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预应力管桩竖向承载力的研究 摘要 本文从分析预应力管桩的两大效应一土塞效应和挤土效应着手，详细剖析了预应力管桩 的受力性状以及独特的承载机理，阐明了预应力管桩的荷载传递是通过桩管的内、外壁和管 壁底面三个途径实现的论点，明确了预应力管桩的承载力由桩管的内壁摩阻力、外壁摩阻力 和管壁的端阻力三部分组成。 ， 在预应力管桩受力分析的基础上，对因管桩内、外壁摩阻力及端阻力引起的桩身压缩量 t 进行了计算，建立了管桩侧摩阻力与桩身压缩量之间的计算公式，利用变深度剪切弹簧刚度 模型，建立了桩与土之间的受力模式，由此求解出计算公式参数并最终算出桩侧摩阻力的值； 在v e s i c 关于圆筒形 l 和球形孔扩张理论的基础上，利用球形孔扩张所消耗的功能应与孔周 围土体产生体变和形变所吸收能量守恒的原理和应力平衡条件，求解出球形孔扩张最终压 力，从而计算出预应力管桩桩端阻力。通过对理论计算值与实测数据进行分析对比，验证了 ， 理论计算意义及其实用价值。1 鉴于土塞效应与挤土效应对预应力管桩竖向承载力的影响，本文对大量的预应力管桩竖 向静载荷试验结果进行了统计归纳，并对管桩实际承载力与设计计算承载力之间的差异进行 了分析研究，提出了对建筑桩基技术规范中的经验公式的修正公式，并通过计算值与实 测值的对比验证了修正公式的实际意义，希望能为今后预应力管桩设计提供一定的分析与 参考价值。 关键词预应力管桩 管桩侧摩阻力 土塞效应 管桩端摩阻力 挤土效应 公式修正 r e s e a r c ho n b e a r i n gc a p a c i t y o f p r e s t r e s s e dc o n c r e t e p i p e p i l e a b s t r a c t t nt h ep a p e r ，b a se do nt h es o i l c o m p a c t i o ne f f e c t a n ds o i lp l u g g i n g e f f e c t t h ea u t h o r a n a l y z e d t h eb e h a v i o ro fs t r essa n di t s a n l q u e m e c h a n i s mo fb e a r i n gi nd e t a i lst h ep a p e ra ls o e x p o a n d st h es t a n d p o i n t t h a tt h e1 0 a dt r a n s f e r e n e eo fp h cisa e h i e r e dt h r o u g hi u u e rw a l l e x t e r n a l w a l ia n db o t t o mi tism a d ec l e a rt h a tt h e b e a r i n g ca p a c i t yo fp h cis c o m p o se d o ff r i c t i o n a lr es is t a n c eo fi n n e rw a l l e x t e r n a lw a l la n de n d b e a r i n g b a s e do nt h ea n a l y s iso fbe h a v i o ro fs t r e s s ，t h ea u t h o rc a l c u l a t e st h e c o m p r e ss i o no fp i l eb o d yc a u s e db yt h ef r i c t i o n a lr e s is t a n c eo fi n n e rw a l l e x t e r n a lw a l la n de n db e a r i n g ，h ea ls o p u t s f o r w a r daf o r m u l ab e t w e e n s i d ef r i c t i o n a lr e s is t a n c ea n d c o m p r e s s i o n o fp i l eb o d ya d o p t i n gt he v a r ia b l e d e p t hs h e a rs p r i n gr i g i dm o d e l ，h ees t a b l is h e st h es t r essm o d e l b e t w e e n p i l e a n d s o i l ，a n dt h e n c a l e u la t est h e p a r a m e t e ra n dt h e s i d e f r i c t i o n a lr es is t a n c ei nt h ee n db a se do nt h ev e s i c st h e o r yo fe x p a ns i o n o f c y l i n d r i e a l a n d s p h e r i c a lc a v i t y t h eu h i m a t ep r e ss u