（岩土工程专业论文）后张法大直径预应力混凝土管桩受力性能、接头形式及沉桩工艺研究.pdf

摘要 后张法大直径预应力混凝土管桩受力- 眭能、 接头形式及沉桩工艺研究 摘要 大直径预应力混凝土管桩是我国从“六五”期间开始研制的新的桩基结构形式，在全国码头和 桥梁工程中得到越来越多的应用，充分体现了大管桩这一产品结构性能好，投资省，速度快的优势。 如果能将它应用到深基坑支护工程中，充分发挥p c 大管桩优越的抗弯性能，无疑对深基坑支护中 最关心的支护安全、土体变形、工程造价等有着极为重要的意义。但是其在深基坑支护工程方面应 用的研究却很少，国内外文献中也查找不到这方面的资料。 本文正是基于这些，提出了将这一优良桩型引入深基坑支护工程中，并做了相关探索性的研究 工作，主要内容包括： ( 1 ) 在调研国内外大量文献和结合自身工程试验的基础上，针对支护桩间距小，而大管桩在沉 桩过程中挤土严重，提出了适合深基坑支护特点的大管桩的成桩工艺；并介绍了后张p c 大管桩在 基坑支护中应用的有关设计、计算理论。 ( 2 ) 对p c 大管桩在深基坑支护工程中最主要的两个受力特点：受弯和局部承载，分别通过实 验室后张p c 大管桩模型破坏性试验和大型通用有限元程序a n s y s 对试验全过程进行份真计算分 析，获取试验全程的变形、应力、裂缝等结构响应发展数据，对应力( 内力) 发展规律、重分布规 律和刚度退化规律进行研究，对比分析了所得数据，对计算模型的适用性进行验证 对影响后张无 牯结p c 大管桩受力性能的若干因素进行了初步分析；对实体仿真计算中的材料模型、建模策略、计 算方法等相关技术进行研究，探索适合后张无粘结p c 大管桩的有限元仿真计算的方法。 ( 3 ) 对后张无粘结大管桩接头的主要影响因素进行分析：依托后张p c 大管桩在深基坑支护中 应用的试验工程，归纳总结和探讨了大管桩在深基坑支护中的沉桩工艺。 关键词：承载能力；试验；有限元分析；影响因素；受力性能 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c hi nt h em e c h a n i c a l b e h a v i o r s 、c o u p l e rc o r m a n d d e e p i n gm e t h o do ft h el a r g ed i a m e t e r c o n c r e t e t u b ep i l ew i t hl a t e r a l l o a d i n g s a b s t r a c t l a r g ed i a m e t e rp 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 eo ft h en e wt y p eo fp i l ef o u n d a t i o ns t r u c t u r e d e v e l o p e d i n t h e p e r i o d o f s i x t h f i v e - y e a r s p l a n , a n d a p p l i e d l l l 0 1 1 5a n d m o l e 。t h ea d v a n t a g e s o f t h i s p r o d u c t s u c ha sb e t t e rs t r u c t u r ep e r f o r m a n c e 1 0 wi n v e s t m e n ta n dh i g h e rc o n s t r u c t i o ns p e e dw 晰f u l l ye m b o d i e di n s u c kp r o j e c t s i t u r o u c e dt ot h ef u l c r u ms t a k ew i t hf i t t e di m p r o v i n g ，e x e r t i n gs u p c l o rm e c h a n i c a l s ，t h el a r g e d i a m e t e rt u b ep i p l ew i l ld ob e t t e rw i t hs a f e t y ，q u a l i t ya n dc o s t so ft h eh o l ef u l c r u m b u tf e wp e o p l ea l e d o i n gs u c hw o r k a st h e s en o w , a n dt h e r ea r en oc o n c e m e di n f o r m a t i o ni na l m o s tm a t e d a t s b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e rm r u o d u c e dt oh o wt ou s i n gt h ep i p ei nh o l ef u l c r u m a n dd i ds o m ee x p l o r i n g