（岩土工程专业论文）典型地质条件下静压管桩的工程特性研究.pdf

摘要 摘要 静压管桩将预应力管桩的优点和静压法施工的优点完美结合了起来，随着人 们环保意识的日益增强，其在工程建设中的应用日益增多。 本文对近年广东地区4 0 0 多根静压管桩静载试验资料进行统计分析，针对典 型地质条件下静压管桩的工程特性进行了研究。 首先通过对收集的静压管桩静载试验资料的统计分析，得出一些静压管桩在 典型地质情况下工程应用的特点和经验：然后分析了静压管桩的压桩机理，对其 压桩过程进行了力学分析，提出了一种基于球形孔扩张理论的压桩力估算方法， 并分析了静压管桩施工终压力与竖向极限承载力的不同，介绍了广东地区对两者 关系的研究成果；接着在总结桩基的荷载传递理论的基础上，对典型地质条件下 静压管桩的承载特性和荷载沉降特点进行了分析，并根据q s 拟合曲线外推单桩 极限承载力；最后利用快速拉格朗日差分软件f l a c 对静压管桩的荷载传递规律和 竖向静载试验进行了数值模拟计算，并对计算结果进行了分析。 关键词：预应力管桩；静压管桩；统计分析；压桩力；承载特性：f l a c 数值模拟 广东工业大学工学硕士学位沦文 a b s t r a c t t h es t a t i c p r e s s i n gp i p e p i l ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fp cp i l e sa n ds t a t i c p r e s s i n g c o n s t r u c t i o m e t h o d p e r f e c t l y w “ht h e i n c r e a s i n g a w a r e n e s so f e n v i r o n m e m a lp r o t e c t i o n ，m o r e a n d m o r es t a t i cp r e s 蛳n gp i p e p i l e sa r eu s e di n e n 9 1 n e e n n gc o n s t r u c t l o n s b ya n a l y z i n gm o r et h a n4 0 0s t a t i cp r e s s i n gp i p e p i l e s t a t i c l o a dt e s t sr e s u l t s c o l l e c t e di ng u a n g d o n gr e g i o ni n r e c e n t y e a r s ， t h e p a p e r r e s e a r c h e st h e e n g i n e e r i n g p r o p e n i e so fs t a t i cp r e s s i n gp i p e p i l eu n d e rt y p i c a lf i e l ds i t u a t i o n f i r s t l y ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t so fs t a t i cp r e s s i n gp i p e p 订e s t a t i cl o a dt e s t s s t a t i s t i c a l l y ， t h ep a p e rp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de x p e r i e n c eo fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no fs t a t i cp r e s s i n gp i p e p i l e s e c o n d l y ，t h ed r i v i n gm e c h a n i s mo fs t a t i cp r e s s i n gp i p e - p i l ea n dt h em e c h a n i c so f d r i v i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d t h e n ，a ne s t i m a t i v em e t h o dt h a ti sb a s e do nt h es p h e r i c a l c a v i t ye x p a n s i o nt h e o r yf o re s t i m a t i n gt h ep r e s s u r eo fd r i v i n gp i l e si sb r o u 曲tf o r w a r d t h i r d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef i n a l p r e s s u r eo ft h e d r i v i n gp i l ea n dt h el i m i tv e r t i c a lc a r r y i n gc a p a c i t yo fs t a t i cp r e s