（岩土工程专业论文）新型桩（crg桩）单桩竖向承载力试验分析与设计研究.pdf

中山大学 摘要 本文针对钻孔预制注浆桩( c o n c r e t er e i n f o r c e dg r o u t i n gp i l e ) ( 简称c r g 桩) 新桩型的试验成果，提出了c r g 桩单桩承载力设计方法，给出了承载力的确定公 式以及c r g 桩强度验算的公式，实现c r g 桩单桩承载力强度和沉降变形双重控 制的设计。单桩承载力设计提出了抗力分项系数、桩侧阻力综合系数和桩端阻力 综合系数，认为在不同的桩侧桩端荷载分担比的情况下应选用相应的抗力分项系 数，而且在不同的土层情况下注浆对桩的承载力的影响不同应取相应的综合系数。 实践证明本文给出的c r g 桩的承载力计算方法是可行的。 本文提出的c r g 桩的q s 曲线的一个很大的特点是缓变型，由于本桩型嵌岩， 进行静载荷试验时一般达不到承载力的极限值试验就终止，这样现行规范或规程 所规定的极限荷载标准就无法用于评价这类试验未完整桩的承载力，这样的结果， 一来增加了确定单桩竖向承载力特征值的困难，二来由于极限承载力定得过低而 造成经济上很大浪费。试验证明，c r g 桩端部分的基岩的强度并没有被完全的发 挥，可以取q s 曲线沉降量为6 0 8 0 m m 所对应的承载力做为承载力极限值。利用 本文提出的承载力计算公式和承载力极限取值有很大的工程实际意义。 关键词：钻孔预制注浆桩( c r g 桩) ，承载力，分项系数，桩侧阻力综合系数，桩端 阻力综合系数，静载试验 中山大学 r e s e a r c ho ne x p e r i m e n ta n a l y s i sa n dd e s i g no f v e r t i c a lb e a r i n gc a pa c i t yo f 一 一 一 s i n g l ec o n c r e t er e i n f o r c e dg r o u t i n g p i l e m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y a ol i f a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nr u g u i p r o f e s s o rt a n gl i a n s h e n g a bs t r a c t b a s e do ne x p e r i m e n tr e s u l t so nc o n c r e t er e i n f o r c e dg r o u t i n gp i l e s ( c r g ) ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dam e t h o dt od e s i g nl o a df o r c eo fas i n g l ec r gp i l e ，af o r m u l at oc a l c u l a t i n gt h el o a df o r c e ， a n dat e s tf o r m u l af o rc r gs t r e n g t h i nt h i sd e s i g nm e t h o d ，b o t hs t r e n g t ha n ds e t t l e m e n ts h o u l db e a p p l i e dt ot h el o a df o r c eo ft h es i n g l ec r g p i l e a n t i - f o r c ec o e f f i c i e n t ，c o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n to f r e s i s t a n c eo nt h es i d e so ft h ep i l ea n dc o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n to fr e s i s t a n c eo nt h ee n d so ft h ep i l e a r ep o i n t e do u ti n t h i s d e s i g nm e t h o d t h ed i f f e r e n t a n t i f o r c ec o e f f i c i e n ts h o u l db e s e l e c t e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr a t i o so fl o a dd i s p a t c h e so np i l es i d e s t oo np i l ee n d s ，a n dc o r r e s p o n d i n g e n h a n c e m e n tc o e f f i c i e n t ss h o u l db es e l