（岩土工程专业论文）李子沟特大桥超大群桩基础试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本文结合课题“李子沟特大桥超大型群桩基础试验研究”完成。 该工程所处地质条件复杂，岩土体承载能力较低。群桩基础由l 6 至 j o 根直径为1 j m 的基桩构成，承台尺寸也达1 8 1 n l 3 7 6 m 5 m ，这 在国内外桩基设计和施工中都是罕见的。 本文回顾了桩基础的计算理论和研究方法：分析了基桩现场试验 结果，讨论了基桩的荷载传递规律、承载力的特性及其影响因素；进 行了群桩的模型试验研究，对群桩的承载力特性、桩士共同作用、群 桩效率等进行了分析和探讨，并将试验结果与现有的研究成果进行r j ， 比较分析；对群桩的竖向承载性状进行了三维有限元分析。 在本地质条件下，主要得出了以下几点结论：1 在竖向荷载作用 下，荷载在桩间的分配，最终以中心部分桩受到的荷载最大；2 在较 大的竖向荷载作用下，土体出现明显的塑性强化特征；3 在竖向荷载 作用下，群桩的承载力大于各基桩承载力之和：4 沿线路水平纵、横 向加载时，最大弯矩和零弯矩的位置、弯矩变化曲线的形状以及在栩 同荷载作用下各桩同一截面的弯矩值都有一定差异；5 三维有限元计 算采用的计算模型和计算参数合理，理论计算结果与模型试验结果吻 合较好，计算结果可靠。l 夕一 【关键词】：群桩；横型试验；承载性状；理翌塑二互厘虱 套j 叛舔l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t o nt h eb a s i so ft h ep r o j e c t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nl a r g e s c a l ep i l e g r o u pf o u n d a t i o no fl i z i g o ul a r g e s p a nb r i d g e ，t h i sp a p e ri s f i n is h e dt h e i n s i t u g e o l o g i c a lp r o p e r t yisc o m p l i c a t e da n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fs o i l a n dr o c ki sl o w e rt h en u m b e ro fi n d i v i d u a l p i l e s o ft h e p i l eg r o u p f o u n d a t i o nisf r o m16t o5 0 ，a n dt h e i rd i a m e t e ri s15 ma n dt h es i z eo fc a p is181n l x3 76 r n 5 ms oi tisv e r ys e l d o mi nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f p i l e g r o u pf o u n d a t i o ni nd o m e s t i ca n da b r o a d i nt h ep a p e r ，t h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n ds t u d ym e t h o d so fp i l eg r o u p f o u n d a t i o na r er e v i e w e d ，a n dt h ei n s i t ud a t ao fi n d i v i d u a l p i l e s a r e a n a l y z e d ，t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r is t i co fl o a d ，t h eb e a r i n gb e h a v i o ra n d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fi n d i v i d u a lp i l e sa r ed is c u s s e dt h em o d e lt e s to f p i l eg r o u p f o u n d a t i o nis m a d e ，a n dt h eb e a r i n gb e h a v i o r ，t h ep i l e s o i l i n t e r a c t i o n ，t h ee f f e c tc o e f f i c i e n to fv e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l eg r o u p a n ds oo na r ea n a l y z e dt o o ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm o d e lt e s t i n gr e s u l t a n d