（岩土工程专业论文）沉箱—钢管桩逆作法复合基础的研究与应用.pdf

4d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y h u l i f e n g s u p e r v i s e db y p r o f g o n gw e i m i n g c o l l e g eo fc i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n2 0 l o o n 果。尽我所知，除 果，也不包含为获 究所做的任何贡献 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 扭斗导师签名：肄 日期：丝! ：! ：! 摘要 沉箱一钢管桩逆作法复合基础的研究与应用 研究生：胡立峰 指导教i ) f f i 龚维明教授 东南大学土木工程学院 摘要 近年来国内外深水桥梁基础的型式日新月异，为了深入探讨深厚软基桥梁逆作法复合基 础的受力机理和沉降特性，本课题以国家高科技发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目( 编号 2 0 0 7 a a l1 2 1 0 2 ) 为依托，以琼州海峡跨海通道建设为工程背景，设计了单桩、两桩以及四桩 的沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验，通过试验，明确了逆作法复合基础在竖向荷 载作用下的桩沉牟卜地基土共同作用模型。主要内容和成果如下： 1 通过室内模型试验研究，明确了逆作法复合基础荷载一沉降曲线具有两个拐点和四个 阶段的特性。 2 沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验表明：封桩前，上部荷载全部由地基土承 担；封桩后，桩达到极限承载力之前，桩分担的荷载占荷载增量的8 0 - - 9 0 ，当桩的承载力 达到其极限值后，增加的荷载又转为由地基土承担。所以封桩时机决定着逆作法复合基础的 桩土荷载分担比例及基础沉降特性。 3 沉箱钢管桩逆作法复合基础在6 d ( d 为桩直径) 桩距的条件下可以忽略群桩效应的影 响。沉箱的存在导致地基土产生压缩变形，减小了桩一土相对位移，从而限制了桩上部侧摩 阻力的发挥，桩侧摩阻力呈“由下至上”的发挥模式，钢管桩的承载力受到一定的削弱。 4 按刚度分配的原则确定桩土荷载分担比例，能够充分考虑桩土共同作用，利用刚度理 论计算该基础封桩后( 基桩达到其极限承载力之前) 的桩与桩间土各自分担的荷载量与室内 试验实测值较吻合。 5 基于圆柱孔扩张理论、剪切位移法以及分级加载下的固结度，提出了四阶段沉降理论 计算方法，符合逆作法复合基础的沉降特性，可用于分析沉箱钢管桩逆作法复合基础的沉 降特性。 6 通过静压桩模型系列试验，明确了在均质粘性土中静压桩的压桩机理以及在极限荷载 作用下静压桩的承载力和压桩力的关系。 关键词：逆作法复合基础室内模型试验沉箱钢管桩刚度荷载分担沉降 3 t h ep i l eg r o u pe f f e c tc a nb en e g l e c t e di ft h ep i l es p a c i n gi s6t i m e so fp i l ed i a m e t e r t h e i n f l u e n c eo fc a i s s o nm a k e st h ed i s t r i b u t i o no fa x i a lf o r c eg e n t l ya n df r i c t i o n a lr e s i s t a n c ed e c r e a s e da t t h eu p p e rp a r to fp i l e ，m e a n w h i l e ，f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea tt h er e s tp a r ti n c r e a s e d ； 4 a c c o r d i n gt ot h eb e h a v i o ro fc o m p l e xf o u n d a t i o n si nt o p - d o w no r d e r , t h em e t h o db a s e d o n t h ep i l e - c a ps t i f f n e s si sd e s c r i b e df o rc a l c u l a t i n gt h el o a ds h e a rr a t i ob e t w e e np i l ea n ds o i l t h e c o m p a r i s o n sb e t w e e n t h er e s u l t so ft h ep r e s e n t e dm e t h o