（地质工程专业论文）利用静探指标确定静压预制桩竖向承载力的研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 静压桩作为预制桩的一种，由于其旋工符合现代安全文明环保的要求，同时在 施工中具有信息化程度高的优点，在工程中的应用闷渐广泛。对于静压预制桩竖向承 载力的计算，目前常用的几种计算方法得出的结果，在工程应用中误差均较大，很难 准确指导静压桩桩基的设计和优化。分析几种计算方法，其中静力触探测试的受力机 理与静压桩受荷工作时荷载传递规律具有相似性，静力触探测试具有连续采集测试数 据，数字化程度高，计算成果人为影响因素小等优点。并且在工程应用实践中，利用 静探指标的计算结果与桩的载荷试验结果最为接近，综合评价利用静力触探测试指标 计算静压预奄8 桩竖向承载力，是一个合理可靠、行之有效的方法。 根据静压桩的荷载传递规律和桩土相互作用原理，影响静压桩竖向承载力的因索 很多，总的可归纳为地层结构、地基土的工程特性和桩型参数三个方面。岩土是自然 的产物，其地层结构和工程特性，地区性差异很大。并且不同的桩型参数，桩的侧阻 和端阻发挥程度将会大不相同，对应的桩基承载力将会有很大的差别。所以工程应用 中要精确确定静压预制桩的承载力，建立地区性经验计算公式是十分必要的。 本文研究的地区是河南东部黄河中下游冲洪积平原，由于该地区具有广泛分布的 典型地层结构，地基土上部2 0 m 左右一般为松散稍密的粉土，其下为中密密实的 粉细砂。对应静压桩桩基工程，桩侧为粉土，桩端持力层为粉细砂，由于静压桩受施 工穿透地层能力的限制，该地区桩长一般在2 0 m 左右，桩径比一般在5 0 左右。研究 地区具有典型的桩基地层模型和桩基参数模型。 本文主要工作如下： ( 1 ) 通过对静压桩和静探测试受力机理对比分析，总结出影响静压桩承载力计 算精度的五个主要因素，针对研究地区的桩基地层模型和桩基参数模型，收集了大量 室内桩一士摩擦试验数据，系统的对试验数据进行了分析和统计。研究地区桩侧为粉 工程硕士学位论文 土，桩端为砂土，其渗透性均较好，孔隙水压力具有消散较快的特点，根据室内试验 的成果得出，其桩一土摩擦关系具有单一化、线性化的特点。综合分析影响计算精度 的因素，影响最大的应是尺寸效应。 ( 2 ) 对于尺寸效应的评价，本文间接通过静压桩压桩过程中实测压桩力与利用 静探测试成果直接计算得出的桩阻力进行对比分析，得出地区性尺寸效应分布的一般 规律。 ( 3 ) 本文将各工程应用实例中的桩基载荷试验成果与利用静探指标的计算结果 进行了数理分析统计，在桩基规范提供的计算公式基础上，推导出适合于研究地 区的计算修正系数和计算经验公式，并对经验公式的相关性和适用条件进行了分析。 ( 4 ) 本文同时通过工程实倒的资料，对静压桩的挤土效果进行了简单分析，静压 桩应属于挤土桩。 关键词：静压预制方桩竖向承载力 静探测试指标地区性经验计算公式 压桩力 工程硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t i cp r e s s e dp i l e ( s p p ) ，a so n ek i n do fp r e c a s tp i l e ，s i n c ei t sp r o c e s s f l o w a g ec o m p l i e sw i t ht h ed e m a n do fs a f e t y ，c i v i l i z a t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，a n da l s ot h a ti tc a nb eh i g h l yi n f o r m a t i o n i z e di nc o n s t r u c t i o n ， h a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ei nt h ee n g i n e e r i n g sn o w a d a y s t h ev a l u eo ft h e v e r t i e a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp r e c a s ts t a t i ep r e s s e dp i l eg o tf r o mt h ec u r r e n t g e n e r a lw a y so f t e nh a v eg l a r i n ge r r o r s ，s oi t i sv e r yd i f f i c u l tt o g u i d e c o r r e c t l yt h ee n g i n e e r so nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ep i l ef o u n d a t i o n c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t ) m e t h o di so n ek i n do fw a y si nc a l c u l a t i n gt