（土木工程专业论文）am工法桩施工技术及承载性能研究.pdf

l 1， 卜 、 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名兰色磊 日期：也：22 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 宝王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：芷磊签名：主已蕴 导师签名：， 日期： ! 翌：、乜 一： i 摘要 摘要 天津小白楼地下开发工程中间桩基经过比选采用两次扩孔的扩底桩，施工采 用a m 工法新技术，在天津地区是首次应用，在全国也不多见，没有规范标准可 依，抗压承载力、抗拔承载力等各种技术参数需要通过试桩验证，成桩质量要求 非常严格。本文根据a m 工法桩的成桩工艺，基于a m 工法桩的静载荷试验数 据及静载荷试验数值等方法，对双扩孔桩的承载性能及影响因素开展了研究工 作。 在对a m 工法桩施工工艺进行研究的基础上，研究制定了桩位控制、垂直度 控制、扩底成型控制、沉渣厚度控制、桩头高度控制五方面措施，进行成桩质量 控制，得到了很好的结果。 基于a m 工法桩的静载荷试验数据及静载荷试验数值计算，研究了扩底桩的 竖向承载性能和荷载传递机理，分析了等直径桩和扩底桩承载特性的异同。研究 表明，扩底桩的承载力要大于等直径桩的承载力。桩顶荷载逐级施加，桩侧摩阻 力逐步发挥到极限值，上部土层侧摩阻先于下部发挥作用，桩侧摩阻力先于桩端 阻力发挥。桩侧摩阻力的发挥受到埋深和土层性质的影响，埋深不同、土层性质 不同桩侧摩阻力发挥性状不同。承载力达到极限时，第二次扩底部位阻力占总荷 载的1 7 ，端阻力占总荷载的比例达到2 0 ，扩底起到了很好的作用。 最后考虑了桩土间滑移、脱离及土的非线性等影响因素，采用有限差分数值 方法建立基本计算模型，对桩长、桩径、扩底次数、扩底桩径、桩身模量等影响 单桩承载性状的因素进行分析研究。计算结果表明，扩底桩的承载能力随着桩长、 桩径、扩底次数、扩底桩径、桩身模量增加而增大，一定桩长下桩径、扩底次数、 扩底桩径存在一最佳值。 关键词：成桩质量试验分析数值模拟承载性能影响因素 a b s t t a c t i i 一 一 i i - i a b s t r a c t a b s t r a ct e i d a r g e dt o ep i l ew i n lt w i c er e a m i n gw a se l e c t i e da st h ei i l i d d l ep i l ef b u l l d a t i o ni n t i 觚j i n ) ( i a o b a i l o u1 1 1 1 d e 唧u n dd e v e l o p m e n tp r o j e c ta r e ra l t 锄a t i v eo p t i o n s ，u s i n g n e wt e c h n 0 1 0 西e so fa mc o n s t m c t i o nm e t h o d ，w m e hi st h ef i r s ta p p l i c a t i o ni nt i 刎i n ， a n da l s or a r ei nm ew h 0 1 ec o m l t r yw i t h o u ts t a n d a r dc r i t e 打at og u i d e b e a r i n gc 印a c i t y ， p u l l o u tc a p a c i 西a 1 1 do m e rt e c _ i l l l i c a lp a r a m 酏哪w e r en e e d e dt ob ev 嘶f i e db yt e s t p i l i n g ，w i t hv e 拶s t r i c tq u a l i 锣r e q u i r e m e i l t s a c c o r d i n gt oa m p i l et e c h n o l o g y 趾d b a s e do na mp i l es t a t i cl o a dt e s td a t aa n ds t a t i cl o a dt e s tm m l e r i c a lm e m o d s ，1 e r e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e do u to n1 0 a d c a r r y i i l gp r o p 硎e sa 1 1 di m p a c tf a c t