e c t e db a s e do nt h ed i f f e r e n tc o n t r i b u t i o n st ot h el o a df o r c eo f p o s t g r o u t i n gi nd i f f e r e n te a r t hl a y e r s s o m ep r a c t i c a lp r o j e c t sp r o v et h a tt h ec a l c u l a t i n gm e t h o do f c r gp i l e sl o a df o r c ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e t h em a i nf e a t u r eo ft h ec r gq sc u r v ei nt h i sp a p e ri sc o n t i n u o u s n e s s t h es t a t i cl o a dt e s tw i l l t e r m i n a t eb e f o r et h el o a dr e a c h e st ot h em a x i m u ml e v e l ，c o n s e q u e n t l y , m a x i m u ml o a d ss p e c i f i e di n c u r r e n ts p e c i f i c a t i o n so rr e g u l a t i o n sa r en o ta d a p tt oe v a l u a t i n gi n c o m p l e t el o a df o r c ei nt h e s ek i n d s o ft e s t s ，w h i c hi n c r e a s ed i f f i c u l t i e si nd e t e r m i n i n gv e r t i c a ll o a df o r c eo ns i n g l ep i l e ，a n di ta l s ol e a d s t oe c o n o m i cw a s t eb e c a u s eo ft h el o wv a l u eo fm a x i m u ml o a d l o t so ft e s tr e s e a r c h e sp r o v et h a tt h e s t r e n g t ho ft h er o c ko nt h ee n do fc r gp i l ei sn o tf u l l yr e l e a s e d w ec o u l ds e tc o r r e s p o n d i n gl o a d v a l u e ，w h e nq sc u r v es e d i m e n t a t i o ni s6 0 - 8 0m m , a st h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y a n y w a y , i th a s g r e a ts i g n i f i c a n c et om a k ef u l lu s eo ft h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao nl o a df o r c ea n dt h ef e a t u r ev a l u eo f l o a df o r c ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o n c r e t er e i n f o r c e dg r o u t i n gp i l e s ( c r g ) ，b e a r i n gc a p a c i t y , p a r t i a lf a c t o r , c o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n t so fr e s i s t a n c eo np i l es i d e s ，c o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n t so fr e s i s t a n c eo n p i l ee n d s ，s t a t i cl o a de x p e r i m e n t i i _i-1-r l i 厂 中山大学 1 1 桩的概述 第1 章绪论 城市建设对桩型的要求越来越高，建设高层建筑、标志性建筑等大型工程时， 要求单桩承载力高，进行桩基施工时应尽量不污染周边环境，且要求施工进度快。 作为满足城市建设的新桩型，应具备桩身强度高、桩底可入岩、承载力高，机械 化施工程度高、施工受限制少，不破坏环境、噪声、降水、挤土、泥浆等造成的 污染小，价格合理等特点。 