h e v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp r e c a s ts t a t i cp r e s s e dp i l e ，b yw h i c hw ec a n c o l l e c tc o n t i n u o u sa n dh i g h l yd i g i t a l i z e dd a t a ，a n da l s ot h er e s u l t so fw h i c h a r es e l d o ma f f e c t e db y p e r s o n a lf a c t o r ，c o n s i d e r i n g t h a tt h es t r e s s e d m e c h a n i s mo fc p ir e s e m b l e st h es p pi nt h er u l e so fl o a dt r a n s f e r r i n gi nl o a d i n g t e s t ，a l s ot h a t t h er e s u l to fs c ti s v e r yn e a r t ot h es p p ，w ec o n et oa e o n c l u s i o nt h a ts c tm e t h o dm a yb ear e a s o n a b l e ，r e l i a b l e ，a n da ne f f e c t i r e m e t h o d ， a c c o r d i n gt ot h er u l e so fl o a dt r a n s f e r r i n ga n di n t e r a c t i o n a lt h e o r yb e t w e e n t h ep i l ea n ds o i1 ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw m c hc a na f f e c tt h ev e r t i c a lb e a r f n g c a p a c i t yo fs p p s t r a t u ms t r u c t u r e ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ft h ef o u n d a t i o n s o i l ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ep i l em a yb et h em a i no n e s r o c k s o l lc o m e s f r o mt h en a t u r e ，a n dt h es t r a t u ms t r u c t u r ea n de n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fw h i c h d i f f e rg r e a t l yf r o mo n ea r e at oa n o t h e ra r e a f o rd i f f e r e n tp i l e p a r a m e t e r s ， t h el a t e r a la n de n dr e s i s t a n c eo ft h ep i l ea c td i f f e r e n t l y ，c o r r e s p o n d i n g l y ， t h eb e a r i n gc a p a c i t ym a yb ev e r yd i f f e r e n t s oi t i sv e r yn e c e s s a r yt os e t u pa na r e a le x p e r i e n t i a lf o r m u l ai nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c et od e c l d eam o r e p r e c i s ev a l u eo ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l e t h ep a p e rc o v e r st h ea l l u v i a la n dd i l u v i a lp l a i no ft h em i d d l ea n d1 0 w e r r e a c h e so ft h eh u a n g h er i v e ti ne a s t e r nh e n a n p r o v i n c e t y p i c a l s t r a t u m s t r u c t u r ei sw i d e l yd i s t r i b u t e di nt h i sa r e a g e n e r a l l y ，a b o u t2 0m e t e r sd e e p l o o s e 。