（岩土工程专业论文）软土中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析.pdf

软土中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 摘要 本文从理论上分析了预应力管桩的“土塞”效应、挤土效应、沉管灌注桩 的挤土效应和时间效应、钻孔灌注桩的“泥皮”效应、沉渣效应、砼灌注效应， 以及3 种桩基的受力性状。 在理论分析的基础上，通过对台州市1 2 5 个工程中6 5 0 根桩的静载荷试验资 料与结果的总结，对3 种桩型的极限承载力、侧阻力、端阻力进行了统计分析。 研究表明：在相同的土层条件下，3 种桩型单位桩侧阻力q 。j 值是管桩最大；沉 管桩次之，为管桩的0 8 3 0 9 3 ；钻孔桩最小，为管桩的0 7 7 加8 7 。但在粉砂细 砂层，由于振动沉管桩导致的地基土液化，沉管桩与钻孔桩的取值基本持平，或 略低。单位桩端阻力也是预应力管桩q 。最大，沉管桩次之，为管桩的0 8 0 9 、 钻孔灌注桩最小，为管桩的0 2 5 0 5 。研究结果还对建筑桩基技术规范 ( j g j 9 4 9 4 ) 第5 2 8 条相关参数提出了修正意见。本文的理论和实测结果的统 计分析及研究为今后桩基规范的修订和工程设计提供了依据。 关键词管桩沉管桩钻孔桩桩侧阻力桩端阻力分析比较 a n a l y s i so nb e a r i n gc a p a c i t y o fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e p i p ep i l e ，p i p e - d r i v e dp i l e ，b o r e d p i l e a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e a u t h o r a n a l y z e d s o i l p l u g g i n ge f f e c t a n ds o i l c o m p a c t i o ne f f e c to fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e ，s o i lp l u g g i n ge f f e c t a n dt i m ee f f e c to fp i p e d r i v e dp i l e ，s o i lh u n ke f f e c tr e s i d u ee f f e c ta n d c o n c r e t e sp e r f u s i o ne f f e c to fb o r e dp i l e t h ea u t h o ra l s oa n a l y z e dt h e s e t h r e ep i l e s m e c h a n i c sb e h a v i o n b a s e do dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i s p a p e rc o u n ta n dc o n c l u d e6 5 0 c a s e so fs t a t i cl o a dt e s tr e s u l t so f1 2 5 p r o j e c t sl o c a t e di nt a i z h o ua n d s t a t i s t i ct h ev e r t i c a ll i m i tb e a r i n gc a p a c i t y ，f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea n de n d b e a r i n g o ft h e s et h r e e p i l e s t h e s t a t i s t i c ss h o wt h a ta tt h es a m e c o n d i t i o n so fs o i l ，t h e 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 u n i tf r i c t i o n a l r e s i s t a n c ei st h e l a r g e s to fa 1 1 t h ep i p e - d r i v e dp i l ei st h es e c o n d ，i ti s 0 。