（岩土工程专业论文）应用flac30分析预应力高强混凝土管桩的承载特性研究.pdf

恫贾 摘要 预应力高强混凝土管桩是一种新型的工程基桩，它很好的结合了现代预应 力技术、高强混凝土技术与离心制管技术，具有单桩竖向承载力高、抗弯性能 良好、桩身质量稳定可靠、施工工期较短、便于进行检测等优点，近年来越来 越广泛的应用于我国各类工程建设项目中，并获得了明显的技术效益与经济效 益。但是，由于预应力高强混凝土管桩的承载机理比较复杂，影响其工作性能 的因素众多，使得实际的设计施工方法在理论支撑方面尚显不足，至今仍处于 半经验半理论的状态，效率不高。当前仍然缺乏对预应力高强混凝土管桩荷载 传递机理的完善理论研究，同时也没有系统的分析比较各种复杂因素对其承载 特性的影响情况。因此从理论上进一步研究其承载特性，对指导设计和施工， 保证工程可靠性是十分有意义的。 本文通过查阅相关文献资料，简单的介绍了预应力高强混凝土管桩的发展 及应用情况，并对国内外的研究现状和在设计施工过程中存在的不足做了简明 阐述。在总结桩基桩土体系荷载传递理论的基础上，采用有限差分法，应用三 维快速拉格朗日差分软件f l a c 3 d 程序对预应力高强混凝土管桩进行合理建模， 模拟其受力机理，对影响其承载特性的多种因素进行研究，并结合实际工程对 其荷载沉降关系进一步分析，比较数值模拟与静载试验结果的区别，为实际工 程中这一桩型的设计施工提出一些有益的意见和建议。 关键词：预应力高强混凝土管桩；承载特性：f l a c 3 d 数值模拟；沉降；影响因 素 i i a b s t r a c t a bs t r a c t p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i p ep i l ei sap r o d u c tw i t ht h ec o m b i n a t i o no f t h ep r e s t r e s s e dt e c h n o l o g ya n dc e n t r i f u g a lp i p em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a san e w t y p eo fe n g i n e e r i n gp i l e s ，p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t h c o n c r e t ep i p ep i l eh a sm a n y a d v a n t a g e s t h e s ey e a r s ，w i t hr e s o r tt oi t sh i g hb e a r i n gc a p a c i t y , f l e x u r a lb e h a v i o r , s t a b l ea n dr e l i a b l eq u a l i t y , l a r g es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，f a s tc o n s t r u c t i o ns p e e d ， c o n v e n i e n tt os u p e r v i s i o na n dd e t e c t i o n ，p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i p ep i l e h a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nc h i n a , a n d r e c e i v e ds i g n i f i c a n tt e c h n i c a lb e n e f i t sa n de c o n o m i cb e n e f i t s h o w e v e r , a st h e p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i p ep i l e sb e a r i n gm e c h a n i s mi sc o m p l e x ，t h e r e a r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fi t sw o r ks t a t et h a tm a k et h ea c t u a l d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d si nt h et h e o r yi ss t i l li n s u f f i c i e n t c u r r e n t l y , t h el o a d t r a n s f e rm e c h a n i s mo fp r e s t r e s s e dp