（岩土工程专业论文）钢护筒参与工作的变截面桩承载机理研究.pdf

摘要 钢护筒参与工作的变截面桩承载机理研究 摘要 近年来，随着国内大型桥梁、高耸建筑物和地铁车站建设的发展，套有钢护筒的变截面桩的应用越 来越广泛。常规设计中，钢护筒一般是不考虑参与受力的，只起到变桩径和保护桩身的作用。随着大跨 径桥梁的兴起，设计过程中考虑的工况也随之复杂。各种控制工况( 如船撞和地震力) 的安全度也被相 应提高。这样，设计过程中，钢护筒参与桩身受力的构造处理和计算方法就被提到日程上来。本文结合 室内模型试验，对钢护筒参与工作的变截面桩承载机理进行了研究，主要内容如下： 通过设计室内模型试验，证明套有钢护筒的混凝土构件具有良好的水平承载性能。同等条件下，套 有钢护筒的混凝土构件的水平承载力是没有钢护筒混凝士构件水平承载力的两倍。泥皮的存在使钢护筒 和混凝土之间发生滑移，钢护筒和混凝土之间不能共同作用。在参考钢管桩理论公式计算钢护筒桩的水 平承载力时，从实际工程安全角度出发，本文建议考虑0 5 的折减系数。 运用有限元程序，建立了两组桩基模型。第一组模型模拟室内试验，分析了不同泥皮厚度、泥皮模 量以及钢护筒长度变化对桩项水平位移的影响；第二组模型以苏通火桥工程实例为背景，模拟变截面桥 桩对桩侧土位移场的影响。结果表明泥皮的厚薄对构件的水平承载力有很大影响，厚泥皮使桩承载力严 重降低；随着泥皮弹性模量的减小，桩的p a 曲线拐点明显提前，水平承载力降低；钢护筒内的泥皮使 桩端附近土层的水平向和竖直向位移值加大。 以苏通大桥的桥桩基础为工程实例，采用n l 法比较了考虑钢护筒效应和忽略钢护筒效应这两种工 况下桩基变形、内力参数之差异。结果表明钢护筒对构件的水平向约束十分明显：在相同荷载条件下， 不考虑钢护筒效应构件的桩顶水平位移是考虑钢护筒效应的桩顶位移的两倍，表明考虑钢护筒效应的重 要性。实际工程设计中，结构水平向位移足重要的控制参数，所以十分有必要考虑钢护筒作用。 本文研究内容隶属于国家科技支撑计划项目课题，课题名称为：千米级斜拉桥技术标准和关键结构 及特性研究，课题编号为2 0 0 6 b a g 0 4 b o l 。 关键词：大直径钻孔灌注桩；钢护筒；变截面桩；a n s y s 有限元分析软件；n l 非线性计算方法 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h eb e a r i n gc a p a b i l i t ym e c h a n i s m o fn o n u n i f o r mp i l ew i t hs t e e l 而b e a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l eb r i d g e s ，t o w e r i n gb u i l d i n g sa n ds u b w a ys t a t i o n s ，t h e n o n - u n i f o r mp i l ew i t hs t e e lt u b ei sw i d e l ya p p l i e d p r e v i o u s l y , t h ef u n c t i o no fs t e e lt u b ei su s u a l l yc o n s i d e r e d t oc h a n g et h ed i a m e t e ra n dp r o t e c tt h ep i l ei n s t e a do ft h eb e a r i n gc a p a b i l i t y h o w e v e r ，w i t ht h ee m e r g ea n d a p p l i c a t i o no fl a r g ea r c hb r i d g e t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o u sw i t ht h ed e s i g n i n gw o r ki sb e c o m i n gm u c hm o r e c o m p l i c a t e t h e r e f o r e t h es a f e t yc o e 伍c i e n to fm a n yc o n t r o lf a c t o r s h o u l db ei m p r o v e d w i 也t h e s e c o n s i d e r a t i o n s t h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fs t e e lt u b es h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no fp i l ec o n s t r u c t i o n i n t h i ss t u d y , t h eb e a r i n gc a p a b i l i t ym e c h a n i s mo fn o n - u n i f o r mp i l ew i t hs t e e lt u b ew a si n v e s t i g a t e di na l a b o r a t o r yp r o t o t y p e f i r s t l y , al a b o r a t o r ys c a l ep i l ew i ms t e e lt u b ew a sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d 。