8 3 0 9 3t i m e so ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e t h eb o r e dp i l ei s t h el o w e s to fa l lt h r e e ，i ti s o n l y0 7 7 - 0 8 7t i m e so f t h ef i r s t b u to nt h e h a r d p a no rs a n d s ，p i p e - d r i v e dp i l eh a sa l m o s ts a m eo rl o w e rn u m b e r c o m p a r e d w i t hb o r e d p i l e b e c a u s eo fs a n d s l i q u e f a c t i o n a t t h i s c o n d i t i o n ，t h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e su n i tf r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei s s t i l lt h el a r g e s t t h ep i p ed r i v e dp i l ei st h es e c o n da n dt h eb o r e d p i l ei s s m a l l t h er e s e a r c hr e s u l ti s h e l p f u l t o m o d i f y t h er e c o m m e n d p a r a m e t e r so fi t e m5 2 8 i nj g j 9 4 9 4 t h et h e o r ya n ds t a t i s t i c so ft h e a r t i c l ei sa l s o p r o v i d i n g m o r ea c c u r a t e p a r a m e t e r s t ot h e d e s i g n o f e n g i n e e r i n g k e y w o r d s p r e s t r e s s e dc o n c r e t e p i p ep i l ep i p e d r i v e dp i l e b o r e d p i l e f r i c t i o nr e s i s t a n c ea tp i l es h a f t f r i c t i o nr e s i s t a n c ea tp i l et i p a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n i v 软十中管擗、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 第一章绪论 1 1 问题的提出 土木建筑工程中，当天然地基不能满足上部结构对地基承载力或变形的要 求时，一般要求通过深基础将荷载传递到较深处性质较好的地基中去，桩基便是 一种工程上应用较多的基础形式。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，早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽 地旱，载木桩搭台作为水上住所，汉朝已用木桩修桥 1 】 2 1 。2 0 世纪初，钢筋砼预 构件问世后，才出现厂制和现场预制钢筋砼桩。我国于5 0 年代开始生产预制钢 筋砼桩，多为方桩。我国台湾省6 0 年代中期开始生产p c 桩，1 9 8 4 年，广东省 构件公司、广东省基础公司、广东省建科所研制成功预应力砼管桩。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 己有3 0 多年，但真正得到迅速发展还是近1 0 年的事【4 】。 以砼或钢筋砼为材料的另一种类型的桩，是就地灌注砼桩。上世纪2 0 到 3 0 年代已出现沉管灌注桩。上海在3 0 年代修建的一些高层建筑的基础，就曾采 用沉管灌注桩，如f r a n k i 桩和v i b r o 桩吼到5 0 年代，随着大型钻孔机械的发 展，出现了钻孔灌注砼桩或钢筋砼桩。在5 0 年代到6 0 年代，我国的铁路和桥粱 曾大量采用钻孔灌注砼桩和挖孔灌注桩1 6 。 随着建筑业的发展桩从早期的少数几种，如钢桩、预制砼桩、木桩等逐 步发展成为一个门类繁多，作用、性能各异的深基形式，如沉管灌注桩、钻( 挖) 孔灌注桩、预应力砼桩、各种低强度复合桩等。 桩基工程的广泛应用促使人们对桩的设计、施工、作用机理及其与上部及 结构的关系开展了深入、系统理论与实践的研究，形成了基础工程的一个重要分 支8 1 。通过研究所取得的成果，各国、各地区都颁布了桩基的设计、施工规范， 轼十中管_ i ! 