（岩土工程专业论文）大直径桥梁基桩竖向承载力分析及试验研究.pdf

大直径桥梁基桩竖向承载力分析及试验研究 ( 摘要) 研究生：刘齐建 指导老师：曹喜仁副教授 赵明华教授 桩基础是一种常用的桥梁基础型式，具有承载力高、稳定性好、沉降量小而 均匀、便于机械化施工及适用性强等特点。在目前桥梁桩基设计计算中，存在许 多不完善之处，有待进一步研究。本文在已有理论基础上，对按桩顶沉降量计算 基桩竖向承载力的方法进行了研究，并对洞庭湖区大直径桥梁基桩竖向承载力进 行了试验研究。 本文首先对桩基础进行了概述，介绍了桥梁基桩竖向承载力研究的发展简况 和意义。对竖向荷载作用下基桩的受力性状及破坏机理进行了分析，然后介绍了 基桩竖向承载力常用计算方法。根据目前的研究现状，对大直径灌注桩的受力性 状和竖向承载力的确定进行了简单的探讨。针对目前桥梁基桩竖向承载力的常规 分析方法，指出了其中所存在的问题。 本文针对大直径嵌岩灌注桩的竖向承载力计算，提出了一种即简单又符合实 际情况的荷载传递计算模型。该模型不仅能考虑桩周土的非线性特性，还能考虑 桩底土体的非线性及沉渣的影响。依照该模型，推导了均质土和层状土中的大直 径灌注桩的竖向承载力的计算公式，得到了按桩顶沉降量控制基桩竖向承载力理 论的解析解，并编写了计算程序，可根据桩顶沉降量直接得到作用在桩顶的竖向 荷载。 本文详细介绍了茅草街大桥试验桩的大型竖向静载荷试验，得到了一系列试 验成果。详细分析了洞庭湖区大直径桥梁基桩的受力特性，并提出了可供实际工 程应用的洞庭湖区大直径桥梁基桩桩侧摩阻力推荐值，指出了桥梁基桩的设计中 应注意的问题。 本文还就计算理论与实测资料进行了对比分析，结果表明二者基本吻合。 关键词：大直径基桩，竖向承载力，计算模型，静载试验 a n a l y s i s o fa x i a ll o a dc a p a c i t ya n dt e s tr e s e a r c h o n l a r g e d i a m e t e rb r i d g ep i l e ( a b s t r c a t ) a st h e c o m m o n l yu s e d f o u n d a t i o n si nt h e b r i d g ee n g i n e e r i n g ，l a r g e 。d i a m e t e r b o r e dp i l e sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hb e a r i n gc a p a c i t y , g o o ds t a b i l i t y , l i t t l e a n dh o m o g e n e o u sv e r t i c a ls e t t l e m e n t ，f a c i l i t yf o rm e c h a n i c i a nc o n s t r u c t i o na n dg o o d a p p l i c a b i l i t y s o m ea s p e c t so f t h ec u r r e n td e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r es t i l l u n p e r f e c ta n d t ob ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n to ft h ep i l et o p ，t h ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i l yt h e o r yi sa n a l y z e d h e r e i n i nt h i sp a p e r , t h el o a db e h a v i o u ra n df a i l u r em a c h a n i s mo f p i l eu n d e r a x i a ll o a di s a n a l y z e d ，a n d t h ec o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sw i t ht h e i rl i m i t a t i o n sa r e s u m m a r i z e d b a s e do nt h ec u r r e n tt h e o r y ；as e to fl o a dt r a n s f e rm o d e li sp r o p o s e da n d t h ef o r m u l a so fc a l c u l a t i n gt h el o a dc a p a c i t yo ft h ep i l ee m b e d d e di nh o m o g e n e o u so r l a y e r e ds o i lw i t