（岩土工程专业论文）哑铃桩承载特性试验与分析研究.pdf

摘要 哑铃桩技术是一种全新的地基处理手段，该技术借鉴了成熟的注浆技术，在 桩端形成了扩大头，从而将桩端集中荷载分步到土层中，改变了桩端土层的受力 状态，达到了大幅度增加承载力、减小沉降的目的。该技术在地基加固效果、施 工工期、工程造价和环保等方面和传统地基处理方法相比具有较大的优越性，因 此在地基处理方面具有广阔的应用前景。 本文将该项新技术的模型试验研究和有限元研究相结合，分别从实践和理论 方面分析了哑铃摭的承载特性，揭示了哑铃桩的萄载沉降曲线变化规律，为哑铃 桩的进一步研究提供了线索，为哑铃桩的设计和施工提供了指导和建议， 作为一种新型的桩基技术，必须通过一系列试验和数值模拟手段来验证它的 实用价值，本文在阐述哑铃桩的概念和注浆桩承载特性的基础上，通过室内模型 和有限元数值计算对哑铃桩的作用机理、承载特性作了深入的分析研究，主要做 了以下几方面的工作： ( 1 ) 分绍了注浆桩的加固枫理、成桩特点、承载力的影响因素，在此基础上， 探讨了哑铃桩的技术要点。 ( 2 ) 利用室内模型试验装置对哑铃桩进行试验研究。主要对四种工况进行室 内试验，分析了其蕊载沉降关系，并对哑铃桩的端阻变化进行观测，以确定桩端 扩大头对哑铃桩承载力的影响。 ( 3 ) 应用a n s y s 软件，建立了哑铃桩单桩有限元计算模型，将模拟结果和试 验结果进行对比分搴斤，并分誊斤了各种参数对哑铃桩承载特性的影响。 ( 4 ) 在前人工作的基础上，提出了哑铃桩承载力计算的解析解。 关键词：哑铃桩承载特性模型试验有限元解析解 a b s t r a e t t h ed u m b b e l lp i l ei san e wf o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tt e c h n o l o g y , i td r a wl e s s o n s f r o mm a t u r et e c h n o l o g yo fg r o u t i n g ，e x t e n s i o nd e p a r t m e n ti sm a d ei nt h et e l o so f p i l e ，u s et h i sw a y , t h ef o r c ei nt h et e l o so fp i l ei sd i s t r i b u t e di nt h es o i l w h i c hc h a n g e s t h es t r a i ns t a t eo ft h es o i l ，t h er e s u l ti st h ei m p r o m e n t e db e a r i n gc a p a c i t ya n dl e s s s u b s i d e 。t h et e c h n o l o g y t h ed u m b b e l lp i l eh a sg r e a t e rs u p e r i o r i t yo v e rt r a d i t i o n a l m e t h o do ff o u n d a t i o ni m p r o v e m e n ti nt h ee f f e c to fi m p r o v e m e n t ，c o n s t r u c t i o nt i m e l i m i t ，c o s to fe n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ne t c 。t h e r e f o r ei th a sag r e a t p r o s p e c to fa p p l i c a t i o n t h et h e s i st i e sm o d e le x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n a l y s et h eb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ed u m b b e l lf r o mp r a c t i c ea n dt h e o r y , r e v e a l st h er e l e v a n c eo ff o r c e a n ds u b s i d eo ft h e d u m b b e l l ，w h i c hm a yp r o v i d ev a l u a b l es u p p o r t s f o rf u t u r e e x p e r i e n c e s ，a l s oi tm a yp r o v i d eg u i d ea n ds u g g e s t i o nf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a san e wp i l et e c h n o l o g y , at r a i no fe x p e r i m e n ta n dn o n l i