s i n gp i p e - p 订e ，a n d t h e ni m r o d u c e st h er e s e a r c hf r u i to f t h e i rr e l a t i o ni nt h eg u a n g d o n gr e g i o n w h e r e a r e r ，b ys u m m a r i z i n gt h el o a dt r a n s f e rt h e o r yo fs i n g l cp i l e ，t h cp a p e r a n a l y z e st h ep r o p e n yo fb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a d s e t t l e m e n to f s t a t i cp r e s s i n gp i p e - p i l ei nt h et y p i c a lg e o l o g ya r e a ，a n de s t i m a t e st h el i m i tc a r r y i n g c a p a c i t yo fs i n g l ep i l ea c c o r d i n gt ot h eq sc u r v e f i n a l l y ，t h ep a p e rn u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h el o a dt r a i l s f e rr u l ea n dt h es t a t i cl o a d t e s to nt h es t a t i cp r e s s i n gp i p e p i l eb yu s eo ft h ef l a cs o f t w a r e ，a n dt h e na n a l y z e st h e r e s u l to fs i m u l a t i o n k e yw o i d s ： p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e - p 订e ：s t a t i cp r e s s i n gp i p e - p i l e ； s t a t i s t i c a la n a l y s i s ； t h ep r e s s u r et op 订e s ； b e a r i n gp r o p e r t y ： t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf l a c i i 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。桩 基础的主要功能是将上部结构的荷载穿过较弱地层或水传至地下较深处的密实土 层或岩层，以满足承载力和沉降的要求，因而桩基础具有承载力高、沉降较小而 且均匀等特点，能承受垂直荷载、水平荷载、上拔力及动力作用等。在一般房屋 基础工程中，桩基主要承受垂直的轴向荷载，其基本上都是通过作用于桩尖( 或 称桩端、桩底) 土层的阻力( 桩端阻力) 和桩周土层的摩阻力( 桩侧阻力) 来支 承轴向荷载的。 桩基的发展历史悠久。1 9 8 1 年1 月美国肯塔基大学的考古学家在太平洋东南 沿岸智利的蒙特德尔附近的森林里发现了一问支承于木桩上的木屋，经测定论断， 人类对桩的应用至少已有1 2 0 0 0 年到1 4 0 0 0 年的历史。在我国浙江余姚河姆渡发 现古时遗存的木桩，距今也有6 0 0 0 7 0 0 0 年了。人类应用木桩经历了漫长的历史 时期，直到1 9 世纪后期，随着钢、水泥、混凝土和钢筋混凝土相继问世并被成功 用来作为制桩的材料，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 采用配螺旋筋混凝土桩，木桩逐步被钢筋混凝土桩和钢桩所代替，约至2 0 世纪7 0 年代基本不用木桩。 随着生产力的发展和科学技术的进步，桩的类型和性能也得到了进一步的发 展，预应力管桩就是预应力技术与离心制管技术相结合的产物。由于预应力管桩 具有工程造价较便宜、工艺简明、质量较可靠、长度易调整、施工速度快、检测 方便、监测时间短等优点，目前已被广泛应用于工业与民用建筑、铁路、公路、 桥梁、港口、码头等工程中，其中以工业与民用建筑用量最大，约占应用总量的 8 0 。凭借其自身的优点，近年来，预应力管桩在我国广大沿海、沿江地区和省会 城市等地区应用越来越多，特别是在广东地区的应用更是如火如荼。 早在十年前就有研究认为预应力管桩是值得广东地区最优先推广的桩型，事 广东工业大学工学学位论文 实也表明预应力管桩在广东地区的推广应用是非常成功的，处于全国前列。广东 地区应用桩基的历史悠久，新老桩基的种类繁多，应用数量也大，自1 9 9 6 年1 1 月至1 9 9 8 年6 月，广东省建筑科学研究院曾对广东地区桩基的应用情况进行过调 查，调查发现广东地区应用最广的五种桩型为：预应力管桩、钻孔灌注桩、人工 挖孔桩、沉管灌注桩、预制混凝土方桩。