（岩土工程专业论文）上海地区钻孔灌注桩桩端阻力与分层侧摩阻力研究.pdf

摘要 摘要 经验参数法计算单桩竖向极限承载力是上海市地基基础设计规范推荐方法之 一，规范中“上海地区桩端、桩侧极限阻力标准值推荐表格”是使用经验参数法 的重要依据。上海地基基础设计规范中对于钻孔灌注桩的推荐表格是依据预制桩 的相关参数经折减及修正得到的，而当前钻孔灌注桩在上海地区得到了广泛的应 用，有必要结合钻孔灌注桩的应用现状，收集静载荷试验资料进行统计分析，对 规范中经验参数进行必要的调整。 本文首先收集并筛选了上海地区钻孔灌注桩静载荷试验资料，确定了统计分 析的样本。以9 9 版上海规范参数表格试算单桩极限承载力并与实测结果比较， 评价了现行规范的适用性。 利用多种经验方法分离极限桩端阻力，分析了极限状态下上海地区钻孔灌注 桩端阻比规律，经比选确定以黄强法计算各桩极限桩端阻力，为后续统计分析各 土层桩侧极限阻力做准备。 以实测钻孔灌注桩荷载试验资料为基础，应用单参数法，多参数法等经验方 法建立了桩侧极限摩阻力与静力触探指标以及静力学指标之间的经验关系。特别 的，首次提出了与静力学指标c 、舻相关联的多参数法。进而求得各试桩各十层 桩侧极限摩阻力。 首次将b a y e s 原理应用于桩侧极限摩阻力分析中，将多参数法得到的结果与 实测结果相结合得到了上海地区土层桩侧极限摩阻力平均值的后验分布，并以此 为基础求得标准值。 综合考虑参数法计算结果，实测结果等因素，对9 9 版规范参数推荐表格提出 修改建议，并对建议表格的适用性进行了分析，分析表明建议表格适用性优于 9 9 规范表格。 关键词：桩侧极限摩阻力，极限桩端阻力，钻孔灌注桩，经验参数法，静力触探 指标，静力学指标，多参数法，b a y e s 原理 a b s t r a c t a b s t r a c t e m p i r i c a lp a r a m e t e rm e t h o di sar e c o m m e n d e dm e t h o dt oc a l c u l a t et h eu l t i m a t e v e r t i c a lb a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e si ns f d c ( s h a n g h a if o u n d a t i o nd e s i g nc o d e ) t ou s et h em e t h o d ，o n es h o u l dr e f e rt ot h er e c o m m e n d i n gt a b l eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c v a l u eo f 厶i ( u l t i m a t es h a f tf r i c t i o n - r e s i s t a n c e ) a n d 石h i ( u l t i m a t et i pr e s i s t a n c e ) t h e r e c o m m e n d e dv a l u ei ns f d cf o rb o r e dp i l e si sad i s c o u n to f2 0 o ft h ev a l u ef o r p r e c a s tp i l e sa n di th a sb e e nu s e df o ro v e rt w e n t yy e a r s i nl a s tt w e n t yy e a r s ，b o r e d p i l e sh a sb e e nw i d e l yu s e d i ni n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o ni n s h a n g h a i ，s oi ti s n e c e s s a r yt ou p d a t et h er e c o m m e n d e dv a l u ef o rb o r e dp i l e ss oa st om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fb o r e dp i l e s s t a t i cl o a dt e s td a t ao f1 4 6b o r e dp i l e si n s h a n g h a ii sc o l l e c t e da n dt r o u g h s e l e c t i n g 6 7o ft h e mo r e s e ta st h ef i n a la n a l y s i ss a m p l e t h eu l t i m a t ev e r t i c a l c a p a c i t yo ft h et r a i lp i l e si sc a l c u l a t e dw i t ht h ee m p i r i c a