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太原理工大学硕士研究生学位论文 管桩桩底注浆前后桩土应力应变特性研究 摘要 预应力混凝土管桩是近年来出现的一种新桩型。由于该桩型在地基加 固、施工工期、工程造价及环保等方面与传统地基处理方法相比具有较大 的优越性，因此在工程中得到了广泛应用。然而由于地层和桩身缺陷的事 情常有发生，利用后注浆技术进行提高承载力和桩身补强的实例时有发生， 但是预应力混凝土管桩注浆后的应力应变特性研究很少，设计理论的滞后 制约了该新技术的推广。本文在前人工作的基础上，通过室内模拟试验和 数值分析对管桩桩底注浆后桩土的应力应变特性进行了研究，本文的主要 工作有以下内容： 首先，介绍了预应力混凝土管桩的优点、缺陷、适宜地层、我国预应 力混凝土管桩的发展特点及国内外对管桩的研究进展，结合以上内容作者 提出了本文的主要工作。 其次，结合前人做出的成果，作者通过室内在砂土中的一系列模型试 验，得出以下结果： l 、管桩( 表示桩底为不注浆管桩) 与注浆管桩( 桩底注浆管桩) 的桩身 轴力沿深度方向逐步衰减，呈“倒三角形”分布，桩身轴力上部大于下部。注 浆后的管桩轴力衰减速度大于不注浆管桩轴力衰减速度，这是由于桩底注 浆后桩端头扩大后桩侧摩阻力增大的原因。 2 、管桩与注浆管桩角桩、边桩、中心桩的桩顶反力的比值分别为 1 2 8 ：1 1 3 ：1 和1 3 8 ：1 1 6 ：1 ，从而计算得到注浆管桩的角桩、边桩、中心桩的 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 桩项反力比管桩的桩顶反力分别增大了2 5 、1 9 、1 6 。这说明注浆后管 桩应力重分布使得桩项反力增大。 3 、管桩与注浆管桩不同位置的单桩侧摩阻力发挥程度，依次为角桩最 好，边桩次之，中心桩最差；角桩、边桩、中心桩注浆后桩侧阻力峰值比 管桩的侧阻力峰值分别提高了8 ，9 ，1 0 ，注浆后桩侧阻力有所提高。 4 、注浆后角桩、边桩、中心桩桩端阻力分别是管桩端阻力的2 3 5 倍、 2 1 8 倍、1 9 0 倍，说明桩底注浆后端阻力明显提高。 5 、在承台面积不变的条件下，管桩桩顶土压力峰值为1 3 8 k p a ，注浆后 管桩桩顶的土压力峰值为1 6 4 k p a ，后者为前者的1 1 9 倍。可见，注浆后桩 项反力峰值较不注浆的呈增大趋势，而土反力沿桩身高度呈递减趋势，即 随着桩身深度的增大，土反力逐渐减小。 6 、管桩与注浆管桩的荷载一沉降关系对比曲线表明桩底注浆后桩基的 沉降得到了改善，而且注浆后管桩的极限承载力为4 8 k n ，管桩的极限承载 力为4 0 k n 。注浆后管桩的承载力提高了2 0 ，从而可知桩底注浆对桩基 的承载力提高有明显的效果。 最后，利用a n s y s 有限元软件建立分析模型，主要针对桩身应力应 变和荷载一沉降关系进行了分析，揭示了管桩桩底注浆后桩土应力应变特 性。 关键词：管桩，桩底注浆，模型试验，a n s y s 分析 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo np i l e - s o i l ss t r e s s s t a i no ft u b u l a r p i l e sb e f o r e a n db a c kg r o u t i n g a b s t r a c t t h e p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b u l a rp i l ei so n ek i n do fn e wa p p e a r i n gt y p ei n r e c e n ty e a r s t h i st u b u l a rp i l e sc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lf o u n d a t i o nh a v e g r e a t e rs u p e r i o r i t yi nc o n s o l i d a t i n gi nf o u n d a t i o n ，t i m el i m i tf o rap r o j e c t ， c o n s t r u c t i o nc o s t sa n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，t h e r e f o r ei ti sh a dg o t e x t e n s i v eu s ei nt h ep r o j e c t b u tt h es t r a t u m sr e a s o n sa n dp o l eb o d y sd e f e c t s l e a dt oat u b u l a rp i l e sb e a r i n gi n s u f f i c i e n tt h i n go f k nh a v i n gh a p p e n i n g i ti s o c c u r e dt h a tt h eb o d ym a k e su s