（岩土工程专业论文）预应力混凝土管桩的承载机理研究及沉降分析.pdf

摘要 本文回顾了预应力混凝土管桩的发展历史，介绍了目前该桩型的设计理论和计算方 法。介绍了v e s i c 关于圆孔扩张问题的解答，其中包括柱形孔扩张问题和球形孔扩张问 题，并应用柱形孔扩张理论分析沉桩挤土效应；并以开口管桩特有的土塞作用为研究对 象，重点分析了土塞的形成过程，提出了沉桩时桩端管壁下会形成楔体，楔体对形成土 塞作用具有不可忽视的影响，继而根据楔体作用建立了土塞应力的计算公式，提出了土 塞的核心破坏模式。 预应力管桩是预制混凝土桩体和岩土体共同作用的系统，本文分析了预应力管桩的 特点、适用的地质条件以及存在的问题，并对现行规范在计算预应力管桩的竖向承载力 所采用的安全系数法的特点与不足进行了讨论分析。在此基础上，采用有限元软件数值 模拟的方法，结合桩的荷载传递机理，实际工程数据作为模拟的基础，对现行预应力管 桩规范中有关预制桩的竖向荷载的计算方法及公式进行分析和改进。 此外，目前关于预应力管桩地基的沉降变形计算没有形成比较完善的理论系统，从 而导致理论计算值和实测结果值有较大的出入。本文通过实际观测资料，对其作出分析 和探讨，为设计人员提供更为合理的设计方法，完善预应力混凝土管桩理论研究体系， 逐步将承载力控制的结构设计转向变形控制的概念设计，更好地利用预应力管桩，节约 管桩以取得良好的经济效益。 关键词：预应力混凝土管桩，竖向承载力，挤土效应，土塞效应，沉降 t h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n ta n a l y s i so f t h ep r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e x i a od e y i n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f s u nx i u z h u a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ep r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e p i l ew a s r e v i e w e d a n dt h ec u r r e n tp i l e - f o u n d a t i o nd e s i g nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ea l s oi n t r o d u c e d v e s i c ss o l u t i o nt ot h ep r o b l e m so fh o l ee x p a n s i o ni n c l u d i n gt h ec y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n a n ds p h e r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nw e r ei n t r o d u c e da n dt h e na p p l i e dt ot h ea n a l y s i so fs o i l s q u e e z i n ge f f e c to fp i l ed r i v i n g u s e dt h eu n i q u es o i lp l u g g i n ge f f e c to fo p e n e n dp i p ep i l ea s t h es t u d yo b j e c t ，t h ef o r m a t i o np r o c e s so fs o i lp l u g g i n gw a sa n a l y z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n s h o w e dt h a tw e d g eb o d yw o u l db ef o r m e da tt h ee n do fp i p ew h i l ed r i v i n gp i p e t h ew e d g e b o a yp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o np r o c e s so fs o i lp l u g g i n ga n dc o u l d n tb e i g n o r e d t h e nc o n s i d e r i n gt h e e f f e c to ft h ew e d g eb o d y ，s o i lp l u g g i n gf o r m u l aw a se s t a b l i s h e d a n dt h ec o r ef a i l u r em o d eo ft h es o i lp l u g g i n gw a sa l s or a i s e d p