为了给各类桩做出综合评价，广东建筑 科学研究院课题研究组运用模糊数学理论对各种因素进行处理，再利用模糊综合 评价模型对这五种主要桩型的推广应用进行了定量分析，结果发现无论综合评价 还是技术因素、经济因素，预应力管桩的得分都是最高的，因此认为预应力管桩 是广东地区最优先推广的桩型”1 。事实也表明预应力管桩在广东地区的推广应用是 非常成功的：1 9 8 4 年广东才开始研制预应力管桩，1 9 8 5 年试制成功，1 9 8 7 年开始 在广州、珠海、中山等地应用，从此预应力管桩的生产和应用量是逐年在迅速增 长，1 9 8 8 年全省预应力管桩的年生产应用量仅为1 0 万米，1 9 9 6 年突破了4 0 0 万 米，1 9 9 8 年突破了1 0 0 0 万米，2 0 0 4 年更是超过了7 0 0 0 万米，在其应用过程中， 尽管在施打时曾经发和过一些施工质量问题，但在检测合格并已建成的建筑物中， 还没有发现有哪一栋因管桩基础出事而需要补强的，所以，按规程要求设计和施 工的预应力管桩基础，给人一种“放心感”，从而使预应力管桩成为广东设计人员 选用桩基时首先考虑选择的一种桩型，预应力管桩已被越来越多的工程技术人员、 建筑商所接受和乐用。现在预应力管桩已经成为广东地区应用最多的桩，目前还 看不到有哪一种新的桩型在今后的一二十年内可以替代预应力管桩的主角地位”1 。 目前，预应力管桩的施工方法主要有锤击法和静压法。 锤击法施工应用得最多，到目前还有很多工程在使用，对其应用研究比较多， 也有技术规程对其的应用进行规范指导，应该说锤击桩应用得比较成熟；静压法 旅工1 9 8 8 年在广东地区才开始应用，到了2 0 世纪末大吨位静力压桩机出现后才 快速推广应用。静压法施工与锤击法相比，是一种技术上的进步。锤击施工法最 大缺点就是噪音大，震动激烈，还会造成一定的油烟污染，为此，有许多城市已 明文禁止在市区内打桩，就是没有明文禁止，在居民密集区内打桩，也会遭到市 民的投诉。采用静压预应力管桩，除了保留预应力管桩基础的优点外，施工时既 无噪音，又无震动，更没有油烟污染，既没有挖孔桩施工抽水引起的危害，又无 钻孔桩旌工泥浆满地的烦恼，很适合在城市内施工。另外，静压预应力管桩的冲 击力、施工应力小，桩顶不易破坏，不易偏心沉桩，桩身质量可靠，同时还可减 第一章绪论 少打桩震动对地基及邻近建筑物、道路、管线等的影响。所以，自从大吨位静力 压桩机施压预应力管桩的工艺获得成功以后，城市内采用静压管桩的工程越来越 多。有专家预言，随着双文明建设的不断发展，人们环保意识的同益增长，绿色 岩土工程将会得到大力提倡，静压预应力管桩将成为2 l 世纪初广东地区应用最多 的桩“1 。 广东地区具有适宜管桩的应用的典型地质条件，是管桩在广东地区得以推广 应用的重要条件。广东沿海特别是珠江三角洲广大地区，基岩埋藏浅，约l o 3 0 米，且基岩风化严重，强风化岩层较厚，其上还有一层全风化岩层或风化残积土， 这样的工程地质条件，最适宜预应力管桩的应用，不仅能充分发挥预应力管桩高 承载力的特点，而且造价便宜“1 。 静压预应力管桩( 以下简称静压管桩) 在上述典型地质条件下的工程应用比 较成熟，但对它在典型地质条件下的压桩机理、承载机理等工程特性理论研究相 对落后，至今，尚未有一个完善的、且被大家认同的理论体系。因此若能正确认 识典型地质条件下静压管桩的压桩机理、承载机理和承载特性，准确快捷估算出 压桩力，明确压桩力和竖向极限承载力之间的关系，提出适合静压管桩客观实际 竖向承载力修正计算公式，这对加快静压管桩的推广应用及提高其经济效应和社 会效应将具有举足轻重的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沉桩阻力方面 对在均质砂土中的沉桩阻力研究方面，六十年代，法国凯里泽( k e r i s l ，1 9 6 2 ) 等在直径6 4 m 、深1 0 4 m 的大型砂坑中，用不同直径的平底探头( 4 5 一3 2 0 m m ) ， 在不同密实度的均匀石英砂中做了大量的试验，观测了端部阻力q 。和平均侧摩阻 力f s 随贯入深度的变化规律，分别测定端阻和总压入力随贯入深度的变化。开始 贯入时，端阻随贯入深度的增加而增加。当贯入深度超过某一深度后，端阻基本 上不再增加，该深度称之为“临界深度”。除法国凯里泽外，法国派勒特( p a n e t ，1 9 7 2 ) 在水力梯度模型中，和比阿雷兹( b i a r e z ，1 9 7 2 ) 、福拉依( f o r a y 1 9 7 6 ) 、郑 广东工业大学工学学位论文 ( t c h e n 卫，1 9 7 5 ) 等在模型槽中的实验，以及魏西克( v e s i c ，1 9 6 7 ) 在美国，梅耶霍 夫( m e y e r h o f 1 9 7 7 ) 在加拿大的实验都证实了下述定性结论”3 ： ( 1 ) “临界深度”是砂土密实度和探头直径的函数。砂的密度愈大，探头的直 径愈大，则“临界深度”也愈大。在饱和砂中的“临界深度”比干砂中的大； ( 2 ) 砂的极限端阻只与砂的初始密度有关，从实用观点出发，可以认为它与探 头的直径( 在所试验的直径范围内) 大小无关。砂饱和与否基本不影响极限端阻 大小； ( 3 ) 平均侧摩阻力开始也随贯入深度的增加而增加，但超过某一“临界深度” 后也保持为一常数。 