s l i g h ts t a t es i l t i sd i s t r i b u t e di nt h eu p p e rp a r to ft h ef o u n d a t i o n s o l lb e t o ww h i c hi sm i d d l e d e n s es t a t es i l t yo rf i n es a n d c o r r e s p o n d i n g l y ， f o rt h es p p ，t h el a t e r a ls o l li ss i l t ，a n dt h es o i l o fb e a r i n gl a y e ri ss i l t y o ff i n es a t l d c o n f i n e db yt h ea b i l i t yo ft h ep i l ew h e np e n e t r a t i n gt h es o i l l a y e r ，t h e1 e n g t ho ft h ep i1 e i sa b o u t2 0m e t e r s ，a n dt h er a t i oo ft h el e n g t h t oth ed l a m e t e ri sa b o u t5 0 s ot h es t u d i e da t e ac a r l s u p p lyt y p i c a l s t r h l i l l 工程硕士学位论文 s t r u c t u r em o d e la n dp i l ep a r a m e t e rm o d e l t h em a i np a r t so fm yw o r ka r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h es t r e s s e dm e c h a n i s mb e t w e e nt h e s p pa n dc p 、，c o n c l u d e sf i v ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ec a l c u l a t i n gp r e c i s i o n t h ep a p e ra l s oh a sas y s t e m i ca n a l y s i sa n ds t a t i s t i co nl o t so fc o l l e c t e d i n d o o rp i l e - s o i lf r i c t i o nt e s td a t ao ft h es t u d i e da r e aa b o u tt h es t r a t u m s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rm o d e lo ft h ep i l e t h es u b s o i lo ft h es t u d i e da r e a is c o m p o s e d o fs ii ta n ds a n d t h es t r a t u ms t r u c t u r eh a sa v e r y w e ll p e r m e a b i 1i t ya n di t sp o r ew a t e rp r e s s u r ec a nv a n i s hv e r yq u i c k l y w ec a ng e t f r o mt h er e s u l to fi n d o o rt e s t st h a tt h ef r i c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h ep i l e a n dt h es o i lh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l e n e s sa n dl i n e a r i t y b ya n a l y z i n g a l it h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r e c i s i o n ，w ek n o wt h a tt h es c a l ee f f e c t e l e m e n tm a yb et h em o s t i m p o r t a n t ( 2 ) t oe v a l u a t et h es c a lee f f e c t ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h e a c t u a lp r e s s u r el o a d e do nt h ep i l eo ft h es p pd u r i n gt h ep r o c e s so fl o a d i n g a n dt h ee n dr e s i s t a n c eo ft h ep i l