o r so f l e 铆i c e r e 锄i n gp i l e b a s e do na m p i l ec o n s t m c t i o nt e c h n o l o g y ，f i v em e a s u r e sw e r ed e v e l o p e do ft h e p i l ec o n t r 0 1 ，v e r t i c a ld e 酉e ec o n t r 0 1 ，s h a p ec o n t r o la i l d s e d i m e n t “c k n e s sc o 川l l ， 仃a i l e rc o u p l i n gh e i g h tc o m r 0 1 ，、7 l ，_ 1 1 ic _ hw e l lc o n t r 0 1q u a l i t yo ft h ep i l e b a s e do na m e n g i l l e e r i n gm e t l l o d so fs t a t i c l o a dt e s td a t a 锄d 仰m 舐c a l c a l c u l a t i o n ，v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t ya n d1 0 a d 协a n s f 打m e c h a n i s mo f t h ee n l a r g e dt o e p i l ew a ss t u d i e da sw e ua st h es i m i l a r i t i e sa 1 1 dd i f ! f ：蝴l c e so fe q u i v a l e n td i 锄酏e rp i l e s a 1 1 db e l l e dp i l e sw e r ea n a l y z e d t l l er e s u l t ss h o wm a t ，m eb e a r i n gc a p a c i t yo ft l l e e i l l a r g e d t o ep i l ei s g r e a t e r t h a 堇1t 1 1 a to ft h e e q u i v a l e n td i 锄e t e rp i l e w i m p r o 黟e s s i v d y1 0 a da p p l i e do nt h et o po fm ep i l e ，p i l es h a j c tr e s i s t a i l c e 黟a d u a l l yc o m e t ot h ee x t r e m ev a l u e t h eu p p e rp i l es h a 缸r e s i s t a n c eo p e r a t eb e f o r et h eu n d e ro n e p i l e s h 硪r e s i s t a n c ea 虢c t e db ym ed 印t ha 1 1 d s o i lp r o p 酣i e s d i f 衔朗td 印m ，d i f i f 酹e 1 1 t s o i lp r o p 哪i e s ，d i 仃打e n ts o i lp r o p e r t i e sa 1 1 dd i f 衔e n td e p mc o u l da 1 1 1 e a dt od i f 衔e n t p i l es h a rr e s i s t 趾c e w h e nt h ec a n 研n gc 印a c i t yr e a c h e d t h el i m i t ，t h es e c o n dr e 锄i n g p a r tr e a c h e d17 o f n l et o t a ll o a d ，p o i n tr e s i s t a i l c ef o r c er e a c h e d2 0 o ft h et o t a l1 0 a d ， w h i c hs h o w e dg o o dr e s u l t sb e c a u s eo fr e 锄i n g f i n a l l v ，s l i pb e t 、) l ，e e i lp i l ea n ds o i l ，a n dm en o n l i n e a rf a c t o r so fs o i lw e r et a k e l l i n t oa c c o u m t h ef i n i t ed i 行e r e n c em