这是由于管桩强度高，耐打性 好，贯穿力强，使管桩承受比普通预制桩大得多的锤击能量，锤击能量转化为桩端的挤 密效应使桩端土的力学性能得以改善从而提高了端阻力。同时由于管桩在打入过程中对 桩周土的挤密、重塑固结作用亦较普通的预制桩大，桩侧阻力亦有提高，但相对而言， 桩端阻力提高比桩侧阻力提高来得大，因此桩侧阻力最大提高到1 1 0 倍，而桩端阻力最 大提高到1 3 5 倍，不同类型的土修正系数有所不同。 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力能节省 大量的费用和时间，现行国家有关规范的经验方法确定单桩极限承载力的公式都比较简 单，设计人员使用起来也很方便。但实践表明，桩侧阻力和桩端阻力不仅决定于地的状 态和密度，还与桩的长径比、桩型、成桩工艺等诸多因素的影响。土体本身的力学性能 的离散度亦很大，而且具有强烈的地方性。现行国家有关规范的经验方法所推荐的桩侧 阻力、端阻力的力学指标都是根据一些地方的工程实例调查研究得出，再考虑使用范围 进行修正，忽略了地方性。一些规范规定的内容在地方使用起来可能与工程实践有很大 的出入，因此用这种方法确定单桩极限承载力时一定注意要结合地方的特点，另外还要 注意地方适用性的问题。 另外，随着预应力管桩在国内的广泛应用，许多学者和工程技术人员，在静载荷试 7 第l 章引言 验、高应变动测基础上，结合实际工程经验，归纳出很多经验公式，并在实践中起到了 较好的指导作用。 在广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程d b j t 1 5 2 2 9 8 中，根据土的物理 指标与承载力参数之间的关系确定单桩竖向极限承载力的计算公式： a 址- u z 六，g m ，j + 孝，g 肚彳， ( 1 - 3 ) 式中：一单桩竖向极限承载力标准值； 磊；一桩的第f 层土的侧阻力修正系数； 孝口一桩的端阻力系数； g m 一桩侧第f 层土的极限侧阻力标准值； 一桩穿越第f 层土的厚度； g 砖极限端阻力标准值； 4 桩端面积。 天津市勘察院的李连营教授级高工，通过对天津地区大量预应力管桩静载荷试桩结 果的分析，部分考虑内壁的侧摩阻力，并对桩端面积和极限端阻力标准值进行了修正， 提出了修正公式【捌： q 址= ( “l + a u 2 ) ，g m + 枷p q ( 1 - 4 ) 式中：纰一单桩竖向极限承载力标准值； 材。一管桩外壁的周长 “：一管桩内壁的周长； 口一“土塞 效应修正系数，根据持力层上性可按表1 3 查取； ，一桩穿越第f 层土的厚度； g m 一桩侧第f 层土的极限侧阻力标准值； 6 一极限端阻力标准值修正系数，根据持力层土性可按表1 3 查取。 g 威一极限端阻力标准值，可从规范查得或根据当地经验取值； 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 彳j p 一桩端面积。 表l - 3 口，b 取值 t a b l e l - 3t h ev a l u eo f 口，b 粘性土粉土砂土 天津市岩土工程技术规范a 值 o 1 50 3o 4 ( d b 2 9 2 0 2 0 0 0 ) b 值 1 o1 o 1 0 建筑桩基技术规范 a 值0 30 5o 6 ( j g j 9 4 9 4 )b 值1 01 11 2 3 、标准贯入试验确定单桩极限承载力 在管桩基础的设计与施工中，不少技术人员对原位测试方法中的标准贯入试验积累 了一定的应用经验，将标准贯入击数n 作为管桩设计及施工中确定某些指标的重要参考 依据。如判定管桩可打性，选定进入持力层深度，选择岩土力学指标等。但我国未见有 规范是由标准贯入试验进行桩的极限承载力推算的。日本钢管桩协会的规范钢管桩的 设计与施工中对此有一些相关的规定。 钢管桩的设计与施工( 日本钢管桩协会( 1 9 7 7 ) ) 规定由标准贯入试验进行桩的极 限承载力推算时按下式考虑： r 。= 3 0 _ 彳，+ 警m 小警m t ( 1 - 5 ) 式中：尺。一桩的极限承载力( 吨t ) 5 一自桩端向下1 o d ( d 为桩的直径) 和向上4 0 d 之间的平均值； a p 一桩端面积( m 2 ) ； 砂质土部分的实测值； 甲一桩的周长( m ) ； 三。砂层中的桩长( m ) ； 三。一粘性土中的桩长( m ) ； g 。一粘性土中的单轴抗压强度( t m 2 ) ； 9 第1 章引言 上式是把m e y e r h o f 的承载力理论与实际情况及承载力的性质状态等综合起来进行 考虑所用的计算公式，其中第1 项为桩端地基的承载力，第2 项为砂质土中桩周摩擦力， 第3 项为粘性土中桩周摩擦力。 在上式的第l 项中，对于容易测得过高n 值的砂砾层及岩基，一般可将桩端地基的极 限承载力定为下列数值：砂砾层为1 8 0 0 t m 2 ，软质岩层为2 0 0 0 t m 2 。 