（土木工程专业论文）楔形桩的工作性状分析和应用研究.pdf

摘要 本文对楔形桩的工作性状及其在各类土层中的力学性能展开了若干研究，主 要包括楔形桩承载力和沉降的理论分析、楔形桩在各类土层中的试验结果分析和 楔形桩的经济效果分析等。 首先，根据楔形桩的形状和受力特点，在库伦土压力理论的基础上，计算了 单层土楔形桩周土压力，并利用m a t h e m a t i c a 数学软件和自编的程序验证了桩周 土压力的计算公式推导过程合理，结合极限平衡理论提出了多种条件下楔形桩极 限平衡承载力的计算方法，分析了土质条件对楔形桩极限承载力的影响。接着通 过理论计算和试验结果分析，提出了楔形桩的承载力是随着锥角在一定范围内的 增加而增加的。 其次，介绍了楔形桩的基本构造和设计施工要点，以及通过部分实例进行了 经济性分析，得出相同承载力的楔形桩造价要比普通桩节省得多的结论。 最后，通过收集了历年来前人对楔形桩的试验结果和工程应用实例，对楔形 桩的研究和应用情况进行了较为系统的总结和分析，从而指出楔形桩是一种优越 的桩型，值得推广应用。 关键词：楔形桩；工作性状；极限承载力；土压力；设计与施工；经济效果 a b s t r a c t t h i st h e s i sc a r r i e so u ts o m es t u d i e so nt h es e r v i c eb e h a v i o ro ft h et a p e r e dp i l e a n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nd i f f e r e n ts o i ll a y e r s ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s e so ft h e t h e o r e t i cb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t ，t h ef i e l de x p e r i m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i so f e c o n o m i c a le f f e c t i v e n e s so ft h et a p e r e dp i l e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es h a p ea n dt h el o a db e h a v i o ro ft h et a p e r e dp i l e ，t h e e a r t hp r e s s u r ea r o u n dt h et a p e r e dp i l ei sc a l c u l a t e db a s e do nc o u l o m b st h e o r y ，a n d t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gc a p a c i t ya r ed e f i v a t e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n su s i n gt h em a t h e m a t i c as o f t w a r ea n ds e l f - m a d es o f t w a r e ，b ym e a n so f l i m i t i n ge q u i l i b r i u ma n a l y s i s m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fs o i l c o n d i t i o no nt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h et a p e r e dp i l e t h e n ，t h ec o n c l u s i o n s t h a tt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yi n c r e a s e sw i t ht h es p r a ya n g l ea r ed r a w nb a s e do n t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t s e c o n d l y , t h e a r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h e k e y d e s i g n c o n s t r u c t i o np o i n t so ft h et a p e r e dp i l e ，a n dt h ee c o n o m i ca n a l y s i si sg i v e nb y s o m ee x a m p l e s ，i ti ss h o w nt h a tt h ec o n s