w o r k 1 1 1 ef o l l o w i n gm a j o rc o n t e n t sa r ei n c l u d e d ( 1 ) b a s e do i lt h ei n v e s t i g a t i o nt op l e n t yo fc o n c e r n e dm a t e r i a l sa b o u tl a r g ed i a m e t e rp ct u b ep i p e a n de x p e r i m e n t se n g i n e e r i n g ，c o n c e r n i n ge x t r u s i o nw h e nb ed u m p e db e c a u s eo ft h ep i p ew e r ed o t t e dt o c l o s e l y , t h ep a p e ri m u o d u c e dt h et e c h n i c sf i t t i n gt h ed e e pf u l c r u ms t a k ea n dt h e o r ya b o u tt h ec a l c u l a t i n g a n dd e s i g n ( 2 ) l a r g ed i a m e t e rp ct u b ep i p eh a st w om o s t l yi m p o r t a n tw a i t sw h e ni ti sa p p l i e di nf u l c r u m s t a k e ：b eb e n ta n db es u f f e r e dp a r t l y t h r o u g hc a r r y i n g0 1 1d e s t r u c t i v et e s t sa n dm a k i n gu o ft h el a r g e g e n e r a lf i n i t e - e l e m e n tp r o c e d u r ea n s y se m u l a t ea n a l y s i st h ew h o l ep r o c e s so ft h es o l i dt u b ep i p l e e x p e r u n e n t , io b t a i nt h es t r u c t u r er e s p o n da n dt h ed e v e l o p m e n tr e g u l a t i o no ft h ep i p l ee x p e r i m e n t s d e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n dc r a c ki nt h ew h o l ep r o c e s s s t u d i e dt h ec o n c r e t es t r e s s ( i n t e r n a lf o r c e ) d e v e l o p r e g u l a t i o n , r e d i s t r i b u t er e g u l a t i o na n dr i g i d i t yd e g r a d i n gr e g u l a t i o n ，a n dc a l t yo nt h ec o n t r a s ta n a l y s i st o t h es p o te x p e r i m e n tv a l u e ，t h e nv e r i f i e dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ec o m p u t e sm o d e l ；c a r r y i n go i la n a l y s i st o $ o m ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ec a r r y m gc a p a c i t yo ft h ep cr u b l ep i p l e s ；m a k i n gs t u d y0 1 1t h em a t e r i a l m o d e l ，m o d e lb u i l d i n gs t r a t e g ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o di ne m u l a t i o n ，a n ds e a r c h i n gt h ef i n i t e - e l e m e n t e m u l a t i o nm e t h o da d a p tt ot h es o l i d p i p l e s a b o v ea nc a np r o v i d er e f e r e n c ei nt h es a l t l ek i n do f p i l e s c a n