r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e sa r ei n t e r a c t i o n a ls y s t e mo fp r e - c a s tc o n c r e t ep i l e sa n ds o i l m a s s i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i c a b l eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ee x i s t i n g p r o b l e m so ft h ep r e - s t r e s s e dp i p e sw e r ed i s c u s s e da n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e n o r m a ls a f e t yf a c t o rm e t h o df o rp i l ec a l c u l a t i o ni nc o d ew e r ee v a l u a t e d o nt h eb a s i so fp i l e l o a d i n gt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n da c t u a lp r o j e c td a t a ，e x i s t i n gv e r t i c a ll o a dc a l c u l a t i o n m e t h o da n df o r m u l ao fp r e - s t r e s s e dp i p ep i l ei nc o d ew e r ea n a l y z e da n di m p r o v e db yu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e i na d d i t i o n ，c o n c e r n i n gt h e r ei s n tr e l a t i v e l yp e r f e c tt h e o r e t i c a ls y s t e mi nc a l c u l a t i n gt h e s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ，s oi tl e a d sc o m p a r a t i v e l yl a r g ed e v i a t i o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t e d v a l u e sa n dt h em e a s u r e dv a l u e s i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo b s e r v a t i o nd a t a ，t h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nw e r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d ，a n dt h e c o n c l u s i o nw o u l dp r o v i d eam o r er a t i o n a ld e s i g nm e t h o df o rt h ed e s i g n e r s t h et h e o r e t i c a l s y s t e mo ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e sw a si m p r o v e df u r t h e r , a n dt h a tw o u l dg r a d u a l l y l e a dt h ec o n v e r s i o no ft h es t r u c t u r a l d e s i g nf r o mt h ec a p a c i t yc o n t r o lm e t h o dt ot h e d e f o r m a t i o nc o n t r o lm e t h o db yw h i c hp r e - s t r e s s e dp i p ep i l e sw o u l db eb e t t e ru s e da n do b t a i n m o r ee c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：p r e 。