t r u c t i o nc o s to ft h et a p e r e dp i l ei sl o w e rt h a n t h a t o ft h ec o m m o n p i l e f i n a l l y , t h ea r t i c l ec o n c l u d e sa n da n a l y z e sa n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so ft h e t a p e r e dp i l et h e o r yb yg e t t i n gt o g e t h e rt h et e s t r e s u l t sw i t ht h ea p p l i c a t i o ni n e n 百n e e r i n g ，a n di tc a n b ep r o v e dt h a tt h et a p e r e dp i l ei sa na d v a n c e dp i l es h a p ea n di s w o r t ht ob ea p p l i e dw i d e l y k e y w o r d s ：t a p e r e dp i l e ；s e r v i c eb e h a v i o r ；u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ； e a r t h p r e s s u r e ；d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n s ；e c o n o m i c a le f f e c t i v e n e s s i i 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 第一章绪论 1 1 引言 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一代的文化遗 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 0 - - - 7 0 0 0 年，这是全球迄今发现的规模最大的木桩遗存 13 0 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) 虽已局部损坏，但尚能承受4 0 0 多吨的大型平板车正常运行眩1 。 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土程，从此桩基材料也开始 发生深刻的变化。百余年的历史证明，钢筋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。 桩基的应用虽然已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。刘金砺33 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 桩的类型 1 2 1 按桩材分类 1 、混凝土桩：分为预制混凝土桩和就地灌注混凝土桩简称灌注桩两类，各 浙江大学硕士学位论文楔形桩的| 丁作性状分析和应用研究 种桩中，混凝土桩是目前最广泛使用的桩。 2 、钢桩：常见的是型钢和钢管两类。型钢即各种形式的板桩，抗弯性能较 好，常用于临时支持结构和永久性的码头工程。型钢桩与钢管桩则常用于承受垂 直荷载。由于钢材相对较贵，钢桩在我国采用远较国外为少。 3 、组合桩：即不同入土深度分段用不同材料的桩。这类桩只在很特殊条件 下因地制宜地采用。由于缺少实验研究和实践经验，其新型式采用时宜持慎重态 度。 1 2 2 按桩的使用功能分类 1 、水平受荷桩：港口工程的板桩、基坑的支护桩等，都是主要承受水平荷 载的桩。桩身的稳定依靠桩侧的土抗力，往往还设置水平支撑或拉锚以承受部分 水平力。 2 、竖向抗拔桩：指的是主要承受拉拔荷载的桩。如板桩墙背的锚桩和受浮 力的构筑物在浮力作用下自身重力不能稳定而在底板下设置的锚桩。 3 、竖向抗压桩：一般的建筑工程桩基，在正常工作条件下，主要承受从上 部结构传下来的竖向荷载。竖向抗压桩从桩的荷载传递机理来看，又可划分为摩 擦型桩和端承型桩两大类。 1 2 3 按成桩时对土体作用分类 不同的桩型成桩的方式不同，对桩周土的影响亦可能很不相同。 1 、挤土桩( 也称排土桩) 这类桩在设置过程中，桩周土被挤开，使土的工程 性质与天然状态比较，发生一定变化。挤土桩主要包括打入或压入预制混凝土桩、 钢板桩和混凝土管桩和沉管式的灌注桩等； 2 、部分挤土桩( 也称少量排土桩) 。这类桩在设置过程中，桩周土被部分挤 开，使土的工程性质与天然状态比较，发生一定变化。挤土桩主要包括打入的截 面厚度小大的工型和h 型钢桩、钢板桩、开口钢管桩和螺旋桩等； 3 、非挤土桩( 也称少量排土桩) 。这类桩在设置过程中将相应于桩身体积的 土挖出，因而桩周及桩底土有应力松弛现象。这类桩主要是各种型式的钻孔桩和 预钻孔埋桩等。 