h t h e i rp r o g r a ma r ed e r i v e dh e r e i n t h eg o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h e r e s u l t sa n di n - s i t et e s td a t ai n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e dc a l c u l a t i o nt h e o r yi sa c c u r a t ea n d r e l i a b l ew h i c hc s nc a l c u l a t et h ea x i a lm a da p p l i e da t p i l et o pa c c o r d i n g t ot h e s e t t l e m e n to f t h e p i l et o pa n d r e f l e c tt h el o a dt r a n s f e rb e h a v i o u r s p o n s e r e db yh u n a n p r o v i n c i a lc o m m u n i c a t i o n s d e p a r t m e n t ，ag r e a ti n - s i t es t a t i c p i l et e s ti sc a r r i e d o u tf o r t h em a o c a o j i eb r i d g e ，w h i c hi si n t r o d u c e d e di nd e t a i l si nt h i s p a p e r f r o m t h et e s t ，s o m er e s u l t sw i t hv a l u eo f t h e o r ya n dp r a c t i c ea r eo b t a i n e da b o u t t h ea x i a ll a o dc a p a c i t yo f l a r g e d i a m e t e rb o r e db r i d g ep i l e si nt h ea r e ao fd o n g t i n g h u l a k e k e r w o r d s ：l a r g e - d i a m e t e rb o r e dp i l e s ，v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t y ，c a l c u l a t i o nm o d e l ， i n - s i t es t a t i cp i l et e s t 主要符号 a 桩的截面积 o ，k g g a r d n e r 法中的实验常数 c 土的粘聚力 c ，土的剪切变形系数 d 桩径 d 桩端扩头直径 d b 桩尖进入持力层深度 b 桩端土弹性模量 e 。，e 桩、土的弹性模量 e u 土的不排水剪切始模量 e w 土的平均不排水剪模量 ，桩侧极限阻力 ，。桩端阻力极限值 g 。士小应变韵初始剪切模量 h 桩端进入土深度 七d 端阻修正系数 “土的剪切变形系数 南b 、桩端持力层在分界位移前后的桩 端阻力传递系数 k 端阻修正系数 士的静止土压力系数 l 。有效侧阻桩段长 ，第s 层土厚度 f 桩长 m 形状系数 n 标准贯入锤击数 c n 、“桩底无量纲承载力系数 i p 】钻( 挖) 孔灌注桩容许承载力 见大气压力 岛静探比贯入阻力 p m 桩端静探比贯入阻力标准值 p o 桩底平面处总水平应力 p ，桩底附近旁压试验曲线的极限应力 q - 单桩容许承载力 靠桩端土极限端阻力 “桩侧土极限侧阻力 。u 基桩竖向极限承载力 q o 桩项荷载 g 叫桩端土单位极限端阻力 q 。第i 层土极限侧阻力标准值 舶桩底平面处初始竖向总应力 粘土地基单轴抗压强度 r 。岩石单轴极限抗压强度 r f 士的应力应变曲线拟台常数 咒桩侧阻力充分发挥所需的相对位移 品桩顶沉降量 u 桩周长 口粘结力系数 墙桩端阻力修正系数 p b 法中的计算系数 屈侧阻力综合修正系数 ，一土的重度 n 二桩端平面以下土的浮重度 侧阻分项抗力系数 ，加权标准贯入锤击数 j 。桩土相对位移e 占。第i 级荷载下的桩身应变 口混凝土和钢护筒闫的不完全工作 修正系数 f 桩端阻力传递分界位移值 f 。一一桩端阻力到达极限值时的桩端土 位移值 托端阻分项抗力系数 o r l | 单位面积极限端阻力 o v 桩侧土平均竖向有效应力 r 桩侧土摩阻力 r 。桩侧土极限摩阻力 r 。桩侧土平均极限摩阻力 曲土的内摩擦角 绪论 1 绪论 1 1 桩基础概述 1 1 1 桩基础的发展 桩基础又称桩基，由基桩( 群桩中的单桩) 和连接桩顶的承台组成。 桩基础是一种古老的基础型式。早在有文字记载之前，人们就在地基条件不 良的河谷及沼泽地带打设木桩以支承房屋。