n e a rf e ms h o u l db e m a d et ov e r i f yt h ep r a g m a t i cv a l u eo ft h ed u m b b e l lp i l e ，o nt h eb a s eo ft h ec o n c e p t i o n o ft h ed u m b b e l la n dt h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co fg r o u t i n gp i l e ，t h r o u g hi n t e r i o rm o d e l e x p e r i m e n ta n df e m ，at h o u g hs t u d ya b o u tt h eb e a r i n gc a p a c i t y o ft h ed u m b b e l lp i l ei s m a d e 。t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ar e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i s m ，c h a r a c t e r i s t i c ，b e a r i n gc a p a c i t yo ft h eg r o u t i n g p i l e ，o nt h i sb a s e ，e x p o u n d st h ec o n c e p ta n dc o n s t r u c t i o no ft h ed u m b b e l lp i l e 。 2 an e we q u i p m e n ti sd e v e l o p e d ，w i t ht h i sk i n do fd e v e p m e n t ，t h et e s to fs i n g l e p i l eh a sb e e nd e s i g n e d ，t h em a i nw o r ki st om a k ei n t e r i o re x p e r i m e n to ff o u r s t a t e s ，a n l y s i st h er e l a t i o no fl o a da n ds u b i d e 。a l s ot h er e s i s t a n c eo ft h et e l o so ft h e d u m b b e l lp i l ei so b s e r v e d ，w h i c he s t i m a t et h ee f f e c to ft h ee x t e n s i o nd e p a r t m e n t 3 t h r o u g ht h es o f t w a r e ，t h em o d e lo ft h ed u m b b e l lp i l ei sm a d e ，t h e nc o m p a r et h e r e s u l t so f e x p e r i t m e n ta n da n s y s ，a n da l s oa n l y s i st h ee f f e c to f v a r i o u sp a r a m e t e r s 。 4 b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s w o r k ，aa n a l y s i ss o l u t i o ni sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：t h ed u m b b e l l p i l e ；b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c ； m o d e le x p e r i m e n t ；f e m ；t h ea n a l y s i ss o l u t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导魉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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年3 月岁e 1 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂恚社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：”0 。 哒乙憾 乡7 年乡月夕。日 第一章绪论 第一节引言 1 1 1 桩基的发展历程 桩是深入土层的柱形构件，其作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层或水 传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层“1 。 