e x i s t i n g a c h i e v e m e n t si nr e s e a r c ha r em a d et h ep r o p e r t i e so fp i l e g r o u p u n d e rv e r t i c a ll o a da r e a n a l y z e db y t h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm e t h o d o nt h ec o n d i t i o no ft h i sg e o l o g i c a lp r o p e r t y , s o m em a i nc o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e d t h e ya r e ：i t h el o a dd i s t r i b u t e db yc e n t r a lp i l e su n d e rv e r t i c a l l o a da r eh i g h e rt h a nb yo t h e r so ft h ep i l eg r o u p ；2u n d e rh i g h e rv e r t i c a ll o a d t h ef o u n d a t i o ns o i ls h o w sa no b v i o u sc h a r a c t e r i s t i co f p l a s t i cs t r e n g t h e n i n g ； 3t h e b e a r i n gc a p a c i t yo fp i l eg r o u pu n d e rv e r t i c a ll o a disl a r g e rt h a nt h e w h o l es u mo fb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e si n p i l eg r o u p ；4t h ep o s i t i o n o ft h em a x i m u mo rz e r ov a l u eo f b e n d i n gm o m e n t i np i l e s ，t h el i n es h a p eo f b e n d i n gm o m e n td i a g r a ma n dt h ev a l u eo fb e n d i n gm o m e n to ft h es a m e c r o s ss e c t i o no fap i l eu n d e rs a m el o a di sd i f f e r e n ta c c o r d i n gt ot h ei a t e r a l l o a d i n ga n dt h el o n g i t u d i n a ll o a d i n g ；5 t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s h o wt h a tt h e ya r ec l o s e dw i t ht h er e s u l t so fm o d e lt e s ta n da r er e l i a b l e t h e c a l c u l a t i o nm o d e la n dp a r a m e t e ra r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：p i l eg r o u p ；m o d e lt e s t ；b e a r i n gb e h a v i o r ；i n t e r a c t i o n ；f i n i t e e l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章绪论 现代高速重载运输的发展、西部经济的崛起和国家发展战略的向 西转移给铁路、公路桥梁提供了良好的机遇。同时山区特大型桥梁超 大群桩基础的应用日益增多，有关群桩基础的应用问题也引起了人们 更加广泛的关注。 群桩作为桩基的一种主要形式，其受力变形特性的研究一直受到 人们的重视。国内外在理论、实践经验和试验的基础上对群桩基础进 行了大量深入的研究，并得出了许多有价值的结论。然而应该认识 到，迄今为止，对超大群桩基础的研究仍嫌不够，对超大群桩基础在 荷载作用下的力学行为的认识还很不充分。在设计上，多是沿袭过去 的理论经验，这与现代施工工艺和施：】：机具的创新和发展是不相适应 的。 鉴于上述原因，开展对群桩尤其是超大群桩基础在复杂地质条件 下的工作性能的研究，具有相当的理论和实际意义。作者参与了西南 交通大学袁文忠副教授主持的铁道部科技研究开发计划科研项目山 区铁路大跨高墩刚构一连续组合梁桥关键技术研究一超大群桩基础试 验研究( 9 8 g l7 ) ，在试验研究与分析计算的基础上，完成了本文。 1 1 桩基础特点及桩型 1 1 1 桩基础特点 桩基础是土木工程中常用的一种形式，广泛应用于建筑、桥粱、 港口等工程，已成为岩土工程的一个重要领域和学科。 