目前工程上采用的刚性桩基础，主要有两大类型：第一类是以摩阻力为主的 摩擦桩，例如预应力混凝土管桩，它的特点是具有较高的桩身强度( c 8 0 ) ，但其 桩端承载力不高且挤土效应明显，现有的施工法尚不能嵌岩；第二类是以端承力 为主的端承桩，其特点是桩具有较高的桩端承载力( 即持力层为硬岩层) ，例如嵌 岩钻孔灌注桩、挖孔灌注桩等，但其桩身混凝土强度难以超过c 3 0 ，当采用水下混 凝土浇灌时桩身质量及强度都难以保证，且常常存在施工安全及环境污染等问题。 1 2 研究现状及存在的问题 我国历史上最早的桩是在浙江河姆渡遗址考古发掘的规则排列的圆形和矩形 木桩，这些桩作为干阑式建筑的支承构件，距今已愈6 0 0 0 多年，直到上世纪3 0 年代，上海的最高建筑上海国际饭店仍然采用木桩基础。1 9 世纪中叶以后，随着 水泥工业的出现和发展，以及钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，相应的出现了 混凝土桩和钢筋混凝土桩，此时的桩基计算理论还未建立。到了上世纪2 0 年代后， 随着制造业的不断进步，桩基的理论和技术得以突飞猛进的发展，无论是从桩的 几何尺寸到单桩承载力，从成桩工艺与设备到桩型与应用范围，都发生了巨大的 发展变化，桩基技术显示出蓬勃发展的生机和广阔的发展前景。 近十余年来，新桩型、新工艺、新技术在我国的开发，取得了一些成果【，见 图1 1 。在提高成桩效率方面，实现了钻灌合一。沉管灌注桩是一种成孔与灌注 合一桩型，但由于其挤土效应，质量不稳定，事故率过高，逐步趋向淘汰。长螺 中山大学 旋压灌灌注桩2 0 多年前原本在欧洲己开发应用，但多半应用局限于压注砂浆，后 插钢筋笼。1 0 多年前在我国首先开发用于c f g 桩或细石素混凝土桩，本世纪初， 图1 1目前我国运用与开发的桩型体系 插筋器开发之后，扩大用于6 0 0 、q b 8 0 0 长2 0 多米的灌注桩。由于其无需泥浆护 壁，现场文明，且工效高，无沉渣，质量稳定。在扩大桩土比表面积，提高承 载力、材耗比方面，有挤扩多支盘桩、复合载体夯扩桩、桶形沉管灌注桩等。挤 扩多支盘桩，利用多层持力层形成支盘，增大支承面积以提高承载力。但支盘持 力层要求准确定位且砂砾层须紧靠其层顶挤扩，对于深厚软土层不适用。复合载 2 中山大学 体夯扩桩，只适合于浅埋持力层的多层住宅。桶形沉管灌注桩也是一种挤土灌注 桩，由于带土芯，桩径较大，适于单位面积承载力要求不高、场地开阔，对挤土 效应无严格限制的情况，目前多用于软土路基的复合地基竖向增强体。在结合 土体增强处理技术形成复合桩方面，有劲芯水泥土复合桩和水下干作业复合灌注 桩。前者是在水泥土搅拌桩插入预制芯桩形成的，后者是在环形水泥土搅拌桩钻 取土芯插入钢筋笼灌注混凝土形成。这两种复合桩，都是利用水泥土搅拌技术在 刚性桩外围形成水泥土“外套”构成两种材料复合桩体，来提高承载力的。目前 复合桩的成桩设备和工艺尚处于发展阶段，成桩直径和深度不太大，单桩承载力 不高，主要用于软土地区多层住宅。变以往泥浆循环排渣成孔为机械直接钻孔 取土成孔。传统的正、反循环排渣钻机成孔在我国使用数十年，积累了丰富的经 验，己成为大、中直径灌注桩的主导工艺。上世纪9 0 年代引进旋挖钻机，由于其 只利用泥浆护壁而不利用泥浆循环排渣，渣土可直接用旋挖斗钻取装车外运，所 需护壁泥浆量少并可循环使用，现场文明，工效高。随着旋挖钻机设备国产化的 扩展，可望成为灌注桩的主导设备和成桩工艺。通过后注浆加固沉渣、泥皮和 桩周土体来提高桩的承载力和减小沉降。1 9 9 5 年湖北地矿公司在武汉地区研究应 用由西南交通大学首先提出的钻孔灌注桩后压浆技术并获得成功，引起了建筑界 的高度重视，之后在全国掀起了应用钻孔灌注桩后压浆技术的热潮【2 1 。 施工实践表明，我国常用的各种桩型从总体上看，具有以下特点【3 】：大直径桩 与普通直径桩并存；预制桩与灌注桩并存；非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩并存； 在非挤土桩中钻孔、冲抓成孔和人工挖孔法并存；在挤土桩中锤击法、振动法和 静压法并存；在部分挤土灌注桩的压浆工艺工法中前注浆桩与后注浆桩并存；先 进的、现代化的工艺设备与传统的、较陈旧的工艺设备并存等等。由此可见，各 种桩型在我国都有合适的土层地质、环境与需求，也有发展、完善与创新的条件。 任何一种桩型都不是万能的，都有其适用范围，关键在于找到切入点，扬长避短； 再好的桩型如果在施工中不注意质量或超过其适用范围，就会出现质量问题甚至 造成重大事故及经济损失。 桩端压力注浆于1 9 5 8 年在委内瑞拉修建m a r a c a i b o 大桥基桩中首次运用，在 我国的应用始于二十世纪8 0 年代初，9 0 年代后桩端压力注浆技术在我国得到蓬勃 发展。其主要特点是：操作简便，承载力增幅大，砂、砾、卵石为持力层的桩增 幅可达1 0 0 以上，软土地区也可达4 0 以上；一般可减小沉降3 0 可应用于各 3 中山大学 类钻、挖、冲孔灌注桩，用于高、重建( 构) 筑物桩基，其性价比和优越性突出。b o l e s l a w 在关于大直径桩施工时，孔壁周围土体会产生应力释放，同时孔底的土层受到扰 动，指出通过在底部进行适当的注浆，可以大幅度地改善桩的承载性能。 