y i n gc a p a c i t ya n a l y s i sw h e n u s et h ef i n i t e - e l e m e n tm e t h o di nt h ef u t u r e ( 3 ) is m d i e dt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h em e n c h e n c i a lo fc o u p l e r ；, f r o mt h ee x p e r i m e n t a n g i n e e r i n go f m ep i p l e ，m a k eo u ta n dd i s c u s st h er e c a l l sw h i c hf i t ss i n k i n gl a r g ed i a m e t e rt u b l ep i l e k e yw o r d s ：c y i n gc a p a c i t y ；e x p e r i m e n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ；m e c h a n i c a l b e h a v i o r s ； n 东南大学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，也不包含力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。 研究生签名：雉日期： 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。本人电予文档的 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：兰址导师签名：专型 日期： 第一章概论 1 。1 课题背景 第一章概论 近年来随着我国经济和城市建设的迅速发展，地下工程愈来愈多，开发和利用地下空间的要求 日显重要。地下铁道、地下车库、地下变电站、地下商场、地下仓库、地下人防工程以及高层建筑 的多层地下室日益增多，基坑工程的数量，规模、分布急剧增加。同时，密集的建筑物、大深度的 基坑、周围复杂的地下设施，使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要。因 此，深基坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视。尤其是9 0 年代以来，深基坑工程问题己成为当今 工程界的热点、难点和重点问题之一。总体来看，目前我国基坑开挖与支护状况具有以下特点： 基坑越挖越深；工程地质条件越来越复杂；基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧 靠重要市政设施； 近年来，新涌现的基坑工程新技术、新成果、新方法得到了推荐和应用。例如，逆作法施工， 组合支挡体系，被动土压区加固，环形、拱形新型支撑结构，角撑和幅粱的使用，地下连续墙，喷 锚，土钉和新型撑锚结构等”1 ，这些新技术、新成果、新方法的应用把我国的基坑工程技术水平大 大提高了一步。 在当今土木工程领域，预应力技术是热点之一”。它可以应用到钢结构形成预应力铜结构，应 用到砖石结构形成预应力砖石结构目前最主要的应用还是体现在预应力混凝土方面。该技术可以 充分发挥高强钢筋抗拉强度高和混凝土抗压强度高的材料性能，不仅可以节约钢材和混凝土，而且 可以改善结构功能，解决其它结构材料难以解决的技术问题。如在大跨度屋盖、大中跨度桥梁、高 层建筑、特种结构中，预应力混凝士具有强大的竞争力。 引人注意的是。预应力技术在地下结构的不同方面逐渐得到了应用。例如，在箱形基础、片筏 基础、肋粱式筏板基础、锚杆、混凝土灌注桩、泄水管道等工程中都出现了预应力技术的影子，并 且取褥了不错的效果。近年来，预应力混凝土管桩在建筑工程中得到大量应用“。 如果能够将预应力技术应用到支护桩，用于抵抗侧向土压力，或许可以降低工程造价、充分发 挥大型机械施工能力、加快施工进度一一在这方面进行研究应该是非常有意义的。目前，大直径预 应力混凝土管桩( 以下简称“p c 大管桩”) 以其优越的抗弯性能、承载能力、耐久性等特点广泛应 用于我国的海洋、港口和桥梁工程中。但是，在工业与民用建筑方面的应用却鲜有报导。如果能将 p c 大管桩进行适当的改进，将其引入深基坑支护工程中，充分发挥其优越的抗弯性能，无疑对深基 坑支护中最关心的支护的安全性、土体变形、工程造价等有着重要的意义。 因此，对p c 大管桩用作为支护桩的成桩工艺及其本身的弯、剪、局部受压等性能进行研究， 一定能够改善设计参数、降低大直径预应力管桩施工的总体工程造价、提升其竞争力；同时，对其 接头型式、沉桩方式进行归纳总结并结合现场试验从中探讨一些适合p c 大管桩的施工工艺，也会 进一步推动p c 大管桩更好、更广范地应用于支护结构中。鉴于此研究的重大意义，导师卫龙武教 授申请了大直径预应力混凝土管桩在深基坑支护工程中应用的研究立项，并拨出专项研究经费，使 得该课题的研究得以实施。 