s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e ，v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t y , s o i ls q u e e z i n g e f f e c t ，s o i lp l u g g i n ge f f e c t ，s e t t l e m e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志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。 签名： 力阴叩年 ，月2 铲日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 硼年墨 砷年j 月z 够日 月计日 中国彳i 油大学( 华东) 硕上学何论文 1 1 预应力混凝土管桩概述 第一章绪论 预应力混凝土管桩【1 堤：近年来出现的一种新型预制桩型。它是在预制厂经过先张预 应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的一种细长的空心环形等截面预制混凝土构 件。可以说预应力混凝土管桩是预应力技术与离心制管技术相结合的一种产物。 预应力混凝士管桩是岩土工程中重要的基础形式。它与一般基础工程相比，具有桩 材质量好、施工快、工程地质适应性强、场地文明的优点，因而被广泛应用于各类建筑 物和构筑物的基础工程上。近年来，随着工程建设工业技术的大力发展，预应力混凝土 管桩的科研、设计及施工水平都有了很大的提高。 1 2 预应力混凝土管桩发展现状 国外预应力混凝土管桩【2 】的发展经历了一百多年的历史，1 8 9 4 年h e n n e b i g u e 发明 了预制混凝土桩。1 9 0 6 年出现了配螺旋筋的混凝土桩，1 9 1 5 年澳大利亚人w r h u m e 发明了用离心密实混凝土的成型方法。1 9 3 4 年日本开始制造离心钢筋混凝土管桩( p c ) 1 9 4 9 年，美国雷蒙德混凝土公司最早利用离心机生产出中空预应力钢筋混凝士管桩。 日本、美国、加拿大、意大利、英国、荷兰、德国、新两兰、俄罗斯是研究生产混 凝土桩较多的国家。意大利t r i o s t 港曾用1 8 0 0 m m 3 7 m 管桩3 0 0 根。八十年代末期， 如中国、马来西亚、菲律宾对预应力混凝土管桩的生产应用也普及起来，而且起点较高， 总的来看，日本是当今世界管桩技术领先的国家。1 9 6 2 年日本开发了预应力混凝土管桩 ( p c ) ，开发初期用先张法和后张法同时生产p c 桩，后来以先张法为主。1 9 6 8 年制定了 j i s a 5 3 3 5 先张法离心预应力混凝十管桩标准。六十年代末至七十年代日本又开发了 预应力离心高强混凝土管桩( p h c ) ；1 9 8 2 年制定了j i s a 5 3 3 7 先张法离心高强混凝土管 桩标准，并于1 9 9 3 年对其进行了修订。据日本通产省调查统计资料表明，1 9 6 5 1 9 9 2 年日本各种管桩年产量在2 0 0 8 0 0 万吨之间，1 9 9 1 年达到最高峰，达7 9 0 万吨( 折合成 d 5 0 0 m m 桩2 3 0 0 万) 。其中p h c 管桩应用最为广泛。预制桩的发展与沉桩施工机械的 发展是相铺相成的。远在古罗马时代，就有人力和畜力打桩机。1 7 6 5 年，蒸汽机出现后， 第一章绪论 j a m e s n a s m y t h 就发明了打木桩用的蒸汽锤，并于1 8 4 5 年首次在美国海军的德文港码头 建设上使用。1 9 3 4 年，前苏联开发了大板桩的机械振动打桩机。1 9 3 8 年，德国的d e l m a g 公司首先开发了柴油打桩机近些年来，出于保护环境的需要，又出现了静压法等先进施 工技术。 我国预应力混凝土管桩最早起源于6 0 年代【3 ，8 0 年代才开始在广东省推广使用。6 0 年代，铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径4 0 0 m m 钢筋混凝土离心管桩。该厂又 于1 9 6 6 年开始研制用f 7 高强钢丝为主筋制造直径5 5 0 m m 预应力混凝土管桩，获得成 功并生产至今。1 9 8 4 年，广东省构件公司与广东省基础公司、广东省建筑科学研究所合 作首先研制现代形式的预应力混凝土管桩( 以往是法兰接口，现为焊接驳接) ，并于1 9 8 7 年通过广东省建委组织的技术鉴定。由于该桩型与传统预制桩型相比，具有明显的优越 性和良好的经济效益，故在广东省得到了广泛的应用。 1 9 9 1 1 9 9 5 年是我国建立管桩厂最多的时期。继广东省构件公司之后，全国又一批 管桩厂相继诞生。如南方管桩厂、上海三航局混凝土预制厂、番禺桥丰水泥制品公司、 广东省七建管桩基础公司、鸿运管桩厂、宏基管桩厂、鸿业管桩厂、羊城管桩厂等。与 此同时，还发展了一批凹螺纹预应力钢棒厂、高效减水剂厂、磨细石英砂厂和管桩生产 专业制造厂，形成了一支强大的行业队伍。随着管桩的大量使用，其设计施工的水平不 断提高。浙江、江苏、上海、广西、福建等地也纷纷引进该桩型，并获得巨大的经济效 益。 1 9 9 2 年，我国制定了国家标准先张法预应力混凝土管桩 s ( g b l 3 4 7 6 9 2 ) 。建设 部自1 9 9 3 年起，己将“高强度预应力混凝土管桩”列入重点推广项目。广东省是全国 管桩厂最多，使用管桩最为普遍的省份。