ec a l c u l a t e df r o mt h er e s u l to fs c t ，a n dg e t t h eg e n e r a lr u l eo f t h ed i s t r i b u t i o no fs c a l ee f f e c ti nd i f f e r e n ta r e a ( 3 ) t h ep a p e rh a st h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c so nt h er e s u i to fl o a d i n g t e s to ft h ep i l ea n d t h er e s u l tc a l c u l a t e df r o ms c ti na c t u a l e n g i n e e r i n g e x a m p l e ，o nt h eb a s i so ft h ef o r m u l as u p p l i e db y t e c h n i c a lc o d ef o rb u i l d i n g p i l ef o u n d a t i o n s ，t h ew r i t e rd e d u c e st h ec o r r e c t i o nf a c t o ra n d e x p e r i e n t i a l f o r m u l af i tf o rt h es t u d i e d a r e a ，a n da l s oa n a l y z e st h er e l a t i v i t ya n d a p p l i c a b i l i t yo ft h ef o r m u l a ( 4 ) a et h es a m et i m e ，t h ep a p e rs i m p l ya n a l y z e st h ec o m p a c t i o ne f f e c t o ft h es p po nt h ed a t ao ft h ea c t u a le n g i n e e r i n ge x a m p l e ，a n dc o n s i d e r st h a t t h es p pb e l o n g st oc o m p a c t i o np i l e 。 k e y w o r d s ：s t a t i cp r e s s e dp r e c a s tc u b 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 i n d e xo f c o n e p e n e t r a t i o nt e s t ：a r e a l ；e x p e r i e n t i a l f o r m u l a ；l o a d i n g p r e s s u r eo nt h ep il e 前言 随着国民经济建设的发展，工程建设中涉及到的桩基问题越来越多，静压桩作为 预制桩的一种，随着压桩机设备的更新和其工法符合现代安全文明环保的特点，近年 来发展十分迅速，应用日渐广泛。根据本人所参与的一些工程实践项目，工程中迫切 需要种能定量化、公式化、简捷准确、行之有效的确定静压桩承载力的计算方法。 本文也是基于解决这一问题的目的和思路，优选了利用静探测试指标计算静压桩承载 力这一方法，选择了河南东部黄河中下游冲洪积平原地区，其地层结构上部2 0 m 一般 为松散稍密的粉土，下部为中密密实的粉细砂。针对此典型的地层模型，收集了 一些静压桩工程试桩实例资料和室内桩一土摩擦试验数据，旨在理论上及实践上进行 分析研究，推导出适合于本地区的计算关系和计算参数，使利用静探测试指标计算静 压桩承载力这一方法，在该地区工程应用上更加准确化、实用化。 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 静压桩，是通过静力压入的方式，将钢筋混凝土预制方桩或管桩压入到地基土中， 是预制桩的一种。由于其施工无噪音、无废气、无振动、无冲击力、无泥浆排放等优 点，符合现代建筑业文明环保施工的要求。同时静压沉桩，施工应力小，可减少打桩 振动对地基和邻近建筑物的影响，桩顶不易损坏，不易产生偏心沉桩，沉桩精度较高， 能在压桩施工中测定压桩阻力，为设计和施工提供较为准确的力学参数，并能间接的 预估和验证桩的承载能力，施工信息化程度高，其应用日渐广泛。在5 0 年代初，静 压桩沉桩首次在我国沿海地区使用，近年来已在我国软地基桩基施工中较为广泛应 用，并获得良好效果。现在静压桩施工均采用专用静压桩机，静压力可高达3 0 0 0 k n 7 0 0 0 k n ，应用于桩径为巾= 4 5 0 m m 5 0 0 m r n ，桩长最大可达4 0 5 0 m 。其施工机械化信 息化程度高，成桩质量稳定良好，无桩端沉渣，断桩一般也很少，同时具有一定的挤 土作用，单桩承载力较高，适用岩土工程条件范围广，从软粘土、粉土、填土到湿陷 性黄土均有成功的实例。 