1 2 4 按照承载性状分类 2 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 1 、摩擦型桩：是指在极限承载力状态下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力 来承受。摩擦型桩又可分为纯摩擦桩和端承摩擦桩两类，前者桩尖部分荷载很小， 一般不超过整个荷载的1 0 ，在极限承载力状态下，桩项荷载由桩侧阻力承受。 如在饱和软粘土中施工时，在数十米内均无坚硬的桩尖持力层，其沉降较大；端 承摩擦桩是指桩顶荷载主要由桩侧阻力来承受，即在外荷载作用下，桩端阻力和 侧壁摩擦力都同时发挥作用，如穿过软弱地层嵌入软坚实的硬粘土的桩，这类桩 的桩侧阻力大于桩尖压力。 2 、端承型桩：又可分为端承桩和摩擦端承桩。端承桩是指在极限承载力状 态下，桩顶荷载由桩端阻力承受的桩。如通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，外部 荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力由桩的端部提供，不考虑桩侧摩阻力的 作用，摩擦端承桩是指在极限承载力条件下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受的桩。 如果通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，由于桩的长细比很大，在外部荷载作用下， 桩身被压缩，使桩侧摩阻力部分的发挥作用，其桩侧阻力小于桩尖阻力。 1 2 5 按承台底面相对位置分类 桩基础包括桩和将上部荷载传给桩的桩顶承台。按承台的相对位置，桩基础 区分为： l 、高承台桩：由于结构设计上的需要，群桩承台底面有时设在地面或局部 冲刷线之上，这种桩基称为高承台桩基。这种桩基在桥梁，港口等工程中常用： 2 、低承台桩：凡是承台底面埋置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承 台桩基。房屋建筑工程的桩基都属于这一类。 1 2 6 按混凝土浇注方法分类 1 、预制混凝土桩预制混凝土桩包括多边形桩和预应力空心管桩，均根据 施工和使用的要求配置钢筋。多边形断面的预制混凝土桩以实心方桩为代表。接 桩一般采用法兰盘穿螺栓。管桩一般采用预应力混凝土，级别往往在c 4 5 以上， 也有用c 7 0 、c 8 0 的。国外使用的管桩直径达1 0 0 0 m m ，c 8 0 - - - 一c 1 0 0 。 预制桩的主要优点是桩身质量易保证，单桩承载力较高。但也存在着一些缺 点。因为无论是打入式或压入式，都存在挤土效应，在地下水位高且饱和粘性土 深厚的地层中，这种效应的危害尤为显著。群桩施工时将导致周围地面隆起。当 场地布桩过密或局部桩距太小时，已经就位的邻桩可能上浮，或尚未打入的桩桩 浙江大学硕士学位论文 楔形桩的工作性状分析和应用研究 底难以就位。这些现象都将影响桩的承载能力。挤土效应还会对邻近的建筑物和 市政设施造成不良影响。打入桩的噪音污染和震动影响往往为环境所不容，而压 入桩由于设备过重在施工中对软弱土场地的浅层土体扰动严重，也给后续工序的 施工带来困难。当坚硬地层下埋藏着软弱层要求穿透硬层时，还需要辅以射水或 预钻孔等措施，以利沉桩到位。上述缺点的存在限制了预制混凝土桩的使用范围。 2 、灌注桩：灌注桩是直接在设计桩位造孔，然后灌注混凝土成桩。仅承受 轴向压力的灌注桩，可不配置钢筋。按规定需设钢筋笼时，配筋率一般也较低且 桩长可随持力层起伏而改变，不需截桩不设接头。以上可以说是各种灌注桩的共 同优点。灌注桩有许多类型，其优缺点、适用条件和局限性各不相同，以下介绍 其中最常用的几种。 ( 1 ) 沉管灌注桩：沉管灌注桩简称沉管桩，它采用锤击、静压、振动兼锤 击的方式沉管造孔，然后灌注混凝土并适时吊入钢筋笼，提拔钢管成桩。近年来 我国己推广了一种改进沉管桩，称为沉管夯扩桩。以下分别介绍这两种桩型。 沉管灌注桩桩径一般为3 0 0 - - 5 0 0m n l ，( 目前在国内应用的也有直径为 6 0 0 - - 一8 0 0 m m 的大直径沉管桩。桩长目前可达到4 5 m 左右。这种桩施工简单、进 度快、用钢少，因此应用较广。但这种桩不仅存在一般打入式桩的噪音、振动和 挤土等问题，而且存在着缩径、夹泥、断桩和混凝土离析等多种可能的质量问题。 引起这些问题的原因是多方面的，如自身沉管挤土形成的高孔隙水压力和拔管过 程中与之伴生的缩孔效应、邻桩的侧挤所导致的抬升作用、另外混凝土从管口自 由下落的距离太长可能导致不密实等等。现行工艺中有些措施是针对上述问题采 取的，如控制布桩密度和打桩进度，降低拔管速度和增大充盈系数( 指实际混凝 土用量与按桩径和桩长计算得的体积之比) 、打设排水砂井以加快孔隙水压的消 散、提管中反插甚至原孔复打、在管项上设振动锤边振边拔等。这些措施有助于 提高沉管桩的桩身质量，但在使用时要依据各地的实际情况而定。一般认为，桩 径小、桩身长的沉管桩使用时宜持慎重态度，对穿越深厚淤泥质土层的长桩更要 谨慎对待。 沉管夯扩桩的设计计算理论并不成熟，但由于它兼有打入桩与扩底桩在承载 力上的双重优势，并且由于夯扩工序对桩底附近土层的夯实作用，这类桩在我国 若干地区大面积推广以来，已经收到了明显的经济效益。