早在1 9 9 1 年制定了省标建筑地基基础施工 及验收规程( d b j l 5 2 0 1 9 1 ) ，将预应力混凝土管桩编入标准内。1 9 9 5 年又组织有关科 研、设计、管桩厂及施工单位编写了省标预应力混凝土管桩基础技术规程( d b j t 1 5 2 2 9 8 ) 。1 9 9 8 年，我国还对国标g b l 3 4 7 6 9 2 进行了修订，g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 现也出台实施。 目前预应力管桩的制作质黾要求己有国家标准先张法预应力混凝土管桩，几经修订， 迄今是g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 。 1 2 1 国外的研究现状 目前，预应力管桩的承载力计算，通常从两个方面考虑：一种是按桩身结构强度确 2 巾困石油人学( 华东) 硕上学位论文 定单桩竖向承载力，即核定桩身最大允许轴向承压力( 轴向抗压强度) ，此时需根据桩 周土质情况分析桩的纵向弯曲的影响；一种是按土的强度与变形来确定单桩竖向承载 力，一般情况通过静载试验法、经验参数法、动测法、静力触探法等几种方法进行确定。 原型桩静载试验是传统的也是最可靠的确定单桩承载力的方法。它不仅可确定桩的 极限承载力，而且可以通过埋设各类测试元件，获得荷载传递、桩侧阻力、桩端阻力、 荷载一沉降关系等诸多资料。由于试验费用、工期、设备等原因，往往只能对部分工程 的少量桩进行试验。 静载试验方法是公认的最基本、直观、可靠、精度高的方法。一般采用接近于竖向 抗压桩的实际工作条件进行试验，通过预先埋设的各种测试元件可以获得荷载传递、桩 侧阻力、桩端阻力、极限承载力、q s 曲线等诸多资料。目前静载试验常用的加载方 式有慢速维持荷载法、快速维持荷载法、循环加载试验法等。随着高科技手段的应用的 日臻成熟，如高精度的数值采集仪现场测试，防水绝缘工艺的进步，高科技桩身内埋测 等，己经为进一步探索桩的作用机理提供了条件。但是由于静载试验费用、工期和仪器 设备的限制，工程上往往仅能对少量的桩进行试桩破坏试验确定极限承载力，多进行的 是工程桩检测极限承载力试验。 l 、按桩身强度确定法 当前日本、英国，俄罗斯等国家足研究、生产、使用预应力管桩较多的国家，特别 在日本，由于地处地震带，对预应力管桩的研究、设计、施工、应用作了很多工作，取 得了丰富的经验，是当今世界预应力管桩方面技术领先国家。 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力，日本和英国一般按下式： r = o 2 5 ( l 一仃。) a ( 1 - 1 ) 式中：r 一管桩桩身额定承载力；z 一管桩桩身混凝土极限强度；仃。一桩身有效 预压应力；a 一桩身有效横截面积。 2 、静力触探法 在三十年代，荷兰最早使用简单圆锥探头来评价桩的单位端阻，并积累了很多经验。 由于静力触探试验的探头和加压、记录设备等都有很大改善，许多国家的学者提出了利 用静探评价单桩承载力的方法，并在一些国家技术规程中规定实行。静力触探的双桥探 3 第一章绪论 头在贯入过程中可分别测出锥尖阻力和侧壁摩阻力，与预应力管桩的承载受力机理有相 似之处，因此，可以根据静力触探的结果以及静载荷试桩资料来计算预应力管桩的极限 承载力。但静力触探与预应力管桩的工作性状还是存在着很多不同，故不能用测得的结 果直接作为桩端阻力和桩侧摩阻力。 m e y e r h o l “3 8 】认为g 与桩尖埋深、桩尖进入持力层的深度、桩径有关，并建议取桩尖 以下l 倍桩径、桩尖以上4 倍桩径范围内的吼平均值。m e n z e n b a e h 则认为应取桩尖以下 l 倍、桩尖以上3 7 5 倍桩径范围内的g c 平均值，且影响系数a 值随着q 及彳的增大而降 低。 n o t t i n g h a m 则考虑到地面以下8 倍桩径范围内桩身侧摩阻力得不到充分发挥，将该 范围内的侧摩阻力进行了折减，并提出了计算桩身极限侧摩阻力的公式。 国外通过静探试验确定单桩承载力的主要计算公式见下表： 表1 - 1 静力触探试验确定单桩承载力 t a b l e1 - 1d e t e r m i n i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l eb ys t a t i cc o n ep e n e t r a t i o nt e s t 国家公式备注 希腊 只= 志 g a + 删g 以 英国 荷兰 只= 去e q c a j 双桥探头 印度 乞= 长m 扣蠡 前苏联 只= 0 7 r 月彳+ 厶彳， 法国 只= j 1 哪。协三u 矿1 。t 单桥探头 3 、动测法 桩基动测方法是利用物体的振动和振动波的传播理论对单桩进行承载力确定和桩 身完整性检测的一种方法。桩基动测法具有费用低、快速和轻便等优点，近年来发展很 快。动力试桩可以分为高应变和低应变两种方法。 高应变动力试桩法是目前国内外广泛应用的一种桩基检测技术，它是通过在桩顶施 4 中围石油大学( 华东) 硕士学位论文 以足够大能量的冲击，使桩身产生高应变应力波，进而使桩身与桩周土产生足够大的位 移( 超过土的极限弹性位移) ，测鼍桩的力波曲线及速度曲线，据此可获得单桩极限承载 力估算值及对桩身质量作出评价。