eo ft h eb a c kg r o u t i n gt e c h n o l o g yt or i s et h e f o u n d a t i o n sb e a ra n dr e i n f o r c et h ep i l e sb e a rf r e q u e n t l y b u tt h ep r e s t r e s s e d c o n c r e t et u b u l a rp i l eo fb a c kg r o u t i n gg e t ss t r a i n s t r a i nc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t y s t u d i e dv e r yl i t t l ea n di th a sr e s t r i c t e dt h ee x t e n s i o no ft h en e w t e c h n i q u e d e v e l o p m e n t b a s e do nt h ew o r k i n go fp r e d e c e s s o ra n dt h r o u g hi n t e r i o r a n a l o g u e t e s ta n dn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i s ，t h es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i co fs o i l t h a ti ss u r r o u n d e dt u b u l a rp i l e so nb a c kg r o u t i n gi ss t u d i e d t h em a i np a r to f t h i sb o o ki sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h em a i nb o d yo fab o o kh a si n t r o d u c e dt h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t e t u b u l a rp i l e sm e r i t , d e f e c t ，p r o p e rs t r a t u m ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fo u rc o u n t r y d e v e l o p m e n ta n da d v a n c e dp r o g r e s so fh o m ea n da b m a dr e s e a r c h b a s e do na l l 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 a b o v ec o n t e n t ，t h ea u t h o rs u g g e s tt h em a i nb o d yo f t h eb o o k ( 1 ) t h et u b u l a rp i l ea n dt h eb a c kg r o u t i n go nt u b u l a r p i l e sa x i sd e c a y s s t r e n u o u s l ys t e pb ys t e pa l o n gd e p t hd i r e c t i o n ，a n di ti sa s s u m e d ”t h ei n v e r t e d t r i a n g l e ”d i s t r i b u t i o n t h eu p p e rb o d ya x i sf o r c ei sg r e a t e rt h a nl o w e rp a r t t h ea x i sf o r c er a t ed e c a ys l o w l i e ra f t e rg r o u t i n g t h i si sc a u s eo ft h es i d e f r i c t i o ni n c r e a s i n ga f t e rt h e p o l eh e a de x p a n d e d ( 2 ) t h et u b u l a rp i l ea n db a c kg r o u t i n go nt u b u l a r p i l e sr a t i oo f t h ec o n e r p i l e t h eb o r d e r p i l ea n d i n n e r p i l ei s1 2 8 ：1 1 3 ：1a n d1 3 8 ：1 1 6 ：1r e s p e c t i v e l y i tc a nb eo b t a i n e dt h er e s i s t a n c eo nt h et o po f p i l ee n h a n