b d l i t t l e c h i l d 采用有限元方法模拟桩端、桩侧压浆机理，在分析和计算桩的侧摩 阻力和桩端阻力后认为在桩侧和桩端压浆可以提高承载力【4 1 。在工程应用方面， b r u c e 研究了大直径钻孔灌注桩后注浆对桩基承载力的影响，f l e m i n g 对桩端注浆 提高承载力有关问题进行了研究，薛韬分析了桩侧钻孔注浆法，刘金砺、祝经成 提出了一套桩侧压力注浆装置。沈保汉对桩侧注浆方法进行了综合的评述。傅旭 东等研制开发了由袖阀管和注浆管组成的桩侧压力注浆装置等。由于后注浆技术 能够改善桩土之间的咬合能力，对桩底沉渣及桩侧泥皮进行挤密加固处理，提高 桩的侧摩阻力和端承力，减小桩的沉降量，因而可以降低桩基工程造价，同时后 注浆基本上不占用额外的工期，加快了工程进度。 预应力钢筋混凝土管桩( p c 桩) 【5 】，1 9 2 8 年在法国开始应用，预应力高强度混 凝土管桩( p h c 桩) 则于2 0 世纪6 0 年代末期在欧美兴起，广泛地应用于基础桩。我 国台湾地区从2 0 世纪6 0 年代开始就大量应用p c 桩，广东从1 9 8 4 年起开始研制 和推广预应力管桩，目前成为广东地区应用最多的一种桩型。这种桩型的缺点： 用筒式柴油锤沉桩时振动大，噪声高，油污飞溅；遇到孤石和障碍物多的地 层、坚硬夹层、石灰岩地层及从松软突变到特坚硬的地层时施工困难；挤土效 应较显著。 埋入式桩工法是日本2 0 世纪6 0 年代初期首先开发的，以低噪声、低振动为 目标，针对挤土预制桩工法提出的。由于预制桩施工通常采用锤击沉桩、振动沉 桩和静压沉桩，特别是锤击沉桩时其振动大、噪声高、油污飞溅的三大公害，再 加上对邻近建筑物和地下管线有明显的挤土效应，其工法的应用受到严格的限制 甚至不准应用，埋入式桩工法因此而产生。所谓埋入桩工法，是将预制钢筋混凝 土桩或钢管桩，用预钻孔或中掘( 在管桩内挖土) 等方法进行沉桩后，再采取锤击、 对桩端进行固根( 含扩孔固根) 等手段增强承载力的工法的总称。由于埋入式桩在 成孔过程中其桩周土层强度降低，所以埋入式桩的要点是用合适的成孔方法使预 制桩埋入其中以及用合适的承载力增强方法使桩获得所需的承载力。由于该工法 可消除一次公害和挤土效应，所以日本近十多年经日本建筑中心评定的各类基础 工法中，埋入桩工法种类最多，近几年还有上升趋势，1 9 8 6 年至1 9 9 9 年经日本建 4 中山大学 筑中心评定的埋入桩工法达1 5 3 种之多。埋入式桩法按预制桩的插入方法可大致 分为：预先钻孔法、中掘工法( 也称桩中钻孔法) 和旋转埋设法【6 】、网。预先钻孔法 是边钻孔边排土然后将桩插入孔内，最后再将桩打入。为增大桩侧摩阻力，可在 孔内预先填充砂浆、水泥浆、膨润土与水泥浆混合液等，然后将桩插入，以利用填 充材与地层间的摩阻力。预先钻孔桩工法的要点见图1 2 ，预先钻孔桩的优缺点见 表1 - 1 。我国埋入式桩的种类很少，几乎是个空白点。 1 一桩端加固液；2 钻进液；3 桩周围定液 图1 2 预先钻孔法埋入式桩 大直径钻埋预应力混凝土空心桩是预制桩与钻孔灌注桩相结合的新型桩，其 特点：一是钻，即钻机能在任何地质情况下钻百米以内大直径孔( 2 5 0 m m 一 6 0 0 m m ) ，从而克服了管桩基础以震为主的弊病；二是埋，即在已完成的孔内埋入 质量有保证的预制桩，从而克服了就地灌注水下混凝土桩的各种弊病，同时在桩 侧与桩端压浆可以大大提高了桩侧摩阻力与桩端阻力，使桩的承载力大大提高【8 j 。 国内文献最早见于2 0 0 4 年的岩石力学与工程学报，与本文提出的c r g 桩的思想 有相似之处，区别是未涉及采用空芯管桩反循环工艺进行桩底清渣技术等实际工 中山大学 表1 - 1 常用桩型的优点和缺点 人工挖孔设备简单，振动小，噪声低， 灌注桩施工现场干净 对施工现场周围的原有建筑物影响小 施工速度快，可多桩孔同时施工 土层情况明确，可直接观察地质 变化情况 桩端虚土能清除干净 无混凝土护壁或钢模板的情况下，易 发生土壁坍落，会发生人身伤亡事件 遇有害按气体会发生人身死亡事件 孔外物体坠落孔内，会造成人身 伤亡事件 桩长度大时需预防缺氧 6 中山大学 程应用，而且本文提出的c r g 桩比之早三年前就开始了研究。 新型桩不断的被开发与利用，如长江水利委员会建筑设计研究所在温州苍南 社保大楼的桩基工程中采用了经后压浆处理的预制空心静压桩，在卵、碎石层作 持力层的软土区效果良好【9 1 。 桩基础施工技术发展方向在如下十方面很值得关注【3 】：桩的尺寸向长、大方 向发展；基于高层、超高层建筑物承载的需要，桩径越来越大，桩长越来越长。桩 的尺寸向短、小方向发展；基于老城区改造、老基础托换加固、建筑物纠偏加固、 增层以及补桩等需要，小桩及锚杆静压桩技术日趋成熟。向攻克桩成孔难点方向 发展；向低公害工法桩方向发展。泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩在地下水位高的 软土地区虽然被较广泛地采用，但由于泥浆的使用使施工现场不文明，泥浆排除( 称 为二次公害) 困难等，泥浆护壁灌注桩的主力桩型已转向钻斗钻成孔灌注桩，此类 桩型的采用在国内正日趋增多。