1 1 圮r e s u l t s v e r i f i e dt h a tt h ec o n c r e t ep i l ed i s p l a y e dh i g hp e r f o r m a n c eo fh o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a b i l i t y u n d e rt h e 戤i n l e o p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h eh o r i z o n t a lc a p a b i l i t yo fp i l ew i t hs t e e lt u b ew a f tn e a r l yt w ot i m et h a to fp i l ew i t h o u t s t e e lt u b e 1 1 圮e f f e c to fm u dc a k ec a u s e dt h es l i d eb e t w e e nt h es t e e lt u b ea n dc o n c r e t ep i l ew h i c hf u _ r t h e r c a u s e dt h ei n d e p e n d e n t l yw o r k s e v e r a lt h e o r e t i c a lf o r m u l a so ns t e e lt u b ew a su s e dt oc a l c u l a t et h eh o r i z o n t a l c a p a b i l i t ya n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d c o n s i d e r i n gt h es a f e t yr e q u i r e m e n ti np r a c t i c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e d t h a tt h es u i t a b l es a f e t yc o e f f i c i e n to f0 5 s e c o n d l y ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e dw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y sa n dt w of i n i t e e l e m e n tm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d t h ef i r s tm o d e li sc o n s t r u c t e dt os i m u l a t et h el a b o r a t o r yp i l ee x p e r i m e n t t h e e f f e c t so fm u dc a k et h i c k n e s sa n de s ，a n dt h el e n g t ho fs t e e lt u b eo nt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h et o po f p i l e t h e nt h em o d e lo fs u - t o n gb r i d g ew a sa l s oe s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo ft h ep i l e sa n d c o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h eo u t c o m eo ft h et e s t n ee f f e c to fn o n - u n i f o r mp i l eo nt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t f i e l dw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d w i t ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t so fb o t ht w om o d e l s ，i ti ss h o w e