da n dd a t af r o mm o d e lt e s t ss h o w e dt h a tt h e m e t h o di sr e a s o n a b l ef o rc a l c u l a t i o n 5 a c c o r d i n gt ot h eb e h a v i o ro fs e t t l e m e n to ft h ec o m p l e xf o u n d a t i o n si nt o p d o w no r d e r ，t h e f o u rs t a g e - s e t t l e m e n tt h e o r yb a s e do nt h ec y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r ya n ds h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o dc o u l da p p l i e di nc a l c u l a t i n gt h e s e t t l e m e n to ft h i st a p ef o u n d a t i o n 6 t h em o d e lt e s t so nj a c k e dp i l e si n d i c a t e dt h a tt h ep i l i n gm e c h a n i s mi nc o h e n s i v es o i l sa n d t h er e l a t i o nb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t ya n dp i l ej a c k i n gp r e s s u r eh a v eb e e nm a d ec l e a ro nt h es t u d y k e y w o r d s ：t h ec o m p l e xf o u n d a t i o no fc a i s s o n - - s t e e lp i l ei nt o p - d o w no r d e r ；m o d l et e s t ；c a i s s o n ； s t e e lp i l e ；s t i f f n e s s ；s h e a ro fl o a d ；s e t t l e m e n t 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外深水桥梁基础的现状1 1 2 1 国外深水桥梁基础的型式1 1 2 2 国内深水桥梁基础的型式2 1 3 逆作法复合基础概述3 1 3 1 逆作法复合基础概念的提出3 1 3 2 逆作法复合基础的概念4 1 3 3 逆作法复合基础的特点4 1 4 本文主要研究内容5 第二章沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验介绍6 2 1 试验设计6 2 1 1 硬件设施6 2 1 2 试验方案7 2 1 3 模型制作7 2 2 试验过程简介9 2 2 1 单桩试验9 2 2 2 沉箱试验9 2 2 3 复合地基基础系列试验9 2 2 4 沉箱钢管桩逆作法复合基础系列试验9 第三章沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验成果分析1 1 3 1 沉箱承载性能分析1 1 3 2 单桩承载性能分析1 2 3 2 1 荷载一沉降特性1 2 3 2 2 桩荷载传递特性1 3 3 3 复合地基基础承载性能分析1 3 3 4 逆作法复合基础承载性能分析1 4 3 4 1 荷载一沉降特性1 4 3 4 2 沉箱底土压力分布特性1 6 3 4 3 钢管桩受力特性1 7 3 4 4 桩土荷载分担特性1 9 3 5 本章小结2 2 第四章沉箱钢管桩逆作法复合基础荷载分配计算2 4 4 1 荷载分配规律2 4 4 1 1 压桩前阶段2 4 4 1 2 压桩后封桩前阶段2 5 4 1 3 封桩后阶段2 5 4 2 基础刚度计算2 7 4 2 1 沉箱刚度计算2 7 l i i 录 5 4 本章小结 第六章结论与展望 6 1 主要成果总结 6 2 展单 致 射 参考文献 附录 附录a 静压桩沉桩机理及承载力试验研究 附录b 基于剪切位移法的群桩沉降、桩顶反力及桩端反力计算程序 作者简介 i v 弱驼弘盯盯骢弘鹃们诣娟盯的的钉匏融雅眈能 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 自改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设 也得到相应发展，跨江、跨海大桥也相继修建。按照国家高速公路网络规划的总体要求， 渤海湾、台湾海峡和琼州海峡都将修建跨海通道，跨海桥梁是解决跨海通道的主要结构形式 之一。