福拉依( f o r a y ，1 9 7 6 ) 、郑等在室内模型试验时，还观测了探头贯入过程中砂 表面的变形特性，说明当探头压入土层时，开始土产生剪切破坏，随着贯入深度 的增大，土的侧向约束应力的加大，探头阻力主要决定于土的压缩特性。从剪切 破坏向压缩破坏是逐渐过渡的，这一定性的破坏机理已经为大家所承认。福拉依 曾在1 5 2 0 m 的模型槽中用密度不同的一种砂组成的双层土中进行了系统的实 验。双层土的上层为松砂，端阻很快达到极限值，在接近下卧密实砂层层面约三 倍桩径的距离时，端阻呈线性增加。贯入下卧层一定深度，即“临界深度”后， 端阻又稳定在一个极限值附近。经比较，发现超过“临界深度”后的极限端阻基 本相当，但双层土的“临界深度”却比单一均质土的小”1 。福拉依又利用气囊加压 于砂层顶面以代替无强度的超载，观测了超载对极限端阻和“临界深度”的影响。 人工超载下探头贯入曲线的形状与双层土的情况基本相同。端阻开始逐渐增长， 贯入深度达到和超过“临界深度”后，端阻成为常数。“临界深度”随超载的增大 而减小，极限端阻则似与超载大小无关。但超载若再继续增加，极限端阻是否仍 保持不变呢? 比阿雷兹在总结g e n o b l e 大学十年的实验结果时，在报告中指出， 当超载增大至某一定值时，试验得到的极限端阻将大于无超载时的极限端阻”1 。梅 耶霍夫指出，当粘土覆盖在砂层上，则探头离砂层顶面一倍直径时，其端阻开始 增加。“临界深度”的改变不仅与覆盖层的厚度有关，而且与两层土强度的比值有 关，极限端阻则基本不变。在对多层土中的砂层进行实验研究的基础上，可以归 纳出以下几点定性的结论”1 ： ( 1 ) 多层土中的极限端阻与覆盖压力无关，与单一均质砂层中的值基本相同； ( 2 ) 达到极限值时的“临界深度”随覆盖压力的增大而减小，它还和双层土的 第一章绪论 强度比值的大小有关； ( 3 ) 探头离硬砂层顶面l 3 倍直径时，端阻丌始呈线性增加，若离开硬砂层进 入软层时超过硬砂层底面1 2 倍直径后，端阻降低到下卧软层的极限值； ( 4 ) 软土层中夹有薄砂层时，砂层中端阻最大值一般小于极限值，夹层的相对 厚度越小，则端阻最大值降低得越多，薄层砂的端阻最大值一般出现在这个夹层 的中部附近。 凯里泽( 1 9 6 7 ) 在法国一处饱和粘性土中用4 5 ，7 5 和1 1 o c m 直径的圆锥， 并且将一矿1 0 2 5 c m 的沉井压到地下5 0 m 深，在沉井上安装有应变片以将端阻和 侧摩阻分开。随基底尺寸的加大，其端阻相应地减小。德比尔( d e b e e r ，1 9 7 4 ) 在 比利时用3 6 c m 、5 0 c m 和庐2 5 c m 的探头在粘土中做了比较试验，其趋势和凯 里泽的相似，但尺寸效应在比利时的粘土中没有法国那样大。 s e e d & r e e s e ( 1 9 5 5 ) 和e i d e 等( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，当桩压入粘性土后桩的 承载力会随时间而增加，他们认为这主要是由于压桩时引起的超静孔隙水压力随 时问消散引起的”3 。b u f 诧r f i e l d ，r & b a n n e r i e e ，p k ( 1 9 7 0 ) 也曾分析了孔压对 最终承载力的影响”3 。国内郑钢( 1 9 9 4 ) 曾对静压桩阻力作了一些工程实例的统计， 并提出了预估压桩阻力的方法。 国家自然科学基金项目中有天滓大学汪克让副教授在1 9 9 3 年的题为“沉桩对 周围介质和邻近结构的影响”和国家地震局工程力学所赵振东研究员1 9 9 4 年的题 为“桩基贯入过程力学机理与仿真研究”。 研究沉桩机理的主要有球形孔扩张理论、应力路径法和有限元分析法等理论 方法。浙江大学的李月健博士曾应用球形孔扩张理论来分析静压桩沉桩机理“。 1 2 2 管桩及其竖向承载力确定方面 1 国外研究现状 世界上，目前日本、英国、俄罗斯等国家是研究、生产、使用预应力管桩较 多的国家。特别在日本，由于地处地震带，对预应力管桩的研究、设计、旌工、 应用下了很大的功夫。取得了丰富的经验，是当今世界预应力管桩方面技术领先 国家。1 9 6 8 年，日本制定了j i s a 5 3 3 5 先张法离心预应力混凝土管桩标准。1 9 8 2 年，又制定了儿s a 5 3 3 7 先张法离心高强度混凝土管桩标准，并于1 9 9 3 年对该 广东工业大学上学学位论文 标准进行了修订。 目前，在预应力管桩的竖向承载力计算时，通常从两个方面考虑。一方面是 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载力( 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p ) ；一 方面是按土的强度与变形来确定单桩竖向承载力，一般情况有静载试验法、经验 参数法、静力触探法、动测法等几种方法“”1 。 ( 1 ) 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力公式 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力，日本和英国一般按公式( 1 1 ) ： r = o 2 5 ( 疋一仃舻) 彳 ( 1 1 ) 式中r 一一管桩桩身额定承载力； f 一一管桩桩身混凝土极限强度； 盯。