、优管枷、钻孔桩承载力的分析浙江大学硕上学位论文，2 0 0 3 年8 丹 对工程应用起到了指导作用【9 】f l o 川】。 台州位于我国东部沿海，近年来城市高层建筑中应用大量的桩基，在预估 单桩承载力时，大部分的设计人员是以地质报告提供的指标为依据用建筑桩基 技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 的经验公式进行计算，丽且认为这是法律上唯一可靠的 做法1 1 2 】。作者认为，这种做法在经济性上是不合理的。因为建筑桩基技术规 范( j g j 9 4 9 4 ) 总结的是大约1 0 年以前的资料，浙江省软弱地基基础设计规 范( d b j l 0 - 1 9 0 总结的更是l o 多年前的资料。近年来，桩基工艺的进步，规 范承载力指标表格是来不及反映的。地质人员的主观因素，也影响指标的高低。 且地质报告中往往没有注明相应桩型的工艺条件，而同一桩型采用不同工艺其效 果往往有很大差别。同时，经过多年的实践，台州地区各种桩型各种地层都进行 了大量的静载试验，这些都是本地区最新的成熟经验，也是估算单桩承载力明确 的依据。本文研究的突破点就是在台州6 5 0 根各类桩静载资料的基础上，对桩侧 阻力和桩端阻力做出分析和调整，对预应力管桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩在有 关成熟的地层调整细化省规范，为本地设计提供更准确的依据。 1 2 单桩竖向承载力的确定方法 目前，在单桩竖向承载力计算时，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( b ) 。一是按土的 强度与变形来确定单桩竖向承载力，单桩极限承载力q 。由总极限侧阻力q 。和总 极限端阻力q 。组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为： q 。= q 。+ q 。= u ，l q + a q 式中l 、u 桩周第i 层土厚度和相应的桩身周长； a 。桩端底面积： q “、q ，。第i 层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力。 2 软十中管桃、沉管柑、钻孔枇承载力的分析浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 q 。、q 。q 的确定通常采用下列几种方法： ( 一) 原型试验法 原型静载试验是传统的也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可确定桩的 极限承载力，而且通过埋设各类测试元件，可获得荷载传递、桩侧阻力、桩端阻 力、荷载一沉降关系等诸多资料。出于试验费用、工期、设备等原因，往往只能 对部分工程的少量桩进行试验。 原型动测法是近年来发展起来的一种快速检测桩的承载力和质量的方法，其 中高应变法虽然测定桩的承载力可靠性较高，但取代静载试验仍存在一定问题。 ( 二) 静力学计算法 根据桩侧阻力、桩端阻力的破坏机理，按照静力学原理，采用土的强度参数， 分别对桩侧阻力和桩端阻力进行计算。由于计算模式、强度参数与实际的某些差 异，计算结果的可靠性受到限制，往往只用于一般工程或重要工程的初步设计阶 段，或与其他方法综合比较确定承载力“。 ( 三) 原位测试法 对地基土进行原位测试，利用桩的静载试验与原位测试参数间的经验关系， 确定桩的侧阻力和端阻力旧。常用的原位测试法有下列几种： 1 、静力触控法( c p t ) ； 2 、标准贯入试验法( s p t ) ； 3 、旁压试验法( p m t ) 。 ( 四) 经验法 根据静力试桩结果与桩侧、桩端土层的物理性能指标进行统计分析，建立桩 侧阻力、桩端阻力与物理性能指标问的经验关系，利用这种关系预估单桩承载力。 这种经验法简便而经济，但由于各地区间土的变异性大，加之成桩质量有一定的 变异性，因此，经验法预估承载力的可靠性相对较低，但用于地区性规范的可靠 性是较高的。 3 软士中管桩、沉管枷、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论义，2 0 0 3 年8 月 1 3 影响桩侧阻与端阻发挥的主要因素 众所周知，作用于桩顶的荷载q 是由桩侧摩阻力q 。和桩端阻力q ，来平衡， 即q 。= q 。+ ，由于作用于桩顶的荷载使桩身砼从上而下产生压缩从而激发桩侧土 向上的摩阻力，随着荷载的逐渐增大，桩侧土的摩阻力自上而下逐渐被克服，桩 轴力向下传递到桩端，形成桩端阻力，而且随着桩顶荷载水平的进一步加大，桩 端阻力也逐渐增大，所以侧阻与端阻不是同发挥，而是异步发挥的”6 “”1 。 ( 一) 影响桩侧阻发挥的主要因素 ( 1 ) 桩周土的力学性质； ( 2 ) 桩长l 、桩侧土厚度及各层中的q 。