1 2p c 大管桩国内外发展概况与研究现状嘲嘲 1 2 1 国外p c 大管桩的发展与研究现状 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 0 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h u m e 发明了用离 l 东南大学硕士学位论文 心密实混凝土的成型方法，很快就用来制造环形管桩、圆锥形桩和混凝土电杆。自此，世界各国广 泛运用此法大量制造建筑用钢筋混凝土管桩( g c 桩) 和预应力钢筋混凝土管桩( p c 桩) 。为适应更大承 载力的需要。日本于1 9 7 0 年开发了高强预应力钢筋混凝土离心管桩( 简称p h c 桩) ，并广泛用于工业、 民用建筑和市政，港口等工程建设。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，使用预应力混凝土管桩较多的国家。 美国主要生产后张预应力混凝土方桩和外方内圆的空心桩。在高速公路工程上曾采用世界上最 长的长度达8 8 m 的这种桩。美国混凝土协会( a c i ) 1 9 6 1 年就成立了第5 4 3 专业委员会，1 9 7 3 年又提 出了混凝土桩的设计、制造和安装规程。 德国生产离心成型的混凝土管桩，z u b l i n 公司生产的管桩可达中7 0 0 m m x 5 0 m 、o 8 5 0 m m 4 2 m 。 锥形管桩可达中1 3 0 0 r a m m 1 0 0 0 r a m 2 0 m 。而c e n t r i c o n 公司生产的管桩可达0 1 2 0 0 m m 3 6 m 。 意大利生产的管桩在港口码头上得到广泛应用，其最大管径达中1 8 0 0 m m ，最长的桩达3 7 m 。 荷兰曾在桥梁工程中使用直径达4 m 的预应力混凝土管桩。 日本己成为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，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 c ) 。1 9 7 0 年又开发出p h c 管桩并广泛应用于工程建设中。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0 i s a5 3 3 7 ) 。并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。 图1 - 1 日本p c 大管桩应用示意图图1 2 日本p c 大管桩应用断面示意图 现在日本建( 构) 筑物各种基础都大量应用管桩i o j ，无 论是市内建设或市郊建设，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。 近年来，又发明了静压法、预钻法、中掘工法等先 进的施工技术。现在日本的大管桩不光应用于海洋、 港口工程而且开始大量应用于建筑桩基工程中。 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设计、施工、应用也普及起 来。东南亚地区如马来西亚亦在近年发展了p c 管桩， 其生产的最大管径达o1 8 0 0 m m ，长度最长达4 6 m 。 总的说来，国外如美国、日本等国在预应力混凝土 管桩的机理研究1 7 。q 、设计及质量检测1 1 2 1 、施工等方 面取得了非常丰富的经验。 图1 - 3 日本p c 大管桩应用于建筑桩基 2 第一章概论 1 2 2 国内p c 大管桩的发展与研究现状阎 自上世纪7 0 年代中期始，随着航运业的发展，海港建设逐渐向深水发展。为了满足工程需要， 研制p c 大管桩以取代部分钢管桩实为发展我国深水筑港技术的一项迫切任务，有着重大的现实意 义。中港第三航务工程局( 以下简称三航局) 在2 0 世纪7 0 年代中期首先对大管桩的制造进行了可行性 研究。在对离心辊压、离心法等进行了全面的可行性研究、分析比较和试验的基础上，确定以离心、 振动、辊压3 作用的复合工艺法预制桩身混凝土管节，以及后张自锚拼接工艺制桩方案。 1 9 8 3 年5 月“大直径预应力混凝土管桩制造与应用”正式列为国家重点科技攻关项目。研究项 目主要解决设备研制、管节制造、管节拼接和提高桩身混凝上强度及耐久性，承载能力等关键问题 【2 ，1 。通过三航局与有关单位科技人员的协力合作，在可行性研究成果的基础上，经过2 5 年时间的 攻关，完成了“六五”国家科技攻关合同的全部内容。 1 9 8 6 年初由交通部三航局组织有关人员赴日考察 并对引进p h c 桩生产线进行了可行性 研究，同年实行国际招标，决定引进日本休谟制管( 株式会社) 生产的全套p h c 桩生产设备。1 9 8 7 年 2 3 月间，由交通部三航局预制厂派员赴日本进行设备验收和管理、操作方面的考察和学习。同年 7 月份至年底由日方厂家派员参加设备安装和联动试车，并经试生产后通过了验收。1 9 8 8 年p h c 桩正式投入生产，至1 9 9 1 年底累计生产数量将近2 0 万米。 “六五”国家科技攻关成果技术鉴定( 评审) 证书的结论为：“通过攻关研究。