dt h a t t h et h i c k n e s so fm u dc a k es i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e dt h eh o r i z o n t a lc a p a b i l i t yo fc o n c r e t ep i l e n 他i n c r e a s eo f m u dc a k et h i c k n e s sc a u s e ds i g n i f i c a n td e c r e a s eo ft h ep i l ec a p a b i l i t y w i t ht h ed e c r e a s eo fm u dc a k ee s ，t h e i n f l e x i o no fp ac u r v e sa d v a n c e de v i d e n t l ya n dt h eh o r i z o n t a lc a p a b i l i t yd e c r e a s e da c c o r d i n g l y 1 1 舱m u dc a k e i ns t e e lt u b ea l s oi n c r e a s e dt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ee n do fp i l e t h i r d l y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d ，n lm e t h o d ，w a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ep i l ef o u n d a t i o no f s u - t o n gb r i d g e t h ed e f o r m a t i o na n dp a r a m e t e r sa r ec o m p a r e dw i t hn lm e t h o du n d e rt w oc o n d i t i o n so fw i t h t h ec o n s i d e r a t i o no fs t e e lt u b ea n dw i t h o u tt h a t t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es t e e lt u b er e s t r i c tt h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i l es i g n i f i c a n t l y u n d e rt h es a m ec a p a b i l i t y ，t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i l et o p w i t hs t e e lt u b ew a sn e a r l yt w ot i m et h a tw i t h o u tt h ec o n s i d e r a t i o no fs t e e lt u b ee f f e c t , w h i c ha l s ov m f yt h e i m p o r t a n c eo fs t e e lt u b ee f f e c t i np r a c t i c e t h ed i s p l a c e m e n to fc o n s t r u c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o n t r o lp a r a m e t e r s t h e r e f o r e , t h ee f f e c to fs t e e lt u b ei np i l ec o n s t r u c t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e da n df u r t h e r i n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：l a r g e d i a m e t e rb o r e dp l i e s ；s t e e lt u b e ；n o n - u n i f o r mp i l e ；f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ； n o n l i n e a rc a l c u l a t i n gm e t h o d - n lm e t h o d i i 东南大学学位论文独创性声明 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， 也不包含为获得东南大学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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 雏竖导师签名：霉簦函e l期：掣：坐墅 | 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 自1 9 6 3 年，钻孔灌注桩在我国河南安阳宿桥首次成功使用后【i 】，随着高层建筑和大型桥梁的增多， 钻孔灌注桩的应用越来越广泛。