（岩土工程专业论文）支盘桩盘的抗剪强度的试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f ap l a t e ss h e a r l n gs t r e n g t h a b s t r a c t p i l e sw 豇hb r a n c h e sa n dp l a t e se x p a n d e d ，d e r i v e d f r o mc o m m o nc o n c r e t eb o r e dp i l e s ，a r eo n e so fan e wt y p e ， w h i c h ，n o ty e tf u l l y - n e d g e d ，h a v eb e e nd e v e l o p i n gw i t h s t u d yf o r w a r d a p p l i c a t i o no fe x p e r i m e n t sw h e r es t a t i o n a r y l o a d sa r ea v a i l a b l ea n do fn o n l i n e a rf e ai sh e r ec o m b i n e d t oa n a l y z et h ei e s p o n s e so fp l a t e su n d e rs h e a i i n gj o a d sa n d t h e i rf a i l u r ef e a t u f e s ，w h i c hi sp r i n c i p a l l ys t a t e da sf o l l o w s ： f i r s n y ，a c c o r d i n gt op l a t e s g e o m e t r i c a ls h a p e c o m p a r a t i v et 0t h ep i l e s ，m o d e l so fp l a t e ss u i t a b l ef o rt h e e x p e r i m e n t sa r ep r o p o r t i o n a t e l yt a i l o r e d ，b e h a v i o r a lm l e s o fw h i c hu n d e rm es h e a r i n gl o a d sa r ei n t e n s i v e l ys t u d i e d s e c o n d i y ，w i t ht h ea p p l i c a t i o no fa n s y s ，f e a s o f 如a r ea n dr a t i o n a lc h o i c eo ff a i l u r e c r i t e r i o na n do f i h 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t i 它s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po fc o n c r e t e ，n o n - l i n e a rb e h a v i o 兰三 量蚕薹i 暄目鼋碍匿匿匿重量! 芎三i 喜 i ；二二二；_ 二；i i 二i i ；i 二；i 三| i 胃釜一i 耋兰蔓= 垂三 童三 主三 至垦二；二二三；三i 二i 至三耋主亳兰三i 耋薹至茎珥耄茎主薯 i 主是：薹差薯 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 挤扩支盘桩技术，是北京俊华地基基础工程技术集团发明的 专利技术。采用他们研制的支盘挤扩机械装置，在桩孔内的合适 土层，进行加压挤扩，形成“支7 或“盘”，形成的支盘桩如图 1 1 ： 图i 一1 支盘柱囤 f i g 1 - 1f i g u r eo fap n ew i n lb r a n c h e sa n dp l 二： q 搴 荫；事 始挫慝吲1 应舁方；群必蚕唪墨澎得非常必要了。本章从支盘 桩的发展概况、支盘 桩的受力机理、在支盘桩极限承载力状态下，可能发生的盘的破 坏以及与之相关的混凝土的强度准则，混凝土的应力应变理论等 方面进行阐述。 1 2 支盘桩简介 太原理= i = ：大学硕士研究生学位论文 注和欢迎。 挤扩支盘桩技术的机理研究工作也是很深入、很有成果的。 广泛的室内外实验证明，这项技术受力机理明确，挤扩影响较大， 对周边土具有加固挤密的效应。时至今日，该项研究许多成果不 仅提供了支盘桩的单桩承载力的计算方法而且也有了单桩沉降的 估算方法。 为了进一步认识支盘桩的力学特性，研究不同几何尺寸的盘 的抗剪性能便显得非常必要了。本章从支盘桩的发展概况、支盘 桩的受力机理、在支盘桩极限承载力状态下，可能发生的盘的破 坏以及与之相关的混凝土的强度准则，混凝土的应力应变理论等 方面进行阐述。 1 2 支盘桩简介 1 2 1 支盘桩的发展 挤扩支盘桩及其用于支盘挤扩成型的液压设备是2 0 世纪8 0 年代末期由北京俊华地基基础工程技术集团发明的。