c e d2 5 ，1 9 ，1 6 t i pr e s i s t a n c ei si n c r e a s i n gb e c a u s eo ft h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o n ( 3 ) t h ep e a kv a l u eo ft h es i d ef r i c t i o nf o r c ea r ec h a n g e dw i t ht h ep o s i t i o n o fg r o u t i n g ，i e c o n e rp i l e b o r d e rp i l e i n n e rp i l e t h ep e a kv a l u eo ft h es i d e f r i c t i o nf o r c ee n h a n c e d8 a n dt h es i d ef r i c t i o nf o r c ei m p r o v e su n o b v i o u s l y a f t e rg r o u t i n g ( 4 ) t h et u b u l a rp i l e st i pr e s i s t a n c eo ft h ec o n e rp i l e ，b o r d e rp i l e ，i n n e r p i l ea f t e rg r o u t i n g e n h a n c e d2 3 5t i m e s 2 18t i m e sa n d1 9 0t i m e s t h et i p r e s i s t a n c ei m p r o v e so b v i o u s l ya f t e rg r o u t i n ga n dt h el a t t e ri s1 1 9t i m e so ft h e f o r m e r ( 5 ) t h ep e a kv a l u eo fs o i lp r e s s u r ei s1 3 8k p aa n dt h ep e a kv a l u eo fs o i l p r e s s u r ea f t e rg r o u t i n gi s16 4k p a w h e nt h es i z eo f t h ec a pk e e p sc o n s t a n t i tc a n b es e e nt h a tt h eb e a r i n ga f t e rg r o u t i n gi se n h a n c i n g i ti sa s s u m e dt h a ts o i l r e s i s t a n c ei sad e c r e a s i n gt r e n da l o n gp o l eb o d y , n a m e l yt h a ts o i lr e s i s t a n c ei s i v 奎堕里三丕堂堡主婴塞生堂垡堡苎 d i m i n i s h e dw h e nt h ep o l eb o d yi si m b e d d e e p l i e r ( 6 ) a f t e rg r o u t i n g t h es e t t l e m e n ta n dt h e b e a r i n g c a p a c i t yb o t ha l e e n h a n c i n g t h el i m i tb e a r i n gi s4 0k na n d4 8k n g r o u t i n gf r o n ta n db a c k t h e b e a r i n ga f t e rg r o u t i n gh a si m p r o v e d2 0 s t r e n u o u s l ya n di tc a nb ek n o w nt h e b a c kg r o u t i n gh a so b v i o u se f f e c tt oi m p r o v e s t r e n u o u s l y f i n a l l y ，m a k i n gu s eo f t h ea n s y s f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f w a l et ob u i l d a n a l y s i sm o d e la n dm e e t i n gt h em a i ns p e c i f i c a l l yf o rp o l eb o d ys t r e s s s t r a i n ， p o l ec y c l es o i ls t r e s s - s t r a i n ，l o a d s e t t l e m e n tr e l a t i o nh a sc a r r i e do u ta n a l y s i s a n dh a sv e r i f i e dt h ea c c u r a c yt e s t i n gt h a t k e y w o r d s ：t u b u l a rp i l e ，b a c kg r o u t i n g ，m o d e le x p e r i m e n t ，a n s y s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：经垒壅：日期： 器国兰。