1 9 8 2 年，在智利发掘的文化遗址所见 到的桩距今大约有一万二千至一万四千年。我国浙江余姚县河姆渡原始社会遗址 出土的桩距今大约有六七千年。我国古代许多著名的古建筑，如上海龙华塔、杭 州湾的石砌岸壁、北京御河桥及西安灞桥等，都采用了木桩基础。在清代工部 工程做法等古文献中，就对桩基选料、排列布置和施工方法等更是作了具体的 规定。 材料科学和施工技术的进步促进了桩基础的发展。二十世纪初，在美国出现 了各种型式的钢桩。在我国上海宝钢工程建设中，也大量使用了钢管桩基础。钢 筋混凝土预制桩则自钢筋混凝土预制构件问世后才开始出现。我国自5 0 年代起开 始应用钢筋混凝土预制桩。而就地灌注桩自本世纪出现后，得到了广泛地应用。 特别在我国，由于灌注桩的许多优点，使其在桩基础中所占比例越来越大。 1 1 2 桩基础的适用性 桩基础不仅能有效地承受竖向压力，还能承受水平荷载和上拔力，并能作为 抗震地区的减震措施。桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、便于 机械化施工及适用性强等特点。目前，桩基础已成为在土质不良地区修建房屋、 桥梁和港口等所广泛采用的基础型式。 根据工程实践经验，在下列情况下可考虑选用桩基础方案： 1 荷载较大，地基的上部土层软弱，持力层埋深较大，采用浅基础或人工地 基在技术上、经济上不合理时； 2 河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易准确计算，若采用浅基础施工 困难或不能保证基础安全时； 3 当上部结构对不均匀沉降敏感或沉降量过大时： 4 当施工水位或地下水位较高时； 5 在地震区，需加强结构物的抗震能力时，可采用桩基础穿过可液化土层， 湖南大学硕士学位论文 以消除或减轻震害。 但是，在以下情况下应慎重采用桩基础，如：上层土比下层土坚硬；欠 固结土或大量抽吸地下水的地区；地质条件异常复杂地区( 如土层中存在块石、 溶洞等) 。 1 1 3 桩基础分类 按不同的方法对桩基础的分类不同【l2 】： ( 1 ) 按功能分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、横向受荷桩和复合受荷桩( o n 受倾 斜荷载作用) 等； ( 2 ) 按荷载传递机理分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩和端承桩四种： ( 3 ) 按桩材分为木桩、钢桩、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩和组合材料桩等； ( 4 ) 按桩身截面形状可分为圆形桩、多边形桩、异型( 十字型、x 型及楔型等) 桩以及螺旋桩等； ( 5 ) 按施工方法分为预制桩和灌注桩； ( 6 ) 按桩径可分为小直径桩( d o 2 5 m ) 、中等直径桩( 0 2 5 m 1 0 m 或d 。2 时可取 n = 5 0 ； 4 。桩端计算面积，根据比施工直径小2 0 c m 的d s 值计算； 。砂质土中平均值； 。、l ，分别为砂土和粘土中的桩长； g 。粘土地基的单轴抗压强度，超过1 0 时取1 0 ； u 桩周长： 桩混凝土重量减去桩排土重量； d 。扩底端直径。 三、按经验方法确定【2 】 大直径桩的极限承载力标准值q 。k 可按下式确定： q u k = ( k + q 一= u 。矿。q m l 。，+ 6 q p k a 6 ( 2 2 7 ) 式中g 蹦桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，可取中等直径桩经验值或通过土 的原位试验及经验方法确定； 。有效侧阻桩段长，等于总长减去扩底高； 以桩身侧阻有效周长； 爿。桩端投影面积； q p k 中等直径桩桩端极限阻力标准值，按实测、原位测试或经验方法确定； f 。侧阻、端阻折减系数( 尺寸效应系数) 。 此外，对粘性土中大直径桩的侧阻力，大量测试表明其不随桩径增大而降低， ! 坚塑塑塞! 茎婪塑垦塑查堕窒 故可采用常规直径桩或经验值，无须折减；而对于无粘性的砂类土、碎石类土中 大直径桩的侧阻力，发挥侧阻晟大值所需沉降远大于常规直径桩所需沉降 2 0 m m ) ，且统计表明，砂、砾中侧阻力随桩径增大而呈双曲线型减小，因此对砂 类土、碎石类土的极限侧阻需折减，折减系数扩。按下式确定： 舻( 劣 ( 2 - z s ) 四、按理论公式计算 对于饱和粘性土，可按极限平衡原理估算极限端阻： = ，( 苦卜+ 加 陋：。， 式中c 。土的不排水抗剪强度； y 桩端以上土的平均重度： 卜桩入土深度。 2 4 桥梁基桩竖向承载力常规分析方法所存在的问题 桥梁基桩的竖向承载力计算仍采用文献 3 3 1 规定的公式来计算( 详见“2 2 4 ” 节) ，该组公式是经7 0 年代初期交通部科学研究院收集了大量试桩实测资料并回 归分析后得出的成果。从实际使用效果看，其结果比较安全而略偏于保守。