由于成桩环境和地基岩土体物理力学特性的多样性，工程应用上对于静压桩竖向 承载力的准确确定，理论上尚有一定的难度，各种确定方法得出的结果常常相差较大。 随着岩土工程学科的研究和发展，大家更加重视岩土区域性和个性的特征，岩体和土 体是自然和历史的产物，具有一定共性，同时更多的是差异性。对于静压桩的承载力， 利用精确的通用公式计算，目前尚有很大的难度。通过区域性工程实例加以理论分析， 优选适用的确定方法，建立地区性经验公式无疑是解决此问题的合理方法。 1 2 静压桩的受力机理 静压桩的受力机理主要包括两方面，即静压桩施工压桩机理和静压桩工作时荷载 传递机理。静压桩压桩力和竖向承载力是两个本质绝然不同的概念，压桩力指的是静 工程硕士学位论文 力压桩过程中使桩压入土层所施加的静压力，主要是来自克服桩端土层的抗冲剪阻力 和桩侧滑动摩擦力：承载力指的是压桩结束后，桩周土体产生固结、桩端土体产生回 弹后桩可承受的最大荷载，是桩侧摩阻力与桩端阻力的总和。 1 2 1 静压桩压桩机理 静压桩主要应用于软土地基，当桩体在垂直静压力作用下压入土中时，首先桩 尖强力挤压体，致使土体发生了剪切破坏，随后桩身在已经扰动了的土体作大变位 运动，桩与土之间发生滑动摩擦；土体被剪切破坏后，土中超静孔隙水压力急剧升高， 土体受扰动后结构重塑，桩周土体抗剪强度大幅度降低，从而使桩体较容易压入土中， 压桩阻力主要来自桩尖向下穿透层时直接冲剪桩段土体的阻力和桩侧滑动摩擦力。 压桩完成后，随着时间的推移，桩周体中孔隙水压力逐渐消散，土体发生固结，扰 动的桩周土体抗剪强度可以部分或全部恢复，对于桩体而言，也就是桩周土的桩侧摩 阻力逐渐恢复和提高，从而使静压预制桩的承载力大幅度提高。 1 2 2 静压桩荷载传递机理 静压桩是预制桩的一种，单桩竖向承载力由侧阻力和端阻力两部分构成。桩侧阻 力与桩端阻力的发挥过程也就是桩、土体系荷载的传递过程。桩顶受竖向荷载后，桩 身压缩而向下位移，桩侧表面受到土的向上摩阻力，桩身荷载通过发挥出来的侧阻力 传递到桩周土层中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减，荷载进一步增加 时，桩端产生位移，桩端地基土随之产生反力，桩端位移加大了桩身各截面的位移， 并促使桩侧阻力的进一步发挥。由此受荷时，桩侧阻力是由上到下顺序发挥并递减的， 端阻最后发挥出来。传统理论认为发挥桩侧阻力所需相对位移趋向定值，但实践证明 发挥侧阻所需相对位移并非定值，而是与桩径大小、施工工艺、土层性质及分布位置 有关。端阻的发挥，除地基土的物理力学性质外，还取决于桩的长径比、桩土n i l 度比。 长径比增大，传递到桩端的荷载小，端阻发挥降低；桩土的刚度比增大，传递到桩端 的荷载比例增大，端阻发挥增大。 工程硕士学位论文 根据桩受力传递机理分析可以看出，影响桩的承载力因素很多，由于端阻、侧阻 发挥水平不同，其承载力表现结果也大不相同。在影响桩端阻发挥因素中，地基土的 物理力学性质、桩土刚度比、长径比等影响因素可通过岩土的测试指标结合桩体应力 测试的大量数据，统计得出各自的发挥系数。成桩工艺对桩的侧阻、端阻发挥影响很 大，根据前人大量工程研究，现在大家已基本达成共识，静压桩应属于挤土桩，端阻、 侧阻发挥所需沉降比不大。 1 3 静压桩研究现状 静压桩受力机理问题的研究始于上世纪5 0 年代，多限于总结大量的实测结果， 提出经验公式。h o u s e l 和b u r k e y ，c u m m i n g s ，k e r h o f f 和p e c k 嘲指出在粘土中，由于 沉桩瞬间桩周土被重塑，不排水剪切强度有显著降低，随后由于粘土不排水强度的触 变性恢复及局部固结而使桩的承载力提高。o r r j e 和b r o m s “1 认为土的不排水强度在 沉桩数个月之后几乎可恢复至原有的值，他们同l a m b e 和h o r n “3 等人认为桩身附近的 超孔隙水压力等于甚至大于附加应力，灵敏度高的土中孔压值更高。 随后各种理论方法被用于分析压桩问题。2 0 世纪7 0 年代起主要为圆孔扩张法， 如r a n d o l p h ”，6 a r t e r 等人。1 及c h o w 和t h e “，都采用此法分析了压桩过程，求出不 同的桩周土有效应力、超孔隙水压力及位移场的计算表达式。国内也有不少人用此法 进行研究，再后则有应变路径法“，但该法忽略土单元的旋转，也忽略了有如地面隆 起的基础效应。随着计算机技术的发展，有限单元法越来越多地被用于分析压桩问题， 但存在土体本构模型的局限性及参数选取的闯题。土体本构模型研究，也是岩土工程 研究的一个主要理论课题。上世纪5 0 年代，土的剪胀性已逐渐为人们所认识，传统 的弹性分析方法无法描述这一现象，因而需要寻求种新的分析方法。塑性流动理论 的引进，再加上帽子型屈服面，成功地解决了这一问题，创建土力学的第一个弹塑性 模型一剑桥模型。随后国内外许多学者，继续加深对这一理论的研究。国内比较成功 的有沈珠江院士建立的南水模型和殷宗泽教授建立的双屈服面模型。由于岩土体具有 工程硕士学位论文 很强的区域性工程特性，不同地区的岩土体，其应力应变关系差异性很大，随着人们 对岩土体工程特性认识的不断加深，建立地区性岩土体本构模型。已是未来发展的方 向。 近年来国内外许多学者对静压桩承载力一些问题进行了大量的研究，如韩选江、 张明义、邓安福、陈福全等。