（岩土工程专业论文）振动静压预制桩沉桩工艺及其应用.pdf

浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 提要 本文介绍了振动静压施工工艺的设备情况和施工步骤。通过对 预制桩在振动静压沉桩过程中的测试，分析和探讨了振动静压沉桩 机理。测试和分析结果表明，振动静压沉桩是在不增加静压力的条 件下，通过振动降低沉桩过程中的桩侧摩擦力来提高压桩能力，从 而提高了单桩承载力。振动静压沉桩方法可有效地对低配筋预制桩 进行沉桩施工，因而可降低工程造价。 f ( 压桩力与单桩极限承载力的关系在本文中也进行了分析探讨， 认为单桩极限承载力不仅与最终的压桩力有关，还与桩的截面尺 寸、桩长以及桩所穿越的土层的厚度和土层性状有关。提出了根据 沉桩情况预估单桩极限承载力的公式以及承载力恢复系数计算公 式寸 本文还对振动静压预制桩的荷载传递测试数据进行了分析，探 讨了单桩荷载传递性状以及桩侧摩擦力和桩端阻力的发挥规律。( 最 、 后对振动静压预制桩的工程应用实例进行了分析总结。认为振动静 压预制桩具有桩身完整性良好、承载力稳定可靠的优点，可有效地 应用于多层和小高层建筑中。、3 关键词：振动静压沉桩，沉桩机理，承载力，预制桩 导师：龚晓南教授作者：黄明辉 i i l 。1 t - _ _ _ _ - - _ _ _ 。一 ，l 。邋款!= | ；撂、 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 v i b r o - j a c k e d p i l i n gt e c h n i q u e f o rp r e c a s tp i l e a n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h ev i b r o j a c k e dp i l i n gt e c h n i q u ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e p i l i n g m e c h a n i s mi s a n a l y z e da c c o r d i n g t ot h et e s t sc a r r i e do nt h e p r e c a s t c o n c r e t e p i l e i n s t a l l a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t et h a t t h e p i l i n g p o w e rw i l l b ep r o m o t e da n df i n a l l yt h e p i l eb e a r i n gc a p a c i t y w i l lb e i m p r o v e dw i t h o u ta d d i n gl o a db u ta c c o r d i n gt o v i b r a t i o nw h i l ep i l ei s b e i n gi n s t a l l e d t h em e t h o do f t h ev i b r a t i o n j a c k e dp i l i n gi sa v a i l a b l e t oi n s t a l lp r e c a s tc o n c r e t e p i l e w i t hl o w e rr e i n f o r c e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p i l i n g j a c k e d - f o r c ea n d p i l eb e a r i n g c a p a c i t yi sd i s c u s s e di nt h ep a p e r i t sr e a l i z e dt h a tp i l eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yh a ss o m e t h i n gt od ow i t hn o to n l yt h ev a l u eo fp i l i n gj a c k e d f o r c eb u ta l s op i l ec r o s ss e c t i o ns i z e ，p i l el e n g t ha n ds o i lm a t e r i a lw h i c h p i l ep a s st h r o u g h i t sp r e s e n t e dt h a tt h ef o r m u l au s e dt op r e d i c a t ep i l e b e a r i n gc a p a c i t ya c c o r d i n g t op i l i n gd a t u ma n dt h er e g a i n i n gc o e f f i c i e n t o f p i l ec a p a c i t y t h e nt h ed a t u mo fl o a d - h a n d - - a r o u n dt