1 9 9 0 年在国 内取得国家发明专利以后，又分别在美国、欧洲、日本、加拿大 和泰国取得或申请了专利。 挤扩支盘桩从1 9 9 2 年始在建筑工程中使用。十多年来已在北 京、天津、河北、河南、安徽、山东、江苏、浙江、黑龙江、湖 北、广东、海南等十多个省市的l o o 多项工程中采用。在提高桩 基承载力、减少沉降、增加桩基安全性、降低工程造价和缩短工 期等方面部取得了显著的效果。国家科委于1 9 9 8 年4 月组织专家 2 太原理= i = ：大学硕士研究生学位论文 注和欢迎。 挤扩支盘桩技术的机理研究工作也是很深入、很有成果的。 广泛的室内外实验证明，这项技术受力机理明确，挤扩影响较大， 对周边土具有加固挤密的效应。时至今日，该项研究许多成果不 仅提供了支盘桩的单桩承载力的计算方法而且也有了单桩沉降的 估算方法。 为了进一步认识支盘桩的力学特性，研究不同几何尺寸的盘 的抗剪性能便显得非常必要了。本章从支盘桩的发展概况、支盘 桩的受力机理、在支盘桩极限承载力状态下，可能发生的盘的破 坏以及与之相关的混凝土的强度准则，混凝土的应力应变理论等 方面进行阐述。 1 2 支盘桩简介 1 2 1 支盘桩的发展 挤扩支盘桩及其用于支盘挤扩成型的液压设备是2 0 世纪8 0 年代末期由北京俊华地基基础工程技术集团发明的。1 9 9 0 年在国 内取得国家发明专利以后，又分别在美国、欧洲、日本、加拿大 和泰国取得或申请了专利。 挤扩支盘桩从1 9 9 2 年始在建筑工程中使用。十多年来已在北 京、天津、河北、河南、安徽、山东、江苏、浙江、黑龙江、湖 北、广东、海南等十多个省市的l o o 多项工程中采用。在提高桩 基承载力、减少沉降、增加桩基安全性、降低工程造价和缩短工 期等方面部取得了显著的效果。国家科委于1 9 9 8 年4 月组织专家 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 论证后，己将挤扩支盘桩技术纳入“重点国家级火炬计划项目”， 建议在全国推广使用。1 9 9 8 年1 1 月科技部、税务总局、对外贸 易经济合作部、质量技术监督局、环保总局等单位将挤扩支盘桩 及设备纳入“国家重点新产品”。在此之前天津市建委、北京市 科委、黑龙江省建委、河南省建委、广州市建委等都下达了文件 或以会议纪要的形式推广了这项新技术。挤扩支盘桩的出现，对 于解决灌注桩的许多技术缺欠，提高和改进灌注桩的承载性状有 着重大的影响，是项重要的新技术成果。 1 2 2 支盘桩的特征及其技术经济效益 挤扩支盘桩由桩柱( 桩身) 、底盘、中盘、顶盘及数个分支所 组成。按照土质情况，在硬土层中设置分支或承力盘。分支和承 力盘是在普通圆形钻孔中用专用设备通过液压挤扩而形成的。在 支、盘挤成空腔同时也把周围的土挤密。经过挤密的周围土体与 腔内灌注的混凝土支盘和钢筋混凝土桩身紧密地结合在一体，发 挥了桩土共同承力作用，提高了桩的侧摩阻力和支承阻力，从而 使桩承载力大幅度增加。 大量的工程实践证明，挤扩交盘桩技术具有施工机具简单、 适应土层广泛、能充分利用地基承载土层、工程造价低、可大量 节约钢材和水泥、能有效减少桩直径和桩长、提高承载力、减少 沉降量以及抗拔力好等优点，特别是在用其他手段难以奏效的水 下砂层中，采用这项技术可以挤扩形成各种桩基扩大头，改善了 桩基工程的使用条件。挤扩支盘桩具有良好的技术经济效益。 适应性强：可在多种土层中成桩，从沿海到内地，无论是 3 查垦望王奎堂堡主堑壅生堂堡垒塞 一 普通的粘性土、粉土、砂土，还是软土和湿陷性黄土，均能采用 挤扩支盘桩技术，而且不受地下水位高低限制，可根据承载力的 需要，充分利用土层内的好土层，采取增设分支和承力盘数量以 提高单桩承载力。1 5 层3 0 层高层建筑最适合支盘桩基，大型工 业厂房、水塔、烟囱、市政立交桥、高架桥、复合地基、基坑支 护等，均可采用挤扩支盘桩基。 单桩承载力高：挤扩支盘桩的单桩承载力与钻孔桩相比， 其单方混凝土承载力一般是钻孔桩的2 倍左右。在天津软土分布 区，桩径6 0 0 m m 8 0 0 m m ，桩长在2 0 m “5 m ，挤扩支盘桩的单方混 凝土极限承载力在4 8 0 k n m 3 5 4 8 k n m 3 ，是直孔桩的2 倍。 表i 1支盘桩与直桩承载力比较 t a b l el 一1c o m p a r i s o nb e t w e e nap i l ew nb r a n c h e sa n dp l a 七e se x p a n d e d a n d a c o m m o n o n e 桩 桩桃 混凝土用量 摩阻 端承支盘承单桩极限 百 径长力力载力承载力分 型 m土桩盘盘k nk n ( k n )( k n ) 比m m 直 7 0 02 492 42 8 6 06 5 43 4 6 01 0 0 桩 支 盘 7 0 0 2 4 92 427 6 2 0 8 0 6 5 4 4 2 8 47 0 1 8 2 0 2 桩 节约材料：通过天津新华园写字楼、公寓楼挤扩支盘桩与 钻孔灌注桩基的对比，以及塘沽金宝大厦和塘沽广播电视中心两 种桩基工程结构图计算中混凝土用量对比我们发现钻孔灌注桩的 混凝土用量是支盘桩混凝土用量的2 倍左右。 