形成了一整套的离 心、振动、辊压复合制管和后张自锚拼接工艺技术。该项成果对于我国港e l 建设是一项重大的技术 突破，填补了国内技术空白，主要技术指标达到或接近国际同类产品水平，技术上是可行的，并有 一定的开拓性。大直径预应力混凝土管桩对于使用在海岸与海洋工程的桩基结构方面具有优越性， 与钢管桩相比，经济效益明显，应用前景十分广阔。不仅为我国现有港工结构形式的更新、降低建 设投资、缩短工期、赶超世界港口建设水平，创造了有利条件；同时也为其它工程建设提供了新的 应用条件。”并由此获得了“六五”国家科技攻关成果奖。 为使科技成果转化为生产力，p c 大管桩在连云港木材散粮码头和宁波北仑电厂一期煤码头工程 中得到了推广应用，满足了深水筑港工程和部分桥梁工程设计的需要，取得了较好的社会经济效益， 并得到了各业主的青睐。 随着港口建设向外海、深水的发展以及新型桩基结构形式的出现，原有单一品种的管桩已不适 应工程要求。为此，上世纪8 0 年代后期，交通部下达了“大直径预应力混凝土管桩新品种开发与应 用研究”课题，旨在研究出适应外海工程要求的抗弯能力更大、耐锤击性能更好的大管桩新品种。 三航局经过一系列开发研究工作，对管桩的管节成型、张锚体系和工艺、管桩结构抗弯强度、 管桩承载能力等做了比较全面的研究，并相应地研制了配套设备。经过4 年多时间的研究和试验， 研制出抗弯开裂弯矩达1 4 8 0 k n m 以上的新品种b l 型管桩，其中b 1 型管桩结构试验实测开裂弯矩 为1 6 9 6 k n i n ，破坏弯矩为2 9 5 6 k n - m ，比a l 型管桩的抗弯强度有显著的提高 桩顶采取了加钢套 箍或掺加钢纤维混凝土，并能抵抗m h 8 0 b 、d 1 0 0 柴油锤1 5 0 0 击以上，经桩的静载荷试验结果表明， 桩的垂直极限承载力可达1 0 0 0 0 0 k n 以上。在深圳赤湾港9 # 泊位、嘉兴电厂一期煤码头、福清元洪 码头等工程成功得到应用。 图l - 4 我国p c 大管桩应用于万吨级码头 3 东南大学硕士学位论文 经交通部科学技术成果鉴定认为：“本课题开发研制的大直径预应力混凝土管桩新品种填补了我 国大管桩、高抗弯能力预应力混凝土管桩的空白，为我国港口、公路、铁路、市政等工程建设提供 了一种可以替代钢管桩的新桩型。其应用前景十分广阔，社会及经济效益明显，本课题研究成果达 到了国内领先水平”，并因此而获得上海市科学技术进步二等奖。 为了进一步满足工程建设的要求，在2 0 世纪9 0 年代后期，经过3 年多时间的研究试验，研制 出了比b 1 型管桩抗弯强度更大、直径为1 4 m 的c - 型大管桩。其中c i 型管桩结构试验的开裂弯矩 达2 4 0 0 k n - m 以上。近年，根据工程要求，又研制出了将b 1 型管桩中预留孔道中双根钢绞线改穿3 根钢绞的3 股钢绞线大管桩，其开裂弯矩为1 9 4 4 k n m ( 实测为2 3 3 8 k n m ) 破坏弯矩为2 7 6 0 k n m ( 实 测为3 5 7 5k n n o ，基本接近c 1 型钢管桩；同时，又研制了桩体不同部位具有不同抗弯能力的变截 面大管桩，这样就能充分发挥大管桩的受力性能，既节约了材料，又可降低工程造价。经过不断开 发和工程实践应用，目前大管桩设计需要、抗裂弯矩为1 0 0 0 3 0 0 0 k n n l 之间的各种型号的系列化 产品。在不断开发研制大管桩新品种的同时。为了使大管桩能适应各种地质条件，还研制了p c 大 管桩相应的沉桩工艺。 大管桩研制成功至今，已在港口、码头、桥梁等工程中得到了广泛的应用。并从目前对己建工 程的调查证实大管桩使用状况良好，受到了各界的好评，产生了巨大的社会、经济效益，使我国的 港口建设进入了世界先进水平的行列。目前，p c 大管桩应用于工民建中的报道还很少。以下是我国 近年来p c 大管桩应用的典型工程，见表1 i i ”l 【2 9 i 。 表1 - 1p c 大管桩典型工程一览表 与此同时，国内各学者也对p c 大管桩的各种性能、特点展开了研究。 华中科技大学的刘玉在其硕士论文大直径预应力混凝土管桩制造应用与发展中结合工程实 例，详细探讨大管桩的开发制作工艺、力学性能、应用情况及新产品的研制过程，提出了控制管桩 制作质量，优化工艺的部分措施，并就管桩施工过程中相关的技术问题进行了较为详尽的说明。 上海港湾工程设计研究院的马英华、俞能兰做了直径1 4 0 0 m m c 2 型管桩的抗弯性能研究 2 4 】， 通过实桩的纯弯试验研究，得出了p c 大管桩卓越的抗弯性能，反映了p c 大管桩代替钢桩的优越性。 华中科技大学的曹称宇在其硕士论文大直径长管桩承载力的试验研究中全面地阐述了p h c 大直径长管桩的发展、应用情况和各种单桩竖向承载力的确定方法。结合工程实际对p h c 大直径长 管桩应用静载荷试验、高频动测和经验公式计算等手段等方法得出的承载力进行比较、分析和研究 并对p h c 大直径长管桩承载力的确定提出建议。 三航局的程志文、王重、刘鹏飞、严忠英等对p c 大管桩的生产、应用，受力性能、桩顶连接 构造等作了系统的研究与归纳总结 2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】。 