r eo f s p h e r i c a l c a v i t ye x p a n s i o nis g i v e nb ym e a n s o fs t r ess e q u i l i b r i u mc o n d i t i o na n d e o ns e r r a t i o n pr i n c i p l e i nw h i e ht h e e n e r g yg i y e np u t f r o m s p h e r i c a l ca v i t y e x p a n s i o nisa bs o r b e db yt h e p l a s t i ev o l u m ea n ds h a p es t r a i n s o f t h es u r r o u n d i n gs o i l ，t h e nt h e p a p e rc a l c u l a t e st h ee n db e a r i n go fp h c t h is p a p e r v e r i f i e st h e s i g n i f i c a n c e o ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n d p r a c t i c a lv a l u e t h r o u g h t h e a n a l y s i so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n d m e a s u r e dd a t a b e c a us co ft h ei n f l u e n c eo fs o i l c o m p a c t i o ne f f e c ta n ds o i lp 1 u g g i n g e f f e c to nt h ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t y o fp h c t h is p a p e r c o u n ta n d c o n c l a d e1 a r g eq u a n t i t yc a s e so fs t a t i c1 0 a dt es tr es u l tsa n da n a l y s ist h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r a c t i c a la n dd e s i g n i n gb e a r i n gc a p a c i t y ，t h e np u t s f o r w a r dar e v is e df o r m u l at o i m p r e y e t h e e x p e r i e n c e f o r m u lao f t h r o u g ht h ec o n t r a s to f c a l c u l a t i o nr es u l ta n dm e a s u r e dr e s u l t t h ea u t h o rv e r i f i e st h ep r a c t i c a s i g n i f i ca n c eo ft h er e v i s e df o r m u l ai t h o p e st h a t t h is p a p e rw i l ls u p p l ， s o m er e f e r e n c ev a l u ea n dh e l p f u lf o rt h ed e s i g no fp h ci n t h e1 a t e r k e yw o r ds ：p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p ep i l e s o i lc o m p a c t i o ne f f e c t s o i lp 1 u g g i n ge f f e c t f r i c t i o n a lr es is t a n c e e l a s t o p l a s t i cm o d e l r e v is e df o r m u l a 预应力管桩竖向承载力的研究浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 第一章绪论 1l 问题的提出 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其作用是将上 部结构的荷载通过较软弱地层或水传递到深处较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩基具 有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、沉降速率低而收敛快等特点。 桩基的使用经历了漫长的历史岁月，早在七、八千年前的新石器时代，人类为了防止敌 人的袭击、猛兽的侵犯和不占用耕地，就设法在湖上和沼泽地里打木桩，再在其上筑平台修 建居住点”i “。