与桩基础有关的概念 口桩基础概念：桩基础是通过承台把若干根桩的顶部联结成整体， 共同承担动静荷载的一种深基础1 2 l 。其作用在于穿越软弱的高压缩性 j 二层或水，将桩承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性较小的地基 持力层上。群桩是由2 根以上的基桩组成的桩基础。 口桩基的概念：桩基一般是指当利用设置在地基土中的桩来加固 地基时桩和桩间土联合构成的一种复合地基1 3 】。 桩基础的特点桩基础一般具有以下特点e 4 l ： ( 1 ) 承载力大； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 ( 2 ) 沉降量小； ( 3 ) 能承受一定的水平荷载和上拔力，稳定性好； ( 4 ) 可以提高地基基础的刚度、改变自振频率； ( 5 ) 可提高建筑物的抗震能力； ( 6 ) 便于实现基础工程机械化和工业化。 112 桩基础的分类 桩基础的类型按功能、荷载传递机理、截面形状、尺寸、材料、 施工方法等进行分类1 5 1 。 ( 1 ) 按桩的使用功能分类 可分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩、复合受荷桩。 ( 2 ) 按桩的荷载传递机理分类 口端承桩，根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例，又可分 为摩擦端承桩和端承桩； 口摩擦桩，根据桩侧阻力分担荷载的比例，摩擦桩又可分为端承 摩擦桩和摩擦桩。 ( 3 ) 按桩身材料分类 可分为混凝土桩、钢桩、木桩、及组合材料桩等。 ( 4 ) 按成桩方法分类 可分为大量挤土桩、少量挤土桩、非挤土桩和非置换而少量挤土 桩。 ( 5 ) 按桩径大小分类 可分为小直径桩、中直径桩、大直径桩。 ( 6 ) 按桩身的制作方式分类 可分为预制桩和灌注桩。 1 1 3 常见桩型 经过长期的工程应用、研究和开发，随着工程建设中桩被大规模 地应用而形成的按广义而言的一个桩型体系见图1 一l f ”。 1 2 桩基础发展概况及试验研究现状 1 2 1 发展概况 表1 一l 给出了桩基础技术发展历史的简要概括【3 i 。 西南交通大学硕士研究生掌位论文 第3 页 表卜1 桩基础技术发展历史阶段 阶段年代主要桩型 特点 人类有史记 初期 载前1 9 阶段 世纪 木桩 石桩 1 由天然材料作成，桩身较短，桩径小 2 竖直设置，主要用于传递竖向荷载： 3 多设置于地基条件差的河谷及洪积区 4 采用简单人工锤打沉桩 桩基础的历史发展特点【3 j ： 口桩基础技术的发展受工业化的影响巨大，如水泥工业的问世。 口由于桩型及施工工艺的不断推陈出新、千变万化，桩的应用及 成桩工艺更为多样化和复杂化。 口出现了桩基础与其他基础形式或工艺的联合应用。如化学灌浆 排桩联合护壁等，以适应上层建筑的超重荷载、深基坑开挖的需要。 口出现了一个新兴的建筑机械行业桩工机械行业。 1 2 2 最新进展及发展趋势 19 9 7 年国际著名的桩基专家h g p o u lo s 教授在香港大学作了题 目为“a n n ly s i sa l - i d d e s i g n 0 fp i lef o u n d a t i o n s ”的讲座，从其中 可以探视到国内外桩基研究的广泛动态，它主要涉及桩基础施工影响、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 竖向及横向承载力计算、单桩与群桩的沉降分析、桩筏基础、受循环 荷载的桩，以及桩的动力特性等方面。故本文在此不再重述，仅对国 外种新兴的试桩法o s t e r b e r g 试桩法护7 j 进行简要介绍。 o s t e r b e r g 试桩法是美国西北大学教授o s t e r b e r g 于2 0 世纪8 0 年代中期萌发的新思路而研究成功的一种新的静载试桩法。其加压装 置简单，不需压重平台、不需反力架，且能直接测出桩的侧阻力和端 阻力。该法已获多国专利，并已在英、日、加拿大、菲律宾、新加坡 等1 0 国及我国香港、台湾等地应用。 o s t e r b e r g 荷载箱一般被安设于桩身底部，打入桩随桩而打入土 中，灌注桩将它与钢筋笼相焊接而沉入桩孔。因此这种试桩法在日本 被称为桩底加载法。j9 9 8 年o s t e r b e r g 本人撰文总结了该法在世界各 地l0 年的应用经验，在试验装置设置部位、利用该法改善桩的承载性 状等方面均有了新的发展。 总的说来，国内外桩基础的进展和发展趋势可以归纳如下： 最新进展：2 0 世纪9 0 年代初以来，桩基础有了很大的新的发 展，具体表现在p 】： 口单桩设计承载力越来越大，达到了以“万k n ”计的水平。为了 满足设计承载力要求，于是出现了各种系列的新兴改良桩系( 图1 1 ) 。 口桩基础的设计理论吸取了其他学科的先进科研成果，取得了迅 速和深刻的发展。复合地基理论、疏桩理论、桩基与上层建筑协同作 用理论、桩基环境效应理论等相继问世并向完善的目标发展。 口由于在城区兴建高层建筑的需要，沉桩的环境效应消减问题受 到充分的重视，并提出了系列计算方法和控制措施。 口桩工机械也趋向于专门化和复杂化，桩机新品种、施工工艺和 用途范围也在不断发展。 