由于影响静压桩承载力的因素很多，如同土体本构模型 研究一样，现阶段理论研究上无法形成统一计算公式。工程实际应用中，基本以建 筑桩基技术规范( j g j - 9 4 ) 规定进行计算，地方上如广东省制定了广东省静压桩 技术规范。根据规程规范规定计算，各种计算方法得出的误差较大，工程中静压桩 竖向承载力的确定，仍主要依赖桩静载荷试验成果。 1 4 本文的研究内容 根据对静压桩压桩受力机理和桩土荷载传递规律的分析，以及现阶段岩土工程界 对静压桩承载力问题的研究现状，在工程应用上，建立地区性的静压桩承载力计算方 法和计算公式，无疑是解决此问题的一种有效途径。本文研究内容主要是针对河南东 部黄河中下游冲洪积平原地区，建立该地区静压桩竖向承载力的计算方法和计算公 式。 根据对静压桩桩土荷载传递规律的分析，在建立地区性静压桩承载力计算方法和 计算公式时，桩型、桩的材料、长径比及地层结构这些影响因素相近时，才可以适用 同一个公式参数。条件不同，桩的侧阻、端阻发挥水平不同，公式参数也将相应的有 所不同。河南东部黄河中下游冲洪积平原地区，地层的沉积环境相近，地层结构基本 相同，上部2 0 m 一般为松散的粉土，下部为厚层的中密密实的粉细砂层。对应静压 桩桩基工程，桩侧为粉土，桩端持力层为中密密实的粉细砂，由于静压桩受施工穿 透能力的限制，对于中密密实的粉细砂，静压预制方桩桩端最大仅能进入l 2 m ， 所以该地区工程应用上桩长一般均在2 0 m 左右，桩径比一般5 0 左右。研究地区具有 典型的桩基地层模型和桩基参数模型，这给建立地区性承载力计算公式提供了较好的 4 工程硕士学位论文 客观条件。 在选择计算方法上，优选静探测试指标计算法。静探测试是岩土工程勘测常用 的一种原位测试方法。静力触探是用静力将测试探头以一定的速率压入土中，利用探 头内的力传感器通过电子量测仪器将探头受到的贯入阻力记录下来，具有与静压桩相 似的受力机理。静压桩的承载力由端阻力和侧阻力组成，双桥静力触探测试成果反映 各层土的锥尖阻力和侧壁摩阻力，两者在指标上是相互对应的。另外静力触探具有测 试准确，对土性特性变化反映灵敏，微机自动采集测试数据，数字化程度高，人为影 响因素小，旌工方便快速等优点，适宜于工程中的应用。利用静探指标确定桩的承载 力，也是规范上推荐使用的计算方法，已经具有一定的应用经验。 本文首先对研究地区的静压预制方桩工程实例资料和室内桩土摩擦试验资料进 彳亍了系统的分析和研究，对利用静探指标确定静压预制桩竖向承载力诸多影响因素进 行了详细的分析和评价，确定了影响该地区计算精度主要因素，最后通过大量的工程 实例的桩基静载试验成果与静探测试资料，推导出适合本地区工程应用的静压预制桩 竖向承载力计算方法和经验计算公式，并对公式的使用条件和局限性进行了简要分 析。 工程硕士学位论文 第二章工程应用中确定静压桩竖向承载力方法评价 目前工程应用中对于静压桩承载力的确定方法，有以下六种 a ) 静力学理论计算 b ) 利用静力触探测试成果计算 c ) 利用地基土的物理指标查表计算 d ) 高应变动力测试 e ) 静载荷试验测试 f ) 利用压桩力估算 2 1 静力学理论计算 2 1 1 桩端阻力的计算 2 。1 。1 1 计算端阻力的极限平衡理论公式 以刚塑体理论为基础，假定不同的破坏滑动面形态，便可导得不同的极限桩端阻 力理论表达式，t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) ，m e y e r h o f ( 1 9 5 1 ) ，v e s i c ( 1 9 6 3 ) 所提出的单位面积极 限桩端阻力公式，可以统一表达为如下形式。 q p u = i c n 。+ ，y - b n ，+ 7 h n 。 ( 2 1 ) n 。、n ，n q 一分别为反映土的凝聚力c 、桩端以下滑动土体自重和桩底平面以 上边载( 竖向压力r h ) 影响的条形基础无量纲摩擦力系数，仅与土的内摩擦角( p 有 关： 。，、q 一桩端为方形、圆形时的形状系数； b 、h 一分别为桩端底宽( 直径) 和桩的入士深度； c 土的凝聚力； y 。桩端平面以下土的有效重度： y 桩端平面以上土的有效重度。 工程硕士学位论文 成 由于n ，与n 。接近，而桩径b 远小于桩深h ，故可将式( 2 1 ) 中的第二项略去，变 q 。c n 。+ 曲n 。 ( 2 2 ) 式中。、0 形状系数，如表2 1 。 表2 1形状系数表 中 c0 6 0 c m 时，n 。+ = 6 。因此，对于桩端为饱和粘性土的 极限端阻力公式为： q ，u = n o * c 。+ y h = ( 6 9 ) c 。h ( 2 5 ) 式中c 。一土的不排水剪切强度。 2 1 1 2 考虑土的压缩性计算端阻力的极限平衡理论公式 1 ) v e s i c ( 1 9 7 5 年) 提出按破坏图式计算极限端阻。该图表示，桩端形成压密核 i ，压密核随荷载增加将剪切过渡区i i 外挤，a b 面上的土则向周围扩张，形成虚线 所示塑性变形区。根据空洞扩张理论计算a b 面上的极限应力，再通过剪切过渡区i i 工程硕士学位论文 _ _ _ _ - 一 的平衡方程计算桩的极限端阻： q ，o = c n 。+ p n 。 ( 2 6 ) 式中p 为桩端平面侧边的平均竖向压力： p = ( 1 + 2 k 。) * r h 3 ( 2 7 ) n 。