相对于其他桩基，钻孔灌注桩具有以下优点：可以根据承载力设计要求， 选择合适的桩径、桩长及持力层，布置灵活；其施工设备较简单，既可以在陆地施工也可以在水上施工， 适应性强；其抗震性能好，据震害调查显示，采用灌注桩基础的建筑物相对于采用其他桩基的建筑物， 其上部结构震害较轻，变形较小。 但钻孔灌注桩，尤其是超长大直径钻孔灌注桩，其施t 质景难以控制，所以施工深水中的大直径钻 孔灌注桩，不可避免地需要打设钢护筒。合理地设计这些不可重复使用的钢护筒，采用变截面桩，可以 提高基桩承载能力，降低工程造价，还能避免施工事故【2 j 。 钢护筒最基本的作用是确定桩( 孔) 位，防止地表水进入钻孔内，维持钻孔桩施工过程中孔内泥浆 面高于水面，以保持孔壁稳定。深水中的护筒还常常作为钻孔作业的泥浆池，近来有不少工程用护筒兼 作水上钻孔桩施工平台的支承桩。此外，深水钻孔灌注桩的护筒作为浇注混凝土成桩的水中模板，在成 桩之后，冈其拆除非常困难，或者拆除成本很高，都被保留下来，成为桩的一部分。这种永久性护筒可 以而且应该作为桩结构的一部分参与受力。美国公路桥梁设计规范认为，永久钢护筒的壁厚大于3 m m 时， 就可以认为它参与受力p j 。 在采用钢护筒法对桥梁灌注桩基础施工时，桩体实际上形成了“上大下小”的变截面大直径混合桩： 上部为类似于钢管混凝十柱、下部为钢筋混凝士桩的混合桩身；在钢护筒范围内，由于钢护筒的环箍效 应，该段桩体将呈现出钢一混凝土组合结构的承载特性。 相对于普通桩而言，变截面桩是指其横截面尺寸及性状沿着桩身轴向变化的桩【4 】。事实上，桩基础 很早就以变截面桩的形式出现了，最早出现的木桩就是一根上大下小的变截面桩；带有波纹状钢壳的雷 蒙德阶梯锥形桩是较早出现的变截面 桩。随着桩基技术的发展，变截面桩 无论是构造形式，或是施工方法，都 有了很大的变化与进步。变截面桩按 构造形式分类有：扩底桩、多级扩径 桩、分段变截面( 变径) 桩和组合型桩等 ( 如图1 1 所示) 1 5 【10 1 。变截面桩以其 承载力高、沉降小等优点在高层建筑 等重要工程中得到广泛的应用，如北 京中央电视台，彩电中心大厦，北京 图书馆大楼及深圳国贸人厦等均采用 了变截面桩桩基础1 1 】- 【1 2 1 。总体来说， ( a ) 扩底桩 将钢护筒作为桩基础受力体系一部分的研究相当少， ( b ) 多级扩径桩( c ) 分段变截面桩( d ) 组合型桩 图1 1 变截面桩 因此，本文的研究将有助于弥补这方面的空白。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外关于钢护筒的研究现状 日本大芝大桥首次明确采用混合桩概念考虑套有钢护筒的混合桩，它在比较了不同钢管特性的性价 比后，采用带凸缘的线形钢管【i3 1 。传统的多桩基础形式是采用在无加劲肋的光面钢管中填充钢筋混凝土， 这种钢管与钢筋混凝七的整体性不能充分保证的桩称为混合桩，是近年来海上桥梁常用的形式瞄】。大芝 桥为了取得更经济的设计，在光面钢管的内面带有肋条，因而钢管本身与填充的钢筋混凝土可以发挥同 等的效果，也就是使钢管与混凝土达到整体化作用，成为组合式的多桩基础。 位于泰州的森北大桥采取内外双层钢护筒的施工工艺【1 4 】。其中外护筒制作与普通护筒类似，外钢护 筒直径1 5 0 0m i l l ，用6m i l l 厚的钢板卷制而成，护筒总长8 5 0 0t o n i ；内护筒直径是1 2 0 0m i l l ，壁厚6m m ， 护筒总长7 5 0 0r l l l l l ，采取活瓣式组装，其它情况与外护筒类似。如今套有钢护筒的混凝土构件在国内很 多大桥中都得到广泛应用，如表1 1 所示【1 5 】【1 9 】。 表1 1 实际t 程中钢护筒尺寸 工程名称桩长桩径钢护筒长度钢护筒罐厚钢护筒外径 ( 堡21 翌!f 坚2【坠坚2( 翌2 湘江南人桥主桥主墩1 5 1 85 0 3 51 01 25 4 3 7 芜湖长江大桥号墩3 6 泰州森北大桥2 、3 拌墩 8 5 浙江椒江大桥8 、9 撑墩7 6 7 8 3 o 1 2 2 0 3 5 8 5 7 5 3 0 5 0 2 2 6 1 4 3 2 1 5 1 2 2 o 1 3 套有钢护筒变截面桩存在的问题 深水大直径钻孔灌注桩，直径比设计桩径大且有相当壁厚的长钢护筒足必不可少的【2 们。以前，只是 把护筒作为钻孔成桩的必要措施来对待，护筒材料和由于直径增大而增加的混凝十没有得到有效利用， 反而增加了桩的自重。在人幅度提高护筒下沉的平面和垂直精度的条件下，将护筒下沉至必要的深度， 利用护筒做成变截面桩，并且在计算桩的抗力时考虑了护筒的抗弯作用，是一种合理可行的选择 2 h - 【2 2 】。 