（工程力学专业论文）跨引江济汉渠公路桥梁桩基础研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 钻孔灌注桩基础能适应于不同地质条件、荷载情况，抗震能力强，因此成 为了公路桥梁的主要基础形式。在施工过程中，由于卵石地基具有颗粒大、透 水性强、进尺和不易破碎、容易垮孔等困难，因而限制了大直径深孔钻孔灌注 桩的广泛应用。 本文以实际工程为背景，首先介绍了在施工过程中，需要注意从场地准备、 钻孔、清孔、到水下混凝土的灌注各个环节以及施工完成后的场地处理，应当 尽量避免事故的发生，在事故发生后，应当根据现场地质、水文条件，做出果 断处理措施，防止事故恶化，避免在质量上或经济、时间上造成严重损失。 其次用弹性力学理论和数值计算方法确桩的极限承载力，并深入讨论了理 论计算单桩沉降的几种方法的优缺点和单桩沉降性状，利用经验公式估算桩的 布置数量。结合理论公式和图表运算，分析影响单位桩体承载力的因素，通过 计算分析得到，合理的桩径比可以很大程度上提高单位桩体的承载力水平，从 而节约建设成本。在深厚软弱地基土中，宜选择较小桩径具有较大体表而积的 细长桩。在深厚软弱地基土层中，无较硬的土层作为桩端持力层，在荷载的作 用下，桩顶荷载绝大部分由桩侧壁摩阻力承受，桩端承担的荷载也很小。因此， 在设计摩擦型钻孔桩时，可以将桩端土的承载能力忽略不计，仅计算桩周土的 侧壁摩阻力。 最后利用a n s y s 以桩和土组成的系统为研究对象，建立桩的三维有限元模 型，考虑土的非线性，使用d p 材料建模，得到了各级荷载下的桩各个截面相应 的内力和桩体的沉降数值，并结合神经网络具有良好的自学习性和非线性处理 能力，使用b p 神经网络拟合p s 曲线，并根据相关的规范分析得到了单桩的极 限承载力。通过有限元分析，得到了模型计算的参数。用此模型，针对工程实 践分析了摩擦桩的单桩极限承载力的影响因素。在设计的时候，应该综合考虑 材料，桩的尺寸以及持力层的选取。对计算结果进行分析，使研究成果能够指 导桩基的设计，保证施工的顺利进行和成桩的质量。 关键词：a n s y s ，桩，极限承载力，沉降，神经网络 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t b o r e dp i l ef o u n d a t i o ni sa d a p tt ot h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n , t h el o a d s i t u a t i o n , a n dh a se a r t h q u a k er e s i s t a n c ea b i l i t y , t h e r e f o r ei th a sb e c o m et h eh i g h w a y b r i d g em a i nu n d e r l y i n gf o r m i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h ep e b b l e sg r o u n dh a ss o m e d i f f i c u l t i e ss u c ha sb i gp e l l e t ，s t r o n gw a t e rp e r m e a b i l i t y , f o o t a g ea n ds t a v ed i f f i c u l t y , a n de a s yt ob r e a kd o w na n ds oo n ，t h u st h e s eh a sl i m i t e dt h e 谢d eu s eo ft h el a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e t a k i n gt h ea c t u a lp r o j e c ta sb a c k g r o u n d ，if i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ， i nw h i c hw en e e dp a ya t t e n t i o nt ot h el o c a t i o np r e p a r a t i o n , h o l ed r i l l i n g ，h o l ec l e a r i n g ， a n dc o m p l e t i o na r e rs u b m a r i n ec o n c r e t e s i r r i g a t i o ne a c hl i n ka sw e l la s t h e c o n s t r u c t i o nt h el o c a t i o np r o c e s s i n g ，w es h o u l da v o i da c c i d e n t so c c u r r e n c ea sf a ra s p o s s i b l e a f t e rt h ea c c i d e n to c c u r r i n g ，w em u s ta c c o r d i n gt ot h es c e n eg e o l o g y , t h e h y d