该公 式在理论上存在以下问题1 3 4 1 ： 1 该组公式认为基桩竖向承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成，并同时达到极 限，取极限值的一半作为容许承载力。而实际上，对绝大多数桩基而言，桩侧阻 力和桩端阻力不会同时发挥，通常是随着桩顶荷载的增加，桩顶沉降增大，桩侧 阻力先发挥出来，之后桩端阻力才发挥作用。所以，桩侧阻力和桩端阻力的发挥 是不同步的，现笼统地取竖向极限承载力的一半作为容许承载力，违背了荷载作 用下基桩的荷载传递机理。即使对桩侧阻力和桩端阻力分别取不同的安全系数， 也难以反映地基土、桩持力层、施工工艺和桩身质量所带来的影响。 2 该组公式反映的桩侧阻力和桩端阻力与桩一土体系的变形无关，同时也未 给出垂直变形的计算方法。但实际设计计算中，上部结构对基桩竖向承载力保证 条件下的沉降要求是较严格的。所以，单纯以承载力来控制桥梁基桩设计的方法 已落后于当今桥梁结构的设计思想，在实际计算时应考虑按桩顶沉降量来控制竖 湖南大学硕士学位论文 向承载力的设计。 3 该组公式以我国公路、铁路、水利、航务和城建部门的1 0 5 根试桩静载荷 试验资料为基础，通过分析得到桩侧土单位极限侧阻力，对桩径的影响考虑不多， 该组公式对大直径桩竖向承载力的适用性值得商榷，且仅以清底系数和修正系数 来反映桩端阻力的修正情况，缺乏理论依据。 3 按桩顶沉降量控制大直径桥梁基桩竖向承载力研究 3 按桩顶沉降量控制大直径桥梁基桩竖向承载力研究 3 1 大直径嵌岩灌注桩受力特性分析 在目前桥梁基础设计中，常将大直径灌注桩穿过全部覆盖层而嵌入基岩，形 成大直径嵌岩灌注桩。由于桥梁基桩一般较长，其受力机理相当复杂。而在现在 的工程实践中，桥梁大直径嵌岩灌注桩的设计往往只注意到基岩的桩端阻力的作 用，而忽视桩的荷载传递机理和承载力性状，从而导致产生了一些不合理的设计 理念和处理方法f 4 ，如：不论桩的长径比大小，一律将嵌岩桩看作端承桩来考 虑：不适当地增加嵌岩深度或不适当地采用扩底。这样，不仅不能保证桩基 设计的合理性和有效性，而且使造价大大提高，造成不必要的浪费。所以深入研 究大直径嵌岩灌注桩的受力特性和承载力计算是十分必要的。 3 1 1 大直径嵌岩灌注桩的荷载传递性状 在桩顶轴向荷载作用下，当荷载较小时，由于桩身混凝土的弹性压缩而使桩 与土产生相对滑移，此时桩侧阻力开始发挥。随着荷载的增加，桩侧阻力开始逐 渐发挥出来，而后桩端阻开始发挥。对于嵌岩部分，文献 5 8 】指出，侧阻与岩石的 强度有关，不同强度及不同种类的岩石，对侧阻发挥的影响是不同的。c a r r u b a l 6 7 i 在分析5 根大直径嵌岩灌注长桩的轴向受压试验资料后指出，桩的静承载力与岩 石强度、嵌岩深度及桩埋置于土中的深度等因素有关；桩岩之间的侧阻力位 移关系符合双曲线模型；一般情况下，桩侧阻先于端阻产生，岩石极限侧阻后于 土极限侧阻发挥；侧阻还和嵌岩深度及桩的入土深度有关，对嵌岩深度小的长桩， 土极限侧阻先于岩石极限侧阻发挥；反之，对嵌岩深度大的短桩，则岩石侧阻先 于土极限侧阻发挥出来。r a d h a k r i s h n a n ( 1 9 8 9 ) 1 6 8 指出，嵌岩深度并非越大越好， 除非考虑桩顶沉降的因素，否则嵌岩深度超过两倍桩径则其效果甚微。文献 4 引 用了朱春明的研究成果，即桩侧阻力发挥值在近地表处较小，并随深度增加而迅 速增大，当嵌岩深度h r = 0 5 d 左右时增至最大，随后又随深度逐渐减小。 此外，b a l a k r i s h n a n ( 1 9 9 9 ) 1 6 9 通过研究指出，桩材的变形模量对桩的荷载传递 机理影响较大。在进行桩的荷载传递机理分析时，应考虑桩材的非线性性状，对 长桩尤其应如此。 3 1 2 大直径嵌岩灌注桩的破坏模式 大直径嵌岩灌注桩的破坏模式一般有两种。一种是当持力层为坚硬的基岩时， 塑堕奎兰堡主兰垡篓兰一 桩身混凝土的弹性压缩激发部分桩侧阻力并很快将荷载传递给桩端e 随着桩顶荷 载增加，由于基岩的强度较高，桩身混凝土开始从弹性阶段进入弹塑性阶段，最 后出现塑性破坏。此时大直径嵌岩灌注桩的破坏呈桩身屈曲破坏，其极限承载力 由桩身材料强度控制。另一种则是当桩身混凝土强度足够时口”，在桩顶竖向荷载 作用下，桩端土层或沉渣与混凝土的混合物逐渐被压缩，在桩下端岩土层中形成 应力场，在嵌岩桩上端桩岩接触面产生剪切带，而后在桩底附近产生剪压带，进 而在桩底形成压缩核。随着荷载增加，压缩核不断增大，下端的剪压带逐渐径向 加宽。最后，剪压带沿桩侧贯通，在桩底压缩核边缘出现散状裂隙，嵌岩桩破坏。 此类破坏属桩底土的剪切破坏。 3 2 荷载传递函数模型的选取 3 2 1 桩侧阻力一桩土相对位移函数模型 桩侧阻力一桩土相对位移【f ( ：) “】之间的关系相当复杂，为了能得出桩土荷 载传递的解析解，一般的方法是通过试验实测出桩侧各层土的r ( z ) “关系，然后 以某种简单的数学模型去描述它，将模型函数代入基本微分方程求解，详见“2 1 2 ” 节。 r ( z 1 “的数学模型越复杂，荷载传递基本微分方程( 2 4 ) 的求解就越困难，有 时甚至无法求得解析解。