= 3 e “”“。( 3 - 3 s i n 耷) * t 9 2 ( 4 + 如2 ) l , * 4 s i n 审3 ( 1 一s i n 审) ( 2 8 ) n o = ( n - 1 ) c o s 巾 ( 2 9 ) 式中k 。= 土的静止侧压力系数； l r r 一一一修正剐度指数，按下式计算： i ，：( 1 + i ，a ) ( 2 t o ) 式中一塑性区内士体的平均体积变形 i ，一刚度指数，按下式计算： l = g s ( c + p t g 巾) = g o 2 ( 1 + t i 。) ( c + p t g 由) ( 2 1 1 ) 式中u 。土的泊松比； g , - - - 土的剪切模量； e o 土的变形模量。 当土剪切时处于不排水条件或密实状态，可取= 0 ，此时，i ，= i ，；i ，也可查 表2 2 取值： 表2 2土的刚度系数表 土类别i 。 砂( d r = 0 。5 0 8 )7 5 1 5 0 粉土5 0 7 5 粘：_ 士_ _1 5 0 2 5 ( 1 引入刚度系数i ，来反映土的压缩性影响，该刚度指数与土的变形模量成正比，与 工程硕士学位论文 平均法向压力成反比。这使得极限端阻力计算值随土的压缩体变增大而减小，与前述 按刚塑体理论求得的与土的压缩性无关的极限端阻公式相比有所改进。 2 ) j a n b u ( 1 9 7 6 ) 提出按下式计算式( 2 6 ) 中的n 。 n q = ( + ( 1 + t 9 2 巾) “2 ) ”e ”。4 ( 2 1 2 ) 式中v 其值由高压缩性软土的6 0 。变至密实土的1 0 5 。 2 1 1 3 端阻力理论计算式的应用 应用上述极限平衡理论公式计算极限端阻力时需考虑以下两点： 1 ) 对于饱和粘性土持力层，可采用式( 2 5 ) 计算极限端阻力，土的抗剪指标 采用不排水剪切试验指标c u ；对于非饱和的粘性土、粉土、砂土，宜考虑压缩性影 响，可采用j a n b u 公式计算极限端阻力，劳与其他公式计算结果比较取值。 2 ) 当桩端进入持力层深度大于临界深度h 。时，以h = h 。代入计算；当桩端进入 持力层深度h 小于h 。，时，可按内插法近似处理。 2 1 2 桩侧阻力的计算 桩的总极限侧阻力的计算通常是取桩身范围内各土层的极限侧阻力q 。与对应 桩侧表面积u ，l 。乘积之和，即 q 。= u i l q ， ( 2 1 3 ) 当桩身为等截面时： q ：。= u u 。l 。q 。 ( 2 1 4 ) q 。的计算可分为总应力法和有效应力法两类。根据各家计算表达式所用系数的 不同，人们将其归纳为n 法、0 法、 法。n 法属总应力法，b 法属有效应力法。 2 1 2 1法 法由t o m l i n s o n ( 1 9 7 1 年) 提出，用于计算饱和粘性土的侧阻力，其表达式为： q 。= oc u( 2 1 5 ) 式中u 系数，取决于土的不排水剪切强度和桩进入粘性土层的深度比 q 工程硕士学位论文 h c d 。 c u 一一桩侧饱和粘性土的不排水剪切强度，采用无侧限压缩、三轴不排水压 缩或原位十字板、旁压试验等测定。 2 1 2 2b 法 b 法由c h a n d l e r ( 1 9 6 8 年) 提出。b 法又称有效应力法，用于计算粘性土和 非粘性土的侧阻力，其表达式为： q ；。= o7 ，k o t g6 ( 2 ，1 6 ) 对于正常固结粘性土，k 。一卜s i n 巾，6 。m 中7 因而得： q 。= d7 ，( 1 - s i n 出7 ) t g6 = b o7 ， ( 2 1 7 ) 式中b 一系数，b ( 卜s i n m 7 ) t g6 当中7 = 2 0 。3 0 。， b = o 2 4 o 2 9 ：据试验统计，0 = o 2 5 o 4 0 ，平均为0 3 2 。 k 。一土的静止土压力系数； 6 一一桩、土间的外摩擦角； o7 ，一桩侧计算土层的平均竖向有效应力，地下水位以下取土的浮重度。 m 7 一桩侧计算土层的有效内摩擦角。 应用b 法时注意以下问题： 1 ) 该法的基本假定是认为成桩过程引起的超孔隙水压力已消散，土已固结， 因此对于成桩休止时间短的桩不能用b 法计算侧阻力。 2 ) 考虑到侧阻力的深度效应，对于长径比l d 大于侧阻临界深度( l d ) 。，的 桩，可按下式取修正的去q 。值； q 。= s $ o ? 。( 1 一l g ( ( l d ) ( l d ) 。，) ) ( 2 1 8 ) 式中临界长径比，对于均匀土层可取( l d ) 。，= l o 1 5 ，当硬层上覆盖有软弱 土层时，( l d ) 。，从硬土层顶面算起。 3 ) 当桩侧七为很硬的粘性土层时，考虑到剪切滑裂面不是发生于桩侧土中， 工程硕士学位论文 而是发生于桩土界面，此时取6 = ( o 5 o 7 5 ) 由7 代入式( 2 1 7 ) 的t g 审7 中计算。 2 1 2 3 法 综合法和b 法的特点，v i j a y v e r g i y aa n df o c h t ( 1 9 7 2 年) 提出如下适用 于粘性土的 法： q 。= 九( o7 ，+ 2 c u ) ( 2 1 9 ) 式中0 7 ，、c u - 一一分别与式( 2 1 7 ) 和( 2 1 6 ) 相同： 一系数，可由专用的图确定。 