广东一些工程技术人员根据管桩多年来的使用经验，亦提出一些经验公式。广东建 设实业集团公司副总工王离高工提出了华南地区管桩竖向承载力的经验公式( 以下简称 王离公式) 1 0 i ： r l = 1 0 0 n a j 口口+ 甜，q “ ( 1 6 ) 式中：墨一管桩竖向承载力标准值( k ； 一桩端除强风化岩的标贯值； a p 桩尖( 封口) 投影面积( m 2 ) ； 口一管桩桩径影响系数，当( p 5 0 0 r a m 时，口= o 9 。 材口桩身周长( m ) ； ，。进入各土层的桩长； g 对一桩周土的摩阻力标准值( 1 ( p a ) ； 此公式的适用范围： ( 1 ) 管桩桩尖必须进入n 5 0 的强风化岩层；当n 6 0 时，取n = 6 0 。 ( 2 ) 当计算出来的凡大于桩身额定承载力时，取吼等于额定承载力。 广州大学的宋建军对淤泥地区，桩端持力层为硬塑一坚硬风化残积土，锤击式预应 力管桩单桩竖向承载力进行了研究。通过对大量静载荷实验数据的归纳和总结，宋建军 提出了以下经验公式【3 7 】： r 女= ( 1 5 0 n a p - i - u p 州) + 玎p q 副t ( 1 - 7 ) 式中：风一管桩竖向承载力标准值( k n ) ； 一桩端除强风化岩的标贯值； “口一桩身周长( m ) ； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 9 ，一风化残积土桩周摩擦力的标准值，经过反算，取值8 0 k p a ； ，一管桩进入风化残积土持力层的桩长。 g 鲥一桩周土的摩阻力标准值( 1 ( p a ) ； ，进入各土层的桩长； 4 、用海利公式确定单桩极限承载力 海利( h i e l y ) 公式计算桩的极限承载力纵的表达式为 如= 掣 ( 1 - 8 ) 2 式中：= 等 e 一收锤时的冲击能量( m m q ，当有柴油锤打桩时，取( e = 1 2 1 3 ) w h ， 当送桩时，取e = w h ； s 一最后贯入度计算值( m m 击) ； 形柴油锤冲击体重量( ； 日锤落距( m m ) ； 7 7 锤击效率系数，一般取0 9 ； 如单桩竖向极限承载力标准值( k 如； 尸一桩身桩帽质量之和删) ； p 一回弹系数，一般取0 4 ； c 一瞬时弹性变形值( i 砌) ，c - - c 。+ c ，+ c g ；其中，c p + c g 为桩身和桩端土 体的弹性压缩量，从收锤回弹曲线上实测，约为1 2 - - - 2 5 m m ，c 。为桩帽 的瞬时弹性压缩量，可取3 m m 。 海利( h i e l y ) 公式在历史上曾经作为确定桩极限承载力的依据。事实上它是根据土的 动力特征来计算桩的承载力，但土的动力特性与静力特性根本不同，所以它们不能准确 计算桩的静态承载力，现在基本上淘汰不用。但对它并不能因此而全盘否定，静力公式 也并非完美，例如在同一建筑物，两根直径相同，桩长相等的管桩，不论其管壁厚或薄， 甚至实心，由静力公式算出来的承载力都是相等的，这与实际是有出入，海和j ( h i e l y ) 公 第1 章引言 式对它们就有所区别。 现在海利( h i l e y ) 公式在管桩施工中主要用来确定收锤条件，式( 3 5 ) 可以写成以下形 式： j ：翌：型：垒一旦 ( 1 9 ) 纵 2 这样我们知道锤重、管桩规格和设计要求的极限承载力，就可以确定出一个收锤的 条件。但从施工经验来看这个收锤条件偏于严格，而且这个收锤条件一定要与地质报告 结合使用。 1 3 本文的研究内容 本文首先从混凝土预应力管桩的基础知识入手，对管桩的特点，施工工艺以及在实 际应用中应当注意的问题进行了探讨。 针对目前在预应力管桩的设计当中对于单桩竖向极限承载力标准值的计算并未对 预应力管桩的受力性状进行详细的剖解和进行有机的结合，因此还无法真实的体现管桩 的承载机理，即无法反映预应力管桩极限承载力。本文正是从预应力管桩的受力性状的 分析着手，对管桩的荷载传递与机理方面的独特结构效应进行了详细的研究，并结合对 相关数据的收集、归纳和分析，提出了对目前所采用的计算方法进行修正的建议。 结合实际工程对新的方法进行进一步的分析与验证。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章预应力管桩的特点 2 1 预应力管桩的优缺点 实践证明预应力管桩有如下优点【2 】： 1 、单桩承载力高。预应力管桩桩身混凝上强度高，有的高达8 0 m p a ，并可打入密 实的砂层及强风化层，桩尖进入强风化层或密实砂层后，经过强烈的挤压，桩尖附近的 强风化层或密实砂层己不是原始状态，桩端承载力可比原状提高8 0 - 1 0 0 ，所以管桩 承载力设计值要比同样直径的沉管灌注桩或钻孔灌注桩高。 2 、设计选用范围广。