lp a r a m e t e rm e t h o d ，r e f e r r i n g t ot h eo r i g i n a lr e c o m m e n d e dt a b l e b a s e do nt h er e s u l lac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e c a l c u l a t e dr e s u l ta n dt h em e a s u r e dr e s u l ti sm a d ea n dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h eo r i g i n a l r e f e r e n c et a b l ei se v a l u a t e d b a s e do nt h eq sc u r v e so ft h et r a i lp i l e s ，t h et - tr a t i o ( t i pr e s i s t a n c e - t o t a l r e s i s t a n c er a t i 0 1i sc a l c u l a t e du s i n gs e v e r a le m p i r i c a lm e t h o d s t h er e s u l ts h o w st h a t t h ea v e r a g et - tr a t i o sf r o mt h em e t h o d sa r es i m i l a ra n dc l o s et ot h em e a s u r e do n e f i n a ll y , t h eh u a n gm e t h o di ss e l e c t e dt os u b t r a c tt h e f t , f r o mt h et o t a lr e s i s t a n c e s p m ( s i n g l ep a r a m e t e rm e t h o d ) a n dm p m ( m u l t i p l ep a r a m e t e rm e t h o d ) i su s e d t oc a l c u l a t e 丘io fl a y e r e ds o i l m p mi sam e t h o dw h i c hp r e s u m e s 丘fi sr e l a t e dt ot h e c p tp a r a m e t e r s ( 只) o rt h es t a t i cp a r a m e t e r s 心缈) a n dt h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p s c o u l db ea c q u i r e db yo p t i m u ms o l u t i o no fm u l t i p a r a m e t e r s o n c et h ee m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p so r eg o t ，石“o fl a y e r e ds o i lc a nb ee a s i l yd e t e r m i n e d t a k i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec a l c u l a t e d 工埘a st h ep r i o rd i s t r i b u t i o n ，t h eb a y e s p r i n c i p l ei sf i r s t l yi n t r o d u c e dt od e t e r m i n et h ep o s t e r i o rd i s t r i b u t i o no ft h er e a l ， w h i c hc o n t a i n si n f o r m a t i o nf r o mt h ec a l c u l a t i o nv a l u e sa n dt h em e a s u r e dv a l u e s b a s e do nt h ep o s t e r i o rd i s t r i b u t i o n ，t h e0 0 5q u a n t i l ei sd e t e r m i n e da sc h a r a c t e r i s t i c v a l u eo f 石小 c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n gt h ec a l c u l a t e dc h a r a c t e r i s t i cv a l u ea n dt h e m e a s u r e dv