r o l o g yc o n d i t i o n , m a k ea d e c i s i v ep r o c e s s i n gm e a s u r et oa v o i dt h eh e a v yl o s so ft h e q u a l i t y , t h ee c o n o m ya n d t h et i m e s e c o n d l y , iu s e t h ee l a s t i c i t yt h e o r ya n dt h en u m e r i c a lc a l c u l u sm e t h o dt og e tt h e p i l e sl i m i ts u p p o r t i n gc a p a c i t y , a n dd i s c u s s e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns i n g l ep i l e s u b s i d e n c es e v e r a lm e t h o dg o o da n db a dp o i n t s ，t h es i n g l ep i l es u b s i d e n c ec h a r a c t e r t h o r o u g h l y , a n d u s ee m p i r i c a lf o r m u l at oe s t i m a t e p i l ea r r a n g e m e n tq u a n t i t y c o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l aa n dc h a r t s ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eu n i t p i l eb o d ys u p p o r t i n gc a p a c i t y sf a c t o r , t h r o u g ht h ec o m p u t a t i o na n a l y s i s ，w ec a ng e t t h a tr e a s o n a b l ep i l ed i a m e t e rr a t i om a yg r e a tr a i s et h eu n i tp i l eb o d y ss u p p o r t i n g c a p a c i t yl e v e l ，t h e r e b ys a v i n gc o n s t r u c t i o nc o s t s i nt h ed e e pw e a ks u b g r a d e ，t h e s u i t a b l ec h o i c es m a l lp i l ed i a m e t e ra st h et a l la n ds l e n d e rp i l ew h i c hh a sb i gb o d y s u r f a c ea c c u m u l a t e s i nt h ed e e pw e a ks u b g r a d eu p p e rf o r m a t i o n , t h e r ed o n th a v eh a r d u p p e rf o r m a t i o nt oh o l dt h es t r e n g t hl e v e la st h et i po fp i l e ，u n d e rt h el o a df u n c t i o n , h e a do fp i l el o a dm a j o rs u p p o r tb yt h ep i l es i d e w a l lf r i c t i o nw i t h s t a n d i n g ，t h el o a do f t h et i po fp i l eu n d e r t a k e si sv e r ys m a l l t h e r e f o r e ，w h e nd e s i g nf r i c t i o nd r i l lh o l ep i l e ， w e m a yi g n o r et i po fp i l eo nb e a r i n gc a p a c i t y , o n l yc a l c u l a t e si nt h ep i l ew e e k t h e s i d e w a l lf r i c t i o n f i n a l l yu s i n ga n s y s t a k et h ep i l ea n dt h es o i lc o n s t i t u t i o ns y s t e ma st h eo b j e c t o fs t u d y , t h eu n i o no r d e rc l a s s ，e s t a b l i s h e st h ep i l et h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e l c o n s i d e r e dt h