在浇注变截面桩过程中会出现一种对混凝土质量不利的现象：当水下混凝士顶部质量较差的软弱浮 浆层上升到桩孔截面变化处时，有些质晕不良的混凝土会扩散到大孔底部，并往上涌。继续浇注混凝七 也不能置换这些浮浆，因此在大孔底部往上的一个区段内，桩柱外围一定范围的混凝土质蹙稍差，桩的 几何截面变化的地方不一一定就足截面力学特性变化的位置【2 3 】- 【2 5 1 ；水下灌注混凝土工艺，其桩身质量不 可能像预制桩那样稳定、可靠，混凝- 十强度也较难保证，在套有钢护简的钻孔灌注桩成桩工艺中，在护 筒内壁会有一层2 姗到1 0i t l r l q 厚度不等的泥皮1 2 6 】【3 0 】。 套有钢护筒的变截面桩的应用对桩基工程的设计提出了新的课题，要求尽快地完善各种变截面桩的 设计理论与计算方法，这必将推动工程设计向前发展。总体来说，这样的变截面桩作为基础受力体系一部 分的研究还相当少，冈此，本文的研究将有助于弥补这方面的空白。 本文研究内容隶属于国家科技支撑计划项目课题，课题名称为：千米级斜拉桥技术标准和关键结构 及特性研究，课题编号为2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 1 。 2 第一一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 本文主要从以下几个方面对套有钢护筒的变截面桩进行承载机理研究： ( 1 ) 采用室内模型试验，分析钢护筒和混凝土受力过程；考虑泥皮存在对套有钢护筒的混凝土构 件极限承载力的影响。 ( 2 ) 运用蔡绍怀和钟善桐理论分析计算套有钢护筒的混凝土构件的极限承载力和弯矩。 ( 3 ) 采用a n s y s 有限元软件对模型试验数值模拟，分析研究不同情况下套有钢护筒的混凝土构件 荷载位移情况。 ( 4 ) 利用理论分析方法研究钢护筒在实际工程中对灌注桩的位移约束作用。 参考文献： 【l 】张浩文后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中的应用研究【d 】：【硕士论文】南京：东南大学土木工程学院， 2 0 0 6 年 【2 】张凯超长钻孔灌注桩研究现状与发展 j 】山西建筑，2 0 0 5 ，3 1 ( 8 ) ：4 9 5 0 【3 】美国各州公路和运输工作者协会美国公路桥梁设计规范【s 】北京：人民交通出版社，1 9 9 8 【4 】周红，扩底墩地基土的位移与应力 j 岩士工程学报，1 9 8 5 ，6 【5 】郭允庄钻孔变截面桩成孔技术【j 】工程勘察，1 9 9 9 ( 5 ) ：2 3 2 【6 】王凤池，王明恕大直径扩底桩墩的工作机理和承载力设计【j 】岩土工程学报，2 0 0 2 ，2 4 ( 2 ) ：2 5 1 - 2 5 3 【7 】高广运，蒋建平，顾宝和同场地扩底桩和直桩的对比研究【j 】岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，4 ( 3 ) ：5 0 3 5 0 6 【8 】高广运，蒋建平，顾宝和砂卵石层上大直径扩底桩墩竖向承载力性状阴岩土力学，2 0 0 4 ，2 5 ( 3 ) ： 3 5 9 3 6 2 【9 】王凤池，王明恕大直径扩底桩墩的工作机理和承载力设计【j 】岩土工程学报，2 0 0 22 4 ( 2 ) ：2 5 1 2 5 3 【1 0 】黄强大直径扩底桩承载力及变形计算【j 】建筑结构学报，1 9 9 4 ，1 5 ( 1 ) ：6 7 7 7 【“】刘杰，王忠海，邵立国组合桩承载力的试验研究【j 】天津大学学报，2 0 0 3 ，3 6 ( 1 ) ：1 2 5 1 2 8 【1 2 】宰金珉，宰金璋高层建筑基础分析与设计土与结构物共同作用的理论与实践【m 】中国建筑工业出版 社，1 9 9 3 【1 3 】严国敏编译日本大芝桥的设计与施工 【1 4 】桂洲泰州森北大桥钻孔桩深水钢护筒设计与施工阴西部探矿工程，2 0 0 3 ( 0 1 ) ：1 4 5 1 4 7 【1 5 】罗瑞华芜湖长江大桥主塔墩大直径双壁钢围堰深水基础施工川公路，2 0 0 3 ( 4 ) ：4 4 - 4 7 【1 6 】李军堂、戴宗诚芜湖长江人桥双壁钢围堰大直径钻孔桩施工【j 】公路，2 0 0 0 ( 1 0 ) ：1 0 - 1 5 【1 7 】申华，黄伟长沙湘江南大桥设计与施工简介【j 】湖南交通科技，2 0 0 1 ，2 7 ( 2 ) ：6 1 6 4 【1 8 】焉学永长沙湘江南大桥大口径挖孔桩施工技术【j 】西部探矿工程，2 0 0 6 ( 7 ) ：6 3 6 4 【1 9 】陈庆华，魏楚凯湛江海湾人桥4 7 撑主墩桩基水下砼施1 = 【j 】广东公路交通，2 0 0 4 - 3 3 3 5 【2 0 左明福深水人直径钻孔灌注桩若干问题讨论 j 】【i - 国港湾建设，2 0 0 6 ，5 ：3 3 3 5 【2 1 c h a r l e sw w n ，t e r e n c elyy ，j o n a t h a nhml ，c ta 1 s i d er e s i s t a n c eo f l a r g ed i a m e t e rb o r e dp i l e s s o c k e t e di n t od e c o m