沉管夯扩桩的桩径常见 4 浙江大学硕士学位论文 楔形桩的工作性状分析和应用研究 的是4 0 0 - - 5 0 0 m m ，目前部分地区用于高层建筑物的夯扩已有桩径达到6 0 0 m m 的。夯扩后的单桩承载力与夯扩投料量、夯扩次数等有关。同一土层中的同直径 桩，夯扩两次较不夯扩承载力提高约6 0 - - 1 0 0 。甚至更高。根据一批工程的经 济比较，采用夯扩桩较同样条件下的等径沉管桩可节省造价2 0 以上。由于进行 了扩底且由桩底土承担较大的荷载，故应注意桩底持力层应有足够厚度。由于扩 底桩工艺较为复杂，故对新的地区和工程，宜根据现场试验结果而不宜根据书本 的已有结论进行设计。 ( 2 ) 人工挖孔灌注桩是在设计桩位用人工挖掘方法成孔，然后安放钢筋笼， 灌注混凝土成桩。为了保证施工顺利进行，往往设置混凝土护壁。所以在多数情 况下，人工挖孔桩由护壁和桩芯两部分构成。 挖孔桩的桩芯尺寸一般不宜小于o 8 m ，孔深原则上没有硬性限制，但当孔深 较大或很大时，桩芯尺寸宜适当加大，以保证施工条件。护壁的厚度理论上按承 受均匀的土、水外压力来设计，因此当孔深加大时，护壁原则厚度应相应加大。 挖孔桩端部分形成扩大头，以提高承载能力。但限制扩头直径d 与桩芯d 之比3 。 人工挖孔桩在其适用的范围内具有一系列的优点。在技术上，桩径和桩深可 随承载力的不同要求进行调整且在挖孔过程中，可以核实桩侧土层情况。在质量 上，能够清除孔底虚土，其中采取串桶下料、人工振捣的方法灌注桩芯混凝土， 容易全面满足设计要求。在经济上，单方混凝土造价较低，又能根据受力要求扩 大桩底，实现一柱一桩的布置方式，节省承台费用。在施工上，由于成孔机具简 单、适应狭窄场地，又能多孔同时挖进，缩短工期，也具有明显的优势。 挖孔桩的主要缺点有在地下水难以抽尽的或将引发严重的流砂、流泥的土 层中难于成孔。孔内空间狭小，劳动条件差。因而当孔深较大时，需注意施工 人员安全。当其扩大桩端的优势不能发挥时，由于桩芯加上护壁的最小直径在 l m 以上，所以混凝土用量大，按每平方米建筑面积计算的造价未必经济。 ( 3 ) 钻孔灌注桩钻孔灌注桩指的是在泥浆护壁条件下钻进、借助泥浆的循环 将孔内碎碴排出孔外成孔，然后清孔，吊入钢筋笼并利用导管浇注水下混凝土的 一类非挤土桩。 钻孔灌注桩有许多种类。就设备来说有转盘式循环钻机和潜水钻机；就排碴 方式两者又都有反循环排碴和正循环排碴两种之分；就功能而言又分为非扩底钻 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 机和扩底钻机两类。应该提及，这里尚未包括干作业法即不用泥浆护壁的各种机 械成孔的钻孔灌注桩。 各种泥浆护壁成孔的钻孔灌注桩的桩径不等，桩长可近百米。它们振动小、 噪音低，广泛适用于各种一般岩土层，但对大直径卵石层不宜采用。由于这类桩 型适应土类广，桩径、桩长选择范围大，又有嵌入微风化以至新鲜岩石的独特功 能，所以在其它类型桩受到局限的情况下，不失为一种受欢迎的桩型。 钻孔灌注桩一定程度上也存在桩身混凝土质量问题，但更突出的是塌孔、孔 底沉碴和泥浆污染问题。如施工中注意钻孔泥浆的控制，坍孔是可以防止的。至 于沉碴问题，目前常用反循环施工法解决。反循环简单地说即由孔口进浆，然后 利用在中空的钻杆中强力形成的高速液流携带孔底沉碴排出孔外。而泥浆污染是 此类桩难以回避的问题。 ( 4 ) 冲孔灌注桩冲孔灌注桩与钻孔灌注桩的主要不同点是成孔工艺不同。 冲击成孔法是利用机械将一定高度的钻头突然降落，利用冲击动能冲挤土层或破 碎石块成孔。限于设备，冲孔桩一般用掏碴筒排碴，也可以用其它方式排碴。为 了维持孔壁稳定，也要采取泥浆护壁。成孔排碴后的成桩工艺与钻孔桩基本相同。 冲孔桩的优点在于能破碎带裂隙的坚硬岩石和大径卵石与漂石以及填土层 中的坚硬块体。由于钻具自由下落冲击岩土时不消耗动力，故能耗小。冲孔桩除 了具有和钻孔桩类似的缺点外，还有一个缺点是随孔深增加，提放钻头和掏碴时 间随之增加，因而钻进效率低。 冲孔桩桩径通常为6 0 0 m m - , 2 0 0 0 m m ，桩长一般可达5 0 m 左右。 1 3 桩型选择与桩的技术特点 1 3 1 桩型的选择 选择最适宜的桩型必须通盘考虑以下诸因素，即：地质条件、荷载性质、施 工对于周围结构物和环境的影响、现场的制约情况及施工设备的供给情况、安全、 工期、造价、桩的设计寿命等。简而言之，必须考虑该桩型在技术、质量安全、 环境、工期、造价诸方面的综合效果。为此，设计与施工单位可以按照图1 1 所 示的步骤，通过分析计算得出具体数据，提供给业主进行决策。 6 浙江大学硕十学位论文楔形桩的- t 作性状分析和应用研究 图1 - - 1 选择桩型的参考流程方框图 另一方面，选择桩型还必须遵守政府法令。例如：国内各大城市均有环境保 护、控制噪声和泥浆污染的规定，如香港政府于1 9 9 4 年颁布的噪声控制条例， 其中规定：冲击法打桩施工不得在工作日的晚上7 时以后至次晨7 时以前施工， 以及不得在星期日和公共假日全天施工。同时，鉴于柴油打桩锤施工噪声大，且 散发浓烟，香港政府己决定从闹市区开始，逐渐予以淘汰。 对于靠近飞机场的场地以及场地上空存在各种公共设施之处，香港法律对施 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 工空间有严格限制。