由于管桩规格多，常见规格多，单桩承载6 0 0 k n - - 4 6 2 0 k n ， 既适用于高层建筑，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 、因为管桩桩节长短不一，常用1 0 1 2 m 一节，也有1 5 1 6 m 一节，也有4 - - - - 5 m ， 6 - 7 m 的短节，搭配灵活，节长方便，在施工现场可随时根据地质条件的变化调整节桩 长度，节省用桩量，不会象普通的预制混凝土方桩那样容易出现桩长不足或者余桩林立 的现象。 4 、单位承载力造价便宜。衡量桩基的经济效益，应该用单位承载力( 每吨或每l 的造价作对比。虽然管桩每米造价比沉管灌注桩贵，但单桩承载力高，结果每吨承载力 造价还是比沉管灌注桩便宜；虽然管桩单方混凝土造价比人工挖孔桩和钻孔桩高，但持 力层比人工挖孔桩和钻孔灌注桩浅，所以每吨承载力的造价在正常情况下还是比挖孔桩 和钻孔桩便宜。 5 、运输吊装方便，接桩快捷。管桩节长一般在1 3 m 以内，桩身又有预应力，起吊时 用特制的吊钩勾住管桩的两端就可以方便地吊起来。 6 、成桩长度不受施工机械的限制。管桩成桩后的长度，大部分为2 0 - 3 0 m ，短者5 6 m ，长者达5 0 m 以上。由于管桩搭配灵活，成桩长度可长可短，不象沉管灌注桩受施工 机械的限制，也不象人工挖孔桩那样，成桩长度受地质条件限制。 7 、施工速度快、工效高、工期短。管桩施工速度快，一台打桩机每台班可打7 8 根 桩，可完成2 0 0 0 0 k n 以上承载力的桩基工程。管桩工期短，主要表现在以下三个方面： 施工前期准备时间短，尤其是p h c 桩，从生产到使用的最短时间只需3 - 4 天；施工 速度快，一栋2 万m 2 建筑面积的高层建筑，一个月左右便可沉完桩；检测时间短，2 】3 第2 章预应力管桩的特点 3 个星期便可测试检查完毕。 8 、桩身耐打，穿透力强。因为管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩身可承 受重型柴油锤成百上千次的锤击而不破裂，而且可穿透5 - 6 m 厚的密集砂隔层。从目前 应用情况看，如果设计合理，施工收锤标准定得恰当，施工打桩的破损率一般不会超过 1 ，有的工程甚至没有打坏一根桩。 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 l 、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： 1 、所需的生产、施工设备投资较大。 2 、用锤击法施工时，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，但静压架进出场搬运不方便。预应力管桩施工属于挤土桩，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。 2 2 预应力管桩适宜的地质条件 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 、孤石、老基础及地下障碍物多的地层不宜采用。这种地基会造成管桩施工的困 难，容易产生如下质量问题： ( 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，而有的桩打不下去，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 ) 管桩桩尖容易破损，桩头容易打烂。 2 、有坚硬的夹层且该夹层又不能作为持力层时，不宜选用或慎用。有些场地存在 有一层或多层次密实状态的沙砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 力层，桩基必须穿越此坚硬夹层到下部坚硬的持力层，较厚的硬夹层会给施工带来麻烦， 要么穿不了，要么破损率很高，不能保证工程的质量。 3 、持力层太深。一般管桩的持力层超过4 0 m 时，其经济效果将明显降低，并且其长 径比部分也难以满足相关规范的要求。 4 、从软土层直接进入中风化或微风化基岩的地基，要慎用管桩。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 动及上台，桩基质量得不到保证。 5 、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 长很难拧制，客易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳定性差等现象。 2 - 3 预应力管桩的施工工艺 1 、施工方法的分类 预应力混凝土管桩的施工方法主要有锤击法、静压法等。选择何种施工方法要根据 场地条件( 周边环境、场地大小、地质情况) 来决定。 ( 1 ) 锤击法施工 用锤击法施打预应力混凝土管桩具有穿