常用的美国p d i 公司的p d a ( p i l e d y n a m i c a n a l y s i s ) 打桩分析仪对基桩的动测就属于高应变法。p d a 高应变测试单桩极限承载力有两种方 法：c a s e 法和c a p w a p ( c a s ep i l e w a v e a n a l y s i sp r o g r a m ) 拟合法( 郭大兵，1 9 9 4 ) 。c a s e 法采用能重复使用的应变传感器，压电式加速度传感器和p d a 打桩仪。通过测最桩顶 在重锤锤击下的受力f ( t ) 和质点速度v ( f ) 而对桩的极限承载力与桩身结构完整性进行 计算和判断。采用这种方法求静阻力时，需要事先根据土质设定阻尼系数以值，以值 是一个经验系数，这种方法也自然成为一种半经验的方法。 c a p w a p ( c a s e 桩波动方程分析程序) 拟合法是利用测量的桩顶在重锤锤击下的力 和速度来计算土阻力及分布的计算程序。从一条实测曲线( 如v ( f ) 曲线) 出发，对桩身 各段的土阻力和其他动力参数进行设定，然后进行波动方程拟合计算，即可求出另一曲 线( 如f ( t ) 曲线) 的计算结果。把计算结果和相应的实测曲线相比较，完成一次拟合。 如果对比显示计算值和实测值有较大差别，则修改设定值进行下一次拟合，经过多次循 环直到获得满意的拟合结果，使整个过程称为一个“设定一计算一比较”的循环。此法 可以设定的解多达几十个，许多参数对拟合结果的影响又相当复杂，加上数值计算的特 殊性，故其计算结果并不是唯一的，而且若干个相互优劣的解，最终要分析者综合比较 后作出选择。 4 、经验法 目前，国际上关于预应力管桩竖向承载力计算的经验公式还不多，分别为海利 ( h i l l e y ) 动力打桩公式( 1 - 2 ) 与改进的h m i e p c e b a x o a ( 格氏) 打桩公式( 1 3 ) ： 包= 等镣 2 ， q = 一了n a + 7 丝甩一竹2 彬。 。7j i , v4 - 形 ， ( 1 3 ) 1 2 2 国内的研究现状 经过这一二十年来的发展f 3 】，我国的管桩在品种和产量上已进入世界前列，生产装 5 第一章绪论 备和原材料也已经完全国产化，配套技术日趋完善，管桩的设计和施工水平有了较大幅 度的提高，对管桩作了很多的研究和分析。 1 9 9 2 年，苏州水泥制品研究院率先组织全国其他单位编制了我国首部先张法预应 力混凝土管桩g b l 3 4 7 6 9 2 国家标准，1 9 9 3 年成立了全国预制混凝土专业委员会，1 9 9 6 年编辑出版了先张法预应力混凝土管桩的结构图集，陆续各个地方省份根据自己区域的 特点分别编制了地区标准规程，如广东省的预应力混凝土管桩基础技术规程 1 0 l 、静 压桩基础技术规程，浙江省的先张法预应力混凝土管桩，江苏、广西、上海等省市 亦相应指定，这些规程逐步使预应力管桩的设计、勘察、施工及质检工作等技术规范化， 促进了管桩的更好推广。 对于桩本身的承载力，不同的规范都有不同的标准。先张法预应力混凝土管桩【5 】 中规定如下： q 。( o 8 厶一0 5 4 0 - ) a ( 1 4 ) 式中：q 。一单桩竖向极限承载力标准值； 彳一桩身横截面面积； 厶一混凝土轴心抗压强度标准值； o - 声一桩身有效预压应力。 国家建筑桩基技术规范 3 1 j g j 9 4 2 0 0 8 和广东省预应力混凝土管桩基础技术规 程e l o l d b j t 1 5 2 2 9 8 里提出如下经验公式： r = q p a j 口+ 甜q 卅l ( 1 - 5 ) 式中：r 一管桩竖向承载力标准值； a p 一桩尖投影面积； u 一桩身周长； 厶一按士层划分的各段柱长； g p 、q s i 一桩端士的端承力和桩周r 十的摩擦标准值。 王离【i 。】根据他多年的施工经验以及多跟试桩结果的反算，提出一个估算桩尖进入强 6 巾围石油人学( 华东) 硕十学位论文 风化岩层的预应力管桩竖向承载力标准值的经验公式【6 】： r = 1 0 0 n a p + “q l i ( 1 - 6 ) 式中：一桩端处强风化岩的标贯值； g 一桩周土摩擦力标准值。 宋建军对淤泥地区，桩端持力层为硬翅一坚硬风化残积士，锤击式预应力管桩单桩 竖向承载力进行了研究，当持力层士的标贯值n 3 0 时，在外力冲击波和动应力作用下， 桩尖附近的残积土发生剧烈的挤压加固作用，其地基承载力几乎达到强风化岩的水平。 通过对大量静载荷试验数据的归纳和总结，宋建军提出了以下经验公式： r 。= 0 0 0 n a p + “玩) + 甜g ，厶 ( 1 7 ) 式中：一桩端处风化残积土的标贯值； g ：一风化残积土桩周摩擦力的标准值，经过反算，取值8 0 k p a ； 一管桩进入风化残积十持力层的桩长。 蓝星育等人对格氏打桩公式中的系数s 作了修正，并定义为土的恢复系数，给出了 占的代表值及其相应的阻力系数u 值。经改进的公式用于预应力管桩，效果较原公式好。 李连营【- 】分析了天津地区预应力管桩单桩竖向极限承载力标准值，经过多项工程试 算，部分考虑内壁的侧摩阻力，并对桩端面积和极限端阻力标准值进行修正，修止公式 如下： 如= u l + a l l 2 溉g ，雎+ 拟p q 私 ( 1 - 8 ) 式中：“。