p o s e dr o c k j o u r n a lo f g e o t e c h n i c a la n dg e o e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ，a s c e ， 2 0 0 l ，1 2 7 ( 8 ) ：6 4 2 6 5 7 3 东南大学硕十学位论文 【2 2 蒋红星，冯芳超深钻孔灌注桩荷载传递性状岩土力学，2 0 0 3 ( 1 ) ：4 3 - 4 6 【2 3 吴鹏，龚维明，任伟新等钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响【j 】岩土工程学报， 2 0 0 8 ，3 0 ( 9 ) ：13 2 7 13 3 2 2 4 邓奕泉，罗锦鸿钻孔灌注桩泥浆及其对桩基承受力的影响 j 】山西建筑，2 0 0 7 ，3 3 ( 2 ) ：1 3 2 1 3 3 【2 5 祝和芬影响钻孔灌注桩成桩质量的几个问题分析【j 】石家庄铁道学院学报，2 0 0 6 ，1 9 ( 5 ) ：1 0 6 1 0 8 【2 6 李建斌特种护壁泥浆在大孔径桩基施工中的应用川铁道建筑，2 0 0 2 ( 4 ) ：2 - 4 【2 7 马茂军，曲学进护擘泥浆对抗浮桩承载力的影响分析叨叨青岛理工大学学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ：1 l 禾1 1 6 【2 8 1 彭林旭p h p 泥浆在深水大直径桩基施工中的应用叨世界桥梁，2 0 0 7 ( 1 ) ：2 3 2 5 【2 9 张彦，文洁平，谢伟英东沙大桥主桥桩基泥浆维护使用及泥浆循环系统m 公路，2 0 0 7 ( 6 ) ：1 9 8 2 0 0 【3 0 彭雪平，周雷靖摩擦型冲( 钻) 孔灌注桩桩侧泥皮问题实例分析及处理【j 】电力建设，2 0 0 6 ( 2 ) ：1 5 1 7 4 第_ 章套有钢护简构件的试验设计 2 1 室内试验概述 第二章套有钢护筒构件的试验设计 常规设计中，钢护筒一般是不考虑参与受力的，只是起到变桩径和保护桩身作用。随着大跨径桥梁 的兴起，设计过程中考虑的工况也随之复杂，各种控制工况的安全度也被相应提高。钢护筒参与桩身受 力的构造处理和计算方法就被提到日程上来。同济大学的黄亮生把外包钢护筒换算成钢筋，这样护筒承 担了2 8 的弯矩，这样看来，构造处理带来的效果是显著的【1 1 。 桩基工程中，由于进行单桩或群桩的原位试验需要花费大量的人力、物力和时间，因场地条件等其 他冈素的限制无法进行原位试验。在这种情况下，室内模型试验就成为研究、探索和解决问题的一种快 速有效的方法。 桩的模型试验是根据桩基的实际工作状态，进行全面合理的构思，建立与原型试验具有相似性规律 的模型，借助科学仪器和设备，人为的控制试验条件，研究桩基在某一或某些条件下的受力变形特性的 试验。它在桩基工程技术的研究应用、设计以及施t 阶段都占有重要地位。它不仅为桩基础的研究提供 试验数据和试验论证，并且为_ t 程设计提供依据进而指导工程实践。 2 2 试验目的与内容 通过室内模型试验来探求套有钢护筒的桥桩在横向荷载作用下的受力特性，研究不同类型的钢护筒 桥桩在水平荷载作用下的基本性状，获取钢护筒应变及桩身弯矩分布等原始资料，了解在水平向荷载作 用下桩的基本工作性质，及泥皮对钢护筒和混凝土桩共同受力产生的影响【2 】- 【3 1 。 本次试验在东南大学结构试验室完成，共完成八根构件，构件名称如衷2 1 所示。 表2 1 构件特性介绍 试验采用c 3 0 混凝土，q 2 3 5 酐j 钢筋和q 3 3 5 削j 3m m 厚钢板( 材料属性见表2 2 ) 。钢板分为有花纹和无 花纹两种( 图2 一1 ) 。套有钢护筒的混凝土构件尺寸如图2 2 所示，外套钢护筒的有限长度为2 5 0 0 咖。 5 m 自太# 碗1 学位m r 采22 构件材料j j 五性 材科 q 2 3 5 铡q 3 3 5 钢c 3 0 泣凝l 弹性饪h l ( g p a l 2 1 02 0 03 0 强度标准值( m p a ) 2 3 53 3 52 01 强度设训值( m p a ) 1 9 52 8 01 38 ( a ) 有花纹钢护筒 图2 1 钢护筒类梨 浇筑混凝十的施i ：步骤如下：先将底部支座钳筋篷放入立好的底 部承台的模板内，然后绑扎带有钢筋计的四根纵筋，绑扎纵筋后开始 浇注卜部支座对j 。套有莒4 管的构件，需浇筑底部十公分高度，等初 凝后阎定柱内纵筋将铡管从纵筋上部套下使其直十之前浇筑好的 1 公分棍凝1 5 之上，然后将底部支庳浇筑完艳；在钢管顶部预定位置 处焊接胡子筋，架立上部承台模扳并浇筑上部承台。 浇注带有泥皮的构件时需要用到底部有阀的漏斗和直径为i8 c m 的p v c 魍料导管。首先将搅拌机中的泥浆( 比重控制在11 6 - 11 7 ) 注入钢管内，然后将混凝l 灌 阀门关闭的漏斗( 容积为0 0 4 m 3 ) 中， 拉开阀则漏斗中混凝l 次性落入底邸支鹰中，此时钢管中的泥浆 太黾上翻，移去漏斗继续向导管中灌八混凝 ：，j 一拨导管井剪断，随 着导管的上拔导管中的混凝t 落入钢管中，并伴随着泥浆不断涌出， 从而完成混凝p 的浇注，现场施i 。