e s tf o rv i b r o - j a c k e dp r e c a s t p i l e si sa n a l y z e da n dt h eb e h a v i o r o fl o a d - h a n d - - a r o u n df o rs i n g l ep i l ei s d i s c u s s e d f i n a l l y ，s o m ep r a c t i c e c a s e sf o rt h e v i b r o - j a c k e dp i l e a r e p r e s e n t e da n da n a l y z e d s ot h ev i b r o - j a c k e dp i l e sa r ea v a i l a b l et o m i d r i s e b u i l d i n g s b e c a u s et h ep i l e sh a v ea d v a n t a g eo fg o o dp i l e i n t e g r i t y a n ds t a b l eb e a r i n gc a p a c i t y k e y w o r d s ：v i b r o - j a c k e dp i l i n g ，p i l i n gm e c h a n i s m ，b e a r i n gc a p a c i t y ， p r e c a s tc o n c r e t ep i l e 导师：龚晚南教授作者：黄明辉 i i i2 0 0 1 年7 月 ! 燮芏堡主茎堡堕圭 塑垫! ! 墨望型些墨垫三堇墨苎生璺 1 1 引言 第一章绪论 桩基础是一种历史悠久的建筑物的基础形式。人类在软土上建造建筑物的 过程中不断地使用这种基础形式并积累了丰富的经验。同时，随着材料和施工 技术的发展各种桩型不断出现。从木桩到钢桩，从混凝土预制桩再到混凝土 灌注桩，桩的材料和桩的施工技术层出不穷。目前在国内外基础工程中使用 的桩型已达一百多种。 无论桩是以什么样的材料制成，也无论桩是以何种方法施工或设置，桩的 主要作用是通过桩身将建筑物上部结构的荷载穿越地基土中上部较软弱的地 层传递到深部较坚硬的压缩性较小的土层或岩层。由于桩的主要作用是用来传 递荷载的，因此桩身材料的强度与完整性以及如何确保桩设置于预期的坚硬土 层或岩层上将是桩基工程的首要关心的问题。 人门在长期的桩基使用中，根据桩身材料的不同和桩施工方法的不同将桩 进行分门别类，另外也按照桩的荷载传递性状和使用功能进行分类，以利于各 种桩型的研究和使用。通常，桩的分类如下： 1 按桩的荷载传递性状分类 1 ) 摩擦桩 是指在竖向荷载作用下，桩项荷载决大部分由桩侧摩阻力承担。它的外部 荷载主要通过桩身侧表面与土层的摩阻力传递给周围的土层，桩尖部分承受的 荷载很小，一般不超过l o 。如打在饱和软土地基和松砂地基中的桩。这类桩 基的沉降较大。 导师：龚晓南教授作者：黄明辉2 0 0 1 牟7 月 浙江犬学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 2 ) 端承桩 是指在竖向荷载作用下，桩顶荷载决大部分由桩端阻力承担。即桩身穿过 软弱土层将桩尖嵌入基岩的桩。它的外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承 载力主要由桩的端部提供，一般不考虑桩侧摩阻力的作用。如果桩的细长比很 大，将由于桩本身的压缩，桩侧摩阻力也可能部分地发挥作用。 3 ) 端承摩擦桩 是指在竖向荷载作用下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承担。即在外荷作用下， 桩的端阻力和桩侧摩阻力都同时发挥作用。大部分桩的荷载传递都属于这种类 型，如穿过软弱地层嵌入较坚实的硬粘土或砂、砾持力层的桩。这类桩的端阻 和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、软土层的厚度，以及持力层的刚度 有关。 4 ) 摩擦端承桩 对于桩侧摩阻力所占的比例小于桩端阻力这一类桩，也有将它称为摩擦端 - 承桩。 2 按桩的使用功能分类 1 ) 竖向抗压桩 是指主要承受竖向抗压荷载的桩。一般工业民用建筑物的桩基在不考虑 地震时的正常工作条件下主要承受从上部结构传来的垂直荷载。 2 ) 竖向抗拔桩 主要承受竖向抗拔荷载的桩。拉拔荷载依靠桩侧摩阻力承受。 导师：龚晚南教授作者：黄明珲 2 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 3 ) 水平受荷桩 主要承受水平荷载的桩。港口码头工程用的板桩、基坑的支护桩等都是主 要承受作用在桩上的水平荷载。桩身要承受弯矩力，其整体稳定则靠桩侧土的 被动土压力，或水平支撑和拉锚来平衡。 4 ) 复合受荷桩 同时承受竖向和水平荷载的桩。显然，从桩的功能看，许多建筑物的桩要 求同时承受竖向荷载和水平荷载，或同时要考虑拉和压的作用。 3 按桩身材料分类 1 ) 混凝土桩 混凝土桩是目前世界上使用最广泛的桩。它又可分为预制混凝土桩和就地 灌注混凝土桩两大类。 2 ) 钢桩 早期使用铸铁板桩。现使用的钢桩主要为型钢和钢管两大类。