i l ei ss t i l lh a s n tp e r f e c t i n gt h e o r e t i c a lm e t h o d ， a n di ta l s ol a c k st h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no nt h ev a r i o u sc o m p l e x a f f e c t i n gf a c t o r s t h e r e f o r e ，t h es t u d yi nt h e o r yo f i t sb e a r i n gb e h a v i o ri sn e c e s s a r y , a n dt og u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt oe n s u r er e l i a b i l i t yi sv e r ym e a n i n g f u l a c c e s st ot h er e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h i sp a p e rm a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h e p h c p i p ep i l ei nt h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o n a n dm a d eab r i e fs e to nt h es t a t u s o fr e s e a r c h i n ga th o m ea n da b r o a di nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ed e f i c i e n c i e s i ns u m m i n gu pt h ep i l eo fp i l e s o i ll o a dt r a n s f e rs y s t e m ，b yu s i n gt h e f i n i t e d i 岱：r e n c em e t h o da n dt h r e e d i m e n s i o n a l f a s t l a g r a n g i a n f l a c j us o f t w a r e p r o g r a m ，t h i sp a p e rc o n d u c tar e a s o n a b l ep r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i p e m o d e lt os i m u l a t ei t sm e c h a n i c a lm e c h a n i s m ，i m p a c to fi t sb e a r i n gb e h a v i o ro ft h e v a r i o u sf a c t o r s ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n go fi t sl o a d - s e t t l e m e n tf u r t h e r a n a l y s i s ，c o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d s t a t i cl o a dt e s tg i v e st h er e s u l t so ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h i sp i l et o m a k es o m ei n t e r e s t i n gc o m m e n t sa n dr e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb y c o n c r e t ep i p ep i l e ；b e a r i n gb e h a v i o r ； u s i n gf l a c 3 d ；s e t t l e m e n t ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得直昌太堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：赵板 签字日期： 砂( i 年lz 月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌太学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名手写：赵撒 签字日期：2 1 年i2 月弓1 日 导师签名 ( 手写) 伽 签字日期：加7 年乙月? 1 日 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着桩基础越来越广泛的应用于各类实际工程中，人们对桩基础 的承载特性也开展了更加深入的研究与实践。