a l u eo f 氐i an e wr e c o m m e n d e dt a b l eo fc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo f ti s a b s t r a c t p r o p o s e d o nt h eb a s i so f t h en e wt a b l e ，石“o f t h eb a r i n gl a y e rs o i li sb a c kc a l c u l a t e d a l s o ，i t sa p p l i c a b i l i t yi se v a l u a t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h en e wt a b l ei ss u p e r i o rt o t h eo r i g i n a lo n e k e yw o r d s ： f o u n d a t i o nd e s i g nc o d e ，b o r e dp i l e s ，e m p i r i c a lp a r a m e t e rm e t h o d ， u l t i m a t es h a t tr e s i s t a n c e ，u l t i m a t et i pr e s i s t a n c e ，m u l t i p l ep a r a m e t e r s m e t h o d ，s t a t i cc p tp a r a m e t e r s ，s t a t i cp a r a m e t e r s ，b a y e sp r i n c i p l e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 闻辱勃 p j 年；月劬日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名： 侗霉彩 知田年 弓月加日 第l 章绪论 1 1概述 第1 章绪论 桩基础的应用可以追溯到6 0 0 0 至7 0 0 0 年前，当时人们使用木桩作为木结构 的基础以确保建筑物的稳定。这种古老、传统的基础形式直至今天仍发挥着不可 替代的作用，随着时代的发展，上部结构传至基础的荷重不断加大，促使广大工 程技术人员对桩的选材的研究也不断深入。从1 9 世纪后期开始，钢，水泥，混 凝土，钢筋混凝土桩相继被应用与桥梁，房屋及交通、水利等各大工程领域之中。 1 0 0 多年前，美国芝加哥，底特律等大城市【l 】由于用地紧张，高层建筑物不 断增加，而这些城市地表以下广泛分布着深厚层的软土或中等强度的粘上层。这 就要求工程师需把桩端设置在很深的持力层，而利用木桩，钢管，型钢及钢筋混 凝土桩以当时的打桩设备是难以实现的。借鉴人类自由相传的挖井技术，人工挖 孔桩就在这样的情况下试验成功了。2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代，随着大功率钻 孔机具研制成功，钻孔灌注桩应运而生。自上世纪7 0 - - 一8 0 年代以来，钻孔灌注 桩在世界范围出现了蓬勃发展的局面，其用量逐年上升，居高不下。 上海市作为中国经济发展的龙头城市，在城市建设方面一直处于国内领先水 平，钻孔灌注桩业已成为上海市最重要的桩基形式之一，上海勘察设计志【2 】 中对上海地区应用钻孔灌注桩的历史有详细的记载： 2 0 世纪6 0 年代初，上海已采用钻孔灌注桩，建造了一些市区、近郊的桥梁， 当时采用人工推磨并出土的大锅锥，逐步由泥浆护壁发展到清水护壁( 利用孔内 粘土自然造浆) ，以保持孑l 内水位，防止潜蚀和塌孔。1 9 6 5 年，上钢三厂3 号转 炉改建工程曾做过钻孔灌注桩试验，但与预制打入桩对比，因承载力偏低而放弃 使用。 1 9 7 5 年开始建造的公交公司电车修配厂，又一次进行了钻孔灌注桩的试验， 采用潜水电钻成孔，桩的设计直径为6 0 0 m m ，入土深度2 5 8 m ，试桩极限承载力 9 8 0 一1 0 7 8 k n ，此值明显偏低，原因是没有做好清孔措施，桩底淤土沉积达0 8 1 0 m 。 1 9 8 1 年，色织四厂综合楼改造，考虑打桩对邻近建筑物的危害，决定选用 钻孔灌注桩方案，2 根试桩( 直径8 0 0 m m ，深3 2 m ) 极限承载力为1 9 6 0 k n 和2 1 3 6 k n ， 极限侧摩阻力和端承力与电车修配厂试桩结果相似。1 9 8 3 年，上海基础公司从 联邦德国引进一台n v c l 2 0 2 型成桩机，可施工9 0 0 毫米的贝诺托( b e n o t o ) 桩， 以后在上海雁荡公寓、混凝土二分厂及中山北路立交桥作过9 根试验桩，静载试 第1 章绪论 验做得比较完整的有6 根。以后基础公司采取了向桩底周围压浆等措施，取得较 好效果，但因成孔机械需要进口，成孑l 后尚需采取附加措施，降低了贝诺托桩的 使用价值。 同年，上海市机械化施工公司与中船勘察院联合进行凹凸形钻孔灌注桩的研 究试验，获得了成功。