e t h o dw e r eu s e dt oe s t a b l i s ht h eb a s i cc a l c u l a t i o n m o d e l ，a n ds oa st oa 1 1 a l y s i se f - f e c t so ft 1 1 ep i l eb e a d n gc 印a c i t ) rf a c t o r so nm ep i l e 1 e n g m ，p i l ed i 锄e t e r ，1 en u n l b e ro f 砌a r g e db a s e ，e x p a n d i n gm ee n do fm ep i l e d i a m e t e r ，p i l em o d u l u so fm ep i l e t h er e s u l t ss h o w e dm a t ，b e a r i n gc 印a c i t yo f e n l a r g e dt o ep i l e i si n c r e a s e dw i t ht h ep i l el e n g t h ，p i l ed i 锄e t e r ，n l em m l b e ro f e n l a r g e db a s e ，e ) 叩a i l d i n gt h ee 1 1 do f t h ep i l ed i 锄e t e r ，p i l em o d u l u s ，p i l ed i 锄劬e r ，t h e n u m b e ro f e i d a r g e db a s e ，a i l dm e r ei s 姐o p t i m a lv a l u eo f t h ep i l ed i 锄e t e ru n d e ra c e r t a i l ll e n 星吨ho fp i l e 1 皿yw o r d s ： q 吼l i t yo fp i l ec o n s t m c t i o n ，e x p e 姗e n t a ls t u d y ，n 啪甜c a l s 曲棚a t i o n ，b e 撕n gc 印a c i 饥i i l n u e l l c ef a c t o r a b s l l a c t i v 一 i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 2 扩底桩施工研究现状2 1 2 1 夯扩桩2 1 2 2 静压扩底桩3 1 2 3 机械扩底桩3 1 2 4 人工挖孔扩底桩4 1 2 5 压力注浆扩底桩4 1 2 6 爆破扩底桩4 1 2 7 胀扩体扩底桩5 1 3 扩底桩试验研究现状5 1 4 扩底桩数值分析研究现状6 1 5 论文的研究内容和方法8 1 5 1 论文研究内容8 1 5 2 论文研究方法9 第2 章基本理论1 1 2 1a m 工法桩计算理论1 1 2 2 扩底桩承载特性1 2 2 2 1 桩一土体系荷载传递规律12 2 2 2 扩底桩沉降变形规律1 3 2 2 3 荷载传递影响因素1 4 2 3 扩底桩承载力确定方法一1 5 2 4 本章小结2 0 第3 章a m 工法桩施工技术研究2 1 3 1a m 工法桩施工工艺研究2 1 3 1 1a m 工法桩设计简介2 1 3 1 2a m 工法桩施工工艺流程制定2 1 3 2a m 工法桩成桩质量控制。2 3 3 2 3 施工质量控制意义一2 3 3 2 4 施工质量控制研究一2 5 3 2 5 施工质量控制实施效果与总结2 6 3 3a m 工法桩工法先进性研究2 7 3 3 1a m 工法桩技术优势2 7 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 2 采用a m 工法桩技术意义2 8 3 4 本章小结一2 9 第4 章a m 工法桩静载荷试验数据分析：3 1 4 1 工程概况一3 1 4 2 静载荷试验方法3 3 4 3 静载荷拔桩试验数据分析3 6 4 3 1 荷载一沉降曲线分析一3 6 4 4 静载荷压桩试验数据分析3 7 4 4 1 荷载一沉降曲线分析3 7 4 4 2 桩身轴力测试分析3 9 4 4 3 桩侧摩阻力发挥性状分析一4 1 4 4 4 桩端阻力发挥性状分析4 2 4 5 静载荷试验数值计算4 4 4 5 1f l a c 3 d 模型有效性验证4 4 4 5 2 扩底桩与等直径桩承载力比较4 5 4 5 3 桩土体系变形及土体屈服特性一4 7 4 6 本章小结5 5 第5 章a m 工法桩承载性状影响因素分析5 7 5 1f l a c 3 d 模型建立5 7 5 