型钢有各种 型式的板桩主要用作临时支挡结构或永久性的码头工程，h 型和i 型钢桩则 亦用做支承桩。钢管桩则由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。 3 ) 组合材料桩 组合桩是指根桩用两种材料组成。较早采用的水下桩基泥面以下用木 桩而水中部分用泥凝土桩。这种组合桩上海在3 0 年代就曾用过，现在已很少看 到使用了。 导师：彝晚南教授作者：黄明辉 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 4 ) 木桩 天然原木是最早被用作桩的材料，也有经加工后的方型等截面木桩。单根 木桩的长度一般为十余米，不利于接长。 4 按成桩方法分类 1 ) 非挤土桩 也称非排土桩。成桩过程中，将与桩体积相同的土挖出，因而桩周围的土 较少受到扰动，但有应力松弛现象。这类桩主要为各种型式的挖孔或钻孔桩， 井简管柱和预钻孔埋桩等。 2 ) 部分挤土桩 也称微排土桩。在成桩过程中，桩周围的土仅受到轻微的扰动，土的原状 结构和工程性质的变化不明显。这类桩主要有打入小截面的i 型和h 型钢桩、 钢板桩、开口式的钢管桩( 管内土挖除) 和螺旋桩等。 3 1 挤土桩 也称排土桩。在成桩过程中，桩周围的土被压密或挤开，因而使周围土层 受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，与原始状态相比，土的工程性质有很 大改变。这类桩主要有打入或压入的预制木桩和混凝土桩，打入的封底钢管桩 和混凝土管桩，以及沉管式就地灌注桩等。 1 2 预制桩的沉桩施工方法 预制桩主要指预制钢筋混凝土桩和钢管桩。预制钢筋混凝土桩结构坚固耐 久，不受地下水和潮湿变化的影响，可按需要做成各种不同尺寸的断面和长度 导师：龚晓南教挫作者：黄明辉 4 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 而且能承受较大的荷载和施工锤击应力，在建筑基础工程中应用较广。 预制钢筋混凝土桩分为实心桩和管桩两种。为便于预制实心桩大多作成 方形断面，断面一般为2 0 0 m m 2 0 0 r a m 至6 0 0 m m 6 0 0 m m 。单桩的最大长度， 根据打桩架的高度、地质条件、预制场所、运输能力等条件而定。打长桩时， 一般将桩预制成几段，在打桩过程中逐段接桩予以加长。管桩系在工厂内采用 离心法制成它与实心桩相比，可大大减轻桩的自重。目前，工厂生产的管桩 一般都是预应力管桩主要桩管外径有中4 0 0 m m 至巾6 0 0 r a m 等数种规格。 混凝土预制桩的施工，包括预制、起吊、运输、堆放、沉桩等过程。 目前预制桩沉桩的施工方法主要有锤击沉桩法、振动沉桩法和静压沉桩 法。 1 锤击沉桩法 锤击法沉桩工作原理是利用桩锤自由下落时的瞬时冲击力锤击桩头所产 生的冲击机械能，克服土体对桩的阻力，使其静力平衡状态遭到破坏，导致桩 体下沉，达到新的静力平衡状态。如是反复地锤击桩头，桩身也就不断地下沉。 打桩时，桩尖刺入土中必然会破坏原状土的初始应力状态，造成桩尖以下 土体的压缩和侧移，土体对桩尖相应产生阻力。随着桩顶压力的增大桩尖下 土体的变形相应增大，并达到极限状态形成塑性流动状态。塑性流动时，桩尖 处土体形成连续滑动面，土体从桩尖的表面被向下和侧向压缩挤开，桩尖继续 刺入并进入下层土体中。在地表面处，部分土体向上隆起，在地面深处由于上 复土层的压力，土体向水平向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。在桩周 附近的一个区域内，由于较大的辐射向压应力，土体受到了压缩并形成塑性 区。弹性和塑陛变形区域的大小取决于土的性质和桩的直径。随着桩的刺入、 桩周表面受到由土体的强大法向抗力所引起的桩侧摩阻力的抵抗，当施加于桩 头的压力和桩身自重之和大于上述这两部分阻力的总和时，桩就继续贯入土中- 直至设计标高，完成全部沉桩过程。 锤击沉桩是最早、最普遍应用的基本方法。使用的桩锤有自由落锤、气动 锤、柴油锤、液压锤等。但锤击沉桩引起的噪音、振动、地层扰动、废气、溅 导师：彝硗南教授作者：量明辉 j 0 0 1 阜7 胄 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及算应用 油、烟火等公害问题也越来越严重。尤其是在城市建设中，对公害污染的限制 要求愈来愈高，因而大大地制约了锤击沉桩工艺的使用和发展。另外。锤击沉 桩时会使桩身不仅会产生较大的压应力同时也会产生较大的拉应力，因此对桩 身材料强度的要求较高，并且要求配置较多的钢筋以抵抗拉应力从而增大了 制桩的成本。 2 振动沉桩法 1 ) 振动法沉桩机理 振动法沉桩即采用振动锤进行沉桩的施工方法。在桩上设置以电、气、水 或液压驱动的振动锤，使振动锤中的偏心重锤相互逆旋转其横向偏心力相互 抵消，而垂直离心力则叠加，使桩产生垂直的上下振动造成桩及桩周土体处 于强迫振动状态从而使桩周土体强度显著降低和桩尖处土体挤开，破坏了桩 与土体间的粘结力和弹性力，桩周土体对桩的摩阻力和桩尖处土体抗力大大减 小，桩在自重和振动力的作用下克服惯性阻力而逐渐沉入土中。 2 ) 振动法沉桩适用范围 通常可应用于软弱地基中的木桩、钢筋混凝土桩、钢桩、组合桩的陆上、 水上、平台上的直桩施工。一般不适用于硬粘土和砂砾土地基。振动沉桩的施 工工艺可分为干振施工法、振动扭转施工法、振动冲击施工法、振动加压施工 法、附加弹簧振动掩工法、附加配重振动施工法、附加配重振动加压施工法等。 