这种桩的施i t t 艺特点，为孔壁呈明显的凹凸形，采用二 次清孔措施，减少了孔底沉淤，在浇捣水下混凝十时，用首罐混凝十量集中在大 漏斗中，以冲击清除部分孔底残余沉淤等多项措施，使桩的竖向极限承载力得到 明显提高。 随着市区建设和改造的步伐加快，在建筑物密集地区打桩施工对周围环境的 影响和危害日益严重，钻孔灌注桩则无挤土、无振动、无噪声，成为取代打入桩 的重要桩型，应用f j 益广泛。9 0 年代以来，房屋建筑的钻孔灌注桩直径从6 0 0 m m 、 8 0 0 m m 扩大为1 0 0 0 m m 、1 2 0 0 m m 甚至更大。桥梁地基早在7 0 年代就采用1 0 1 5 m 大直径钻孔灌注桩，如松浦人桥引桥，桩的直径为1 5 m ，长度5 0 m 达到上 海的第2 砂层( 号土) 。1 9 8 8 年，中国建筑西南勘察院承担了上海恒丰大楼的 钻孔灌注桩施工任务，该大楼为2 幢毗邻的3 3 层蝶形公寓，钻孔灌注桩桩径 8 5 0 m m 、桩长7 5 m ，为当时上海市内桩身最长的钻孔灌注桩工程。2 0 世纪9 0 年 代初，海仑宾馆、新世界商场、京城大厦等工程，钻孔灌注桩均达地面下7 3 m ， 海仑宾馆建成后，沉降量不超过5 c m 。 从以上资料我们可以看出，上海地区钻孑l 灌注桩的应用是随着市政建设的加 快而发展起来的，而且钻孔灌注桩的承载力跟施工方法，施工质量关系紧密，是 新的施工器械和工艺的发展为钻孔灌注桩的发展奠定了基础。 到了2 l 世纪，旋挖钻孔，桩端后注浆等工艺的产生和发展提高了钻孔灌注 桩的施工效率与承载能力，钻孔灌注桩在当今上海市的城市建设中扮演着不可或 缺的角色。当前上海地区许多重要工程都采用了钻孔灌注桩作为基础，如上海 5 0 0 千伏静安( 世博) 输变电工程采用了8 8 6 根灌注桩，正在施工中的预计高达 6 3 2 m 的上海中心大厦基础工程亦采用了钻孔灌注桩方案。 1 2单桩竖向极限承载特性研究现状 桩基础的研究落后于它的应用。有关桩基础的研究到上个世纪5 0 年代才开 始，从研究单桩的承载特性逐步到现在的对桩筏上部结构土共同作用的研究。 从早期采用经验理论法到现在利用先进的计算机技术进行三维分析。这几年来， 桩基础一直作为岩土工程中的一个研究热点，从现场试验到室内模型试验，从理 论研究到数值模拟，每年都有大量的文献有所报邋3 1 。 2 第l 章绪论 概括来讲，单桩竖向极限承载特性的研究方法可划分为试验分析法，理论分 析法，数值分析法及其他新兴方法。 1 2 1 试验分析法 目前单桩试验主要包括现场载荷试验，室内模型试验，以及近年来兴起的大 型离心机模型试验。 1 现场载荷试验 现场载荷试验是判断桩基承载力，分析其承载性状最直接，最可靠的方法。 它不仅可确定桩的极限承载力，而且通过埋设各类测试原件可获得荷载传递，桩 侧阻力，桩端阻力，荷载一沉降关系等诸多资剃4 1 。现在常用的载荷试验方法有 常规静载荷试验，高应变动力试桩法，自平衡法，静动试桩法等。 常规静载荷试验是被工程技术人员和研究人员应用最广泛的载荷试验。近几 十年来，绝大多数的单桩承载性状的研究成果来自常规的静载荷试验，在我国， 常规静载荷试验为多种规范采用作为标准的单桩承载力检测手段7 h 1 0 】 f 7 9 】【8 0 】。 本文采用的试桩资料均来自现场常规静载荷试验。 自平衡测桩法是在试算“平衡位置”安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同 时测得荷载箱上、下部符自承载力。该法最早是由美国西北大学o s t e r b e r g 教授 于上世纪8 0 年代中期提出的，在美国叫做“o c e l l ”法，在日本又叫做“桩底加 载法”。近十年来该法在美国许多地方广泛采用，该法已获多国专利，并已在英 国、加拿大、菲律宾、新加坡等十国及我国香港、台湾等地广泛应用。史佩栋【l h - 1 6 清华大学水利水电工程系及东南大学土木工程系【1 。7 1 - 1 2 0 1 有关学者等为该法的引进， 研究及本土化做出了突出的贡献。其中东南大学土木工程系与江苏省建设厅合作 研究自平衡法测桩，并编制了江苏省地方标准桩承载力自平衡测试技术规程 ( d b ”t 2 9 1 1 9 9 9 ) ，在一系列大型桩基工程【i 引、【2 0 】检测中得到了应用，效果 良好。 高应变动力试桩法，是指所有能使桩土间产生永久变形( 或较大动位移) 的 动力检测桩基承载力的方法，这类方法要求给桩土系统施加较大能量的瞬时荷载， 以保证桩土之间产生一定的相对位移。上世纪6 0 年代s m i t h 2 l 】和g o b l e ，r a u s h e 对于波动方程的研究开启了动力测桩的先河。上世纪7 0 年代中后期，美国p d i 公 司开始生产以p d a 打桩分析仪为名的高应变动力试桩专用仪器，其后经过改进， 采用波动方程程序( c a p w a p c ) 进行实测波形的拟合法分析。l i n k e n s 在1 9 9 2 年提出了辐射阻尼模型，在原有的分析程序基础上作了新的改进。高应变技术在 国内的发展也很活跃，研究内容集中在波动方程的求解方法，拟合程序的开发等。 