桩基础作为一种支承上部荷载的工具已有七千多年的历史了，最早使用的是 木桩，早在新石器时代，人类就开始在湖泊和沼泽地里载木桩搭台作为水上住所。 1 9 7 3 年考古学家在浙江钱塘江南岸7 0 0 0 多年前的河姆渡文化遗址发现了较多的 木桩和木构建筑遗迹，其形式有圆木桩、方木桩和板桩，这是我过最早的桩基工 程嘲。从古到今，桩基从简单到复杂，从单一型到多功能型，从固定截面到变截 面型等不断地发展埘。随着城市高层建筑的兴建，沿海港口设施、桥梁建设的迅 速发展，桩基础已经成为在不良土质地区修建建筑物所广泛采用的基础形式，即 使土质良好，桩基也被普遍使用，桩基础作为一种工程造价省、地质条件适应性 强以及控制沉降性能好的深基础也在不断地发展，特别是八十年代以来，由于机 械设备、施工技术的不断改进与发展，产生了各种新桩型与施工方法，使桩基不 断适应于地质和施工条件的变化。据不完全统计，在各类土木工程结构中，采用 桩基础的已占7 0 以上，且桩基工程的费用往往占工程项目建设总造价的1 4 1 3 嘲。 在市场经济体制下，工程质量高、进度快、造价低的苛刻要求，迫使桩基技 术人员向更高的桩基技术迈进，先后设计出各种异形桩，如结节桩、扩底桩、多 级扩径桩或变截面桩等，以此来提高桩的承载力和满足各种工程建设的需要，与 此同时，桩基的设计方法、设计理论等都在不断地发展。 1 i 2 桩基的分类 桩有多种不同的分类方法，按材质分有木桩、钢桩、钢筋混凝土桩或组合桩 等，按设置方式有打入桩、钻孔桩、挖孔桩等，按对场地效果进行划分有高排土 桩、低排土桩、非排土桩等”1 ，按桩的受力条件可将桩分为端承桩和摩擦桩。 1 端承桩 全部荷载都可认为由桩端承担的桩称为端承桩。这类桩的桩侧仍存在摩阻 力，但可忽略不计，在设计时只考虑端阻的作用。在工程实践中，可以看做端承 桩的情形有： ( 1 ) 桩底扩大时； ( 2 ) 置于坚实土层或岩层中，且桩的长径比不太大时。 2 摩擦桩 摩擦桩通过桩侧面将部分或全部荷载传递到桩周土层，计算时既要考虑桩侧 与体的摩擦力，也考虑桩端下土的支承作用。全部荷载都由桩侧摩阻力承担的 桩，称为纯摩擦桩，桩侧和桩端都为软弱土层的情况就是纯摩擦桩的一种情形。 在工程实践中，可以看做摩擦桩的情形有： ( 1 ) 坚实持力层且不扩底时； ( 2 ) 当桩的长径比很大，即使桩置于坚实土层上，由于桩身压缩量过大，传递 到桩端的荷载较小时； ( 3 ) 当灌注桩桩底残留较厚的虚土，沉渣形成一高压缩性的褥垫，致使坚实持 力层无法发挥其承载力性能时； ( 4 ) 当预制桩沉桩过程中桩距小，桩数多，沉桩速度快，使已沉入桩上涌，桩 端阻力明显降低时。 巧舷形形彰形黝矽搿彰矿形识 软弱土层 最差摩撵挂 图1 1 端承桩和摩擦桩 i i 3 桩基础的受力特性和应用范围 桩主要承受轴向压力，但也有很多桩用做锚固桩( 如在码头、飞机库上) ， 或承受很大的侧向荷载( 如海岸构筑物) 的例子0 1 。 桩基主要通过以下几种形式来承受建筑物的荷载“。8 1 ： ( 1 ) 桩基通过作用于桩端的土层阻力和桩侧摩阻力来支承轴向荷载，依靠桩 侧土层的阻力来支承水平荷载。由于桩支承于坚硬的如基岩、密实的卵砾石层或 较硬性的土、中密砂等持力层，因此具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力。 ( 2 ) 桩基具有很大的竖向单桩剐度( 端承桩) 或群桩刚度( 摩擦桩) ，能够抵御 自重和相邻荷载的影响而不产生大的不均匀沉降，从而将建筑物的倾斜值控制在 容许范围之内。 ( 3 ) 凭借较大的单桩侧向刚度和群桩基础的侧向刚度及其整体抗倾覆能力， 抵御风和地震对构筑物形成的较大水平荷载，保证建筑物的抗倾覆稳定性。 2 ( 4 ) 有些工程中，桩身穿过液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩 上，在地震造成浅部土层液化与震陷的情况下，桩基凭靠深部稳固土层的地基基 础，仍具有足够的抗压和抗拔承载力，从而确保建筑物的抗震安全。 因此，可以考虑使用桩基础的情形大致有： ( 1 ) 地基的上部土层压缩性高，而较深处存在硬土层，为了满足上部结构对 承载力和变形的要求，采用桩基础将荷载传递到硬土层。 ( 2 ) 地基土在一定深度范围内，没有较为理想的坚硬土层，而只有相对表层 来说较为坚硬的土层，这种情况下可以考虑采用桩基础将上部荷载传递到桩周土 和桩端土。 ( 3 ) 烟囱、电视塔等高耸建筑物的基础要承受倾斜力和上拨力，采用桩基础 较为合适。 ( 4 ) 高桩码头、船柱等要承受较大的水平荷载，可以用桩基础。 ( 5 ) 地表以下存在较厚的膨胀土或湿陷性土的地区，需要用桩基础将荷载( 包 括膨胀土产生的上拨力和湿陷性土产生的下拉力) 传递至不受季节性湿度变化影 响的稳定土层上。 ( 6 ) 建筑物基础范围内有液化土层并且用其他方法无法处理时，可用桩基础 将荷载传递到可液化土层以下的土层。 ( 7 ) 有特殊使用要求的建筑物，如动力设备、精密设备的基础，可采用桩基 础。 、 ( 8 ) 除承受较大垂直荷载外。尚有较大偏心荷载、水平荷载、动力或周期性 荷载作用的建筑物。 ( 9 ) 上部结构对荷载的不均匀沉降相当敏感，或建筑物受到大面积地面超载 的影响。 ( 1 0 ) 地下水位很高，采用其他基础形式旌工困难，或位于水中的建筑物基础， 如桥梁、码头、钻采平台等。 下列条件一般不宜采用桩基： ( 1 ) 在上层为硬塑的粘性土，而其下为软弱粘土的地基中，采用桩基会增大 软粘土下卧沉降和破坏坚实粘土层的结构，并降低其承载力。 ( 2 ) 不宜在密实的砂土中打桩，因为成桩时回扰动砂土，使地基土原有的地 基承载力降低，并增加建筑物的沉降量。 ( 3 ) 当地基土中有承压水存在时，打桩可能会使地下水冲出，从而产生强大 的渗流，冲松地基土，使地基土的承载力降低。 1 1 4 桩基承载力的理论研究 ( 1 ) 剪切位移法。c o o k e 在1 9 7 4 年首先提出了剪切位移法，他通过试验研 究认为摩擦桩的桩端力很小，桩端以下土的变形也很小，由此认为桩端沉降也很 小，可忽略不计，并假设桩侧土的沉降只与桩侧土的剪切变形有关，在工作荷载 下，桩体本身的压缩性很小可忽略不计，桩土之间保持位移协调，从而推导出桩 的荷载沉降方程，但剪切位移法仅适用于摩擦桩。随后r a n d o l p h 从理论上对剪 切位移法作了进一步修正阱，他考虑了桩端应力和桩体本身压缩引起的桩顶沉 降，这种方法是建立在桩的横截面是轴对称基础上的且桩土相互作用模型为线性 的。近年来，该方法得到了进一步发展，如g u o 推导出了桩周土体弹模沿深度为 幂函数变化下的荷载沉降解析解“小，还考虑了有限压缩层深度的影响。x i a o 和l e e 推导出了考虑桩周土体非线性情况下桩一土滑移的单桩荷载沉降解析解 “州“，并将该方法延伸到成层土中。 ( 2 ) 荷载传递法。s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 5 ) 首先提出了计算单桩的荷载传递法 “”，该方法通过假定桩是由一系列的弹性单元体组成且桩身横截面沿深度方向保 持不变，每一单元体与土体之间的侧摩阻力可用一非线性( 或线性) 弹簧代替， 桩端与桩端土也可用一非线性( 或线性) 弹簧代替，从而推导出了桩的荷载沉降 曲线的求解方法，荷载传递法与剪切位移法的区别在于剪切位移法一般只能考虑 桩土模型为线性的，荷载传递法不仅可以考虑线性桩土作用模型，也可以考虑非 线性的，但剪切位移法中的参数可通过理论方法得到。 ( 3 ) 弹性理论法( 积分方程法) 。该方法是由p o u l o s 等人提出o ”1 ，以弹 性理论中的m i n d l i n 位移解“7 1 为基础，将桩体划分成若干均匀受荷的单元，通过 桩土位移协调条件和桩体各单元的静力平衡方程联立求得各单元的受荷大小，该 方法能够较好地模拟桩的承载机理。 ( 4 ) 有限单元法。随着计算机的发展，有限单元法也开始被用来分析桩基的 荷载沉降特性，即通过将桩体和桩周土分别离散成若干单元，并在桩土接触面间 设置接触单元，利用虚功原理建立各单元的静力平衡方程，从而形成整体单元的 静力平衡方程，进而解出桩体及桩周土各单元的应力及位移。d e s a i 曾用有限元 对砂中的桩基进行了分析“，并取得了较好的结果，但其计算过程量较大，尤其 在三维的情况下，计算量更大。 ( 5 ) 变分法。随着力学的发展，越来越多的新方法被运用到分析桩基的承载 特性中去，变分法就是一种，r a j a p a k s e 较早的提出了用变分法求解单桩的荷 载沉降曲线3 ，随后，x i a o n 2 1 、l e e 和x i a o 和s h e ne ta l 捌等人对此作了进 一步研究。 第二节哑铃桩技术简介及工艺流程 1 2 1 哑铃桩技术简介 哑铃桩即为帽状形小直径钢筋混凝土扩大头桩嘲，是由河海大学岩土工程 4 研究所刘汉龙教授等研制开发的，作为一种新的地基加固技术( 专利号； 2 0 0 4 2 0 0 5 4 3 9 6 x ) ，该桩型该桩型充分利用预制桩体的高强度特征，通过桩顶盖 板承接上部路堤荷载，利用预制桩体内预留的注浆孔，通过高压注浆在桩端形成 扩大头，从而形成状如哑铃型的新桩型。 如图1 2 所示，小直径钢筋混凝土预制桩内部桩芯处预设注浆管，灌浆装 置与注浆管连通，预制桩顶部则通过倾斜护套与钢筋混凝土盖帽板相连。 在开始实施过程中，通过常规的打桩设备将小直径钢筋混凝土预制桩打入 到地基的预定深度，利用灌浆装置通过预制桩桩芯处预埋的注浆管向预制桩的底 部桩头压浆，在地基中形成桩端扩大头，然后将带倾斜护套的钢筋混凝土帽板与 小直径钢筋混凝土预制桩1 相连，便形成了小直径帽型刚性扩大头桩。 4 6 卜小直径钢箭混凝土预制桩2 一注浆管3 一倾斜护套 4 - 制厮耀凝土帽敬5 地基6 - m 泵爰i 图1 2 哑铃桩构造示意图 根据专利文件，该桩型的主要特征有： ( 1 ) 钢筋混凝土预制桩是小直径，其顶端连接帽状型钢筋混凝土盖板，在预 制桩桩芯预设注浆管。 ( 2 ) 小直径钢筋混凝土预制桩通过倾斜护套与钢筋混凝土盖板连接。 ( 3 ) 倾斜护套与钢筋混凝土盖板整体预制浇筑。 ( 4 ) 预制桩直径在2 0 3 0 c m 之间为最佳。 ( 5 ) 预制桩截面可以是圆形的，也可以是方形的。 ( 6 ) 钢筋混凝土帽板直径最佳为l o o c m 。 ( 7 ) 钢筋混凝土帽板截面可以是圆形的或者是方形的。 目前，广泛应用的是以水泥土搅拌桩等柔性桩和灌注桩等刚性桩为代表的桩 基础作为地基加固的主要技术，这种技术可以大大缩短工期、适宜多种地质条件 且能显著减少地基沉降。