（岩土工程专业论文）大直径深长钻孔灌注桩承载性状及工程应用研究.pdf

摘要 摘要 本文在大量现场实测资料的基础上，对大直径深长钻孔灌注桩的承载性状进行了比较深入的研究。 1 通过对现场测试资料的分析，得出了大直径深长钻孔灌注桩承载性状的一些基本规律：大直径深 长桩属于摩擦型桩，桩侧阻力先于桩端阻力发挥，桩身上部的摩阻力先于下部发挥，在桩达到极限状态 时，桩身下部的侧摩阻力和桩端阻力通常还没有充分发挥。 2 对大直径深长钻孔灌注桩的承载机理进行了研究，推导了竖向荷载作用下单桩荷载传递的基本微 分方程。研究了桩侧阻力( 桩端阻力) 随桩土相对位移( 桩端位移) 的变化情况，得出了粘性土中和砂 性土中桩侧阻力的临界位移及非嵌岩桩桩端阻力的临界位移，并发现桩侧摩阻力的临界位移与深度关系 不大。分析了大直径深长钻孔灌注桩的尺寸效应和深度效应，讨论了桩侧阻力的软化效应和强化效应， 提出了有效桩长的概念，并从理论上推导了有效桩长的计算公式。同时指出桩端持力层的选取十分重要， 不仅直接影响桩端阻力，而且影响桩侧阻力的发挥。 3 针对桩基工程应用中的两个首要问题：承载力计算和沉降计算进行了研究，提出了单桩极限承载 力的预测公式，并对嵌岩桩和非嵌岩桩分别得出了工作荷载下单桩沉降的估算公式。在大直径深长钻孔 灌注桩桩侧阻力( 桩端阻力) 与桩土相对位移( 桩端位移) 实测关系曲线的基础上，对桩侧土选用了简 单适用的线弹性一全塑性模型，对桩端土选取了符合实际情况的两折线硬化模型，用荷载传递法从理论 上推导了大直径深长桩的荷载一沉降关系的解析解。 4 运用有限元法，对不同桩径、不同桩长、不同桩身弹性模量、不同桩端土的压缩模量、不同嵌岩 深度和不同沉渣厚度等各种情况下的大直径深长钻孔灌注桩进行了大量数值模拟计算，通过对计算结果 的分析得出了一些规律，并提出加强沉渣厚度控制和采取后压浆技术是提高大直径深长钻孔灌注桩承载 力的有效途径。 关键词：大直径深长钻孔灌注桩；静载荷试验；承载机理；侧阻力；端阻力：荷载传递法；承载力：沉 降：解析解；有限元法；后压浆 a b s 怕c t a b s t r a c t b a s e do nal o t 。f s t a t i cl o a dt e s t sa i l di n s 加s n s sm e a s u r i i 培r e s u l t s ，t 1 1 eb e a r i n gc 印a c i t yb e h a v i o ro f 血e j a 娼e d i a m e t e rl o r 增b o r e dc a s t - i n p l a c ep i l eh a sb e e nd e e p l y 咖d i e d i 1 1m i sp a p e l 1a c c o r d 访gt ot h ea n a l y s i sa b o u tm u c hf i e l dt e s td a t a ，s o m eb a s i c1 a w so f m eb e 撕r 培c a p a c i t yb e h a v i o r f o rt h el a 曙e d i a m e t e rl o n gb o r e dc a s t - i n p l a c e p i l e sh a v eb e e ng i v e n ： t m sp i l eb e l o n g st o 行i c t i o n t y p e p i l e st h es i d e 师c t i o nr e s i s t a l l c e 盯i s e se a r l i e r 血a 血et i pr e s i s t a i l c ea n dt h es i d e 斑c t i o nr e s i s t a n c eo n 血eu p o ft h 8p i l ea r i s e se a r l i e r 廿】舢1 廿1 ed o w m t h et j pr e s i s t a n c ea n d 仕i ed o w ns i d e 疗i c t i o nr e s i s t a n c eh a v en o tf u l l y d e v e l o p e du n d e rt | l eu l t i i n a t es t a t e 2s o m er e s e a r c ho nb e a r i n gc a p a c i t ym e c 上1 1 1 i 锄o ft h ei a 喀e d i 蛐e t e rl o n gb o r e dc a s t 一m p l a c op i l e sw a s d o n et h eb a s i cd i 矗i r e n t i a le q u a t i o no ft 1 1 el o a dt r a n s f e r i n gw a sd e r i v e du n d e rt l cv e n i c a ii o a dt h e r e l a 石o n s h i pa b o u tt h es i d e 丘i c t i o nr e s i s t a n c ew h j h 血er e l a v ed