但跨海桥梁工程规模巨大，建设条件复杂，技术难度高。迫切需要对跨海桥梁工程设 计、施工中的关键技术进行深入地研究。 在对琼卅i 海峡建设条件的研究中发现：建设条件最好的西线通道水深5 0 m 以上水域宽度 达到6 k m ，地基软土覆盖层厚度高达3 0 0 m 以上，水深条件和软土地基已经成为该桥建设的关 键性问题。传统群桩、沉井等深水基础已很难适应琼州海峡通道的建设条件，因此开展水深 大于5 0 m 以上深厚软土地基上新型桥梁基础设计理论研究，给出切实可行的深厚软基桥梁成 套设计方法，对建设大型跨海桥梁工程具有很高的实用价值和理论指导意义。对此，由中交 公路规划设计院有限公司作为课题依托单位，联合中交第二航务工程局有限公司和东南大学 共同成立了课题组，向科技部8 6 3 计划现代交通技术领域办公室递交申请书，于2 0 0 7 年5 月 通过科技部8 6 3 计划现代交通技术领域办公室组织的专家审查，下达课题水深大于5 0 m 厚 软基跨海桥梁逆作法复合基础设计施工技术，编号为2 0 0 7 a a l1 2 1 0 2 。 沉箱钢管桩逆作法复合基础设计思路：在岸边预制巨型沉箱基础( 桩位预留孔洞) 一 海床清淤、抛石形成垫层一沉箱浮运，下沉、接高至海床面一沉箱内钢空腔灌水一完成沉箱 顶板浇筑一上部结构施工一上部结构施工同时，通过预留孔洞水下沉桩( 钢管桩与沉箱连接 前，沉箱承受全部荷载) 一上部结构荷载施工完成后，抽空钢空腔内的水，桩和沉箱连接成 整体( 钢管桩参与共同受力) 。针对这一设计思路，需要对工况划分及可行性进行研究。 1 2 国内外深水桥梁基础的现状 1 2 1 国外深水桥梁基础的型式 1 ) 设置基础：基础采用整体预制，通过浮运或浮吊吊装的方式，将基础放置在已整平的 海床岩面上，称为设置基础。日本本四联络线的南、北备赞桥海中基础、明石海峡大桥的主 塔基础、葡萄牙的萨拉扎桥3 号墩基础均采用此法修建。已建的此类基础最大水深达5 0 m ， 潮流速度为2 5 8 m s 。设置基础主体结构的加工制造在风浪较小的岸边或浅海地区，可以在 复杂的海洋建设条件下，缩短水深较大的主墩基础作业时间，降低了施工风险。此类基础适 用于地质条件好的深水基础。 2 ) 钟形基础：钟形基础是一种类似套箱面形状，外形像钟的基础。1 9 3 9 年首创于美国， 先后修建了波托玛河桥、圣玛铁一海瓦尔德桥、里查蒙德圣莱弗尔桥、奇萨皮克海湾 桥和俄勒岗桥；1 9 7 3 年开始在日本桥梁深水基础中采用，修建过大黑埠头桥、荒川岸海湾桥 东南人学硕士学位论文 等。此类基础适用于地质条件较好的深水基础阻1 。 3 ) 多柱基础：多柱基础是在管柱的基础上发展起来的，技术特点是加大管柱的直径，使 其能够承受海浪急潮的推力。日本大鸣门桥主墩基础采用承台柱4 m 1 6 根直径4 m 和2 根直 径7 m 的多柱基础口1 ；横滨湾大桥为主跨4 6 0 m 的斜拉桥，桥位处水深8 1 2 m 、覆盖层厚达5 0 - - - 6 0 m ，主墩基础采用深达8 2 m 的多柱基础。这种基础适用于水深较大、流速较急、有一定厚度 的厚覆盖层，柱底一般支撑在岩面上。 4 ) 自控式气压沉箱基础：日本鹤见航道桥为主跨5 1 0 m 的斜拉桥，水深1 2 m ，东京湾大 桥为主跨5 7 0 m 的悬索桥，水深l o 1 2 m ，这两座桥的基础均采用自动控制气压沉箱h 引，水下 基础深度分别为3 6 m 和4 1 m 。此类基础的特点是依靠沉箱内部的空气压力，形成无水作业施 工环境，沉箱底部有较大空间，利用机械设备在沉箱底部开挖作业。使沉箱下沉至设计标高。 但是，气压沉箱的高度受到箱内大气压力的限制，为保证箱底开挖的施工安全，气压沉箱的 高度一般在4 0 m 以内。 5 ) 希腊的r i o n 大桥1 连接伯罗奔尼撒半岛和希腊大陆，主桥为主跨5 6 0 m 的四塔斜拉桥， 其特点是在强地震带和深水厚沉积土上的复合基础。该桥所处的建设条件复杂，主要表现在 水深6 5 m ，海床表面为深厚的软弱土层，地震设防等级高。海床处上层4 - - - ，7 m 土层由砂砾构 成，其下分布着沙层、淤沙层、淤泥土。而在3 0 m 以下时，土层逐渐变得均匀，主要以淤泥 土和粘土组成，考虑了地壳板块漂离和地震时产生位移，要求设计考虑可能的地质构造水平 和竖向各2 m 的变位，由于海床2 0 米深范围的土层力学性能不好，为提高土的性能，用长度 为2 5 7 - - 3 0 m 、直径2 m 的钢管以7 8 m 的间距进行土体加固，每个桥墩下有2 5 0 根左右钢管桩。 为了适应基础与地基之间的滑动，在钢管顶部铺设5 0 c m 厚反滤砂层，其上铺设2 m 厚直径1 0 8 0 c m 的鹅卵石层，最上面铺设5 0 c m 厚的碎石层。桥梁基础直接放置在上述3 m 厚的砂砾层上， 基础和砂砾层间没有连接，可以在大地震时产生向上及左右方向移动，但在运营期及小地震 时不会滑动，基础与钢管桩之间的垫层起到了隔震的作用口1 。