桩是一种桩长比桩径尺寸大很多 的柱形构件l lj 。桩基础属于深基础的一种，通过它将上部荷载传递给地基。桩 基础也是一种具有悠久使用历史的基础形式，经过考古研究，世界上最早的木 桩距今已超过一万年1 2 j ，而人类自新石器时代伊始，在我国和世界其他国家的 很多地方都存在有不同历史时期的桩基础遗址。 1 9 世纪中叶发明了钢筋混凝土桩之后，桩基础的理论研究和技术应用更是 有了突飞猛进的发展，其使用范围也变得越来越广，桩的形式也更加多种多样， 出现了一系列新桩型，这其中的预应力高强混凝土管桩，具有单桩竖向承载力 高、抗弯性能良好、桩身质量稳定可靠、施工工期较短，便于进行检测等优点， 近年来大有替代钢管桩、预制混凝土实心桩的趋势，因此从理论上进一步研究 其承载特性，对进一步指导设计和施工，保证工程可靠性是十分有意义的。 1 1 1 预应力混凝土管桩发展简史 1 1 1 1 预应力混凝土管桩概述 预应力钢筋混凝土管桩( 简称预应力管桩) 融合了预应力技术、高强混凝 土技术和离心制管技术等一系列新技术。按预应力张拉工艺可以将预应力管桩 分为后张法预应力管桩与先张法预应力管桩；按照混凝土强度等级又可以将其 分为预应力混凝土管桩( p c 桩) 与预应力高强混凝土管桩( p h c 桩) 。p c 桩 与p h c 桩这两者的主要区别在于成桩的离心混凝土强度不同，一般p c 桩的离 心混凝土强度要大于或等于c 5 0 级，而p h c 桩的离心混凝土强度要大于或等于 c 8 0 级，在两者的几何尺寸与抗弯等级相同的情况下，p c 桩与p h c 桩仅仅反 映的是承载能力的大小。预应力管桩中还有一种预应力薄壁混凝土管桩( p t c 第1 章绪论 桩) ，它与p c 桩的区别在于管桩壁厚、主筋保护层厚度、抗弯指标不同。预应 力管桩的各种常用指标见表1 1 。【3 】【4 1 【5 】 表1 1 预应力管桩常用指标表 混凝土外径壁厚长度桩身竖向极限承载力 种类 等级 ( m m )( m m )( m )标准值( k n ) 5 0 0i o o3 9 7 0 - 4 0 7 0 s 1 2 5 5 01 0 0 、1 2 5 s 1 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 0 s 1 5 4 9 3 0 , - - 6 2 3 0 8 0 01 l o s 1 5 7 4 3 0 - 7 6 3 0 4 0 07 52 0 1 0 s 1 2 5 0 01 0 0 s 1 2 3 2 7 0 - 3 3 6 0 p c 型 c 6 0 5 5 01 0 0 1 2 3 6 5 0 - 3 7 9 0 6 0 01 0 0 、1 1 0 s 1 5 4 0 2 0 4 5 4 0 3 0 05 01 0 6 0 s 1 0 4 0 05 5 、6 5 s 1 2 1 6 1 0 1 8 3 0 p t c 型 c 6 05 0 06 0 s 1 2 2 2 3 0 ( 薄壁) 5 5 06 0 、7 0 s 1 2 2 4 8 0 2 81 0 6 0 07 0 3 1 0 0 s 1 2 1 1 1 2 预应力混凝土管桩国内外发展情况 预应力混凝土管桩在国外已经有百余年的历史，预制混凝土桩、配螺旋筋 混凝土桩，离心法密实混凝土成型方法、离心钢筋混凝土管桩、中空预应力钢 筋混凝土管桩分别于1 8 9 4 年、1 9 0 6 年、1 9 1 5 年、1 9 3 4 年、1 9 4 9 年被发明，这 些新技术新桩型的发明有力的推动了预应力管桩技术的进步【6 1 。日本、美国、 西欧等国在预应力混凝土管桩的研究和使用上居于世界前列，其中日本更是这 领域的佼佼者，上世纪六十年代就制定了相关的规范，推动了预应力管桩使 用的规范化和标准化。据有关统计资料显示，2 0 0 1 年日本在使用预制桩的比例 就大致是：p h c 管桩占9 3 ，r c 桩与p c 管桩各占1 ，其它形式预制桩占5 。 我国从1 9 4 4 年开始生产混凝土离心管桩( r c 桩) ，到5 0 年代末科研人员 2 第1 章绪论 成功研制出预应力抽筋管桩，即采用后张法来对桩身混凝土施加预应力；到6 0 、 7 0 年代，人们开始研制并应用预应力混凝土管桩( p r c 桩) ，随后又成功生产 后张法预应力混凝土管桩：进入9 0 年代后，预应力高强混凝土管桩( p h c 桩) 的使用从沿海地区向内陆地区发展，并在全国开始大量生产和广泛应用 6 1 。在 最近的2 0 年里，我国生产的预应力混凝土管桩产品，无论从产品性能还是产量 上都达到了世界先进水平，呈现出布局面广、产品品种与规格齐全、生产工艺 成熟、配套应用技术日趋完善等特点i _ 7 1 。