向扩孔桩方向发展；向异型桩方向发展； 向埋入式桩方向发展；向组合式工艺桩方向发展；由于承载力的要求、环境保 护的要求及工程地质与水文地质条件的限制等，采用单一工艺的桩型往往满足不 了工程要求，实践中经常出现组合式工艺桩。例如：钻孔扩底灌注桩有成直孔和 扩孔两个工艺；桩端压力注浆桩有成孔成桩与成桩后向桩端地层注浆两个工艺； 预钻孔打入式预制桩有钻孔、注浆、插桩及轻打( 或压入) 等工艺。向高强度桩方 向发展；随着对打入式预制桩的要求越来越高，p c 桩和p h c 桩使用越来越多。 向多种桩身材料方向发展。 无论是最古老的桩型还是最现代化的桩型还是未来开发的新桩型，都不可能 万能的，都有着自身的优点与不足，但总是越来越完善的。随着桩基技术的改良 和发展，很多情况下桩已不再是单独的被应用，而是与其他工艺联合作为更多的 用途来使用，如化学灌浆排桩联合护壁等。表1 1 给出了一些常用桩型的优点和不 足【1 0 】。 与此同时桩基设计理论由于吸取了其他学科的先进科研成果，取得了非常迅 速和深刻的发展，电子计算机和数值计算方法的巨大成就以及高分子化学的成就 特别是岩土力学领域的卓越研究成果，促使桩基科学建立和形成了许多新的概念 和理论。桩基设计理论的分析方法，最早采用的方法是结构力学分析方法，它将 整个结构平衡体系分割成上部结构、基础和地基三个部分，不考虑它们的共同作 用，各自独立求解。这种分析方法是，它只满足了总荷载与总反力的静力平衡条 7 中山大学 件，却完全未能考虑上部结构与基础之间连接点和基底与土介质之间的接触点上 位移的连续条件，从而导致结构内力与变形均与实际发生偏离。设计时偏于保守， 造成浪费。随后的分析方法是将地基与基础视为一个共同作用整体来分析，这比 前一种方法进了一步。最后是将上部结构、桩和地基三者结合一体进行整体分析， 这种方法比较真实地反映建筑物与桩基的实际受力状态。后两种方法现正已日益 受到桩基设计人员的重视和采纳。 关于桩基的设计计算理论，主要有两种类型：一是定值设计法，就是将荷载 与抗力看成不变的定值，根据经验确定的安全系数来度量桩基的可靠度；二是以 概率理论为基础的极限状态设计法，就是采用分项系数的极限状态设计表达式进 行计算，是当前国际上公认先进的概率极限状态设计法，当然这种方法也依然存 在一些有待完善的地方。 当前关于桩基的理论研究多数集中于单桩的荷载传递、荷载沉降性状的分 析。关于单桩承载力机理研究，其极限承载力传统的计算模式是总侧阻力与总端 阻力叠加，忽略二者的相互影响。上世纪7 0 年代，大量试验表明不同桩底支承条 件所测得的承载力参数，不仅端阻力不同，而且侧阻力因桩底悬空而降低因加固 而提高。近年来，又相继有一些研究者也发现了类似现象，即桩端支承刚度不仅 影响端阻力值，而且影响侧阻力发挥值。这给传统的荷载传递理论和承载力叠加 计算模式提出了挑战，同时也给我们以启示：对于超长桩不能因端阻力所占份额 极小而放宽桩端沉渣的控制标准和对桩端持力层的要求，以及认为桩端注浆对于 超长灌注桩作用不大等观念都应更新【l 。 国内外确定极限承载力的方法和标准有百余种之多，单桩极限承载力是桩基 设计中的一个重要参数。确定单桩极限承载力的方法主要有静载荷试验，高应变 试桩，理论分析及经验公式等。各种规范、规程均有各自的判定极限承载力的标 准，不同标准的“极限状态”的含义各不相同，实际上均反映了桩在达到真正破 坏以前的不同工作状态。尽管国内各种规范与规程都规定了确定极限承载力的方 法与标准，但国内多数试桩( 尤其是大直径桩) ，由于试验目的( 检验性目的试验) 、 试桩反力装置的能力( 尤其是大直径桩试验时) 、试桩费用的限制、工程桩施工进 度的要求、试桩过程中发生故障( 桩顶或桩身压裂、加荷千斤顶漏油等) 以及设定 的终止试验标准等条件的制约，桩的试验往往不能充分进行，即没等达到极限荷 载，试验便终止了。这样，现行规范或规程所规定的极限荷载标准无法用于评价 8 中山大学 这类试验不完整桩的承载力，成为有章无法可依。多数试桩报告往往提出如下结 论：“本次试验结果由于达不到桩的极限承载力，现以试验最大加载值作为极限承 载力”。这样的结果，一来增加了确定单桩竖向承载力标准值的困难，二来由于极 限承载力定得过低而造成经济上很大浪费【1 2 】。对于因上述各种情况即未能加载至 极限状态后的各类桩型，如何充分利用这些已有的试桩数据，进行极限承载力的 合理预估，是单桩承载力确定的一个重要课题。国内外学者已建立了多种承载力 预测方法：如斜率倒数法( 逆斜率法) 、折线法、百分率数解法( 范德文法) 和灰色 预测法等。这些方法是通过对载荷试样中桩顶q s 曲线进行数学处理外推桩的极 限承载力。单就嵌岩灌注桩来说，单桩承载力的确定方法就有：按桩身材料强度 估算，按地基土承力计算，按建筑地基基础设计规范计算，黄家愉( 1 9 8 9 ) 提出 的建议公式( 适用于嵌岩挖孔桩) ，朱作霖( 1 9 9 0 ) 提出的建议公式，林天键( 1 9 9 6 ) 提出的联合控制法，赵明华等在试验和分析的基础上，提出了按桩顶沉降控制基桩 承载力的思想，并推导了相应的计算公式等。 1 3 新桩型提出的意义 针对目前人工挖孔桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、锺击打入预制桩、静压桩 等常用桩型存在的不足，试图研究开发一种新的桩型，使其承载力高，机械化施 工程度高，不破坏环境，对不同地质条件适应性强，且满足城市建设桩基础应具 备的特点。