值； ( 3 ) 桩土相对位移量； ( 4 ) 桩土界面性质； ( 5 ) 加荷速率及时间效应； ( 6 ) 侧向有效压力； ( 7 ) 桩端是否弱化； ( 8 ) 桩项荷载水平； ( 9 ) 桩径变化。 很显然： 不同类型的土使桩侧阻力达极限时的桩土相对位移量不样，冯国栋等指 出粘土 4 m m ，砂土 k o ：( c ) 非挤土 桩，k 4，- 6 ；一 一6 i 一 亡：斜 _ lk lt 。 = 二 i ； (- - 2 i l 、 ， r i - 一逝 董 蓑 n9 j1 ， 一2 47 2 9 f k 1 r 1 l f 0 t 上j 一、l h - = b 2b 2 a 螭 、 ) i 弋 j ：一 l地 b ：2 a 挤土灌注桩( d 。r 3 0 0 m m ) 预制桩( 3 x & 5 0 m m ) 打桩前n 值打桩后n 值 图2 1 - 5 砂土中挤土桩成桩前后标贯击数n 的变化 ( 2 ) 饱和粘性土中的成桩挤土效应 饱和粘性土中的挤土桩，成桩过程使桩侧土受到挤压、扰动、重塑，产生 超孔隙水压力。随后出现孔压消散、再固结和触变恢复，导致侧阻力产生显著的 时间效应。 挤土效应机理分析 饱和软土中的沉桩挤土效应可视为半无限土体中柱形小孔扩张课题，应用 弹塑性理论求解其沉桩瞬时的应力和变形( 胡中雄、侯学渊，1 9 8 7 ；李雄，刘金 砺，1 9 9 2 ) 3 1 。 假定：( a ) 土是均匀的各向同性的理想弹塑性材料：( b ) 饱和软土是不可压缩 的( 无排水的瞬时挤土) ；( c ) 土体符合库仑一摩尔强度准则；( d ) 小孔扩张前土体 各向的有效应力均等。 j 2 软七中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 图2 1 - 6 沉桩桩周应力、变形状态 由图2 - 1 _ 6 可写出微单元体的平衡方程 堡+ 生二鱼：o d ， 7 土体屈服条件 盯，- - ( 7 目= 2 c 。 边界条件 r = 0 ，仃，= p 。 解式( 2 1 5 ) 和( 2 i 6 ) 得塑性区( 图2 1 7 中i i 区) 半径 r 。= 0 塑性区的附加应力 盯，：c 。( 2 l n r p + 1 ) ：p 。一2 c 。i n 二 ， 0 盯日：c 。( 2 1 nr p 一1 ) ：p 。一2 c u ( 1 n 二+ 1 ) r 仃：地。- n 了r p 诅也羽n 考+ 圭) r厂_z 桩土界面的最大扩张应力 见= 气+ 2 q l n 生= 仙而e r瓦+ 1 )烈l + j c 。 以上各式中r o 扩张孔( 桩) 的半径 r 。塑性区半径： ) ( r + d r ) d 6 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 1 1 0 ) ( 2 1 1 2 ) 软土中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 r 离圆柱形扩张孔中心的距离 c 。、e 、u 分别为桩周饱和土的不排水抗剪强度、模量和泊松比。 5 ) 一 一c 图2 1 7 桩周挤土分区圈2 1 8 沉桩挤土应力沿径向的变化 沉桩瞬时挤土过程产生的超也隙水压力，根据h e n k e l 公式为 a u = 胚c r o + c t a r o ( 2 1 1 3 ) 式中a 、b h e n k e l 也隙水压力参数( 土完成饱和时，b ：1 ) ； o 。、t 。八面体法向应力增量和剪应力增量；分别为 a c t o = - ( a g l + a o 2 + a c t 3 ) ( 2 1 1 4 ) 瓴= 击 ( a o - i - a o - 2 ) 2 + ( a o - 2 - - a o - 3 ) 2 4 - ( a o - 3 - a o - i ) 2 】；( 2 1 1 5 ) 由常规三轴压缩试验得到s k e m p t o n 孔隙水压力系数 a r = au o ，ur - 0 7 0 7 ( 3 a f - i ) 。当假定体积压缩= 0 ，v ：1 2 时，可以得到： 址“2 1 n 拿+ 0 8 1 7 a ：) ( 2 1 1 6 ) 对于粘土和粉质粘土，a f 可分别取0 9 8 ，0 9 0 左右。 由图2 1 - 8 看出，挤土应力沿外径向递减。其数值以径向应力o ，最大，切 向应力o “最小，在塑性区外边界上，o 。与o “的绝对值相等( c 。) ，但前者为压应 力，后者转为拉应力。竖向应力o2 在塑性区外边界递减为零。 当瞬时超孔隙压力超过竖向或侧向有效应力便会产生水力劈裂而消散。因 1 4 软十中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 此，成桩过程中超孔压一般稳定在土的有效自重压力范围内，沉桩后，超孔压消 散较快。在靠近桩土界面的5 2 0 m m 土层，由于超孔压最大，在桩表面形成水膜 降低沉桩贯入阻力。