我国的许多生产预应力混凝土管桩及 设备配套的企业已得到i s 0 9 0 0 2 质量体系管理认证证书，不少产品已成功出口 国外，许多工艺生产主机，如墩头机、滚焊机、离心机、磨具、蒸压釜、大型 强制式混凝土搅拌机都已成功实现国产化并达到世界先进水平，生产预应力混 凝土管桩所必须的高强度预应力凹螺纹钢筋、高效减水剂等也已经很好的得到 配套发展，这为我国的预应力管桩的生产打下了坚实的基础。1 9 9 9 年到2 0 0 1 年这短短两年的时间内，生产厂家由区区十几家发展到近4 0 家，不仅规模扩大， 产量也成倍增长，约达1 5 0 0 万米年，而到目前为止生产厂家有近干家1 8 】。上海、 福建、浙江、江苏等地都已经推广应用预应力管桩，其他地区也处在探索或试 用阶段。尤其是在近几年，沿海地区发展迅速，预应力管桩已逐步占据了市场 主导地位，应用前景广阔【9 l i l l lo j 。2 0 0 1 年浙江省应用管桩约1 0 0 0 万米，2 0 0 4 年 福建省应用预制高强混凝土管桩达2 5 0 0 万米j 。现在我国已经是全球生产和使 用管桩最多的国家，年产量达到3 亿米、年应用量近2 6 亿米；产值达3 5 0 亿 元，形成产业链产值更到达7 0 0 亿元，占我国水泥混凝土制品行业总产值比较 大的份额。 国内管桩产品从无标生产，到现在拥有较完善的标准体系：g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 先张法预应力混凝土管桩、j c 8 8 8 2 0 0 1 先张法预应力混凝土薄壁管桩、 0 3 s g 4 0 9 预应力混凝土管桩、g b t 1 9 4 9 6 2 0 0 4 钻芯检测离心高强混凝土抗 压强度试验方法、j c t 9 4 7 2 0 0 5 先张法预应力混凝土管桩用端板、 j c t 9 5 0 2 0 0 5 预应力高强混凝土管桩用硅砂粉、j c t 9 4 8 2 0 0 5 混凝土制品 用脱模剂、j c t 5 4 0 2 0 0 6 混凝土制品用低碳冷拔钢丝，这一发展的历程也 整整走过了近2 0 年1 1 2 j 。 1 1 2 预应力混凝土管桩特点 第1 章绪论 1 1 2 1 预应力混凝土管桩优缺点m l n 町悯 通过大量的工程实际证明预应力管桩有如下所列的诸多优点： 1 单桩承载力高。预应力管桩桩身采用的是高强度混凝土，打入土体后还 伴随有挤密土体的作用，提高了桩端承载力，因此其承载力水平普遍高于同直 径的钻孔灌注桩和沉管灌注桩。 2 设计选用范围广。管桩桩径、桩长灵活多变，接桩方便，承载力覆盖范 围广，设计人员在设计时可以根据工程的实际需和地质情况方便的进行布桩， 使得桩基的不均匀沉降得到很好的控制。 3 管桩尺寸可根据需要定制，施工时搭配灵活，在施工现场可以根据实际 地质情况调整节桩长度，节省用桩量，规避桩长不足或产生余桩的情形。 表1 2 对比了预应力混凝土管桩、钢筋混凝土预制方桩、钻孔灌注桩和钢 管桩的应用特点。 表1 2 常用桩型的应用特点对比一览表 预应力混凝十管 桩型钢筋混凝土预制方桩钻孔灌注桩钢管桩 桩 大规模f ：厂预制，需要人面积场地污染可能需要 施工场地 现场无污染预制场地 严重加t 产地 可及时沉桩施工，预制后需成桩后需保养进入沉桩 施工工期 耗时短保养一个月一个月施工较快 较易控制较难控制，较 工程质量易控制，易保证易控制，易保证 较易保证 难保证 不易监测，费 沉桩检测易监测，费用小易监测，费用小易监测，费用小 用较大 混凝土量小混凝土量大 混凝士量大 材料用量 耗钢量大 耗钢量低耗钢量大耗钢量低 工程造价较低较低较高较高 4 单位承载力造价较低。采用单位承载力( 每吨或每k n ) 造价作为衡量 桩基的经济效益的标准时，通常情况下，预应力管桩每吨承载力的造价可以比 钻孔灌注桩和人工挖孔桩便宜，在众多桩型中经济效益明显。表1 3 给出各种 桩基方案技术经济特性对比情况，通过比较可以很容易的看出预应力管桩在经 4 第1 章绪论 济效益方面的优势所在。 表1 3 技术经济比较 p h c 管桩钢筋混凝土预制方桩钻孔灌注桩 技术经济指标 ( 由5 0 0 )( 4 5 0 x 4 5 0 )( 由6 0 0 ) 无前期准备，工期可缩浇灌混凝土后需保养成桩后需 工期 短1 2 个月 1 个月 保养1 个片 需较人预制场地， 不需预制场地，砂、石及水泥污染严 场地污染严重， 施t 现场 现场无砂石料、废浆及重，噪声和震动大，有噪音， 噪音污染对相邻建筑有较大影施工工艺要求高 响 成品桩出厂前已检测， 工程质量质量不易保证较难保证 质量可靠 不易观察 成桩监测方便直观可靠 方便 费用较大 易夹十，断桩， 破损率极小易打碎或打断 缩颈 单桩承载力价格 1 o1 11 6 ( 2 3 0 0 k n ) 单桩承载力越高 承台造价 造价一般造价较高 承台价格越低 5 预应力管桩的桩身强度高，直接采用吊装就能够方便的起吊运输，接桩 时采用电焊法，接桩快捷，一般完成一个桩头的焊接仅需要不到半小时的时间。 6 成桩长度可自由控制，短至5 、6 米，长至5 0 余米，搭配方便，受施工 机械和地质情况的限制少。 