第l 章绪论 江礼茂【2 2 】、袁建新和朱国甫吲、陈凡【2 4 i 等采用特征线理论求解波动方程，在算 法方面发展了高应变拟合技术；王靖涛嗍采用半理论半数值的解法；雷林源( 2 6 】 尝试用灰色系统和人工神经网络预测完整桩的轴向极限承载力；王雪峰对高应变 在短粗式端承桩上的应用进行了理论改进；中国建筑科学研究院编制了波动分析 程序f e i p w a p c ；刘明贵、王平、潘榕明等编制开发了r s m p i l es t a r 动测软件； 武汉岩海上程技术开发公司开发了c c w a p c 拟合法分析软件。 静动试桩法是利用一个类似于火箭的装置，携带一定量的反力作用于桩头， 点火后在桩头产生一个相对平缓持续的推力，从而获得可分解的荷载试验曲线， 最终通过解析处理获得静荷载曲线。静动法已在荷兰、加拿大、美国、德国、日 本、韩国和新加坡等国得到认可和应用，我国建设部的质检中心于1 9 9 5 年6 月， 首次运用静动法成功地进行了灌注桩承载力的测试表演，但至今未能得到全而推 广。 2 室内缩尺模型试验 现场载荷试验往往费时费力且影响冈素多，研究者亦可通过室内缩尺模型试 验，通过几何相似及力学相似来模拟实际情况以研究单桩竖向承载特性。 在国外，d i e t e rg s 【2 7 1 曾系统介绍了竖向荷载下的单桩模型试验中的模型相 似比问题：t u r n e rj p - 对砂土中的桩侧摩阻力进行了试验研究，并对两组小比 尺，两组巾比尺，一组大比尺的模型试验进行了报道，并分析了桩身尺寸，桩周 土水平应力状态对桩侧摩阻力的影响，同时就模型试验中存在的相似比对试验结 果的影响做了分析： 国内，刘利民等【2 9 】在文献中比较系统地介绍了单桩的模型试验，并对一组 模型试验进行了介绍；张建别3 0 】等人通过室内模型试验对单桩的桩端阻力与桩 侧阻力的相互作用进行了研究；丁佩明【3 l 】曾用模型试验进行桩在载荷试验下深 层土体的位移场。 3 离心机模型试验 离心模型试验的基本原理在于将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型 承受大于重力加速度的离心加速度的作用，来补偿凶模型尺寸缩小而导致土工构 筑物自重的损失。所以，它对模拟以自重为主要荷载的岩土结构物性状的研究就 显得特别有效【3 2 】。n u n e z 3 3 1 ，s c o t t 3 4 1 ，b a r t o n 3 5 1 等人曾在离心机上做了横向受荷桩 试验的尝试，并获得较好结果。张利民【2 9 1 等根据在5 0 9 离心加速度场中所作的 一系列荷载试验结果，分析了单桩和排桩在递增荷载和循环荷载条件下的荷载位 移特性，荷载传递特性，以及桩周土体反应。周健【3 2 】在离心模型试验技术应 用的新进展中总结到文献【3 6 】研究了由于开挖引起的土体移动作用下桩的性状， 4 第1 章绪论 得到了在密砂中的进行无支撑深开挖对挡土墙后的单桩基础产生影响的离心模 型结果。试验结果表明：在挡墙稳定的情况下，因开挖引起的桩的弯曲力矩和变 形随桩与挡墙之间距离增加成指数递减；桩端的边界条件是影响桩对附近的开挖 反应的重要因素。 1 2 2 理论分析法 目前用于研究单桩承载特性的理论方法主要有荷载传递法，剪切位移法，弹 性理论法，数值分析法及其他方法。 1 荷载传递法 荷载传递法，s e e d 和r e e s e 3 7 1 首先提出了用来分析单桩的荷载传递规律及其 沉降计算的荷载传递法，c o y l e 和r e e s e 3 8 】后来对上述方法做了进一步的改进。 该方法假定：1 ) 桩体由一系列的弹簧单元体组成；2 ) 桩身横截面沿深度方向保 持不变；3 ) 桩单元体与土体之间的侧摩阻力由一系列非线性弹簧产生作用；4 ) 桩端与桩端十之间可由一非线性弹簧模拟：5 ) 这些非线性弹簧的应力应变关 系，即表示桩侧摩擦阻力或桩端抗力力与剪切位移s 间的关系( 或盯钾关系) ， 即荷载传递函数。藉由上述假定，研究桩上任一单元体的静力平衡条件可得到传 递函数法的基本微分方程，而此微分方程的解取决于传递函数的具体形式，即f s 的具体关系式。 目前，求解传递函数法的基本微分方程有两种方法，一是解析法，一是位移 协调法。解析法假定传递函数为某种曲线方程，然后直接求解微分方程。常用的 具代表性的传递函数模型有：k e z d i l 3 9 1 的指数曲线模型、佐滕悟4 0 1 的线弹性全塑 性( 折线型) 模型、g a r d n e r t 4 1 、何思吲4 1 1 、k r a t t 4 2 1 、徐和、h e y d i n g e r & o ，n e i l l ( 1 9 8 7 1 的双曲线模型和r e e s e ( 1 9 6 9 ) 、v i j a y v e r g i g a ( 1 9 7 7 ) 、陈竹昌【4 3 】分别提出的抛物线 型、陈龙珠i 删提出的双折线硬化模型，房卫民【4 5 1 提出的三折线模型，潘时声提 出的组合型等等。龚维吲删等将荷载传递法与剪切位移法巧妙结合起来，提出 广义荷载传递法，既考虑单桩非线性特征又考虑群桩共同作用。 