i s p l a c e m e mb e t 、v e e nt h ep i l ea 1 1 dt l cs i d es o i l w a ss n j d i e d a t 血es 锄et i m e ，t h er e l 撕o n s m pb e t 、v e e nt h et i pr e 5 i s t a n c ea l l dt h eb o n o md i s p l a c e m e n tw a s a l s os m d e dt h ec r h i c a ld i s p l a c e m e mo ft h eu l t i m a t es i d e 矗i c t i o nr e s i s t a n c ea b o u tb o t ht h ec l a y e ys o i la n d s a i l d ys o i lw a sg i v e n ，姐dt h e 州t c a ld i s p l d c e m e mo f 血eu n i m a t e 邱r e s i s t a i l c eo ft h eu 1 1 s o c k e t e dp i l ew a s g i v e nt o o w h a ti sm o r e ，i ti sp u tf o n v a r dt h a tt 1 1 e r ei sn or e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r i t i c a ld i s p l a c e m e n ta i l dt h e d e e p t ho ft h es o i l s o m ea 工l a l y s i sw a sm a d ea b o u ts l z ee 矗b c ta n dd e e pe 盛：c to fs i n 出ep 1 1 e t h es o f t 口n m g 卸d h a r d e l l i n go ft h es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ew a sd e e p l yd i s c u s s e dt h ee 丘j c t i v ei e n 舒ho ft h ep i i ei sp u tf o n a r d a n dt h ef b 肌u l ai sd e r i v e di nt h e o r y i ti so fg r a ei m p o r t a n c et oc l o o s et h eb o t t o mb e a r i i l gs t r a 亡l l mw h i c hn o t o m yd i r e c t l ya 髓c tt h et i pr e s i s t a n c eb ma l s oa 脏c tt h es i d e 矗i c t i o nr e s i s t a n c e 3 t h eb e a r i n gc 印a c i t ya 1 1 dt h es e t t l e m e mo fs n 9 1 ep i l ea r ev e r yi m p o r t a n ti n 廿1 ep i i ee n g i n e e r j n gt h e p r e d i c t i o nf o l l 工l u l aa b o u tt h eu i d m a t eb e a r i n gc 印a c i t yo fs i n 9 1 。p i l ei sg i v e n t h ee 蚶m a t ef o 瑚u l aa b o u tt h e b e a r i n gc a p a c 崎u n d e r 、o r k i n g - l o a ds 协t ew e r ep u tf o 州a r df b rb o ms o c k e t e dp 讧ea n du n s o c k e t e dp 主l e r e s p e c d v e l y b a s e do nt h ei n s i mm e a s u r e dc u r v e ，as e to fa n a i y t i c a le q u a t i o n sa b o u tt h e 心l a t i o n s h i pb e n v e e n l o a da n ds e m e m e n to fs i n 百ep i l ew a sd e r i v e dw i l hd i 施r e n tb i i i n e a r1 0 a d t r a n s f e r 如n c 廿o n sf o r 血e 【a r 紫- d i a r n e t e r l o n gb o r e dc a s o i n _ p l a c ep i l e s 4a l lk i n d so fd i 龄r e n tc o n d i t i o n sa rt h o r o u g h l ya 1 1 a i v z e dw i t ht h ef m