水泥土搅拌桩( 包括浆喷桩和粉喷桩) 是利用特制的搅 拌机械将水泥浆液或粉体压入到土体中并进行搅拌，通过一系列物理化学反应形 成的一种桩基技术，其特点是造价低，但施工质量由于粉喷不均不易控制而且检 测很困难。灌注桩类桩体质量较好但造价较高，难以成为施工首选。作为目前高 速公路和市政工程大面积软基加固，亟需要既经济又能技术可靠的新的加固技 术。 哑铃桩技术的目的就在于克服上述缺陷，研究一种新的帽状型小直径钢筋混 凝土扩大头桩。 哑铃桩的技术方案为：一种帽状型小直径钢筋混凝土扩大头桩，灌浆装置连 接注浆管，其主要技术特征在于钢筋混凝土预制桩是小直径，其顶端连接帽状型 钢筋混凝土盖板，在预制桩桩芯预设注浆管。 哑铃桩专利的优点和效果在于这是一种承载力高、质量好的新型桩基础，其 钢筋混凝土预制桩质量易于控制；带倾斜护套的钢筋混凝土帽状型盖板可以将上 部大部分荷载均匀稳定地传送到刚性预制桩体上；利用预制桩桩芯预埋注浆管， 则无须在地基中打孔就可以方便地向预制桩端地基进行压力注浆，形成预制桩桩 端扩大头，可以显著提高桩基的承载力。本实用新型专利中的钢筋混凝土预制桩、 预制桩桩芯预设的注浆管、带倾斜护套的钢筋混凝土盖板可以集成为产品在工厂 或现场批量生产，携带方便、施工简单方便。 哑铃桩技术改变了传统的地基处理概念，不考虑如何增大桩身的支承面积来 提高桩的承载能力，而是通过注浆概念，利用预制桩桩芯预留注浆孔进行高压注 浆，这样被加固土层中桩端下形成扩大的桩头。桩身承受的集中荷载通过桩端扩 大头的扩散作用，消除桩端的应力集中，并逐层降低至天然土体能够承受的程度， 改善了土体的受力状态，从而大幅度的提高承载能力，减小桩基沉降，同时显著 降低桩基础的成本。 1 2 2 哑铃桩的施工流程 哑铃桩的施工流程可以表示为： 预制桩体。在工厂或现场预制小直径( 3 0 4 0 c m ) 钢筋混凝土，预制时在桩 中心加入内模，待成型后桩轴线部位形成一个注浆通道，浆液由此通道进入桩端， 这也是哑铃桩在预制环节上比较特别的地方。 压桩。当桩身混凝土的强度达到设计强度时才能进行压桩施工，采用沉桩 设备将带空心注浆孔的钢筋混凝土预制桩打入到地基预定深度。 浆液的制备。按设计水泥用量和水灰比进行水泥浆液的配置，水灰比一般 6 控制在0 5 o 6 ，水灰比可按现场情况先小后大分级控制。水泥标号必须符合 要求，待水泥浆液被充分搅拌后，加入一定量的外加剂，经搅拌均匀并符合要求 后，使用二卜2 0 目的铁滤网过滤。 注浆。采用注浆泵把水泥浆液注入桩端土层，注浆泵应选用具有足够注浆 压力的型号，浆液在桩端凝固后形成扩大头。 封闭注浆通道。桩端注浆结束后，要继续注浆，直至浆液封闭预留的注浆通 道为止。 设置桩帽。将带倾斜护套的钢筋混凝土帽板与钢筋混凝土预制桩桩顶相接， 便形成了形为哑铃桩的小直径帽型刚性扩大头桩。 第三节桩端压力注浆技术的发展现状 1 3 1 桩端压力注浆技术的发展 当今国内外土木建筑深基础工程中，桩基础是主要的手段和形式，近2 0 多年 来，随着土木建筑工程向大型化、群体化发展及城市改造向高层、超高层建筑发 展，各种类型灌注桩的使用也越来越多。但单一的灌注桩往往满足不了上述要求， 桩端压力注浆和桩侧压力注浆技术应运而生，近十年来这两项技术得到长足的发 展“”，桩端压力注浆当前主要应用于钻孔灌注桩。桩端压力注浆技术指通过埋 设在桩身的注浆管，将能够固化的浆液( 如纯水泥浆、水泥砂浆、掺加外加剂的 水泥浆、化学浆液等) 均匀地注入桩端地层。这些浆液经过渗透、填充、置换、 劈裂、压密及固结等物理或化学形式的单独或共同作用，改变了桩端及其附近土 体的物理力学性质“，研究表明，通过应用后压浆技术，单桩极限承载力提高最 高达2 2 5 倍。”，同时，降低了施工的难度和风险、缩短了工期，产生了显著的 经济和社会效益m ，。 在欧洲采用桩端压力注浆工艺提高单桩承载力的做法，已有三十多年的历 史。1 9 6 1 年在修建m a r a c a i b o 大桥桩基中首次应用。此后意、法、英、德、前 苏联等均有这方面内容的报导。 1 9 8 3 年北京建筑工程研究所等在国内首先研究开发出预留注浆空腔方式 的桩端压力注浆桩，该桩采用长螺旋钻干作业成孔方式，在桩底设置固定式隔离 钢板，采用钢管和p v c 管的组合管作为注浆管，应用于北京崇文门7 号楼1 4 层 住宅工程，以后在北京、沈阳、锦州地区得到推广应用。1 9 8 7 年北京市建筑工 程研究所开发出桩底设置活动式隔离钢板的预留注浆空腔方式的桩端压力注浆 桩，即放钢筋笼时活动底板竖立，钢筋笼入孔后活动底板置平，以确保桩端压力 注浆桩的实施效果嘲。进入2 0 世纪9 0 年代后，桩端压力注浆技术在国内蓬勃发 7 展，目前，桩端扩底高压注浆技术已日渐完善，具体表现”1 在： ( 1 ) 桩端压力注浆设置型式众多，国内已有多种桩端注浆装置； ( 2 ) 注浆工艺水平得到较大提高和完善，使桩端压力注浆桩的承载力增幅较 初期使用时大为提高； ( 3 ) 不少施工单位制定出适应于当地情况的桩端压力注浆工艺操作规程及 质量控制标准； ( 4 ) 有关桩端压力注浆桩的文章也大副增加，收集到的散落在有关杂志及会 议论文集中的文献已有6 0 余篇； ( 5 ) 桩端压力注浆已经成为土木建筑深基础中的一种重要桩型，初步分析国 内已有近2 0 0 多幢多层、高层和超高层建筑桩基工程采用此类桩型； ( 6 ) 在开展桩端压力注浆工艺同时，国内还开发桩侧注浆工艺，桩端桩侧联 合注浆获得更显著的技术经济效益。 