如图2 - 3 所示。 【b 1 尤花纹制护筒 杠桃的i + 部支伟中钟 管外孽焊接两层胡子筋每层四报，每根l f 2 0c n l 每根构件内部配叫根f 1 2 的q 2 3 5 钢筋，钢筋中部粘贴自补偿半桥麻变儿，构成钢筋训；钢筋计做好以后将导线焊接r 麻变儿l ， ，1 引出一定长度。导线从桩下部支庳引出。j f 在导线上编号，以k 分再线所连应变儿的位置( 酗2 4 ) 。 试验浇筑过程尽量模拟钻孔灌注桩的施i 过程，主要是泥浆的配置和注浆。混凝1 ：自钢管k 端n 处 灌 ，人l 住钢管外壁轻微振捣。闪为钢板n q 3 3 5 钢崩此亩采用f a 3 掣焊接材料由j 。锌j 板较薄钢 板拼焊时采用熔透的角焊缝形式，井保证焊缝质钻。 第$ 套n 镕# * 目f 1 的* m 图2 4 席变j t 粘贴位置 辞根桩在外辟上粘贴f 廊变分阿层粘贴，每层粘贴六十。其中应变片c h t 到c h 6 贴j ：桩的 中问，外一层应变h c h ” t j c h - 。贴】。距下部离支座1 0 m 处t 两层麻变片的枯贴位置相目：即在荷载 方向和垂直荷载的方向上粘贴凹个纵向应变片，在荷载方向上相对粘贴两个环向应变j 。 应垒片的轱贴是应变电测技术中的一个关键环节粘贴质量的好坏直接影响测量结 i 。粘贴t 作量 很大技术难度要求较高，重复使用困难。如果操作不当就台造成测点囡应变片不能被激活而失效，导 致测量工作的失殴试验中严格接应蹙片粘贴t 艺要求粘贴应蹙片：将模型桩粘贴应童片，对粘贴好的 应变片进行绝缘检查。用7 0 4 硅腔对应变片进行防潮防水处理t 为r 研究模颦桩桩身的向垒与弯矩情况t 应盎片的粘贴位置是在模型桩的两佣推力作用线的两侧。 测试系统图如图2 5 所示采用千斤顶施加水平力，水平力作用线应通过地面标高处r 地面标高应与 实际工程桩基承台底面标高一致) 。在于斤顶与试桩接触处宜安置一球形铰胜，以保证千斤顶作用力能 水平通过桩身轴线。车扶试验采用职( 单) 向多循环加卸载法按照位移控制的加载方式以5 m m 的级 差进行荷载的递增”】。每级荷载施加后，恒载2m l 确q 读水平力，然后卸载垒军，至此完成一个加卸载循 耶如此循王i = 2 次便完成一级荷戴的试验观蔫加载时闻应尽量缩短测量t 6 = 移间隔时何应严格准确， 试验水得i - 逾停歇。当钢管开裂或水平位移超过2 0 0 t r i m 就终止试验。由以往的试验资料可知，试验的 加薮古式、加袭维持时间，循环时间、周期、加荷速率等因素直接影响试验成粜。 数据采集采用两台d h 3 8 1 7 静志应变测试系统该系统由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。 每箱可以同时采集八个测点低漂移、低噪声、低误差，采集艘牢也比较高。 反力墙2 千斤顶3 试验构件4 第层器翟紧蒜群6 ”动态采集仪7 删采集系统 2 3 构件破坏形式 钢护筒构件破坏有两种类型：1 ) 钢管底軎| i 鼓胀变形开裂破坏：2 ) 钢管沿焊缝人范围开裂。构件 g l g 2 ，g t 2 ，g n i g n “g t n 2 均是柱脚起鼓的压屈破坏，试件在水甲荷载达到屈服荷载之后约一个循耶以 内柱脚两边受压侧发生局部微凸。随着# ! 顶水平位移的不断加大及反复循环加载，鼓凸的范围沿该截 面越来越大屉后相连彤成一个完整的外完环。试件g t - 和g n t - 由于其钢护简之问焊缝质蒂未能达到设 计要求试验开始不久出现焊缝粘结开裂引起柱顶水平位移增人荷裁选小到预期值。由于施t 质量 * # 自自# 目件试* ” 州黜起的柑件破蜘、批限承救山远远没前发挥米，罔2 6 是h 中 根均件的破坷、彤忐 日有泥皮有花纹构件( g n t l ) n 有泥皮有花纹构件( g w r 2 ) 圈2 6 构件破坏形式 在初始荷载阶段，混凝1 ：的泊松系数小j 。制护筒的 卣松系数。圳此混凝p 和t 卅护简2 问不会发生 挤脏，错护筒如同泞通钢筋一样，。4 核心混凝j 。批吲承受纵向压力；随着纵向应变的增加，混凝 ：内部 发生微裂并不断发展；在铡护筒达到屈服前，混凝l 已经发牛轻微地断裂。 试螗虽后l 州水平 奇穆过大，水平荷裁尤法继续施加而结束。试验完成后，可明显看出靠近钢护筒的 混凝l ：已被压碎，f l 由r 钢护筒对棱心混凝 = 的约束作用，试件在破坏时不会像钢筋混凝i ，构件样 东南大学硕士学位论文 出现混凝土剥落的情况，整个试件截面仍然保持完整。钢护筒混凝土试件破坏形态与支座嵌固形式有密 切关系。试件钢护筒埋于支座。且配置有足够的抗剪钢筋，锚固性能良好。对核心混凝士仍有较好的约 束作用，因而试件的承载力并无明显下降；当柱底钢管变形过大或一旦拉裂时，其水平承载力立即开始 下降。 2 4 试验结果分析 通过钢护筒表面的电阻应变片和混凝土内配钢筋的电阻应变片，可测得两者的荷载应变曲线，对 套有钢护筒的混凝土结构进行受力分析。 2 4 1 钢护筒和桩共同作用的受力分析 本文从八根构件中选择四根类型不同的构件进行比较分析，如图2 7 所示，2 - 7 ( a ) 7 年1 2 7 ( b ) 是无泥皮的 混凝十构件，2 - 7 ( c ) 和2 7 ( d ) 是护筒内有泥皮的混凝士构件。