抗震和承受动荷载的稳定性：支盘桩的各承力盘与持力层 土体相互嵌固，使挤扩支盘桩竖向抗压承载力、抗拔承载力、抗 桩顶水平推力都得到相应的提高，对承受动荷载的桥梁桩基、重 型工业厂房大跨度柱下的桩基和抗震设防建筑桩基的稳定性，均 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 起到良好的效果。 环保效益：由于挤扩支盘桩单桩的承载力大，通过设计优 化，可节约大量原材料和工作量。 挤扩支盘桩与灌注桩综合技术经济效益比较分析如下图： 2 d o ls 0 q i0 0 s 0 q 0 i 5 0 d x 一2 0 0 帽2 0 0 y 一4 0 d ) ) t 0 0 _ ：妻叠苍 i i 5 y l3 0 生 l i 4 5 _ 一6 7 r 。瞥p i2 啪 l ll】 簦丧霪群崔气喜船霪专毒磐吨囊嚣嫠嚣釜力 一磕价h _ 工期 。一 圈卜2 支盘桩综合技术经济效益匿【2 1 f i 9 1 - 2t e c h n i c a l l y 柚de c o n o m i c a u yc o m p r e h e n s f v ee 雠c l j v e n e s s o fap i l ew i t hb 瑚c h e sa n dp l a t e se x p a n d e d 【2 】 1 2 3 支盘桩的受力性状分析 o 5 e l o 矗l5 莲2 0 2 5 3 。 3 5 侧璋阻力f ，k p a ol0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 05 0 0 k _ i j ；o o 。 隆 5 0 0 n k h 蘑 i i 釜g l 隅 图卜3 植侧摩阻力分布曲线i 4 】 f i g 1 - 3 t h ec u r v eo f f r i d 0 n sd i s l r i b u l i o no f ap i l e w i l hb 1 c h e sa n dp l a t e se x p a n d e d 【4 】 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 支盘所分担的荷载占总荷载的5 0 左右。相比挤扩支盘桩，在直 桩所承担的总荷载中，桩侧阻力只占到总荷载的7 8 左右，桩端 阻力占2 0 以上。可见挤扩支盘桩由于其支盘的存在，不仅显著 地提高了单桩的承载力，并且其承载力主要是由桩侧摩阻力及其 支盘的端阻力所承担。 1 2 4 支盘桩的受力特征 f b f 图l 一5 盘的受力图 f i g 1 5 f 0 r c eb o mb yap l a t e 挤扩支盘桩单个支盘受力如图1 5 所示。支盘底端a b 面上 既有正压力n 的作用，又有摩阻力f 的作用。 桩体内的剪应力主要集中在承力盘的挑出部位，在极限荷载 作用下，承力盘内剪应力集中。随着盘内剪应力范围扩大将在 承力盘挑出部位产生剪断，支盘桩因此而破坏。第一个盘受力最 大，剪应力也最大，也最容易被剪断，因此支盘桩的破坏不排除 支盘被剪断的可能性i 7 1 。 7 q r ；t 太原理f 大学硕士研究生学位论文 1 3 混凝土的力学性质 为了研究支盘的抗剪强度和破坏情况，就需要建立构成支盘 的混凝土材料的强度准则和应力应变关系，在此前提下研究支盘 的非线性行为。首先，对混凝土的力学性质进行简单阐述。 1 3 1 概述 尽管混凝土作为建筑材料已经广泛使用，关于混凝土在各种 应力组合下的物理特性和性质，我们的认识还是相当贫乏的【8 】。 在加载期间混凝土不仅经受弹性变形，而且经受由微观结构变化 引起的非弹性的和时间有关的变形，这些非弹性变形主要是出于 微裂纹和内部摩擦滑移而形成的。有关混凝土的微结构和特性已 出n e w m a n ( 1 9 6 6 ) 【9 1 、b r o o k s 和n e w m a n ( 1 9 6 8 ) 【10 1 发表的论文作 了评述。a o y 锄a 和n o g u c h i ( 1 9 7 9 ) 】和s h a l l ( 1 9 7 9 ) 旧发表的论 文对混凝土作了综合的评述。现仅择其要点概括如下： 混凝土是一种主要由嵌埋于水泥浆中不同粒径的骨科颗粒组 成的复合材料。较粗骨料和砂浆间界面上存在大量界面裂纹；水 泥浆具有高孔隙率，且这些孔隙充满了水和( 或) 空气：分子尺 寸以上级别的各种尺寸内混凝土都存在有气孑l 和( 或) 水泡。这 些特性中的每一个都严重地影响着混凝土的力学性质。例如，在 单轴压应力状态下，加载期间微裂纹的扩展促成混凝土在低应力 水平下的非线性性质以及引起接近破坏时体积增大；在高静水压 力下，气孔和水泥浆孔隙的存在对混凝土强度和力学性质的影响 就变得愈加明显。 混凝土中多数微裂纹是由砂浆的离祈、收缩或热膨胀引起的。 g 奎堕堡三查兰里主塑塞皇堂垡垒奎 因此在加载前就已存在。某些微裂纹可能是由于加载期间骨料和 砂浆间刚度不同所致，所以，骨料砂浆界面就成为这种复合系统 中最薄弱的环节，这就是混凝土材料抗拉强度低的根本原因。 1 3 2 单轴受力性质： 在单轴压缩试验中，压应力轴向应变、横向应变及体应变的 典型曲线如图1 6 所示。由轴向应力应变曲线可知，压应力大约 在最大抗压强度的3 0 以下是具有接近线弹性的性质。