a t 缸l ee a r t ht h em i s a l i g n m e n t , u s e st h ed pm a t e r i a l 武汉理工大学硕士学位论文 m o d e l l i n g ，o b t a i n e d u n d e ra l ll e v e l so f1 0 a d p i l e e a c hs e e d o nc o r r e s p o n d i n g e n d o g e n i cf o r c ea n dt h ep i l eb o d y ss u b s i d e n c ev a l u e a n du n i f i e st h en e u r a ln e t w o r k t oh a v eg o o ds t u d i e si n d e p e n d e n t l yt h eh a b i ta n dm i s a l i g n m e n th a n d l i n ga b i l i t y , u s e s t h eb pn e u r a ln e t w o r kt of i t 也ep sc u r v e a n do b t a i n e dt h es i n g l ep i l e st h el i m i t s u p p o r t i n gc a p a c i t ya c c o r d i n gt o t h er e l a t e dc a n o n i c a lp a r s e t h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s o b t a i n e dt h em o d e lc o m p u t a t i o np a r a m e t e r w i 也t h i sm o d e l ，h a s a n a l y z e df r i c t i o np i l ei nt h ev i e wo ft h ea c t u a lp r o je c tw eg e tt h el i m i ts u p p o r t i n g c a p a c i t yi n f l u e n c i n gf a c t o r i nd e s i g n i n g ，w es h o u l dc o n s i d e rt h em a t e r i a l ，t h ep i l e s i z ea n dt h es t r e n g t hl e v e ls e l e c t i o n c a r r i n go nt h ea n a l y s i st ot h ec o m p u t e dr e s u l t , e n a b l et h er e s e a r c hr e s u l t sc a ng u i d et h ep i l ef o u n d a t i o nd e s i g n , k e e pt h es m o o t h p r o g r e s so fc o n s t r u c t i o na n dt h eq u a l i t yo f p i l e s k e y w o r d ：a n s y s ，p i l e ，l i m i tl o a dc a p a c i t y ，s u b s i d e ，n e u r a ln e t w o r k i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：磕匿鏊 日期：递：竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名) ：罅导师c 签名，：超日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 桩基础概述 第1 章绪论 当建筑场地浅层地基土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，也 不宜采用地基处理等措施时，往往需要以地基深层坚实土层或者岩层作为地基 持力层，采用深基础方案。深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类 型，其中桩基础的历史最为悠久，应用最为广泛。 1 1 1 桩的定义及发展简介 桩是最古老的基础形式之一。在人类有历史即在以前，就已经在地基土条 件不利的河谷地区采用了桩基础这种基础工程【l 】【2 】方法，在许多不同文化时期的 初期，都可以找到以桩为基础的房屋，据文献报道，我国浙江省宁波市附近的 河姆渡文化遗址发掘的桩基，距今已有七千多年的历史。桩基用于桥梁，历史 亦为悠久。据水经注记载，公元前5 3 2 年在今山西汾水上建成的三十墩柱 木柱桥梁，即为桩柱式桥墩。三辅黄图记载的秦代所建渭桥( 公元前2 2 1 年 公元前2 0 6 年) ，经分析亦为木桩基础【1 1 1 3 1 。 正是由于桩基础特有的优点，才使得许多古代建造于软弱地基上的重型， 高耸建筑物丰采依旧，如山西太原晋祠圣母殿( 建于1 0 2 3 1 0 3 1 ) ，至今无明显不 均匀沉降；上海龙华塔( 9 7 7 年重建) ，至今仅略有倾斜；闻名中外的北京市西部 芦沟桥( 重建于1 1 8 9 年1 1 9 2 年) ，虽已局部损坏，但尚能承受四百多吨的大型平 板车的正常运行。 