该桥由于先施工桩基后放置沉 箱，基础竖向反力基本由桩基承担，不能充分发挥海床的承载力作用，难以满足跨度更大的 桥梁基础受力。 1 2 2 国内深水桥梁基础的型式 近年来我国深水桥梁工程的设计施t 水平在实践中有了很大提高。一批世界瞩目深水桥 梁工程在我国顺利建成，如杭州湾大桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥等。目前，我国国内 大型深水基础的主要型式有桩基础和沉井基础睛9 l ，以下为国内近年来大桥设计施工的基本情 况： 1 ) 铜陵长江大桥为主跨4 3 2 m 双塔双索面预应力混凝土板梁式斜拉桥，主塔基础地基覆 盖层最大厚度为1 8 m 左右，主要为粉细砂和中粗砂，基岩为软质泥岩。主桥基础全部采用双 壁钢围堰+ 钻孔灌注桩，主塔基础采用1 9 根直径2 8 m 钻孔灌注桩，圆形承台厚度为4 m ，双 壁钢围堰外径3 1 m ，壁厚1 5 m ，最大高度5 4 6 m ，封底厚度8 m ，围堰仓壁内浇筑混凝土，施 工期间最大水深4 3 m 。 第一苹绪论 2 ) 南京长江第二大桥桥址江段被八卦洲分隔成南、北两汊。南汊桥桥型采用主跨6 2 8 m 双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主塔基础采用双壁钢围堰+ 钻孔灌注桩，主塔基础地基覆盖层最 大厚度为3 0 m 左右，主要为细砂及含砾中粗砂，基岩为砾岩和砂砾岩。主塔基础采用2 1 根直 径3 m 钻孔灌注桩，圆形承台厚度6 m ，双壁钢围堰外径3 6 m ，内径3 3 m ，围堰最大高度6 5 6 m ， 封底厚度8 m ，仓壁内浇注混凝土，施工期间最大水深3 6 m 。 3 ) 武汉军山长江大桥主桥采用主跨4 6 0 m 双塔双索面钢箱梁斜拉桥，基础地基无覆盖层， 基岩为砂质泥岩。主塔基础采用双壁钢围堰+ 桩基础，桩基采用1 9 根2 5 m 钻孔灌注桩，设 计采用了异型钢围堰结构，承台以下钢围堰为圆形，下塔柱范围内钢围堰的横桥向局部形 状随下塔柱的横向距离而变化。圆形钢围堰外径3 3 m ，内径3 0 m ，承台厚度6 m ，施工期间最 大水深3 3 m 。 4 ) 南京长江三桥主桥采用主跨6 4 8 m 钢塔钢箱梁斜拉桥，主塔基础采用双壁套箱+ 钻孔 灌注桩，地基覆盖层为粘土、中粗砂及砂砾卵石层，厚度4 0 - - 5 5 m ，基岩以泥岩为主。主塔 基础采用3 0 根直径3 m 钻孔灌注桩，哑铃形承台厚度7 5 m ，双壁钢套箱高度2 1 m ，封底厚度 4 6 m ，施工期间最大水深4 5 m 。 5 ) 杭州湾跨海大桥工程总长3 6 k m ，其中桥梁长度3 5 7 k m 。其中南航道桥为主跨4 4 8 m 双 塔铡箱梁斜拉桥，桥位处的地层以第四系覆盖层为主，厚度在1 3 0 - - - 2 2 0 m ，主要地层为亚粘 土、亚砂土、淤泥质亚粘土、粉砂、细砂、中粗砂等，属滨海平原混合型地层，基岩为熔结 凝灰岩。基础采用钢套箱+ 钻孔桩1 ，桩基直径2 8 m ，最大水深1 3 6 m 。 6 ) 苏通长江公路大桥位于江苏省东南部长江口南通河段，连接苏州、南通两市。主桥采 用主跨1 0 8 8 m 双塔双索面钢箱梁斜拉桥，基础建设条件复杂，覆盖层为第四系地层的松散沉 积物，覆盖层厚度在2 5 0 m 以上。主塔基础方案对沉井基础和桩基础进行了比选，从结构受力、 施工经验、工程风险等方面综合比选后，最终采用桩基方案n2 1 3 1 。主塔基础采用1 3 1 根直径 2 5 m 钻孔灌注桩，采用变截面承台，钢套箱壁厚2 m ，为抵抗船舶撞击力，套箱与承台连接为 整体，封底为变截面形式，靠近承台四周的部分进行了加厚处理，防止低水位时船底直接与 钻孔桩发生碰撞，施工期间最大水深约2 0 m 。 1 3 逆作法复合基础概述 1 3 1逆作法复合基础概念的提出 传统的桩基设计中建筑物荷载均由桩基承担，认为天然地基即桩间士不承担荷载。而实 际观测到桩基中桩间土分担了部分荷载，承台已直接参与工作，建筑物的实有安全系数大大 超过设计值u 引。设计中考虑桩土共同作用，使桩间土分担部分外荷载，是桩基优化设计、降 低造价的重要途径之。为了解决琼州海峡跨海大桥深水厚覆盖层的沉降问题，并降低工程 造价本课题组提出“水下巨型沉箱+ 钢管桩的逆作法复合基础”概念n 引。针对逆作法复合基础 的整体承载性能和沉降规律开展试验研究，提出深水软基桥梁逆作法复合基础设计方法，其 研究成果必将有效地提高跨海桥梁基础设计水平，走在该学科的前沿领域。 东南大学硕i ：学位论文 1 3 2 逆作法复合基础的概念 逆作法复合基础指的是：先进行建筑物或构筑物基础承台和部分上部结构的施工，而后 同时进行上部结构、压桩以及封桩施工的复合桩基n 引。 这里的基础承台是广义的承台，它包括有沉箱、沉井、筏基等基础型式。需要区别的是， 过去常说的逆作法是指在高层建筑施工时，先施工一部分地下支护结构，然后同时向上向下 施工，是一种针对整个结构的逆作施工，而逆作法复合基础则强调的是桩基部分的逆作。 