发展趋势：主要发展趋势表现在以下几个方丽i q 。 口桩的尺寸向长大和短小方向发展。基于高层、超高层建筑物及 大型桥主塔基础的承需要，潞越来越大，桩长越来越长。基于老 城区改造、基础托换加固、建筑物纠偏以及补桩等需要，小桩及锚杆 静压技术目趋成熟，应用广泛。一种巨型“b a r r e t t e 桩”正在国内外 兴起，人们预测今后它将可能迅速进入高层建筑领域而出现“条形桩 基”新技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 1 向攻克桩成孔难点方向发展。一种被称为“d x 全智能型”多功 能挤扩装置的新设备最近在武汉等地应用并获得了成功。该装置配合 常规的泥浆护壁或干取土大直径灌 2 ：- 桩施工，将桩身按照地层变化和 设计要求进行多级扩孔，并能使单方混凝土承载力提高至直身桩的2 3 倍。 口向低公害工法桩方向发展。 口向扩孔桩方向发展。扩孔的成型工艺除钻孔外，还有爆扩、冲 扩、夯扩、振扩、锤扩、压扩、注扩、挤扩和挖扩等种类。 n 向异型桩方向发展。为了提高单桩承载力，国内外大量发展异 型桩，包括横向截面异化桩和纵向截面异化桩。 口向埋入式桩方向发展。为了消除一次公害和挤土效应，日本在 近2 0 年来开发出了埋入式桩工法。 口向组合式工艺桩方向发展。由于承载力、环境保护及工程地质 条件的限制等，实践中经常出现组合式工艺桩。 口向深层搅拌方式发展。国外某些施工企业正在研究发展采用大 直径深层搅拌而后插入外表带螺旋状助条的钢管的新桩型，旨在使其 能承受较大荷载，它兼备现有各种桩型的优点。 口向高强度桩、多种桩身材料方向发展。 灌注 制桩村料与工艺沉桩施工工艺与拄身、拄端形状 大直径钻孔埋八 预应力字心桩 ( 桩端、桩侧压浆 厂灿 ：芒鍪姿兰釜竺兰扛嚣；抽罐 fl 管桩i i 一一删砧扎州7 卜1 l 静压 删桩卜篡萍篆竺毫露蓊0 jj，艚桩 岫蝌 馗径 豁! 丝蟛一j 一 钢桩+ h 型锕桩l _ 一 钢扳桩_ j 搅拌桩p 泥土搅拌桩_ 亲蒜裳拌 l 加劲水泥土搅拌桩( 墙) 一s 、何工法 图一我国的桩型体系 辩浆注往 后不 蔗等 -r 径 桂 我圉各类工程建设应用的备种蛀型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 2 3 试验研究现状 桩基础的试验分为室内模型试验、现场试验和原型观测三种，其中 室内模型试验简单易行，曾经作过的室内模型试验很多。而现场试验以 c o o k e 和0 n e i l l ( 1 9 7 9 年) 的试验最为著名，c o o k e 曾经在伦敦粘土 上作过由3 桩组成的群桩中桩与桩之间的相互作用的试验：0 n e i 】l 在超固结硬粘土中进行了3 3 群桩及排除4 根桩后5 根桩组成的子群 桩的沉降试验：中国建筑科学院地基研究所在l u 东济南软粘土和粉t 上 也对群桩基础进行了系统的试验研究。 在原型观测方面，陈绪录等人1 9 7 9 年对上海一座散粮粮仓进行了 观测，得出了各桩桩顶荷载分配、桩侧阻力和端阻的分布等数据，陈华 强等人( 1 9 9 0 年) 对上海某高层建筑进行了原位测试研究，得到了桩顶 荷载、桩底压力以及沉降等随时间的变化规律，何颐华( 19 9 0 年) 还对 湖北贸易中心大楼箱形基础加满堂摩擦桩群进行了观测研究。 1 3 桩基础试验技术与主要理论 1 3 1 试验技术 桩基础技术的发展是实践在先、理论计算在后的。目前国内外发 展较为成熟的桩基础试验技术有【7 5 】： 口静载试验：以实测桩的荷载沉降关系为实质，测定桩的承载能 力和观测桩的破坏形式为试验目的的具体表现形式i ”。静载试验可以 为设计提供合理的单桩承载力；揭示或探讨单桩垂直承载力的某些理 论问题如桩的荷载传递机理；为桩基新工法、新工艺和新桩型的使用 提供有充分说服力的数据；为动力试桩法等提供对比的依据等。按加 载方向可分为竖向抗压、竖向抗拔和水平静载试验。 口模型试验：根据桩基的实际工作状态，进行合理全面地构思， 建立与原型具有相似规律的模型，借助科学仪器和设备，人为地控制 试验条件，研究桩基在某一或某些情况时的受力变形特性的试验”i 。 它不仅为桩基础的理论研究提供试验数据和试验论证，而且为工程设 计提供依据进而指导工程实践。它所研究的问题大致可以分为桩基变 形、稳定性和设计参数等问题。 口高应变试验：以重锤敲击桩顶。使桩产生一定的贯入度，通过 测量和计算，确定单桩承载力和桩身质量。它可以检测工程桩的承载 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 力和完整性，对桩身缺陷做出定性、定位乃至定量的评定；确定贯入 度、入土深度和承载力的关系：提供事故处理的科学依据。常用的方 法有波动方程法、动力打桩公式法和动静试桩法等。 口低应变试验：利用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围 内作弹性振动，利用振动和波动理论检测桩身结构完整性。对于低应 变试验能否确定单桩承载力，一直是我国桩基工程学术界争论的热点。 m 于适用范围广、仪器设备轻便简单、操作方便、检测速度快、成本 低，已被工程界广泛接受。常用的方法有反射波法、机械阻抗法、动 力参数法、声波透射法、水电效应法等。 