因此，凡由起重机装载的各种大型施工设备均不宜在此应用。 此时小桩便成为选择对象。 1 3 2 桩的技术特点 自从大直径挖孔桩和钻孔桩相继在美国问世以后，小直径灌注桩于2 0 世纪 5 0 年代初在意大利脱颖而出。从此，灌注桩一方面向大直径发展，另一方面向 小直径发展。而中等直径混凝土桩也由单一的预制打入式，出现了沉管灌注的形 式。混凝土桩仍以大、中、小各种直径及预制与灌注两种形式被灵活应用于各类 工程。目前，工程界和学术界对桩按直径( d ) 分类的标准大致是：大直径桩 d _ 8 0 0 m m ；中等直径桩3 0 0 m r n _ d 8 0 0 m m ；小直径桩d 3 0 0 m m 。 大直径灌注桩与传统的中等直径桩以及大直径钢管桩等相比较，概括地说， 它具有以下特点： ( 1 ) 灌注桩属于非挤土或少量挤土桩，施工时基本无噪声，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。 ( 2 ) 大直径灌注桩直径大，入土深。迄今灌注桩的入土深度已达百米 ( 3 ) 可采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用，这是其他任何桩型 所不能做到的。沉管灌注桩之所以能扩底，首先也是由于它采取了灌注的工艺。 ( 4 ) 单桩承载力高，视地质条件、桩身尺寸和混凝土强度等级不同，一般可 达数千至数万千牛，因此，常可设计一柱一桩，不需桩顶承台，简化了基础结构。 ( 5 ) 其桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较大的横向荷载， 增强建筑物的抗震能力，并能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护桩以及地铁或建 筑物基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地下室的承重墙等永久性结 构使用。 ( 6 ) 灌注桩通常布桩间距大，群桩效应小，设计中无需为此而进行繁琐的计 算。对桩的沉降及其对邻桩和周围地面的影响，其估算也较常规中等直径桩更为 简便。 ( 7 ) 不需要搬运吊装，不必承受打击，因而可采用较低的配筋率，并可视建 筑物的重要性和荷载条件仅在桩身上段配筋或沿深度作变截面配筋。 ( 8 ) 灌注桩施工工艺种类多而且日新月异。这主要是由于各国工程技术人员 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 为了保证这类桩的成桩质量、施工安全和提高工效，长期来针对不同的地质条件 和环境条件，研制了各种适用机具和施工方法，从而形成了各具一定特色的工艺。 ( 9 ) 灌注桩不论采用挖孔法或钻孔法施工，对桩所穿越土层的性质均可从桩 孔排出的土进行鉴别验证，当用挖孔法时，工程技术人员更可以下孔直接检查桩 端土的性质，或做必要的原位试验。 ( 1 0 ) 可根据建筑的荷载分布与土层情况采用不同桩径，对于承受横向荷载的 桩可设计成有利于提高承载力的异形桩，还可设计成变截面的挤扩支盘桩，充分 发挥高承载力土层。 ( 11 ) 灌注桩由于是在地下或水下开孔灌注成桩，故桩身质量毕竟不可能像预 制桩那样稳定而可靠，混凝土强度也较难保证；桩侧阻力和桩端阻力的发挥常随 工艺而有变化，且又在较大程度上受施工操作影响。 ( 1 2 ) 桩身配筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特征以及土层的 变化配置，无需像预制那样配置起吊、运输、打桩应力筋，其配筋率远低于预制 桩，其造价约为预制桩的4 0 , - - - , 7 0 。 ( 1 3 ) 施工设备比较简单、轻便，可用简单设备灌注出单桩承载力极大的桩。 ( 1 4 ) 灌注桩施工的现场作业太多，影响桩的质量的人为因素也较多，质量不 够稳定。 有时会发生桩缩径、断桩、桩身局部夹泥、桩身混凝土离析、桩顶段混凝土 疏松、混凝土强度较难保证等质量事故产生；桩侧阻力和桩端阻力的发挥常随工 艺而有变化，且又在较大程度上受施工操作影响；另一方面，由于其承载力高， 进行的常规的静载试验常因荷载较大难以测定其极限荷载，因此对在各种工艺条 件下形成的桩受力、变形和破坏机理至今犹未完全弄清，系统的试验研究还不够 多，设计计算理论与方法有待进一步完善；此外，当用泥浆护壁施工时，排污问 题也令人困扰，这都是灌注桩迫切需要解决的问题。 1 4 楔形桩的主要特征 2 0 世纪7 0 年代前苏联出现了一种新型桩型一锥形短桩，它是楔形短桩的一 种，因其形为圆锥状而得名( 见图1 2 ) ，它是一种既节省材料，施工简单，又提 高桩的单位承载力的优良桩型。它巧妙地利用桩锥形侧面充分发挥了桩与土体间 的相互作用，犹如楔子楔入地基土中。除摩阻力( 切向抗力) 外，土体对楔形侧面 9 浙江大学硕士学位论文 楔形桩的工作性状分析和应用研究 产生一法向抗力，即支承力( 见图1 2 ) ，从而提高了楔形桩的承载力。实践表明， 楔形桩具有如下特点： 1 、打入成桩时，楔形桩有利于改善桩周土体物理、力学性质，在桩周形成 土体挤密区( 见图1 2 ) 。 2 、楔形桩楔形面有利于发挥桩与土体之间的相互作用。 