因此，如何选取简单的数学模型去较准确地描述实际桩 土荷载传递，一直是工程界探讨的问题。本文通过研究发现，佐滕。晤( 1 9 6 5 ) 1 4 8 】提 出的线弹性一全塑性数学模型不仅简单，而且能比较客观地反映桩侧土的实际受 力状况，并能以桩顶沉降来控制基桩承载力设计，所以本文分析时即采用“2 】2 ” 节曾介绍过的佐滕悟模型。下面对该模型加以详细她介绍。 试验实测的r ( z 1 u 曲线一般比较复杂 ( 图3 - 1 ) ，现以式( 2 6 ) 描述的线弹性一全塑性 模型来描述，该模型为： f ( z ) 2 七t 材( “ “，) 1 一般分析 如图3 - 3 所示，此时桩周土部分进入塑流阶段，设桩身上部r 深度进入塑流 阶段，则控制方程为： u 。( 0 ) = s “l ( r ) = “2 ( r ) 堕i ：堕i d z l ：；月d zl ：r e a - 警- = - k b t u 2 ：， ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 令g = k 删1 1 2 m = 舌，y = = 鲁。 方程( 3 7 ) 的解为： 。( ：) ： “，( z ) 2 詈z 2 + c z + c ：，( 。z r ) ( 3 9 ) 【“2 【z ) 2c 3s i n h ( b z ) + c 4c o s h ( b z ) ，( r z ，) 式中： c l = b c 4 s i n h ( b r ) 一h ic o s h ( b r ) 一g r ，c 2 = s ，已：一c 。h 。， r d 一 一 z z 一 善，则分析应重新进行。 u 1 ( 0 ) = s “1 ( 尺) = “2 ( r ) 式( 3 7 ) 的边界条件为 堕i ：堕l d zi ：rd zj ：r e a 警z ：o r = - k 。孝+ 女。：o ：i ：，一善l ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) 根据式( 3 - 1 3 ) 的边界条件，求解方程( 3 - 7 ) ，可得方程的通解为： 。( ：) ：砘( z ) 2 薹z 2 + q z + c 2 , ( o z 月) ( 3 。1 4 ) i “2 ( z ) = 巳s i n h ( b z ) + c 4c o s h ( b z ) ，( r z s ，) 代入边界条件后，可得式( 3 - 1 4 ) 的各项系数为 3 按桩顶沉降量控制大直径桥梁基桩竖向承载力研究 q = b c 3c o s h ( b r ) + c 4 s i n h ( b r ) 一g r c 2 = s 墨r2 一s 垒一+ 五 c 32 一a q 22一a一鱼墨j；br；i爹tanh(br) 2 。，。， 一 z 、。 墨r2 一s 至+ a 。：塑! ! 墅塑二! ! 些塑2 。4 6 r t a n h ( b r ) 一1 ， b r t a n h ( b r ) 式叭= 慧酱小c o s h ( b 塑) + ( 2s i n h ( b 1 ) 令“，( 月) = g - - r2 + c 。r + s = “。，将之变形后可得一关于r 的一元方程 ( 月) = 要r2 + s + r 6 c 3c o s h ( b r ) + c 4s i n h ( b r ) 一g r = 0 二 解方程( 3 - 1 5 ) ，可求得桩侧土的塑性区开展深度月。 由“。( o ) = s ，q ：一e a 皇f ，可得桩顶荷载： “z j ：o q = 一e a c l = e a l b c ，c o s h ( b r ) + c 4s i n h ( b r ) 卜球 三、桩周土全部进入塑性阶段( r = ，) 此时亦由根据桩底土的发挥分两种情况加以讨论。 1 桩底沉渣起作用 将式( 3 1 2 ) 0 7r 以，代替，即得桩顶荷载d ： q = 一e a c l = e a g l b c 4 s i n h ( b ) 一h lc o s h ( b 1 ) 2 桩底土( 基岩) 起作用 将式( 3 1 6 ) 中r 以，代替，即得桩顶荷载9 ： q = 一e a c l = 尉g l e a b c 3c o s h ( b ) + c 4s i n h ( b 1 ) 】 ( 3 - 1 5 1 ( 3 1 6 ) ( 3 一1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 3 i 塑堕查兰璺主兰垡笙苎 3 桩底土( 基岩) 进入塑流阶段 此时的桩顶荷载q 即基桩的竖向极限承载力q u ，其大小为桩侧阻力极限值和 桩端阻力极限值之和： 见= + a k 6 。善+ k 6 ：( 孝。一孝) j 至此，基于本文所设模型，已得到均质地基中嵌岩灌注长桩荷载传递法的解 答，可由桩顶沉降量s 直接计算桩顶荷载q 。 对于摩擦桩，只要设h l = 2 = o 即可利用相关公式求解。 3 3 3 层状地基中基桩竖向承载力的确定 竖向荷载下的层状地基中基桩如m ( 3 4 ) 所示，设有”层土。