口超声检测试验：由超声脉冲发射源在桩基混凝土内激发高频弹 性脉冲波，并用高精度接受系统记录脉冲波在混凝土内传播的波动特 性和声学参数的变化，经过高速数字信号处理分析及综合，来分析判 断桩身混凝土质量。 1 3 2 计算理论 目前桩基础计算理论1 4 , 8 】主要有弹性理论法、剪切位移法、荷载传 递法和有限元法。 口弹性理论法：是p o u l o s i 9 l 提出的桩与地基土相互作用的分析方 法，在群桩的分析方法中占有重要地位。弹性理论法假设土体为理想 匀质、各向同性、土的应力应变关系为线弹性应用位移叠加原理，给 群桩的计算带来方便。但是该法用单一的模量参数去反映分层的、非 线性的土的压缩特性，在工程应用上受到较大的限制，而且弹性模量 和泊松比的正确选择还有待进一步的探讨【l 。 口荷载传递法：是s e e d r e e s e 】于l9 5 j 年根据试验结果提出 的理论分析方法，它较好地反映桩侧土的层状非均质性和非线性，因 而在单桩分析中受到广泛重视，但没有考虑土体的连续性，故不能直 接应用于群桩的分析。但经分层积分法位移迭代【”j 或有限层元耦合 ”，出能用于群桩的分析。刘祖德从机理分析出发提出了能反应土的 特性和共同作用特点的荷载传递法【l “，并可应用于群桩。 口剪切位移法：由c o o k e 【”l 等人于1 9 7 4 年首先提出，此后经过 r a n d o l p h w r o t h 【”】等人的不断发展，形成剪切位移法，并应用于群 桩分析。其优点在于竖向引进一个变换矩阵，可方便地考虑层状地基 土的情况。在群桩计算中，不依赖于许多系数，便于计算。不足在于 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 桩一土滑移和桩与桩相互影响的非线性特征方面，尚需进一步研究1 1 “。 口有限元法：是一一种强有力的数值方法。o t t a v a n i f ”】较早地进行 ，三维群桩的有限元分析。从理论上来说，它能考虑桩的全部复杂因素， 但实际上要得到桩的，) 一s 曲线几乎不可能，而且计算容量大、时间长、 费用高，计算参数也难以确定，导致应片j 有限元分析的甚少【l 。 1 4 群桩的工作性状分析 1 4 1 群桩工作性能 群桩工作性能涉及内容十分丰富而复杂，故只能就各种类型桩基的 共同方面作定性的叙述。 端承型群桩：由端承桩组成的群桩，其持力层大都刚硬，承载 力较高，通过承台传递的上部结构荷载大部分或全部由桩身直接传到 桩端土层，桩的贯入度小，因而承台下基底反力较小，桩间土分担荷 载的作用很小。另一方面，由于桩身沉降小，桩侧摩阻力不能发挥， 通过桩侧摩阻力传至桩周土层中的应力也就很小，因此桩群中各桩的 相互影响较小，可以认为端承型群桩中各桩的工作状态与独立单桩近 似。但当坚硬持力层下存在软弱下卧层h ，单桩或群桩可能发生冲剪 或群桩的整体沉降【3 】。 摩擦型群桩：由摩擦桩组成的群桩，工作机理较端承型群桩更 为复杂，承台底面土、桩间土、桩端以下土以及桩本身和承台都在承 担荷载，并且相互影响、共同作用1 3 。由承台传给桩顶的荷载主要通 过桩侧摩阻力传给桩周土和桩端土层，在一定条件下产生应力重叠， 从而使桩问土层反应相互影响。而承台由于桩下沉所产生的部分基底 压力也传布到承台下一定范围内的土层中，导致桩侧摩阻力和桩底端 承力受到干扰。使得桩群中任一根桩的工作性状明显地与独立单桩不 问。 1 4 2 群桩工作性能特征参数 群桩工作性能特征参数从不同角度描述和反映了承台一桩群一地基 t 的共同工作状态及其效果，给群桩性能的控制提供了定量的依据”。 竖向承载群桩工作性能特征参数 其特征参数见表卜2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 表卜2 表征竖向承载群桩工作性能的特征参数 横向承载群桩工作性能特征参数 横向承载桩也有典型的一些特征参数，这些参数有的显示了横向 承载群桩工作性状或各种效应的变化幅度，有的是为控制桩群工作而 规定的技术参数，对桩基设计具有重要的意义1 ”。特征参数见表1 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表1 3 表征横向承载群桩工作性能的特征参数 多数名称定义 表达式典型值或变动幅度 临界荷载等于实测群桩横向临界或极限荷 群桩效应载除以相应桩项自由单挂与桩数叩。= 系数 之积。包括桩的相互影响、桩顶 小桩距高承台：均 极限荷载 嵌固影响、承台底摩阻影响及承 大于1 群桩效应 台侧向土抗力影响等因素的综合口。= 兰 系数 影响 ”爿“1 磐曼固宴等量耋皇竺2 束竺! 詈位移比 o s r 变动幅度_ 般为 影响系数 乘以嵌固度系数08 而得 “ 2o 2 9 承台底摩 对i 影响系 等于承台底总摩阻力与群桩中各 玑= 盟 数 桩水平承载力和的比 7 。聊l _ 承台侧面 土抗力影 等于承台侧向总土抗力与群桩中 n ： 塑i 响系数 各桩水平承载力和的比 “ 。脚， 地基水平地基土单位宽度上单位变形所需k ：! 是深度的某种函数， 反力系数 单位长度上的力，一般用接触压 随桩侧土体应力状 力强度与土的变形比表示 ( k 、m3 ) 态荷载大小而变 一j_：=二二一一一 抗力系数 与地基水平反力系数定义类似 c 。