位移协调法( s e e d & r e e s e 、c o y l e & r e e s e ) 采用实测或试验方法得到荷 载传递函数，但此时的荷载传递函数一般难以用简单的数学关系式表达，不能将 其代入桩的荷载传递基本微分方程进行求解，而需要根据平衡条件和位移协调原 则，利用迭代算法进行求解。 2 弹性理论法 弹性理论法认为土体是理想均质、各向同性的弹性半空间体，并假定土体特 性不因桩体的插入而发生变化。采用弹性半空间体内部荷载作用下的m i n d l i n 解 筇l 章绪论 计算土体位移，并采用桩土位移协调条件建立静力平衡方程式，以此求得桩体位 移和桩身轴力分布。该法经过几十年的发展和完善，从早期的研究刚性桩到考虑 桩身压缩性，以及桩周土体的不均匀性，目前已经形成一套比较完善的体系，俄 罗斯的桩基规范巾即以此作为推荐方法使用。 d a p p o l o n i a & r o m u a l d i ( 19 6 3 ) ，t h u r m a n & d a p p o l o n i a ( 19 6 5 ) ，s d a s & b e l z u n c e ( 1 9 6 5 ) ，n a i r ( 1 9 6 7 ) ，p o u l o s & d a v i s ( 1 9 6 8 ) 一，m a t t e s & p o u l o s l 4 8 1 以及 b u t t e r f i e l d & b a n r e j e e 4 9 】以m i n d l i n 位移解为基础对平衡方程式进行求解，其中 b u t t e r f i e l d & b a n r e j e e 将桩端进行单元剖分，基于弹性理论法提出了更加精确的 数值求解方法，能够考虑桩端刚性层的影响。而杨敏【5 0 】【5 1 1 等人，周罡吲等人则 以m i n d l i n 应力解为基础求解桩端以下土体的附加应力，最后利用分层总和法求 解出单桩的沉降，巧妙的将桩土相互作用问题与我国工程界广泛应用的分层总和 法结合起来；此外何德彦【5 3 1 等也对使用m i n d l i n 应力解求解单桩沉降进行了探讨。 为使弹性理论法能运用到非均质土体中，p o u l o s i s 4 等人采用等效弹性模量法，平 均弹性模量法将弹性理论法进行了推广；汪文彬p 5 j 等人认为桩土界面之间存在 相对位移，该相对位移与桩身剪应力满足双曲线的关系，利用迭代算法将弹性理 论法推广使其可以考虑土体的弹塑性状态。 3 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 端阻力很小，桩端以下土体的变形也很小，相应桩端沉降也很小，可以忽略不计， 由此假定桩侧土的沉降仅与桩侧土的剪切变形有关，并认为在工作荷载下，桩体 本身的压缩性很小故可忽略不计，桩土之间保持位移协调，从而推导出了桩的荷 载沉降方程。该法忽略了桩端应力，故只适合于摩擦桩。r a n d o l p h t 5 6 1 从理论上对 剪切位移法做了进一步修正，他考虑了桩端应力和桩体本身压缩所引起的桩顶沉 降。g u o 5 7 】【5 8 1 推导出了桩周土体弹性模量沿深度为幂函数变化下的荷载沉降解析 解，另外还考虑了有限压缩层深度的影响。x i a o 5 9 1 和l e e l 6 0 1 推导出了考虑桩周土 体非线性情况下桩土滑移的单桩荷载沉降解析解，并将剪切位移法应用到成层土 中。宰金珉【6 l 】提出了广义剪切位移法，建立了非线性反应的解析表达式和以解 析式描述的桩周土非线性竖向位移场，对于分层土采用层状半空间有限层法进行 了模拟。 1 2 3 数值分析法 随着计算机的应用和发展，数值分析法得到了广泛的应用，也越来越多的被 用来分析桩基的承载特性。其中比较常见的是有限单元法和变分法。相关研究颇 6 第1 章绪论 多，此处不冉赘述。 1 2 4 其他方法 阳吉宝【6 ，周国林运用灰色系统理论，建立了单桩的q - s 曲线的灰色模型， 对试桩曲线拟合，可以对未压到破坏的单桩的极限承载力进行预测。郭大兵运用 灰色系统理论，对桩的不完全静载荷试验o - s 曲线进行预测并获得单桩极限承载 力，为估算甲桩极限承载力提供了一种新方法。 王建华【6 2 】等利用神经网络法建立了用长径l h ( l d ) 预估工作荷载下单桩的沉 降模型。 蒋镇华【6 3 】应用能量法，提出了考虑桩长范围内土体非线性弹性的单桩有限 元里兹单元分析法，用以求解单桩变形问题；在现有迭代法基础上，建立了循环 法群桩分析框架，提出了基于有限里兹单元法单桩分析的群桩循环法分析公式。 在循环法群桩分析方法的基础上，提出了一种承台桩土共同作用的分析方法， 该法可以考虑土的成层性，并可以得到位移和荷载的传递特性。 金波掣6 4 1 对轴对称弹性力学方程进行h a u l c e l 变换，并利用传递矩阵方法得 出层状地基在内部轴对称荷载作用下的位移解，利用此解析解建立了求解层状地 基中单桩沉降的计算方法。 梁发云【6 5 】采用积分变换方法建立了求解弹性半空间中圆形荷载的基本解， 并以此为模型建立了求解单桩荷载传递特性的分析方程，对于层状地基，借助于 传递矩阵一底层刚度矩阵法，建立了第二类f r e d h o l m 积分方程，从而建立了分 层土中的单桩荷载沉降分析方法。 