应力在 o 3f 以上，混凝土开始软化，曲线的弯曲程度逐渐增大，一直 到约0 7 5 l 。加9 丘。此后，曲线的弯曲更加明显，一直到达峰值 点f ，过峰值点后曲线有一下降段，一直到某一极限应变s 。下发 生压碎破坏为止。 o ：3c 1 0 、 趴 横向应变 1 0 3 ( a ) 轴向和横向应变 9 太原理：【人学硕士研究生学位论文 临界应 o j ，c +1 0 厂 7 体积增量 0 体积压缩量 ( b ) 体应变 图卜6 混凝土单轴压缩的应力应变曲线 f i g 1 6u n i a x i a l l yc o m p r e s s i v es t r e s s - s 仃a i no f c o n c r e t e 如图1 6 ( b ) 所示，体应变从开始至应力为o 7 5 如9 处 几乎为线性。但应力达到0 7 5 0 ，9 后，体应变的方向反了过 来，并在接近或达到时发生体积膨胀。相应于体应变最小值的 应力称为“临界应力”( r i c h a r d 等1 9 2 9 ) 【1 引。 低强度、中等强度和高强度混凝土应力一应变曲线形状是相同 的。高强度混凝土比低强度混凝土表现为线性形式的应变水平要 高一些，但所有峰值点都位于应变值o 0 0 2 附近。在应力应变曲 线下降段，较高强度混凝土显得更脆，其应力下降比低强度的混 凝土更为急剧( w i s c h e r s ，1 9 7 8 ) 。 应力应变曲线的形状是与内部逐渐萌生微裂纹的机理密切联 系的。应力在小于3 0 的区域内，加载前存在于混凝土中的裂 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 纹几乎保持不变。这说明可得到的内能小于产生新微裂纹面所需 的能量。3 0 一左右的应力水平被称为“局部裂纹萌生”应力， 可作为弹塑性极限( 1 t s o v o s 和n e w m a n l 9 7 7 ) 【1 5 l 。 应力在3 0 ，。和5 0 f 之间时，由于裂纹尖端应力集中， 界面裂纹开始扩展，直至下一应力阶段前砂浆裂纹仍然是可以忽 略的。这一应力范围可得到的内能几乎与开裂需要释放的能量平 衡，在此阶段，裂纹扩展是稳定的，意思是说，如果施加应力保 持不变，裂纹迅速达到最终长度。 应力在5 0 ，。和7 5 ，。之间时，邻近骨料表面处的一些裂 纹以砂浆裂纹的形式开始连接。同时，其他界面裂纹继续缓慢发 展。如果荷载保持为常量，裂纹将继续以减慢的速率扩展至其最 终长度。 应力约在7 5 一以上时，最大的裂纹达到其临界长度，此时 可得到的内能大于开裂需要释放的能量，因此，裂纹扩展速率加 大且系统变得不稳定，即使荷载保持不变，仍会发生彻底崩溃。 约7 5 l 。的应力水平被称为“裂纹开始失稳扩展应力”或“临界 应力”，与体应变最小值对应。 在，c t 附近，混凝土的逐渐破坏展初是由在施加应力方向上砂 浆的微裂纹引起的。这些微裂纹与邻近骨料面的界面微裂纹共同 桥接而形成微裂纹区或内部损伤。当承受不断增加的压应力时， 混凝土材料的损伤( 压碎) 继续积累而迸入应力应变曲线下降( 软 1 1 奎壁垒二! 二查堂堡婴窒生堂堡堡茎一 化) 段，这是一个以宏观裂纹出现为特征的区域。 混凝土初始弹性模量通常取为抗压强度的函数，相应于较高 的抗压强度有较高的弹性模量粥；小融型摩力应薹岗积嶂_ 擐嘲 溷啤惰爨旦j 垡一! i s4 i | 耋贼 i l e i ； 譬垄! m f 驷扒虱签雾州：裂纹快l 酗墨圣i l 萋j 揣撼嚣蛀毁甄裂塑姐翌晰煎j 瀑氇丝彳雩 ； 钉藕藕溉轴 拉伸的弹性模量比单轴压缩稍高，而其泊 松比稍低。 混凝土的真实抗拉强度难以测量通常取4 f 。还常常使 用破裂模量或将圆柱体的劈裂强度近似作为混凝土的抗拉强 度。混凝土的破裂模量值变化很大，常规取为7 5 f 。劈裂圆 柱体强度通常稍低，近似取为( 5 6 ) 一，单位为m p a 。 13 4 双轴力学性质 混凝土在双轴压缩状态下最大抗压强度将提高【”，应力比 乡，= o 5 时得到的最大抗压强度提高约为2 5 ，而在等值压缩 状态下乡，= 1 ) 提高约为1 6 - 在双轴压_ 拉状态下，抗压强 度随施加拉伸应力的增加几乎成线性地减小。在双轴拉伸下，其 强度几乎与单轴抗拉强度一样。 根据应力状态的类型不同，压缩型或拉伸型，混凝土在双轴 应 奎壁垒二!二查堂堡婴窒生堂堡堡茎一 化) 段，这是一个以宏观裂纹出现为特征的区域。混凝土初始弹性模量通常取为抗压强度的函数，相应于较高 的抗压强度有较高的弹性模量值。混凝土切始弹性模量也可出经 验公式算得：e 0 = 3 3 w 。5 兀( 1 1 ) 式中：w 混凝土的单位重量，单位为k n m 3 ； f 混凝土蕈轴抗压圆柱体强度，单位为m p a 。 单轴压应力下混凝土的泊松比v在大约o15棚22范尽内变 化，以o 1 9 获0 2 0 为代表值。直至逼近0 8 正时，泊松比仍保持 为常数，在此应力处，表观泊松比开始增大。在某些情况下16川”，在不稳定压碎阶段己测得泊松比甚至超过1 o 。 1 - 3 3 单轴拉伸性质 混凝土在单轴拉伸荷载下的一般力学性质与在单轴压缩时观 察到的性质有许多楣似之处。魏线在樽当高应力水平以下都近似 为线性。然而同相应的抗压强度相比，其抗拉强度要低得多。 