3 ) 振动锤的选用 振动锤是由电动机、振动器、吸振器、冲击块、冲击座、夹桩器、操纵仪 等基本结构组成。各种振动锤的结构基本相似，但在构造形式上有所差别。冲 击振动锤的基本结构形式有刚性式、柔性式、半刚性和半柔性四种。 振动锤按其机械特性可分为电动式、水动式、气动式。近年来为了使振动 导师：龚晓南教授作者：黄明辉 6 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 器的频率能无级调速常使用低频振动锤是使强迫振动与土体共振，其振动时 振幅值很大，能破坏桩与土体间的粘结力和弹性力使桩自重下沉。一般振幅 在7 - 2 5 m m 内，有利于克服桩失处土层阻力，可用于下沉大口径管桩、钢筋混 凝土管桩。但将对邻近建筑物产生一定的影响。 液压马达驱动式。按驱动力的大小又可分为轻型、重型、超重型。按振动 频率大小可分为单频式、双频式，也可分为变频型或低频型( 15 2 0 h z ) 、中 高频型( 2 0 6 0 h z ) 、高频型( 1 0 0 15 0 h z ) 、超高频型( 1 5 0 0 h z ) 等。 中高频振动锤是通过高频来提高激振力，增大振动加速度。但振幅较小， 通常为3 8 m m 左右。在粘性土中，常会显得能量不足，故仅适用于松散的冲 积层、松散和中等密度的砂石层。大都用于沉拔钢板桩、预钻孔及中掘法并用 的桩基础施工。 高频振动锤是使强迫振动频率与桩体共振，利用桩产生的弹性波对土体产 生高速冲击，由于冲击能量较大将会显著减小土体对柱体的贯入阻力，因而沉 桩速度极快。在硬土层中下沉大断面的桩时，能产生较好的效果。对周围土体 的剧烈振动影响一般在3 0 c m 以内可适用城市桩基础。 超高频振动锤乃是一种高速微振动锤它的振幅极小，一般是其他振动锤 的1 3 1 4 。但振动频率极高，而对周围土体的振动影响范围极小，并通过 增加锤重和振动速度来增加冲击动量。常用于对噪音和限制振动公害较严的桩 基础施工中。 目前各国在选择振动参数时，需考虑共振和振动冲击两种效果。共振方法 中又有强迫振动和土体共振，以及强迫振动和桩体共振两种方法。 选用振动锤时，不仅应考虑锤和桩的自重破坏桩端处土层的压力强度还 应考虑振动时尽可能产生大的冲击力使桩端处土层破碎。增加频率、重量、振 幅可以增加冲击动量，但增大振幅能有效克服桩端处土体阻力，得到最好的下 沉效果。 导师：龚晓南教授作者：黄明辉 72 0 0 l 卑t 月 浙江大学硕士学住论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 3 静压沉桩 1 )静压法沉桩机理 在5 0 年代初静压法沉桩首次在我国沿海地区使用。近年来已在我国软 土地基桩基施工中较为广泛应用，并获得良好效果。到8 0 年代，随着压桩机械 的发展和环保意识的增强，使这一施工工艺进一步得到推广。至9 0 年代压桩 机实现系列化最大压桩力已达6 8 0 0 k n 。 静压沉桩法即借助专用桩架自重和配重或结构物自重，通过压梁或压柱将 整个桩架自重和配重或结构物反力以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式施加 在桩顶或桩身上，当施加给桩的静压力与桩的入土阻力达到动态平衡时桩在 自重和静压力作用下逐渐压入地基土中。 2 ) 静压沉桩法适用范围 静压法沉桩具有无噪音、无振动、无冲击力、施工应力小等特点，可减少 打桩振动对地基和邻近建筑物的影晌，桩顶不易损坏、不易产生偏心沉桩、沉 桩精度较高、节省制桩材料和降低工程成本，且能在沉桩施工中测定沉桩阻力 为设计旖工提供参数，并预估和验证桩的承载能力。但由于专用桩架设备的高 度和压桩能力受到一定限制，较难压入3 0 m 以上的长桩。当地基持力层起伏较 太或地基中存在中间硬夹层时，桩的入土深度较难调节。对长桩可通过接桩， 分节压入。此外，对地基的挤土影响仍然存在，需视不同工程情况采取措旌减 少公害。 通常应用于高压缩性粘土层或破性较轻的软粘土地基( w w p 、m o 0 3 、i p 1 0 、n 1 0 0 0 后，端阻分担的荷 载比变化不明显。 ( 3 ) 随桩的长径比l d 增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻发挥 值相应降低。当l d4 0 在均匀土层中，其端阻分担的荷载比趋于零； 当 l d 1 0 0 ，不论桩端土刚度多大其端阻分担荷载值小到可忽略不计。 ( 4 ) 随桩端扩径比d d 增大，桩端分担荷载比增加。对于均匀土层中的中 长桩( l d = 2 5 ) ，其桩端分担荷载比，等直径桩仅约5 ，d d = 3 的扩底桩可 增至约3 5 。 因此单桩极限承载力所对应的某特定土层的极限侧阻力q 。和极限端阻 力q 。i ，由于桩长与桩径比异常，或桩端、桩周土刚度比异常，或由于该土层分 布位置的变化，其发挥值是不同的。为有效发挥桩的承载性能和取得最佳经济 效果，设计中运用桩土体系荷载传递特性，根据土层的分布与性质合理确定 桩径、桩长、桩端持力层等是十分必要的。 2 ) 单桩的荷载一沉降特性 主要荷载一沉降特性也是随着有关因素的变化而变化的。单桩竖向静力荷 载试验的荷载一沉降( q s ) 曲线是桩土体系的荷载传递、侧阻和端阻的发挥性 状的综合反应。