本文提出的c r g 桩集成了摩擦桩和端承桩的两种桩的承载力优势，能 满足城市建设迫切需求，本桩型研制成功是建筑业的重要科技进步，是基础工程 难点和热点问题的新突破，社会效益和经济效益明显。 1 4 研究流程 见图1 3 1 5 研究内容 本文提出的c r g 桩目前国内还没有相关报道，这种新桩型的提出与传统的桩 型相比有着自身优点与特点，因而不能简单地套用嵌岩桩或者桩侧桩端后压浆桩 的承载力计算公式，为了在以后广泛地应用与推广c r g 桩，且在设计时提供相应 9 中山大学 1r1r 单桩承载力的计算理论c r g 桩试验成果 雾勰c 舢承载去计警公式l 禚 应 it ， 兀 用 整 口 1r 工程实例应用 图卜3 研究流程图 的计算公式，就以下方面的内容做了理论研究： ( 1 ) c r g 桩的试验研究，取得相应的q s 曲线和承载力极限值； ( 2 ) c r g 桩的承载力计算公式的研究； ( 3 ) c r g 桩的设计方法理论的研究； ( 4 ) c r g 桩的承载力极限值取值的分析； ( 5 ) c r g 桩的工程应用研究。 1 0 中山大学 第2 章新型桩的工作原理 2 1 新型桩的技术创新 本文提出的钻孔预制注浆桩( c o n c r e t er e m f o r c e dg r o u t i n gp i l e ) ( 简称c r g 桩) ，是将高强度的预应力管桩的桩端放置在预先成孔的岩层上，然后采用气孔反 循环工艺从管桩内将孔底沉渣清理干净，再在管壁与土体之间充填细石和灌注水 泥浆形成的注浆预制嵌岩桩【1 3 】。c r g 桩继承了钻孔灌注桩及预制桩的优点，并克 服了钻孔灌注桩及预制桩施工中存在各种缺陷，它利用高强度的预应力管桩作为 桩身材料，同时发挥了嵌岩具有较高的桩端承载力，使桩端高承载力与桩身高强 度的特点同时得到很好的利用。桩侧腔体充填的石料在压浆后形成压浆混凝土， 其与桩体间的摩阻力要比土与桩的摩阻力提高许多。c r g 桩具有实用性和可操作 性，且克服了人工挖孔桩的不安全性、钻孔桩的质量不稳定性及静压管桩的局限 性同时在施工过程中不降水，对周边环境影响小，具有环保意义。 2 2 新型桩的工法 1 、本桩型的施工工法关键技术 ( 1 ) 桩孔的形成：为使管桩能顺利放置桩底，同时桩端承载力能得到充分发 挥，本桩型要求桩孔必须垂直且能进入坚硬岩层一定深度，同时要求桩底岩面平 坦；这一点对钻孔( 或冲孔) 工艺成孔的要求较高。 ( 2 ) 间隙填充：由于桩孔孔径略大于桩管的直径，为使预应力桩管与桩底特 别是桩周边岩土间隙填充密实，防止桩的左右摆动，保证预应力管桩与岩土有效 接触，从而提高其端承力与侧向摩阻力，需要采用灌浆或其它方式对桩周间隙进 行充填密实处理，确保桩的稳定性。 2 、本桩型的施工步骤 ( 1 ) 在地面用钻机或冲孔机械成孔，桩孔可为泥浆护壁成孔或干作业成孔， 根据需要可在桩孔顶部埋置深为1 0 1 5 m 护筒，见图2 1 。 中山大学 图2 - 1 成孔时的剖面图 ( 2 ) 清孔后，沿桩孔边沿预置一根或若干根注浆管，注浆管伸延至桩孔底 端的中心部位，注浆管与桩孔底端的距离为5 - 1 0 c m 左右，注浆管的管径为巾2 0 m m 巾1 5 0 m m 之间，见图2 2 。 图2 2 放入注浆管时的剖面图 ( 3 ) 向桩孔埋入直径为由6 0 0 m m ( 5 0 0 m m 6 0 0 m m ) 高强度的预制桩( 如p h c 桩) ，以保证足够的桩身强度。若需接桩，其接桩方法与通常打入桩或静压桩施工 方法相同，可采用常规的焊接、螺栓连接等方式将分段桩连接，见图2 3 。 图2 3 埋入预制桩时的剖面图 ( 4 ) 通过预埋的注浆管向桩孔内压力注浆，桩孔顶部有止浆环和回浆管，并 1 2 中山大学 通过压力表有效地控制压力注浆的压力读数。根据土质情况及桩的承载力大小的 要求，注浆水灰比可为0 4 加5 ，注浆压力可为0 3 2 m p a ，见图2 4 。 图2 4 压力注浆时的剖面示意图 ( 5 ) 预制桩埋入桩孔后，经注浆管对桩孔压力注浆，使桩孔底端形成扩大头， 从而有效地增加预制桩端部的承载能力，见图2 5 。 图2 5 压浆后形成扩大头的剖面示意图 ( 6 ) 清孔后，也可沿桩边预埋多根l 型注浆管和多根1 字型注浆管，以便提 高注浆速度及保证足够的注浆压力。在向注浆管进行压力注浆时，止浆环和回浆 管可控制注浆压力，采用这种施工方法可增强预制桩与周边的摩擦力，提高桩身 的承载力，确保做出大吨位的桩，见图2 - 6 。 图2 - 6 另一实施示意图 1 3 中山大学 此工法，由于采用钻机或冲孔机械成孔，因而不会产生挤土效应，且不会引 起地下水位的下降，所钻的桩孔可深入坚硬的岩层，桩基施工不会产生土体隆起、 噪音等问题，桩径的大小可根据施工要求随意变化，实现了安全、文明、机械化 施工的要求。 通过预埋在桩孔周边的注浆管向桩底及桩侧进行压力注浆，可在桩底端形成 扩大头，有效地增强桩端及桩侧的承载力；埋入高强度预制桩，其强度较高、质 量可靠、施工速度快，比现有“钻孔灌注桩方法”优越。 