在水泥未问世以前，实际上能利用的桩型只有由天然材料做成的桩体例如 木桩和石桩。1 9 世纪中叶以后，由于水泥的出现和工业的发展，钢筋混凝土在建筑工程中 开始应用，于是出现钢筋混凝土桩。在2 0 世纪2 0 年代，特别是第二次世界大战以后，桩基 的理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也不断扩大，出现了形形色色的、花样繁多 的桩型，例如高强度钢筋混凝土桩、钢管桩、预应力钢筋混凝土管桩( 以下简称预应力管桩) 等。预应力管桩是预应力技术与离心制管技术结合的产物。按照预应力张拉工艺，预应力 管桩可分为后张法预应力管桩和先张法预应力管桩。后张法预应力管桩又称大直径预应力管 桩，桩身采用离心一辊压一振动复合工艺成型。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺 和离心成型制成的一种空心圆筒体细长混凝土预制构件，主要有圆筒形桩身、端头板和钢套 箍等组成。预应力管桩搔混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩和预应力高强度混凝土管 桩。预应力混凝土管桩代号为p c ，预应力高强度混凝土管桩代号为p h c 。p c 桩的混凝土 强度等级不得低于c 5 0 ，p h c 桩的混凝土强度不得低于c 8 0 。1 9 1 5 年澳大利亚人wrh u m e 发明了用离心法密实砼的成型方法。1 9 3 4 年日本开始制造钢筋砼离心管桩( r c 桩) ，1 9 6 2 年制成预应力管桩( p c 桩) ，1 9 7 0 年创制了预应力离心高强度砼管桩( p h c 桩) 。我国应用 预应力管桩最早的地区是台湾省，从六十年代中期开始就生产p c 桩。北京丰台桥梁厂是我 国研制应用预应力管桩最早的厂家之一，大约在1 9 6 8 年开始批量生产出4 0 0 8 0 和巾5 5 0 1 0 0 的p c 桩，主要应用于铁路工程和桥梁工程中。1 9 8 0 年日本人在香港建厂生产高强度预 应力管桩( p h c 桩) ，中4 0 0 9 7 管桩的单桩承载力标准值高达2 0 7 4 k n m5 0 0 i 0 0 管桩 的单桩承载力标准值高达2 8 6 5 k n 。1 9 8 4 年广东省构件公司、广东省基础公司、广东省建科 预应力管桩竖向承载力的研究浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 所研制成功预应力砼管桩。1 9 8 7 年交通部三航局混凝土预制厂全套引进日本生产p h c 管桩 的生产设备，专门生产$ 6 0 0 、由8 0 0 和$ 1 0 0 0 的较大直径的预应力管桩。1 9 9 3 年以后宁波 水泥制品厂也开始生产p c 桩和p h c 桩。预应力管桩在我国应用的历史已有三十年了，但 真正得到迅速发展还是近十年的事。预应力管桩( 尤其是大直径的预应力管桩) 在一定 程度上克服了实心桩在沉桩过程中的挤土影响，同时又比钢管桩的造价低2 0 - 3 0 ，具有 非常强的实用价值。 目前国内设计人员在进行预应力管桩单桩竖向承载力计算时，般按现行设计规范， 借用混凝土预制桩的计算公式，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，所蛆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、环底端阻力。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，若按原状土的设计参数进行计算，则得到 的结果往往偏低。【5 【6 】【7 】因此对“土塞”和“挤土”两项内容的研究，对确定预应力管桩承 载力的大小具有举足轻重的意义。 l2 国内外的研究现状9 m 】 12 1 概述 目前，在预应力管桩的竖向承载力计算时，通常从两个方面考虑。一是按桩身结构强度 确定单桩竖向承载力，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( 稳定系数妒) 。一是按土的强度与变形来确定单桩竖向 承载力，一般情况有静载试验法、经验参数法、静力触探法、动测法等几种方法。 l22 国外研究现状 世界上目前日本、英国，俄罗斯等国家是研究、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、应用下了很大的功夫， 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。1 9 6 8 年，日本制定了j i s a 5 3 3 5 先张法离心预应力混凝土管桩标准。1 9 8 2 年，又制定了j i s a 5 3 3 7 先张法离心高 强度混凝土管桩标准，并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订【1 2 】。 2 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力，日本和英国一般按公式( 1 - 2 - 1 ) t r = 0 2 5 ( 六一盯。) a ( 1 - 2 - 1 ) 式中：r 一管桩桩身额定承载力； 上一管桩桩身混凝土极限强度； 仃，。