1 3 3 逆作法复合基础的特点 ( 1 ) 逆作法复合基础施工的三个阶段n 7 1 ： 1 ) 压桩前施工阶段：在设计埋深处施工基础承台，同时在设计桩位处预留桩孔； 2 ) 压桩后封桩前施工阶段：施工若干上部结构后，当上部结构自重荷载大于压桩所需反 力，但小于天然地基的承载力时，可按设计方案通过承台预留桩孑l 分批进行压桩，但压桩后 桩体和沉箱未形成有效连结； 3 ) 封桩后施工阶段：包括封桩后上部结构继续施工阶段及竣工后的正常使用阶段。 ( 2 ) 逆作法复合基础受力的三个阶段n 引： 1 ) 浅基础阶段：在压桩之前，上部结构荷载e 全部由承台底地基土承担，完成对土体的 部分预压。土体与承台底部保持严密接触，此阶段的沉降对应于图1 - 1 中的墨： 藤 型一 施工进程( d ) 图卜l 逆作法复合基础施工、荷载一沉降特性曲线 2 ) 复合地基阶段：压桩后、封桩前，承台与桩体未形成可靠连结，桩不直接参与基础受 力，这一阶段的荷载e 仍然由地基土承担。相当数量预制桩的沉入有两个效果：其一为加固 作用，改变了土体的整体刚度；其二为地基土会有一定程度的上抬量s 。随着上部结构荷载 继续增加，封桩前复合地基阶段的沉降量为矗。从图1 - 1 中可以明显地看出复合地基阶段的 沉降速率小于浅基础阶段，沉降量亦小于浅基础阶段，现象的本质在于桩的介入对原地基土 有加固作用引； 4 第一章绪论 3 ) 复合桩基阶段：封桩以后，承台与桩顶形成可靠连结，桩直接参与基础受力，分担后 期荷载只。复合桩基阶段的沉降量为s 3 ，由于封桩后桩直接参与基础的受力和抵抗沉降变形， 依照弹性理论可认为封桩后基础刚度变大，基础的沉降量和沉降速率再次减小。 ( 3 ) 逆作法复合基础的优越性 在传统的桩基础设计思想中，认为桩承担了全部的上部荷载，而不考虑桩间土承担荷载 的能力，这种设计思想是保守的，这样的设计概念将导致压桩数量的增加，虽然这样会使桩 基础的沉降显得比较微小，但毕竟是以付出高昂的经济代价换来的。而建筑桩基基础设计 规范j g j 9 4 2 0 0 8 中已将疏桩基础列入规范，并考虑了桩间土的承载能力。逆作法复合基础 更是充分利用了“发挥天然地基土承载力”这一思想，考虑了桩土共同作用，先让天然地基 承受建筑物的一部分荷载再进行桩基施工的一种桩基设计施工工艺。逆作法复合桩基将全部 由桩承担的荷载改为由桩土共同承担荷载。同时为了更好地利用土体的强度，在动态骼测的 基础之上，分期分批地压桩及封桩，这样既可以明确合理地分配荷载，又可以实行施工工期 控制和环境控制，从而获得显著的经济、社会效益。 1 4 本文主要研究内容 1 ) 设计沉箱钢管桩逆作法复合基础! 睦向承载性能室内模型试验，通过对单桩、两桩及 四桩逆作法复合基础系列试验数据的处理和分析，研究逆作法复合基础的竖向承载性能； 2 ) 通过沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验结果分析逆作法复合基础的桩、土荷 载分担特性，建立沉箱钢管桩一地基土共同作用力学模型； 3 ) 针对沉箱钢管桩逆作法复合基础的荷载分配特点和沉降特性，提出按刚度分配的原 则确定桩土荷载分担比例的计算方法，并用试验结果进行验证； 4 ) 研究沉箱钢管桩逆作法复合基础的沉降特性，提出四阶段沉降计算方法，并用试验 实测值对计算结果进行验证。 东南大学硕士学位论文 第二章沉箱一钢管桩逆作法复合基础室内模型试验介绍 根据琼州海峡跨海大桥基础的原创性方案“水下巨型沉箱+ 钢管桩逆作法复合基础 ，课 题组工作大纲要求在大型混凝土试验槽内进行软土地基逆作法复合基础的室内模型试验研 究。试验前，需对模型与原型的相似比、沉箱的模拟、土层参数的一致性、试验组数、受力 方式模拟及测试方法等试验方案进行设计。本章就软硬件设施，试验设计以及试验模型制作 等各个方面介绍本次室内模型试验的有关情况。 2 1 试验设计 2 1 1硬件设施 ( 1 ) 试验槽与反力装置 模型试验利用3 o o m x 3 o o m x 4 5 0 m 大型混凝土池作为试验槽，试验槽上部有钢反力架， 可提供2 0 0 t 反力，采用粉质粘土作为地基土。试验槽如图2 1 所示。 数据采集室 加载反力系统 试验槽 图2 一l 试验槽及反力架 ( 2 ) 加载系统 逆作法复合基础室内模型试验利用手动油压千斤顶或电动油压千斤顶通过钢反力梁采用 慢速维持荷载法加载。加载装置图如图2 2 所示。 ( 3 ) 数据采集系统 试验过程中需要采集的数据有桩身各截面应变、桩顶竖向位移、沉箱竖向位移、沉箱底 土压力等。其中，应变片和土压力盒数据采用d h 3 8 1 6 静态应变采集仪采集，桩顶和沉箱竖向 位移采用d y 2 0 位移采集仪采集。试验数据采集、显示和存储系统如图2 3 所示。 6 第二章沉箱铜管桩逆作法复合基础室内模型试验介绍 ( a ) 手动油压千斤顶( b ) 电动油压千斤顶和油泵 图2 - 2 加载装置 ( b ) d y 2 0 ( c ) 计算机显示、存储幽 图2 - 3 数据采集系统 2 1 2 试验方案 课题组进行了单桩、沉箱、复合地基系列、逆作法复合基础系列试验。