本施工方法既有效利用了“人工挖孔桩”、“冲( 钻) 孔桩”可入岩的优点， 又发挥了“预制桩”桩身强度高的特点，还克服了“冲( 钻) 孔灌注桩”的混凝 土浇灌质量不稳定的缺点，使本施工方法制出的桩型，其桩身强度高，确保实现 大吨位的承载能力。 3 、本桩型的施工工艺流程见图2 7 4 、本桩型的特点 ( 1 ) 理论上桩可以入岩，具有较高的单桩承载力； ( 2 ) 成桩过程不用压入法，对桩身不会造成断桩及压桩过程中挤土效应所 造成管桩上浮等影响桩身质量的现象； ( 3 ) 成桩不挤土，也不用考虑降水，对周边的地基土及已有建筑物、管线 等不会造成破坏； ( 4 ) 机械施工，效率高，避免如人工挖孔桩施工时人工操作为主，效率低， 又容易造成人身伤亡事故； ( 5 ) 无噪声，排污少，对周边环境影响小，具有环保意义； ( 6 ) 工期短，工序简单，设备少，进退场容易； ( 7 ) 造价低，通过试验表明，按每吨承载力所需成本计，其成本较低。 2 3 新型桩的适用范围及其适用性 ( 1 ) 对具有稳定的岩层( 土层) ，利用钻冲机能成孔且能确保孔垂直的任 何复杂地形土层均可使用本桩型。 ( 2 ) 施工工艺简单实用，利用现有的施工设备即可投入施工，不必花大笔 资金开发新设备。桩的质量容易保证，成桩过程对周边环境影响小，有利于环保。 1 4 中山大学 圈 上 上 上 匹亘h 于一圈 l 钻至设计深度 终孔 l 检查孔深、孔径、孔垂直度 图2 7c r g 桩施工工艺流程示意 1 5 中山大学 3 1 试验概况 第3 章新型桩的试验研究 为证实c r g 桩在实际工程中的实用性，经过了三次施工试验，基本上完成 c r g 桩的施工工法和设计计算的的试验研究【1 4 j 【1 5 】、【1 6 】。 ( 一) 第一次试验的地点在广州市建筑科学研究院永泰基地进行，由广州市 建筑科学研究院科研组单独完成，该试验桩承载力均未达到设计值的预期值，而 且相差悬殊。 ( 二) 针对第一次试验结果中所出现的问题，在认真总结分析所获试验结果 的基础上又进行第二次施工试验。本次试验由广州市建筑科学研究院及广州市建 筑机械施工有限公司组成科研组共同完成。试验桩的地点选在广州市少太路华苑 街3 2 号市建筑机械施工有限公司梅花园基地进行，钻孔成桩试验桩4 根。 ( 三) 第三次是在广州跑马地居住小区，为详细了c r g 桩型在本工程的承载 能力，建设单位和设计部门在该工程的场区中特别施工了3 根试验桩作单桩竖向 承载抗压静载试验。 3 2 梅花园基地试验 3 2 1 场地地质条件 试验桩施工场地平坦，场地表面铺筑了一层混凝土地面。 第( 1 ) 层：混凝土，灰色、致密、坚硬，厚度约为2 5 c m ，覆盖于整个场地 表面。 第( 2 ) 层：砂质粘性土，土层厚约为1 4 1 5 1 6 3 5 m ，三个桩位均有分布。该 层进行标准贯入试验1 6 次，其值n = 1 9 1 4 。该层土地基承载力标准值f k 建议采用 2 5 0 k p a 。 第( 3 ) 层：全风化花岗岩，埋深为地面下1 4 4 0 1 6 6 0 m ，厚度为2 1 0 3 4 0 m ， 三个桩位均有分布。该层进行标准贯入试验4 次，其值n = 3 1 4 7 。该岩层地基承 载力标准值f k 建议采用3 5 0 k p a 。 第( 4 ) 层：强风化花岗岩，埋深为地面下1 6 5 0 1 9 4 0 m ，厚度为5 1 0 7 8 0 m ， 1 6 中山大学 三个桩位均有分布。该层进行标准贯入试验4 次，其值均n 5 0 。该岩层地基承载 力标准值f k 建议采用4 5 0 k p a 。 第( 5 ) 层：中等风化花岗岩，埋深为地面下2 3 0 0 2 7 2 0 m ，厚度为1 1 0 q 0 0 m 三个桩位均有分布。该层采取岩样一组，其饱和单轴抗压强度f , = 1 2 2 m p a ，建议 采用缸采用9 8 m p a 。 第( 6 ) 层：微风化花岗岩，浅灰色，中细粒结构，块状构造。埋深为地面下 2 5 5 0 2 8 3 0 m ，厚度未给出，三个桩位均有分布。该层采取岩样9 组，岩样的饱和 单轴抗压强度f ，= 5 6 1 6 2 4m p a 。根据室内岩石单轴抗压强度试验结果统计，k 建 议采用1 0 2 5 m p a 。 水文地条件：地下水文主要受大气降水的影响，水位较低，埋深为地面下5 5 0 m 左右。 3 2 2 成桩设备及主要技术指标 ( 1 ) 试验施工采用钻孔成孔，设备为上海1 - j p s 6 5 型回旋钻孔桩机，孔径为由 8 0 0 m m 。 ( 2 ) 管桩为由6 0 0 m m 强度为c 8 0 的预应力管桩。 ( 3 ) 试验4 根桩，其中2 根桩( 1 4 、2 # 桩) 进入微风化岩0 3 米，而2 根桩( 3 4 、 4 4 桩) 进入中风化岩。 ( 4 ) 试验桩的桩间填隙物为细石与水泥浆的混合物相当于细石混凝土。 3 2 3 试验方法与设计 在成桩2 8 天后，对4 根试验桩进行了静载荷试验，试验桩的基本情况见表3 1 。 