桩身有效预压应力； a 一桩身有效横截面积。 静力触探试验，简称静探。早在三十年代，荷兰已用简单圆锥探头来评价桩的单位端 阻。半个多世纪以来，静探的探头和加压、记录设备有很大改善，许多国家的学者研究提出 了用静探评价单桩承载力的方法，并在一些国家技术规程中被正式纳入。国外通过静探试验 确定单桩承载力的计算公式见表12 1 。 静力触探试验确定单桩承载力表1 2 1 国家公式备注f 希腊 只= 志 q c a + 2 轰0 4 英国 荷兰只= 去b 。4 】 双桥探头f 印度只= 是m 扣嘉 p o = o 7 r 。a + 厶乓】 前苏联 法国 只2 ；a , q c a , 4 + 扭如t 单桥探头 动测法系指桩的动力测试，它是通过测定桩对所施加的动力作用的响应来分析桩的工作 状态的一类方法的总称。从桩的承载力机理出发，可以按照桩土体系在动力作用下应变的大 小归纳为高应变和低应变两大类。高应变动测法系指具有足够击振能量，足以使桩土之间发 生相对位移，桩产生永久贯入度的动测法，例如史密斯( s m i t h ) 法、凯司( c a s e ) 法等。低应 变动测法则指击振能量较小，只能激发桩土体系某种弹性变形，而不能引起桩土相对位移的 动测法。例如桩基参数动测法、机械阻抗法等。高应变动测法现已作为确定单桩承载力的实 验手段之一。国际土力学基础工程学会( i s s m f e ) 野外及实验室试验委员会正式推荐高应 变动测法可用以确定桩的参考轴向承载力。 1 4 1 ”1 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文2 0 0 1 年1 0 月 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 分别为断t j ( f l i l l e y ) 动力打桩公式与改进的h mre p c e b a o s ( 格氏) 0 ：堡型w r + n 2 w p p + c 彬+ 2 q 。：一_ n a + 2 + 等鬻咿 式( 1 - 2 2 ) 和式( 1 2 3 ) 打桩公式 ( 1 2 2 ) ( 1 - 2 - 3 ) 123 国内研究现状 目前我国管桩制作质量比十年前己大大的提高，有不少厂家的产品质量达到国际先进水 平。同时，管桩的设计和施工水平也有较大幅度的提高。1 9 9 2 年，由苏卅l 水泥制品研究院 牵头全国十一个单位组成的管桩规范起草小组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，对我国管桩生产起了很好的规范指导作用。1 9 9 3 年成立了全国预制 混凝土专业委员会，1 9 9 6 年委员会和苏州水泥制品研究院组织全国有关厂家，编辑出版了 先张法预应力混凝土管桩的“结构设计图集”。管桩的设计施工规范也在编制之中，1 9 9 1 年， 广东省编制的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 里，首次将预应力管桩 施工纳入到规程中；与此同时，冶金工业部也颁布了预应力钢筋混泥土管桩施工技术规程 y b j 2 3 5 9 1 。1 9 9 5 年广东省着手编制预应力混凝土管桩基础技术规程，将管桩基础的勘 察、设计、施工及质检等技术规范化。该规程于1 9 9 8 年1 0 月1 日起在广东正式出版执行， 编号为d b j l5 - 2 2 9 8 。此外，广东省还在编制静压桩基础技术规程，使预应力管桩用静 压法施工的设计、施工工作规范化。1 9 9 9 年k a ，浙江省在预应力管桩多年应用的基础上 编制了省标先张法预应力混凝土管桩9 9 浙g 2 2 ，使预应力管桩的设计和施工工作得以 规范。 桩身额定承载力即桩身最大允许轴向承载力，不同的规范中有不同的标准。在广东省标 准预应力混凝土管桩基础技术规程d b j1 5 2 2 9 8 中【“1 ，按式( 1 - 2 1 ) 的标准控制。在 浙江省标准先张法预应力混凝土管桩9 9 浙g 2 2 中对额定承载力的计算应满足下式： o 。 ( o8 厶一o5 4 0 * 。) a ( 1 2 4 ) 式中：q 。一单桩竖向极限承载力标准值( k n ) ； 爿一桩身横截面面积： 4 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 厶一混凝土轴心抗压强度标准值 盯。一桩身截面混凝土有效预加应力。 按照地基基础规范提供的经验公式： r k = q p a ，+ “吼， ( i - 2 - 5 ) 式中：r 一管桩竖向承载力标准值； a 。桩尖投影面积： “一桩身周长； 一按土层划分的各段桩长： q q 一桩端土的端承力和桩周土的摩擦力标准值。 广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程d b j1 5 - 2 2 9 8 对管桩基础的单桩竖向承 载力设计值作如下规定： r = q 。 ( 1 2 _ 6 ) 式中：尺一单桩竖向承载力设计值； q 。一单桩竖向极限承载力标准值； 勺一桩侧阻、端阻抗力分项系数：当根据静载试验确定q “时，取= 16 0 ；当根据 经验公式确定q 。女时，取= l6 5 。 随着预应力管桩在国内的广泛应用，许多学者和工程技术人员，在静载荷试验、高应变 动测基础上，结合实际工程经验，归纳出很多经验公式，并在实践中起到了较好的指导作用。 