从图中可以很清晰地看出当护筒内有泥皮或 有花纹时p g 曲线和p 一气曲线二者并不完全重合。 嗣帅 4 5 0 4 0 o 3 5 嘲 3 乏2 5 0 0 0 乱2 0 0 0 0 1 捌如哪 ! o o 5 o o z 、- 一 乱 i t ( a ) 无花纹无泥皮构件 “ ( b ) 有花纹无泥皮构件 ” p ( c ) 无花纹有泥皮构件( d ) 有花纹有泥皮构件 图2 7 套有钢护筒构件的p 占曲线 图2 7 ( a ) 相当于钢管混凝土构件，钢护筒和混凝土的接触良好，两者可以很好地共同作用。钢护筒 和钢筋的应变在加载初期和最终阶段重合，表明在加载初期和最终阶段，钢护简和钢筋共同工作。 1 0 第一二章套有钢护筒构件的试验设计 图2 7 ( b ) 、( c ) 、( d ) 构件的钢护筒和混凝土之间并不完全接触，或是有泥皮、花纹或是两者皆有。花 纹或泥皮的存在使钢护筒和混凝土之间发生滑动，在相同水平荷载条件下，两者不能共同作用。构件的 钢护筒和钢筋的应变在相同荷载下的变化不一，以后发展趋势也不相同。 在相同荷载水平下，有无泥皮对钢筋的纵向应变的影响并不大，但对钢护筒的纵向应变的影响比较 明显。比如当水平荷载达至1 j 2 0k n 时，所有构件钢筋的纵向应变接近5 0 0 r e ；无泥皮无花纹构件的钢护 筒纵向应变接近5 0 0 工店；有花纹无泥皮构件的钢护筒纵向应变接近1 0 0 0 ，馏；无花纹有泥皮和有花纹有 泥皮构件的钢护筒纵向应变接近1 5 0 0 正侣。 2 4 2 荷载水平位移滞回曲线 t j 训扩同1 1 y 仳镦上俐i t l - t - ，义殳例戳f f 广廿伍j 火俐瓢。小t 1 、，侈凹坟州因z 一6 ，7 l 小o 主2 0 0 0 0 。一 夕i 1 0 0 0 0 ： ；藤 。 磁 o 键 ； 髟圹 奎1 舢 譬- 铷1 ) 0 0 謦- a 0 0 0 0 晕删 ( a ) 无花纹无泥皮g l ( c ) 有花纹无泥皮g t l 金 t 耀 和 譬 臀 黛 ( ”无花纹无泥皮g 2 ( d ) 有花纹无泥皮g t 2 东南犬学硕士学位论文 4 0 0 0 0 铷咖 0 哪 善1 姗 誓0 j - 1 0 o 爵 掣- 2 0 0 0 0 刁哪 枷o - t ：绷一。 ； 鲁矽： 5 0，们o - 5 0 o5 01 0 01 5 0 桩顶水平位移d ( e ) 无花纹有泥皮g n l 么z j磁： ；沪 锤纩 瑚- 7 0 蜘瑚- 4 0 - 3 0 一加- 1 001 02 0 4 0s o6 07 0 柱顶木乎位穆d ( _ ) 4 0 0 0 0 箕d 铷嘲 ：t ( 1 0 0 0 t 0 缸 1 臀 掣- 2 0 0 0 0 3 舢 - 4 0 0 0 0 5 k 糖 * 臀 黛 簇嬲 ；缈罗 ( f ) 无花纹有泥皮g n 2 ( g ) 有花纹有泥皮g n t i( h ) 有花纹有泥皮g n t 2 图2 8 构件桩顶荷载水平位移曲线 1 ) g l ，g 2 ，g n l ，g n 2 ，g t 2 ，g n t 2 构件的特点是无明显下降段，转角位移线性很好，与不发生局部失稳 的钢构件性能相同。套有钢护筒的混凝士因钢护筒对它有约束作用，构件的含钢率无论高低，轴压比的 数值无论大小，都不会发生由于混凝士被压碎而引起构件碎裂破坏的情况【们。同时，核心混凝土对钢护 筒起着支撑作用，保证了钢护筒不发生局部屈曲。滞回性能稳定，基本无刚度退化和强度衰减现象；曲 线图形很饱满，吸能性能好。 2 ) 由于焊缝质晕较差而导致构件提前破坏的g t l 和g n t l 试件，相应的滞同曲线有明显的捏拢现象， 耗能能力小，延性稍差，钢护筒混凝十试件在钢护筒屈服后有明显的刚度退化现象。无论是试件的水平 承载力还是加载刚度或卸载刚度均随位移循环次数的增加而缓慢降低【5 】【6 1 。 2 4 3 钢护筒和泥皮对构件水平承载力的影响 套有钢护筒混凝土构件当受到轴心压力时会产生紧箍效应，这是套有钢护筒的构件具自j 特殊性能的 根本原因。这个时候钢护筒和核心混凝土都出于三向应力状态下，这与单向应力状态下的受力状态完全 不一样。在三向应力状态( 纵向受压而环向受拉) 下，钢材的屈服强度母降低，而极限应变却增大，即 强度下降，塑性变形能力增大。 紧箍力p 在管内的分布与钢护筒的形状有很大关系，本文试验采用的是圆形的钢护筒，所以紧箍力 1 2 一 一 一 。 一 一 一 一 一 njk群姆十譬臀攀 第二章套有钢护筒构件的试验设计 的效果是最好的。钢护筒和混凝土的环向与径向应力是被动力，它们随纵向应力的产生而产生，并随其 增大而增大。 套有钢护筒构件的特点是中和轴不在形心位置，因受弯时，截面分为受压区和受拉区。受压区钢护 筒和混凝土皆承压，而且在发展翅性变形后还产生相互作用的紧箍力，不过此紧箍力沿受压区高度分布 不均匀，在最大受压纤维处紧箍力最大；而受拉区的混凝土开裂，只由钢护筒抗拉，内部混凝土对钢护 筒只提供横向约束。当分析钢护筒的受弯工作时，应充分估计到这些特点。 图2 9 所示为各试件顶部荷载水平位移曲线，从加载到试验结束，套有钢护简混凝土构件工作的全 过程可分为3 个工作阶段：弹性工作阶段，弹塑性工作阶段和破坏阶段。 从开始加载到钢护筒混凝土桩底受拉边缘钢管初始屈服，试件工作基本处于弹性工作