7 预应力管桩的施工速度快、效率高，减少施工工期。 8 预应力管桩的桩身具有很强的耐打性，穿透力强，施工破损率小。 9 采用静压法施工时，施工现场整洁，污染小，符合环境保护的要求。 1 0 预应力管桩的成桩质量可靠。由于预应力管桩是在工厂预制生产，桩 身质量稳定可靠，耐打耐压性能好，成桩质量是各种桩基中可靠性高。 1 1 预应力管桩的监理、监测都比较方便，便于对工程质量进行控制。 5 第1 章绪论 然而预应力管桩也有一些缺点和局限性： 1 预应力管桩生产要在专业的工厂内进行，对生产设施要求高，施工时需 要机械设备的配合，因此生产和施工的设备投资较大，对人员的技术水平要求 也比较高。 2 预应力管桩的施工方式有锤击法和静压法两种，都有不利因素：锤击法 的震动和噪音大；市区内禁止使用；静压法需要的静压设备较大，在施工工地 中通行不便。同时，预应力管桩会产生挤土效应，也容易影响周围建筑物和环 垃 坑o 3 施工时送桩深度受限。 4 某些特殊的地质条件不宜采用管桩，使用范围受到限制。 1 1 2 2 预应力混凝土管桩应用范围”m 刀 预应力混凝土管桩适用于一般粘土、粘性土、软土、砂土与风化基岩等地 层条件，可以广泛应用，但以下五种情况不宜采用： 1 石灰岩地区。 2 有不作持力层的略硬夹层存在的情况。 3 孤石、老基础及地下障碍物较多的地层。 4 从软土层直接进入微风化或中风化基岩的地基。 5 持力层太深的情况。当持力层超过4 0 m ，采用管桩就不经济了，且此时 其长径比容易超过规范的限值。 1 2 预应力混凝土管桩的国内外研究现状 目前，国内有的设计人员进行预应力管桩的单桩竖向承载力计算时，按现 行设计规范考虑，借用混凝土预制桩的计算公式，将预应力空心管桩当作闭口 桩来考虑，计算单桩竖向极限承载力，结果往往会有偏差，同时也无法反映预 应力空心管桩沉桩过程中的真实受力情况和管桩的承载机理。事实上在沉桩过 程中，管桩桩端的部分土体将被挤入开口的空心管内而形成土塞，还有部分土 体将被挤向四周产生挤土效应。随着沉桩的继续，管内的土塞将会发生压缩， 对桩管内壁将产生摩阻力，因此预应力管桩的竖向承载力实际上由三部分组成： 6 第1 章绪论 桩外侧阻力、桩管内侧阻力、桩端阻力。同时，因为打桩过程中桩端土体的挤 压，使持力层的承载力会进一步提高，如果按原状土的设计参数进行计算，会 使承载力往往偏低。因此对“土塞 和“挤土”的研究，对确定预应力管桩承 载力的大小具有重要意义。同时，针对管桩的负摩擦力研究也越来越受到关注。 1 2 1 预应力混凝土管桩挤土效应研究 二十世纪中期，就有学者开始进行预应力混凝土管桩的挤土效应研究，根 据大量的打桩现场测量的记录得出沉桩规律并提出部分经验公式。 h o u s e l 和b u r k e y 1 6 】( 1 9 4 8 ) ，c u m m i n g s 、k e r h o f f 和p e r k 1 7 j ( 1 9 5 0 ) 较早 的研究了沉桩对粘土性能的影响，得到了由于沉桩而使得粘土力学性能发生的 一些变化规律，在沉桩初期粘土的不排水强度下降迅速，在沉桩后期又得到逐 步恢复。a d a m s 和h a n n a 【硌】( 1 9 7 0 ) 、h a g e r t y 和p e c k 1 9 1 ( 1 9 7 1 ) 分别测量沉桩 过程中桩侧土的隆起情况得到了不同的结论：对于桩侧土体隆起量与土体内桩 的体积的比值，前者认为比值约为5 0 ，后者认为该值是3 0 ，产生这一数值 上的差异主要是由于土体的类别不同，从而导致土体隆起的程度不同。 国内从5 0 年代末开始记录了桩承载力随时间增长的资料：如1 9 5 9 年天津 新港采用4 0 0 m m x 4 0 0 m m 的钢筋混凝土预制桩，沉桩后2 4 0 天、2 1 0 天承载力 分别比4 2 天、1 4 天增长了3 7 、4 2 【2 0 1 。叶为民等【2 1 】( 2 0 0 0 ) 通过试验得出 将预制桩打入饱和软土两周后，极限承载力比设计值提高3 0 。陈福全等1 2 2 1 ( 2 0 0 2 ) 通过现场试验来研究压桩机理，并得到压桩阻力及承载力计算公式。 研究人员从7 0 年代开始采用应变路径法、圆孔扩张理论、有限元法等理论 分析和数值模拟的方法来研究压桩的问题 2 3 1 。r a n d o l p hmf e t a l l 2 4 j ( 1 9 7 9 ) 、 c h o w 和t e h 2 5 】( 1 9 9 0 ) 分别采用圆孔扩张理论和有限元法分析了粘性土中沉桩 产生的应力、固结问题，得出了桩周土体的位移场。 国内学者也利用圆孔扩张理论研究沉桩挤土效应，如：许清侠【2 6 】( 1 9 9 8 ) 模拟桩身中部与桩尖附近土体的应力应变变化，得出挤土效应对周边环境的影 响。粱发云和陈龙珠【2 7 】( 2 0 0 4 ) 考虑应变软化的t r e s c a 材料的这一解析解，并 得到不排水饱和土扩孔规律。 挤土效应也会给采用静压法施工的预应力高强混凝土管桩带来两个问题： 桩体上浮与“桩塞 。