广东建设开发公司王离总工程师根据他多年的施工经验，以及多根试桩结果的反算， 提出一个估算桩尖进入强风化岩层的预应力管桩单桩竖向承载力标准值的经验公式：l i s l r k = 1 0 0 n a p + “q l ， ( 1 - 2 7 ) 式中：一桩端处强风化岩的标贯值； q 一桩周土摩擦力标准值； 其余参数含义同前。 公式( 卜2 7 ) 的适用范 日：( 1 ) 管桩桩尖必须进入n 5 0 的强风化岩层，当n 6 0 时取 n = 6 0 。( 2 ) 当计算出来的r 。大于桩身额定承载力时，取r 。等于额定承载力。 5 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文2 0 0 1 年l o 月 广州大学建工系的宋建军对淤泥地区，桩端持力层为硬塑坚硬风化残积土，锤击式预 应力管桩单桩竖向承载力进行了研究，当持力层土的标贯值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 = ( 1 5 0 n a p 4 - u q l7 ) + “吼三， ( 1 _ 2 _ 8 ) 式中：一桩端处风化残积土的标贯值； 毹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土持力层的桩长 其余参数含义同前。 蓝星育等人对格氏打桩公式中的系数e 作了修正，并定义为土的恢复系数，给出re 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，效果较原公式更好。l 广州军区建筑设计院的蔡长庚高工对管桩单桩竖向承载力的确定进行了分析，提出了 以下几种方法：( 1 ) 通过现场静载荷试验确定。( 2 ) 按桩身额定强度来确定。( 3 ) 利用经验 公式进行估算。( 4 ) 用p d a 打桩分析仪实测确定。“ 浙江大学岩土所的张忠苗副教授对预应力管桩进行了大量的测试和理论研究“。从预 应力管桩的静载试验结果与用经验公式计算结果比较发现：绝大多数桩的静载试验所得单桩 竖向极限承载力要大于现行规范经验公式计算所得的极限承载力，特别是打在硬土层中的短 桩差值就更大，其分析的机理与宋建军相同。但打在高灵敏度高含水量的淤泥质土中，承载 力则有可能由于挤土效应而降低。 l2 4 单桩竖向荷载下的理论分析 l 竖向荷载下单桩的工作原理 当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于桩周土的向下位 移与此同时，桩身侧表面受到土的向上摩阻力的作用，桩身荷载通过所发挥出来的摩阻力 传递给桩周土层，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，桩 侧摩阻力尚未发挥作用而等于零。在加荷的初始阶段，摩阻力与位移近似地呈直线关系。随 着茼载继续增加，桩身的压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，从而 将荷载也部分传递给桩端土层并使其发生压缩，从而产生桩端阻力。桩端土层的压缩导致桩 土相对位移加大，桩身摩阻力进一步发挥，当桩侧摩阻力全部发挥出来达到极限后，位移继 6 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 续增大，桩侧摩阻力保持不变( 图1 2 1 ) 【2 3 1 【“i 。w h i t a k e r ( 1 9 6 6 ) ； 1r e e s e ( 1 9 6 9 ) 曾根据少量 桩的试验结果得出，发挥桩侧阻力所需相对位移趋于定值的结论。随着近年来大直径灌注桩 的不断应用，大量测试结果表明，发挥桩侧阻力所需相对位移并非定值，与桩径大小、趁工 工艺、土层性质与分布位置有关口“。桩的上半段侧摩阻力发挥远比桩的下半段为早，面桩 侧摩阻力又总比桩端阻力更早得到发挥。桩侧摩阻力发挥至极限后，若继续增加荷载，其荷 载增量将全部由桩端阻力承担。若荷载增大至使桩端持力层大量压缩和塑性挤出，位移增长 速度将显著加大，直至桩端阻力达到极限而破坏。此时桩所承受的荷载就是桩的极限承薮力。 桩端持力层土体的压缩变形服从土的压应力一竖向位移关系s 。= f ( o 。) ( 图12 2 ) 。 柱士相甘位， 圈1 2 1 桩侧摩阻力与位移的近似关系 ( q 。一单桩的极限摩阻力) 柱 上膏位岛 l l t l 2 - 2 桩端阻力与位移的近似关系 对于超固结的粘土和密实砂层，当桩侧摩阻力充分发挥，桩的下沉达极限位移时，孽阻 力将会降低。 由此可见，竖向荷载下桩土体系荷载传递过程和规律可概括如下： ( 1 ) 桩身位移s ( z ) 和桩身荷载q ( z ) 随深度递减，桩侧摩阻力q 。( z ) 自上而下逐步发挥其 发挥程度与桩土的相对位移量有关。桩侧摩阻力达到极值之前系随桩顶荷载的增加而增长， 在桩顶处发挥得最充分、传递值最大；桩尖处逐渐减小，桩尖处发挥值最小。 ( 2 ) 根据前人的试验研究结果：粘土中的桩侧摩阻力分布比较复杂，大部分沿深度呈抛物 线形分布( 图l2 3 a , b ，c ) ；砂土中的桩侧摩阻力分布一般呈抛物线形，随着荷载的增加 桩侧摩阻力的合力作用点逐渐下降( 图1 2 3 d ) 。