层状地基中桩底 荷载传递函数的假定仍然同“3 2 2 ”节，各层土的侧阻传递函数( 图3 - 5 ) 用下式表 示： f ( 。) 2 - ，“( “ “。1 ) ， 湖南大学硕士学位论文 1 一般分析 如图3 - 6 所示，设深度r 范围内的土体出 现了塑性阶段，且月的深度正好处于第i 层土 内，即第i 层土上部处于塑性阶段，而其下部 处于弹性阶段。本文的处理方法是：将第i 层：划分为两层，即上层为塑性层，而其下层 为弹性层，如图3 - 6 右边所示。这样，便将整 个n 层土分成了n + l 层，虚线以上的土层为 出现塑性部分，其下仍为弹性部分。于是，对 深度的表示方式作如下调整，令： f j 。+ 1 1 l 图3 - 6 桩周土出现塑流的 层状地基中的基桩 7 l = ，i ，2 = ，2 ，h = ，l r = f 3 2 5 ) ，= ，t + l ，卜1 = ，t + 2 ，。、l = ，。，。= f 。+ l j 桩周各层土的其它参数( 如“。、和“。等) 也作相应的调整。 桩底土的特性不变，桩周土的相对位移以“，( f = 】，2 ，月+ 1 ) 计。 传递函数的控制微分方程为： e a d 出2 u ： = k l u m l = ：，( 扛1 ，2 ，唧z ：月) e a d 沈2 u ： - k l , u = o , ( f - t + 1 ，n + 1 ) ( 厶sz “) 其i 至界条件为： “l ( 0 ) = s “。( ，) = “( ，。) ，( f = 1 , 2 ，一， ) 乱d z ：2 鲥d zl ，撕乩z ，mb b ”。“7 明塑d d zl = 吨 1 f b 。 b + ， “”3 ”一 r 3 - 2 6 ) f 3 2 7 ) 一 ! 垫壁堡望堕量丝型查堕堡堑鲨苎堑坚旦垦茎塑旦玺一 钝= 型e a = 备彤唱，- k h 尉 1 1 m l r 1 。 方程( 3 2 6 ) 的通解为： 以：) ：。) 2 鲁z 2 1 一托：，( f 1 2 ，”( o z “t 训) 【“，( z ) = c s i n h ( b ，z ) 十c 4 c o s h ( b ，z ) ，( f = k 十1 ，”+ 1 ) ( ， z ，。+ 将式( 3 2 7 ) 1 拘2 n + 2 个边界条件方程代入式( 3 - 2 8 ) ，可得： c 2 l = 0 詈( 7 2 _ _ c i t 坞，= 譬( t ) 2 - - c i o + i ) + ”，( f = 1 ，。，) 娶( ，。) 2 一q 。+ c ：。= c 3 ( k + 1 ) s i n h ( b 。l 。) + c 4 ( k + ，) c o s h ( b “，。) c s i n h ( b ，) + c 4 ，c o s h ( b ，) = c 3 ( ) s i n h ( b l 。) + c 4 ( ) c o s h ( b ，) ( i = k + 1 ，- ，n ) g , l ，一c 1 ，= g , + l i 。一c l f 。+ 1 l ，( f = 1 , 2 ，一，一1 ) g ，七一c 】= b “1k 3 ( “) e o s h ( b “】) + c 4 ( i + 1 ) s i n h ( b “l ， ) ，( f = | i ) j 6 ， c 3 ，c o s h ( b ，) + c 4 ，s i n h ( b ，) 】- b i l c 3 ( ) c o s h ( b ，。) + c 4 1 ) s i n h ( b l ，) l ( i = k + 1 ， ) 6 n + lk m + uc o s h ( b n + l ，) + c 4 ( n 蚰s i n h ( b ，) j - 一f 】k 3 ( 。+ 】) s i n h ( b + l + 1 ) + c 4 p 圳c o s h ( b + l + 】) j ( 3 - 2 9 ) 以上共有2 n + 2 个方程，2 n + 2 个未知量。解以上的2 n + 2 元线性方程组，即可 解出c 1 ，c 2 ，c 3 。，c 4 i 等2 n + 2 个未知量。 由方程( 3 2 6 ) 可得桩端的位移为： u ( ，) = “( ，) = c 3 ( ) s i n h ( b ，) + c 4 ( ) c o s h ( b ，)( 3 3 0 ) 2 桩底仅沉渣发挥作用 此时，“。+ ( f ) 毒。 对于第k 层土底部其桩土相对位移为： “女( r ) = “女( ) = 鲁r2 c l t r + s = ”。，( 3 3 】) 上 对于第k 层土下面深度为l x ( ，- 1 女) 处的桩土相对位移为： 湖南大学硕士学位论文 “十1 ( f t + ) = c 3 ( “1 ) s i a h b 1 ( f + ) 】+ c 4 ( + 1 ) c o s h b “i ( 1 k + ) 】 ( 3 - 3 2 ) 而第k + l 层土底部，其桩土相对位移为： “ + l ( ，i + l ) = c 3 ( 女+ 1 ) s i n h b 女+ l ( ，女+ l ) + c 4 ( 女+ 1 ) c o s h b t + 1 ( ，女+ l ) 】 ( 3 3 3 ) 至此，可计算塑性区开展深度r ，计算步骤为： 从上往下任选一土层( 如第i 层) ，假定在该层出现部分弹性和部分塑性的 情况。