该近桩附近土层在沉桩过程受挤压而充分扰动重塑，瞬时强 度显著降低，但由于排水条件好，挤压应力高，其强度随时间增长快，最终形成 一紧贴于桩表面的硬壳( 图2 1 7 i 区) 。桩受荷发生竖向位移时，其剪切面发生 于硬壳层与i i 区( 图2 1 7 ) 之间的界面，相当于增大了桩表面积。i i 区土体强 度也因再固结、触变作用而最终超过天然状态，因而挤土效应导致桩侧阻力提高。 桩侧阻力随挤土密度的变化 由式( 2 1 7 ) 可知，沉桩挤土塑性区半径r 口随桩半径r o 增大而线性增大。 究竟桩侧阻力随沉桩挤土量里何规律变化，仍有待试验探讨。施鸣升( 1 9 8 1 ) 提 出以下式所表达的挤土密度p 来度量饱和粘性土中桩侧阻力的挤土效应【3 2 】。 桩入土体积 p 2 芽2 面天琢蕊两蕊 ( 2 1 1 7 ) 通过同一现场1 4 根不同直径、 相同长度的静力压入桩的静 载试验，得到桩侧阻力与挤土 密度之间的关系，如图2 1 - 9 所示。 图2 1 9 中的q s u q 。k 为任意挤 一任意挤土密度的极限侧阻； q 。k p = 0 0 2 5 m 3 m 2 的极限侧阻 土密度( 任意桩径) 极限侧阻 图2 卜9 桩? 霁雠嚣与挤1 9 8 2 产锻的关系 与挤土密度p - o 0 2 3 m m ( 桩 ( 引自施鸣升。 ) 匀价工留厦p 。u 【世 径d = l o o m m ) 极限侧阻之比。图2 1 - 9 所示q d q 。k p 关系可表示为 当0 0 2 5 m 3 m 2 虿 0 墨 蹙 囊： ： q 呈 忐 g 穗 酒看 r 。 _ q 5 。 ； _ - 量 ， ： l 鲴劲- - 1 0 -： 一 一： ：? ：j - ： _ _ ： - ? - 1 6 一 1 蛀n o 桩n oo桩n o 盎线一成柱前；实线一成桩后 图2 小1 0 成孔松驰效应引起桩周砂土变松 ( 引自f u j i t a 1 9 7 3 ) 2 2 桩端阻力的性状分析 2 2 1 端阻力的破坏模式 桩端阻力的破坏机理与扩展式基础承载力的破坏机理有相似之处。图2 2 1 幽2 ，2 - l 地基破坏模式 一整体剪切破坏：一局部剪切破坏 川一刺入剪切破坏 表示承载力由于基础相对埋深( h d ，d 为 基础宽度，h 为埋深) 、砂土的相对密度不 同而呈整体剪切( g e n e r a ls h e a r ) 、局部剪 切( l o c a ls h e a r ) 和刺入剪切( p u n c h i n g s h e a r ) 三种破坏模式m ”。整体剪切破坏 的特征是：连续的剪切滑裂面开展至基底 水平面，基底水平面土体出现隆起，基础 沉降急剧增大，曲线上破坏荷载特征点明 显。局部剪切破坏的特征是：基础沉降所 1 7 蚕器g 软十中管桩、沉管艟、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 产生的土体侧向压缩量不足以使剪切滑裂面开展至基底水平面，基础侧面土体隆 起量较小。刺入剪切破坏的特征是：由于持力层的压缩性，土体的竖向和侧向压 缩量大，基础竖向位移大，沿基础周边产生不连续的向下辐射形剪切，基础“刺 入”土中，基底水平面无隆起出现。 出图2 2 1 可看出，对于定密实度的土，随着相对埋深的增大( 侧向超载 增加) ，其破坏模式可由整体剪切转变为局部剪切、刺入剪切。土的密实度愈低， 发生整体剪切破坏的可能性愈小。对桩端土而言，其相对埋深很大，破坏模式主 要取决于桩端土层及桩端上覆土层的性质，并受成桩效应、加载速率的影响。 当桩端持力层为密实的砂、粉土和硬粘性土，其上覆土层为软土层，且桩不 太长时，端阻一般呈整体剪切破坏；当上覆土层为非软弱土层时，则一般呈局部 剪切破坏；当存在软弱下卧层时，可能出现冲剪破坏。 当桩端持力层为松散、中密砂、粉土、高压缩性和中等压缩性粘土时，端阻 一般里刺入剪切破坏。 对于饱和粘性土，当采用快速加载。土体来不及产生体积压缩，剪切面延伸 范围增加，从而形成整体剪切或局部剪切破坏。但由于剪切是在不排水条件下进 行，因丽土的抗剪强度降低，剪切破坏面的形式更接近于围绕桩端的“梨形”。 2 2 2 端阻力的成桩效应 桩端阻力的威桩效应随土性、成桩工艺而异9 ”。 对于非挤土桩，成桩过程桩端土不产生挤密，而是出现扰动、虚土或沉渣， 因而使端阻力降低。 对于挤土桩成桩过程，桩端附近土受到挤密，导致端阻力提高。对于粘性土 与非粘性土、饱和与非饱和状态，松散或密实状态，其挤土效应差别较大。如松 散的非粘性土挤密效果最佳，密实或饱和粘性土的挤密效果较小。因此，端阻力 的成桩效应相差也较大。 1 8 软土中管桩、沉管褂、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年8 月 图2 2 2 所示为挤土桩沉桩后桩端附近土的内摩擦角变化情况( m e y e r h o f ： 1 9 5 9 ) 1 3 8 。