4 第一章概论 为了保证p c 大管桩的设计与施工质量，促进该技术的进一步发展和创新，交通部组织编写了 港口工程预应力混凝土大宣径管桩设计规程【2 9 ( y r j t 2 6 1 - 9 7 ) 和港口工程嵌岩桩设计与施工 规程删2 8 5 2 0 0 0 ) ，使p c 大管桩技术进一步规范化。 综上，针对大管桩作出了一系列的研究并取得了丰硕的成果，研究主要集中在单桩竖向承载力、 抗弯性能、桩项连接构造、测试方法等。应该看到，这些研究中的大管桩都是先张法生产的或是后 张后在孔中灌浆，作为永久承载桩来使用，且主要是用于港口、海洋工程中。目前，针对后张p c 大管桩，张拉孔中不灌浆的研究很少见之于文献；而对于大管桩应用于深基坑支护的研究，更是鲜 于见到。本文所做的工作主要是在p c 大管桩应用于深基坑支护的背景下，解决设计、施工中遇到 的一些问题。 1 3 后张p c 大管桩简介 1 3 1 定义 p c 大管桩是2 0 世纪8 0 年代研制出的一种新型钢筋混凝土桩型。它是在预制厂经过管节离心成 型，高压养护，后张预应力( 灌浆) 拼接等工艺生产而成的一种细长的空心环形等截面预制混凝士 构件。对大管桩通俗的解释为：大直径预应力混凝土管桩是根据需要人为地引入某一数值的反向荷 载，用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土管桩。对它更进一步的理解为： 1 、大直径预应力混凝土管桩使管桩的混凝土由脆性材料成为弹性材料； 2 、大直径预应力混凝土管桩充分发挥了高强钢材管桩的作用，使其与混凝土能共同工作； 3 、大直径预应力混凝土管桩平衡了结构处荷载。 1 。3 2 分类 1 、以规格、类型为依据划分 在我国，后张预应力管桩经过多年的研究，已经发展了多种型号、规格的大管桩。图l _ 4 为大 管桩常见结构形状，这里仅仅以产品规格、型号、有效预压力为依据进行分类。 图1 4大管桩的结构形状 t 一壁厚l 一长度d 一外径 表1 2 常用大管桩型号、力学性能一览表 外径最小壁厚 型号 有效l i p n a i i i , 应力 抗裂弯矩k n ml i k n m d t 。删 a3 9 23 6 75 5 0 a b5 8 84 5 17 4 3 8 0 01 1 0 b7 8 5 5 3 59 6 2 c 9 8 16 1 91 2 3 8 1 0 0 01 3 0 a3 9 26 8 9 1 0 3 0 a b5 8 8 8 4 51 3 9 4 b7 8 51 0 0 31 8 0 5 东南大学硕士学位论文 c9 8 1i 1 6 1 1 2 0 01 3 0 ac5 9 21 1 2 01 7 4 0 a 27 8 11 3 4 0 b l8 11 4 8 0 b 29 0 81 6 0 02 8 8 0 1 4 0 01 5 0 2 、沉桩方式为依据划分j 由于大管桩直径较大，沉桩过程中的摩阻力、挤土均较严重，因此单一的靠打，压的方式很难 将桩沉入指定标高。一般需要联合采用两、三种沉桩方法，按沉桩的方式可分为： l 、钻埋式大管桩 该种方法是利用钻机成孔后，将事先预制好的混凝土空心桩管节用预应力筋张拉连接，并吊入 桩孔内：或是先将桩节用打桩机辅助沉入，然后张拉成桩。在南京龙蟠路隧道基坑开挖中经试验成 功。本文将着重介绍这种桩型的相关研究工作。 2 、沉挖式大管桩 该法是利用沉( 井) 管边挖、边沉、边抽水将大管沉至设计标高。它是沉井( 管) 和人工挖孔 桩两种基础施工工艺的集成，具有施工快捷方便的特点。适用于在砂、砾、卵、飘石覆盖层厚度不 大，地下水位较低，采用钻机成孔技术不合理的情况。如财经大学基坑支护工程中曾使用该法。 3 、射水辅助沉桩式大管桩 该法是利用在桩尖设置冲射管喷出高压水，冲刷土体以破坏土体结构，并使一部分土体上涌， 从而减小桩尖处的土体阻力，使桩在自重以及锤击、振动、静压等作用下沉入土体。该法沉桩效率 高但是消耗大量水，且易产生泥浆，只适合在特殊施工场地适用，目前仍在试验中。 1 3 3 特点 1 、截面抗弯刚度大 抗弯刚度与直径成正4 次方关系，管桩直径越大，抗弯刚度越大。另外，越远离圆心的混凝土 对截面抗弯刚度的影响越大；反之越靠近圆心的混凝土对截面抗弯刚度的影响越小。因此，以相同 立方的混凝土，大管桩的截面抗弯刚度远大于实心桩的抗弯刚度。 2 ，截面配筋灵活 后张p c 大管桩可根据其在深基坑支护中的受力特点和需要布置不同的预应力钢筋，如图1 - 2 1 _ 4 所示，如带支撑双向受弯时在预应力筋孔内可选用全截面配筋和对称配筋；悬臂单向受弯时采用 非对成配筋。 图1 - 2 全截面配筋图1 3 对称配筋图1 - 4 非称配筋 3 、可回收预应力钢筋 后张p c 大管桩用做深基坑支护桩，张拉孔中不压浆，预应力钢筋与管壁无粘结且有一定的孔 隙，在支护管桩结束其使命后，可通过选择合适的成桩工艺和回收方法对预应力钢筋进行回收，进 一步降低成本，提高经济效益。由于深基坑支护为临时结构，故张拉孔中无需压浆。 6 第一章概论 1 4 后张p c 大管桩在支护工程中应用急需解决的问题刚【3 2 l 后张p c 大管桩因解决了钻、挖孔灌注桩存在的诸多技术缺陷，并集钻、挖孔灌注桩与预制桩 的优点于一体，受到工程技术人员的普遍关注。