用理论公式计算桩的承载力，计算参数确定繁琐，计算结果误差一般较大，在 工程实践中很少应用。 2 2 利用静力触探测试指标计算 对于预制桩类，桩基规范( j g j9 4 9 4 ) 中，给出t n 用单桥、双桥静探测试 成果计算单桩承载力的公式，以及对静探锥尖阻力、侧摩阻力修正系数。 桩基规范( j g j9 4 9 4 ) 5 2 7 条：当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土 预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于粘性土、粉土、砂土，如无当地经验可按 下式计算： q 。- = u l i * b 。 f 。i + o + q 。a 。 ( 2 2 0 ) 式中f o i - - - 第i 层土的探头平均侧阻力； q c - - - 桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4 d ( d 为桩的直径或边 长) 范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，然后再和桩端平面以下l d 范围内的 探头阻力进行平均； a 一桩端阻力修正系数对粘性士、粉土取2 3 ，饱和砂土取i 2 ： b ，第i 层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 粘性土、粉土：b = 1 0 0 4 ( f ：。) 1 “( 2 2 1 ) 砂上：b = 5 0 5 ( f 、。) 。”( 22 2 ) 工程硕士学位论文 规范是在收集打入式预制桩的资料基础上而得出的，对于静压桩具有借鉴作用， 同时可以肯定有一定的误差。 静探测试工作与静压桩压桩具有相似性，同时静探测试成果曲线具有连续性、直 观性和准确性，对地基土的工程特性变化反映灵敏，测试得出的成果锥尖阻力、侧壁 瘴阻力，与静压桩承载后的桩端阻力和侧阻力概念基本一致，只是与土体作用的物件 尺寸大小不一，材料不一，在与土体相互作用过程中指标数据上有一定的差异，该方 法可以做到一桩一测，对比性强，可指导桩基设计和优化。总的分析利用双桥静探测 试成果来确定静压桩的承载力，方法是适宜的，关键是要建立静探测试的成果与静压 桩承载力之间的关系。 2 3 利用地基土的物理力学指标查表计算 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，宜按下式计算： q 。k _ q ：k + o 。产u q , ik l i + q 。a ( 2 2 3 ) 式中 q , lk - - - - - - 桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按规范推荐 的表取值。 q 。k - - - 极限端阻力标准值，如无当地经验时，可按规范推荐的表取值。 该方法为广泛收集了全国各地试桩资料经统计而成，具有平均性和大致性，由于 地摹土为不均匀的散粒体，影响其物理力学性质的因素很多，其地域性的特征也很明 显，人为因素影响很大，用该方法确定计算桩的承载力精度一般较低。 2 4 高应变动力测试 动力测桩具有测桩速度快，可以区分桩的端阻和侧阻，但是其测桩时，桩端瞬 时位移较小，桩的端阻不能充分发挥，一般测试的结果偏小，且对桩有一定的损害。 测试成果需要和桩基静载荷试验成果对比修7 e ，一般用来对工程桩的承载力进行校核 利验证。其墩值人为脚素太大，绝大部分参考桩基载荷试验成果，如尊独进行，精度 工程硕士学位论文 很低。 2 5 桩基静载荷试验 桩基静载荷试验，是目前工程应用中确定桩基承载力最准确的方法，为桩的原体 试验，该方法费时耗资，同时对桩有破坏，不宜大面积应用。静压桩桩身埋设应力测 试元件，需要在桩预制时埋设，施工时压桩很容易将测试元件损坏，所阱通常工程中 均采用不埋设测试元件的方法，静载荷试验只能得出桩的承载力，而无法区分端阻和 侧阻大小，对桩体受力机理搞不清楚。桩基载荷试验只能用于对设计方案适宜性和合 理性的验证，无法事前准确的指导桩基设计和优化。 2 6 压桩力估算法 现阶段有的规范提出，对于静压预制桩的竖向承载力，按压桩时的压桩力进行估 算，认为压桩力达到1 5 倍桩的承载力特征值后，再经过一段时间，桩侧土的强度能 得到恢复，桩的承载力有较大增加，一般安全系数可达到2 以上，即单桩竖向承载力 特征值为： r o = p a 。k( 2 ，2 4 ) 式中r 。为单桩竖向承载力特征值：p 。为压桩时终压力；k 为安全系数，取1 5 。 上述的估算公式有失一般性，误差往往很大，k 变化很大。正如前面压桩机理所 述，终压力与承载力是两个本质绝然不同的概念，前面指的是静力压桩过程中使桩压 入土层所施加的静压力，包括桩端土层阻力和桩侧土层的滑动摩阻力，它会是桩端冲 剪破坏挤压桩周土体形成较高的超孔隙水压力的扰动重塑区；而后者是桩施工完毕之 后能保持正常使用时可承受的最大荷载。对于在灵敏度高的粘性土层，压桩过程中如 发生停顿，压桩力会随着时间增长而显著地提高；对于诸如砂性土等透水性较强的桩 周上，则有变形控制的桩的极限承载力会比终压力低。要准确地寻求压桩力