管桩静压后有时会上浮，再复压又会产生较大的沉降，从 7 第1 章绪论 而降低桩基承载力，影响管桩的正常使用；“桩塞现象是指管桩压入淤泥、淤 泥质土的中，管桩周围土体孔隙水压力会变得很高，在得不到消散的情况下会 阻碍沉桩的进行，甚至破坏管桩，同时土体有效应力的降低会导致土体向侧向 和上部移动，使桩体产生侧移和上浮。因此针对预应力管桩挤土效应的研究具 有重要的工程意义，解决实际施工中的问题。 1 2 2 预应力混凝土管桩土塞效应研究 预应力混凝土管桩是开口桩，在没有封闭桩头的情况下，沉桩过程中会有 土体进入管桩中空部分，通常将这部分土体称为“土塞 ( 如图1 1 所示) 。 ， ? | j ，。，! 。 ： ； t i ：l ：。 二 i ! i ；一， ! ；! l 镗饺：_ 一一li ! | ；：；! ； 桩外土体 ：。士露：；i 图1 1 沉桩过程中土塞形成示意图【2 9 】 预应力管桩的闭塞效应是指进入管桩内部的土体，由于管壁内部摩阻力的 作用而产生压缩，使得管桩的桩端产生闭塞，进而影响管桩的承载力及端阻力 的发挥。土塞作用会使管桩的承载特性更加复杂，对管桩的承载力产生非常大 的影响，同时也会减少管桩在沉桩时的挤土效应【2 9 1 。由于管壁内部的摩阻力与 土塞相互作用的程度不同，土塞出现完全闭塞和不完全闭塞两种情况，完全闭 塞会使管桩产生闭口桩的性质【3 0 】。 桩侧土体对管桩产生桩外侧阻力与桩内侧阻力两种支承力，本质上都是桩 土之间的粘结力与摩擦力【3 l 】【3 2 】。管桩内部土塞的侧阻力的发挥性状与管桩外部 8 第1 章绪论 土体侧阻力不同，前者只有当荷载传递至桩端并产生沉降才开始由下而上逐渐 发挥，后者随着桩顶受荷、沉降的出现自上而下的发挥。当荷载较小时，管内 的土塞可以看作荷载的一部分，随管桩一同下沉，直到其底部反力不断增大至 一个临界值时产生相对于管桩向上的位移，此时管桩内壁产生侧摩阻力随之逐 渐产生。 s t e v e n s ”1 ( 1 9 8 2 ) 认为在不完全闭塞的情况下，管桩内侧摩阻力为外侧摩 阻力的一半，随着土塞的加强逐渐增大到与外侧摩阻力相同；p e r r y 和h a n d l e y | 3 4 】 ( 1 9 6 7 ) 提出管桩内部的拱效应；p a i k o w s k y 3 5 】( 1 9 8 9 ) 进一步指出土塞的拱效 应直接导致了非常大的内侧摩阻力。 徐梓忻 3 6 1 ( 2 0 0 3 ) 比较了预应力混凝土管桩和钢管桩的性能，并借鉴钢管 桩承载力计算公式得出预应力管桩的承载力估算公式。 吴庆勇、张忠刮，7 l ( 2 0 0 6 ) 认为，对开口管桩而言，无论是挤土桩还是 非挤土桩，其总承载能力是由管桩桩身内外侧摩阻力之和与桩端阻力共同构成。 张义【3 8 j ( 2 0 0 5 ) 通过分析静压预应力管桩单桩极限承载力与终压力的关系， 得出了终压力值也是直接影响单桩极限承载力的因素。 李连营，路清【3 9 】( 2 0 0 3 ) 认为应对桩端面积与极限端阻力标准值进行修 正以便正确计算管桩单桩竖向极限承载力标准值，应当部分考虑管桩内壁的侧 摩阻力。 李乐铭、尚玉华1 4 0 】( 1 9 9 0 ) 认为，小直径( 直径小于6 0 0 m m ) 开1 2 1 钢管 桩会产生很强的闭塞效应，这时应当将其视作闭口桩。 桩径、土性、桩的入土深度等是影响管桩闭塞效应的主要因素【4 1 1 。陆昭球 等通过现场试验，得出钢管桩的直径和钢管桩打入的土层性质会影响土塞高度， 由于打桩时会产生土体的扰动，即时在施工完成很长时间后，土塞高度达到十 倍桩径以上的，其土体的承载力仍然比原状土差；但是十倍桩径范围内的土塞 则相对密实，不过无法达到完全闭塞1 4 2 1 4 3 1 。 在预应力管桩沉桩过程中，土塞的形成是一个非常复杂的过程，对于影响 土塞形成的诸多因素，如由于打桩过程中产生的管桩的振动、土体超孔隙水压 1 力的影响，以及不同地基土具有不同的工程特性，在这些影响因素的共同作用 下土塞的工程特性指标会产生很大变化，对于这些变化的确定还有待于今后的 进一步研究。 9 第l 章绪论 1 2 3 预应力混凝土管桩负摩擦力研究 随着桩基础的使用，在一定条件下，新的问题随之出现，即桩基的负摩擦 力问题。通常，桩在正常工作状态下，由于桩身承受了绝大部分上部荷载，桩 相对于土体向下移动，桩周土对基桩侧壁产生向上的阻力，即界面正摩擦力。 但是，在某些情况下，桩周土会相对于桩产生向下的位移，从而对桩侧产生向 下的侧摩擦力，即负摩擦力( 如图1 2 所示) 。 q l l；： l ； 卜、j ：，。一7 1 l 负摩擦医 i 、 亚摩擦隧： l i 缝袤沉降 中性点 o 图1 2 桩侧摩阻力示意图图1 3 桩身轴力沿深度变化图 负摩擦力会降低桩的承载力，增加桩身荷载，它作为附加荷载作用于桩身， 使得桩身轴力自上而下逐渐增加，直至中性点时达到最大，从而会使桩的承载 力降低，如图1 3 所示。 