王伟 6 6 1 将p o u l o s 的弹性理论法和r a n d o l p h 的剪切位移法结合起来，提出了 一种无需将桩身进行有限差分的新方法。 f l e m i n g l 6 7 1 则将桩作为整体考虑，通过将已建立的桩端总阻力一位移与桩侧 总阻力一位移的双曲线关系耦合起来，进而给出一种比较简单的求解单桩荷载沉 降关系的方法。 1 3 上海市工程建设规范：地基基础设计规范d g j 0 8 一l l 1 9 9 9 标准设计方法及其使用现状 钻孔灌注桩的广泛应用不仅促使学者对其承载性状，承载机理进行了上述深 入研究，也促进了桩基设计方法的研究。因为对于工程设计人员来讲，设计方法 的改进及标准化有更直接的意义。对桩基设计方法研究的成果集中体现在各国， 7 第l 章绪论 各地区，各行业的设计标准当中。 标准是为了在一定范围内获得最佳秩序，经协商一致制定并由公认机构批准， 共同使用和重复使用的一种规范性文件，设计方法标准化有利于行业的规范，可 为设计人员和施工人员提供一个可靠的标准，大大提高工作效率。 具体到桩基的设计规范，各国，各地区，各行业都有自己的标准，各标准间 有其独立性也有联系性，有区别也有共性。以下先简要介绍上海市工程建设规范 地基基础设计规范d g j 0 8 一i l 1 9 9 9 【6 8 j ( 以下简称9 9 版上海规范) 中轴心 竖向荷载下单桩承载力设计的原则，然后对其使用现状做一简单总结。 1 3 1 轴心竖向荷载下单桩承载力设计的基本原则6 8 】 9 9 版上海规范6 8 1 中规定，桩基应同时按承载能力极限状态和正常使用极限 状态进行设计计算。其中桩基的竖向承载力设计计算按照承载力极限状态进行设 计，即采用以概率论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数表达的极限状态 设计表达式进行计算。具体的： 1 基本表达式 幺= 华b( 1 1 ) 场作用于单桩桩顶的竖向力设计值( k n ) ； 1 d 作用于桩基承台顶面的竖向力设计值( k n ) ； 桩基承台和承台上土的自重的设计值( k n ) ，自重分项系数取1 2 ； 地下水位以下扣除浮力，浮力作用分项系数取1 o ； ，桩的数量； 1 单桩竖向承载力设计值( 1 ( n ) 。 2 单桩竖向承载力设计值的确定 对于单桩竖向承载力设计值咒，确定时不考虑群桩效应，分别根据地基土 对桩的支撑能力和桩身结构强度进行计算，取其小值。 按桩身结构强度进行计算时，灌注桩的单桩竖向承载力设计值按下列公式计 算： 岛0 6 0 f 。a p ( 1 2 ) ，c 桩身混凝土轴心抗压强度设计值( k p a ) ； 槛端横截面面积。 根据地基土对桩的支撑能力进行计算时，9 9 版上海规范给出了三种途径： 第l 章绪论 1 ) 通过静载荷试桩结果确定：2 ) 通过经验公式确定；3 ) 通过静力触探结果确 定。其中，第三种途径只对预制桩有效，对灌注桩无效。 1 ) 通过静载荷试桩结果确定 用 玛= ( 1 3 ) 7r 其中： r = m a x 如【l 一善( 万一0 1 7 ) 】，r ，) ，为单桩竖向抗压极限承载力标准值； 以为单桩竖向承载力分项系数，取以= 1 6 ； 心= 圭r ，为试桩实测极限承载力的平均值； 尺卅= 墨 等为试桩实测极限承载力的小值平均值： 风如加分别为各试桩实测极限承载力值及其中的最小值； 6 为试桩极限承载力变异系数； 1 1 为试桩个数。 2 ) 通过经验公式确定 见：鱼+ 垒：堕丝一t 丛 “ 以 以 ( 1 4 ) 其中，如，分别为桩侧总极限摩阻力及桩端极限阻力标准值( k n ) ； 以，砟分别为总侧摩阻力，端阻力的分项系数； ，厨桩侧第i 层土的极限摩阻力标准值( k p a ) ，可区别桩型， 根据土的名称、土层埋藏深度及土的性质并结合土的原 位测试值按表1 1 所列的数值选用； p 桩端处的极限端阻力标准值( k p a ) ，可区别桩型，根据 土的名称、土层埋藏深度及土的性质并结合土的原位测 试值按表1 1 所列的数值选用； 玑厶，彳，分别为桩身截面周长( m ) ，第i 层土的厚度( m ) 及 桩端横截面积( m 2 ) 。 两种方法，各有利弊。静载荷试验法是确定单桩极限承载力最可靠的方法， 由其结果计算的单桩极限承载力设计值可靠度高。但它会消耗大量的时间，人力， 物力和财力。经验公式法简单易用，只需根据地质勘察报告查表即可计算相应出 钻孔灌注桩单桩竖向承载力设计值。但由于其涉及到许多参数，而这些参数来源 于以往的工程经验，其可靠程度大打折扣。 9 第l 章绪论 表1 19 9 版卜海规范钻孑l 灌 丰桩桩侧极限摩阻力标准值e 与桩端上极限端承力标准值 注：9 9 版上海规范中规定，上述表格用于钻孔灌注桩时只运用于桩径不大于8 5 0 m m 的情况。 我们可以发现，9 9 版上海规范中对以上两种方法的推荐程度是不同的：“宜 采用静载荷试验”和“在没有进行桩的静载荷试验”时，“可根据土层条件”按 推荐的极限状态表达式进行估算。