i t ee i e m e n im e t h o df o rt h e 1 a r g e d i a m e t e rl o n gb o r e dc a s t i i l - p l a c ep i l e s ，s u c ha sd i 龀r e n tp 她1 e n g t h ，d i 疵r e mp i i e d i 锄e t e r ，d i 疵r e m p i l e - e l a s t i c m o d u l u s ，a n ds oo n s o m eu s e t l l ll a w sw e r ed r a w e dt h r o u 出t h ea n a i y s i sa b o 吐t h er e s u l t so f t h e c a l c u l a t i o n f i n a l l y ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dm a t i t i sa 1 1e 位嘶v em e t h o dt oi m p r o v em eb e a r i n gc 印a c 时o f m e b o r e dc a s t i n 。p i a c ep i l et h r o u g hc o n 仃0 1 l j n g 船t h j c k n e s so f b o 怕ms e d i m e n t a r ya n da d o p 廿n g g r o u t m g t e c h n i a u e k e yw o r d s ：1 a 培e d i a m e t e rl o n gb o r e dc a s t i i l _ p l a c ep i l e s ；s t a t i c1 0 a dt e s t ；b e a r i n gc 印a c i t ym e c h a n i s m ； s i d ef r i c t i o n r e s i s t a c e ；t i pr e s i s t a n c e ；l o a d _ l r a n s f e rm e t h o d ，b e a r i n gc a p a c 时；s e t n e m e m ：a na i y 石c a l s 0 1 u 吐o n ；f _ m 沁e l e m e mm e m o d ；g r o u t i n g 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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：蜀越日期： 关于学位论文使用授权的说明 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( 包括干0 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。 签名：$ 选聊签名：壶缝绮 期 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 桩基础历史悠久，源远流长。美国肯塔基大学的考古学家于1 9 8 1 年根据在太平洋东南沿岸智利的 蒙特维尔德附近的森林里发现的一间支承于木桩上的木屋，经过放射性碳6 0 测定，认为其距今至少已 有1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 年的历史。我国考古学家于1 9 7 3 1 9 7 8 年在浙江余姚河姆渡村发掘了新石器时代的文 化遗址，出土了占地约4 万平方米的大量木结构遗存，其中有木桩数百根，经测定，距今约6 0 0 p 7 0 0 0 年，这是全球迄今发现的规模最大的木桩遗存“1 。 桩基不仅历史悠久，而且经久耐用。我国古代许多建造于软弱地基上的重型高耸建筑以及历史名 桥都是成功地运用了桩基础，至今雄姿依旧。如饱经风霜的上海龙华塔( 公元9 7 7 年重建) 至今仅略有 倾斜，山西太原晋祠圣母殿( 建于公元1 0 2 3 1 0 3 1 年) 仍无明显不均匀沉降，而闻名中外的北京市郊芦 沟桥( 重建于公元1 1 8 9 1 1 9 2 年) 虽己局部损坏，但尚能承受4 0 0 多吨的大型平板车正常运行。这些都 是我国古代木桩基础的典范”。 人类应用木桩经过了漫长的历史时期。1 8 2 4 年波特兰水泥的发明和1 8 6 9 年转炉炼钢法的成功，使 得钢筋混凝土开始应用于土木工程，从此桩基材料也开始发生深刻的变化。百余年的历史证明，钢和混 凝土是远比木材更为理想的制桩材料，其意义不仅是摆脱了木材资源的匮乏，更重要的是钢桩、混凝土 桩和钢筋混凝土桩的出现给古老的桩基技术注入了勃勃生机。 桩基的应用虽然己经经历了漫长的历程，然而审视现状，环顾世界各地，桩基的应用正方兴未艾， 桩基的生命依然显得年轻，有许多奥秘犹待探索，其应用前景仍然十分广阔。刘金励”1 指出，上世纪7 0 年代以来，从国际范围看，单桩承载力与变形机理、设计理论、工程应用等均取得了新进展，桩型、沉 桩技术与设备也有创新，桩基础作为一种古老和传统的基础形式随着工程实践和科学研究的发展，不断 焕发出新的技术潜能，显示出强大的生命力。 