q s 线型随桩侧土层分布与性质、桩端持力层眭质、桩径、桩 长、长径比、成桩工艺与成桩质量等诸多因素而变化。由于桩侧阻力一般先于 桩端阻力发挥出来( 支承于坚硬基岩的短桩除外) ，因此q s 曲线的前段主要受 侧阻力制约，而后段则受端阻力制约。但是对于下列情况除外： 一是超长桩( l d 1 0 0 ) ，q s 全程受侧阻性状制约； 二是短桩( l d 1 0 ) 和支承于较硬持力层上的短至中长( l d 6 2 5 ) 扩底 桩q s 前段同时受侧阻和端阻性状的制约： 导师：龚晚南教授 作者：黄明辉 1 5 浙江走学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 三是支承于岩层上的短桩q s 全程受端阻制约。 单桩q s 曲线与只受基底土性状制约的平板载荷试验不同，它是总侧阻力 q s 、总端阻q p 随沉降发挥过程的综合反映，因此，许多情况下不出现初始线 。陛变形段，端阻力的破坏模式与特征也难咀由o s 明确反映出来。 以下为工程实践中常见的几种q s 曲线从中可进一步剖析荷载传递和承 载力性状。 ( 1 ) 软弱土层中的摩擦桩( 超长桩除外) 。由于桩端一般为刺入剪切破坏， 桩端阻力分担的荷载比例小，q s 曲线呈陡降型，破坏特征点明显。 ( 2 ) 桩端持力层为砂土、粉土的桩。由于端阻所占比例大，发挥端阻所需位 移大，q s 曲线呈缓变型破坏特征点不明显，桩端阻力的潜力虽较大， 但对于建筑物而言已失去利用价值，因此常以某一极限位移s 。，一般取 s 。= 4 0 6 0 m m 控制确定其极限承载力。 ( 3 ) 扩底桩。支承于砾、砂、硬粘性土、粉土土的扩底桩，由于端阻破坏所 需位移量过大，端阻力所占比例较大，其q s 曲线呈缓变型，极限承 载力一般可取s u = ( 3 6 ) d ( 桩径大者取低值，桩径小者取高值) 控制。 ( 4 ) 泥浆扩壁作业、桩端有一定沉淤的钻孔桩。由于桩底沉淤强度低、压缩 性高，桩端一般是刺入剪切破坏接近于纯摩擦桩q s 曲线呈陡降 型，破坏特征点明显。 f 5 1 桩周为加工软化型土( 硬粘性土、粉土、高结构性黄土等) 无硬持力层 的桩。由于侧阻在较小位移下发挥出来并出现软化现象，桩端承载力低- 因而形成突变、陡降型q s 线型，与孔底有沉淤的摩擦桩的q s 曲线相 似。 ( 6 ) 干作业钻孔桩孔底有虚土。q s 曲线前段与一般摩擦桩相同随着孔底 虚土压密，q s 曲线的坡度变缓，形成“台阶形”。 ( 7 ) 嵌入坚硬基岩的短粗端承桩。由于采用挖孔成桩，清底好，桩不太长， 桩身压缩量小和桩端沉降小，在侧阻力尚未充分发挥的情况下，便由于 桩身材料强度的破坏而导致桩的承载力破坏，q s 曲线呈突变、陡降型。 导师：龚晓南教授 作者：| 明辉 1 6 浙江太学硕士学位论丈振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 2 单桩的承载力的估算 1 ) 静力分析法 依据土工参数采用常规的土力学原理以静力分析方法估算单桩极限承载 力。桩端阻力和桩侧摩阻力分别根据承载力理论和库仑强度理论计算得来。桩 端阻力的计算有： ( 1 ) 太沙基( t e r z a g h i ，1 9 4 3 ) 极限承载力公式； ( 2 ) 梅椰霍夫( m e y e r h o f , 1 9 5 1 ) 极限承载力公式： ( 3 ) 别列赞捷夫( b e r e z a n t z e y ，1 9 6 1 ) 极限承载力公式； ( 4 ) 道古诺卢等( d u r g u n o g l u & m i t e h e l l ，1 9 7 5 ) 的极限承载力公式； ( 5 ) 魏西克( v w s i c ，1 9 7 5 ) 极限桩端阻力公式； ( 6 ) k u l h a w y ( 1 9 8 4 ) 发展了v e s i c 原理，提出的桩端极限承载力公式： ( 7 ) 江布( j a n b u ，1 9 7 6 ) 的极限桩端阻力公式： ( 8 ) c o y l e 和c a s t e l l ( 1 9 8 1 ) 的极限桩端阻力计算公式。 而桩侧摩阻力常用库仑强度表达式进行分析计算，其计算分为总应力法和 有效应力法两大类，包括d 法、b 法、 法、f l a a t e 法、临界状态法等。 2 ) 原位测试法 ( i ) 静力触探试验法( c p t ) 。已纳入相应规范的有铁道部标准静力触探技 术规则( t b t 3 7 9 3 ) 、建设部标准建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 、上海 市标准地基基础设计规范( d b j 0 8 8 9 ) 、建设部标准高层建筑岩土工程勘 察规程、武汉市标准建筑软弱地基基础设计规定( w b j 卜1 - 9 2 ) 、浙江省标 准建筑软弱地基基础设计规范( d b j l 0 1 9 0 ，试行) 。另外还有法国l p c 法 ( b u s t a m a n t ee tg i a n e s e l l i ，1 9 8 3 ) 、前苏联的双桥探头法、m e y e r h o f 法( m e y e r h o f ， 1 9 7 6 ) 和同济大学陈强华等( 1 9 9 2 ) 提出的单探头用于钻孔灌注桩的方法。 ( 2 ) 标准贯入试验法( s p t ) 。