、u 2 分别为外壁、内壁的周长；a p 为桩端外壁所围的面积；q 舻q 和为各 层土的极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值；h i 为各层士的厚度：a 为“土塞”效应修 正系数，b 为极限端阻力标准修正系数，可根据持力层图形查表。 我国学者也提出了用静力触探试验成果估算单桩承载力的计算公式，并制定了相应 的标准。金兴平通过多个静载实验，采用荷载传递法进行分析，利用静探指标q 、桩端 阻力与桩侧摩阻力进行相关分析，得到了用静探指标计算预应力管桩承载力的方法。单 桩的极限承载力由桩端极限阻力q 础和桩的极限侧摩阻力q 。组成，即： o s p k = q p k + q s k = q 咄a p + qs k a r ( 1 - 9 ) 7 第一章绪论 式中：q p k 一桩端土的极限端阻力； a p 一桩尖截面积； q 娃一桩周士极限侧摩阻力； 4 一桩身侧表面积。 利用静力触探试验预估单桩承载力，一般按下式：q v k ：口瓦，g 曲：! 瓦 0 随着预应力混凝土管桩的应用和普及，不仅承受竖向荷载，根据建筑抗震设计的要 求，以及沿海地区要考虑风荷载的影响，因此，需对建筑物承受水平荷载进行水平力验 算。建筑桩基技术规范【3 】提供了预制桩水平承载力的估算公式，但公式较烦琐，经验 系数也不稳定。李连营【川等通过多项预应力管桩的静载荷试桩结果，分析天津地区预应 力管桩单桩水平极限承载力标准值与竖向极限承载力标准值之间的关系，并建立了简便 估算公式。认为预应力管桩单桩水平极限承载力标准值与竖向极限承载力标准值、桩长、 桩径之间存在线形关系，假定单桩水平极限承载力标准值估算公式如下： q “= a q 女+ 比+ c d + d ( 1 - 1 0 ) 式中：q 一单桩水平极限承载力标准值； q 。一单桩竖向极限承载力标准值； l 一桩长； d 一桩径。 ( 1 ) 适用于粉质粘土持力层的公式： q = 0 1 2 1 4 q u t + 5 2 9 8 l + 2 8 1 7 d 一2 5 2 2 ( 1 - 1 1 ) ( 2 ) 适用于粉土、粉砂持力层的公式： 包= o 0 5 l q ( 1 1 2 ) 许国平通过设计计算分析，结合实际工程中单桩水平静载试验结果，对高强预应力 混凝十管桩( p h c 管桩) 的水平形状进行研究，提出了管桩水平承载力设计的有关建议。 认为单桩水平临界承载力主要受桩周土水平抗力系数的影响，而极限承载力则由桩身强 8 巾l 司石油人学( 华东) 硕上学位论文 度及截面刚度控制。提高承台底同填十的密实度，加强桩顶部分截面刚度，可很好地改 善p h c 管桩水平承载性状。 尺船：a 3 g 。 屹 式中：r 妇一单桩水平承载力特征值； 口一桩的水平变形系数； 彤一桩身抗弯刚度； 。一桩项容许水平位移； 叱一桩顶水平位移系数。 ( 1 1 3 ) 由此可以看出，管桩水平承载力采用估算时主要取决于桩的水平变形系数口和桩顶 容许水平位移。等两个参数，而桩的水平变形系数口则由地基土水平抗力系数m 计算 得出。 口= ( 封聊= 器器b 溉”姬i r 式中：日一作用于地面处的水平力； k 一水平力作用点的水平位移； 日。一桩身计算宽度。 1 3 预应力管桩研究所存在问题 ( 1 1 4 ) ( 1 ) 预应力混凝十管桩的挤土效应、土塞效应及其对周围环境的影响规律还有待 进一步深入研究。 在管桩涉及的众多未解决问题中，其中比较关键的是关于士塞效应问题和挤七效应 问题【1 3 】。这些问题涉及到环保、力学及土力学等多方面的知识，而沉桩对周围环境的不 利影响是众所周知的，但由于对这方面的研究还不完善，仍缺乏完整成熟的计算方法， 同时由于实际施工中的疏忽或经验不足，造成的工程事故屡见不止。 管桩的挤土问题主要包括以下：打桩引起的土中应力和孔隙水压力的变化、土体形 q 第一章绪论 状的改变及打桩挤士对高灵敏土结构的破坏；打桩引起的十体垂直隆起和水平位移；现 打入土中的桩对相邻的已打入土中的桩产生挤压，使桩项偏位桩身挠曲向上浮起；打入 管桩对周围正在打的钻孔灌注桩桩身挤土破坏；打桩对邻近建筑物、深基坑开挖、边坡 稳定性或隧道的不利影响等。 因管桩桩端截面形式的不同而分为敞口管桩与闭口管桩。敞口管桩的受力机理不同 于其他预制桩，存在“土塞效应”，即敝口管桩在沉桩过程中，桩端七一部分进入管内 形成“土塞”，进入管内的土塞在沉桩过程中受到管内壁摩阻力作用而产生一定压缩， 其发展直接影响了桩的承载力和沉降。目前对预应力管桩“土塞效应”对承载力影响研 究的比较多，但对有这种“土塞效应”管桩的沉降问题研究的较少。 实际上，打桩和静力压桩过程中的挤土效应问题是研究较早的课题，许多岩土工程 技术人员对此进行了研究。以前的研究在探索打桩过程中桩周土体中的应力状态的变化 规律、土体强度的变化规律方面，尤其在桩的承载力的估算以及承载力随时间的变化规 律方面进行了较多的研究，如桩土间的接触、滑移和摩擦效应，桩尖土体的压密和开裂， 其中包含几何大变形、材料非线性及接触面非线性等一系列复杂的问题，有关这方面的 文献也较多。近年来，国内外的研究者对静力压桩的挤土效应、土塞效应及其对周围环 境的影响规律进行了较多的研究但还没有获得令人满意的结果。 ( 2 ) 预应力混凝土管桩的承载力理论分析及计算有待完善。 目前，国内设计人员在进行预应力管桩单桩竖向承载力【1 2 】计算时，一般按现行设计 规范，借用混凝士预制桩的计算公式，即将预应力空心管桩视作闭口桩考虑，来计算单 桩的竖向极限承载力，结果往往有偏差，同时也无法真实地反映预应力空心管桩在沉桩 过程中的受力情况和桩的承载机理。实际上预应力空心管桩沉桩过程中，桩端的一部分 土将被挤入开口的空心管内形成“土塞”或“土芯”，一部分土将被挤向桩周产生挤土 效应。随着沉桩的深入，管内的土芯将会发生压缩，同时对桩管内壁将产生摩阻力，所 以预应力管桩的竖向承载力实际上由三部分组成，即桩外侧阻力、桩管内侧阻力、桩底 端阻力。同时，由于打桩过程中桩端土体的挤压，使得持力层的承载力进一步提高，若 按原状十的设计参数进行计算，则得到的结果往往偏低。因此，急需提出考虑土塞和挤 土效应后的比较准确反映实际桩受力机理状态的设计参数，提高桩承载力的计算精确 度。 10 中阔石油人学( 华东) 硕士学位论文 此外，现在仍然缺乏比较统一而完善的预应力混凝土管桩承载力计算公式【4 】，而且 在很多省市都有根据本地地质条件而编制的行业规范标准，需要改进和完善，为设计【1 6 】 人员和施工人员提供准则。 1 4 本课题研究内容 本课题所要进行的研究内容有以下几个方面： l 、综述预应力混凝土管桩的发展过程，分析预应力管桩承载力机理及沉降效应。 2 、根据前人研究成果，借鉴工程实例，分析预应力混凝十管桩的土塞效应和挤土 效应，分析预应力预制管桩的内、外侧摩阻力、桩端阻力确定合理的方法，对规范中的 竖向承载力计算公式提出修正意见，通过理论计算与试验结果的对比分析，为今后青岛 地区预应力管桩竖向承载力的计算提供参考和依据。 3 、关于预应力混凝土管桩沉降位移的研究。目前已有很多学者在预应力混凝土管 桩的承载工作性状方面作出了较多的成果，但却对预应力混凝士管桩的沉降变形几乎还 没什么研究，因此，需要对此方面进行研究，完善预应力管桩理论系统。 第= 章预应力混凝土管柱承载机理 2 1 桩土体系 第二章预应力混凝土管桩承载机理 2 1 1 桩土体系荷载传递机理 桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去【”l ，致使桩身荷载和桩 身压缩变形髓深度递减，在桩土相对位移等于零处，其桩侧摩阻力尚末发挥作用而等于 零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩 底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩 身摩阻力进一步发挥出来，当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载 其荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移显著 增大，直至桩端阻力达到极限或出现不适于继续承载的变形，此时桩所承受的荷载就是 桩的极限承载力。 由此可见，竖向荷载口3 】下桩土体系荷载传递过程可简单描述为：桩身位移5 ( z ) 和桩 身轴力口g ) 随深度递减，桩侧摩阻力“g ) 自上而下逐步发挥。桩侧摩阻力吼0 ) 的发挥 值与桩土间相对位移量亦即桩身位移s b ) 有关，如图2 - l c 所示q 0 ) 、s 0 ) 、吼0 ) 三者间 的关系可通过数学表达式加以描述，取深度z 处微小桩段d z ，由力的平衡条件( 图2 - l b ) 可得： 2 0 x ，出+ q ( z ) + d 酏) = 鲍)( 2 1 ) q ( z ) d z 1 富慨 q ( z ) + d q ( z ) 霹霄 ( a )帕)( c )q ) 微桩段的作用力轴向受压的单桩截面位移曲线摩阻力分布曲线 图2 - i 单桩轴向荷藏传递 f 1 9 2 1 a x i a l l o a d t r a n s m i s s i o no f s i n g l e p u e v q ( e ) 轴力分布曲线 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由此司得： “加一吉掣( 2 - 2 ) 由桩身压缩变形d s ( z ) 与轴力q ( z ) z f 司的关系： 酢) - _ 器出 ( 2 - 3 ) 可得z 断面荷载： ) = _ 巳4 警= q u 胁啦( 2 - 4 ) z 断面沉降： 啦阳。一可1 i 仁5 ， 以上( 2 1 ) ( 2 3 ) t 9 a p 一桩身横截面净面积； e p 一桩身弹性模量； u 一桩身周长。 式( 2 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) 彻j 表示于图2 - 1 d 、e 、c 。将式( 2 2 ) 代x ( 2 1 ) 可得： 北) = 了e p t i p 可d 2 s ( z ) ( 2 6 ) 掣d z 2 辫ea p 7 ， 上 、， 式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 是进行桩土体系荷载分析计算的基本微分方程。