1 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 经盘塑= 日期：塑z ：! ! 导师签名：筮! 查! 塞日期：2 堕：兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 预应力混凝土管桩的概述 第一章绪论 预应力混凝土管桩是一种具有鲜明特点的桩型，它是一种空心圆柱形细长杆件，主 要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍组成。它是预应力技术和离心制管技术相结合的产物。 一般情况下，软土、粘性土、粉土、砂性土及全风化岩体等地层条件都可以采用管桩， 因此预应力混凝土管桩成为岩土工程中的重要桩基础形式之一，且与其他一般基础工程 相比，具有桩材质量好、施工速度快、工程地质适应性强、场地文明等优点，在工业与 民用建筑、铁路、公路、桥梁、港口、码头等工程得到了广泛的应用。 混凝土管桩按混凝土的强度等级分为预应力混凝土管桩p c ( 混凝土的强度等级低 于c 8 0 高于c 6 0 ) 和预应力高强混凝土管桩p h c ( 混凝土强度等级不低于c 8 0 ) 。通常 将这两者统称为预应力混凝土管桩，近十年来在我国沿海地区得到了快速的发展，同时 得到业内人士的认同。 1 1 1 预应力混凝土管桩的特点 1 1 1 1 预应力混凝土管桩的优点【l 】： ( 1 ) 单桩承载力高预应力混凝土桩身混凝土强度高，有的达8 0 m p a ，并可打入密 实的砂层及强风化层，桩尖进入强风化层及密实砂层后，经过强烈的挤压，桩尖附近的 强风化层或密实砂层已不是原始状态，桩端承载力可比原状提高8 0 1 0 0 ，所以管 桩承载力设计值要比沉管灌注桩或钻孔灌注桩高，如0 5 0 0 - 1 0 0 管桩，最高设计承载力 用到2 7 0 0 k n ，相当于西6 0 0 和m 7 0 0 的钻( 冲) 孔灌注桩。 ( 2 ) 设计选用范围广管桩规格多，一般的厂家可生产0 3 0 0 呻6 0 0 管桩，个别还可 生产0 8 0 0 和0 1 0 0 0 管桩；单桩承载力从6 0 0 k n 到4 5 0 0 k n ，既适用于多层建筑，也适 用于5 0 层以下的高层建筑，而且在同一建筑基础中，还可以根据柱荷载的大小采用不 同直径的管桩，既容易解决设计布桩问题，也可充分发挥每根桩的最大承载力，并使桩 基沉降均匀。 ( 3 ) 对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强因为管桩桩节长短不一，常用1 0 2 0 m 一节，也有1 5 1 6 m 一节，也有4 5 m 、6 7 m 的短节，搭配灵活，节长方便， 在施工现场可根据地质条件的变化调节接桩长度，节省用桩量，不会像普通的预制混凝 太原理工大学硕士研究生学位论文 土方桩那样容易出现桩长不足或者余桩林立的现象。 ( 4 ) 单桩承载力造价便宜衡量桩基的经济效益，以每米造价或单方混凝土造价作对 比都是不科学的，应用单位承载力( 每吨或每k n ) 的造价作对比。虽然管桩每米造价比沉 管灌注桩贵，但单桩承载力高，结果每吨承载力造价还是比沉管灌注桩便宜；管桩单方 混凝土造价比人工挖孔桩和钻孔桩高，但持力层比人工挖孔桩和钻孔灌注桩浅，所以每 吨承载力的造价在正常情况下还是比挖孔桩和钻孔桩便宜。就拿中5 0 0 的预应力管桩和 中6 0 0 的钻孔灌注桩来比较，0 5 0 0 的预应力管桩单桩承载力可以达到2 0 0 0 k n ，m 6 0 0 的 钻孔灌注桩单桩承载力接近2 0 0 0 k n ，在同等地质条件下，t d 5 0 0 的预应力管桩的工程造 价比中6 0 0 的钻孔灌注桩的造价减少l 3 以上。在一般情况下，预应力管桩的单桩承载 力造价在诸多桩型中是较便宜的一种。 ( 5 ) 运输吊装方便，接桩快捷管桩节长一般在1 3 m 以内，桩身又有预应力，起吊 时用特制的吊钩勾住管桩的两端就可以方便的吊起来。接桩采用电焊法，若采用两个电 焊工一起工作，中5 0 0 的管桩，一个接头约2 0 分钟左右可焊好。 ( 6 ) 成桩长度不受施工机械的限制管桩成桩后的长度，大部分为2 0 3 0 m ，短者5 6 m 也有，长者达5 0 m 以上。由于管桩搭配灵活，成桩长度可长可短，不像沉管灌注桩受 施工机械的限制，也不象人工挖孔桩那样，成桩长度受地质条件限制。 ( 7 ) 施工速度快，工效高，工期短在商品经济发展的时代，“时间就是金钱，工期 就是效益”。管桩施工速度快，一台打桩机每台班可打7 8 根桩，可完成2 0 0 0 0 k n 以上 承载力的桩基工程。管桩工期短，主要表现在以下三方面：施工前期准备时间短，尤 其是p h c 桩，从生产到使用的最短时间只需3 4 天；施工速度快，一栋2 3 万m 2 建筑面积的高层建筑，一个月左右便可沉完桩；检测时间短，2 3 个星期便可测试检 查完毕。 ( 8 ) 桩身耐打，穿透力强因为管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩身可受重 型柴油锤成百上千次锤击而不破裂，而且可穿透5 6 m 厚的密集砂隔层。从目前应用情 况看，如果设计合理，施工收锤标准定得恰当，施工打桩的破损率不会超过1 ，有时 工程甚至不会打坏一根桩。 1 1 1 2 预应力混凝土的缺点及局限性： ( 1 ) 用柴油锤施打管桩时，震动剧烈，噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和 影响。然而，采用静压法施工，就无震动，无噪音，但挤土作用仍然存在。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后接去余桩较多，但采用静压法施工，送 桩深度可以加大，余桩就较少。 ( 3 ) 有些地质条件，如以石灰岩作持力层，在“上软下硬、软硬突变”的地质条件下， 不宜采用锤击法旌工。 1 1 1 3 预应力混凝土管桩的适宜地层【2 1 ： 一般情况下，软土、粘性土、粘土、砂土及风化基岩等地层条件可采用管桩，但对 以下四类情况不宜采用预应力管桩： ( 1 ) 障碍物、老基础及孤石较多的地层不宜采用。主要原因是容易发生如下质量 事故： 1 ) 管桩不能全部进入设计持力层，有的桩打到设计持力层，满足了设计承载力的 要求，有的桩打不下去，桩长相差较多，承载力也不能满足设计要求； 2 ) 桩尖接触到孤石或地下障碍物时，桩身会突然偏离原位产生大幅倾斜，甚至会 折断桩身，造成断桩现象； 3 ) 管桩桩尖破损，桩头易打烂。 ( 2 ) 有坚硬夹层且不能作持力层时不宜应用或慎用。有些场地存在有；些或多些 次密实状态的砂砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持力层，桩基必 须穿越此坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩施工遇到这些夹层时，要么穿不过去， 要么破损率很高，不能保证工程的质量。 ( 3 ) 石灰岩地区( 岩溶发育的地区) 。由于石灰岩地区岩溶较发育，造成的石芽和 石沟使基岩岩面起伏变化极大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩是水溶性岩石，不存 在强风化层，基岩表面直接是新鲜的岩石，强度高。在这样的地质条件下进行管桩施工， 桩长很难控制，容易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳定性差等现象。 ( 4 ) 从软弱地层突变为坚硬地层，在上软下硬、软硬突变的地层中，采用锤击法 进行预应力管桩施工时，由于缺少一层“缓冲层”。桩尖一接触硬岩层，贯入度就立即变 小甚至为零，使得管桩桩身容易破损，另外，由于桩端进入持力层深度浅，桩的稳定性 差，当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤动及上抬，桩基质量得不到保证。 1 1 2 我国管桩工程的发展现状 我国在管桩方面起步较晚【3 1 ，上世纪6 0 年代才开始生产预应力混凝土管桩，8 0 年 代后期开始开发了预应力高强混凝土管桩，在近十年中得到了快速发展，预应力混凝土 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 管桩已发展成为十几个品种及上百个规格。在广东、浙江、上海、江苏、福建、云南、 天津、湖北、安徽、山东、北京、广西、海南、四川、河南、辽宁、黑龙江等地区广泛 应用，并且进一步开发磨细矿物掺合料、钢纤维混凝土在管桩中的应用技术和开发钢管 混凝土管桩、长管桩等诸多的新工艺以适应重大工程的需要。 在管桩的设计理论和方法上，在预应力混凝土管桩应用较广泛的如广东、上海和浙 江等地都编有地方规范。但工程实践表明，这些地方规范尚不够全面和成熟。就目前的 施工方法而言，在软土中采用管桩其承载力主要靠桩侧摩阻力，由于桩端面积有限桩端 支承力发挥不充分导致桩端承力较小。目前我国对预应力钢筋混凝土管桩工作机理的研 究主要涉及：沉桩挤土效应研究、土塞效应 4 1 。国内对管桩单桩承载力的提高采取挤土 施工工艺，通过挤土提高桩侧摩阻力；通过选择合理的土质设计参数、选择合理的施工 方法减少过量锤击造成的桩顶烂桩1 3 】等措施来保证桩的施工质量来达到桩的承载力的充 分发挥嘲嘲。 在沉桩方式上，我国管桩沉桩方式主要有锤击法，静压法，预钻孔法等。我国目前 普遍采用锤击法和静压法【”，其中静压法又可以分为顶压式和抱压式两种。打入式沉桩 穿透岩土层的能力和单桩承载力要比静压桩大。目前我国应用管桩的地区除市区大多采 用柴油锤打桩法。柴油锤打桩法有其优越的一面，但也存在油烟及噪音污染等缺点。日 本在二十年前就淘汰了柴油锤，使用液压打桩锤。液压打桩锤无油烟污染，其锤击噪音 要比柴油锤低，而且锤击能量大小选择余地大。今后我们要花大力气推广应用液压打桩 锤。 静压管桩是把预应力管桩本身的优点和无震动、无油烟、无噪音的施工工艺较完美 地结合起来，是一种十分明显的工法，在城市内应用尤受欢迎。静压预制桩工艺是我国 独有的二十世纪七八十年代发源于武汉，广东于1 9 8 8 年从武汉引进。