，一一管桩桩身有效应力； a 一一管桩桩身有效横截面积。 ( 2 ) 静力触探试验 静力触探试验，简称静探。早在三十年代，荷兰已用简单圆锥探头来评价 桩的单位端阻。半个世纪以来，静探的探头和加压、记录设备有很大改善，许多 国家的学者研究提出了用静探评价单桩承载力的方法，并在一些国家技术规程中 被正式纳入。国外通过静探试验确定单桩承载力的计算公式见表l 一1 。 ( 3 ) 动测法 动测法系指桩的动力测试，它是通过测定桩对所施加的动力作用的响应来 分析桩的工作状态的一类方法的总称。从桩的承载力机理出发，可以按照桩土体 系在动力作用下应变的大小归纳为高应变和低应变两大类。高应变动测法系指具 有足够击振能量，足以使桩土之间发生相对位移，桩产生永久贯入度的动测法， 例如史密斯( s m i t h ) 法、凯司( c a s e ) 法等。低应变动测法则指击振能量较小， 只能激发桩土体系某种弹性变形，而不能引起桩土相对位移的动测法。例如桩基 参数动测法、机械阻抗法等。高应变动测法现已作为确定单桩承载力的实验手段 之一。国际土力学基础工程学会( i s s m f e ) 野外及实验室委员会正式推荐高应变 动测法可用以确定桩的参考轴向承载力。 ( 4 ) 经验公式 目前，国际上关于预应力管桩竖向承载力计算的经验公式还不多，式( 1 2 ) 6 和式( 1 3 ) 分别为海利( h i l l e y ) 动力打桩公式与改进的h m te p c e b 。h o b 格氏打 桩公式： 沪筹+ 厕净露丽 表1 1 静探试验确定单桩承载力的计算公式 ( 1 2 ) ( 1 3 ) t a bl 一1f o r m u l at oc a l c u l a t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep j l eb ys t a t i ct o u c h i n gt e s t 国家公式备注 希腊英国 儿2 丽l 斛茹呜l 4 i 荷兰 c = 爿”一 双桥探头 印度 只= 去 彳+ 圭4 裔 前苏联 见= o 7 如一+ 矗州 法国 见2 ；q 一+ 圭u 如乓 单桥探头 2 国内研究现状 目前我国管桩制作质量比十年前已大大的提高，有不少厂家的产品质量达到 国际先进水平。同时，管桩的设计和施工水平也有较大幅度的提高。1 9 9 2 年，由 苏州水泥质制品研究院牵头全国十一个单位组成的管桩规范起草小组编制了我国 首部先张法预应力混凝土管桩g b j 2 3 5 9 1 国家标准，对我国管桩生产起了很 好的规范指导作用。1 9 9 3 年成立了全国预制混凝土专业委员会，1 9 9 6 年委员会和 苏州水泥制品研究院组织全国有关厂家，编辑出版了先张法预应力混凝土管桩的 “结构设计图集”。管桩的设计施工规范也在编制之中，1 9 9 1 年，广东省编制的省 标建筑地基基础施工及验收规程d b 儿5 2 0 1 9 1 里，首次将预应力管桩施工纳 7 等 等： q 广东工业大学工学学位论文 入到规程中；与此同时，冶金工业部也颁布了预应力钢筋混凝土基础技术规程 y b j 2 3 5 9 1 。1 9 9 5 年广东省着手编制预应力混凝土管桩基础技术规程，将管桩 基础的勘查、设计、施工及质检等技术规范化。该规程于1 9 9 8 年l o 月1 日起在 广东正式出版执行，编号为d b 儿5 2 2 9 8 ，2 0 0 5 年4 月组织专家对其进行了修编，修 编后新规程更改为：锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程，新规程与国家、 省的地基基础规范接轨，对新工艺、新技术、新机械进行大力推广，对桩质量分 为优等品和合格品，考虑桩的耐久性、防腐要求，对存在的问题正视改进，加大 了桩基的质监和检测的力度。此外，广东省还在编制静压桩基础技术规程，使 预应力管桩用静压法施工的设计、施工工作规范化( 2 0 0 1 年) 讨论稿。 国内确定管桩承载力的计算公式主要有以下几种： ( 1 ) 按桩身强度计算预应力管桩竖向承载力公式 桩身额定承载力即桩身最大允许轴向承载力，不同的规范中有不同的标准。 在广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程d b 儿5 2 2 9 8 中，按式( 1 4 ) 的标准控制： 巳= o 3 ( 厶一) 。爿 ( 1 4 ) 式中r 。一一管桩桩身竖向承载力设计值； 厶一一管桩离心混凝土抗压强度：对c 6 0 的p c 桩，取厶= 6 0 m p a ；对c 7 0 的p c 桩，取厶= 7 0 m p a ：对p h c 桩，取取允= 8 0 m p a 。 q 。管桩桩身有效应力；当管桩产品说明书上未列出咋。，可以取2 5 m p a 。 a 一一管桩桩身有效横截面积。 该式与( 1 1 ) 不同点就是将式中的o 2 5 提高为o 3 ，这是综合考虑桩的耐打 性及在锤击作用下的强度损失等因素提出的限制指标，相当于安全系数。 本文认为采用静压法施工时，管桩的桩身强度损失很少，强度限制指标可适 当提高，可取0 3 5 。 由式( 1 4 ) 计算得出常用的几种管桩的桩身竖向承载力设计值见表1 2 。 