将其分为上下两层，即k 、k + l 层； 利用式( 3 3 1 ) 计算一个初始塑性区开展深度r o ； 将月。代入式( 3 - 3 3 ) ，求得+ 。( ，。) ： 比较叱+ 1 ( ，) 与“，。若二者相等，则说明该层土处于塑性阶段； 继续计算下一层土，重复的工作； 若+ ( 丘+ ) 孝，则以上分析应重新进行，式( 3 - 2 6 ) 的边界条件为： “( o ) = s “，( ，) = , ( ，) ，( f = 1 , 2 ， ) 乱= 掣i ：= ，_ 乩z ，”， 尉掣l 。叫以，l 。瑚， ( 3 3 5 ) 根据1 、2 的方法，同样可求得塑性区开展深度r 、塑性区开展土层和 各项系数，即可得以桩顶沉降量s 表示的桩顶荷载q 。 三、桩周土全部进入塑性阶段( r f ) 判断桩周土层是否全部进入塑性区十分容易，如果由“3 3 3 节中r 二，求 3 按桩项沉降量控制大直径桥梁基桩竖向承载力研究 解的r = ，或“。( ，。) = “。，则表示桩周土层全部进入塑性阶段。此时的分析也 按桩底基岩是否起作用分两种情况。 1 桩底仅沉渣起作用 将式( 3 3 4 ) 中的尺以，代替，即可得利用桩顶沉降量s 计算桩顶荷载q 的表达 式。 2 桩底基岩起作用 只须将“3 3 3 ”中“二”中的r 以，代替，即可得利用桩顶沉降量s 计算桩 顶荷载q 的表达式。 3 桩底基岩进入塑流阶段 此时桩顶荷载q 即基桩竖向极限承载力q u ，其大小为桩侧极限阻力和桩端极 限目i 力之干口，即： o 。= ：，+ 爿阮。善+ k ：( 孝。一孝) 】( 3 3 6 ) i = i 至此，已得到层状地基中嵌岩灌注长桩的荷载传递函数( 根据本文假定) 解答， 可利用桩顶沉降量s 直接计算桩顶荷载q 。 对于摩擦桩，只要设h l = k b 2 = 0 即可利用相关公式求解。 3 4 计算程序的开发 在上述计算理论的基础上，本文利用f o r t r a np o w e r s t a t i o n 开发了按桩顶沉降 量计算基桩竖向承载力的计算程序，以下分别列出了均质土和层状土计算程序的 流程图。 塑塑查兰堡主堂笪堡壅一 均质土程序流程图 3 8 ! 垫丝堡望竖墨丝型查皇堡堑墨苎堡墅塑墨篓垄竺壅一 层状土程序流程图 塑堕查堂堡主兰竺! 鱼苎 4 洞庭湖软土地区大直径桥梁灌注桩竖向承载力试验研究 4 1 工程概况 4 1 1 工程简介 茅草街大桥【6 2 1 位于南县茅草街镇，属洞庭湖区，是省道1 8 3 1 线跨淞澧洪道、 藉池河西支、南茅远河及沱江的一座特大型桥梁。淞澧洪道桥全长约7 0 0 m ，主桥 采用三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥桥型，气势宏伟壮丽。 一、大桥设计标准： 1 荷载等级：汽车一2 0 级，挂车1 0 0 ，人群荷载3 5 k n m 2 ； 2 桥面宽度：2 0 5 m 防撞护栏+ 1 5 0 = 1 6 0 m 3 设计水位：凰。= 3 6 1 3 m ； 4 通航等级：i v 一( 1 ) 级，净空为8 m 6 0 m ， 5 通航水位：h w = 3 5 7 8 m ( 1 9 9 6 年最高水位) ； 6 地震烈度：六度震区，按七度设防； 7 设计风速：2 8 m s 。 二、桥位自然条件 1 地理地貌：茅草街大桥位于湘北洞庭湖地区，连接南县和沅江市。桥位附 近地势南高北低。南咀( 大桥南部) 以北为河湖冲积沉积平原，地势平坦。 2 气象：大桥区域内诸河汛期水位高，持续时间长，一般在6 - 9 月。大桥采 用的设计洪水频率标准为1 1 0 0 。 3 地质：详见“4 1 2 ”的“工程地质条件”。 4 1 2 工程地质条件 为了解主桥桥墩附近岩土的物理性质，在该位置附近进行试桩的静载试验， 并在试桩位置钻孔取样，以了解其工程地质情况f 7 0 】。 一、地层岩土性质 根据现场钻孔情况，试桩处所揭露的地层从上至下分别为：1 淤泥质粘土： 褐色，软可塑；2 粘土b 1 ：硬塑；3 细砂a ：密实；4 砂砾石：灰黄色，中密； 5 砂卵石b ：黄色，密实：6 细砂b ：灰黄色，密实；7 泥质粉砂岩：紫红色， 钙泥质胶结，裂缝较发育，浸水后易软化。 地层岩土分布具体情况见附图1 “试桩处钻孔地质柱状图”。 ! 塑壁塑鏊圭垫垦查皇堡堑墨壅鲨壁坚旦垦茎妻蔓矍! 垄一 二、水文地质条件 该区地下水主要赋存于第四纪的砂土和粗颗粒土中，据钻孔内地下水位观测 t 5 t 4 , n 民井调查表明，地下水为承压水，并且地下水位的变动和河水水位的波动 具有一致性，表明地下水与地表水具有较强的水力联系。据调查，砂层中地下水 水量丰富，但含泥较多，水浑浊。 据桥位区内的建筑经验以及居民采用地下水为生活用水的情况，推测地表与 地下水对混凝土无侵蚀作用。 