2 詈 表征横向受力桩重要特性的参a ：；历丽 移 的特征 数，因次为长度的倒数，其倒数卢： 压力面 值 称为特征长度，是对桩的变位和z = ，扼面 内力起主要影响的土层深度r ：j 厄呵 1 5 本文选题意义和研究内容 群桩基础研究意义 尽管桩基技术从材料、型式、施工工艺、检测技术到设计计算理 论与方法都在不断发展，但对于桩基础如何利用桩间土的承载能力， 如何考虑和保证桩土共同承担荷载，如何分析其共同作用，在认识上 尚未达成致，需要作进一步的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l l 页 从前述的文献资料可以看出，目前对于群桩基础的分析计算大多 采用的是简易理论法和经验公式法。虽然他们具有简便易用的优点， 但这些公式都带有区域性和片面性，计算参数也不够完善，对于复杂 地质条件、超大规模群桩不一定适用。因此也有必要对李子沟这样复 杂地质条件下的群桩基础进行研究。 李子沟特大桥群桩基础由1 6 5 0 根直径为1 5 m 的基桩构成，桩 氏最长为4 0 m 。地处岩体受多期构造影响及风化作用、节理发育，且 场区内沟心两侧多沿层丽开挖小煤窑，呈散点、鸡窝状分布，使现场 地质条件更加复杂。因此展开复杂地质条件卜超大规模群桩工作性能 的研究，探索群桩工作的基本规律，进一步深化了对群桩性状的本质 认识，可以促进群桩基础的应用研究。同时，本文提出的一些观点， 也必将对今后的群桩基础研究工作提供参考和借鉴。 、，研究内容 本文在上述的选题背景和已有研究的基础上，通过试验研究和分 析，进行了以下一些工作： ( 1 ) 综述桩基础的发展及国内外研究进展，介绍了桩基础 的计算 理论和研究方法。 ( 2 ) 进行了群桩基桩的现场试验研究。分析了桩的荷载传递规律， 并讨论了基桩承载力的特性及其影响因素。 ( 3 ) 进行了群桩的模型试验研究，对群桩的工作性状、承载力特 性、桩土共同工作性能、荷载传递特性、群桩效应等进行了一定的分 折和探讨，将试验结果与已有的研究成果进行了比较分析。 ( 4 ) 对群桩的竖向承载工作性状进行了三维有限元数值模拟。 ( 5 ) 根据试验及数值计算的结果对今后应继续深入研究的问题， 提出，建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 ，一一一。 第2 章现场基桩静载试验 由于单桩的现场静载试验比较能直观可靠地反映桩基的设计参数 和桩的承载力，所以至今在国内外仍被广泛应用，而且任何替代方法都 还没有成熟到可以不用它作为对比标准的程度。 2 1 工程地质概况 工程概况 内昆铁路线是为了缓解西南地区成昆线和贵昆线的运输压力，加快 西部地区铁路干线的建设，提高西部铁路运营能力，以适应西部大开发 战略的实施而兴建的。李子沟特大桥是内昆铁路全线建设中的重点、难 点和控制工程之一。 该桥全长1 0 3 1 8 6 m ，桥跨布置为：7 3 2 m 预应力混凝土梁+ ( 7 2 + 3 l2 8 + 7 2 ) m 的预应力混凝土连续刚构组合体系+ 8 3 2 m 预应力混凝二l 梁，组合体系主墩为钢筋混凝土横向圆弧端形空心墩，墩身最高为1 0 7 m 。 m 于场区内地质条件极为复杂，岩土体承载能力较 氐，因此组合体系采 用超大摩擦群桩基础，桩数为l6 j o ，桩长为2 0 m 4 0 m 不等，最大承 台尺寸达1 8 1 m 3 7 6 m 5 m 。 地质概况 该桥横跨李子沟背斜大峡谷，属构造侵蚀中低山峡谷地貌，海拔标 高2 0 5 4 m 2 1 8 0 m ，自然坡度3 5 。6 0 。，具有高原季风气候特点。场 内地层特性自上而下大致分布如下： 砂粘土：褐黄、灰黄色，硬塑状，局部软塑状。属于i i 级普通土， 基本承载力1 8 0k p a 。 块石土：褐灰、褐黄色，中密状，潮湿。石质成分多为灰岩、泥灰 岩，属于i i i 级硬土，基本承载力3 0 0k p a 。 碎石土：褐黄、深灰色，中密状，潮湿，碎石约为5 0 。石质成分 以灰岩为主，属于i i 级普通土，基本承载力2 5 0k p a 。 断层角砾：灰褐夹褐黄色，多呈碎石角砾状。中等密实，石质多为 页岩，属于i i 级普通土，基本承载力2 5 0k p a 。 页岩：灰褐、深灰色，薄层状，质软，易风化，节理发育，岩石破 碎，风化严重者呈土状，风化轻微者，属于j v 级软岩。 灰岩：深灰色，中厚层状，石质致密坚硬，节理发育，岩心多呈短 柱状，溶蚀现象严重，属于v 次坚石。 泥灰岩：深灰色，薄至中厚状，多以夹层出现，易风化，节理发育。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 遇水易崩解软化，属于l v 级软岩。 炭质页岩：灰黑色、黑色，薄层状，易风化，节理发育。岩石破碎， 风化严重者呈碎状或土状，遇水极易软化，风化轻微者，属于i v 级软岩。 t h1 二岩体受多期构造影响及风化作用，节理发育、且杂乱，除张性 1 ，理外，多数为扭性节理，节理面也微张，使相互问失去紧密的联结且 岩体风化严重带达l5 m ，使边坡稳定出现不利因素。场区内沟心两侧多 沿层面开挖小煤窑，呈散点、鸡窝状分布，使现场地质条件更加复杂， 凶此设计单位采用了摩擦群桩基础，并依据施工的具体情况，适时调整 桩型及成孔方式。 