负摩擦力的问题由来已久，早在1 9 4 8 年，k t e r z a g h i 和r b p e c k 就在( ( s o i l m e c h a n i c si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ) ) 一书中就提出了负摩擦力问题，并且给出简 单的计算公式m 】。如今，国内外的学者在桩基负摩擦力方面进行了大量试验研 究、理论研究和数值模拟方面的探索。 挪威的i j j o h a n n e s s e n 和l b j e l t i l m 4 5 l ( 1 9 6 5 ) 采用两根直径18 英时( 即 直径4 7 c m ) 的钢管桩进行负摩擦力测量，获得了沿桩身传递荷载大小与分布情 况的描述，还提出有效应力法进行负摩擦力计算。 加拿大的m b o z o z u k 和a l a b r e c q u e d u i 删( 1 9 6 9 ) 对长8 3 m 、直径9 9 c m 的内填混凝土钢管桩进行负摩擦力观测分析。 i n o u e 和t a m a o k i 【47 】( 1 9 7 7 ) 等人研究了一个由于负摩擦力而产生建筑物桩 1 0 第1 章绪论 基下沉的实例，得出了差异沉降与负摩擦力、差异沉降与可压缩土层厚度之间 的关系。 但是，由于现场试验投资过于巨大，因此人们也尝试采用一些室内试验来 进行研究，从不同方面研究负摩擦力的性状。通过室内试验，可以定性的探讨 负摩擦力的相关问题，作为现场实测的一个重要补充。 e r g u n t 4 3 j ( 1 9 9 5 ) 利用模型试验得到桩间距对负摩擦力群桩效应的影响。 k h l e e l 俐( 1 9 9 9 ) 等人利用模型试验，得出负摩擦力与土体超孔隙水压 力的消散和不排水抗剪强度、桩的粗糙度及桩土相对位移之间的关系。 c e l e u n g 和b k l i a o 【5 0 j ( 2 0 0 4 ) 利用离心机试验，对比研究只受负摩擦力 的单桩与同时受负摩擦力和桩顶荷载的单桩的承载特性。 根据现场实测和室内试验的结果，通过分析人们将其上升到理论高度，并 且随着计算机技术与大型通用软件的出现与发展，研究人员又开始采用大型通 用软件对桩基负摩擦力进行数值模拟研究。 迈耶霍夫在桩基础的承载力和沉降 5 1 】中提出软粘土中的群桩负摩擦力 计算方法。 b e n gh f e l l e n i u s 5 2 1 ( 2 0 0 4 ) 讨论了容许荷载与下拉荷载之间的关系、下拉 荷载与桩身材料强度验算、考虑下拉荷载的桩基沉降计算等问题，给出桩基设 计“统一 方法。 h b p o o r o o s h a s b e t a l 5 3 j ( 1 9 9 6 ) 研究了刚性桩( 混凝土桩) 和柔性桩( 碎石 桩) 的负摩擦力情况，得到桩土界面处为非线性本构关系时的控制方程。根据 定解条件采用有限差分法进行求解，并编制计算机程序进行计算，得出了负摩 擦力分布规律。 l e e 、b o l t o n 和a 1 t a b b a a 【5 4 】( 2 0 0 2 ) 用a b a q u s 软件分析了群桩上的负 摩擦力问题，进行了一系列2 d 和3 d 分析，并对桩土界面采用滑动模型和弹性 模型进行对比研究，并进行相应的参数讨论。 a d e lm h a n n a 5 5 l ( 2 0 0 6 ) 用c r i s p 程序对粘土中单桩上的负摩擦力分析。 国内在桩基负摩阻力的研究上相对来说起步较晚，主要是由于我国上世纪 六七十年代大型工程建设相对较少，涉及到桩基负摩阻力的问题较少。但是， 自上世纪八十年代以来，国内各大城市尤其是沿海地区，大型工业厂房和高层 建筑不断涌现，港口工程与高速公路桥涵工程也迅猛发展，因为桩基负摩阻力 问题而引起的建( 构) 筑物损坏问题也r 益突出，由此引起了国内有研究人员 第1 章绪论 的重视，开始进行负摩阻力问题的研究。 李光熠【5 6 】【5 7 1 ( 1 9 8 8 ) 等采用滑移位移计成功测量了一根钢管桩的负摩阻力， 并用有效应力法进行探讨。 陆明生1 5 8 j ( 1 9 9 7 ) 进行负摩擦力室内模型试验研究，测试了摩擦桩、端承 桩和悬挂桩在不同荷载下的桩身轴力分布，对摩擦桩在测试结束后还进行抗拔 试验，并对试验结果进行平面有限元分析。 赵锡宏1 5 9 j ( 1 9 7 5 ) 对桩基负摩擦力研究的内容包括将z e e v a e r t 的在均质土 的桩的负摩擦力计算理论公式推广到层状土，并提出确定中性点的逐次趋近法， 再结合引进日本的研究成果，利用上海工程实例对该法的适用性检验。 王建华( 2 0 0 0 ) 提出用b o i t 固结理论和f r e d h o l m 积分方程，再借助l a p l a c e 变换来计算单桩负摩擦力的计算方法【6 0 】，该方法可以直接求出各时刻桩侧摩擦 力大小与中性点位置，但其前提条件是桩表面受到圆形均布荷载的作用，否则 不成立；同年，陆建飞将该方法推广应用于分析群桩负摩擦力【6 1 1 ，不过这两者 都未考虑土体的非线性、成层性与桩土滑移对负摩擦力的影响。 赵明华( 2 0 0 4 ) 改进了佐藤悟的双折线模型，采用荷载传递法建立基桩负 摩阻力的基本微分方程。