现在压桩类型不 仅有顶压式和抱压式，近年来还出现顶抱两用式，将两者的优点充分发挥出来。 1 2 管桩研究现状 1 2 1 国外研究管桩进展 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 6 6 年，出现了采用配螺旋箍筋的混 凝土预制桩，桩的形状开始设计并使用三角形、正方形、六角形、八角形。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，很快就用来制造环形管 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 桩、圆锥形桩和混凝土电杆。 日本、美国、加拿大、意大利、英国、德国、新西兰、俄罗斯是研究、生产、使用 预应力管桩较多的国家。8 0 年代末起，发展中国家如中国、马来西亚、菲律宾等对预应 力混凝土管桩的生产应用也普及起来。总的说起来，日本对预应力混凝土管桩的研究、 设计、施工、应用上下过很大功夫，取得了丰富的经验，是当今预应力混凝土管桩方面 技术领先的国家。 1 9 3 4 年，日本开始制造离心混凝土管桩( r c ) 。1 9 6 2 年又开发出预应力混凝土管 桩( p c ) 。开发初期用先张法和后张法同时生产p c 桩，后来以先张法生产工艺为主。 1 9 6 8 年制订了先张法离心预应力混凝土管桩标准j i s a 5 3 3 5 。 由于异型预应力钢筋的开发使用进一步促进了p c 管桩的发展，6 0 年代末至7 0 年 代初，日本又开发出预应力离心高强混凝土管桩( p h c ) ，1 9 8 2 年制订了先张法离心 高强预应力混凝土管桩标准j i s a 5 3 3 7 ，并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。 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。p h c 管桩开发以来，由于其优良的质量及多变的适应能力，得到了广泛的应 用。1 9 9 1 年各种管桩的产量达7 9 0 万吨。9 0 年代初受世界经济波动影响，建筑市场需。 桩量大幅度下降。1 9 9 5 年日本阪神地震后，对地震后建筑物的基础进行了调查，发现使 用管桩之外的建筑物基础都受到了不同程度的破坏，尤其是现场灌注桩破坏率较高。这 表明：p h c 管桩在抗震方面有很大优势。从而。管桩产量又逐年回升。 现在日本建( 构) 筑物各种基础都大量应用管桩，无论是市内还是市郊建设，在用 桩上都有一套比较好的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质量、施工安全、 企业效益等方面进行综合考虑制定可行的施工方案，这为管桩的应用提供了可靠的保 障。 1 2 2 国内研究现状 我国预应力混凝土管桩最早起源于6 0 年代，当时仅仅是为了满足一些特殊工程的 需要，8 0 年代才开始在广东省推广使用。 4 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0 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。6 0 年代末，为建设南京长江大桥需要，大桥工程局三处也开始生 产预应力混凝土管桩至今。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 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( 以往是法兰为接口，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、番禹桥丰水泥制品公司、 广东省七建管桩基础公司、宏运管桩厂、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、磨洗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g b l 3 4 7 6 9 2 。建设部 自1 9 9 3 年起，已将“高强预应力混凝土管桩”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。 1 9 9 8 年，全国约生产预应力混凝土管桩2 0 0 0 万米，其中广东省占7 0 。我国现也 成功研制出0 1 0 0 0 m m x 3 0 m 预应力高强混凝土管桩：成功将电厂粉煤灰和磨细石英砂应 用于预应力混凝土管桩的生产；已生产出中1 0 0 0 m m 2 8 m 大型滚焊机并成功应用于预应 力钢筋的加工工艺；浙江省推广使用薄壁p c 管桩已有十多年历史，并制定了相应的地 方规范。 相信随着新材料、新工艺、新产品、新机械的不断涌现，以及广大工程技术人员对 该桩型的进一步了解和使用，预应力混凝土管桩将会在全国范围得到更加广泛的应用， 我国的管桩行业将会更加健康地发展。 1 2 3 预应力混凝土管桩试验研究的发展与成果 7 0 年代d a v i s s o nm t l 8 】在进行了室内模拟桩基水平载荷的模型试验，七根模型桩外 径1 9 m m ，壁厚0 9 m m ，长为7 6 c m 的铝合金管制成，模型桩上贴有应变片测点，模型 桩按0 a 。