表1 2 常用管桩的桩身竖向承载力设计值 t a b1 - 2d e s i g nb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i i eb o d yi nc o m m o nu s e 锤击桩桩身竖向静压桩桩身竖向 外径d ( m m )壁厚t ( m m ) 型号承载力设计值承载力设计值 ( k n ) ( k n ) a 1 1 5 3 2 21 3 4 5 4 2 a b 1 1 2 2 - 8 7 1 3 1 0 0 1 3 0 07 0 b1 0 9 2 5 2】2 7 4 6 1 c 1 0 6 2 1 7 1 2 3 9 2 0 a1 9 9 8 4 3 2 3 3 1 5 0 a b1 9 4 5 8 42 2 7 0 1 5 4 0 09 0 b1 8 9 3 2 52 2 0 8 7 9 c1 8 4 0 6 62 1 4 7 4 4 a 2 1 4 8 8 5 2 5 0 6 9 9 a b2 0 9 2 3 0 2 4 4 l _ 0 2 4 0 01 0 0 b2 0 3 5 7 52 3 7 5 0 4 c1 9 7 9 2 02 3 0 9 0 7 a2 8 6 5 1 33 3 4 2 6 5 a b2 7 8 9 7 3 3 2 5 4 6 9 5 0 01 0 0 b2 7 1 4 3 4 3 1 6 6 7 3 c2 6 3 8 9 43 0 7 8 7 6 a3 3 5 7 5 83 9 1 7 1 7 a b3 2 6 9 2 23 8 1 4 0 9 5 0 01 2 5 b3 1 8 0 8 63 7 1 1 0 l c3 0 9 2 5 13 6 0 7 9 2 a3 8 6 0 7 7 4 5 0 4 2 3 a b 3 7 5 9 1 74 3 8 5 6 9 6 0 01 l o b3 6 5 7 5 74 2 6 7 1 6 c3 5 5 5 9 74 1 4 8 6 3 9 广东丁业大学工学学位论文 在浙江省标准先张法预应力混凝土管桩9 9 浙g 2 2 中 算应满足下式： ! 孙( o 8 厶一o 5 4 盯，) 4 式中 如一一单桩竖向极限承载力标准值( k n ) ： 厶一一混凝土轴心抗压强度标准值； 盯。一一桩身截面混凝土有效预加应力； a 一一桩身横截面面积。 ( 2 ) 按照地基基础规范提供的经验公式： r k = q “a p 七h q m l 。 式中见一一管桩竖向承载力标准值； g 。一一桩端土的端承力标准值； q 。一一桩侧第i 段摩擦力标准值 “一一周身周长； 三一一第i 段土层厚度 ( 3 ) 按照广东省管桩基础技术规程提供的计算公式： q = p q 女a p + h ： 。q m l 。 式中 线一一管桩竖向极限承载力标准值； g 。一一桩端土的极限端承力标准值； 吼。一一桩侧第i 段极限摩擦力标准值； 彘一一第i 段土层桩侧阻力修正系数； 亭。一一桩端阻力修正系数。 ( 4 ) 按照广东省静压桩基础技术规程提供的计算公式： r = ( q 肚爿，+ “g ，。厶) 式中 心一一静压桩承载力修正系数； 其余参数同式( 1 6 ) 对额定承载力的计 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 5 ) 经验公式 随着预应力管桩在国内的广泛应用，许多学者和工程技术人员，在静载荷试 验、高应变动测基础上，结合实际工程经验，归纳出很多经验公式，并在实践中 起到了很好的指导作用。 l o 第一章绪论 王离”根据他多年的施工经验，以及多根试桩结果的反算，提出一个估算桩 尖进入强风化岩层的预应力管桩单桩竖向承载力标准值的经验公式： r = 1 0 0 脚+ “g 。厶 ( 1 9 ) 式中n 一一桩端处强风化岩的标贯值： q 一一桩周土摩擦力标准值。 其余参数同式( 1 6 ) 该公式的适用范围： ( a ) 管桩桩尖必须进入n 5 0 的强风化岩层，当n 6 0 时，取n = 6 0 。 ( b ) 当计算出来的r k 大于桩身额定承载力时，取r k 等于额定承载力。 宋建军“4 1 对淤泥地区，桩端持力层为硬塑风化残积土，锤击式预应力管桩 单桩竖向承载力进行了研究，当持力层土的标贯值n 3 0 时，在外力冲击波和动 应力作用下，桩尖附近的残积土发生剧烈的挤压加固作用，其地基承载力几乎达 到强风化岩的水平。通过对大量静载荷试验数据的归纳和总结，宋建军提出了以 下经验公式： 蜀= ( 1 5 0 埤+ “g ：) + “g 。厶 ( 1 1 0 ) 式中n 桩端处风化残积土的标贯值； g ：一一风化残积土桩周土摩擦力标准值，经反算，取值8 0 k p a 。 一一管桩进入风化残积土持力层的桩长。 其余参数同式( 1 6 ) 蓝星育等人”对格氏打桩公式中的系数s 做了修正，并定义为土的恢复系数， 给出了s 的代表值及其相应的阻力系数u 值。经改进的公式用于预应力管桩，效果 较原公式更好。 蔡长庚“6 1 对管桩单桩竖向承载力的确定进行了分析，提出了以下几种方法： ( 1 ) 通过现场静载荷试验确定。( 2 ) 按桩身额定强度确定。( 3 ) 利用经验公式进行估 算。( 4 ) 用p d a 打桩分析仪实测确定。 张忠苗“7 1 对预应力管桩进行了大量的测试和理论研究。