1 2 大直径深长钻孔灌注桩的特点 钻孔灌注桩是目前广泛应用的一类桩型，适用于各类土层条件，特别是大直径深长钻孔灌注桩由于 单桩承载力高、变形小、抗震性能好、施工方便、经济效益好而广泛应用于高层建筑和大型桥梁中。目 前国内高层建筑中应用的钻孔桩直径达25 m 以上，桩长超过9 0 m ，桥梁钻孔桩直径达4 o m ，桩长超过 1 0 0 m 叭。 大直径深长桩大多为灌注桩，灌注桩包括人工挖孔桩和机械钻孔桩两大类。人工挖孔桩于1 8 9 3 年 在美国问世，至今已有1 0 0 多年的历史，钻孔灌注桩于上世纪4 0 年代初随着大功率钻孔机具研制成功 也是首先在美国出现的”。我国钻孔灌注桩是1 9 6 3 年在河南诞生的，这年冬在河南安阳冯宿桥施工中 首先采用了钻孔灌注桩基础”1 。目前，大直径深长钻孔灌注桩广泛应用于建筑、桥梁、港口等工程。例 如，上海浦西的港汇大厦采用了入土深度达8 5 m 的钻孔灌注桩，温州瑞安皇都大厦采用了长达9 8 的 钻孔灌注桩，山东利津黄河公路大桥桩基实际钻孔深度达到1 2 4 m ，杭州钱塘江六桥钻孔灌注桩桩长达 1 3 0 余米，在建的南京长江第三大桥桩径达3 o m ，桩长近1 0 0 m 。 大直径深长钻孔灌注桩有如下特点： ( 1 ) 大直径深长钻孔灌注桩单桩承载力大，常可一桩一柱，布桩间距大，群桩效应小。 ( 2 ) 大直径深长钻孔灌注桩属于非挤土桩，施工基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧移，也无。 浓烟排放，因而对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施等危害小。 ( 3 ) 大直径深长钻孔灌注桩因其桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较大的水平 荷载，故能有效地充当坡地抗滑桩以及建筑物基坑开挖的支护桩。 ( 4 ) 钴孔灌注桩最大的特点是可以穿过各种复杂地层，并可将桩端置于坚实土层或嵌入基岩，如 南京长江第三大桥桩身嵌入微风化泥岩近三十米，这是其它施工方法很难做到的。 东南大学硕士学位论文 ( 5 ) 大直径深长钻孔灌注桩由于在地下或水下钻孔灌注成桩，施工影响因素众多，故桩身质量不 可能象预制桩那样稳定可靠。一 1 3 竖向荷载作用下单桩承载性状研究现状 1 3 1 单桩承载力研究现状 单桩承载力在桩基工程应用中十分重要，确定单桩承载力的方法很多。 1 静载荷试验法 静载荷试验是确定单桩承载力最直接、最可靠的方法，我国和世界许多国家现行地基基础规范和工 程实践均将静载荷试验作为工程中桩基承载力确定的标准试验方法，并是其它检测方法的比较依据”1 。 单桩静载荷试验由于接近于桩的实际工作状态，可以考虑桩在工作条件下的各种因素( 包括地基土的支 承能力、桩身材料和施工影响等) ，这是其它任何方法所无法比拟的。由于静载荷试验技术比较成熟， 试验结果相对可靠，所以在所有桩基承载力试验方法中占有绝对主导地位，并以慢速维持荷载法最具代 表性。通过静载荷试验，可以得到桩的荷载一沉降曲线( 即通常所称的0 一s 曲线) ，通过o s 曲线和其 他一些辅助曲线( 如s 1 9 t 和s g q 曲线等) 确定单桩承载力。 2 o s t e r b e r g 试桩法 美国于2 0 世纪8 0 年代中后期研制了一种桩基承载力测试新方法一o s t e r b e r g 法( 国内一般称之为 自平衡法) 。这种方法由于装置简单，避免了堆载法中需要配重或锚桩法中需要锚桩作为加载反力平衡 装置，这就为常规静载荷试验无法开展的场合( 如水上试桩、坡地试桩) ，提供了一种相对比较可靠的 直接试验方法。由于0 s t e r b e r g 试桩法中桩的受力机制与传统压桩试验中桩的受力机制不太相同( 传统 压桩试验中，桩侧摩阻力由桩顶附近土层向下逐渐发展，且方向向上，而o s t e r b e r g 试桩法中桩侧摩阻 力是由桩底向上逐渐发展，且方向向下) ，特别是o s t e i b e r g 试桩法中平衡点( 中心点) 如何准确选定， 存在不少争议，一般认为o s t e r b e r g 试桩法测出的结果总是偏于保守的，更有人对此法持怀疑态度，认 为0 s t e r b e r g 试桩法不符合桩受力的实际情况，其结果也是不真实的”。 3 高应变动力测试法 高应变动力测试法是应用物体振动与应力波的传播理论来确定单桩承载力的一种方法。它与传统的 静载荷试验相比，在试验设各、测试效率、工作条件以及试验费用等方面均具有一定的优越性，其最大 的技术经济效益是速度快、成本低，可以加大测试比例。动测法是一种快速确定桩基承载力的方法，但 其适用范围是有限的，可靠性还有待提高”“，自1 9 世纪人们开始采用打桩公式计算桩基承载力以来， 这种方法已包括“： ( 1 ) 打桩公式法，用于预制桩施工时的同步测试，采用刚体碰撞过程中的动量与能量守恒原理， 并以工程新闻打桩公式和海利打桩公式最为流行。 ( 2 ) 锤击贯入法，简称锤贯法，曾在我国许多地方得到应用，仿照静载荷试验方法获得动态打击 力与相应沉降之间的曲线，通过动静对比系数计算承载力。 ( 3 ) 波动方程半经验解析解法( 又称c a s e 法) ，将桩身假定为一维弹性杆件，土体静阻力不随时 间变化，动阻力仅集中在桩尖，根据应力波理论，确定桩的承载力。 ( 4 ) 波动方程拟合法( 即c a p w a p 法) ，其模型较为复杂，只能编程计算。该法和c a s e 法是目前最 常用的两种高应变动力试桩方法。 4 静动法测试桩基承载力 静动法( s t a t n a m i c ) 是国外2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种高应变测试桩基承载力的方法。1 9 8 9 年加拿大的伯明翰( b e r i n gh a i n i i i e r ) 公司和荷兰应用科学研究协会建筑材料与结构研究所( t n 0 ) 共 同研制成功的一种特殊的加载装置，主要特点是使作用在桩顶的力脉冲延续时间较长，一般为几十毫秒， 甚至几百毫秒，这样可使桩产生很大的贯入度，又不破坏桩项。更为重要的是，在此动力作用下，桩身 的应力和位移都与应力波的传播无关，而接近于静态承压桩，因此分析上比较简单，无需像波动方法那 样需要许多假定和一系列的参数。 2 第一章绪论 由于静动法能推算出静测荷载曲线，结果比较可靠，适用范围广，同时又兼有动力测桩的快速、经 济等优势，因此该法很快就在许多国家得到了承认和应用，目前可以测试的最大承载力已达7 0 。1 9 9 5 年6 月，在北京召开的“全国桩与地基动测仪器与应用技术研讨会j 上，最早的6 0 0 k n 的s t a t n a m i c 试验样机，首次在我国进行了灌注桩的承载力测定并取得了成功。1 。 5 静力法 静力法确定单桩承载力是基于土力学基本原理和单桩静力平衡原理，将桩视为深埋基础，假定不同 的地基土破坏模式计算出桩端土的极限荷载，即桩端阻力，再分层计算桩侧土对桩产生的总侧阻力，两 者之和即为桩的竖向极限承载力。 ( 1 ) 桩端阻力 关于桩端阻力的计算，通常以刚塑体理论为基础，假定不同的破坏面形态，可得到一系列计算公式 “，具体有太沙基( t e r z a 曲i ，1 9 4 3 ) 极限承载力计算公式、梅耶霍夫( m e y e r h o f ，1 9 5 1 ) 极限承 载力计算公式、魏锡克( v e s i c ，1 9 6 3 ) 极限承载力计算公式等，这些公式的表达形式大致相近，单位 面积极限端阻力( o “。) 的计算公式可以统一用下式表示： g 。= 。叱+ ，1 畔+ 。 ( 1 1 ) 式中： c 、，、口 桩底无量纲承载力系数，与土的内摩角中有关； 。、，、。一与桩底形状有关的系数； 6 、一桩端宽( 或直径) 和桩的入土深度； c 一土的内聚力； f 、一桩端平面以下土的浮容重和桩端平面以上土的浮容重。 ( 2 ) 桩侧阻力 关于桩侧极限摩阻力的确定，考虑排水条件和不排水条件，可分为总应力法和有效应力法两大类 ”1 。根据各家计算表达式所采用系数的不同，可归纳为a 法( t 0 m l i s o n ，1 9 5 7 ) ，b 法( c h a n d l e r ， 1 9 6 8 ) ， 法( v i j a y v e r g i y a 和f o c h t ，1 9 7 2 ) 。其中法和 法为总应力法，通常用来计算位于粘性 土中的桩，0 法为有效应力法，可用来计算位于粘性土和非粘性土中的桩。 1 ) 法 o 【法可以用来计算饱和粘性土的极限侧阻力，其表达式为： t = 旺c( 1 2 ) 式中： 粘结力系数，它与土的类别、桩的类别、设置方法及时间效应等因素有关，一般可取= o 3 1 o ， 魏锡克对试验结果的统计表明，当t 5 0 心a 时，= 1 ； c 一桩侧粘土层的平均不排水剪强度，可采用无侧限压缩、三轴不排水剪切或旁压试验等测定。 2 ) b 法 b 法可以用于计算粘性土和非粘性土中的极限侧阻力，表达式为： t = 6 6 = 虹t a n 6 0 ( 1 _ 3 ) 式中： 颤= l s i n ； 一桩侧土的有效内摩擦角； 6 一桩土界面的外摩擦角，6 * ； 颤一土的静止侧压力系数； 东南大学硕士学位论文 o 一桩侧土的平均竖向有效应力； p 一系数，p “( 1 一s i n ) t a n 中，对正常固结粘性土，若取甲，：1 5 。3 0 。，则p2 0 2 o _ 3 。 3 ) x 法 综合a 法和b 法的特点，v i j a y v e r g i y a 和f o c h t 于1 9 7 2 年提出x 法，该法适用于计算粘性土的极 限侧阻力，表达式为： 、t 。= 九( 盯，7 + 2 巳) ( 14 ) 式中： 九一由大量静载荷试验资料回归分析得出的系数， 6 原位测试法 原位测试技术可以在一定程度上反映地基应力水平和结构特征等复杂影响，是对土体特别是砂性土 特性进行研究的一种行之有效的方法，可以避免取土和运输过程中扰动对土的不利影响“。原位测试 成果在桩基工程中应用较多的是静力触探试验( c p t ) 、标准贯入试验( s p t ) 和旁压试验( p m t ) 。 ( 1 ) 静力触探( c p t ) 静力触探是将圆锥形的金属探头，以静力方式按一定的速率均匀压入土中。根据探头的不同叉可以 分为单桥探头和双桥探头两种。单桥探头测试指标是包含锥尖阻力和侧壁摩阻力在内的总贯入阻力，再 除以探头的截面积，则可以得到单桥探头的比贯入阻力。