1 1f l a c 3 d 简介5 7 5 1 2 基本假定5 7 5 1 3 基本模型及计算参数5 8 5 2 基本模型单桩性状分析一5 9 5 2 1 单桩荷载一沉降曲线5 9 5 2 2 不同荷载时桩身轴力变化6 1 5 2 3 不同荷载时桩侧摩阻力变化6 2 5 3 拔桩承载性状影响因素分析6 4 5 3 1 桩长对单桩承载性状影响6 4 5 3 2 桩径对单桩承载性状影响6 5 5 3 3 扩底桩径对单桩承载性状影响6 6 5 3 4 扩底次数对单桩承载性状影响6 6 5 3 5 桩身模量对单桩承载性状影响一6 7 5 4 压桩承载性状影响因素分析6 8 5 4 1 桩长对单桩承载性状影响6 8 5 4 2 桩径对单桩承载性状影响6 9 5 4 3 扩底桩径对单桩承载性状影响7 0 5 4 4 扩底次数对单桩承载性状影响7 1 5 4 5 桩身模量对单桩承载性状影响7 2 5 5 本章小结一7 3 一v i i 目录 结论与展望7 5 参考文献7 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 3 致谢8 4 一v i i _ 一 i i 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 我国经济持续繁荣，基础设施建设快速发展，各种大型建筑物、构筑物日益 增多，规模愈来愈大，对基础工程的要求也越来越高，为了有效地把结构的上部 荷载传到周围土壤深处承载能力较大的土层上，桩基础被广泛的应用到土木工程 中。近十余年来桩基工程在市政基础设施、桥梁、公用及民用建筑等建( 构) 筑 物中的广泛应用，无论是施工技术、设计理论还是工程实践都有了长足的进步， 但与此同时，业主对桩基工程的造价、工程速度、工程质量的要求却几近苛求， 使得桩基技术显得尤为重要。 天津小白楼地下开发工程位于天津市繁华的小白楼地区，处在南京路、建设 路、浙江路等几条重要道路的交汇处，紧邻凯旋门、滨江购物中心、起士林饭店、 滨江国际大酒店、新华书店以及地铁一号线。工程主体由地上与地下两大部分组 成，地上部分为中央休闲广场，小白楼音乐厅原拆原建，地下部分为整体两层， 局部三层的综合商业广场，第一、二层为商业区，第三层为地下停车场。地下结 构东西长约2 4 0 m ，南北宽约7 6 m ，总占地面积1 3 4 8 9m z ，总建筑面积3 1 4 4 4m z ， 基坑深度1 3 5 m ，采用盖挖逆作与明挖顺作相结合的施工方法，中间支撑柱采取 一柱一桩，桩基采用两次扩孔的扩底桩，除了桩底扩大外，在桩身中间某一部位 也扩大一次，这样可以大大提高灌注桩的抗压承载力和抗拔承载力，从而在设计 力一定的情况下，缩短桩长，降低造价，减少投资。 本扩底桩作为盖挖逆作中间支撑柱的基础，施工机械设备少，成桩质量控制 难度大，与普通桩基存在很大不同：1 成桩质量要求高，不能有任何问题，否则 无法弥补；2 桩头以上要接柱，其桩位准确性、桩身垂直度、桩头质量至关重要， 一旦桩基位置不准确，桩头偏移，就无法保证钢管柱就位准确性；3 双扩孔扩底 桩利用两次扩孔提高桩的承载力，桩底有端承桩作用，不能有沉渣，扩孔部位必 须严格按设计要求成型。 中间桩基采用两次扩孔的扩底桩，成桩采用新工艺，在天津地区是首次应用， 在全国也不多见，没有规范标准可依，抗压承载力、抗拔承载力等各种技术参数 需要通过试桩验证。而且目前对两次扩孔的扩底桩的研究很少，荷载传递机理及 承载性能及受力机理，到目前为止尚不清楚。 鉴于本工程自身要求及中间桩基的特点，本文将就两次扩孔桩的施工技术， 桩基静载荷试验数据，以及单桩性状及其影响因素展开分析研究，为今后类似工 北京工业大学工学硕士学位论文 程的设计施工及其研究提供一些经验和方法，并将相关成果应用于天津小白楼地 下空间开发a m 桩技术与盖挖逆作法相结合的独特规律研究当中。 1 2 扩底桩施工研究现状 扩底桩是底部直径大于上部桩身直径的灌注桩。其单桩承载力比桩身直径相 同的直桩的承载力有较大提高。按其成桩方式一般可分为又可分为夯扩桩、静压 扩底桩、机械扩底桩、人工挖孔扩底桩、压力注浆扩底桩、爆破扩底桩和胀扩体 扩底桩等。 1 2 1 夯扩桩 夯扩桩也叫沉管夯扩灌注桩，其本质是一种侧壁阻力与端承力共同承载的摩 擦支承桩，通过增大桩端面积和挤密地基土使单桩承载力得到大幅提高【1 1 。是我 国工程界2 0 世纪9 0 年代发明，2 0 0 1 年形成国家标准( j g j t 1 3 5 2 0 0 1 ) ，在工程 界逐渐推广应用的一项技术。夯扩桩是沉管灌注桩与扩底桩结合的产物，他吸收 了夯击沉管桩和扩底桩的优点，并摒弃沉管灌注桩的一些缺点，是具有中国特色 的一种桩型。