室内模型试验详 细试验方案如表2 - 1 所示。 表2 - 1 室内模型试验方案 2 1 3 模型制作 ( 1 ) 沉箱 考虑到实际工程中采用的是整体刚度极大的巨型沉箱，模型试验采用6 0 m m 厚的钢板模 拟沉箱，实测数据表明沉箱刚度满足绝对刚性要求。为方便后期压桩，需在钢板上预先留有 压桩孔，桩孔居中、对称布置，孔间距为6 d ( d 为桩直径) ，图2 - 4 给出单桩系列和两桩系列 7 半桩点焊合成一整体，焊缝与桩体变形一致，满足试验分析要求。桩顶焊有圆板形桩帽，桩 帽顶面刻有深7 m m ，宽1 2 r a m 的凹槽，以防在压桩过程中，当千斤顶置于桩帽上时导线不会被 压坏。每根桩桩侧贴有1 2 个应变片并对称布置，如图2 - 5 所示。本试验模拟的桩需通过模型 沉箱预留桩孔压入土体中，桩头露出地表6 0 r a m 。模型桩实物图如图2 - 6 所示。 桩顼 麈勤位i蕉赓 图2 5 桩身应变片布置示意图 图2 - 6 桩实物图 ( 3 ) 土 在3 0 0 0 m m x 3 0 0 0 m m x 4 5 0 0 m m 的试验槽内分层填入粉质粘土，填土厚度为4 0 0 0 m m 。每填 2 0 0 m 用8 0 k g 的重力夯将土分层夯实，严格控制土的含水量以及每层填土的高度与夯实后的 第二章沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验介绍 高度，保证士样的均匀性。填土完毕后，将试验土静置一段时间以利于夯击能消散，静置期 内为了防止土表因水份蒸发形成硬壳层，并且为保证土体强度在试验过程中变化不大，使各 批次试验具备可比性，填土完毕后在土体表面覆盖透明塑料薄膜。测得的各项土性指标见表 2 - 2 。 2 2 试验过程简介 2 2 1 单桩试验 利用油压千斤项将模型桩压入土中，静置7 天待桩周土强度部分恢复后测试单桩极限承 载力。 2 2 2 沉箱试验 在土层表面预先埋设土压力盒，安放沉箱，架设油压千斤顶和位移传感器，加载至极限 状态用以确定浅基础的极限承载力。 2 2 3 复合地基基础系列试验 在土层表面预先埋设土压力盒，安放沉箱并通过压桩孔对称分批压入钢管桩，架设油压 千斤顶和位移传感器，加载至极限状态用以确定复合地基的极限承载力以及估算封桩时间。 2 2 4 沉箱钢管桩逆作法复合基础系列试验 在土层表面预先埋设土压力盒，安放沉箱，架设油压千斤顶和位移传感器，加载至浅基 础极限承载力的百分之三十左右便进行压桩，此时保持上部试验荷载不变( 为了研究静压桩 在压桩过程中的力学机理以及后期的承载力特性，设计了静压桩模型系列试验，试验情况和 结果分析见附录a ) ；继续加载至复合地基极限承载力的百分之五十左右便可进行封桩，封 桩结束继续加载直至基础破坏。 逆作法复合基础室内模型试验过程可以明确地划分为三个阶段，即浅基础试验阶段、复 合地基试验阶段和复合桩基试验阶段。 ( 1 ) 浅基础试验阶段 将留有压桩孔的沉箱置于地基土上，在沉箱上放置油压千斤顶并架设位移传感器，油压 千斤项与上部反力梁相接进行加载。浅基础阶段所施加的荷载只一般为地基土极限承载力的 百分之三十左右，对应的沉降为图2 - 7 中的墨。 ( 2 ) 复合地基试验阶段 在保持浅基础阶段最后一级荷载不变的情况下，利用刚性反力架进行压桩，在压桩过程 中可以观测压桩力的变化( 压桩力曲线冈见附录a ) 。压桩结束后将保持基础上部荷载不变， 静置半个月左右，待桩周土体结构有一定量的恢复后再进入复合地基测试阶段。桩的压入对 9 东南人学硕仁学位论文 地基土有挤密作用，但由于并 载五由被改良的地基土承担， 基础阶段，沉降量亦小于浅基 荷载( f ) n 一一 u 芷 历 三、二一“。“4 旧7 n j 州 j 沉降( s ) 图2 7 逆作法复合基础试验进度、荷载及沉降曲线 在此需要说明一下，室内模型试验的试验进度、荷载及沉降曲线( 图2 - 7 ) 与实际工程中 的施工进度、荷载及沉降曲线( 图卜1 ) 是有差别的，因为在实际工程中大量预制桩的压入 会使基础产生上抬量s 。而逆作法复合基础室内模型试验用的是开口钢管桩，且用桩量小， 所以基础的上抬量很小，一般在荷载一沉降曲线上不能得到反映，可忽略不计。逆作法复合 基础室内模型试验在压桩期间，上部荷载量保持不变，而实际工程中压桩的同时，上部结构 施工并没有停止，所以前者的荷载曲线有水平直线段，而后者的荷载曲线是一直上升的。 ( 3 ) 复合桩基试验阶段 选择适当的时机将桩帽和沉箱焊接起来即完成封桩。封桩时机可以灵活选择，在本次试 验中，f z 一1 的封桩荷载为f d 一1 极限承载力的5 4 ；而f z - 2 、f z - 3 封桩较早，封桩荷载为 f d 一2 和f d - - 3 极限承载力的4 0 左右。封桩后试验进入桩、土共同作用的复合桩基测试阶段， 该阶段基础刚度达到最大，桩参与分配此阶段的上部试验荷载e ，对应沉降量为图2 7 中的 最，沉降速率较前两阶段再次减小。 