从中可看出，挤土效应是显著的，桩表面土的内摩擦角提高约5 7 。 图2 2 - 3 所示为桩端持力层为细粒土的打入桩( 挤土桩) 、钻孔桩( 非挤土桩) 和 长螺旋钻压注桩( 部分挤土桩) 的端阻力发挥比( q p q p u ) 与桩端沉降比( s b d ) 的关系曲线( v a nw e e l e ，1 9 8 8 ) 。从中看出，不同桩类型发挥相同端阻所需桩端 沉降明显不同，且随端咀发挥比增加而增大。当端阻发挥5 0 时，其桩端沉降比 s 6 d ，打入桩仅需1 左右，而钻孔桩需3 4 。要充分发挥端阻，桩端沉降比 打入桩需1 0 ，钻孔桩需2 0 一3 0 ，压注桩介于二者之间。这比较试验结果 清楚地说明，不同成桩工艺导致端阻力发挥性状不同。 斛 二j 触 l( 、1 i 、 、 、一一 、j 飞 ：、 静、 驸 搿i 幽2 + 2 。2 篙老；! 篓舅近砂十内 图2 2 3 不同民桩工艺端阻发挥比一桩 吲自慧角变 。螽裟嚣q v q 师m - - s d d 抨“性 泻旧y e r h o c1 9 5 9 ) 苫? 黼w e e l e 1 9 8 8 ) 从单桩静载试验极限端阻力参数统计结果看，挤土桩与非挤土桩极限端阻之 比：在非挤土桩干作业条件下，粘性土、粉土为1 5 2 5 ，粉、细、中、粗砂为 4 5 7 5 ：非挤土桩泥浆护壁条件下，粘性土、粉土为4 7 ，粉、细、中、粗砂为 4 5 7 5 。由此可见，在细粒土中，成桩工艺对于端阻值的影响是显著的。 1 9 软十中管桩、优管桩、钻孔帆承载力的分析浙江大学砸j 。学位论文2 0 0 3 年8 月 2 3 预应力管桩的土塞效应 2 3 1土塞形成和作用的机理分析 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及诸多因素有关。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。 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。桩的承载力构成为 r = q 。+ q l + q 。 其中q 、q ，一分别为桩管外壁与内壁的极限摩阻力： q ：管桩管壁的极限端阻力： r 一管桩的极限承载力。 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与管外侧阻力，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足够大的反力，土塞 才产生相对与内管壁的向上位移而使侧阻力逐渐发挥出来。土塞的模量越低，土 塞的高度越大，全部充分发挥土塞侧阻所需沉降也越大。一般情况下，要充分调 动土塞全长的侧阻力是不可能的，因其所需沉降过大，比充分发挥端阻力所需沉 降更大。 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。一般说 2 0 软十中管柑、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕：l 学位论文，2 0 0 3 年8 月 来土塞效应的强弱和有无主要取决于桩径，并存在产生土塞效应的i 信界桩径d 。， 根据前人的研究结果，对于砂土层d 。r = 1 0 0 2 0 0 r a m ；对于粘土和近海沉积土 d e r = 8 0 0 1 2 0 0 r a 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，当沉桩穿越软塑流塑状态的淤泥质 粘土层时，土芯率l p l ( l p 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，内壁侧阻力越强，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。相应地就有两钟土塞形成机制：静态和动态的。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效 应；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口的 影响。口越大，越不易形成土塞，吐越小，越容易形成土塞。 2 3 2 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【3 9 】。一般情况求解e h - i - 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一质块体 系，视土为理想弹塑性体，利用线形方程组求解。 2 1 软士中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江火学硕一l 学位论文，2 0 0 3 年8 月 驴警虬，) 式中为p 、一单位截面积上的管内侧阻。 