从预应力管桩的静载 试验结果与用经验公式计算结果比较发现：绝大多数桩的静载试验所得单桩竖向 承载力要大于现行规范经验公式计算所得得极限承载力，特别是打在硬土层中得 短桩差值就更大，其分析得机理与宋建军相同。但打在高敏度高含水量得淤泥质 土中，承载力则有可能由于挤土效应而降低。 广东丁业大学工学学位论文 目前，关于管桩竖向承载力计算公式大部分是针对锤击式管桩研究确定的， 专门针对静压管桩的承载力经验公式比较少。 1 3 本文所做的主要工作 对静压管桩在典型地质条件下的工程特性研究，本文的工作主要包括以下几 方面： ( 1 )在阅读大量相关文献资料的基础上，了解和掌握预应力管桩的研究和工 程应用现状，并分析其发展趋势，针对典型地质条件的静压管桩，提出 了本文要研究的问题； ( 2 )对预应力管桩和静压管桩进行简单介绍，通过对收集到的近几年广东地 区静压管桩静载试验资料的统计分析，得出一些典型地质条件下静压管 桩工程应用特点和规律； ( 3 ) 在前人对静压桩理论研究的基础上，介绍了典型地质条件下静压管桩的 压桩机理，并对压桩过程进行力学分析；提出一种基于球形孔扩张理论 的压桩力估算方法，并进行算例分析；对静压管桩终压力与竖向极限承 载力进行探讨，介绍广东地区对两者关系的研究情况。 j ( 4 )在总结桩基承载机理的基础上，对静压管桩的承载特性进行探讨。针对 典型地质下使用的静压管桩的荷载沉降特点及原因进行分析。对典型 地质条件下的静压管桩q s 曲线进行拟合，通过q s 曲线外推单桩极限 承载力。 ( 5 )通过f l a c 软件对静压管桩的荷载传递进行数值模拟，进一步了解静压 管桩的承载机理；对典型地质条件下静压管桩的静载试验进行模拟，与 实测的q s 进行比较分析。 ( 6 )总结本研究的主要成果，指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的 展望与设想。 第二章静压管桩在典型地质条件下工程应用统计分析 第二章静压管桩在典型地质条件下工程应用统计分析 2 1 预应力管桩简介 2 1 1 预应力管桩的制作 预应力混凝土管桩( 先张法) 是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一 种空心圆筒体混凝土预制构件，其生产制作工艺基本包括混凝土制备( 图2 1 ) 、 钢筋笼制作( 图2 2 ) 、布料入模( 图2 3 ) 、预应力张拉( 图2 4 ) 、离心成型( 图 2 5 ) 、常压蒸养( 图2 6 ) 或者高压蒸养( 图2 7 ) 等六大环节，制作工艺流程图 见图2 9 “。 图2 1 混凝土制备 f i g 2 lc o n f c c “n gc o n c r e t e 图2 2 钢筋笼制作 f i 9 2 - 2m a k i n gc a g eo fs t e e l 图2 3 布料入模图 f i g 2 - 3p u t t i n gc o n c r e t et om o d e l 图2 4 预应力张拉 f i 9 2 4p r e - t e n s i o n 广东t 业大学工学硕士学位论文 图2 5 离心成型 f i g 2 5s p u nt om o l d i n g 图2 7 高压蒸养 图2 6 常压蒸养 f i g 2 - 6c o m m o np r e s s u r ec o n s e r v e s 图2 8 成品堆放 f i g 2 7h i g hp r e s s u r ec o n s e r v e sf i g 2 - 8p r o d u c tp i l eu p f i g ，2 - 9m a n u f a c t u r ep r o c e s so fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e - p 订e 1 4 第二章静压管桩在典型地质条件下工程应用统计分析 2 1 2 预应力管桩的构造 预应力管桩主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成( 见图2 1 0 ) ，桩与 桩连接还有接头，底桩还有桩尖( 靴) 。 图2 1 0 预应力管桩构造不意图 f i g 2 - 1 0c o n s t i t u t i o no f p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e - p i l e 管桩的接头，主要有法兰盘螺栓联结法、端头板电焊联结法和机械快速接头 法。法兰盘螺栓联结法过去有个别厂的产品采用，现在已经几乎全部不用。端头 板电焊联结法现在用得最多，它是在桩对接时，通过对端板外缘一周所留的坡口 进行烧焊来连接的。试验表明，只要焊缝连续饱满，接头处的极限弯矩大予该桩 桩身的极限弯矩。但实际上电焊接头受到人为的因素影响比较多，焊接不好接头 处就容易出问题。现在广东地区正在着手推广使用机械快速接头，这种接头受到 人为因素影响少，施工快速，抗弯和抗拨性能都比较好。 管桩桩尖的形式主要有十字型、圆锥型和开口型。前两种属于闭口型。穿越 砂层时，开口型和圆锥型比十字型好。开口型桩尖一般用在入土深度为4 0 m 以上 且桩径 5 0 0 哪的管桩工程中，成桩后桩身下部约有l 3 l 2 桩长的内腔被土体 充塞，挤土作用可以大大减少。闭口桩尖成桩后，内腔可一目了然，对桩身质量 及长度可用目测法检查，这是其他桩型所没有的。