1 3 2 桩端压力注浆技术的分类 桩端压力注浆桩按注浆工艺”1 可以分为： ( 1 ) 闭式注浆 闭式注浆工艺是将预制的弹性良好的腔体( 又称承压包、预承包、注浆胶囊 等) 或压力注浆室随钢筋笼放入孔底。成桩后，在压力作用下，把浆液注入腔体 内；随注浆压力和注浆量的增加，弹性腔体逐渐膨胀、扩张，在桩端土层中形成 浆泡，浆泡逐渐扩大、压密沉渣和桩端土体，并用浆体取代( 置换) 部分桩端土 层；在压密的同时，桩端土体及沉渣排出部分孔隙水，再进一步增加注浆压力和 注浆量，水泥浆土体扩大头逐渐形成，压密区范围也逐渐增大，直至达到设计要 求为止。 ( 2 ) 开式注浆 开式注浆工艺是把浆液通过注浆管( 单、双、或多根) ，经桩端预留注浆空 腔、或预留注浆通道、或预留的特殊注浆装置等，直接注入桩端土、岩体中，浆 液与桩端沉渣和周围土体呈混合状态，呈现出渗漏、填充、置换、劈裂等效应， 在桩端显示出复合地基的效果。 以上两种工艺对提高单桩承载力均有显著的效果，但闭式注浆的效果更好。 闭式注浆对粗粒土和细粒土效果均好，但对前者效果更好；开式注浆对粗粒土效 果明显，对细粒土的效果比粗粒土差，从施工的难易程度而言，开式注浆工艺简 单，闭式注浆工艺复杂。 1 3 3 桩端压力注浆桩施工 1 3 3 1 桩端压力注浆桩施工机具 注浆施工机具嘶1 可以分为地面注浆装置和地下注浆装置两大部分。地面注浆 装置由高压注浆泵、浆液拌和机、储浆桶、地面管路系统及观测仪表等组成；地 下注浆装置由竖向导浆管、注浆管及桩端压力注浆装置等组成。 对泵的要求是排量要小而压力要大要稳。泵的额定压力应大于要求的最大的 注浆压力的1 5 倍，通常选定的泵的额定压力应大于5 m p a 。 竖向导浆管是连接地面注浆管与桩端部分的过渡段，其材质可采用高强度柔 性p v c 管等。 桩端压力注浆装置是整个桩端压力注浆施工工艺的核心部件，至今国内外的 桩端压力注浆装置已达2 0 余种，各种装置的技术水平参差不齐，技术经济效果 相差较大。 1 3 3 2 桩端压力注浆桩施工特点 控制好注浆压力、注浆量及注浆速度是桩端压力注浆藏工优劣或成败的关键 【删 o ( 1 ) 对闭式注浆工艺需控制好注浆压力、注浆量及桩顶上抬量，其中注浆压 力为主要控制指标，注浆量及桩项上台量则为重要指标。 ( 2 ) 对开式注浆工艺需控制好注浆量、注浆压力及注浆速度。当桩端为松散 的卵、砾石层时，主要的控制指标是注浆量，注浆压力不宜大，仅做参考指标； 当桩端为密实、级配良好的卵、砾石层时，注浆压力应适当加大；当桩端为密实、 级配良好的砂土层以及粘性土层时，注浆压力为主要控制指标，注浆量为重要指 标；视桩端土层情况，可分别采取连续注浆、二次( 多次) 注浆及间隙性循环注浆， 以实现注浆工艺的优化。 ( 3 ) 为了提高注浆均匀度和有效性，注浆泵流量控制宜小不宜大，注浆速度 宜慢不宣快。 ( 4 ) 控制注浆压力啪1 注浆压力一般与桩长和地层岩土体性有关，注浆压力不 是一个固定的指标，但压力过大或过小均影响桩底注浆质量，注浆压力过大易产生 冒浆和跑浆；压力过小浆液在土体内不易实现劈裂、挤压和渗透。同时注浆压力 的调控应由小到大。一般以压水试验疏通注浆管时的压力为注浆的初压力，注浆 的终压力为初压力的2 3 倍。 第四节桩底压浆提高单桩承载力机理分析 本文中桩端后压浆工艺采用的是后注浆方式，即利用先行设置的注浆通道 9 将浆液引入桩端，浆液克服土粒之间的抗渗阻力、排挤出孔隙中的水分和空气， 经过充填、胶结作用，在桩端形成扩大头；在另一方面，浆液的不断填充将对桩 产生一个向上的反力，这相当于对桩施加了一个“预应力”。 桩底压力注浆的基本原理o o 可以归纳为物理和化学两大部分的作用，可以 按浆液在土体中的渗透方式和浆液土体的相互作用机理两种不同方式进行划分： 1 按浆液在土体中的渗透方式进行分类 ( 1 ) 渗透注浆。在渗透注浆过程中，浆液通过注浆压力的作用克服各种阻力 而渗入到土体的孔隙中，挤走孔隙中的自由水和空气。 可注指标o ”n 需满足： n ：竺立 1 0 1 5 d 1 5 式中，d 1 。为砂砾石由小到大的分布曲线中，小于粒径含量1 5 所对应的粒 径；d 8 ，为注浆材料中小于粒径含量8 5 所对应的粒径，普通水泥的最大粒径一 般为6 0 1 0 0 删，水泥标号越高，n ；越小，可注指标n 越大，可注性越好。对 于砂砾，d i 。 0 6 l m m ，满足n 1 0 1 5 的条件。粒度越不均匀，粒径越大， 可注性越好。 ( 2 ) 劈裂注浆。是指在注浆的压力作用下，浆液克服地层的初始应力，沿着 垂直于小主应力的平面发生劈裂o ”，同时浆液也在沿着地层中既有的空隙或者裂 缝向外伸展，最终形成条、脉、片状的浆液和土体的固结体，一般来说，劈裂注 浆所需的注浆压力高于渗透注浆所需的压力。 ( 3 ) 压密注浆。浆液和土体形成的固结体在地层中呈现的是类似于球状的分 布形状，在注浆压力的作用下，这种固结体对土体施加复杂的径向压力和切向压 力，使土体挤密，进而提高土体的力学性能，压密注浆适用于加固体较小的土体， 压密注浆多发生在浆液粘稠的条件下。 