双桥探头的结构比单桥探头复杂，可以分别测 得探头的锥尖总阻力和探头的侧壁总摩阻力，分别除以探头的截面积和探头的有效侧壁摩擦面积，即可 以得到双桥探头的锥失阻力和侧壁摩阻力。 在桩基工程中常用双桥静力触探，其探头类似于一个小直径的钢桩，其锥端阻力和侧壁阻力分别可 以模拟桩端土层的承载力和桩侧土层的承载力，因而直接从物理上模拟了打入桩的工作性状。最早， v e s i c ( 1 9 6 7 ) 根据取桥静力触探结果，提出了一个预测单桩极限承载力的表达式： q = 4 + 2 n 4 ( 1 5 ) 式中： f ，一在桩长深度范围内，双桥探头侧壁摩阻力的平均值； q 一桩端一定范围内的c p t 的锥尖阻力平均值； 4 、爿。一分别为桩的总侧壁面积和桩的端面积。 很明显，v e s i c 认为探头的锥尖阻力与挤土桩的桩端承载力基本一致，而桩的侧壁极限摩阻力是探 头侧壁摩阻力的2 倍。 我国建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) “”推荐用下式计算混凝土预制单桩竖向极限承载力标准值： 级= u 印j 厂，+ c l g 。4 ， ( 1 6 ) 式中： 厂一第i 层土的探头平均侧阻力； 日一桩端探头阻力； 一桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2 3 ，饱和砂土取1 2 ； d 一第i 层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 对粘性土、粉土：p ，= 1 0 0 4 ( z ，广” 砂土：p 。= 5 0 5 ( ，。) “4 5 静力触探适用于松软地层，在运用原位测试手段评价桩基承载力方面，静力触探是使用较多、研究 较深入的一种方法，静力触探与单桩静载荷试验虽有很大区别，但与桩打入土中的过程基本相似，所以 可把静力触探近视看成是小尺寸打入桩的现场模拟试验。目前，c p t 这一方法在荷兰、法国、波兰等国 4 第一章绪论 家广泛采用。我国自1 9 7 5 年以来，已进行了大量研究，积累了丰富的静力触探与单桩竖向静载荷试验 的对比资料，提出了不少反映地区经验的计算单桩竖向极限承载力的公式。由于其设备简单，自动化程 度高，静力触探被认为是一种很有发展前途的确定单桩极限承载力的方法。 ( 2 ) 标准贯入试验( s p t ) 标准贯入试验是一种简单有效的原位测试技术，根据唯一的试验指标锤击数来判断土层的密实程 度。标准贯入试验在国内外应用很广，并积累了经验公式。我国的建筑规范采用孔隙比作为密实度判断 的指标，间接确定桩基设计参数。 m e y e r h o f u “( 1 9 7 6 ) 针对饱和砂土中的挤土桩，提出了由锤击数预测桩侧摩阻力的简单表达式： 对于打入桩：， = o = 二二( 卜7 ) u3 5 0 对于钻孔灌注桩：2 舌云 1 8 ) 江苏省建筑设计研究院韦杰等“2 1 ( 2 0 0 1 ) ，对标准贯入试验法预测桩侧极限摩阻力的方法进行了系 统研究，提出了桩侧极限摩阻力的预测方法，表达式如下： 册砂土睢黔6 。7 嬲：； 。， 对珊牲土睢：箭1 0 蹶； m 7 规范法( 经验方法) ( 1 ) 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) “。 当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式计 算： 鲰= 级+ = “g ，* 上：+ 口肚4 ， ( 1 _ 1 1 ) 式中： g ，。一桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值； g “一极限端阻力标准值； 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定大直径( d 8 0 0 m m ) 单桩竖向极限承载力 标准值时，可按下式计算： 眈= + = “( p 。g 。+ 叩，爿， ( 1 1 2 ) 式中： ( p ，、币。一大直径桩的侧阻、端阻尺寸效应系数。 ( 2 ) 公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 1 对于钻( 挖) 孔灌注桩采用如下表达式计算单桩容许承载力： 尸】= 去( 比t p + 爿a 口) ( 1 一1 3 ) 式中： 桩在局部冲刷线以下的有效长度： 4 一桩端横截面面积； 东南大学硕士学位论文 t 。一桩侧土的平均极限摩阻力，按深度进行加权换算； a 。桩端土的极限承载力。 ( 3 ) 铁路桥涵设计规范( t b j 2 9 6 ) “ 对于钻( 挖) 孔灌注桩单桩容许承载力采用如下表达式计算： 1 q = 寺u g ，+ 脚。 6 埤 ( 1 1 4 ) 式中： q 。一桩侧各土层的极限桩侧阻力： 。一桩端阻力折减系数； a 卜桩端地基土的容许承载力。 1 2 2 单桩竖向变形( 沉降) 研究现状 长期以来，人们对桩基的承载力问题研究较多，而对桩基的沉降研究相对较少，然而，桩基沉降计 算在桩基工程中有着同样重要的地位。目前国内外桩基工作者对桩基沉降的重要性已基本达成共识，特 别对于大直径深长桩，不少学者提出了按桩顶沉降量确定单桩承载力的思路和方法。