有m e y e r h o f 法( m e y e r h o f ，1 9 7 6 ) 和同本钢管 桩协会法( 钢管桩协会，1 9 7 7 ) ； 导师：龚晓南教授作者：黄明辉 2 0 0 1 年7 月 _ 一1 1 丽r _ 丁一i 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 ( 3 ) 旁压试验法( s e t r a l c p c ，1 9 8 5 ) 。有法国旁压试验确定桩基设计参数 规程( 1 9 8 5 ) ，他采用了法国中央道桥试验所( l c p c ) 和法国公路及高速公路 技术研究所( s e t r a ) 积累的经验。 3 ) 荷载传递函数法 荷载传递函数法是s e e d 和r e e s e 于1 9 5 5 年首先提出的计算单桩荷载传递 的方法，此后k e z d i ( 1 9 5 7 ) 、佐腾悟( 1 9 6 5 ) 、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 及h o l l o w a y ( 1 9 7 5 ) 等作了发展。这个方法的基本概念是把桩视作为由许多弹性单元体组 成，每一单元体与土体之间侧摩阻力用一非线性弹簧代替，非线性弹簧的力与 位移的关系即表示桩侧摩阻力q 。与桩土问相对位移s 的关系( 即桩侧荷载传递 函数) 。桩底端的土也用一非线性弹簧代替，这一非线弹簧的力与位移的关系表 示极端阻力q 。与桩端沉降s p 的关系( 即桩端荷载传递函数) 。荷载函数法分成 两种计算方法：位移协调法( 如s e e d 和r e e s e 提出的方法) 和解析法( 如佐腾 悟提出的方法) 。 4 ) 打桩公式法 有最早的最常用的打桩公式“工程新闻”公式、修正的工程新闻公式( 1 9 6 5 ) 、 丹麦公式( 0 1 s e n & f l a a t e ，1 9 6 7 ) 、加拿大国家建筑规范公式、椭n n n - - n 筑规范( p c u b c ，1 9 8 2 ) 和j a n b u 公式( 1 9 5 3 ) a 5 ) 经验方法 ( 1 ) 建造桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) ，当根据土y 4 、土的状态、成桩方法 与桩基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q u k 时，按 下式计算： 幽= 乳+ 办= u q w 以+ 舭a ， ( 1 3 7 ) 式中 q s k 、q 口k 分别为单桩的极限桩侧阻力标准值和极限桩端阻力标准值； q s i k - q 旷一桩周第i 层土的极限桩侧阻力标准值和极限桩端阻力标准值。 导师：龚晓南教授作者：黄明辉 1 8 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 ( 2 ) 港口工程桩基规范( j t j 2 5 4 9 8 ) ，对预制混凝土桩的单桩竖向承载力 设计值的计算； ( 3 ) 铁路桥涵设计规范法( t b j 2 9 6 ) ，对打入、振动下沉和桩端爆扩桩、 钻( 挖) 孔灌注桩以及支承于岩石上的打入桩、震动下沉桩的容许承载力的计 算： ( 4 ) 北京地区建筑地基基础勘察设计规范( d b j 0 1 5 0 卜9 2 ) ，按公式估算 单桩竖向承载力标准值的方法； ( 5 ) 上海市地基基础设计规范( d b j 0 8 1 l 一8 9 ) ： ( 6 ) 天津市建筑地基基础设计规范( t b j 1 8 8 ) 。 1 4 本文主要工作 1 ) 回顾预制桩沉桩的锤击、振动和静压三种施工方法以及桩的荷载传递 理论，单桩承载力估算方法： 2 ) 对振动静压预制桩在沉桩过程中所测得压桩力和桩尖阻力变化进行分 析并对沉桩机理做一些探讨： 3 ) 分析井探讨压桩力与承载力的关系以及承载力恢复系数： 4 ) 对单桩轴力测试数据进行分析，探讨桩的荷载传递性状和桩的侧摩阻 力和端阻力的发挥规律： 5 、对振动静压预制桩的工程应用实例进行分析。 导师：葬晓南教授作者：黄明辉 1 9 浙江大学硕士学位论文振动静压颓制柱沉桩工艺及其应用 第二章振动静压预制桩沉桩工艺 2 1 沉桩施工工艺及其设备 振动静压沉桩法是在结合了顶压式静压沉桩机和振动沉桩机的特点进行 综合改造并在此基础上发展起来的一种沉桩方法。一般用于预制桩沉桩作业， 另外也可用于沉管灌注桩的施工。 振动静压沉桩法所用的是前压式压桩机。其机械设备主要由桩架、压梁、 卷扬机、钢索滑轮组、振动锤以及配重组成。压桩架的行走方式主要有走轨式 和液压步履式两种。属前压式压桩机。通过塔架与卷扬机滑轮组系统可进行桩 的起吊和就位同时塔架具有导向作用。振动锤设置于压粱上通过钢丝绳与 机架和底盘连接，当卷扬机收紧钢丝绳时即可将桩压入土中，当桩静压下沉至 硬夹层或硬持力层时，可同时启动振动锤辅助将桩静压下沉。 根据振动锤的选用原则桩机所采用振动锤锤重4 吨、功率6 0 k w 、振动力 4 8 0 k n 。 压桩时，开动卷扬机，通过桩架顶梁逐步将压梁两侧的压桩滑轮组钢索收 紧，并通过压梁将整个压桩机的自重和配重施加在桩顶上，把桩逐渐压入土中。 