三、岩土物理力学性质 1 通过对主要粘土层采样后进行室内试验，试验结果统计如表4 1 。 室内土工试验成果统计表 表4 - 1 地样 容许 层 太 湿密度 孔隙比压缩模量 液性指数丘承载力 备注 类数 p ( g ，c m 5 ) b ( m p a ； 【盯o 廿副 别量 淤 2 个f 1 泥 17 4 20 l07 2 3 l2 9 0 0 1 5 08 025 1 l9 异常值 质1 0 1 2 0 l8 7 809 6 904 5 945 6 未参与 粘 统计 土 粘 18 6 2 1 lo5 2 l 09 5 70 08 5 ll l l4 一二1 23 4 0 l9 9 007 2 702 5 378 3 b l 注：表中分数形式表示者，其分子为范围值( 最小值最大值) ，其分母为平均值： 【盯o 】根据文献 3 3 】查表求得。其中淤泥质粘土按新近沉积粘性土查得，粘性土b ，按 粘性土查表。 2 勘察时采取岩试样进行了天然状态下的单轴极限抗压强度试验，其结果列 子夜4 ，2 。 3 对覆盖层中的无粘性土( 如细砂、砂砾石及砂卵石等) ，由于工程地质 勘察说明书将其它钻孔资料也一并加入统计，故其结果难以代表试桩处钻孔的 湖南大学硕士学位论文 土样特性，详见文献 7 0 】。 岩石单轴极限抗压强度试验成果统计表 表4 - 2 风化样本最大值 最小值平均值 r i 名称 备注 程度数量 c m p a )( m p a )( m p a ) 强风化 34 72 13 7 7钙泥质胶结 2 个异常值未参与统计，泥 2 71 1 7】431 4 泥质 质胶结 砂岩弱风化8 个异常值未参与统计，钙 5 33 3 21 277 4 质胶结 2 67 8 14 6 25 8 5 5 钙质胶结 4 根据以上试验结果，并结合野外实际情况，勘察单位对主要岩土层的力学 指标推荐如表4 3 。 4 2 试验目的和意义 茅草街大桥试桩竖向静载荷试验目的和意义如下： 1 探明在大桥主墩桩基础附近的地质条件下单桩的竖向承载力，为设计提供 依据： 2 通过试验，获取每级荷载下，各土层的桩侧阻力和桩端阻力； 3 测试出桩侧阻力和桩端阻力随桩土相对位移的关系，为按桩顶沉降控制基 桩坚向承载力设计提供依据： 4 探讨桩侧阻力和桩端阻力在不同荷载作用下的尺寸效应及深度效应； 5 对深孔稠泥浆情况下的钻孔工艺及混凝土浇捣工艺进行验证。 4 3 试验装置、仪表及测试元件 4 3 1 试验概况 一、桩的成孔灌注工艺【6 3 j 试桩钻机类型为泰山一2 0 ，钻头尺寸为1 o m 。采用正反循环旋转钻进，泥浆护 壁，泥浆比重为1 1 3 - 1 1 4 ，粘度为1 8 秒左右，含砂率为0 6 。试桩开钴前，在 试桩南5 0 m 处开钻锚桩至l o m 左右时，出现塌孑l 现象，处理后先进行试桩施工。 f ! ! 一 一 ! 塑壁塑塾圭些垦盔里丝堑墨堂生! ! ! 塑墨茎查苎丝旦窒一 为防止再次出现塌孔，在钻孔上部加设钢护筒。钢护筒外径为1 3 m ，埋深1 0 5 m ， 筒壁厚7 m m 。钢护筒以下试桩直径仍为1 o r e 。 成孔后，由于钢筋应变计未焊到钢筋笼上，为防止塌孔，钻机不停，三日后 下钢筋笼。下钢筋笼前，往孔底压浆清理沉渣，灌注混凝土前，实测沉渣厚度为 5 0 m m 。 容许承载力 钻孔桩桩周岩石单轴抗 地层年代 土层名称 土极限摩阻压强度 备注 0 0 ( k p 小 力r ( k p a )焉( m p a ) q h 淤泥质粘土 8 0 1 5 0 粘土b 1 1 2 0 2 5 03 5 5 0 软塑取低值， 硬塑取高值 细砂a 1 2 0 1 5 03 5 4 0稍密取低值， q p 中密取高值 细砂b 1 5 0 2 0 04 0 4 5 中密取低值 密实取高值 砂砾石b 2 5 0 3 0 0 6 0 o 砂卵石b3 5 0 4 5 0 1 0 0 1 1 0 泥 强风 2 8 0 3 5 0 6 0 7 0 质化 k 2 粉弱3 5 0 6 0 0 2 3 泥质胶结 砂风5 0 0 6 0 0 9 0 1 1 0 3 3 5 钙泥质胶结 石化1 0 0 0 1 5 0 01 0 1 5 钙质胶结 试桩混凝士灌注时，每盘混凝土方数为o 2 4 一，共浇注1 9 9 盘。为保证导管 内的混凝土能连续进入，且为混凝土压水成功，第一盘混凝土方量较大。实际施 工时初埋管深达2 o o m ，从而保证导管内的混凝土能可靠的与水隔离。第一批混 凝灌注完后，将储料斗阀门关上，继续进料并搅拌。储料斗储满混凝土后，拉 开阀门进行第二次灌注。以后每次灌注与第二次相同，直至灌注结束为止。 为检验混凝土的质量和强度，在进行混凝土浇注时，于桩身上中下三个部位 各预留混凝土标准立方试块各一组( 每组为3 个试件) ，且于桩身上部预留1 5 0 湖南大学硕士学位论文 1 5 0 ) ( 1 5 0 m m 试块一组( 每组为3 个试件) 。 二、试桩设计 试桩设计直径d = 1 o m ，埋深为6 0 o o m ，进入弱风化泥质砂岩层。由于施工时 加设直径为l3 m 的钢护筒，故试桩上部