研究单桩沉降的方 法主要以下几种：分层总和法、弹性理论法、剪切变形法、荷载传递法和有限元法等。 1 分层总和法“。 假设单桩的沉降主要由桩端以下土层的压缩组成，并假设桩侧摩阻力以里扩散角向下扩散，扩散 4 到桩端平面处用一等代的扩展基础代替，扩展基础的计算面积为： 4 = 三f d + 2 三t a n 里1 2( 卜1 5 ) 。 4 、4 式中： ( p 一桩侧各层土内摩擦角的加权平均值； 6 。一在扩展基础底面的附加应力： o ：坐一死( 1 1 6 ) o = 一一r l l l l bj ” 爿 式中： f 桩项设计荷载： g 一桩的自重； r 一桩底平面以上各土层有效重度的加权平均值； 三一桩的入土深度。 在扩展基础底面以下土中的附加应力a 分布可用b o u s s i n e s q 解查表确定，也可按m i n d l i n 解确 定。压缩层计算深度可按附加应力为2 0 自重确定( 对软土可按1 0 确定) 。 2 弹性理论法 从2 0 世纪6 0 年代开始，许多学者就用弹性理论法分析桩的荷载传递和变形，其基本假设是：桩被 插入在理想均质的各项同性的弹性半空间内，其弹性模量e 和泊松比u 不因桩的存在而变化，桩周粗糙 而桩端平滑，桩与土保持弹性接触，不考虑桩体与土体间的相对滑移，因此桩体位移等于相邻土体位移。 弹性理论法一般先把桩划分成若干个均匀受荷的单元，通过桩上各单元的桩体与临近土体的位移协调条 件求得各单元受荷大小的解。桩身位移由轴向荷载下桩身的弹性压缩求得，而土的位移采用m i n d l i n 公 式进行计算。p o u l o s d a v i s 在m i n d l i n 解的基础上，分析桩一土、桩一桩的相互作用性状，提出位移 第一章绪论 影响系数的概念，并通过位移影响系数的迭加，把两根桩共同作用的分析结果推广至群桩计算。弹性理 论法的优点在于考虑了实际土体的连续性，因而可用于分析群桩。弹性理论法的不足之处是将土体看成 线弹性体，忽视了土的非线性，同时该法假定桩土之间无相对位移，但实际桩土之间存在相对位移o 。 3 荷载传递法 荷载传递法首先由s e e d r e e s e “( 1 9 5 5 ) 提出，此后，k e z d i ”( 1 9 5 7 ) 、佐滕悟”( 1 9 6 5 ) 、 c o y l e r e e s e ”“( 1 9 6 6 ) 、g a r d n e r ”“( 1 9 7 5 ) 、曹汉志”( 1 9 8 6 ) 、罗惟德o ”( 1 9 9 0 ) 、陈龙珠”( 1 9 9 4 ) 等将其发展，使此法逐步走向成熟。其基本假设是：将桩离散成许多基本单元，每个基本单元与土用非 线陛弹簧联系，这些非线性弹簧的力与位移的关系即表示桩侧摩阻力( 包括桩端阻力) 与桩土相对位移 ( 包括桩端位移) 之间的关系，一般称为荷载传递函数。这种方法的优点是：较好地解决了桩土问非线 性问题、界面特性及成层地基问题，而且计算简便，易为工程界接受。其缺点是桩上任意点的位移仅与 该点的剪应力有关，而与桩身上其它点的应力无关，不能考虑土体的连续性，不能考虑桩与桩之间的相 互影响，所以长期以来荷载传递法只能求解单桩问题，但现已有多种途径将荷载传递法推广至群桩沉降 计算。这些方法主要是混合法，首先利用荷载传递法计算单桩沉降，然后用m i n d l i n 解、剪切位移理论 等考虑桩一土、桩一桩之间的相互影响来计算群桩沉降”“。 用荷载传递法分析单桩承载机理的关键在于选择能真实反映桩土共同作用机理的传递函数，即荷载 传递模型。常用的荷载传递模型有：指数曲线模型( k e z d s ，1 9 5 7 ；v i j a y v e r g i y a ，1 9 7 7 ) 、双折线模型 ( 佐藤悟，1 9 6 5 ；曹志汉，1 9 8 6 ；陈龙珠，1 9 9 4 ；邱钰，1 9 9 9 ；陈明中”，2 0 0 0 ) 、双曲线模型( g ”d n e r ， 1 9 7 5 ) 、抛物线模型( 陈竹昌、曹名葆，1 9 8 6 ) 、三折线模型( 房卫民”，1 9 9 9 ；石名磊，2 0 0 1 ) 等， 其中应用最广的是双折线模型。求解传递函数的方法通常有两类：一是位移协调法，这种方法因得到的 传递函数比较复杂，很难直接用解析法求解，必须根据静力平衡条件和位移协调原则，经过反复试算和 多次迭代才能求解，该法首先由s e e d r e e s e ( 1 9 5 7 年) 提出，并以c o y l e r e e s e ( 1 9 6 6 年) 迭代求 解单桩沉降的位移协调法最为经典。二是解析法，假定传递函数为线性或易于积分的函数形式，代入基 本微分方程，利用边界条件直接积分求解，佐藤悟( 1 9 6 5 ) 首先推导了单桩荷载一沉降关系的解析表达 式，国内以陈龙珠( 1 9 9 4 ) 的双折线硬化模型解析算法比较有名。 4 剪切位移法 剪切位移法最初由一c 。o k e ( 1 9 7 4 ) ”“在试验和分析的基础上提出，用于分析均质弹性地基中纯摩擦 桩问题。c o o k e 认为摩擦桩的沉降主要是由桩周土的剪切变形引起的，假定桩产生竖向位移时，桩侧摩 阻力通过环形土体单元向四周传递，根据任意两环面上剪力相等的条件，得出桩壁土剪切位移和环面半 径的关系。