桩侧摩阻力的发 挥与桩土的相对位移有关，如果以土体作为参照系，桩侧摩阻力吼( z ) 的发挥与桩身位 移s ( z ) 有关，桩端阻力的发挥与桩端位移s ( z ) z = ，有关。如果把q 。( z ) - s ( z ) 及 g s ( z ) l z = ，之间的关系称为传递函数，显然式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 的求解取决于传递函数 q ，( z ) 一s ( z ) 的形式，由此而产生对单桩荷载传递的计算方法一荷载传递函数法。 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 x d i ( 1 9 5 7 ) 、佐腾。i 吾( 1 9 6 5 ) 、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 、h o l l o w a y ( 1 9 7 5 ) 等做出的发展。 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。每一单元体与十体之间侧摩 1 3 第= 章预墟力混凝土管桩承裴机理 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g 。与桩土问 相对位移s 的关系，把吼一j 关系称为桩侧荷载传递函数桩端的土也用一非线性弹簧 代替，这非线性弹簧力与位移的关系表示桩端阻力q 。与桩端沉降s ( o 的关系 q o 。 q 。，桩侧荷载传递函数 毫誊l 二jl t c 莲、：q 2r 一了 ，“ 主q 。+ 豢絮“。毒， + 旦三、。_ 主。 一吣 ” f i 蜉。l 。a d “g ”咄咄宴i 0 “ f i 簖, - 3 n 卸l 扯嘲e 吡c 帅嘣咖n m e m o d fc t t o nm e t h o d 巾圈石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 假设单元体为刚性体，按桩侧荷载传递函数确定相应于桩身位移s p 的桩侧摩阻 力q 埘o ( 4 ) 计算n 单元体顶面处的桩的轴向力q 一。= 绯+ g ，。a i u ( 5 ) 计算n 单元体中心点处的位移受：s ：= s ，+ j 1 厶。 式中缸一单元体的弹性压缩量，即 年 华 者 p 9 ， ( 6 ) 按n 单元体中点处的位移s 。重新按桩侧荷载传递函数确定桩侧摩阻力g 。，重 复以上( 4 ) 、( 5 ) 步骤，直到计算的氐与假定的s 。一致为止，则n 单元体顶面处的轴向力 q r 顶面处的沉降s 川( s 川= s p + s 。) 己求得。 ( 7 ) 往上计算上一单元体( 第n 一1 单元体) ，( n 一1 ) 单元体底面处的轴力和沉降为己知 ( 即n 单元体顶面处的轴向力q 和沉降s 川，重复步骤( 3 ) ( 6 ) ，反复计算后求得( 厅一1 ) 单元体项面的轴向力q 一：n n ns 柚、单元体的平均桩侧摩阻力q 咖- 1 ) 。 ( 8 ) 依此往上逐个单元体进行同样的计算，直到桩顶单元1 ，可求得桩项荷q 与桩 顶沉降s 。 ( 9 ) 重新假定不同的桩端位移s 。，再由步骤( 2 ) 一( 8 ) 可求得相应的桩顶荷载q 和桩项 沉降s 。 ( 1 0 ) 最终可绘制完整的q s 曲线，并可绘制桩身轴向力q ( z ) 与深度z 的关系曲线， 绘制q ，一z 的曲线。由q - s 曲线可确定单桩的承载力。 位移协调法也可用于成层土中，在实际应用上要取得比较满意的结果，其关键是如 何取得符合实际的荷载传递函数。 1 5 第二章预应力混凝十管桩承载机理 2 - 4 吼一s 关系曲线 圉2 - 5 q 。一s ( t ) 关系曲线 f i 9 2 - 4r e l a t i o n s h i pc u l w c o fq ，一s “b 2 5r e l a t i o n s h i pc u r v e o fq 。一s q ) 吼一s 的关系较为常用的有理想弹塑性、线性硬化、线性软化、非线性软化等几种， 这四种情况的吼一s 关系曲线如图2 - 4 所示。q 。一j ( 刮：。较常用的有线弹性、线性硬化、 理想弹塑性三种情况，其吼一s ( z ) l 州之间的关系曲线如图2 - 5 所示。 在荷载传递雨数解析法中，以佐腾悟的方法最为普 q o 及，它能用来分析多种桩型在均质土或非均质土( 包括茸q ：盔8 成层土1 中的荷载传递，在工程实践中桩都是处于成层 土层中如图2 。6 所示。 享二“t 鼢 取吼一j 的关系为理想弹塑性模型( 图2 - 7 ) ，当j 增_ _ q 丑。枣 加到某一个限值毛时，吼m 发展到极限值，有： _ _ 如 黜：引淼i 口曼麓 式中：c ，一剪切变形系数； 图2 6 成层地基中的桩 毛达到g “时的桩士间的剪切位移( m h n 舢c 枷佃g m - n d 啪r k 中因彳i 油大学( 华东) 硕上学位论文 把式( 2 1 0 ) 代入式( 2 6 、2 7 ) 得： 掣a 2 s ( 加o 1 厂 z ) - u 可d2s(z)一口2s。：0dz 2 “ 式中：口一土与桩相对刚度系数。口= 桩端阻力郇与桩端位移j ( ，) 的关系取线弹性关系有