2 2 竖向静载试验 2 2 1 试验目的与方法 尽管对于单桩的研究相对而言比较成熟，但是桩基技术的发展历来 是实践在先、理论计算在后的；而且该桥技术复杂程度高、地质条件复 杂、基础规模大，其荷载分布规律、荷载传递机理乃至破坏模式等祚j 复 杂地质条件的性状是否与一般分析的单桩一致；其群桩基桩的承载能力 是否能够达到设计水平的要求，关系到群桩基础能否提供足够的承载 力，是全桥的关键，因而需要进行群桩基础基桩的现场试验。以检测群 桩基桩的承载能力和桩身质量是否满足设计要求，这样既可以为检验设 计的正确性提供参考，为复杂地质条件下桩基础工程设计积累经验和数 据，又可以对超大规模群桩尤其是群桩基桩承载力性状作进一步的研 究。 群桩基桩现场竖向静载试验的目的 口分析基桩内力沿桩身的分布规律； 口分析试验场地处地质条件下基桩摩阻力沿桩身的分布规律； 口分析群桩基桩的破坏模式和传荷机理： 口探讨群桩基桩的竖向承载力，为复杂地质条件下群桩基桩的承载 性状、工作机理和设计计算方法等的进一步研究积累经验和数据。 现场静载试验的方法 按铁路桥涵施工规范( t b j 2 0 3 9 6 ) 执行，采用桥墩地基竖向抗 压的实际工作条件的试验方法即慢速维持荷载法。 2 2 2 试验方案 试验桩位置选择 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 桩身截面为直径1 5 m 的圆形截面，桩身混凝土标号为c 2 0 。试桩位于跨 中附近，1 0 号承台墩身最高1 0 7 m ，桩长4 0 m ，桩数5 0 ，位于洪积层上； 1 1 号承台桩长3 7 m ，桩数5 0 ，12 号承台桩长2 8 m ，桩数1 6 ，1 1 号承台 与1 2 号承台间原始自然山坡坡度4 5 。，相对高差8 0 m ，并有高7 0 余米的人 工边坡。因此选择了1 0 号承台2 7 # 桩，1 1 号承台2 6 # 桩和1 2 号承台6 # 桩。 加载及反力系统 试桩加载梁为组合式钢箱梁，采用两片主梁并排的形式。本次试验 由3 个5 0 0 0 k n 的千斤顶采用多通管与油泵相连，以确保千斤顶同步工 作，千斤顶的加载反力根据现场实际条件由4 根工程桩作锚桩提供，同 时对锚桩上拔量进行监测，以确保测试数据的可靠和安全。最大加载量 为1 2 8 2 4 7 0 k n ，分13 级逐级旌加每级卸载量为加载量的2 倍。 量测系统 试桩中对称埋设钢筋计，沿2 7 # 、2 6 # 桩长设置1 0 个截面，沿6 # 桩 长设置8 个截面。钢筋计应力采用7 v 1 3 数据采集仪采集。桩身位移用 s p - 8 a 电测数显位移计量测，用两个百分表监控反力梁的挠度。位移计 和百分表以磁性表座固定在基准梁上。 图2 1 现场试验加载及量测布置图 2 2 3 试验资料分析 桩身轴力分析 由实测截面处的钢筋计应力可以求出桩身各截面间的相互作用力 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l j 页 n j ： ，= a 。盯。+ e a ( 2 1 ) g 式中 o - 。一第，个截面处钢筋计的应力： a 。一第，个截面承压主筋的截面积： 。一承压主筋抗压弹性模量： e 。一桩身混凝土弹性模量； a 。一桩身混凝土净截面积： 根据试桩桩身各截面在不同荷载下的钢筋计读数，计算得到的三 试桩各截面在各级荷载下的轴向力数值见表2 一l 表2 2 ，其沿深度的 分布形式如图2 - 2 图2 - 3 ( 由于10 号承台和l1 号承台备项参数基本 一致，故省略部分图表) 。 表2 一l1 0 号承台2 7 # 桩竖向荷载作用下轴力分布表( k n ) 试桩在竖向荷载作用下，桩身发生轴向弹性压缩。同时由于桩与 其侧面土紧密接触，桩相对于土产生向下的位移，产生土对桩向e 的 庄侧摩阻力。竖向荷载沿桩身向下传递过程中，必须不断克服这种摩 阻力，于是桩身截面轴力就随着深度逐渐减小，这与理论分析基本一 致。三根试验桩轴力分布均具有一定的规律性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 表2 11 2 号承台6 # 桩竖向荷载作用下轴力分布表( k n ) ( k 、) 0524 68 51 013 51 6 5 9 8 658 6 0 6 8 44 7 33 2 71 8 68 9 1 5 0 1 9 7 30i5 5 3 i2 8 41 0 l37 8 26 2 33 8 9 】2 3 5 0 2 9 5 9 52 4 9 8 2 0 9 017 3 81 4 3 012 2 l7 1 0 2 5 3 1 3 2 3 9 4 613 4 3 2 3 0 0 32 5 3 021 6 71 8 2 6i2 9 8 5 0 63 0 8 4 9 3 2 64 6 2 0 4 13 73 5 7 63 1 9 52 5 8 51 9 4 8 8 6 95 7 2 5 9 1 9 1 5 5 9 94 8 4 04 1 8 03 7 4 03 l2 42 3 8 71 0 7 86 8 2 6 9 0 56 6 7 5 45 8 5 25 0 6 04 5 5 4 3 8 2 8 2 9 7 0 i3 5 38 8 0 7 8 9 2 17 7 5 56 7 1 05 8 0 8 5 2 8 04 4 443 4 8 9l6 0 610 5 6 8 8 7 8 68 2 4 0 7 】2 06 1 8 05 6 