3 、在提供相同承载力条件下，楔形桩可节约大量混凝土，从而降低工程造 价。 4 、楔形桩属于混凝土短桩，施工简便，可缩短工期。 i 、 1 、l 、 、j 、l 、 l 、二二二寺一 、f 再1 l 、0 n 、。l 、 儿 i 爿 图1 2 楔形桩基工作原理简图 1 一楔形短桩2 一被压缩地基的边界 a 一锥角r 一土体对侧面的反力，f 一土体对桩身侧面的摩擦力 p 一作用于桩项的垂直荷载p g 一土体对桩尖的反力 i 一隆起区i i 一压密区山一松散区 虽然楔形桩具有上述许多优点，但目前在楔形桩的机理研究、机具开发、 工艺试验等方面还很欠缺，因此楔形桩在国内工程中应用还不普遍。 1 5 楔形桩国内外研究现状 从1 9 7 1 年开始，当时的苏联运输建筑科学研究院、波尔塔瓦建筑工程研究 所与南方交通建筑托拉斯等施工单位共同协作，对锥形桩的生产、设计、沉降和 承载力的确定等问题进行了系统的试验研究。b h 哈津、a c 格拉瓦切夫等工程 技术人员通过对锥形桩大量的试验研究工作h 1 ，证明在相同土质条件下，锥形桩 的单位承载力要比普通方截面摩擦桩的单位承载力高0 5 - - 2 5 倍。锥形桩具有承 载力高，桩的材料消耗少，施工机具简单等优点，并在住宅建筑、工业建筑、仓 1 0 浙江大学硕士学位论文楔形桩的- t 作性状分析和应用研究 库等工程中加以应用。 我国也于7 0 年代末在保定、石家庄和南京等一些工程中相继试用过，取得 良好的经济效果。但当时由于楔形预制桩的制作工艺较复杂，故它的应用并不很 普遍。迄今为止我国大部分地区尚无该桩型的使用记录，包括在我们浙江这样一 个建筑大省也无使用该桩型的记录。这主要是因为对楔形桩的研究还不多，人们 对它的承载机理和性状的认识还没有像等直径桩那样深入。近年来，邵立群等人 在四川德阳地区进行了一组楔形桩静荷载试验，根据资料分析得到楔形桩承载力 高、沉降量小的特征，利用库伦土压力理论得到的被动土压力系数来计算楔形桩 周土压力，并建立了楔形桩承载力估算的经验公式吲吲；蒋建平等人在北京某 雕刻厂场地对扩底桩、楔形桩和等直径桩进行了试验，结果表明楔形桩与同体积 等直径桩相比，承载力增加而沉降减少 3 ；刘杰等人在天津地区对楔形预制桩进 行了试验研究，证明桩的楔形截面有利于发挥桩土的共同作用，打桩过程中楔形 桩起物理楔的作用，打桩能量的大部分通过桩侧面传给了桩周土，在桩周形成挤 密区，承担了大部分荷载，其平均单位承载力与等截面桩相比约提高8 0 ，平均 单位承载力相同的条件下比等截面桩节省材料约8 0 r 8 3 。 但这些试验大都针对四川、天津等地区的地质条件，而且主要是进行桩竖向 承载力的研究，故到目前为止，我国对楔形桩开展的试验研究还不多，国外的相 关资料也寥寥无几。 本文主要利用理论分析和根据其他地区的相关试验资料来研究楔形桩承载 力的计算方法并证明楔形桩是一种既省材料又能提高承载力的优良桩，从而能使 楔形桩在工程中得到推广。 1 6 本文研究的主要问题 1 楔形桩荷载传递性状及单桩承载力的计算方法探讨 2 楔形桩的沉降分析 3 楔形桩的设计与施工 4 楔形桩的经济效果对比 5 各楔形桩的试验结果分析 浙江大学硕士学位论文楔形桩的t 作性状分析和应用研究 第二章桩的受力性状与楔形桩承载力分析 楔形桩的受力性状首先应从普通灌注桩在竖向受压荷载下的性状来分析，然 后通过楔形桩的形状特征，深入分析楔形桩的竖向荷载传递机理，分析此类桩在 竖向荷载作用下桩的侧阻力和桩端阻力的发挥过程，从而指导楔形桩的设计，并 提出此类桩单桩承载力的计算方法。 2 1 普通灌注桩的荷载传递性状 2 1 1 灌注桩单桩竖向受压的极限状态 灌注桩单桩在竖向受压荷载下的破坏极限状态包括：地基土的强度破坏和桩 身结构的强度破坏。 与单桩承载力相联系的地基土强度包含桩端阻力和桩侧阻力。单桩的荷载 沉降特性与桩端阻力和桩侧阻力的不同步发挥有关。桩端阻力和桩侧阻力有各自 的发挥规律，它们不仅与土层的类别有关，还与土层的结构( 土层厚度、土的分 层顺序) 、桩的设置及桩的类型、桩身材料及尺寸( 桩长、断面尺寸) 、施加荷载的 方法、时间等因素有关。 以下列出常见的几种普通灌注桩单桩荷载沉降曲线，它们反映了几种典型 的破坏模式。 1 、桩端与桩侧均为软弱土层时的摩擦桩：桩端阻力不大，q s 关系呈陡降 型、桩端呈刺入破坏，如图2 一l a 所示。 2 、桩端为较高强度的土层，桩侧为低强度的土层，属摩擦端承桩：桩端阻 力所占比例较大，q s 关系呈缓变型、桩端呈整体剪切或局部剪切破坏，如图 2 一l b 所示。 3 、桩端为坚硬岩石，桩侧为软弱土层属端承桩：桩侧阻力所占比例极小， q s 关系也呈陡降型，但前段沉降量极小，出现桩身材料强度的破坏或桩身压 曲破坏，如图2 一l c 所示。 4 、桩端有较厚沉渣的钻孔灌注桩：桩端沉渣初始强度低、压缩性高，经压 缩后强度提高，导致q _ s 出现台阶型，最终桩端呈局部剪切破坏，如图2 1 d 所示。 5 、桩身缺损的桩( 如接头断损的打入桩、缩颈或夹泥的灌注桩、由挤土隆起 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 而断裂的沉管灌注桩等) ：由于桩身的缺损q s 关系也出现台阶型。这是一种特 殊的破坏模式，如图2 1 e 所示。 