夯扩桩在锤击沉管灌注桩的机械设备与施工方法的基础上加以改 进，按照一定的施工工艺( 无桩尖或钢筋混凝土预制桩尖沉管) ，采用桩锤夯击 的方式( 一次、二次、多次填料夯扩与全复打夯扩等) 将桩端干混凝土料扩成大 头状，桩端干混凝土料在桩锤的自由落体作用下压密成型，浇注混凝土成桩，它 较夯击沉管桩的单桩承载力大幅提高。这种桩桩身直径一般为4 0 0 6 0 0 n 1 i n ，扩 大头直径在5 0 0 9 0 0 m m ，桩长不宜超过2 0 m 。适用中低压缩性粘土、粉土、砂 土、碎石土、强风化岩等。 夯扩桩有如下突出优点：1 适应性强、持力层选择范围广，投资少；2 地基 土挤密程度高，桩端面积大，承载力高。通过一次或二次夯扩，使桩端下被夯实 土层中一定范围的土体得到了极大的密实，纵向的实际承载力比较高，也有利于 减小沉降；3 在内管底部放置干硬性混凝土作为薄型土塞，可有效起到止淤和 短时止水作用，保证混凝土的浇注质量。同时该桩型的缺点也是显而易见的：1 施工噪音污染严重；2 施工速度相对慢；3 同沉管灌注桩，软土施工质量缺陷较 多；4 夯扩头的成形无法定量检测。一般在初期夯出量能满足要求，随着桩端土 层挤密，后期施工难度很大；5 单桩承载力不是很大，桩长也有限制，适用条件 局限。 i 第一章绪论 1 2 2 静压扩底桩 静压扩底技术是夯扩桩技术的延伸和发展，它相对于传统夯扩桩技术来说具 有工艺简单、控制方便、效率高、适应性广的优点。该技术采用液压静力顶压方 式将内外套管同时压入到设定的持力土层，之后提出内管，填入桩端填充料，再用 内管将填充料压下形成桩端，重复数次形成要求大小的桩端头，同时填压入一定 干性混凝土使桩端扩大之后固结成一体；再按通常灌注桩施工方法施工，形成带 扩大桩端头的静压扩底灌注桩。该技术是采用液压静力顶压方式而非采用锤击方 式形成扩大桩端头，从而避免产生较大的噪声，并且由于采用液力静压，减小了 成桩过程对周围土体的扰动。由于各桩位压桩力可控制一致，较好的控制了建筑 物的整体沉降问题，静压力全过程从压力表上一目了然。工效高，施工效率相当于 夯扩桩的2 4 倍。单桩承载力控制均匀、直观、简单、可靠。 1 2 3 机械扩底桩 目前，国内外机械扩底桩施工方法一般都是用旋挖钻机施工等径桩部分，等 径桩部分成桩后更换扩底钻头进行扩底作业，扩底钻头扩底作业有两种方式，第 一种靠机械外力使钻头压开积压土体，第二种靠液压打开扩大翼切削土体扩大作 业。 第一种钻头压开要依靠桩底土体反力作用，只适用于桩底一次扩底桩，对于 二次扩孔的扩底桩在施工第一次扩孔位置以下部分过程中，一旦第一次扩孔位置 出现问题，扩底钻头由于没有反力受力点，钻头无法打开，从而无法弥补，成桩 质量不易控制。 第二种扩底钻头需要打开扩大翼切削土体扩大作业，其中a m 工法桩就是其 中的一种，它既具有一般机械扩底桩的特点，又有特别先进的一方面。a m 工法 桩采用日本进口的液压机械设备，由传感设备可视化控制，即全液压电脑管理映 像追踪快换魔力铲斗，扩底施工过程可控可视。用配套的旋挖钻机将等径桩成孔 到设计深度后，更换扩底钻头( 全液压扩底快换魔力铲斗) 下降到扩底桩的扩大 部位，靠液压打开扩大翼进行切削土体扩大作业。扩底作业前，操作人员需要预 先把设计要求的扩底深度及扩底形状、尺寸等数据输入操作室内的控制电脑内， 并通过显示器显示这些设计数据和图像，当进行扩底作业时，扩底钻头的位置以 及每次切削土体作业结果全部显示在显示屏上，控制每次切削量，逐渐扩大，直 到与预先输入的数据、图像重合时，作业结束，完成扩底施工，最后打印出扩孔 结果数据存档。 a m 工法施工具有很多突出优点，不受施工场地限制，地质适应性强，能够 北京工业大学工学硕士学位论文 应用于大部分各种复杂地质条件，同时施工速度快，成桩质量高，施工无噪音， 无振动，不出泥浆，外运原始土，环境污染低、环保等优点，机械扩底桩有较高 的承载力和质量易保证的特点，但也有成本相对较高等缺点【2 1 。 1 2 4 人工挖孑l 扩底桩 人工挖孔扩底桩是指在在地下采用人工或机械挖掘的方法成孔( 或桩端扩 大) ，然后安放钢筋笼、灌注混凝土而成的基桩。该桩型属于非挤土桩，施工基 本无噪音，无地面隆起或侧移，无浓烟排放，对周围环境影响小，对附近的建筑 物、路面或地下设旋等危害小，操作简单，能较好的发挥持力层的作用，减少桩 长，提高单桩承载力，并且施工设备比较简单、轻便，拖工速度快，成桩质量易 保证。 近年来的工程实例已证明当桩长较大，场地可能因大量堆载或地下水下降而 发生沉降，或因地震液化等原因致使桩侧摩阻力降低、丧失甚至会产生负摩阻力 时，扩大桩底部直径仍然是发挥桩端持力层的作用、提高单桩承载力的有效措施。 随着人们对扩底作用认识的深化和施工机具的改进，扩底的形式也有了新的发 展。扩底的形式主要有锅底形扩底和平面形扩底两种【3 1 。 