与静压沉桩的施工步骤相似，振动静压沉桩的施工步骤如下： ( 1 ) 桩机就位； ( 2 ) 预制桩吊起就位： ( 3 ) 先用静压力将桩压入土中，当此节桩全部压入土中后吊起下一节桩 就位，用硫磺胶泥或铁件焊接将上、下节桩对接： ( 4 ) 用静压力继续将桩压入土中； ( j ) 当全部静压力己无法将桩继续压入时，开动振动锤使桩继续沉入直 至贯入度满足要求为止。 导师：龚晓南教授作者：黄明坪 2 0 0 1 年7 月 浙江犬学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 2 2 振动静压沉桩过程的测试分析 认识桩在静压作用下以及振动锤同时作用下桩在下沉过程中的阻力变化是 分析静压沉桩机理的关键。为此利用预制桩的沉桩过程对其压入阻力和桩尖阻 力的变化情况进行了测试。 1 工程地质条件及试验桩的测试设置 下 进行试验桩测试所在的工地为厦门莲北小区建设工地，其地质条件大致如 ( 1 ) 人工填土：厚度0 3 5 2 米，由粘性土含约2 5 的碎石、砖块及杂物 组成，松散不均匀： ( 2 ) 海积淤泥：厚度1 3 1 1 2 米，深灰灰黑色，呈饱和，流塑状态； ( 3 ) 冲积粉质粘土：褐黄，浅灰绿，深灰等色，湿，可硬塑状态； ( 4 ) 海积含淤泥中粗砂：厚0 3 4 2 米，深灰、褐灰等色，呈饱和，松 散稍密状态： ( 5 ) 冲积粘土：褐黄，浅灰等色，质较纯，呈稍湿，硬塑状态，局部共含 泥中粗砂透镜体： ( 6 ) 冲积粉质粘土：厚0 5 4 5 米，褐黄夹灰白色，呈稍湿湿，硬塑 状态； ( 7 ) 冲积含泥中粗砂：厚0 2 3 7 米，褐黄色，呈很湿饱和。稍密 中密状态； ( 8 ) 花岗岩风化残积砂质粘性土：厚2 9 3 6 1 米褐黄色由花岗岩原 地风化而成，原岩结构可辨，残留石英颗粒2 0 3 0 稍湿湿，上 部硬塑状态，中下部硬塑坚硬状态； ( 9 ) 人工填土：厚度0 3 5 2 米，由粘性土含约2 5 的碎石、砖块及杂物 组成，松散不均匀； n o ) 海积淤泥：厚度1 3 2 米深灰灰黑色，呈饱和，流塑状态： 0 1 ) 冲积粉质粘土：褐黄浅灰绿，深灰等色，湿，可硬塑状态； 导师：# 晓南教授 作者：黄明辉 浙江走学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 ( 海积含淤泥中粗砂：厚0 3 4 2 米，深扶、褐灰等色，呈饱和，松 散稍密状态； 冲积粘土：褐黄，浅灰等色，质较纯，呈稍湿，硬塑状态。局部夹含 泥中粗砂透镜体； n d ) 冲积粉质粘土：厚0 5 4 5 米，褐黄夹灰白色呈稍湿湿，硬塑 状态； 冲积含泥中粗砂：厚0 2 3 7 米褐黄色，呈很湿饱和。稍密 中密状态： ( 旧花岗岩风化残积砂质粘性土：厚2 9 3 6 1 米，褐黄色，由花岗岩原 地风化而成，原岩结构可辨，残留石英颗粒2 0 3 0 ，稍湿湿，上 部硬塑状态，中下部硬塑坚硬状态。 试验桩设计为预制混凝土方桩。设计断面3 5 0 m m x3 5 0 m m ，桩身混凝土设计 强度c 3 0 ，桩身配筋为4 4 , 1 4 带肋钢筋。考虑到试验桩场地内约1 2 m 深处有一 层含泥中粗砂，层厚可达3 7 m ，褐黄色混5 1 j 的粘性土呈很湿饱和 稍密中密状态，标贯击数最大可达2 2 击，根据桩机的沉桩能力难于将桩穿透 此层，以及为便于在桩身中埋设钢筋应力计，故设计单节桩，桩长1 4 l i l ，沉桩 时桩尖落在砂层内，以这一砂层作为桩端持力层。 + 预制桩在浇灌前，先在钢筋笼的尖部和顶部以及一些断面上各安装了一对 钢筋应力计，导线从桩顶的侧面引出，然后再浇灌混凝土。在压桩施工前，在 桩顶上安置一个2 0 0 0 k n 的荷重传感器。这样，通过埋设于桩身中的钢筋应力计 就可测出桩在压入过程中桩身所承受的压力变化情况。另外，通过安置于桩项 的荷重传感器则可测定桩在压入过程中桩顶所施加的压桩力的变化隋况。 2 沉桩过程中的沉桩阻力变化测试结果及分析 图2 2 - 1 显示了两根试验桩( 5 # 和6 # ) 在压入过程中压桩力的变化情况。 在沉桩过程中压桩力与沉桩阻力始终处于动态平衡状态，沉桩阻力主要是由 桩侧阻力和桩端阻力组成桩顶荷重传感器所测得的压桩力即为桩侧阻力和桩 端阻力之和。首先，桩在进入地表的填土层时出现一较大的压力，随后压力就 导师：婪晓南教授作者：黄明辉 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 明显下降，这是因为填土表面经碾压后有一较硬的壳层的缘故。而后，桩在不 断压入土中时，压桩力在不断地提高，当桩尖进入中粗砂层后压桩力骤然增 大到桩机的最大压桩力8 0 0 k n ，这时桩机架被抬起，桩不再继续刺入土中，压 桩力与沉桩阻力处于力平衡状态。由于沉桩阻力由桩侧阻力和桩端阻力组成， 因此通过埋设在桩身中的钢筋计反映了桩端阻力和桩侧阻力的变化情况。 图2 2 2 表明，在静压过程中，侧阻力随桩入土深度的增大而增大，进入 较硬土层则更为明显，由于克服不断增长的侧阻力，桩顶压桩力传至桩尖的力 就相应降低。当在最大静压力作用下，桩机架被抬起时，由安置于桩顶的荷重 传感器测出，桩顶的压桩力接近8 0 0k n ，但由埋设于桩尖的钢筋应力计测出的 桩尖处所承受的压力仅约为3 5 0k n 。这表明，由于桩身侧摩阻力的抵抗，使桩 顶的压桩力传至桩尖时只有约3 5 0k n ，也就是说，这时桩尖对其所处的中粗砂 层所产生的压力仅为2 8 0 0 k p a ，显然已不能使桩端处的中粗砂层出现结构破坏 而使桩继续压入。这时开启振动锤，桩又继续下沉了4 0 c m 后不再有明显下沉。 