桩基的使用经历了漫长的历史年代，但在水泥未闻世之前，实际上能利用 的桩型只是由天然材料做成的桩体，如木桩和石桩。1 9 世纪中叶以后，由于水 泥工业的出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土 和钢筋混凝土桩。在2 0 世纪2 0 年代，特别是在二次世界大战以后，随着水泥 工业，现代钢铁工业，化学工业等新兴工业技术的崛起，桩基的理论和技术有 了巨大的发展。桩基技术目前已形成了一个庞大的复杂体系【4 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 桩和桩基础分类 桩的种类繁多，按不同分类标准及不同目的，可划分成不同的类别。现对 工程实践中常见的桩和桩基础的分类简述如下。 1 1 2 1 根据桩基承台底面位置不同分类 桩基承台底面位置的高低将直接影响桩基的受力性能和施工的难易程度。 根据承台的底面位置可分为高桩承台基础和低桩承台基础( 简称高桩承台和低桩 承台) 。 ( 1 ) 高桩承台的承台底面位于地面( 或局部冲刷线) 以上，部分桩身沉入土中， 可避免或减少水下作业，施工较为方便，在桥梁工程中应用较广； ( 2 ) 低桩承台的承台底面位于地面( 或局部冲刷线) 以下，基桩全部沉入土中， 其受力性能好，能承受较大的水平外力，多用于高层建筑及桥台基础。 1 1 2 2 按成桩方法对土层的影响分类 不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，将影响到桩承载能力的发挥和 计算参数的选用。一般可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类【5 j 。 ( 1 ) 挤土桩。也称排土桩，在成桩过程中，桩周土被压密或挤开，因而使周 围土层受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质有很大的改变。 ( 2 ) 部分挤土桩。也称微排土桩，在成桩过程中，桩周土仅受到轻微扰动， 土的原状结构和工程性质变化不明显。 ( 3 ) 非挤土桩。也称非排土桩，在成桩过程中，将与桩体积相同的土挖出， 因而桩周围的土较少受到扰动，但有应力松驰现象。 1 1 2 3 按功能分类 根据桩的使用功能可分为轴向抗压桩、轴向抗拔桩、横向受荷桩( 主要承受 水平荷载) 和复合受荷桩( 同时承受轴向、横向荷载) 。 1 1 2 4 按桩土相互作用特点分类 根据桩的竖向荷载传递机理可分为摩擦桩和端承桩。 ( 1 ) 摩擦桩 竖向荷载下，基桩的承载能力以桩侧摩阻力为主的桩，称为摩擦桩。其外 部荷载主要通过桩侧摩阻力传递给周围土层，桩端部分承受的荷载很小。 ( 2 ) 端承桩 竖向荷载下，基桩的承载能力以桩端阻力为主的桩，称为端承桩。其桩尖 通过软弱土层嵌入基岩，外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力主要由 2 武汉理工大学硕士学位论文 桩的端阻力提供，一般不考虑桩侧摩阻力的作用。 1 1 2 5 按桩材分类 根据桩的材料可分为木桩、混凝土桩( 含钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土 桩) 、钢桩和复合桩。 复合桩是指一根桩用两种或多种材料组成的桩。随着复合桩的发展，出现 桩与周围土体共同作用的复合地基。其通过桩、基础以及两者之间垫层的共同 作用，来承担上部荷载。复合桩基有砂( 砂石) 桩、碎石桩、水泥土搅拌、c f g 桩 等。 1 1 - 3 桩基础的特点、适用范围 桩基础是最常用的一种深基础。当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满 足结构物对地基强度、变形及稳定性方面的要求，且又不适宜采取地基处理措 施时，往往需考虑桩基础。承受竖向荷载的桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力将上 部荷载传递到深部土( 岩) 层，而承受横向荷载的桩则由桩身材料和桩侧土( 岩) 的 弹性抗力来抵抗。根据工程的特点，桩可以发挥各种不同的作用。桩的作用主 要有： ( 1 ) 通过桩的侧面和土的接触，将荷载传递给桩周土体，或者将荷载传给 深层的岩层、砂层或坚硬的粘土层，从而获得较大的承载能力以支承重型建筑 物： ( 2 ) 对液化的地基，为了在地震时仍保持建筑物的安全，采用基桩穿过液化 土层，将荷载传给稳定的不液化土层： ( 3 ) 桩基具有很大的竖向刚度，因而采用桩基础的建筑物，沉降较小且比较 均匀，可以满足对沉降要求特别高的上部结构的安全需要和使用要求： ( 4 ) 桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平 力、上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构物和高层建筑的安全； ( 5 ) 改变地基基础的动力特性，提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证 机械设备的正常运转。 桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、抗震性能好等优点， 而且桩基础能以不同的桩型和施工方法适应不同的水文地质条件、荷载性质和 上部结构特征，因此具有良好的适用性。随着近代科学技术的发展，桩的种类 和桩基型式、施工工艺和设备以及桩基理论和设计方法都有了很大的改进。桩 基更成为土质不良地区修建各种建筑物，特别是高层建筑、重型厂房和具有特 殊要求的构筑物所广泛采用的基础型式。此外，从国内外的工程实践来看，采 3 武汉理工大学硕士学位论文 用桩基础便于实现基础工程的机械化和工业化施工，所以桩基础是一种具有广 泛应用前景的深基础。 在港口、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑及核电站等大型 结构物中，桩基础也得到了广泛的应用，其几乎可应用于各种地质条件和类型 的工程，尤其适用于建造在软弱地基上的重型建筑物。此外，在地震区、湿陷 性黄土地区、膨胀土地区及岩溶地区，桩基础也是一种极为重要的基础型式。 当地基上部软弱而在桩端可达的深度埋藏有坚实地层时，最宜采用桩基。 如果软弱土层很厚，桩端达不到良好地层，则应考虑桩基的沉降等问题。此外， 桩基设计必须注意满足地基承载力和变形这两项基本要求。在工程实践中，由 于设计或施工方面的原因，致使桩基不合要求，甚至酿成重大事故者已非罕见。 因此，做好场地勘察、慎重选择方案，精心设计施工，也是桩基工程必须遵循 的准则。 1 2 桩基施工技术及发展概况 1 2 1 桩基施工技术概述 桩基施工技术的发展与桩材的发展是紧密联系在一起的。从成桩工艺的发 展过程来看，最早使用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺从手锤到自由落 锤，然后发展到蒸汽驱动，柴油驱动和压缩空气为动力的各种打桩机。此外还 发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。随着就地灌溉桩，特别是钻孔灌注桩 的出现，钻孔机械也不断改进，如适用于地下水位以上的长、短螺旋钻孔机， 适用于不同土层的各种正、反循环钻孔机，旋转套管机等。为提高灌注桩的承 载力，出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，以及孔底或周边压浆的新工艺。目 前，桩基的施工方法超过3 0 0 种，其变化、完善及更新可以说是日新月异。 目前，桩基施工技术发展呈多样化趋势，针对不同的桩材，不同的地层条 件，不同的设计目的，桩基施工工艺，设备各不相同，各有优劣，应根据实际 情况进行选择。国内最为成熟且应用最广的桩基施工工艺，主要有以下两大类： 1 2 1 1 预制桩施工 钢筋混凝土预制桩是土木工程中传统的主要桩型。施工时，通过打入或其 它方法将预制好的钢筋混凝土桩沉入到设计位置。 预制桩不易穿透较厚的砂土等硬夹层( 除非采用预钻孑l 、射水等辅助沉桩措 4 武汉理工大学硕士学位论文 施) ，只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩等坚实持力层不大的深度。沉桩方法 一般采用锤击，由此产生的振动、噪声污染必须加以考虑。一般说来，预制桩 施工质量较稳定，但沉桩过程中产生的挤土效应，特别是在饱和软粘土地区沉 桩可能导致周围建筑物、道路、管线等的损坏。此外，预制桩由于承受运输、 起吊、打击应力，要求配置较多钢筋，混凝土标号也相应提高，因此造价往往 高于灌注桩。 1 2 1 2 灌注桩施工 目前灌注桩在我国已形成多种成桩工艺、多类桩型，使用范围己扩及到土 木工程的各个领域。 灌注桩施工过程无大的噪声和振动( 沉管灌注桩除外) ，并可根据土层分布 情况任意变化桩长，根据同一建筑物的荷载分布与土层情况采用不同桩径。对 于承受侧向荷载的桩，还可设计成有利于提供横向承载力的异形桩或变载面桩， 即在受弯矩较大的上部采用较大的载面。灌注桩可穿过各种软、硬夹层，将桩 端置于坚实土层或嵌入基层，还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承 载力。桩身钢筋则可根据载大小与性质、荷载沿深度的传递特征以及土层的变 化来配置，无需像预制桩那样配置起吊、运输、打击应力筋。此外，灌注桩配 筋率远低于预制桩，其造价约为预制桩的4 0 - 7 0 1 2 2 桩基施工技术发展趋势 随着人们对桩基各种要求的变化、桩基技术的不断完善，目前具有如下发 展趋势： 1 2 2 1 桩的尺寸向长、大方向发展 随着高层、超高层建筑及大型桥梁工程的发展，桩径越来越大，桩长越来 越长。如欧美及日本的钢管桩己长达l o o m 以上【6 】，桩径超过2 5 0 0 m m ；上海金 茂大厦钢管桩桩端进入地面下8 0 m 的砂层，桩径为9 1 4 4 i m n ；南京长江二桥主 塔墩基础反循环钻成孔灌注桩直径为3 m ，深度1 5 0 m 。 1 2 2 2 桩的尺寸向短、小方向发展 老城区改造、基础托换、建筑物纠偏、增层以及补桩等使得小桩及锚杆静 压桩技术日益应用广泛。如法国索勒唐舍( s o l e t a n c h e ) 公司开发的微型桩或 i m 桩，桩径为7 0 - 2 5 0 m m ( 国内多用2 5 0 m m ) ，长径比大于3 0 ( 国内桩长多用 8 1 2 m ，长径比通常为5 0 左右) ，采用钻孔( 国内用螺旋钻成孔) 、强配筋( 配筋率 5 武汉理工大学硕士学位论文 大于1 ) 和压力注浆( 注浆压力为1 2 5 m p a ) i 艺施工。 