1 2 5 压力注浆扩底桩 压力注浆扩底桩是在灌注桩成桩后，通过预留的注浆管道对桩端的注浆室进 行高压注浆，使浆液渗透、填充、压密和固结桩端土层及桩端附近的桩周土，以 达到提高桩的端承力和桩侧摩阻力的目的。这种扩底桩解决了普通混凝土灌注桩 桩端沉渣和桩周泥皮降低桩侧摩阻力的难题【4 1 。 1 2 6 爆破扩底桩 爆炸扩底桩是利用炸药在桩孔底部实施爆破，使孔底形成一球体，浇入混凝 土后增大桩端的支撑面积，提高基础承载力的就地灌注混凝土桩。这种桩具有造 孔深度浅，施工简单，工程造价低的优点。但使用范受限制，应用较少。它在粘 土中效果较好，但在软土，碎石或砂土中存在不易成型的问题，在持力层复杂、 漂石较多的地区采用具有一定局限性。此外爆炸扩底桩的孔底余土清理困难，孔 壁、持力层易受影响，成桩质量难以保证【2 】。 第一章绪论 1 2 7 胀扩体扩底桩 胀扩体扩底桩最早是由瑞典人提出的一种新型扩底桩技术，胀扩体主要由薄 壁可折叠钢管组成，注入水泥浆后可折叠钢管就会在土中发生膨胀，把桩打入预 先钻好的钻孔，胀扩体开始膨胀，最终形成具有一个单位体积的浆液固结体，从 而形成一根底部扩大桩【5 1 。这种桩在施工时能够减少振动，避免噪声干扰，不会 引起一些敏感的环境问题。目前我国对该类桩的研究及应用比较少，除了瑞典应 用较多，其他国家应用都较少。 1 3 扩底桩试验研究现状 p a ：t u a l ( 耐1 9 7 0 ) 分析了非粘性土中的扩底桩的承载性状，并认为桩的承载能 力随桩扩大部分数量的增多而增大，并给出了增加量间的对应关系，同时对桩体 扩大部分之间合理距离给出了建议值【6 | 。m 硪i n 和d e s t 印h e ( 19 8 3 ) 分析了大直径 扩底桩的性状，并比较了扩底部分大小对桩承载能力的影响【7 】。n a r a s i i i l l l a 等( 1 9 8 8 ) 介绍了扩底桩的发展及其在印度的应用情况，并基于现场试验分析其扩底桩的承 载性状【8 1 。 n o v ( 1 9 9 4 ) 分析了非粘性土中扩底桩的承载性状，并在试验结果的基础上， 对单桩承载力的计算及选取进行分析【9 】。黄强( 1 9 9 4 ) 通过分析置于不同持力层、 具有不向桩身及扩大端直径的4 0 根人工开挖大直径扩底桩的试验结果提出了 大直径扩底桩在砂性及碎石类土中的变形计算模式与参数；并根据变形函数，以 变形量为极限承载力控制标准，给出了大直径桩承载力折减系数及临界桩径承载 力参数【1 0 1 。 郭全全、李珠但0 0 3 ) 通过对同一场地中桩长相同的普通钻孔灌注直桩、后注 浆灌注直桩、扩底后注浆灌注桩和扩底灌注桩4 种桩型，进行工程桩现场静载荷 试验和桩身应力测试，对比分析了4 种桩型的承载力特性、桩身轴力和桩侧摩阻 力的分布特性，研究了扩底后注浆桩的侧阻力发挥性状和桩身轴力传递规律。结 果表明扩底后注浆桩具有沉降小、单桩承载力高的优点【1 1 1 。 刘文白、周健( 2 0 0 3 ) 在干旱地区黄土中进行了扩底桩静载荷试验，结合试 验结果对扩底桩上拔荷载、水平荷载作用下的上拔位移和水平位移与桩顶荷载关 系进行了研究。研究结果表明：在相同的场地和加载条件下，增加扩大端的高度 能够提高扩底桩的极限抗拔承载力，加载时由于土的减压软化和损伤软化导致渐 进性破坏【i 引。 p u l l e r d a v i d ( 2 0 0 5 ) 论述了一种扩底灌注桩c c t v 成像施工新技术，并在现场 试验的基础上，分析研究类似承载力计算公式，结合工程试验结果修正已有公式 一0 一 北京工业大学工学硕士学位论文 提出了适合场地承载力的计算，同时对扩底施工过程中避免桩底虚土问题进行有 益探讨【l3 1 。p e t e r 等( 2 0 0 6 ) 分析了静荷载作用下扩底桩的承载性状，并分析比较不 同土层性质下扩底桩性状发挥异同，从桩的分类上属于小直径扩底桩【1 4 。 黄广龙、惠刚等( 2 0 0 6 ) 在某大型建筑场地相同工程地质条件下施作相同桩身 直径的扩底桩和不扩底桩两种类型试验桩，通过静载荷试验进行进行桩身轴力和 内力测试，进行桩型选择，确定单桩设计参数。通过分析测试结果，研究两种桩 型荷载一沉降曲线，并对桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩端阻力的分布特征进行对 比分析。通过研究发现，桩端扩底极大利用持力层承载力，能够大幅提高单桩竖 向承载力、明显减小桩顶沉降 1 5 】。 刘伟平、扶名福等( 2 0 0 6 ) 在三根人工挖孔扩底桩中不同层面埋设钢筋应力 传感器和桩端压力传感器，进行静载荷试验，获得的实测轴力和内力数据，对三 根人工挖孔扩底桩的承载特性及荷载传递机理，桩端阻力、桩侧摩阻力发挥规律 以及沉降变形规律进行分析研刭1 6 】。 