考虑桩土相互作用与土体分层，导出适用于任意土体 沉降曲线的基桩负摩阻力分段解析解，最终引入土体沉降的b o u s s i n e s q 解，并 且结合文中解答对某工程实例进行分析【6 2 1 。 袁灯平( 2 0 0 5 ) 利用太沙基固结理论建立桩侧负摩阻力非线性解析解模型， 并在此基础上，进行实例的计算，分析了桩体特性、桩土界面强度、土体特性、 堆载与土体结构性等对负摩阻力的影响【6 3 】。 马远刚( 2 0 0 4 ) 采用a l g o r 程序研究桩侧负摩擦力1 6 4 j ，对土体采用邓肯一 张模型，桩土界面设置g o o d m a n 单元。为模拟时问效应，采用中点增量法，同 时考了虑土体的渗透系数，并研究了加载间歇期的应力应变。 目前对负摩擦力的研究主要还是以数值模拟为主，相应的结合室内模型试 验与现场实测，共同研究负摩擦力的分布规律；然而实际上负摩擦力的一些解 析解难以在实践中直接应用；负摩擦力随时间发展情况、桩顶荷载对负摩擦力 的影响、负摩擦力在工程上的应用等问题仍在进一步实践和探讨中。 1 2 第1 章绪论 1 2 4 预应力混凝土管桩竖向承载力研究 预应力管桩的竖向承载力计算一般有以下两种方法：1 以管桩桩身强度作 为标准，即确定桩身轴向抗压强度；2 以土体强度与变形作为标准，确定方法 通常有静载试验法、静力触探法、动测法等。 英国、同本等国对预应力管桩的研究比较深入，如日本的先张法离心预 应力混凝土管桩标准和先张法离心高强度混凝土管桩标准【6 5 】【删中按桩身 强度来计算预应力管桩竖向承载力的公式( 1 1 ) ： r = 0 2 5 ( f 。一盯。) 彳 ( 1 1 ) 式中，r 一管桩桩身额定承载力： ，：一管桩桩身混凝土极限强度； 盯。一桩身有效预压应力； 4 一桩身有效横截面积。 国外采用静力触探法确定单桩承载力的常用计算公式见表1 4 ： 表1 4 静力触探法确定单桩承载力计算公式 国家 公式备注 希腊 巴= 熹丽 qc a + 盘q 英国 荷兰 尸口= 六q 。爿 采用双桥探头测试 印度 只= 六 一+ 扣嚣 前苏联 只= o 7 r a + 厶a s 】 法国 = 喜a r l q c , , a + 吉u 酽1 ，t 采片i 单桥探头测试 动测法是通过对桩施加动力作用，进而测定桩的响应来分析桩的工作状 态，分为高应变动测法和低应变动测法两种，其中高应变动测法己成为确定单 桩承载力的方法之一。国际土力学基础工程学会( i ss m f e ) 的野外及实验室 试验委员会也正式推荐此法用于确定基桩的轴向承载力【6 7 1 1 6 8 1 。 国外计算预应力管桩竖向承载力的经验公式：式( 1 2 ) 为海利动力打桩公 第1 章绪论 式，式( 1 3 ) 为改进的格氏打桩公式： d：主丝：丝竺：! ：竺 ( 1 2 ) 。 c 。w ，+ e r” 2 ”一等+ 、i l ( 1 1 2 a 、12 n p aj 矿，+ 帆c 2 w r 卅， ( 1 3 ) 随着预应力混凝土管桩在我国的应用越来越广泛，学者们也归纳出很多公 式用于管桩竖向承载力的计算。 王离【7 1 1 由多根预应力混凝土管桩试桩结果进行反算，结合他多年的施工经 验，对于桩端持力层为强风化岩层的情况，得出单桩竖向承载力标准值计算的 经验公式： r i = lo o n a p + g 三，( 1 4 ) 式中，一桩端处强风化岩的标准贯入值； g 一桩周土体的摩擦力标准值； 宋建军【7 2 】提出了桩端持力层为硬塑一坚硬风化残积土，采用锤击法施工的 预应力管桩的单桩竖向承载力计算经验公式： r = ( 1 5on a p + 甜g ：三7 ) + 材g ，l ， ( 1 5 ) 式中，桩端处风化残积土的标准贯入值； g ：一风化残积土桩周摩擦力的标准值，经过反算，取8 0 k p a ； 三一管桩进入风化残积土持力层的桩长；其余参数含义同前。 蓝星育修正了格氏打桩公式中的系数s ，给出了s 的值及其相应的阻力 系数u 值。蔡长庚【7 4 】对预应力管桩单桩竖向承载力的确定提出了多种方法：静 载试验法、p d a 打桩分析仪实测法、经验公式估算法、按桩身额定强度计算 法。张忠苗【7 5 】得出静载试验所得的预应力管桩的单桩竖向极限承载力要大于现 行规范经验公式计算所得的极限承载力，可以进一步改进规范公式。 1 3 本文的主要研究内容 综上所述，预应力高强混凝土管桩作为一种新型的工程基桩，凭借其单桩 竖向承载力高、抗弯性能良好、桩身质量稳定可靠、施工工期较短、便于进行 1 4 第l 章绪论 检测这一系列优点，近年来被广泛的应用于我国各类工程建设项目中。但是目 前在预应力混凝土管桩的研究、设计中，仍然存在许多问题，如： 1 由于预应力管桩的承载机理比较复杂，影响其工作性能的因素众多，使 得实际的设计施工方法在理论支撑方面尚显不足，至今仍处于半经验半理论的 状态，效率不高； 2 仍缺乏对预应力管桩荷载传递机理的完善的理论研究，也没有对其影响 因素做系统的分析比较，对于预应力管桩属于端承桩还是摩擦桩，在学术界也 存