1 0 第五章沉箱铜管桩逆作法复合基础室内模型试验成果分析 第三章沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验成果分析 通过设计系列单桩、两桩以及四桩的逆作法复合基础室内模型试验，研究了在极限荷载 作用下逆作法复合基础的荷载与沉降关系、基底土反力分布、基桩荷载传递模式以及逆作法 复合基础桩土荷载分担特性等，本章就进行系列试验取得的成果进行具体介绍。 3 1 沉箱承载性能分析 为了估算地基土的承载力和压桩时问，进行了独立的沉箱载荷试验。图3 - 1 给出沉箱的 荷载一沉降曲线图，曲线在加载初期即呈非线性发展趋势，b - 1 加载至1 8 k n 的沉降已达 3 9 7 4 m ，而曲线仍未发生明显陡降，基础呈典型的非整体破坏特征，取沉降为3 9 7 4 r a m 时对 应的沉箱底平均土压力2 6 0 4 k p a 作为地基土的极限承载力。 荷载( k n ) 03691 21 51 r2 1 o a 1 0 售1 5 澄2 0 螺2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 图3 一lb l 荷载一沉降曲线图 沉箱试验板底土压力盒的布冠如图3 2 所示，其中的阿拉伯数字编号代表土压力盒的位 置，板底土压力的发展趋势见图3 3 。从图3 - 2 沉箱基础的土压力分布规律可以看出，板底 土压力呈不均匀分布，在整个加载过程中，边角处测点的土压力分布曲线基本上都位于计算 平均土压力分布曲线的上方，且角点处土压力首先进入塑性阶段，其后土压力由边缘向中心 转移。在终止加载前的几级荷载作用下，角点处土压力盒数据增加较缓，而中心点土压力仍 以较大斜率递增。 沉箱底中部土反力与边角区域土反力相差较大，这表明刚性基础有足够的架越作用，在 调整基底沉降使之趋于均匀的同时，也使得基础在中心荷载作用下，基底压力发生了由中部 向边缘的转移，沉箱底土压力呈“马鞍形”分布。 东南大学硕士学位论文 051 01 52 0 加载值( k n ) 图3 - 2b - l 土压力盒布置图( 单位姗)图3 - 3 b - 1 土压力分布图 3 2 单桩承载性能分析 3 2 1 荷载一沉降特性 图3 4 给出了单桩在竖向荷载作用下的沉降曲线图，从图中可以看出，本试验粘性土中 单桩的q - s 曲线明显呈三段：0 5 k n ，曲线表现为斜率很小的直线段，桩顶荷载( q ) 与桩顶 位移( s ) 之间的变化近似为线性，表明此时桩周土处于弹性阶段；5 7 l 【n ，荷载与沉降变形 之间不再保持原有的近线性关系，曲线向下弯曲，斜率迅速增加，桩周土逐渐进入塑性阶段； 7 8 k n ，当荷载超过单桩极限承载力( 7 l ( n ) 时，桩顶沉降发生突变，不能够稳定，表明基桩 发生刺入破坏。 荷载( k n ) 0l23 4 56 7 89 图3 4z 一1 荷载一沉降曲线图 由对图3 - 1 、图3 4 的分析可知，在粘性土地基中，采用浅基础型式虽然能满足承载力 要求，但沉降远远超出建筑物容许沉降范围，而桩在达到极限承载力时所产生的位移仍相对 如 如 卯 如 0 4 3 3 2 2 l l 芒r坦一 o ， 2 3 4 5 6 7 暑暑v 簿牮 兰三兰鎏堂笪笙堂堡鲨堡垒茎型皇塑堡型堕竺盛墨坌堑 较小，控制沉降的效果显著，这些都为逆作法复合基础的应用提供了有利条件。逆作法复合 基础是采用基础逆作的施工方式，先施工的沉箱和部分上部结构荷载直接传递给沉箱底地基 土，并完成了对土体的预压；再分批将桩通过沉箱预留孔沉入土中，此时桩与沉箱可不立即 连结，继续施工上部结构，所增加的荷载由沉入桩后的地基土承担；如果此时沉降过大，则 压桩后可立即封桩，使沉箱与桩形成可靠连结，利用桩控沉的优势，此时沉箱、桩、地基土 处于共同作用阶段，此后上部增加的荷载由桩和桩间土共同承担。 3 2 2 桩荷载传递特性 根据桩身应变片实测数据绘制了z 一1 桩身轴力曲线如图3 - 5 所示。从图中可以看出，在 各级荷载下，桩身轴力分布形式基本相似，随着深度的增加而不断减小。桩侧摩阻力分布如 图3 - 6 所示，可见单桩侧摩阻力随着荷载的增加，自桩顶到桩端逐渐发挥。根据力的平衡原 理，桩端部的轴力与桩端阻力基本相等，由图3 5 和图3 - 6 可看出，本试验中的钢管桩长径 比l d = 4 0 ，在整个加载过程中，桩端阻力发挥比例始终保持在一个很小的范围内，约为1 0 左右，桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承担。 o 0 0 2 0 4 0 6 g 。0 8 趔 送1 0 1 2 1 4 1 6 轴力( k n ) o2468 0 0 2 0 4 o0 6 b 世0 8 送 1 1 2 1 4 1 6 平均侧摩阻力( k p a ) 01 02 03 04 05 0 l k n 2 心 3 k n 4 l 洲 5 k n 6 k n 7 l ( n 8 k n 图3 - 5z - l 轴力图图3 6z l 侧摩阻力图 3 3 复合地基基础承载性能分析 为了估算封桩荷载，进行了独立的复合地基基础试验，表3 - 1 给出了浅基础，复合地基 的极限承载力测试结果以作比较。