桩侧摩阻力在桩尖附近处降低的原蚕可 认为是桩侧土的拱效应以及桩尖产生的径向力减小了桩侧法向应力。在桩顶表面处，量子位 移较大，砂土发生松动或粘土发生软化摩阻力均会降低。1 ( 3 ) 关于茼载传递的时效问题现时已引起工程界人士充分的关注。打入桩会使桩周产生 7 王矿 一彳芦， 一 。一 么一 - b 喂丑l _ # 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 重塑现象，超孔隙水压力现象以及随后的时效现象，即触变恢复现象，这些都会对抗力的分 配起重要作用。t o t a l i c o n ( 1 9 5 7 ) 通过桩的静载荷试验证明了桩侧摩阻力的降低并非由于重塑 过程使土的强度降低，而是打桩时桩的横向振动在桩土之间局部形成的缝隙所至。在粘土地 基中设桩，荷载传递与分配的时间效应不容忽视。 t ( k p a ) 0 o4 06 08 01 0 0 l 2 魁3 褂 ， 缓p 蕙 缓 荔 缓 羹 ( q ) 童力c k p q ) ( ) 一0 | - 下水位 晋型2 中砂 三6 臀8 瞢土 磅 _ 噬舟( k d q ) 2 警 ( d ) 直者i k p a ) ( b ) 中净6 着土 图1 2 3 各类土层中的桩侧阻力分布 ( q ) 款牯土中曲摩臣由分希：l b ) 中牛爱的着詹着土中曲直女希： ( c ) 曩精土中曲直力种：( d ) 砂土中曲量力着希 2 、竖向受荷单桩荷载传递的理论计算方法 竖向荷载下桩一土体系荷载传递的过程可简单描述如下：当荷载较小时，桩身位移与桩 周土位移相等；荷载再加大，则在桩顶的浅部土层的抗剪阻力充分发挥，并出现滑移现象。 极限摩阻力的发挥主要决定于桩一土的肃i 对位移，桩身摩阻力被充分发挥时的位移称为极限 位移，其值常远小于充分发挥桩底阻力所需的位移，故继续增加的荷载其大部分由桩底持 r 啪 枷 | ； 咖 啪 = 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 力层的端承力承担。在桩的承载过程中，桩身位移和桩身荷载随深度递减桩摩阻力自上而 下逐步发挥。由此可见，桩荷载与沉降关系为非线性关系，十分复杂。长期以来许多学者 对桩一土荷载传递理论进行了许多积极而有意义的探索，并形成了几种荷载传递的理论分析 方法，其基本理论课题在于：桩在不同深度z 处截面的竖向位移与深度的关系：荷载沿桩深 度如何变化：桩侧阻力沿桩深度如何分布等。”1 。” ( 一) 弹性理论法 弹性理论法的基本假定是：地基为均质的、各向同性的弹性半空间体，其弹性模量e ； 和泊松比v 。不因桩的存在而变化，桩周粗糙而桩底平滑，由于桩与土之间保持弹性接触， 因此有桩身位移等于相邻土位移的变形协调条件，在计算中，认为桩与土的径向变形很小， 可以忽略不计，而只考虑竖向荷载下的变形。 p o u l o s 等学者对刚性桩的弹性定性研究表明：。“增大桩底地基的弹性模量e 。与桩周土 的弹性模量b 之比或减小桩的长径比( l d ) ，都会增大荷载传递到桩底的比例。对于设在 弹性介质中的扩底桩随着桩的刚度系数( 桩身弹性模量与桩周土弹性模量之比) 的减小， 传递到桩底的荷载也明显减小，这种减小程度随着l d ( 扩大桩头直径与桩身直径之比) 的 增大而更加明显。 弹性理论法的优点是考虑了土体的连续性。但弹性理论法的分析是基于弹性力学的基 本解，而适用于桩基的弹性力学基本解很少，因此考虑分层土及非线性特征较困难，此外， 如何正确选择土的两个重要指标e 。、e s 也很重要。 ( 二) 荷载传递法 荷载传递法又称传递函数法，由s e e d 和 r e e s e 于1 9 5 5 年首先提出。“，该法基于竖向荷 载下桩土体系荷载传递的机理，将桩离散为一 系列等长的桩段，每一桩段与土之间都用非线 性弹簧联系，如图1 4 a ，这些非线性弹簧的 应力应变关系表示桩侧摩阻力t( 或桩尖抗 力0 ) 与剪切位移s 之间的关系( t s 或 口s 关系) 这一关系通常称为传递函数。 ( b ) 田1 2 4 桩的计算模式 在桩上任取一单元体，由单元体的静力平衡条件( 图卜4 b ) 可得 l 1 1 锑l l f 堡皇查竺笙坚堕墨塾垄塑堕壅 塑坚查兰婴主笙苎：! ! 坠塑旦 掣：一眠 叱 式中：u _ 一桩截面周长： z 一桩的截面深度。 考虑到单元的弹性应变量随深度z 值的增加而减小于是 p ( z ) = 一爿e ，i d s ( z ) 将式( 1 - 2 1 0 ) 代入式( 1 - 2 - 9 ) ， 式中a 一桩身截面面积； ( 1 2 9 ) e 一桩身弹性模量。 式( 1 - 2 1 1 ) 就是荷载传递法的基本微分方程。解得桩侧摩阻力的分布，从而可以求得 桩身轴力p ( z 1 的分布，以及桩身各截面处的位移。 ( 三) 剪切变形传递法 剪切变形传递法把桩身和桩端变 形分别计算。对桩身部分，c o o k e ( 1 9 7 9 ) 提出了摩擦桩的桩身荷载传递模式【3 2 l ， 如图( 12 - 5 ) 假定当荷载水平较小时， 桩在轴向荷载p 作用下沉降较小，桩与 土之间不产生位移。因此，桩沉降时桩 周土体发生剪切变形，剪应力从桩侧表 面沿径向向四周扩散到周围土体中。 c o o k e 用有限元法分析证明了该假定的 递的 棋型 合理性，其结果与p o u l o s 的弹性理论法结果相等。