张栋、张书荃等( 2 0 0 6 ) 进行钻孔扩底灌注桩现场静载荷抗拔试验，通过桩身 传感器获得桩身内力，在实测结果基础上，探讨了荷载沿桩深度的变化规律，桩 侧摩阻力沿桩深度的分布规律，研究了抗拔桩的荷载传递规律，为确定抗拔桩承 载力提供理论基础【7 1 。 许亮、王卫东等( 2 0 0 7 ) 对上海地区扩底抗拔桩抗拔承载力计算进行了研究， 结合现场足尺试验与工程实践，提出了两种计算方法：扩大系数法和圆柱面剪切 法。这两种方法参考现有规范，但公式简洁，计算简单，有利于广泛采用【l 引。胡 庆红、张土乔等( 2 0 0 7 ) 在深厚软土地基中进行了大直径深长灌注桩静载荷试验并 对桩身轴力进行监测，研究了大直径深长灌注等直径桩及扩底桩在持力层为粉质 黏土、粉砂中的承载特性和荷载传递机理，对比分析了等直径桩和扩底桩的承载 特性及荷载传递规律，获得了大直径深长灌注扩底桩桩侧摩阻力、桩端阻力发挥 一般规律【1 9 1 。 1 4 扩底桩数值分析研究现状 张志勇，陈晓平( 2 0 0 0 ) 通过有限元数值计算分析了均质地基上扩底桩单桩临 界桩长与不同荷载大小、不同桩土模量比、不同头径比的关系，研究结果表明， 在容许承载力范围内，扩底桩单桩临界桩长与桩土模量比和头径比具有一定相关 性，与桩顶所受荷载大小无关【2 0 1 。汪中卫、高彦兵( 1 9 9 8 ) 对扩底桩的荷载传递 规律进行弹塑性有限元分析，对扩底桩桩底荷载传递率影响因素刚度比、长径比、 扩底直径、扩底形状以及荷载大小进行了研究，通过分析桩底土的应力分布特性， 发现桩端土的竖向应力收敛快，扰动影响范围有限，桩底土有效压缩层薄，可以 时考虑扩底桩存在“拱效应”，提到了有效桩长相关问题。最后结合公路规范推 出了比较实用的以强度理论和相对变形为控制标准的，人工挖孔扩底桩轴向承载 力计算方法。通过有限元数值计算程序m a r c ，对地基土的竖向应力和位移进 行了分析，计算获得得到了地基土竖向应力变化曲线和位移场变化曲线，同时求 得桩侧土摩阻力和桩端反力在加载过程中所占的比例【2 2 1 。 侯超群( 2 0 0 4 ) 进行了一根等直径桩和一根扩底桩的现场静载荷试验，通过试 验结果结合工程试验桩的数值计算分析了在加载过程中人工挖孔扩底桩桩身轴 力的变化规律，桩侧摩阻力、桩端摩阻力发挥性状，桩顶荷载位移关系，桩周土 摩阻力与桩土相对位移变化规律等。在实测资料及数值计算的基础上，推导并验 证了人工挖孔扩底桩容许承载力计算的经验公式。通过数值计算研究了桩周土及 桩端以下土层应力应变随荷载变化的一般规律，每级荷载作用下桩端土层的竖向 压应力和桩侧剪应力分布特点以及扩孔部位凌空面对单桩竖向承载能力的影响 【2 3 】。吴晓辉、刘小文( 2 0 0 4 ) 通过有限元分析了在上覆土层与持力层不同模量比， 桩入持力层不同深度等情况下单桩端承力大小，研究结果表明，相同持力层入土 深度条件下，扩底桩端承力随着上覆土层模量增大而增大；随着桩端入土深度增 加，端阻力受上覆土层模量变化影响较小【2 4 1 。 高广运、张婧等( 2 0 0 7 ) 通过有限元研究了地基土变化对扩底墩竖向承载性状 的影响。利用有限元建立数值模拟基本模型，简化为均匀土体，分别对不同土体 模量、内摩擦角、粘聚力模型进行计算，分析各情况下扩底墩的竖向承载力，研 究各因素对承载力影响的大小。计算结果表明，扩底墩基础竖向承载力受土体模 量和内摩擦角影响较大，受粘聚力影响较小，端阻力分担了大部分桩顶荷载，由 此可以认为选择土体模量和内摩擦角大的坚硬土层作为持力层有利于提高承载 力【2 5 1 。高广运、郭星宇等( 2 0 0 7 ) 研究了粗砂层中埋深1 4 5m 扩底墩静载荷试验， 建立三维有限元非线性模型，计算与实测的q s 曲线基本吻合，通过模型有效性 验证。计算结果表明扩底墩墩顶承受的竖向荷载主要由端阻力分担，墩底端阻力 的发挥要滞后于墩侧摩阻力的发挥，从受力机理上讲属于摩擦端承桩。同时发现 扩大头与土体接触部位存在脱空区，发展趋势为从侧面下部产生，随着荷载逐级 施加，不断向上发展直至贯通，最大宽度达4 6m m 【26 | 。 冯世进、高广运等( 2 0 0 8 ) 通过有限元建立扩底墩模型，在墩土间建立接触， 分析不同扩底尺寸对扩底墩承载性能影响，分别计算不同墩身长度、不同扩底直 径、不同扩大头锅底高度时扩底墩承载力。通过计算分析不同墩身长度下侧摩阻 一7 一 北京工业大学工学硕七学位论文 与端阻变化发展规律，以及墩身长度、扩底直径和锅底高度对扩底墩承载力和墩 底压力的影响。计算结果表明：扩底墩承载力随着扩底直径的增加而增加，曲线 基本成线性；扩大头锅底高度增加，扩底墩承载力也增加，但幅度较少，影响不 明显，但可以减少桩土间集中应力，锅底高度与墩底直径之间存在最优值，比值 宜控制在o 2 o 3 【2 7 1 。 