应力小于单轴抗拉强度的60左右时，可以忽略新微裂纹的 产生，因此这介应力水平相当于弹性极限。在此瘦力水平以上， 界面微裂纹开始发展。由于单轴拉伸应力状态抑制开裂的趋势常 隔相对较短f18】，因而：“开始出现不稳定裂纹扩展”的合理值约1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 最大压应变的平均值约为3 0 0 0 微应变，而最大拉应变的平均值近 似在2 0 0 0 4 0 0 0 微应变之间变化。双轴压缩状态比单轴压缩状态 下的拉伸延性要大。在双轴压拉中，随拉应力增大，破坏时的主 压应变和主拉应变之量值均减小。在单轴和双轴拉伸中，最大主 拉应变的平均值均为8 0 微应变。 当接近破坏点时，继续增大压应力则出现体积增大。这种非弹 性体积增大称为“膨胀”，通常认为是由混凝土中主要的微裂纹逐 渐生长造成的。 混凝土的破坏是由拉伸劈裂造成的，破裂面与最大拉应力或 拉应变方向正交。已经发现拉伸应变在混凝土的破坏准则和破坏 机理中是至关重要的因素。 尽管某些迹象表明，对于轻质混凝土，非比例加载出现较低 的强度，但最大强度包络图似乎与荷载路径基本无关1 2 2 】，对于 比例加载，混凝土在双轴加载的几种组合下的破坏看上去是遵循 最大拉应变准则的【2 4 j 。 1 3 5 三轴受力性质 素混凝土三轴应力一应变性质的实验数据已由r i c h a n 等 ( 1 9 2 8 ) 【2 5 】对低的或中等体应力( 静水的或侧限的) 和 b a l m e r ( 1 9 4 9 ) 闭对高的侧限应力下获得。依所加静水应力，混凝 土会表现为准脆性、塑性软化或塑性硬化材料，这主要是因为在 较高静水应力下发生界面开裂的可能性大大减小，以及破坏形式 由劈裂变成了水泥浆压碎。同时发现极限轴压强度随侧限应力增 大会显著地增大。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 由实验数据的分析表明，在静水压缩荷载下混凝土呈现非线 性性质，应力一应变曲线显示出加载时是反弯曲线；卸载时，曲线 一 的斜率几乎为常数并且近似等于加载曲线的初始斜率。然而，当 继续加载时，材料的刚性降低并且在低应力范围曲线末端出现急 剧转弯。当承受不变的静水应力和增大的剪应力或偏应力时，混 凝土不仅承受八面体剪应变而且也承受压实作用【2 7 1 在三轴加载下，实验表明混凝土具有的破坏面相当一致，它 是三向主应力的函数【翊，如果混凝土为各向同性，则弹性极限( 裂 纹开始稳定扩展) 、裂纹开始失稳扩展以及破坏极限均可表示为三 维主应力空间中的面。如图1 7 ： 静水压力增大时，破坏面的偏截面为或大或小的圆，这也表 明在此区域里的破坏与第三应力不变量无关。对于低静水压力， 这些偏平面为凸形和非圆型。通常，破坏面可由三个主应力不变 量描述。破坏面似乎与荷载路径无关【2 8 l 【2 9 】。 图卜7 三维主应力空间中混凝土的弹性极限面和破坏面 f i 9 1 - 7e l a s n cu t i i l o s tm e aa n df a i l u r eo n eo fc o n c f e l e i nt h ep r i n d p a ls t r e s s e s s p a c eo f t h r e ed i m e n s j o n s 奎堕堡：! ：查堂堡主婴壅竺堂垡笙苎 1 4 破坏准则 显而易见，多向应力状态下混凝土的强度是应力状态的函数， 两不能由互不关联的纯拉、纯压、纯剪应力的极限值来预测。因 此。混凝土强度的正确估计只能通过考虑应力状态各种分量的相 互作用来得到。 通常，混凝土破坏可分为两种类型：拉伸型和压缩型。拉伸 型破坏一般分为以脆性和塑性为特征。拉伸型破坏被定义为主裂 纹形成和与裂纹方向正交的抗拉强度的丧失；而压缩型破坏则被 定义成许多小裂纹扩展和混凝土构件完全丧失其强度。 1 4 1 破坏面的特征 破坏准则凡j ，了2 ，毛) = o 可在主应力空问( d 。，仃2 ，口3 ) 中表 示为一个面( 破坏面) 。在主应力空间中此面的一般形式可由其偏 平面中的横截面形状和其子午面予以最佳描述。破坏面的横截面 是破坏面和垂直静水轴且善= 常数的偏平面的相交的曲线。破坏面 的子午线是破坏面与包含静水轴，且秽= 常数的平面( 子午面) 的 相交曲线。 对于各向同性材料，坐标轴的编号是任意的，从而破坏面的 横截面形状必定具有三重对称形式。如图1 8 ： 偏平面的破坏曲线具有以下特征： a ) 破坏曲线是平滑的。 b ) 至少对于压应力来说，破坏曲线是外凸的。在偏平面中的 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 外凸条件要求： 害似丢尝，2 ( 1 2 ) 图卜8 偏平面中的破坏面 f 适，l 一8f a i l r e 旬e ai t h ed 。n e c “v ep 1 a n e c ) 对于拉应力或小的压应力( 相当于n 平面附近小的i 值) ， 破坏曲线几乎是三角形，而对于较高压应力( 相当于静水压力i 值很大) ，破坏曲线变得越来越突起( 更圆) 。换句话说，在偏平 面中破坏曲线是非圆的和非仿射的。 