c 一土的内聚力或土与管壁的粘聚力 y 一土的重度 d 。一桩的内径 五一为水平土压力与竖向土压力之比 仍一土的内摩擦角或土与管壁的外摩擦角，取其小者 = m 纯 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 p 。= g p a 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： ( 1 ) 管内土塞沿管壁向上挤出( 只 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。 种种实验结果说明，土芯闭塞效应随桩端进入持力层的变化而变化。 管内土芯的高度是随着管径而变的，土芯高度比随桩径的增大而提高。 2 4 桩基承载力的时间效应 关于摩擦桩基，成桩后其承载力随时间而变化的现象早在2 0 世纪三十年代 就被人们发现。几十年来许多学者以饱和粘性土中的桩基为主进行了大量的观 测、试验工作，所取得的成果和早期认识大体是一致的，即桩的竖向极限承载力 承时间而呈一定程式增长。其总的变化规律是初始增长速度快，随后逐渐变缓， 2 2 较十中管椭、沉管桩、钻孔桩承戟力的分析浙江大学碗j 学位重文，2 堕年蔓旦 某一段时问后趋于某一极限值。 根掘不同土质、不同桩型、不同尺寸的桩承载力时效的试验观测结果，其 最终单桩极限承载力比初始值增长约4 0 4 0 0 ，达到稳定值所需时间由几十天 到数百天不等，而实际工程由开始打桩到投入使用约需l 3 年。因此，桩基设计 中考虑承载力的时效，对节约工程造价具有很大的实际意义。 2 4 1 饱和粘性土中挤土桩承载力的时间效应 ( 1 ) 土的触变时效：桩周土经沉桩挤压扰动，强度降低，粘性土的触变作 用使损失的强度随时间逐步恢 复。图2 4 1 所示为淤泥质粉质 粘土经重塑后在饱和状态下， 静置不同时间进行三轴不固结 不排水剪切试验的结果。由于 重塑土样的静嚣触变过程是在 0 孟o 至 b 0 1 0 8 0 1 卜。 汀噶一 r i d i 无围压固结条件下进行的，其 图2 4 1 重塑土不排水剪切强度随时间的变化 强度的增长幅度约为5 0 ，比桩侧土强度的实际增长幅度要小。 ( 2 ) 固结时效：沉桩引起的超孔隙水压力随时间而消散，桩侧土在自重应 力和沉桩扩张应力共同作用下固结，超孔压逐渐消散，土的有效应力和密实度逐 渐增大，强度逐渐恢复，甚至超过其原始强度。 ( 3 ) 桩侧土在沉桩过程中的变化根据前面的分析可划分为塑性区和弹性 区，按土的扰动程度的不同又可分为如图2 1 7 所示的三个区：重塑区l ；部分 扰动区i i ；非扰动区i i i 。重塑区由于受沉桩过程竖向剪切、径向挤压作用而完 全重塑。由于桩土界面的挤压应力最大，超孔隙水压力也最大。因而在不断产生 相对位移、粘聚力最小的桩土界面上将形成一“水膜”。该水膜不仅起到降低沉 桩贯入阻力的作用( 若打桩中途停歇、水膜消散，便会使沉桩阻力大大增加) ， 软十中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析浙江大学颁二卜学位论文，2 0 0 3 年8 月 而且在桩表面形成排水通道使重塑区土体快速固结，并随静置和固结时间延长， 逐步形成一紧贴于桩表面的硬壳。该硬壳的厚度为3 - 2 0 r a m ，随土性、桩表面粗 糙程度而变化。由于该硬壳的剪切强度大于其外围的强度，因此当桩受竖向荷 载发生竖向位移时，其剪切面发生于i 、i i 区的交界面，桩侧摩阻力也取决于i i 区土的强度。摩擦桩的承载表面积也相应增大。 部分扰动区1 1 的外边界在理想不排水不固结条件下等于上述塑性区的外边 界，但由于实际沉桩并非瞬时，而是在某一时间内完成，因此存在沿桩土界面的 排水固结和地表、透水层的排水囤结。这样，使i 、i i 区的实际半径要比理论塑 性区半径小，一般为5 - l o r o ，( r o 为桩半径) 。土的隆起量也由于沉桩过程的部分 固结挤密，比沉入桩身体积小。桩侧摩阻力随时间的增长也因此更为显著。 2 4 2 粘性土中非挤土灌注桩承载力的时间效应 非挤土灌注桩由于成桩过程不产生挤土效应，不引起超孔隙水压力，土的 扰动范围较小，因此，桩承载力的时间效应相对于挤土桩要小。粘性土中非挤土 灌注桩承载力随时间的变化，主要是由于成孔过程孔壁土受到扰动，由于土的触 变作用，被损失的强度随时间逐步恢复。对于泥浆护壁成桩的情况下，附着于孔 壁的泥浆也有触变硬化的过程。因此承载力的时效，泥浆护壁法成桩比干作业要 明显。干作业成桩的情况下，孑l 壁土扰动范围小，其承载力的时效一般可予忽略。 表2 4 1 为某饱和软土中泥浆护壁钻孔桩( d = 6 0 0 m m ，l = 4 0 1 5 m ) 不同休止期 静载试验所得极限承载力经桩身不同截面轴力观测表明，桩侧阻力随时间而增 长，但桩端阻力基本不随时间而变化。