3 0 0 ，4 5 0 埋设，试验进行了3 1 次，2 6 次在砂土中进行，5 次在亚粘土中进行。 试验表明：无论是在砂土中或粘土中各级荷载的抗力都呈曲线分布；当模型桩埋入深度 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 一定时，松散砂的最大土抗力的深度比中密砂和粘土中的深度都要低。 1 9 7 4 年c o o k e 【9 1 提出的摩擦桩的荷载传递机理模型，他假定当桩轴向荷载( p p u ) 较小时，桩的沉降较小，桩与土之间产生位移，桩周土随之产生剪切变形，剪应力从桩 侧表面沿径向向四周扩散到周围土体，桩上下层之间没有相互作用。 r a n d o l p h 【lo 】对打入粘土中的开口桩引起的径向位移进行了室内试验研究，试验结果 表明完全闭塞桩引起的变形是没有闭塞的3 倍。文中根据径向体积平衡给出了计算开口 桩挤土位移的公式，挤土位移的大小主要取决于桩的直径和壁厚。 b r u c y 【1 1 】等对打入不同砂土中的大直径开口管桩进行了现场试验调查，证实了由于 土塞的惯性，大部分管桩在打桩的动力冲击荷载作用下并没有出现完全闭塞现象。但如 果土塞的长径比 1 0 ，即使在打入过程中没有发生闭塞现象，其在静载情况下承载力 也是十分大的，呈现出闭口桩的特性( 完全闭塞效应) ，r a n d o l p h 等也印证了这个观点。 1 9 8 9 年n i y a n , m 0 2 j 将两根长为4 1 m 、外径9 0 0 m m 、壁厚1 1 5 m m 的混凝土管桩打入 夹杂不规则亚粘土的层状砂土中，打桩过程中两根桩的土塞高度几乎等于桩的贯入彰 ： 度，闭塞效应相当弱。得出闭塞效应的强弱与桩径、桩的入土深度、土性以及沉桩方式 是密切相关。桩径越大，闭塞效应越弱。 k i s h i d e 1 3 l 对砂土中的6 2 根开口模型钢管桩进行了加荷试验。试桩长度为5 0 c m ，外 径范围从1 0 m m 到1 0 0 m m ，直径与壁厚之比为5 5 ：1 ，模型土采用重度为1 3 3 5 k n m 3 ， 孔隙比为o 9 1 2 ，内摩擦角为2 6 。的t o y o u r a 干砂，砂和钢桩间的摩擦角为1 6 0 ，桩以2 m m s 的加荷速率压入土中。逐级记录贯入深度d 和桩内侧土的高度h 。试验表明，当土塞高 度与贯入深度比h d 为0 2 0 5 时，土塞高度的增加率突然减小，与桩的直径无关。 2 0 0 3 年陈波，闰澍旺【“】分别采用考虑土塞效应和不考虑土塞效应两种方式进行模 拟。桩侧土体都采用双曲线模型，桩端土体采用弹性理想塑性模型得出桩从泥面开始到 贯入深度1 0 m 范围内，考虑土塞效应与不考虑土塞两种方法的计算结果基本一致，但1 5 2 6 4 8 m 范围内土塞效应逐渐发挥作用，考虑土塞效应得到的锤击数大于不考虑土塞效应 的情况。 2 0 0 3 年苏振明、陈拥军【”】对8 根管桩在桩身埋设应力应变元件进行了破坏载荷试验。 从试验结果看出当桩项竖向受压时桩身首先产生压缩变形，使桩与桩周土之间产生相对 位移，进而产生摩阻力。在荷载较小时，变形量较小，桩端基本没有发生位移，桩端阻 力为零，此时桩项沉降完全由桩身压缩所致，而当荷载增加至一定值时，桩端出现向下 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 的位移，桩端土开始承受荷载。 2 0 0 5 年黄敏，龚晓南i m 】在带翼板预应力管桩承载性能的模拟分析中用3 种模拟分析 体系对一组试桩进行了模拟分析，并将分析结果与实测结果进行对比，以找出最合适的 模拟分析体系。该文认为：( 1 ) 带翼板预应力管桩承受荷载时，桩侧砂土受到翼板的 限制，明显的呈现出整体桩性能，因此在桩侧砂土界面应设置g o o d - - m a n 类型滑动单元。 实例分析表明，采用该分析方法拟合效果较好。( 2 ) 分析带翼板预应力管桩竖向承载力时 所采用的g o o d m a n 模型参数，是由分析普通预应力管桩时拟合得到，是混凝土一黏土层 界面参数。这是由于考虑到桩侧砂土的存在，加速了桩侧黏土固结等有利因素，砂土界 面设置的g o o d m a n 模型参数仍可近似采用混凝土一黏土层界面参数。在今后的工作中， 应在测试带翼板预应力管桩摩阻力的方法及数值上做进一步的研究。( 3 ) 提出的第二和第 三种模拟体系可以很好地模拟带翼板预应力管桩的性能。基于这两种模拟体系，可进一 步建立带翼板预应力管桩的承载力简化计算方法。( 4 ) 分析了翼板间距对承载力的影响， 分析表明，随翼板间距的减小，翼板对翼板间砂的约束作用逐渐明显，当翼板间距小于 2 5 m 时，其工作状态可近似认为是整体桩状态。 朱龙祥、汪承松【1 7 】通过现场对钻孔灌注桩桩底后注浆的实际工程检测得出桩底后注 浆可以克服钻孔灌注桩由成桩工艺等原因造成沉渣泥皮等对桩承载力的种种不利影响， 是提高单桩承载力的有效方法；可以减少桩顶沉降量、使桩端阻力和侧摩阻力同步发挥 作用；同时桩底注浆对砂质土、砂卵石效果比较明显，具有良好的经济效益。 胡中雄、侯学渊( 1 9 8 7 ) 【1 耵，李雄、刘金砺( 1 9 9 2 ) 【1 明将饱和软土中的沉桩挤土效应 视为半无限土体中柱形孔扩张问题，应用弹塑性理论求解沉桩瞬时的应力和变形。