i j a u n a y 等( 1 9 7 0 1 9 7 2 ) 【3 0 m 3 1 l 阐明了破坏面的拉伸和压缩子 午线的一般形状。子午面中破坏曲线的一般特征是： 破坏曲线取决于静水应力分量； 子午线是弯曲、平滑和外凸的； 比率哆石。小于1 ，脚标t 和c 分别相当于拉伸和压缩子午线： 比率。随静水压力增大而增大，在接近n 平面处其值约为 太原理工人学硕士研究生学位论文 o 5 ，而静水压力接近 ，f = 一7 时，达到约o 8 的高值： 单静水加载不可能引起破坏。，：一7 9 以之前，沿压缩子午线 的破坏曲线没有观察到有向静水轴靠近的趋势i 训。 1 4 2 混凝土的破坏模型 混凝土材料的真实性质和强度是十分复杂的，与诸多因素有 关。这一现象取决于骨料和水泥浆的物理和力学性质，以及加载 类型。混凝土材料在经受不同条件时，其承载能力值显示出极大 的变化。正因为如此，为了实际的应用，在混凝土材料强度特征 的数学模型中极度理想化是十分必要的。显然，没有个数学模 型已经被认为是完整地描述了在所有条件下真实混凝土材料的强 度特征，即使可能构成这样的模型，用其于实际问题的应力分析 也将是过分复杂的，因此，必须采用比较简单的模型或准则来表 示所处理的问题中那些最基本的特征。 最常用的破坏准则是在应力空间中出1 5 个独立控制材料常 数确定的。早期提出的是适用于手工计算的单参数和二参数型的 简单破坏模型。随着计算机技术的发展，以及有较多的试验资料 可用时，这些较简单的模型已通过增添附加参数而得以改进并推 广，并且已建立各种三参数、四参数和五参数模型。 常用的混凝土破环准则有： 单参数模型：在拉伸和较小压应力下混凝土的脆断最好用 r a n k i n e ( 1 8 7 6 ) 的最大拉应力准则来描述。这一准则假定，只要 当此点上的最大主应力达到简单拉伸试验得出的材料抗拉强度 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，不论通过材料内一点在其他平面上产生的正应力或剪应力如 何，混凝土就会发生脆断。根据这一准则确定的破坏面方成为： ，( 亭，p ，日) = 疡c o s 日+ 亭一以f ，o( 1 3 ) 舯亭2 击p2 厄，口2 等 对于在高静水压力范围内的混凝土，采用剪应力准则，如： 1 k s c a ( 1 8 6 4 ) 和v o n m i s e ( 1 9 1 3 ) 准则，来预测延性破坏。这 两种与压力无关的准则最常用于金属材料。 按照t r e s c a 准则，材料的延性破坏( 或屈服) 发生在一点的 最大剪应力达到临界值时。但是，v o n m i s e 准则却假设破坏( 屈 服) 发生在八面体剪应力达到其临界值时。 t r e s c a ：，( p ，p ) = p s i n p + 要) 一夏一o( 1 ，4 ) 、，0 n m i s e ：，( p ) = p 一2 七= o ( 1 5 ) 其中，k 为纯剪破坏( 屈服) 应力。对于混凝土，k 由简单压 缩试验确定。对于t r e s c a 准则，七。三一。对于v o n - m i s c 准则， b 每a 双参数模型：在中间的压应力值域内，混凝土的破坏准则对 静水应力状态是敏感的。上述简单的单参数模型不能描述在这一 中间程度压应力下断裂一延性状态破坏，因此必须使用与压力有关 的模型。对于与压力有关的材料，沿静水轴破坏面的偏横截面大 太原理工大学硕士研究生学位论文 小不同，并且通常不一定几何相似。对于混凝土来说，在静水压 力值小时这些横截面近似于三角形，当静水压力增大时变得更接 近圆形。然而，为了简便，推荐的模型假设所有偏横截面几何相 似，压力作用只是调整横截面的大小。这种最简单和最常用的模 型是：m o h r c o u l o m b 和d n l c k e r p r a g e r 破坏准则。这些是子午线 与静水应力分量，或f 线性相关的双参数模型。 m o h r _ c o u l o m b ：h = c 一盯t a n 妒 d m c k e r - p r a g e r ：，( ，l ，2 ) = 甜l + 万一t = o ( 1 - 6 ) ( 1 * 7 ) 三参数模型：在混凝土建模中，d m c k e r - p r a g e r 准则由两个缺 点：，和j ：之间的线性关系以及相似角目的独立性。p 一善关系 已由试验显示为曲线，偏截面上破坏面的轨迹不是原型，而是取 决于相似角p 。因此可假设f 和p 有抛物线关系，但保持圆形横 截面，这样将导出三参数模型。这样的模型有b r c s l e r - p i s t e r 模型 ( 1 9 5 8 ) 【3 3 】 等钏山c 詈m c 号，2 ( 1 8 ) 另外也可保持p 一掌的线性关系，但由偏截面展示口的相关性 ( 即非圆横截面) ，导出三参数模型有： w i l l 锄一w 缸1 l e ： 觚一班三+ 靠小。 ( 1 - 。) 2 0 ： 太原理：r 大学硕士研究生学位论文 形偏截面和抛物线子午线。这个模型对于所有的应力组合符合关 于圆滑、外凸和对称特征的要求。破坏面为： 加一= 拈南七。 其中： ( 】一1 7 ) 2 南钿。 - ( ) z ( ) 2 ，在肚0 0 处( 1 - 1 8 ) 2 南勘。