4 04 7 6 03 8 0 01 7 6 011 8 0 9 8 6 5 6 9 4 0 08 0 0 06 9 4 06 3 8 05 3 6 04 3 6 02 0 0 013 2 0 10 8 5 5 71 0 4 0 08 9 6 07 7 8 07 1 8 06 0 6 05 0 0 0 2 2 8 015 2 0 l 18 3 8 21 17 6 09 9 2 08 6 0 08 0 0 06 7 2 05 6 0 0 2 5 2 016 8 0 12 8 2 4 7 i2 8 0 010 9 2 09 4 6 08 8 4 07 4 2 06 2 4 02 7 6 018 4 6 轱力0轱内(kn) 妻一一 图221 0 号承台2 7 = 桩轴力分布图 图23 12 承台6 = 抗轴力分布图 从图2 2 、图2 - 3 可以看出，轴力沿桩身向下逐步衰减，呈非线形 分布，桩身轴力上部大于下部。并且随着桩长的增加，轴力沿桩身向下 衰减加快，桩身上部轴力与下部轴力之比增大；轴力随着荷载的增加而 增加，且其增加的幅度与荷载增加的幅度的比例基本上是相同的。说明 桩身各截面均处于线弹性范围内工作，此时其承载力有较高的强度储 各。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 从图中比较可以看出，桩身轴力大部分集中在o 2 5 m 范围内，即 荷载显著影响范围约在15 d ( d 为桩径) 以内，即对应侧阻有一个有效 发挥长度的问题。而且由于1 0 号承台位霞处的地质条件较l2 号承台位 置的地质条件好，2 7 # 桩轴力衰减较6 # 桩快。 桩身侧阻分析 由上述求得的桩身截面内力即可求得桩周各段土层的摩擦阻力f ： f = n ，一n ，+ 1 ( 2 2 ) 由土层的摩擦阻力进一步可求出该段桩周土层单位面积的平均侧 阻f ： p ，：= 。 2 - 3 ) 式中：( ，一桩身周长； h 桩身分段计算长度。 计算得到的试验桩桩身截面在各级荷载作用下的桩侧摩阻力数值 见表2 3 表2 - 4 ，其沿深度的分布如图2 4 图2 - 5 。 表231 0 号承台2 7 # 桩竖向荷载作用下侧阻分布表( k n m 二) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 深度( m ) 荷载“忑i 了了可i f 赢 9 8 655 3 ，7 】2 4 9 12 2 3 9 15 4 911 9 7】3 7 34 4 81 0 6 197 3017 8 3 43 8 0 82 8 7 62 4 5 2 13 5 0 3 ：j 1 2 1 6 1 ：5 16 2 9 5 951 9 5 9 75 7 7 53 7 3 63 2 6 9177 47 2 3 2 2 7 7 2 8 5 6 3 9 4 6 12 l8 3 06 0 7 25 0 2 l 3 8 5 32 8 9 6 7 4 7 3 4 8 0 41q0 4 9 3 2 6 13 2 7 4 6 8 3 75 9 5 5 4 0 4 45 l8 09 0 1 66 5 4 52 1 0 2 5 9 191l3 5 9 21 0 74 07 0 0 64 6 7 05 23 11 0 4 3 27 9 4 02 8 0 2 6 9 0 566 4 3 71 2 7 7 08 4075 37 16 1 6 512 1 4 49 8 0 83 3 47 7 8 9 215 8 2 1l4 7 9 09 5 7 55 60 57 0 9 91 3 5 1 7l l42 33 8 9 2 8 8 7 862 7 1 1715 8 j o9 97 85 7 3 27 47 3l3 5 8 81 2 3 7 54 l0 4 9 8 6 5 619 7 7 11 9 8 2 01 125 35 9 4 48 6 6 214 1 5 41 4 3 1 64 8 12 0 8 5 5 71 9 35 02 0 38 0 1 2 5 2 76 3 6 99 51 2l5 0 0 41 6 5 0 05 3 7 8 1 1 8 ：j 823 32 02 6 04 014 0 136 3 6 91 0 8 7 0 1 5 8 5 31 8 6 8 45 9 4 4 l2 8 2 4 71 0 4 82 6 6 1 0 1 5 4 9 96 5 8 112 05 9 1 6 7 0 22 1 1 1 06 4 6 8 图2 410 号承台2 7 ；桩侧阻分布图 图2 5 12 承台6 # 桩侧阻分布图 由图表中可以看出，桩身侧阻至上而下逐步发挥。在荷载作用下， 桩身上部首先发生弹性压缩，产生土对桩向上的侧摩阻力。随着荷载沿 桩身向下传递，侧阻也向下逐步发挥。桩身侧阻上部较下部大，对于图 2 5 中桩身4 m 1o m 一段，侧阻偏小的情况，通过分析我们认为与这一 段人工边坡中的过湿软粘土有关，由于其承载力较低，含水量大导致粘 结力有所降低所致。从表2 - 3 、表2 4 可以看出，桩身侧阻的最大值约 为2 5 0k n m 2 ，发生在上部桩顶附近。图2 4 中2 7 # 桩由于表层土受到 较大的扰动，降低了洪积层土质的摩擦阻尼作用，导致了侧阻的降低。 从图中可以看出，侧阻发挥显著作用的范围也在2 5 m 以内，约为 西南交通大学硕士研究生学位论文