假定： 土是均匀的各向同性理想弹塑性材料，饱和软土是不可压缩的，土体符合库仑一莫尔强 度准则，小孔扩张前土体各向有效应力均等。这种方法实际上没有考虑塑性体应变和土 体的压缩。 1 9 9 4 年朱泓和殷宗泽【2 0 】用空间轴对称b i o t n 结有限元对打桩过程进行了模拟。将沉 桩过程视为从具有初始半径r 的圆柱形空腔扩张到2 r 的过程，在一定程度上考虑了深度方 向的影响，来弥补仅考虑平面应变的缺陷。在此基础上，对打桩引起的地面隆起，桩周 土的应力、位移、领桩应力等问题进行了计算研究，得出了一些初步成果。 陈国祝【2 l 】等根据桩尖进入粉细砂层4 3 d 1 拘直径6 0 0 m m 的开口混凝土管桩的实测资料 指出，开口混凝土管桩的闭塞效应，具有与闭口桩相同的承载力。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 9 8 年王士恩、刘超常、刘祖德【2 2 1 在长宽高分别为5 5 c m 、1 5 c m 、2 8 c m 的试验箱中 进行了管桩注浆试验。试样用土为太秦水库堆坝土，土样经风干、研磨、过筛、分层装 箱压实后加水饱和实测制备试样的含水量2 0 7 8 ，天然容重1 9 1 k n m 3 。选用外径为 2 1 5 c m 、长4 0 5 c m 的钢管模拟管桩，管桩下端用木塞封口，并从下至上每隔2 c m 垂直管 桩轴线钻孔两排，在1 2 c m 区段内共钻孔2 4 个，孔径4 m m 将两个长度相同直径相等，但一 个钻孔( 注浆桩) ，一个不钻孔( 对比桩) 的管桩同时压人试验箱土中，深为1 6 0 c m 。因桩 底土与桩周土相同，故可按摩擦桩考虑。管桩就位完毕。经静置一昼夜后分别做压桩试 验。试验得出用管桩注浆的方法提高桩基的承载力是完全可以的，而且效果明显。 陈文、施建勇等人( 1 9 9 9 ) 2 3 1 在分析饱和粘+ e e 静压桩的贯入机理的基础上，对静压 桩沉桩分析的圆孔扩张理论、应变路径法、有限元分析、滑移线理论和模型槽试验等5 种方法逐一进行评述，提出在传统的平面圆孔扩张理论基础上加以改进，采用准静态空 间轴对称方程组对静压桩贯入过程进行模拟，从而得出土体位移、应力、初始超孔压的 空间解析解。 刘万兴、张璞( 2 0 0 0 ) 2 4 1 根据沉桩时桩周土体的受力及变位特性，运用极值原理分别 从静力学和考虑速度场两方面出发推导并给出了桩挤土效应的计算公式。同时结合工； 程实例进行计算和分析，与试验结果进行了比较，可满足工程精度。 施建勇、彭韵( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 1 2 5 1 对压桩挤土效应方面的研究成果进行了综述，讨论了 室内和现场试验、圆孔扩张理论、有限元计算的研究概况，进行了沉桩挤土效应的有限 元计算，选用了修正剑桥模型作为土体本构模型，通过相应的试验，拟合出挤土作用对 土体初始弹性模量影响的计算公式，确定了土体本构模型参数和其他相关的计算分析参 数。 李月健( 2 0 0 1 ) 唧】基于土体内球形空穴扩张理论，研究静压挤土桩沉桩机理以及它们 在工程中的应用，引入剪胀角，采用摩尔一库仑屈服函数和不相适应流动法则获得考虑 土体剪胀性的球形扩张问题解析解。利用源一源的影像法b o u 盍i n e s q 解决用无限体内球形 扩张的解答来模拟半无限体中沉桩的问题，并考虑了沉桩时桩侧摩阻的影响，获得挤土 沉桩后周围土体产生的应力场、位移场、孔隙水压力场和土体强度变化规律的分析方法。 曹称宇( 2 0 0 1 ) 【2 7 】认为开口管桩土塞效应产生的内摩阻力无法量测，桩端阻力与实心 桩的端阻力不同，分析力学机理得到实用计算公式是困难的。提出了一个反映各种不确 定因素综合影响的经验系数修正计算公式，但确定经验系数困难，因此该方法无法广泛 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 运用。 陈波、阎澍旺等人( 2 0 0 1 ) 【2 8 】基于动力打桩公式，采用3 种不同模型，模拟打桩过程 中钢管桩内土塞工作机理，采用s m i t h 法编制程序求解波动方程，对某工程打桩中土塞 作用进行数值分析，得到分析土塞作用的实用模型。该方法适用于动力打桩施工的管桩。 王恒( 2 0 0 2 ) 例基于连续介质力学有限单元理论，采用点和面接触的物质理想模型模 拟软土地基中桩土的互相作用，通过二维弹塑性有限单元模拟桩的压入过程，分析了 单桩周围土体的位移，但没有对管内土塞作用做进一步的研究。 总结以上近年来部分学者对预应力管桩作用机理，预应力管桩挤土作用和土塞效应 得理论已经建立起来，引起不少专家的重视。而在补救工程和底层起伏较大、桩底硬土 层太厚等，均会导致桩底标高达不到设计要求，而通过桩底注浆后可以保证桩基达到设 计要求，但桩底注浆后的理论研究较少，因此本文就预应力管桩桩底注浆后土的应力应 变变化规律进行研究。 1 3 本文的研究目的及主要工作 1 3 1 本文的研究目的 改革开放以来，我国经济建设带动了土木建筑工程的迅速发展，大量的高层建筑、 民用住宅、公用工程及大跨度桥梁、高速公路、港口、码头等工程均需要优质的桩基础。 预制混凝土管桩是重要的桩基材料，