在压密注浆条件下，加固体的水泥含量较大，强度很高，加固体体积相对较 小，固结体和土体之间有比较明显的分界面，固结体周围一定范围内的土体的密 实度得到提高。 浆液是以多种方式作用于土体的，而不是单一的某种形式的作用，现场注 浆后的开挖也表明了这一点。因此，实际的注浆过程是一个多种渗透方式的综合 作用结果，而不是纯粹的渗透注浆、劈裂注浆或压密注浆，在实际的工程实践中， 浆液在土体中的流动往往同时以上述三种方式存在，而且，在一定条件下，三种 注浆方式之间还可以相互转化，对某一具体的注浆工程而言，三者之间存在一个 主导的注浆形式，而且存在一定的转化规律和过程嘲，一般认为满足下列条件之 1 0 一时，即发生压密注浆。 ( 1 ) 对于注浆对象为渗透性极小的粘性土，当注浆泵压力在4 2 m p a 6 9 m p a ，注浆速率大于6 0 l m i n ，粘稠坍落度小于2 5 m , ( 2 ) 在桩端注浆中，对于桩端持力层为粘土土质，而且留有弹性封闭注浆腔 的情况。 对于渗透系数k l o c m s 的土体，即使浆液粘稠，只发生渗透注浆：对于k 1 0 4 c m s 的土体，只发生劈裂注浆，渗透系数介于两者之间的土体，如果选择 合适的注浆方式，可以人为地控制注浆形式，在三种注浆方式之间转换。 2 按注浆过程中发生的物理化学变化进行分类m 1 物理变化。从开始注浆到注浆完毕这一过程也是一个力学状态不断变化的过 程，在注浆初期，浆液在桩端土体中的渗透，产生了混合、胶结、压密等作用， 随着注浆压力、浆液填充量的增加，桩端扩大头逐渐形成，压密区也逐渐增大， 桩底土的应力状态也发生了改变，尤其是浆液的胶结作用使得桩端土体形成一个 整体，待浆液凝固后，桩端土体的刚性增强、变形受到了约束。注浆过程后期， 如果桩端土层的渗透性较差，则注浆压力对注浆量的影响较小，注浆表现为劈裂 注浆的形式；如果桩端土层的渗透性较好，则随注浆压力的增加，浆液的扩散范 围还可进一步加大，注浆更多地表现为压密注浆的形式。 化学变化。浆液的主要成分为普通硅酸盐水泥，其主要化学成分为c a o 、s i 0 2 、 a l ：0 3 、f e 2 0 3 及s o ：等组成，这些氧化物可组成不同的水泥矿物有硅酸三钙、硅酸 二钙、铝酸三钙、铝酸二钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。这些矿物与水发生水解和 化学反应增加了土颗粒间的粘结力同时生成了具有较高强度的水稳性物质如氧 化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等。 如果桩端土层为砂砾层，则浆液进入砂砾层后，产生c a ( o h ) 。和c s h 等水化 物，溶液中的c a 2 + 与土颗粒产生阳离子交换作用，置换出i ( + 、n a + 等离子，形成水 泥与砂砾的团粒结构，填充了砂层中的空隙。而c a ( o h ) ：和c o ：的作用还能形成 c a c o ，使得砂层强度增加。 第五节影响桩端压力注浆桩竖向承载力的因素 影响桩端压力注浆桩承载力的因素“”较多，注浆工艺、桩端土种类及密实度、 桩径、桩长、注浆装置形式、注浆压力等都会影响注浆桩的承载力，具体有： ( 1 ) 桩端持力层性质。在粗粒土的桩端持力层中注浆时，浆液渗入率高，通 过渗透、部分挤密、填充及固结作用，大幅度提高持力层扰动面及持力层的强度 和变形模量，并形成水泥土扩大头，增大桩端土受力面积，故极限承载力增幅较 大，在卵、砾石中承载力增幅通常约在6 0 1 2 0 范围内”1 ，在中砂和粉砂土中效 果也较好，增幅通常可达3 0 以上m 1 。 ( 2 ) 浆液种类。实现渗入性注浆工艺的基本要求是浆液必须被渗入土体的孔 隙，即浆材颗粒尺寸应远小于孔隙尺寸，所使用的浆液必须是可注的。 ( 3 ) 桩端持力层密实度。桩端土层的密实度增加，其承载力也相应增加。 ( 4 ) 桩端压力注浆装置类型和注浆工艺。桩端压力注浆装置是整个压力注浆 施工工艺的核心部件，各种装置的技术水平参差不齐，技术经济的效果也有很大 的差别。 ( 5 ) 桩长。桩长的变化显著地影响水泥量对承载力的贡献率，对桩端压力注浆 桩而言，在其他条件相同的条件下，桩越短，桩端极限阻力所占极限承载力的份 额就越大，每千克注入水泥量所提供的单方极限承载力( q 。) 也就越大。 ( 6 ) 桩径。在实施桩端压力注浆工艺时，根据浆泡理论，在相同条件下浆液 加固范围相同，因而直径小的桩承载力增幅大，即q 。值就越大。 ( 7 ) 注浆量。在地层土质特性、桩端压力注浆装置形式、桩体尺寸、注浆工 艺及注浆压力等因素相同的条件下，注浆量大者承载力提高幅度大。 ( 8 ) 注浆压力。注浆压力( 指泵送终止压力) 对采用开式注浆工艺的桩端压力 注浆桩的极限承载力有一定的影响。 此外，压浆管的布置和压浆顺序渊也对桩端注浆桩的承载力有一定的影响。 第六节桩端后压浆的球( 柱) 形扩张理论 桩端后注浆的球形扩张理论和柱形扩张理论是目前用于解释在中砂以上地 基中进行渗透注浆的两个代表性理论，球形扩张理论3 的计算模式如下图所示。 图1 3 球形扩张理论示意图 其计算假定为： ( 1 ) 被注浆的砂土为均质的和各向同性的。 ( 2 ) 浆液为牛顿体，一般把符合牛顿内摩擦定律即切应力和剪切变形速度成 线形关系的流体称为牛顿流体。 ( 3 ) 浆液从注浆管底端注入地基土中。 ( 4 ) 浆液在地层中呈球形扩散。 利用上述假定可以求出浆液在桩端的扩散半径。 在注浆过程中，假定浆液渗透符合达西定律： q = l q i a t - - - 4 x l q i d t ( 1 ) 咖 1 2 一 d 代入( 1 ) 得： 为： q = 一4 去石 警 分离变量得：翌窭：d l l 4 勿缸，。 积分后，得： 黑昙州 (2)4砌， 、7 由r = l - o 时，h = h o r = - l - i 时，h = h 1 代入( 2 ) 式得： 拇鬈c 一砉， 。， 设浆液对孔隙的平均充满度为口，则 q = 昙刀研n( 4 ) j 将式( 4 ) 代入式( 3 ) 得： 一塑4 r d c tc 抻 ：型堕( 土一土)( 5 ) 3 k t 、r o “ 一一簪 舳 由于r l r o ，故 幽。业二土 3 k t r o 计算参数为： k 一砂土的渗透系数( c m s ) ，假定注浆过程中不变； q 一注浆量( c m 3 ) ； l 【g 一浆液在地层中的渗透系数( c m s ) ，k g = k p ； 口一浆液粘度对水的粘度比，假定注浆过程中不变； a 一渗透面积( c i i l 2 ) ； r l 一浆液扩散体的半径( 伽) ； h l 浆液扩散体边缘处的水压力水头，厘米水头； b o 一注浆管口处地下水头和注浆压力之和( c m ) ； r 0 一注浆管的半径； t 一注浆时间( s ) ； n 一砂土的孔隙率。 从上式可以看出，注浆体的尺寸随砂土的渗透系数、注浆口与扩散体边缘的 水头差增加而增加，随平均充满度口、浆液粘度口增大而减小。 第七节本文的研究方法及主要研究内容 1 7 1 本文的研究方法 桩基的研究方法主要有：1 、采用工程实例进行分析；2 、试验分析；3 、理 论分析；4 、数值分析等方法。 试验分析直观可信，可以直接反映出所研究问题的特性。本文采用试验分析 中的模型试验进行研究，试验分析是其他两种研究方法的基础。哑铃桩作为一种 新型桩基，其理论和实践都处在探索阶段，处于发展和完善的阶段。本文在介绍 哑铃桩成桩工艺、注浆桩发展现状极其理论的基础上，以模型试验为依据，对哑 铃桩的承载特性进行分析。 桩基础虽然已有上千年的历史，但对桩基理论的研究仅一百多年的历史。现 有较为成熟的研究方法有简化方法、解析法、经验方法等。比如以c o o k e t 0 1 ( 1 9 7 9 ) 提出的位移剪切法，p o u l o s “”方法为代表的弹性理论法，s e e d 和r e e s e “”提出的 1 4 荷载传递法等。桩基问题是非常复杂的，解析法只能做出定性的分析，简化方法 的主要过程是把三维问题简化到一维，再通过数学方法处理，比如荷载传递法、 分层积分法等。 岩土工程的数值分析用于桩基的承载特性分析从2 0 世纪8 0 年代开始得到极 大的发展，经历了从线性分析到非线性分析，从平面到三维的发展。还经历了从被 认为是纯粹的结果计算方法到作为一种试验手段( 数值试验) 的发展过程。李宁于 1 9 9 7 年明确提出“岩土工程数值仿真分析”的概念和思路，数值试验在数值计算 技术发展到一定程度时，可以较为准确地模拟桩基的真实承载特性，而且比物理 模型试验( 包括室内试验和现场试验) 费力少、时间短、花费少、可以大量进行， 从而更能得到符合实际的结论和指导工程实践，所以它是极有前途的试验方法 习 。 本文综合采用后三种分析方法分别对哑铃桩的承载特性进行分析研究，并对 结果进行横向比较，从模型试验、解析方法、数值分析三个方面全面分析哑铃桩 的承载特性。 1 7 2 本文研究的主要内容 哑铃桩作为一种新桩型，首先进行模型试验和有限元计算分析，本文选取最 能体现其承载特性荷载位移曲线来研究，对于哑铃桩，其端阻是研究的重点， 所以文中单独对端阻进行分析。最后进行解析解的推导。本文的主要工作如下： ( 1 ) 在对桩基基本概念、承载特性、应用范围进行全面理解的基础上，对哑 铃桩的概念、成桩工艺进行阐述。 ( 2 ) 哑铃桩作为注浆桩的一种类型，本文首先研究了注浆桩的加固机理、桩 端后注浆的球扩张理论、注浆桩的发展现状及发展趋势。 ( 3 ) 进行单桩、单桩加盖板、单桩加扩大头、哑铃桩等四种不同工况的模型 试验研究，对所得到的荷载位移曲线进行研究。 ( 4 ) 量测哑铃桩模型试验中的桩端阻力，得出端阻占总荷载的比例随总荷载 的变化曲线，以此评价桩端注浆对承载力的影响。 ( 5 ) 进行了竖向荷载下单桩承载特性的有限元分析，对比不同桩长、不同扩 大头尺寸( 对应不同注浆量) 、不同注浆体强度下的荷载位移关系。 ( 6 ) 将试验工况进行有限元模拟，对比模型试验和数值分析的结果差异。 ( 7 ) 推导哑铃桩承载力计算的解析解，将模型试验和解析解所得到的结果进 行比较，验证公式的实用性。 第八节本章小结 本章主要介绍了桩基的概念、发展历程、分类方法，以及哑铃桩的专利介绍、 施工工艺，哑铃桩是注浆桩的一种特殊形式，本章从物理变化和化学变化两个角 度分别说明了注浆提高桩基承载力的机理。哑铃桩作为一种全新的桩基形式，具 有施工速度快，施工质量易于控制，沉降小、承载力高，造价低廉的优点。哑铃 桩