图( 1 2 - 5 ) 中，环形土单元a b c o 在桩发 生沉降s 后随之沉降，并发生剪切变形a b c d ：将剪切应力传递给相邻单元b c e f ，这个传递过 程连续地传递到很远处x 点该点距桩轴为r 口= h e 。，在x 点处由于剪应变已很小，可忽略不 o 挚 ，一 竺u f i 得 t 。 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 计。 受茼桩身周围土的变形可视为同心圆柱体。距桩轴r 处土单元的剪应变和剪应力为 出 。 西 ，：鼢：g 拿 a r 式中g s 一土的剪切模量 根据平衡条件及式( 1 - 2 1 2 ) 和( 1 2 1 3 ) 可得 = 0 鱼 出= 手g 加篑g 咖 jj ， ( 1 2 1 2 ) ( 1 2 1 3 ) n 一2 1 4 ) ( 1 2 1 5 ) 若土的剪切模量g 。为常数，则由式( 1 - 2 1 5 ) 可得地表以下任一深度z 处桩侧沉降的计算 m ，咖r g o r oj r ， , d r = 百r o r ol 哮( r o a r e r s ) s ( z ，r ) = o ( 四) 有限单元法 对于工程中碰到的大量问题，要找到弹性力学解非常困难。6 0 年代后期，随着电子计 算机的发展，开始将有限单元法应用于桩体分析。 有限单元法能考患地基土的不均匀性，非线性及各向异性等特征，可以引入桩与土的 应力历史情况( 打入桩引起的残余应力的影响等) ，并能考虑桩的滑移因此是分析桩工作 性能的有效手段。可用它来揭示桩的受力特性和规律，并与实测结果相验证，以指导桩的设 计与施工。其缺点是计算参数难求，不能保证计算的正确性。 l3 研究工作的思路 正如本文前面已经讲述过的，国内外许多学者提出的预应力管桩单桩竖向承载力的计算 方法往往是基于对释载试验数据的统计而得到的推锋方法，并未对预应力管桩的受力性状进 行详细的剖解和进行有机的结合，因此还无法真实地体现管桩的承载机理，即无法反映预应 1 1 预应力管桩竖向承载力的研究浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 力管桩极限承载力。本文正是从预应力管桩的受力性状的分析着手，对管桩的荷载传递与机 理方面的独特结构效应进行了详细的研究，并结合大量的试验结果，总结出计算预应力管桩 极限承载力的新的计算方法。 首先，结合前人的研究，对预应力管桩受力的两大效应土塞效应和挤土效应进行 了分析，并对不同性状土层中土塞和挤土情况进行了研究。 其次，采用弹簧刚度计算模式，并在此基础上假设桩土的受力模式，建立桩测摩阻力 的计算公式f = k l s ；，通过求解k 。、s 。，获取f 值；再利用柱( 球) 扩张理论计算出管桩的 桩端阻力。最终推算出预应力管桩竖向承载力值。 接着，通过预应力管桩静载荷试验结果的归纳，对预应力管桩的桩径、桩长、持力层 的分布进行了分析，并对管桩实际承载力与理论计算值之间的差异进行了分析研究。 最后，在预应力管桩静载试验结果分析对比的基础上，对规范中的竖向承载力计算公 式进行了修正，通过理论计算结果和静载荷试验结果的对比分析，验证了经修正的计算公式 的可行| 生，为今后预应力管桩竖向承载力的计算提供参考和分析。 预应力管桩竖向承载力的研究浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 第二章预应力空心管桩的受力性状 2 l 概述 对于开口的预应力空心管桩，其承载机理和承载力远比闭口桩复杂。这是因为预应力 空心管桩在沉桩过程中，桩端土受挤压后有一部分土进入桩管内形成“土塞”或“土芯”， 另一部分土将被挤向桩周。随着沉桩的继续深入，涌入桩管内的土芯不断增高，当达到一定 高度后，由于管桩内壁与土芯间的摩阻力作用，产生封闭效应，即形成了“土塞”。试验证 明土芯的高度及闭塞效果与土性、管径、壁厚、桩的入土深度及进入硬持力层的深度等诸多 因素有关。而桩端土的闭塞程度又直接影响端阻发挥与破坏性状及桩的承载力”料】【”】。 实际上预应力空心管桩的荷载传递是通过桩管 的内外壁和管壁底面三个途径实现的( 图2l - 1 ) ，桩 的承载力构成为 q u - q s + q 。+ q 。 ( 2 卜1 ) 式中q 。、q 。一分别为桩管外壁与内壁的极限摩阻力； q d - 管桩管壁的极限端阻力； q 广管桩的极限承载力。 计算预应力空心管桩承载力的关键是如何确定 管内土芯侧阻力。而管内土芯侧阻力的发挥性状不 同于管外侧阻力，后者随桩顶受荷、沉降出现自上 而下发挥，前者则只有当荷载传递到桩端并产生桩 端沉降才开始由下而上逐渐发挥。由于荷载较小时 管内土塞连同桩管同步下沉，只有当土塞底部受到 o u 口p f o p f 图2 1 1 桩极限承载力示意 足够大的反力，土塞才产生相对于内管壁的向上位移而使侧阻力逐渐发挥出来。土塞的模量 愈低，土塞的高度愈大，全部充分发挥土塞侧阻所需的沉降也愈大。一般情况下，要充分调 动土塞全长的侧阻力几乎是不可能的，因其所需沉降过大，比充分发挥端阻力所需沉降更大。 22 土塞形成的机理与性状 桩管内形成土塞是预应力空心管桩的结构特性。沉桩过程中桩的可打入性和沉桩阻力 的大小与土塞效应的大小及土塞在沉桩过程中的性状密切相关。