在相同尺寸沉箱工况下，采用相同沉降评判标准，f d - 1 的 极限荷载水平略高于b l ，复合地基的荷载一沉降曲线在逆作法复合基础承载性能介绍中给 出，其曲线位于浅基础荷载一沉降曲线的上方，出现这些现象的原因在于钢管桩的压入使得 地基土的整体刚度增大堙0 。，导致沉降曲线斜率变缓，从而提高了复合地基的极限承载力。 东南大学硕士学位论文 表3 - 1浅基础及复合地基极限承载力 3 4 逆作法复合基础承载性能分析 3 4 1 荷载一沉降特性 f z 一1 、f z 一2 和f z 一3 荷载一沉降特性曲线如图3 - 7 所示，图中另给出了浅基础、复合地 基的荷载一沉降曲线以便进行对比分析。 荷载( k n ) 03691 21 51 82 l2 42 7 ( a ) 带台单桩系列 g g v 漤 趟 荷载( k n ) 0 61 21 82 43 03 64 24 8 ( b ) 带台两桩系列 荷载( k n ) 01 02 03 04 05 06 0 7 08 0 ( c ) 带台四桩系列 图3 7 带台单桩、两桩和四桩系列试验筒载一沉降曲线 以带台单桩系列试验荷载一沉降曲线为例，通过对b - 1 、f d - l 和f z - 1 曲线的对比分析可 1 4 o，m：2加笱如鲐驰弱 0 5 m：2加巧如弱们钙 g g v 稔牮 o 5 m：2加筋如巧加弱如 g u l v 漤堪 第三苹沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模翟试验成果分析 知： 1 ) 沉箱的荷载一沉降曲线位于逆作法复合基础曲线的下方，曲线在加载初期即呈非线性 发展趋势，以带台单桩系列试验荷载一沉降曲线为例，加载至1 8 k n 时的沉降已达3 9 7 4 m m ， 而曲线仍未发生明显陡降，沉箱基础呈典型的非整体破坏特征。 结合图3 4 单桩荷载一沉降曲线、图3 7 ( a ) 沉箱荷载一沉降曲线分析可知，在粘性土地 基中，采用沉箱基础虽然能满足承载力要求，但沉降较大，而钢管桩在达到极限承载力时所 产生的位移仍相对较小，控制沉降的效果显著，这些都为逆作法复合基础的应用提供了有利 条件。 2 ) 以带台单桩系列试验荷载一沉降曲线为例，图3 - 7 ( a ) 中逆作法复合基础的荷载一沉 降f l 线明显可分为四段： 第一阶段：试验荷载为o ，- - - 6 k n ，属于压桩前阶段，上部荷载作用在预留有压桩孔的沉箱 上，荷载全部由沉箱底地基土承担，对应的受力阶段可称为浅基础阶段，此阶段逆作法复合 基础f z 一1 的荷载沉降曲线与沉箱b - 1 的荷载一沉降曲线大致重合； 第二阶段：试验荷载为6 1 0 5 k n ，由于桩的介入，对地基土进行了加固，改善了地基 土的整体刚度，荷载由改良了的地基土承担，对应的受力阶段可称为复合地基阶段，在图3 - 7 ( a ) 上表现为：与b l 在相同荷载下的曲线段相比，f z 一1 在此阶段的曲线位于b - 1 曲线的 上方，有变平缓的趋势； 第三阶段：试验荷载为1 0 5 1 8 k n ，对应封桩后桩体达到极限承载力之前的阶段，由于 沉箱与桩体形成了可靠的连结，沉箱一桩一地基土处于共同作用阶段，此后上部增加的试验 荷载由桩和桩间土共同承担，且在桩达到极限承载力之前，上部增加的荷载人部分由桩承担， 沉箱底土分担得很少，荷载一沉降曲线变得更加平缓，其形状与单桩荷载一沉降曲线类似， 曲率变化的控制点也与单桩情况相对应； 第四阶段：试验荷载为1 8 - - 一2 4 k n ，对应桩达到极限承载力之后基础的受力阶段，由于桩 达到了极限承载力，无法承担更多的上部增加的荷载，符合塑性支撑桩的概念n 引，荷载转而 又由沉箱底土体承担，直至整个基础达到承载力极限状态。 3 ) 逆作法复合基础复合地基阶段的沉降曲线比普通复合地基在该荷载段的沉降曲线变化 平缓，这是因为在逆作法复合基础的浅基础阶段，土体已经被预压过，桩的压入是对已经被 预压过的地基土的再次挤密。而普通复合地基却没有该过程，所以逆作法复合基础复合地基 阶段的刚度是大于普通复合地基的，这就导致了前者沉降的速率小于后者。 4 ) 逆作法复合基础的衙载一沉降曲线都有一个很明显的拐点，f z - 1 、f z - 2 和f z 一3 分别 对应上部荷载为1 0 5 k n 、1 2 k n 及2 4 k n 的位置。拐点之后的5 6 级荷载下基础的沉降发展很 缓慢。这是因为拐点相应于试验过程中封桩结束并施加下一级荷载的时刻，在这之后桩参与 基础受力，基础进入了桩、土共同作用阶段。复合桩基阶段基础刚度大幅度提高对控制总沉 东南大学硕士学位论文 总是大于单桩极限荷载值( 7 k n ) 乘以桩数，但是不会超出很多。这是因为第三阶段为桩、土共 同作用阶段，桩在达到其极限承载力之前分担了大部分第三阶段的试验荷载，而地基