1 2 2 3 克服桩成孔困难 如日本由6 4 家基础公司组成的岩层削孔技术协会，研究开发出2 0 余种大 直径岩层削孔工法，其中长螺旋钻成孔法3 种，回转钻进成孔法5 种，冲击钻 进成孔法7 种以及全套管回转掘削法9 种。国内也成功开发出岩层钻进成孔法 及大三石层( 大卵砾石层、大抛石层和大孤石层) 钻进成孔法1 7 儿引。 1 2 2 4 向低公害法成桩方向发展 柴油锤冲击式钢筋混凝土预制桩噪声高、振动大、油污飞溅公害。在城区 及公共建筑群等场地受到限制，故静压式钢筋混凝土预制桩施工技术得到广泛 应用。 液压打桩锤具有桩锤短、噪声低、无油烟、节省燃料、每一个工作循环中 沉桩力持续时间长，打击力大、每一次冲击产生的桩贯入度较大等特点。从而 取代了筒式柴油锤。泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩易造成施工现场不文明及泥浆 排除( 称为二公害) 的困难，故逐步被钻孔灌注桩所取代。贝诺特灌注桩环保效果 好( 噪声低、振动小、无泥浆污染与排放) 、施工现场文明，在国内外均得到广 泛应用。 1 2 2 5 向扩孔桩方向发展 普通直径钻孔扩底灌注桩f d = o 3 0 4 m ，d = 0 8 1 2 m ) 的静载试验表明， 与相同桩身直径的直孔桩相比，前者的极限荷载提高1 7 7 0 倍，其单位桩体积 的极限荷载为后者的1 4 3 0 倍。大直径钻( 挖) 孔扩底桩具有承载力高、出土 量少、承台面积小等显著优点，在国内外广泛应用。 扩孔的成型工艺除钻扩外，还有爆扩、冲扩、夯扩、振扩、锤扩、压扩、 注扩、挤扩和挖扩等种类1 9 j 。 1 2 2 6 向异型桩方向发展 目前，国内外大力发展异型桩。其包括横向截面异化桩和纵向截面异化桩。 横向截面从圆截面和方形异化后的桩型有三角形、六角形、八角形、外方内圆 空心、外方内圆异形空心、十字形、x 形、t 形及壁板等。纵向截面从棱柱桩和 圆柱桩异化后的桩型有楔形( 圆锥形和角锥形) 、梯形、菱形、根形、扩底柱、多 节桩( 多节灌注桩和多预制桩) 、桩身扩大桩、波纹柱形桩、波纹锥形桩、带张开 叶片的桩、螺旋桩、d x 桩以及凹凸桩等【l o l 。 1 2 2 7 向埋入式桩方向发展 为了消除公害和挤土效应，日本在近二十多年来开发出埋入式桩工法，共 6 武汉理工大学硕士学位论文 有6 0 余种。所谓埋入式桩工法是将预制桩沉入到钻成的孔中后，再采用某些手 段增强桩承载力。如北京地区采用的植桩法，即先用长螺旋钻成孔，穿过硬夹 层或可液化层，然后将预制桩放入孔内，锤击沉桩使桩端进入特力层。 1 2 2 8 向组合式工艺桩方向发展 因承载力、环保等要求或工程地质与水文地质的限制等，单一工艺的桩型 难以满足工程需要，从而采用组合式工艺桩。如直孔和扩孔组合的钻孔扩底灌 注桩；成孔成桩与成桩后注浆的桩端压力注浆桩；预钻孔打入式预制桩有钻孔、 注浆、插桩及轻打( 或压入) 等工艺。 1 2 2 9 向高强度桩方向发展 随着对预制桩的要求越来越高，诸如高承载力、承受较高的打击应力等要 求，普通钢筋混凝土桩限c 桩，c 2 5 - 4 2 4 0 ) 己不能满足要求，故预应力钢筋混凝 土桩皿c 桩，c 4 0 - - c 8 0 ) 和预应力高强度混凝土桩( ph c 桩，c 8 0 以上) 使用越来 越多。p h c 管桩在欧美、日本、前苏联、东南亚诸地区以及我国广东、上海、 浙江、江苏、北京等地区均得到广泛应用。 1 2 2 1 0 向多种桩身材料方向发展 如灌注桩桩身材料种类多样化，普通混凝土、超流态混凝土、无砂混凝土 及微膨胀混凝土等。打入式桩亦有组合材料桩，如钢管外壳加混凝土内壁的合 成桩等i l l j 。 1 3 桩基设计理论现状与发展趋势 桩基技术与其他的地基处理方法一样，其发展也是“实践在先，理论计算在 后”。在桩基技术的初期阶段( 人类有历史记载之前至1 9 世纪) 桩基的设计理论可 以说是还未出现；在其发展阶段( 1 9 世纪中叶 2 0 世纪2 0 年代) ，土力学的建立 为桩基设计理论的出现与发展奠定了基础。桩基设计理论开始出现，但比较简 单，粗糙，处于萌芽、发展阶段；现代阶段( 第二次世纪大战后一现在) ，桩基设 计理论引进其它学科的先进理论与成果，大大拓宽其研究领域与深度，基本形 成了一个完整的体系【1 2 】【1 3 1 。桩基的设计理论进入现代阶段以来，有了很大的发 展，具体表现在以下四个方面： ( 1 ) 单桩设计承载力越来越大，达到了以“万n ”计的水平，为了满足设计承 载力的要求，设计者不得不从诸如桩身材料优选，加大桩身截面，最大限度地 提高桩身混凝土强度，寻求新的有效的沉桩工艺，对持力层进行加固等途径着 7 武汉理工大学硕士学位论文 手，于是出现了各种系列新型的改良桩系。 ( 2 ) 桩基设计理论吸取其它学科的先进成果，取得了非常迅速和深刻的发 展，电子计算机和数值计算方法的巨大成就，高分子化学的成就特别是岩土力 学领域的卓越研究成果，给桩基科学注入了新养料，建立和形成了许多新的概 念和理论，古老的桩基技术脱胎换骨出现在现代化的舞台上。复合地基理论、 疏桩理论、桩基与上层建筑协同工作理论、打桩动力学、桩的水平作用及倾斜 作用理论，桩基抗震理论、桩基无损检测理论、桩基环境效应理论等相继问世 并向着完善的目标发展1 1 4 1t 1 5 | 。 ( 3 ) 由于城市兴建高层建筑的需要，沉桩环境效应的削减问题受到充分重 视，并从理论上和工艺上进行了研究，提出了一系列计算方法及理论。 ( 4 ) 桩基设计理论引入可靠度理论( 1 7 1 运用概率分析方法，建立以可靠指 标度量桩基的可靠度，采用分项系数的极限状态设计表达式进行计算的概率极 限状态设计法，改变了过去采用定值安全系数时主要依靠经验的做法，这是现 代世界桩基设计理论发展的重要成就及发展趋势。 未来工程建设的大规模与高难度以及桩基工程本身的复杂性必将促使桩基 设计理论逐步向以下趋势发展1 幻1 1 9 1 。 ( 1 ) 目前许多试探式的桩型及其设计理论将逐步得到确认或淘汰，科学将 代替纯经验，规范将代替随心所欲。 ( 2 ) 桩与桩基的内涵将被进步拓广，工程实践中涌现出的新的支护结构 和深基础，例如桩墙格栅状群桩护壁、圆筒式环形支护结构等将在桩基设计理 论中被进一步论证、完善。 ( 3 ) 化学和化工技术，材料技术，将向岩土工程领域渗透并显示其巨大的 影响和威力。例如桩基工程环境反应的化学研究、桩身材料和桩尖与持力层加 固的化学灌浆处理、高压喷射成桩的工艺和理论等。岩土工程化学未来的发展 将为桩基设计理论的发展开创一个新的时期和阶段。 ( 4 ) 桩基技术中的一系列特殊问题t 2 0 l 例如膨胀土中桩的设计与施工、岩 溶地区桩基的设计与施工、基岩埋藏很深的软土地基，大荷载桩基中承载力的 提高与保证、桩承载力的时间效应、沉桩施工控制的简单可靠方法、特殊桩型( 树 根桩斜桩、桩墙、桩与其它构件联合结构等) 的工作机理和应力与位移计算，桩 基施工的环境效应，以及桩的压屈分析等，将会受到岩土工程科学工作者的特 别关注，从而其中的大部分可望获得满意的解决。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 工程背景及主要研究内容 1 4 1 工程背景 本文以3 1 8 国道上一座公路桥为工程背景，该桥是引江济汉干渠上的一座 主跨( 5 0 + 8 0 + 5 0 ) 米三孔一连的预应力混凝土连续箱梁桥，两侧引桥为6 2 0 m 预应力空心板，桥面连续。桥梁全长4 2 0 m 。横断面为箱形截面，桥梁纵坡为 3 、一3 。设计荷载：公路i i 级，人群：3 0 k n 时。 1 4 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 影响桩基安全施工的因素。 ( 2 ) 研究桩的极限承载力及神经网络法的应用。 ( 3 ) 结合相关规范利用弹性力学理论和数值计算方法对桩的承载力和沉 降进行计算。 ( 4 ) 利用有限元软件对桩建模，并用软件对桩的内力和沉降进行计算。 ( 5 ) 对计算结果的分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桩基础施工技术与安全保障措施 桩基础在桥梁工程中广泛应用，根据施工工艺的不同，可划分为沉入桩和 就地灌注桩。钻孔灌注桩作为就地灌注桩的一种，处于地下、水下，有其隐蔽 性。从场地准备、钻孔、清孔、到水下混凝土的灌注，各环节均易发生各类事 故。如果事故得不到及时有效地处理，就会在质量上或经济、时间上造成严重 损失。因此，根据现场地质、水文条件，做出果断处理措施，防止事故恶化， 有着极为重要的意义。 2 1 钻孔机械选择 卵石层深孔大直径桩基钻孔施工研究一直是国内外桥梁专家极为关注的 课题，选择合理的钻孔机械是成孔工艺的关键环节之一。目前，在桥梁桩基施 工中普遍采用钻孔方式有冲抓、冲击及旋转钻机成孔等型式。 五十年代初期以来，由于泵吸反循环技术眨9 1 的采用，钻进成孔技术飞 跃发展，德国、日本和我国都先后将此技术应用于桥梁基础的建设，也使钻孔 灌注桩在卵石地基中得到了应用。目前国内的灌注桩直径可达2 5 m ，深度可 达5 0 m 。成孔机械也具备了冲击型和回转型。国外目前钻孔直径可达4 , , - , 6 m ， 甚至制造出桩孔直径达l l m 的钻机，桩孔深度一般可达7 0 8 0 m ，而较新的机 械钻孔能力己超过百米。但由于在卵石地基上物理指标的较大变幅和在卵石地 基上大直径超长钻孔灌注桩难以成桩，仍然限制了钻孔灌注桩在许多特大桥梁 上的应用。 2 1 1 正循环回转钻进成孔施工技术 在大直径的桩孔施工中，采用的正循环回转钻进成孔施工技术是指钻机回 旋装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，泥浆泵泵送的泥浆经过内腔输送到 孔底悬浮并携带钻渣，再经钻杆与空壁之间的环状空间返回地面的钻进方法。 正循环回转钻进，设备简单；设备故障少，工艺技术成熟，操作简单。适用于 第四系的粘土层、砂土层、砾径较小的沙砾层和含少量卵石的卵砾石层和基岩 层的桩孔施工。在正循环施工中，由于不能及时排除钻渣和泥浆稠度大，致使 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 孔壁泥皮厚，既影响了成桩质量，也增加了清孔工作量和难度。 2 。1 2 反循环回转钻进成孔施工技术 反循环回旋钻进是指冲洗液从钻杆与孔壁间的环状间隙中流入孔底，来冷 却钻头并携带岩屑，由钻杆内腔返回地面的钻进方法。由于钻杆内腔面积比孔 壁间环状过水面积小得多，因此，冲洗液在钻杆内腔获得很大的上返速度，从 而提高了孔内出渣能力，保持孔内清洁，大幅提高钻进成孔速度。