f 3 6 i 一般说来土塞效应的强 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 弱和有无主要取决于桩径，并存在产生土塞效应的临界桩径d c ，根据前人的研究结果，对 于砂土层d 仃= 1 0 0 2 0 0 m m ；对于粘土和近海沉积土d c ，= 8 0 0 1 2 0 0 m m 。在同样的桩身规格、 土质条件和沉桩方法情况下，土塞效应的强弱与桩径成反比。在层状土地基中沉入预应力空 心管桩时，土塞形成与否以及土塞的长度随土层的软硬及其层序而变，当沉桩穿越软塑一流 塑状态的淤泥质粘土层时，土芯率l 乙( l 。为土塞长度) 明显下降：在同一土层，土芯率变化 不大；在层状土中沉桩，管桩在复合滑动面上剪切，管内壁侧阻力大小与土层组合有关，硬 土层所占比例越多，内侧壁阻力越强，则土塞越短，土塞效应越强，土塞引起的沉桩阻力在 土塞效应微弱时主要取决于桩内壁的摩阻力。在砂土中沉入预应力空心管桩时，会产生拱效 应和桩内土芯密实段与疏松段交替分布的现象。拱效应将桩端土阻力转变为对桩管内壁的法 向挤压力从而大大提高了砂土与桩管内壁的摩阻力。通常，预应力空心管桩的沉桩系采用 如下两种工艺之一，即静压沉桩或锤击沉桩。 相应地就有两种土塞形成机制：静态的和动 态的( 如图22 1 ) 。两种情况下作用于桩管 和土塞的力系略有不同。在静荷载作用下， 土塞直径越大，土塞端阻力越大，土塞的强 度越低，则土塞的长度越长即比较难形成 土塞的封闭状态：相反，桩端土越软，管内 侧摩阻力越大，土芯越强，则越易于形成土 塞。在动荷载( 锤击荷载) 作用下，除上述 影响因素外，土塞效应还受平均加速度a 的 影响，a 越大，越不易形成土塞，a 越小， 越容易形成土塞。 q 嘶行 q ；f f 瓯 q 图2 2 1 作用于预应力管桩和土塞的力系 ( q ) 静荷载作用下：( b ) 锤击荷载作用下 文献”7 1 提供了静态和动态两种情况下估计土塞长度l 。的公式 ：= 垩婴( 静态情况下) q + o2 5 d y ，2 五0 丽2 5 q b d c 穗隋( 2 - 2 - 2 ) q 。+ o2 5 d y ( 1 一兰) g 式中：d 和y 分别为土塞的直径和重度： a 和g 分别为土塞平均加速度和重力加速度 预应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 2 3 土塞效应对端阻的影响 前文我们已经讲述过，土塞引起的桩管 内壁侧阻力的性状受多种因素的影响和制约， 变化很复杂。一般情况求解由土塞引起的桩 管内壁侧阻力有三种计算模式，一是视土塞 为刚塑体并建立极限平衡方程求解：二是根 据应力、应变关系建立土塞荷载传递的微分 方程求解：三是把离散桩体及土塞当作弹簧质 块体系，视土为理想弹塑性体，利用线性方程 圈2 2 1 预盅力蕾桩警由土塞受力分析 组求解。 8 】 现在我们按照第一种计算模式计算管内壁侧阻力，并假设土塞不发生固结压缩。 取深度t 处厚度de 土塞隔离体的平衡( 图2 2 - 1 ) ，可得： ( p + ( 和 ) 4 = p c a + ( c + q 喀妒。) w 善+ y a a 告 由e 式得 霹2 万丽鬲印； 式中：pe 、qe 一深度l 处的竖向压力、水平压力： a 、u 一管内截面积、周长； c 土的内聚力或土与管壁的粘聚力； 妒。一土的内摩擦角或土与管壁的外摩擦角，取其小者； y 一土的重度。 对式( 2 3 一1 ) 两边积分，并设七= 2 t g o 。，d 。为桩的内径( m ) ， 为水平土压力与竖 向土压力之比，则有 舻警“1 ) ( 2 - 3 2 ) 式中p ，为单位截面积上的管内侧阻。 堡壁垄笪壁墨塑墨墼塑塑堑壅 塑里查兰堡主笙奎：! ! ! ! 兰! ! 旦 管内土塞总极限阻力为： 只= p ，a 若设桩端地基极限承载力为q 。，则总极限端阻力为 q 刖= g ，。爿 显然，预应力空心管桩端阻的破坏可能以下列两种形式之一出现 ( 2 3 3 ) ( 23 4 ) ( 1 ) 管内土塞沿管壁向上挤出( p x q 。) 即若管内土塞总极限侧阻小于桩端地基总极限阻力，管端就刺入土中，桩端土进入管内；反 之，则管内土形成闭塞，桩端地基土破坏。 式( 2 - 3 3 ) 、( 2 - 34 ) 随桩径变化的典型例子表示于图 2 32 。实际上总极限端阻力由图中二条曲线中较小值决定的 即为( 1 ) 或( 2 ) 中的某一状态。在d d c 区域内，闭塞效应虽然存在，但管内 总侧阻小于桩端地基极限阻力，故将其定义为不完全闭塞状态 留2 墨苎葛塞效应 图2 3 - 3 为进入持力层不同深度的预应力空心管桩静载试验所得荷载一沉降曲线。 从以上试验结果说明，土芯闭塞效应随桩端进入持力层的变化而变化。 n o 1 n o 已n o 3 n o 6 1 7 l 酉己3 3 予应力管桂糟戴_ - 沉| 睾 1 6 气肝眶躯 一 r r ，。 一，解群圭| |一解 _ 膝+王。 琐应力管桩竖向承载力的研究 浙江大学硕士论文，2 0 0 1 年1 0 月 管内土芯的高度是随着管径而变的，表2 3 - 1 为不同管径预应力空心管桩沉入相同土层 中土芯高度与桩入土深度之比( h = h 抽) 3 9 1 。由表可见，土芯高度比随桩径的增大而提高。 土芯高度与桩入土深度之比h表2 3 1 预应力空心管桩h ( 平均值) 外径( m i l l