综上所述，竖向受压普通灌注桩状态下单桩的荷载沉降曲线基本上可归纳为 陡降型和缓变型两大类。 陡降型属于“急进破坏”，破坏特征点明显，荷载超过破坏特征点，桩的沉降 急剧增大，桩失去承载能力。由破坏特征点可以确定单桩的极限承载力。 缓变型属于“渐进破坏”。如q _ s 关系的初始段和末段为直线，中段为曲线， 中段曲线与末段直线的连接点可作为破坏特征点，相应的荷载可确定为单桩的极 限承载力，如旷s 关系自始至终均为圆滑的缓变曲线，无明显的破坏特征点。 可以通过采用多种分析方法判定其极限承载力，也可以按不影响建筑物正常使用 所规定的变形限值的某个限值来确定单桩的极限承载力。 桩身结构性破坏包括桩身材料强度破坏和桩身的压曲破坏。一般说来，当桩 的长径比大、或露出地面的长度较大、桩身施工有断桩、缩径等质量问题，以及 桩侧土为可液化土或为极软弱土时，有可能出现桩身的压曲失稳破坏，但在绝大 多数情况下，不会出现桩身的压曲破坏。 口 图2 l 桩的典型破坏模式 a ) 软弱土层摩擦桩b ) 桩端为硬土层摩擦端承桩 c ) 桩端为坚硬岩石端承桩d ) 孔底有渣土的灌注桩 e ) 桩身缺损的桩 2 1 2 竖向受压单桩的荷载传递性状 图2 _ 引自国外早期较有典型意义的静载荷试验结果，其中图2 2 a 、b 分 别表示竖向受压单桩的荷载一沉降关系和桩身轴向力沿桩身深度的关系。 1 3 浙江大学硕士学位论文 楔形桩的工作性状分析和应用研究 在加荷的初始阶段，桩的沉降很小，几乎全为桩和周围土体的弹性变形。当 荷载自q - s 曲线的初始直线段中的某点( 称之为a 点) 卸除，桩顶将回弹到初始 的零变位处。 1 t l = 商 链 锩 1 5 荷藏p ，k n o 1 0 0 o 一2 0 0 口一5 0 0 一7 0 0 可一9 0 0 厶一i l m 一1 3 0 0 一1 4 0 0 0 乓 | 釜o 5 蛙 1 0 荷袭q k n 、 一 j o 之i 、 凸 、 l 、 譬 、 筐。 弋 于 i - a - l p j a 发挥的桩饲摩阻力q s ( k n j m 2 ) b 1c ) 图2 _ 2 竖向受压桩的荷载传递 如在桩身不同截面处设应变计测定桩身的轴向力，可得桩身轴向力沿桩身的 分布图。取深度z 处微小桩段a z ，由力的平衡条件( 图2 _ 3 ) 可得 ( q + q z ) 一q z = q s z u a z 即 = 一i 1i a q z ( 2 1 ) 式中q z 、q z + a q z 在深度z 、a z 处桩身轴向力； u 桩身周长； 在深度z 处微小桩段位内桩侧摩阻力。 图2 - 2 c 为不同荷载下沿桩身发挥的桩侧摩阻力。由式( 2 - 1 ) 可知，桩身轴向 力分布曲线的斜率一挈反映桩侧摩阻力大小。 1 4 浙江大学硕七学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 当加荷至a 点时，几乎绝大部分荷载是由桩 身上部的桩侧摩阻力支承，桩端支承的阻力( 简称 桩端阻力) 极小。近桩顶端的浅部，桩侧摩阻力也 是不大的。 当荷载继续增加，增大的荷载基本上仍由桩 侧摩阻力支承，桩端支承的阻力增加得不大，而 且桩身下部的摩阻力由上往下逐步被发挥出来。 当桩侧摩阻力在整个桩身上全部发挥达到极 限后，继续增加荷载，所增大的荷载则全部由桩 端阻力来承担，桩身轴向力分布曲线的斜率不再 变化，整个曲线仅发生平行位移。图2 _ 3 微小桩段的受力图 随着桩端持力层的压缩和塑性挤出，桩顶位移增长速率逐渐增大，直至桩端 阻力达到极限，位移急剧增大而破坏，此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。 单桩的极限承载力q 由极限侧阻力q 。和极限桩端阻力q 。组成，即 幺= 瓯+ q 船 ( 2 - 2 ) 分析加荷过程桩侧阻力和桩端阻力的变化，可发现桩侧阻力与桩端阻力呈异 步发挥。桩侧阻力先发挥，先达到极限；桩端阻力后发挥，后达到极限。 在工作荷载下( 相当于单桩承载力设计值或传统的容许承载力) ，桩侧阻力己 发挥了绝大部分，而桩端阻力只发挥了很小一部分。 我国建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - - - 1 9 9 4 ) 规定，基桩的竖向承载力设计值r 为 r ：丝+ 坠( 2 3 ) 7 s 7 p 式中级、q 础单桩总极限侧阻力、总极限端阻力标准值； 兀、圪桩侧阻、桩端阻抗力分项系数。 以、圪不一定是相等的，它的大小随桩型、桩材、桩的长径比、桩侧与桩 端的土类、桩的设置方法等而异。在一般情况下，九 圪。 当根据桩的静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值线。而未区分出级 和q 戚时，则单桩的竖向承载力设计值r 为 r：丝(2-4) 一 式中桩侧阻端综合抗力分项系数。为1 6 - - 1 7 ，其取值大小与桩型 有关。 2 1 3 单桩桩侧阻力的分析 影响单桩桩侧阻力的因素有：桩的设置方法、土的种类、桩的入土深度、制 桩材料、桩土间的相互位移、成桩后的时间等。 2 1 3 1 桩的设置方法影响桩周土的应力状态 在设置桩之前，土中的应力处于硒状态，即土中的侧向应力与竖向应力之 比为k o ( k o 为静止侧压力系数) 。 