但时至今日，后张p c 大管桩的应用未能在全国范 围内推广应用，应用领域还只局限在港口、桥梁工程中。究其原因，一方面工程技术人员对该桩型 不熟悉，在应用中缺乏技术支持；另一方面该桩型的一些问题仍有待于进一步研究。因此，展望大 直径空心桩在深基坑支护中的发展，主要应开展以下几方面的研究工作： 1 、大直径空心桩的理论研究 后张p c 大管桩抗弯设计计算理论与传统的钻孔灌注桩是否一致，现有的设计计算理论用于大 直径桩时可靠度如何，用于支护桩时，能否抵抗围檩作用于桩身的局部荷载( 管桩的局都承压) ， 圈粱与桩的锚固等问题，成为后张p c 大管桩应用于基坑工程的障碍，急需研究工作者解决这些问 题。因此，应通过试验和理论研究，借助现有的各种有限元工具进一步评价已有理论对后张p c 大 管桩的适用性，完善后张p c 大管桩的设计计算理论。例如：抗弯性能、局部承压性能等。 2 、p c 大管桩工艺的研究 因为后张p c 大管桩为预制支护桩，其工艺应从设计与施工两个方面考虑，主要包括： ( 1 ) 合理的桩节设计。包括桩节长度和混凝厚度的设计。首先，桩节数量决定了预制桩吊装 与运输的方便与否：其次，桩节的数量还决定了桩节的接头与施工工序的增加与否。另外，混凝土 的厚度决定了管桩的经济性与适用性。 ( 2 ) 管桩的接头技术研究。管桩桩节之间采用预应力进行连接，预应力的有关设计参数及桩节 问连接的技术需进一步研究。 ( 3 ) 沉桩技术研究。由于管桩直径大，普通的沉桩工艺很难满足后张p c 大管桩的沉桩要求， 需进行大管桩的沉桩工艺研究。从一定程度上来说，沉桩工艺决定着后张p c 大管桩能否在基坑支 护中的应用与推广。 3 、后张p c 大管桩应用于基坑支护的相关施工工艺标准的研究 对于后张p c 大管桩有两个特点：一是采用桩节工厂预制，现场张拉；二是桩径大；现场张拉 成桩与沉桩时的施工质量能否得到保证，直接影响到支护工程的成败与否。因此，需要提供一套较 完整的施工工艺标准。 1 5 本文所做工作 针对现有后张p c 大管桩应用于基坑支护工程中所存在的障碍与难点，本文的研究思路和所做 的工作如下： l 、提出适合深基坑支护的p c 大管桩的成桩工艺、方法。 在系统研究前人所做工作及实际工程试验研究的基础上，结合东大特种基础公司在基坑支护中 对此桩型的试验提出适合深基坑支护的后张p c 大管桩的成桩工艺及方法。 2 、模型试验研究 针对深基坑支护的特点做了后张p c 管桩的纯弯试验、局部受压试验，采集了管桩正截面抗弯 和局部承压时，分级加载至破坏全过程的应力、挠度、裂缝宽度以及极限荷载量等数据分析了管桩 各自的破坏机理、应力重分布、刚度退化等规律，同时为有限元模拟研究提供了对比分析、验证的 依据。 3 、有限元仿真计算分析研究 利用大型通用有限元程序a n s y s ，采用三维弹塑性实体有限元法对管桩试验进行全过程仿真计 算分析，获取管桩试验全过程的变形、应力，裂缝等结构响应发展规律，对后张p c 大管桩的应力 ( 内力) 发展规律、重分布规律和刚度退化规律进行研究； 7 东南大学硕士学位论文 与实验室试验值进行对比分析，对计算模型的适用性进行验证；对仿真计算中的材料模型、建 模策略、计算方法等相关技术进行研究，探索适合后张p c 大管桩有限元仿真计算的方法，为今后 使用有限元方法对管桩的承载力分析提供参考。对影响管桩受力性能的若干因素进行分析，给出了 设计建议。 4 、后张法大直径的接桩形式、沉桩方式研究及工程应用标准 在前入研究成果及东大公司所做试验及工程的基础上，总结了后张法大直径预应力管桩的接桩 形式及沉桩方式并在此基础上对大管桩的施工工艺流程及控制方法提出了切实可行的建议。 1 6 本章小结 介绍了本文课题研究是以后张p c 大管桩应用于深基坑支护工程为背景的；总结归纳了大管桩 国内外发展的历史及研究现状；介绍了后张p c 大管桩所具有的特点及优点，阐明了后张p c 大管桩 应用于深基坑支护所急需解决的问题。最后。针对需要解决的问题提出了本文的研究思路及所做的 主要工作。 8 第二章适合深基坑支护的后张p c 大管桩的成桩工艺及有关设计、计算理论 第二章适合深基坑支护的后张p c 大管桩的成桩工艺及有关 设计、计算理论 2 1 桩节的预制 3 3 1 3 4 1 管桩桩节一般在工厂离心式浇筑或立式振捣式浇筑制作。圆环中心轴线均匀预留预应力钢筋孔 道，桩节内外设置双层构造筋及螺旋筋。桩节直径可根据需要取0 8 m 、1 o m 、1 2 m 、1 4 m 。桩节长 度可根据桩径的大小及吊装能力等分别取：1 0 m 、1 s m 、2 o m 、一- 9 o m 。壁厚可根据需要选择1 1 0 1 5 0 m m 在现场振捣时，应注意内外模的就位情况、垂直度及钢筋保护层误差是否在允许范围内。具 体预制工艺可参看文献【3 3 】p 4 】，本文在此就不敷述。 1 ，桩尖 ( 1 ) 港口和海洋工程中，管桩用作竖向承载桩的间距一般比较大，用打桩船锤击下下沉，由于 顶部为钢桩靴或是钢管桩图2 - 1 所示在管桩内腔形成一定土塞后，项部呈尖形。下沉时会向两侧 挤土如图2 - 2 所示。 