由表2 4 1 可看出，承载力前期增长快， 1 0 8 天后基本趋于稳定，1 7 1 天相对于3 9 天承载力的增幅为1 2 。这是由于非挤 土桩承载力时效主要是桩侧扰动土和泥浆的触变恢复，其恢复速率相对是较快 的。 2 4 软士中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年8 月 泥浆护壁成桩灌注桩承载力随时间的变化表2 4 1 休止期( 天) 3 95 61 0 81 7 1 i 极限承载力( k n ) 3 7 5 03 9 0 04 2 0 04 2 0 0 i 变化率( ) 1 0 01 0 41 1 21 1 2 2 5 桩侧阻力和端阻力的理论分析结果与规范取值的比较 ( 一) 桩侧阻力的分析结果与规范取值的比较 前面的理论分析表明：在相同的土层条件下，预应力管桩由于受到土塞效应 和挤土效应的作用，其桩侧阻力最大，沉管灌注桩由于受于挤土效应、时间效应， 其桩侧阻力次之，钻孔灌注桩由于“泥皮”效应、沉渣效应、时间效应、松驰效 应等的作用，其桩侧阻力最小。理论分析也说明现行的建筑桩基技术规范 ( j g j 9 4 9 4 ) 中关于相同的土层条件下，q 州的取值预应力管桩大于钻孔灌注桩， 钻孔灌注桩大于沉管灌注桩有不合理之处。这主要是因为沉管灌注桩的施工的变 异性大，如果施工方法或施工工艺不当，或某道工序中出现漏洞，将会造成缩颈、 隔层、断桩、夹泥和吊脚等质量问题，因此原规范对此类桩型的q 。j 取值作了较 大保留。 ( 二) 桩端阻力的分析结果与规范取值的比较 理论分析表明，与桩侧阻力相同，考虑预应力管桩的土塞效应、挤士效应， 沉管灌注桩的挤土效应、时间效应，钻孔灌注桩的泥皮效应、沉渣效应等对承载 力的影响，在相同的持力层中，桩端阻力q 。的取值是预应力管桩大于沉管灌注 桩，沉管灌注桩显著大于钻孔灌注桩。这个结论与建筑桩基技术规范 ( j g j 9 4 - 9 4 ) 中的取值是基本一致的。 2 5 软寸= 中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年8 月 第三章桩基静载试验及分析研究 3 1 竖向静荷载试验 3 1 1 试验装置 一般采用油压千斤项加载，千斤顶的加载反力装置可根据现场实际条件取下 列三种形式之一： ( 一) 锚桩横梁反力装罱( 图3 1 1 ) 锚桩、反力梁装置能提供的反力应不小于预估最大试验荷载的1 2 1 5 倍”。 采用工程桩作锚桩时，锚桩数量不得小于4 根，并应对试验过程锚桩上拔量进行 监测。 圆 m 一， b l 堞 f 皂 曼胯韧龟 图3 , 3 1竖向静荷载试验装置 ( 二) 压重平台反力装置 压重量不得少于预估最大试验荷载的1 2 倍，压重应在试验开始前一次性加 上，并均匀稳固放置于平台上。 ( 三) 锚桩压重联合反力装置 当试桩最大加载量超过锚桩的抗拔能力时，可在横梁上放置或悬挂一定的重 物，由锚桩和重物共同承受千斤顶加载反力。 试桩、锚桩( 压重平台支墩) 和基准桩之间的中心距离应符合表3 1 1 的规 定。 2 6 软十中管桩、沉管桃、钻孔桩承载力的分析 浙江大学硕十学位论文，2 0 0 3 年8 月 试桩、锚桩和基准桩之间的中心距离表3 卜1 试桩与锚桩( 或压基准桩与锚桩( 或压 反力系统试桩与基准桩 重平台支墩边)重平台支墩边) 锚桩横梁反力装置4 d 且4 d 且4 d 且 压重平台反力装置 术2 o m术2 o m术2 o m 注：d 试桩或锚桩的设计直径，取其较大者( 如试桩或锚桩为扩底桩时 试桩与锚桩的中心距不应小于2 倍扩大端真径) 。 3 1 2 试验加载方式 采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载， 直到试桩破坏，然后分级卸载到零。当考虑结合实际工程桩的荷载特征可采用多 循环加、卸载法( 每级荷载达到相对稳定后卸载至零) “。当考虑缩短试验时间， 对于工程桩的检验性试验，可采用快速维持荷载法，即每隔一小时加一级荷载。 3 1 3 加卸载与沉降观测 ( 一) 加载分级：每级加载为预估极限荷载的1 1 0 1 1 5 ，第一级可按2 倍 分级荷载加荷。 ( 二) 沉降观测：每级加载后间隔5 、1 0 、1 5 m i n 各测读一次，以后每隔1 5 m i n 测读，累计1 h 后每隔3 0 m i n 测读一次。每次测读值记入试验记录表。 ( 三) 沉降相对稳定标准：每一小时的沉降不超过0 i m m ，并连续出现2 次 ( 1 5 h 内连续3 次观测值计算) ，认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。 ( 四) 终止加载条件：当出现下列情况之一时可终止加载： l 、某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降的5 倍； 2 、某级荷载作用下，桩的沉降量大于前