帕t ( ) z ( 一在牡6 0 0 处( 1 - 1 9 ) 加) = 毒溱，m 。， p 。( 2 0 p 。) 【4 ( 一p ；) c 。s 2 8 十5 母一4 & ) 毖 4 ( 蠢一咖c 。s 2 目+ ( 一2 q ) 2 1 5 本课题研究的主要内容 挤扩支盘桩是一种既能带来经济效益有能带来社会效益的新 型桩型，但是目前研究还不很成熟，还处在边使用边研究的阶段。 国内外对支盘桩的荷载传递机理进行了一些研究踟 x 奎璺堡三奎兰堡主堡塞兰兰垡丝奎一 2 1 前言 第二章盘的受力机理的实验研究 挤扩支盘桩是最近几年发展起来的新型桩型，它还处于边使 用边研究的阶段，国内外对支盘桩的研究报道也不多，积累的工 程资料也甚少。它是如何传递荷载，支或盘如何合理布置，沉降 变形有何规律以及支或盘的抗剪强度怎样等等都是有待研究的问 题。本章结合实验室盘的静荷载试验，对盘在盘受力过程中的受 剪机理以及不同盘的几何尺寸对盘的抗剪强度的影响进行分析。 2 2 盘的静荷载试验 2 2 1 试验方案 试件的设计：盘的制作采用4 2 5 撑水泥，混凝土强度等级拟为 c 3 0 。配比为：水泥：砂：石：水= 1 ：1 0 9 ：2 2 ：o 3 8 。钢模， 自然条件养护。桩身直径为1 5 0 m m ，以高宽比为：2 、2 5 和盘径比 为：2 、2 5 、3 将盘共制作六组，其几何尺寸如表2 一l ： 表2 1 盘的几何尺寸 t a b l e2 一lg e o m e t r i c a lf e a t u r e so fp l a t e s 桩径盘经盘商盘上桩长盘下桩氏 模型编号 m mm mi 砌 1 5 03 0 01 5 01 5 02 0 q b 1 5 03 0 01 8 81 5 02 0 0 1 5 03 7 62 2 61 5 02 0 0 d1 5 03 7 62 8 31 5 02 0 0 1 5 04 5 0 3 0 01 5 0 2 0 0 f1 5 04 5 03 7 5j 5 02 d 0 太原理1 二大学硕十研究生学位论文 制成的盘如图 应变片的布置 图2 1 盘的模型图 f i g 2 - 1m o d e j so f p i a t e s 盘下 实际应变片布置如图： ( a ) 盘上 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( b ) 图2 2 应变片的布置 f l g2 2p l a c e m e n to fs t r a i nf 1 a k e s 盘上部布置两个点或西个点，每个点均沿盘表面径向方向和 环向布置应变片，如果是布置两个点，通过一个点和轴线的两个 平面夹角为9 0 度，位置在盘表面径向中点处；如果是布置四个点， 则每两点在通过轴线的同个纵向平面内，而且通过轴线和两个 点的位置的两个平面夹角为9 0 度，位置在盘表面径向三矜点处， 如图2 1 。盘下部布置两个点，每个点均沿盘表面径向方向和环 向布置应变片，而且通过轴线和一个点位置的两个平面夹角为9 0 度。上下桩身也在通过盘轴线成9 0 度角的两个纵向平面内各布置 一个应变片，方向与轴线平行。应变片采用河北省邢台市金力传 感器元件厂生产的1 0 厘米长的电阻应变片，规格为 s 2 1 2 0 0 5 0 a a 。为了防止盘下部的应变片在盘受荷过程中被压坏， 同时也为了应变片的绝缘，应变片表面涂上环氧树脂。 太原理t 大学硕士研究生学位论文 试验的加载：先将与桩身直径相同的高约为3 0 0 m m 的钢套 筒对中放入直径为6 0 0 m m 高8 0 0 m m 的钢桶内( 目的是为了盘在 加载中使桩有向下的位移，从而使盘受剪破坏而不是盘受压破 坏) 。再将盘放入钢筒内，盘下桩身刚刚进入钢套筒内后将其固定， 在盘与钢筒之间用砂来填充，并将砂夯实，然后由吊车吊其至试 验加载机上进行加载。加载设备为长春生产的5 0 0 吨电液伺服静 荷载试验机，进行分级加载直至破坏。对于贴有应变片的盘进行 力控制加载方式，每级加载增量为3 0 k n ，每级荷载间隔时间为5 分钟，中间通过应变仪记录下相应荷载的应变值，加载直至盘受 剪破坏。对于没有贴有应变片的盘进行位移控制加载直至盘受剪 破坏。 试验的加载设备如图2 3 ： 图2 3 实验的加载设备 f ；昏2 3l n s t r u m e mo f e x p e r i m e m 终止加载：当出现下列情形之一时，即可终止加载。某级 2 7 太原理工大警硕士研究生学位论文 土接触，接触应力是不知道的，现在为了求得盘下点的应变分量， 假设盘下侧表面土对它的反力为均匀分布，反力有两个分量，一 个是盘下侧表面法向的分量六，一个是盘下侧表面切向( 且垂直 于环向) 分量，。且有： f ，= 谭! 为摩擦系数取为o 3 。 ( 2 - 6 ) 伎盘f 侧表向珐同与竖同坐杯的哭角为p ，桩横截回囱积为 s l ，盘下侧表面积为s ，竖向载萄为q ，则根据竖向平德有： g s l = 工5 c o s 臼+ j ss i n 咿( 2 r 7 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 可解得： 厶：五= 要l 蕊 ( 2 8 ) 。门 s ( c o s 口+ s i n 目) 。“ 。 