图2 - 1 港口和海洋工程中常用桩尖结构图 1 钢管桩或钢桩靴：2 环向箍筋；2 一纵向架力筋；4 基本管节；5 管桩顶节；6 钢板套箍 ( 2 ) 适合深基坑支护的桩尖形式： 海洋和港1 ：3 j 、遭7 璃 j v 鼹 深基坑支护 工程中 图2 2 两种桩尖沉桩时挤土效应示意图 由于深基坑支护中，支护桩间距一般较小，如果管桩沉入时挤土效应明显，那沉桩将会非常困 难且后沉入的桩将会挤歪或挤断已经沉入的桩体，显然这种情况是绝对不允许发生的。采用如图2 3 所示的桩尖下端为韧脚形式，韧脚端部为一 8 m m 厚铜环且开1 ：3 向外，这样做是为了方便沉桩时切削 土体，使土体沿管桩内壁上涌，最大程度减小挤土效应：当土体上升到一定高度的时候可采用5 2 所介绍的方法，这样就能方便的解决桩距过密，挤土严重的问题。 桩尖上端为预埋钢筋，顶端焊接螺母。此螺母是为了锚固预应力钢筋，以便以后张拉自锚。管 节纵向架立钢筋直径不应小于7 m m ，内外圈根数较标准桩节适当增加2 4 根。箍筋直径不应小于 6 r a m ，桩顶管节环向筋螺距为5 0 m m 。桩尖壁厚原则上与标准桩节的壁厚相同6 一般取1 3 0 m m 1 5 0 m m 。图2 - 3 为深基坑支护中后张大管桩桩尖结构图。工厂预制时的图片可参看附录图1 。 9 东南大学硕士学位论文 ! l l 2 钢环 赛 氕j 图2 - 3 桩尖结构图 2 、标准桩节 如图2 4 所示，标准桩节与先张法预应力管桩的根本区别是不但配有螺旋筋还配有架立筋，且 钢筋圈分内外两层。可按j t j 2 6 1 9 7 港i 二lq - 程预应力混凝土大直径管桩设计与施工规程中规定， 管节纵向架立钢筋直径不应小于7 m m ：箍筋直径不应小于6 r a m 。但用于深基坑支护的管桩，由于 挤土的原因，一般不单纯依靠锤击来沉桩，故沉桩时桩身应力相对较小。上述钢筋直径可适当减小， 一般均不小于5 眦。外圈架力筋取1 6 2 2 根，内圈架力筋取1 4 1 8 根。箍筋除两端为平圈外，其 余可做成螺旋环向式，基本管节两端1 m 范围螺距为5 0 m m ，中间范围为1 0 0 m m 。工厂预制时的图 片可参看附录图2 。 毫l町i 广。道 _ r 。，舜暮三三三兰兰兰薏三号 引。川 白 可l喝l 卜- 七! ! ! ! ! ! 竺! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 鼍 ： i ”l l盟i 图2 - 4 标准桩节结构图 标准桩节壁厚6 取为1 3 0 m m 1 5 0 r a m ，在两层钢筋中间预留张拉孔道，孔道直径中一般取4 5 6 0 m m 取值与选用的预应力筋的直径有直接关系，一般以预应力筋能顺利穿过孔道为标准。 1 0 霸一 第二章适合深基坑支护的后张p c 大管桩的成桩工艺及有关设计、计算理论 2 2 运输与堆放 桩节预制过程中及预制完成后，在预制场地和预制场地至施工现场，都存在着桩节的运输及如 何存放的问题。预制桩节在未成桩之前，属钢筋混凝土构件，其直径大，在起吊、运输与堆放过程 中产生的动荷载足以使管节产生环裂，同时，应注意预制桩节之间需垫枕木以免压坏桩节节头及污 染混凝土接触面。 桩节的运输包括在预制场预制完成后运输至桩节的存放地和从存放地运输至施工场地两个运输 过程。由于后张p c 大管桩的重要特点之一就是桩身分节预制，各桩节的长度决定了桩节的自重， 而该自重又受到起重设备能力限制，因此，运输设备是空心桩节运输的关键。 目前，用于港口和海洋工程中后张p c 大管桩的主要运输设备有龙门吊、浮吊、缆吊等。龙门 吊设备简单，通常可在工地自制，较汽车吊耐用性好、成本低。但深基坑支护中汽车吊是施工中的 首选方案。因汽车吊机动灵活t 深基坑支护的桩型不是很大，一般是先沉桩后张拉成一根整桩，故 一般吊重不受限制；缺点是成本费用高。同时不能单独作纵向运输用。深基坑支护中空心桩壳根据 尺寸可通过外表打孔加钢缆绳起吊运输。而海洋、港口工程中一般采用采用特制的吊装夹具铜 板夹具，将钢板夹具与桩节紧扣在一起，钢板和桩壳间的空隙用木塞塞紧进行起吊运输。 2 3 深基坑支护中的成桩工艺 根据不同的沉桩工艺，选择不同的成桩方法。例如人工挖孔沉桩和钻埋沉桩，则是先沉桩后张 拉预应力钢筋成桩；而射水辅助沉桩则是在施工现场，先张拉成桩，然后起吊沉桩。而海洋港口工 程中一般是在工厂或是工地现场先张拉成桩，而后通过打桩船锤击沉桩。两者最大的不同在于一个 是工厂张拉沉桩属卧式张拉：一个是工地现场已经沉桩完毕，属立式张拉。 在施工现场先张拉成桩与先沉桩后张拉工艺类似，这里仅介绍适合深基坑先沉桩后张拉的工艺。 首先，将桩节上端面清洗烘吹干净后，用丙酮清洗端面。然后在上面涂刷一层2 3 m m 厚环氧 树脂水泥砂浆，以便与上节桩壳的底面相粘结，然后下放至桩位处。 其次，如用简易门吊将中节吊运至拼接位置，则只须将桩节挂在简易门吊上即可；如用汽车吊 或桅杆缆吊时，吊点应停留在空中，以便于施工人员调整位置。将上节下端面烘干处理干净后，再 用丙酮清洗，涂刷环氧树脂胶砂，然后将3 2 的锥形螺纹连接筋穿入预留孔道内，并与底节上的预埋 螺母或h z m l 器连成整体。为了确保不漏水，还须在桩节外表面涂抹一层防水沥青，在沥青外面贴 裹一层防水纤维布，至此完成第一节预制桩壳的拼接工作。