由于不考虑桩的压缩和桩土滑移及桩端阻力的作用，故此法仅适用于小荷载下纯摩擦桩的分 析。为了弥补这些不足，r a n d l o p h w o r t h ( 1 9 7 8 ) ”对该法做了补充和修正，提出了桩的影响半径 与桩长及土层性质有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算公式。 5 有限单元法( f e m f i n i t ee l e m e m m e 血o d ) 当考虑到桩周的某些复杂特性( 如弹塑性) 时，桩基计算的解析解往往是很难得到的，这时可以 采取数值解。国内外学者对此进行了大量研究，有限单元法作为一种有效的数值分析方法，在桩基沉降 分析计算中有着重要的地位，e i l l i s o n 。”最早使用有限元法分析单桩问题。作为土工分析的一种计算方 法，有限单元法可以方便地考虑土体的非线性、非均质性，并可引入特殊的桩土接触面单元，因而被认 为是计算桩基沉降最有效的方法之一。有限单元法的主要问题是三维有限元计算容量和时间，此外，有 限元中往往采用复杂的本构模型，参数取值比较困难。邵江“指出数值分析方法( 有限元、边界元) 在对桩土共同作用分析方面取得了一定的进展，但因其计算参数不易确定，故在工程中尚不能广泛应用。 所以，有限单元法尽管是一种比较严谨、有效的桩基沉降计算方法，但目前更多地是应用于理论研究领 域，或作为其它简单方法有效性的验证手段。 其它用于计算单桩沉降的方法还有有限层法和基于势能最小原理的变分法等。同时，随着现代科学 技术的发展，不同学科之间的交流、融合已成为一种趋势，在这样的背景下，桩基工程中新的研究手段 和方法不断出现，象灰色系统理论、神经网络理论、最优化理论等也被广泛地用于桩基工程的研究中， 7 东南大学硕士学位论文 甚至分形理论也被用于桩基沉降的预测，所有这一切，都极大地丰富了桩基工程的研究手段和方法，使 人们能够从多角度、多层次、更全面地认识桩基的工作性状，使桩基设计更科学、台理，有力地推动了 桩基工程的发展。 1 4 存在的主要问题 桩基虽然有着悠久的应用历史，但是桩基的理论研究远远滞后于桩基的应用。直到1 8 9 3 年，美国 工程新闻打桩公式的出现，才标志着桩基理论研究正式开始“，迄今为1 b ，桩基工程的研究虽然已经 取得了长足的进步，但毋庸讳言，在桩基工程领域，我们未知的远比我们已知的要多，我们还有许多工 作要做”。大直径深长钻孔灌注桩的出现，给桩基理论研究与工程实践提出了新的挑战。 目前对大直径深长钻孔灌注桩的理论研究与工程应用尚存在以下一些问题： 1 对于大直径深长桩，由于单桩承载力高，单项工程试验数量少，因而限制了单桩承载力试验资料 的积累，而对于仅有的少量试桩资料又因受到试验设备及经费的限制，无法取得较为完整的荷载一沉降 曲线，给大直径深长桩的荷载传递机理研究带来一定困难。 2 尽管大直径深长钻孔灌注桩已被大量使用，然而对其荷载传递机理尚不十分清楚，桩基设计仍按 普通桩的计算理论进行，很难做到即经济又合理。 3 桩基工程中人们最关心的是承载力计算和沉降计算，由于桩土作用体系比较复杂，很多计算方法 仍处于半理论半经验状态，特别是有些计算方法，由于假定太多，计算繁琐，参数不易确定，虽然理论 分析严密，但是由于其过于复杂而不能广泛应用于实际工程中，大多仅作为一种理论研究的方法或者用 来对常规设计方法和实测结果进行校验或分析比较”。 4 钻孔灌注桩由于其特殊的成桩特点，施工影响因素较多，离散性较大，而目前的理论研究尚不能 提供定量、合理的评价指标，不少工程由于过高地估算桩基承载力，给工程留下隐患：同时，更多工程 因设计过于保守，过低地估计桩基承载力，造成很大浪费。 因此，研究大直径深长钻孔灌注桩的承载性状不仅是桩基础理论自身发展的需求，更是工程界的迫 切要求“1 。 1 5 本文的主要研究内容 针对上述问题，本文在前人研究工作的基础上，对大量现场测试资料”。”1 进行了归纳和总结，分 析了大直径深长钻孔灌注桩的荷载传递机理，推导了有效桩长的计算公式，提出了单桩极限承载力的预 测公式，得出了工作荷载下单桩沉降的估算公式，并用荷载传递法推导了单桩荷载一沉降关系的解析算 法，最后采用有限元程序对不同桩径、不同桩长、不同桩身弹性模量等各种情况下的大直径深长钻孔灌 注桩进行了大量的数值模拟计算。具体研究内容如下： 1 对搜集的1 9 根桩的静载荷试验资料进行了分析，初步总结了大直径深长钻孔灌注桩的承载特点， 并有重点地选择了江阴长江大桥1 # 试桩和2 # 试桩、锡宣高速宜兴互通1 # 试桩、滨州黄河大桥1 # 试桩、 郑州高速立交2 # 试桩和南京长江三桥l # 试桩等6 根试桩，对此6 根典型试桩进行了详细分析，得出了 大直径深长钻孔灌注桩承载性状的一些基本规律，为后面进行荷载传递机理研究和承载力及沉降计算奠 定了试验基础。 2 对大直径深氏钻孔灌注桩的荷载传递机理进行了研究，推导了竖向荷载作用下单桩荷载传递的基 本微分方程，为后面进行桩基沉降计算奠定了理论基础。研究了三种不同荷载阶段( 低水平荷载1 6 0 。 或1 4 q u ，工作荷载l 2 q 。，极限荷载1 1 q 。) 下侧承比( 总侧阻力与承载力之比) 、端承比( 桩端阻力 与承载力之比) 、桩身压缩比( 桩身压缩量与桩顶沉降之比) 、桩端压缩比( 桩端沉降与桩顶沉降之比) 的情况。