人工r 麓； 箍 了z 。嚣一 谳泥附一 e 趔 迸 ，_ 轱七 。一 粉质 一枯土- 晗泥l 中租砂i 浙江大学硕士学位论文 振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 z 图2 2 - 2桩在压入过程中沉桩阻力、桩端阻力和桩侧阻力的变化情况 我们知道，压桩力是与土体对桩贯入过程中的抵抗阻力保持动态平衡的。 而土体对桩的阻力由两部分组成，即桩侧摩阻力和桩端阻力。在桩压入土体的 过程中，这两个阻力是随着桩的入土深度和桩身所穿过的土层以及桩尖所处的 土层的性质有着很大的关系，而这两者的比例也是在不断的变化。从测试的结 果表明( 见图2 2 2 和图2 2 - 3 ) ，在整个静压力压入阶段，桩侧摩阻力占压桩 力的比例主要维持在5 0 7 0 之间之间。当开启振动锤时，桩顶处的压桩力并 没有明显增大维持在7 0 0 8 0 0 k n 之间，但这时桩侧摩阻力和桩尖阻力的比例 却发生了很大的变化，桩侧摩阻力占压桩力的比例从6 0 左右下降到2 0 - 使压 桩力传至桩尖的力明显增大，由原来的4 0 提高到了8 0 。我们可以看到在振 动过程中，桩侧阻力从4 5 0 k n 下降到1 5 0 k n 左右，传至桩尖的力却从3 0 0 4 0 0 k n 增大到6 0 0 k n ，形成对桩端4 9 0 0 k n 的压力，但是由于这一桩端压力还不能使桩 端处的砂土破坏，因而桩也就不能继续下沉。 因此可以看出，辅助振动的效果，是在没有增大压桩力条件下通过振动 锤的强迫振动，使沉桩过程中的桩侧阻力明显下降，以上测试表明下降了2 3 ， 而使施加于桩尖的力增加了将近一倍，提高了静压桩力对桩尖土体的破坏能力 从而提高了静压桩机的沉桩能力。换句话说，就是在没有增加配重的情况下增 导师：葬晓南教授作者：黄明辉 咖 啪 瑚 啪 湖 瑚 瑚瑚 m o 浙江太学硕士学住论文 振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 大了桩机的压桩能力。 芝乏一 一 一 一 一 图2 2 - 3压桩过程中桩侧阻力所占压桩力的比例 2 3 静压振动沉桩机理的理论探讨 幽z 3 一l 静力压桩是在桩顶上施加以一定重量的荷载w ，桩端处的土体就产 i n - 缩 变形，同时土体对桩尖相应产生阻力。随着桩贯入压力的增大当桩端处土体 所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形达到极限而破坏，土体产生塑 性流动或挤密侧移和下拖桩端处土体被向下和侧向压缩挤开，桩身同时会受 到穿越土体的法向抗压力所引起的桩周摩阻力f 和桩尖阻力r 的抵抗，如图 2 3 】所示。 导师：葬晓南教授 砟者：黄明珲 浙江大学硕士学位论文 振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 随着桩身不断下沉，桩周摩阻力f 在跟随着增加，这时桩顶荷载传至桩端 处的力p r 将逐渐减小。其表达式为： p r2 w f ( 2 3 1 ) 当桩尖所进入土层的极限抗压强度r u 丈于p r 时桩将不再继续下沉。 当桩在桩顶上的荷载w 作用下不再继续下沉时，开启激振器，这时可明 显地看到桩继续下沉。从图2 3 1 所示及式( 2 3 1 ) ，桩要继续下沉只有两种情况： ( 1 ) 当桩顶施加的力增大到足以克服桩周摩阻力和桩尖阻力之和时： ( 2 ) 桩周摩阻力减小到桩顶传至桩尖的力大于桩尖土的极限承载力。 考察一下静压下开启激振器时对桩顶产生的压力。将静压激振沉桩设备简 化为集总参数体系的单自由度质量弹簧系统在周期性变化的激振力q o c o s l t 的 作用下的强迫振动模型( 图2 3 2 ) 其振动方程为 m 鲁+ k z q 0 c 。s ( 2 3 - 2 ) 式中 r i l 沉桩设备的等效质量： w 施加于桩顶的荷载： k 桩土体系的刚度： q o 一激振力的幅值i 导师：龚晓南最授作者：量明珲 2 0 0 l 卑t 月 浙江大学硕士学位论文振动静压预制桩沉桩工艺及其应用 九激振频率； t 时间： z 位移。 方程( 2 3 2 ) 的通解由齐次方程通解与非齐次方程特解二者迭加而得，即 z = a s i n u t + e c 。s u t + 志c 。s x t ( 2 3 - 3 ， 式中= 正而为激振辅助静压沉桩设备的自振频率。 式( 2 3 3 ) 中前两项是齐次方程的通解，a 与b 则是根据起始条件来确定的 两个常数。 设当t = 0 时， z = z d z 面“n 式中 z o 一起始位移： v o 一起始速度。 代入式( 2 _ 3 3 ) 可求得 a ：迫 e 碱一志aml ( i ) j 则式( 2 3 ) 可改写为 z = 导s t 慨c o s 吣而c o sc o t + 未c o s x t ( 2 3 - 4 ) l i t “ ml f 一 。jl f 一 。j 在式( 2 3 4 ) 中，前三项为自振频率。产生的振动但前二项的系数决定于 起始条件，当起始位移及起始速度都为零时，此二项也就等于零此二项称为 决定于起始条件的自由振动；第三项则不管起始条件如何，它都将伴随激振力 的作用而产生，称为伴生的自由振动；第四项则完全按照激振力激振频率进行 振动，称为纯强迫振动。而在实际的系统中均存在着阻尼作用，前三项都将不 断衰减，因此