吴江斌、王卫东等( 2 0 0 8 ) 建立了等直径桩和扩底桩的数值计算模型进行单桩 抗拔性状分析，其中桩土界面采用直接约束处理的接触算法与库仑摩擦模型来进 行模拟，土体采用m o h r _ c o u l o m b 抛物线型本构模型，初始应力场计算通过程序 的二次开发来合理实现，扩底桩抗拔过程采用位移边界进行动态的非线性有限元 模拟。数值计算基础是现场足尺试验，通过调整计算参数，使计算得到荷载位 移关系曲线与实测结果相吻合，进行数值模型有效性验证。在此基础上研究了不 同荷载作用下桩身轴力、桩侧摩阻力发挥状况，以及扩底部位土体变形与塑性区 的发展规律【2 8 1 。 张金利、阮孝等( 2 0 0 9 ) 使用大型通用有限元软件a b a q u s 建立扩底桩抗拔 三维弹塑性模型，通过对模型进行计算，分析了各级荷载作用下扩底桩的抗拔承 载特性。进一步分析了桩身轴力，桩侧摩阻力，扩大头对周围土体竖向应力在各 级荷载作用下发展变化规律，以及扩大头的挤压作用。同时变换模型参数及扩大 头的几何形状研究这些因素对扩底桩抗拔承载力的影响，计算结果表明，扩底桩 抗拔承载力与扩大头直径和扩大头周围土体的性质密切相关，扩底高度对抗拔承 载力影响较少【2 9 1 。 1 5 论文的研究内容和方法 1 5 1 论文研究内容 本文以天津小白楼地下空间开发工程中间桩基为研究对象，根据国内外研究 现状及存在的不足，对a m 工法双次扩孔桩施工技术保证成桩质量以及承载性能 进行研究，本文拟进行的研究工作如下： 对a m 工法桩施工过程桩的定位、钻孔、挖掘、扩底和下钢筋笼、清孔，砼 灌注，成型进行研究，制定相应措施，保证成桩质量。 对a m 工法双扩孔桩的静载荷试验数据，进行承载变形分析，桩身轴力测试 分析，桩侧摩阻力发挥性状分析，桩端阻力发挥性状分析，并结合静载荷试验数 值模拟的结果，进行桩土体系变形及周围土体屈服性状分析，得到a m 工法桩承 载变形的一般规律。 考虑了桩土间滑移、脱离及土的非线性等影响因素，采用有限差分数值方法 一8 一 第一章绪论 建立基本计算模型，在此模型的基础上建立了不同桩长，不同桩径，不同扩底次 数，不同扩底桩径，不同桩身模量等计算模型，与基本模型进行对比分析，得出 各因素对a m 工法双次扩孔桩竖向承载性能影响的一般规律。 1 5 2 论文研究方法 本文结合a m 工法桩施工资料进行成桩质量控制研究，根据a m 工法双扩 孔桩的静载荷试验数据和有限差分f l a c 3 d 计算模型，对应用于天津特定水文 地质条件下a m 工法桩进行承载性能及影响因素分析，并将相关成果应用于天津 小白楼地下空间开发a m 桩技术与盖挖逆作法相结合的独特规律研究。 研究路线图如下： 小白楼盖挖逆作 桩基采用a m 工法 原因 降低造价减少投资 遇到 问题 成桩质量要求高天津特定水文地质 成桩质量控制难条件下a m 工法桩承 环境保护要求严载性能需深入研究 解决解决 办法 办法 a m 工法桩施工技术研究 l 保证成桩质量保护环境 a m 工法桩静载荷试验 a m 工法桩承载性状 数据结合数值计算分析影响因素数值计算分析 成果 用于 a m 桩技术与盖挖逆作法 相结合的独特规律研究 一9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 第章基本理论 第2 章基本理论 天津小白楼地下开发工程采用两次扩孔a m 全液压扩底桩，桩径( p 1 5 0 0 m m ， 扩孔处桩径为q 2 5 0 0 m m ，扩底率为2 7 8 ，工程试验桩长4 3 m ，从桩的分类上属 于大直径，中长扩底灌注桩3 0 1 。 2 1 蝴工法桩计算理论 对于扩底桩的设计，参照日本现行标准： ( 1 ) 桩尖进入持力层1 o 米以上； ( 2 ) 桩一桩中心距a ：若桩轴直径为d 米，桩尖直径为d 米，则a ( d + d ) 且a ( 1 o 米+ d ) ； ( 3 ) 扩底桩直径小于4 1 米； ( 4 ) 扩底部相对于桩轴的倾斜角( o ) 为1 2 。，底部的垂直高度( h ) o 5 米，扩孔率( q ) 5 0 且嵌入深度大于1 5 m 或大于d 2 时 ( d 为扩底直径) ， 取5 0 ； 州s 一桩周砂土标贯击数平均值，最 2 5 时，取2 5 ； 一桩端计算面积，根据比施工小2 0 c i l l 的值计算，m 2 ； 川s 一砂质土中平均值； k 一砂土层内的桩长，m ； 也一粘土层内的桩长，m ； g w 一粘土地基的单轴抗压强度，超过1 0 时按1 0 取值，k p a ； y 一桩周长，m ； 形一桩身混凝土减去桩排土重，k n 。 ( 2 ) 前苏联建筑规范【3 2