表3 - 1 试验桩的有关参数 1 7 中山大学 试验桩附近的地质柱状图见图3 - 1 z l 【l # 桩 ) o ” 0 0 i n 嫂 z k 3 0 桩 层 蠢 层标圈倒 秤 度厚膏比饲尺 位置标准贯入试验( x ) 硝 击敦，3 d 口 次蛐 蛐l ：抛 lt 墨l 篇电巧 t 西裕i tl 柚i 1 5儿4 4羹 3& 毋t 曲- 撮_ l巨朝t - 丑目 5 置t 监宴 6 乳k 轴但a 层 深 层标圈倒 骄 度厚高比饲尺 饮标准贯入试验( n ) 犏i击1 t 3 0 a , 次 l ：2 【- ) ll 为 i 葛n 葛蕞骥 2& i & 萄1 曩目羹 l 3【t 曲l 呻- 1 9 “ 4阢l n a 5 且i 1 0孤a 6【1 l 3 l _ z 趟桩 p n d 蚓 掣 z k 4 。桩 q 一 * o 必 增 刊 一 图3 - 1 试验桩的超前钻柱状图 1 8 层 深层 标圈倒 肼 度厚 高 比倒尺 灶标准贯入试验( n ) 嗣 击蠡，3 0 口 次 柚 l ：2 i ) ii 笛l 葛n 为鬻 2l 两限为 - l g羹 l ，卫l 暂 l g la l i o- 馥a 5 矗l 嚣“ 5，l l 乱a 层 深层 标图例 一再 度犀高比倒尺 位置标准贯入试验( n ) 次 i ：2 0 0 嚣高 击敦，3 0 匝 1 1 ) l“笛l 为也为 纂爨 2t 峨笃怄目羹 l ，l 曲 t 胁l t _ 乱l - 玎a 鱼l l o敏l 吡靳l 3 1 h 中山大学 1 、试验加载装置 试验采用压重平台反力装置，组合钢梁和砼块( 重物) 组成的压重平台置于碎 石垫层面上作为施荷反力系统，荷重大于要求最大试验荷载( 1 2 0 0 0 k n ) 的1 0 以 上，在试验开始前一次性加上平台。 试验时，由电动高压泵给置于试桩面的四台油压千斤顶( y q l 5 0 0 ) 逐级加、 卸荷载，每级荷载值所需的油压读数由千斤顶的荷载油压关系标定曲线换算得 出，千斤顶的作用力通过试桩中心。 2 、试验加载方法和沉降观测 ( 1 ) 试验加载：采用快速维持荷载法，即一般每隔一小时加一级荷载。每 级加载为预定最大试验荷载的1 1 0 ，第一级按2 倍荷载分级加载。 加载沉降观测：每级加载后第5 m i n 、1 0 m i n 、1 5 m i n 、3 0 m i n 、4 5 m i n 、6 0 m i n 各测读一次，即加下一级荷载。 ( 2 ) 试验卸载：卸载分五级进行，每级卸载值为要求最大试验荷载的1 5 。 卸载沉降观测：每级卸载后隔1 5 m i n 测读一次残余沉降，即卸下一级荷载， 全部卸载后隔1 2 0 m i n 测读沉降残余值。 ( 3 ) 桩的沉降观测：在桩顶两边对称位置装设4 个w b d 3 0 型百分表，按规 定时间测读沉降量，百分表精度为0 0 1 m m 。 3 、试验标准 按国家行业标准建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 附录c 中的有关试桩规定 执行。 3 2 4 试验结果与分析 1 、试验结果 本次试验桩数量为4 根，其中1 拱、矽、3 撑桩的最大试验荷载为1 2 0 0 0 k n ，4 拱桩由 于试桩帽出现破裂，试验荷载达到7 0 0 0 k n 中止试验。 试验数据如下表3 2 3 5 所示，试验成果如以下图3 2 3 5 所示。 1 9 中山大学 表3 2 试验荷载与沉降数据表 试验编号1 4 施工编号z k l 4 荷载荷载 历时 本级沉降累计沉降 阶段( k n ) ( m i n )(mm)(nun) 2 1 2 0 06 0 2 1 02 1 0 31 8 0 0 6 0 1 1 83 2 8 加 42 4 0 06 01 2 84 5 6 53 0 0 06 01 4 46 0 0 63 6 0 06 01 5 87 5 8 74 2 0 06 0 1 7 69 3 4 84 8 0 06 0 2 0 41 1 3 8 95 4 0 06 02 2 61 3 6 4 1 06 0 0 06 02 3 41 5 9 8 1 16 6 0 06 0 2 8 91 8 8 7 1 27 2 0 06 03 4 9 2 2 3 6 1 37 8 0 06 04 2 02 6 5 6 1 48 4 0 06 06 7 93 3 3 5 1 59 0 0 06 08 5 7 4 1 9 2 1 69 6 0 06 09 45 1 3 2 1 71 0 2 0 06 06 2 45 7 5 6 1 81 0 8 0 06 06 4 8 6 4 0 4 荷 1 91 1 4 0 06 06 7 47 0 7 8 2 01 2 0 0 06 01 0 3 88 1 1 6 2 19 6 0 01 50 6 88 0 4 8 卸2 27 2 0 01 52 0 87 8 4 2 34 8 0 01 54 3 7 4 1 2 42 4 0 01 55 9 9 6 8 1 1 荷2 501 2 01 0 8 55 7 2 6 全部卸荷后，桩顶沉降回弹量为2 3 9 0 n u n ，回弹率为2 9 4 5 中山大学 q ( k n ) 01 2 0 0 2 4 0 03 6 0 04 8 0 06 0 0 07 2 0 08 4 0 09 6 0 01 0 8 0 01 2 0 0 01 3 2 0 0 图3 - 2