对于挤土桩( 包括预制桩、沉管灌注桩、夯扩灌注桩等) ，在施工过程中桩周 土受到挤压，在桩周形成挤密区或扰动区。当土被挤密时，作用在桩身上的法向 应力与竖向应力之比会比较高。一般情况下，法向应力比被动侧压力小些。当土 被扰动时，扰动区土的强度降低，桩侧阻力也下降。但静置一段时间，其强度可 能慢慢提高，恢复到设置桩前的强度或更高的强度，桩侧阻力也随时间慢慢增大。 2 1 3 2 桩材影响桩土界面的外摩擦角6 不同桩材的表面粗糙程度是不同的。对钻孔灌注桩来说，桩身的粗糙程度取 决于桩身的施工方法。一般情况下不带套管的钻孔灌注桩，其桩身非常粗糙，木 ， 桩亦属粗糙表面，6 可取缈缈。预制桩、钢桩的桩身属相当光滑的，6 可取 j 12 了缈j 缈。 2 1 3 3 深度对桩侧摩阻力的影响 按土力学的理论，桩侧摩阻力与作用于桩身的水平有效应力有关。 随着深度的增大，作用在桩身的水平有效应力成正比增大，桩侧摩阻力也应 逐渐增大。但实际上并非如此。 1 6 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 ( 1 ) 由于桩打入土中时的挤土作用，在地表浅部形成隆起，产生径向裂隙； 打桩引起的侧向移动，桩土间形成间隙，地下水沿间隙渗入，使在地表以下约 8 d ( d 为桩径) 范围内桩侧摩阻力基本丧失，再向下( 8 1 6 ) d 范围内的桩侧摩阻力 有所降低。 ( 2 ) 在桩底端附近，由于桩端阻力的影响，侧向应力有所松弛，或出现径 向张裂缝，或部分土随桩一起向下移动，使近桩端( 3 5 ) d 范围的桩侧摩阻力有 所降低。 ( 3 ) 在均质土中，桩侧摩阻力在一定深度范围内是随深度而增大的，超过 该深度后，桩侧摩阻力基本上趋于定值，该深度即为桩侧摩阻力的临界深度，但 对于桩侧摩阻力的临界深度的研究尚少，有待进一步研究。 2 1 3 4 桩土间的相互位移 桩侧摩阻力的发挥与桩土间的相对位移有关。朱小林等( 1 9 7 9 ) 通过直剪摩擦 试验测定了不同接触压力下材料( 钢、混凝土等) 与土( 淤泥质粘土、粉质粘土、粘 质粉土、中密和密实砂土) 间摩阻力与相对位移的变化。在工程中一般不测定不 同深度处桩土的相对位移，而测定桩顶的沉降。 2 1 3 5 时间效应 桩侧摩阻力受桩身周围的有效应力条件控制。饱和粘性土中的挤土桩，在成 桩过程使桩侧土受到挤压、扰动和重塑，产生超孔隙水压力，故成桩时桩侧向有 效应力减小，桩侧摩阻力是不大的。超孔隙水压力沿径向随时间逐渐消散，桩侧 摩阻力则随时间逐渐增长。其增长受时间因数死控制，而 瓦= 等 ( 2 - 5 ) 式中c 卜土体径向固结系数； 卜距离打桩的时间； 仁桩径。 故桩侧摩阻力达最大值所需时间与桩径的平方成反比。 非挤土桩由于成孔过程不产生挤土效应，不引起超孔隙水压力，土的扰动比 挤土桩小，桩侧摩阻力随时间的增长并不大，时间效应可予忽略。 2 1 4 单桩桩端阻力的分析 1 7 浙江大学硕士学位论文 楔形桩的工作性状分析和应用研究 影响单桩桩端阻力的因素有：桩的设置方法、穿过土层及持力层的特性( 剪 切和压缩特性) 、进入持力层深度、桩的尺寸、加荷速率等。 2 1 4 1 桩的设置方法( 成桩效应) 对于非挤土桩，在成桩过程对桩端土不产生挤密作用，相反出现扰动，应力 释放，桩底往往存在虚土或沉渣，使桩端阻力降低，受荷初始阶段沉降大。 对于挤土桩，在成桩过程对桩端土产生挤密作用，使桩端土变密实，导致桩 端阻力提高，受荷初始阶段沉降小。但对于密实的砂土和坚硬或硬塑的粘性土， 桩端阻力的成桩效应不显著。 2 1 4 2 桩端持力层的土类 对于非挤土桩，当土层为砂土时，即使原来土为中密或密实状态，在钻孔过 程土会变松，可假设疏松状态的妒角估算桩端阻力。如钻进过程使用泥浆护壁， 砂土接近于不扰动状态，可假设不扰动状态的够角估算桩端阻力。当土层为硬粘 土时，在钻孑l 过程粘土由于卸荷膨胀，吸水软化等因素，可假设软化后的抗剪强 度估算桩端阻力。即使正常固结粘性土，也会有这种软化现象。 对于挤土桩，当土层为砂土时，松砂变密实；但在桩端以下的密砂在高压下 会被压碎或损坏桩端。当土层为硬粘土时，土受挤而开裂，也会发生湿化软化。 不同的土在桩端以下的破坏模式并不一样。对松砂或软粘土，出现刺入剪切 破坏；对密实砂或硬粘土，出现整体剪切破坏。 2 1 4 3 进入持力层深度 桩端阻力随桩入土深度按特定规 律变化。不少人通过模型试验和量测试 桩作了研究，得到的共同认识是：当桩 端进入均匀土层或穿过软土层进入持 力层，开始桩端阻力随深度基本上呈线 铂 宁p 图2 - 4 桩端阻力临界深度 性增大；当达到一定深度后，桩端阻力基本恒定，深度继续增加，桩端阻力增大 很小。该深度即为桩端阻力的临界深度j i z 。( 或 b c ) ，见图2 4 。 对临界深度不少人都曾研究过，一般认为当桩进入持力层小于临界深度时， 桩端的破坏机理属剪切破坏机理；当桩进入持力层超过临界深度时，桩端以下土 浙江大学硕士学位论文楔形桩的工作性状分析和应用研究 的压缩性、桩端周围的土拱作用、土粒的压碎作用等使破坏机理不单纯为剪切破 坏，使桩端阻力随深度的增长很小或变为常量。 2 1 4 4 桩的尺寸 桩的尺寸对单桩桩端极限阻力是有影响的，一般均认为随着桩尺寸的增大， 桩端极限阻力变小。 2 2 楔形桩的竖向荷载传递性状