在其附录规范用词和用语说明中对条文执 行严格程度的用词的说明中解释道：“表示允许稍有选择，在条件许可时首先应 该这样做的用词，正面词一般采用宜”，“表示有选择，在一定条件下可以这么 做的，一般采用可”。这说明虽然静载荷试验法是首先推荐的方法，但并没有 强制执行。( 应该注意，这里是对设计阶段而言，工程验收时对桩进行静载荷试 验是强制执行的。) 事实上，由于经验表达式法方便易用，受到工程设计人员的 青睐，可以在初步设计阶段或低设计等级建筑物桩基设计当中使用。 1 3 29 9 版上海规范经验法使用现状及存在的问题 1 0 第l 章绪论 9 9 版上海规范自执行以来，在上海地区建设中发挥了重要作用，按规范执行 设计的钻孔灌注桩基本满足了工程的需要，由于钻孔灌注桩设计失误引起的工程 事故鲜见报道。但是，在工程实践中研究人员也发现了一些值得我们深入思考的 问题。 楼晓明等 6 9 1 在文献中列举了上海及周边地区6 个工程共计1 9 根钻孔灌注 桩的静载试验情况，其中大部分桩的极限承载力出现异常现象。同一工程场地同 一几何尺、j 的桩，单桩极限承载力相差可达1 0 0 以上，指出在按规范规定的有关 统计公式( 作者注：即本文公式( 1 4 ) ) 确定场地工程桩的单桩竖向极限承载力标 准值时，当试桩承载力出现异常现象时，需要认真分析试桩的各种条件，找出导致 异常现象的原因，不仅要把这类桩排除出统计范围，而- 日要在后续工程桩施工时整 改相应的条件。如果把承载力明显偏低的桩计入标准值中，设计结果将出现明显 浪费；反之，将明显偏高的桩计入标准值中，设计结果将偏不安全。 周宏波等 7 0 1 系统分析了上海地区钻孔桩测试资料的摩阻力实测值与规范建 议值之比j ，随土的状态、埋深的变化规律，并将钻孔桩摩阻力与土性参数之间存 在的背离趋势分为负异化效应和正异化效应，严重负异化效应出现在深埋状念好 的地层表明，上海原土造浆正循环钻进施工方法在发挥深层好土的固有优势与潜 力存在较严重的缺陷；正异化效应出现在上海浅埋淤泥质黏性土层则说明，上海 钻孑l 桩施工方法的某些特殊工艺具有能够充分发挥这些土层摩阻力性状的特点， 并从灌注混凝土的特殊施工工艺进行了具体的分析。 以上事实说明随着上海地区钻孔灌注桩的应用和发展，现行地基基础设计规 范仍有需改进之处。尤其的，现行9 9 版上海规范中桩基经验参数设计表格中钻 孔灌注桩极限侧摩阻力标准值与端阻力标准值沿用了它的前身一8 9 版上海规范 【7 1 1 。而8 9 版上海规范钻孔灌注桩极限侧摩阻力标准值与端阻力标准值表格是以 7 5 版【7 2 】规范表格为基础进行校核和修订的结果。具体方法是通过1 7 根灌注桩载 荷试验资料( 对未压到极限荷载的荷载试验桩按外推法估算极限承载力) ，根据 7 5 版规范中的表格上限值、下限值分别计算灌注桩的极限承载力并与试验值进 行校核验算，以此对7 5 版上海规范表格进行调整。7 5 版上海规范中钻孔灌注桩 极限侧摩阻力标准值与端阻力标准值是通过对预制桩的结果进行简单折减得到 的。 自上世纪8 0 年代以来，钻孔灌注桩在上海地区得到了非常广泛的应用，但 前两版上海地基规范编制中依据的钻孔灌注桩的相关载荷试验资料少，试桩完全 做到破坏( 极限状态) 的就更少，因此无法做深入的数据整理与分析。规范应该 符合当前的施工技术水平，应该与时俱进，因此有必要结合上海地区钻孔灌注桩 的应用现状，收集载荷试验资料进行统计分析，对9 9 版上海规范中极限侧摩阻 第1 章绪论 力标准值与端阻力标准值表进行必要的调整和更新。 1 4 本文主要研究内容 基于上述背景及现行一卜海地基基础设计规范中存在的问题，本文对卜海地区 钻孔灌注桩竖向极限承载力规范推荐经验参数法推荐参数做了深入研究，目标是 通过统计方法对规范中经验方法推荐表格表1 1 提出修订建议。主要内容如下： 1 收集了上海地区近1 0 年米有代表性的钻孔灌注桩载荷试验资料，按照一 定的原则确定了统计工作依据的样本试桩； 2 按现行9 9 版上海规范表格推荐值上限，下限，中值对试桩极限承载力进 行试算，分析其适用性： 3 对具有桩身内力测试的试桩桩端阻力情况进行了统计分析，利用多种经 验方法对试桩端阻力( 端阻比) 进行计算，统计结果表明其结果与实测 水平相当，依此确定了桩端阻力的分离方法； 4 以实测钻孔灌注桩荷载试验资料为基础，应用单参数法，多参数法等经 验方法求得上海市各标准土层桩侧极限摩阻力及桩端极限阻力。特别的， 提出了一种新的多参数法一与静力学指标c 缈相关联的多参数法； 5 将b a y e s 原理应用于桩侧极限摩阻力分析中，将多参数法得到的结果与 实测结果相结合得到了上海市土层桩侧极限摩阻力平均值的后验分布， 并以此为基础求得标准值； 6 基于上述成果，对规范推荐表格提出修改建议，并对其适用性进行了分 析。 1 2 第2 章桩侧桩端阻力特征值的确定方法 第2 章桩侧桩端阻力特征值的确定方法 2 1规范中单桩竖向承载力设计方法发展及现状 我国在地基基础设计标准化的道路上经历了一个历史发展的过程，以下几个 标志性事件大致帮我们理清规范发展的来龙去脉。 1 9 6 3 年，上海地基基础设计规范( 试行草案) 8 3