五十年代初 期，西德率先采用泵吸反循环钻进成孔技术，将直径1 5 m ，1 5 0 m 长的排水井 成孔时间由4 0 个台班，缩短到2 5 个台班，提高工效2 1 5 倍，该技术资料发 表后引起广泛关注，1 9 6 2 年日本引进该技术应用于钻孔灌注桩，使这一技术 很快在工艺上设备上得到改进、发展和完善。我国在七十年代初期开始应用， 目前该技术己广泛地应用于桥梁基础的施工旺踟中。 反循环钻进按其造成钻杆内冲洗液上升流动的动力来源、工作方式和有关 工作原理，分为泵吸反循环钻进、气举反循环钻进和射流反循环钻进三种基本 反循环钻进方式。 由于气举反循环钻杆内水流上升流速与钻杆内外液柱的重度差有关，因而 孔浅时供气压力不易建立，钻杆内水流上升流速低，排渣性能差；孔深增大后， 只要相应地增加供气量和供气压力，钻杆内冲洗液就能获得理想的上升流速， 从而得到较高的钻进速率。从现有设备情况看，孔深在l o m 以内钻进效果很 差，孔深超过5 0 m 后，才能获得稳定的钻进效率；泵吸反循环是直接利用砂 石泵的抽吸作用使钻杆内的液体上升而形成反循环；射流反循环是利用射流泵 射出的高速液流产生负压使钻杆内的液体上升而形成反循环。由于泵吸反循环 和射流反循环驱动液体的压力一般不大于一个大气压。因此它们都是在浅孔时 效率高，孔深大于8 0 m 时效率明显减低。 采用反循环时，由于循环介质的能量有限，深孔钻进效率低，钻进深度受 到限制，大粒径卵石层难以钻进。 反循环钻进技术目前的发展方向： 设备大型化 孔底砂石泵 几种反循环相结合的钻进方法 冲击反循环 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 冲击钻进成孔施工技术 冲击钻进成孔是采用冲击式钻机或卷扬机带动一定重量的冲击钻头，在一 定的高度内周期性地自由落体冲击破碎岩层或冲挤土层形成桩孔，再用捞渣筒 或其他方法将岩屑钻渣排除。用冲击方法破碎岩土尤其是破碎有裂隙的坚硬岩 石和大的卵石所消耗的功率小，破碎效果好。节省功率，成孔直径大；泥浆用 量少，消耗小；设备操作简单，钻进参数容易掌握，设备移动方便，机械故障 少。传统的冲击钻进成孔大部分作业时间消耗在提放钻头和捞渣，钻进效率较 低。尤其随着桩孔的加深，捞渣时间长，孔底清渣时间增加，成孔质量下降。 2 2 本桥钻进成孔施工技术 根据地质资料及工期要求，工程施工配备了4 台s z 5 0 型大孔径正循环旋 转钻机，采用正循环方式排渣，并调来2 台冲击钻备用。施工工艺流程见图l 。 图2 1 钻孔桩施工工艺流程图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 桩机对位及护筒埋设 桩机对位是钻孔桩灌注桩施工的第一步，将钻盘中心对准桩位中心点，两 点对位偏差不得大于2 0n l l l l ，对位时必须检查机身及钻盘是否水平，安装钻机 时底架应垫平并保持稳定，且不得产生位移和沉降，钻机开机前顶端应用缆风 绳对称拴牢拉紧。 对位完毕后，随即挖埋护筒( 按设计制作钢护筒，直径为1 2 0 0 m m ，钢板厚 为6m m ) ，埋入地下3 0 m 左右，上端高出地面约0 3 m ，采用打入法入土，四周 用粘土夯实；其平面偏差不大于5 0m i l l ，斜度不得大于1 ；护筒在泥浆护壁的 条件下，确保孔口不坍塌及储存泥浆。 2 2 2 钻孔施工 钻机就位后，在相互垂直的两个方向上调好钻杆的垂直度，即可采用正循 环法开始钻孔，每个桥墩基础设一个泥浆池，采用高塑性粘土制备泥浆，用泵 将泥浆从泥浆池打入钻杆中。在钻进过程中，应经常注意土层的变化，对于不 同的土层采用不同的钻速、钻压、泥浆比重、泥浆量，以防止孔壁坍塌，必须 保证钻孔垂直。开钻时以低档慢速钻进，钻至护筒下1 o m 后，再以正常速度钻 进，在钻进过程中，根据土质的软硬程度、孔径及钻头钻速等因素随时调整钻 进速度。 2 2 3 清渣 井孔钻到预定位置后，须清除井孔内泥渣，本钻孔采用换泥浆法清孔，在 抽渣或汲泥时，应及时向孔内注入清水或新鲜泥浆，保持孔内水位，避免塌孔， 清孔时排出的泥浆含砂率应与换入泥浆含砂率相宜；清渣完毕后，用测线测量 孔深及沉渣厚度，当沉渣厚度小于2 0 0i n n l 时才能卸下泥浆管，否则，继续清孔， 直至合格为止。 2 2 4 调放钢筋笼 按设计绑扎好钢筋笼，经检查合格后，方可起吊，由于其外形几何尺寸较 大及刚度不足，起吊前钢筋笼内侧设置1 2 0 m m 的圆木纵向加固，放入桩孔时， 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 缓慢下放，切忌急速，以防止孔壁坍塌，下放过程中，拆除纵向加固圆木，并 从孔中取出，固定钢筋笼到设计位置。 2 2 5 水下灌注混凝土 水下灌注混凝土是钻孔桩施工中的一道关键工序，钢筋笼固定到设计位置 后，采用导管法浇注水下混凝土，为保证灌注混凝土的施工质量，采取如下措 施： 浇注前采取的措施 ( 1 ) 导管使用前须经过通球和压水实验，确保无漏水和渗水时方能使用，导 管接头处加密封圈并旋紧螺丝扣。 ( 2 ) 导管隔水塞采用水泥塞，塞上钉有胶皮垫，其直径大于管径2 0 0 3 0 0m n ， 为隔水塞顺利排出先加o 3m 的砂浆，放球后不准再将导管下放孔底。 浇注过程中采取的措施 ( 1 ) 初浇混凝土量宜在导管中长度为0 8 1 2m ，经过计算初浇混凝土量不得 小于o 7 立方米。 ( 2 ) 混凝土的塌落度控制在1 8 0 - - , 2 2 0i n n l 之间，粗料直径不得大于4 0n l n l 。 ( 3 ) 浇注混凝土过程中应防止钢筋笼