从而： f = x 太原理工大学硕士研究生学倪论文 联立式( 2 1 0 ) 、( 2 墙) 、( 2 9 ) 、( 2 5 ) 便可解得盘下点的应变分量， 再将其代入式( 2 3 ) 便解得相应的应力分量。 弹性模量e 的取值：取为相当于使用阶段的工作应力 d = ( o 4 o 5 ) 正时的割线模量值。有表2 3 可知，实际混凝土强 度达到c 2 0 ，所以取e = 2 5 5 1 0 4 j v 研聊2 。 泊松比r 的取值：一；i i 。i ；i 享三 彳j 一二? j i 。i j j o ，o o ? _ t _ 。i - = t 一_ t i 二j jj 毫茎宝专- ? t _ j 三。i f o i 。it 量毒毒： 叠 _ _ r ： j j； j j差 矗螽i 囊一j 舞搴i 黧囊篱毪譬警 o a d3 3一旱戛r r 乏 太原理工火学硕十研究生学位论文 应变片布置点编号如图： 盘上盘下 图2 9b 1 应变片的编号 f j g 2 9b 一1 n u m b e r i n go f s t r a j nf l a k e s 盘c ：盘c - 3 承载力达到4 9 1 k n ，最终位移为4 l m m 。q s 曲线如图： 6 0 0 5 0 0 4 0 0 至 磊3 0 0 迄 2 0 0 1 0 0 0 7 j ， ， o 1 02 03 04 05 0 位移( m m ) 图2 1 0c 一3 位移荷裁曲线 f i 9 2 - 10c - 3r e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nd i s p l a c e m e n ta n dl 0 a d 太原理工大学硕士研究生学位论文 c 一1 盘的应力荷载曲线如图( 点1 2 处应变片坏) 0 0 2 0 03 0 0d 0 05 0 0 苟载( k 吣 一点3 径f | 】应力 一释一! 1 3 环m 应力 一点4 径向应力 * 一点d 环向应力 图2 一uc - 1 应力荷载曲线 f i g 2 1 1c 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n dl o a d c l 应变片稚置点编号如图： 盘上 盘下 固2 1 2c 一1 应变片的编号 f 嘻2 1 2c - 1 n u m b e r i n go f s t m i nf l a l 【e s 盘d ：盘d 一3 承载力达到4 8 0 k n ，最终位移为2 8 m m 。q s 3 5 0 1 娟 嘈 一日圭一型 太原理工大学硕士研究生学位论文 曲线如图 6 0 0 5 0 0 4 0 0 v 3 0 0 搭 悼2 0 0 l o o 0 0l d2 t2 83 5哇2 位移( 衄) 图2 13d 一3 位移荷载曲线 f i g 2 13d - 3r e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i s p i a c e m e n ta n dl o a d d 一1 盘的应力一荷载曲线如图( 点2 处应变片坏) ： o 一2 4 6 8 蚕浮 ，攘u 蕊口黎鼎辩耐? - 穗 i 耵 百a o1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 0 6 荷载( k h ) 一点1 径向应力 日 一点l 环由应力 r - 点2 径向应力 口点3 径向应力 * 一点3 环向应力 一点4 径向应力 e 一点4 环向应力 图2 1 4d 一1 应力荷载曲线 f i g 2 一1 4d l r e l a t i o n s h i pb e t 、v e e ns t f e s sa n dl o a d d - 1 应变片布置点编号如图 3 6 芷弓r r 型 盘上 盘下 图2 15d 1 应变片的编号 f j g 2 1 5d - l n u m b e r i n g o f s t r a i nf l a l ( e s 盘e ：盘e l 承载力达到6 2 2 k n ，最终位移为3 5 m m 。q - s 曲线如图： 7 0 0 6 0 0 5 0 0 童删 篓3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 上 1 y 7 l 7 7 j 0 51 01 5 2 02 5 3 03 5 4 0 位移( 础) 图2 16e 一1 位移荷栽曲线 f 培2 - 1 6e 1 r e i a t i o n s h i p b e t 、v e e nd i s p l a c e m e n ta n dl o a d 3 7 太原理工人学硕士研究生学位论文 e 一1 盘的应力荷载曲线如图 4 2 0 一 重_ 2 量一t 一6 8 1 0 00 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 荷教“n ) 一，经向晚力 醢一点】砑：阳遗力 1 一点2 径向碰力 矗一点2 环向麻力 k 一点3 径向血山 p 一点3 环向应力 凸一点4 径向应力 e 卜点 环i 自应女 图2 一t7e 1 应