十字型桩尖加工容易，价钱便 甚 黼唾 广东工业大学工学硕士学位论文 宜，破岩能力强，故被广泛应用，目前广东约9 0 以上的管桩均采用十字型桩尖。 管桩规程修编讨论建议：直径不大于6 0 0 的管桩，一般情况下，均应采用十字型 桩尖。理由：充分发挥管桩桩身空心的特色，成桩后，可用目测或灯光照射对桩 身质量进行检测，并可直接测量桩的入土深度。 2 1 3 预应力管桩的分类“9 1 按桩身混凝土强度等级可分为： 预应力混凝土管桩( 代号p c 桩) 和预应力高强混凝土管桩( 代号p h c 桩) 。前者 强度等级不低于c 6 0 ，后者不低于c 8 0 。p c 桩一般采用常压蒸汽养护，脱模后移入 水池再泡水养护，一般要经2 8 d 才能使用；而p h c 桩，一般脱模后要进高压釜经 l o 个大气压、1 8 0 左右的高温高压蒸汽养护，混凝土强度等级可达c 8 0 ，从成型 到使用的最短时间只需三、四天。 2 管桩按外径可分为： 3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 、8 0 0 和1 0 0 0 ( m m ) 等规格。常用管桩 外径有：3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 ( m m ) 。 3 管桩桩身抗弯性能或者混凝土的有效预压应力值的大小可分为： a 型、a b 型、b 型、c 型。a 型的有效预压应力值约为4 o m p a ，a b 型为6 o m p a 左右，b 型约为8 o m p a ，c 型约为8 o m p a 。只要桩身有4 0 5 0 m p a 的有效预压 应力，打桩时桩身混凝土一般就不会出现横向裂缝，所以，对于一般的建筑工程， 选用a 类或a b 类型桩就可以了。 4 按外观质量及尺寸偏差可分为： 优等品和合格品。( 广东省规程修编意见) 2 1 4 预应力管桩的特点” 2 1 4 1 预应力管桩的优缺点 1 优点 ( 1 ) 单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 c 8 0 之间，桩 身强度高，并可打入密实的砂层及强风化岩层，桩尖进入强风化岩层或密实的砂 第二章静压管桩在典型地质条件下工程应用统计分析 层后，经过剧烈的挤压，桩尖附近的强风化岩层或密实的砂层已不是原来的状态， 桩端承载力可比原状提高8 0 1 0 0 ，所以管桩的设计承载力比同样直径的沉管 灌注桩和钻( 冲) 孔灌注桩取得高，如m 5 0 0 1 0 0 管桩，最高设计承强力用到2 7 0 0 k n ， 相当于巾6 0 0 和巾7 0 0 的钻( 冲) 孔灌注桩。 ( 2 ) 设计选用范围广。由于管桩外径规格多，单桩承载力可从6 0 0 k n 开始直 到4 5 0 0 k n ，既适用于多层建筑，也适用于5 0 层以下的高层建筑。在同一建筑物中， 还可采用不同直径的管桩，容易解决布桩问题，也可充分发挥每根桩的承载能力， 使桩基沉降均匀。 ( 3 ) 对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性较强。因为管桩桩长可以有 不同的规格，搭配较灵活。 ( 4 ) 单位承裁力造价便宜。管桩每米造价比沉管灌注桩贵，但单桩承载力高； 管桩单方混凝土造价比挖孔桩、钻孔桩高，但持力层比挖孔桩钻孔桩浅，所以每 吨承载力造价在一般情况下是最便宜的。 ( 5 ) 运输吊装方便，接桩快捷。 ( 6 ) 成桩长度不受施工机械的限制。管桩的长度，短者5 6 m ，长者6 0 7 0 m ， 据地质条件灵活搭配。 ( 7 ) 旌工速度快、工效高、工期短。尤其是p h c 桩，从生产到使用的最短时 间只需三四天：一栋2 3 万m 2 建筑面积的高层建筑，一个月左右便可打完桩；两 三个星期便可测试检查完毕。 ( 8 ) 桩身耐打，穿透力强。因为管桩桩身强度高，加上有一定的预压应力， 桩身可承受重型柴油锤成百上千次的锤击而不破裂，而且可穿透5 6 m 厚的密实 砂夹层，从目前应用情况来看，如果设计合理，旋工收锤标准定得恰当，管桩施 打的破损率一般不会超过l ，有的工地甚至没有一根桩被打坏。 ( 9 ) 施工文明，现场整洁。 ( 1 0 ) 成桩质量可靠。管桩是工厂化生产，桩身质量可靠，加上耐打性好， 只要按施工要点认真操作，成桩质量在各种桩基中是最可靠的。 ( 1 1 ) 监理检测方便。尤其是采用闭口桩尖，桩长和桩身质量可用肉眼等直 接手段进行监测，深得业主放心，也可减轻监理工作强度。 2 缺点和局限性 ( 1 ) 所需的旌工机械设备投资大。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 用柴油机施打管桩时，噪音大，震动剧烈，挤土量大，会造成一定的环 境污染和影响；采用静压法施工，虽无震动、无噪音，但是挤土作用仍然存在。 ( 3 ) 由于送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去的余桩较多；使用静压法施 工可以加大送桩深度，减少余桩。 ( 4 ) 有些地质条件是不宜应用预应力管桩。 2 1 4 2 不宜用管桩的地质条件 1 对锤击桩而言，除纯摩擦桩外，管桩基础宜用于桩端持力层为强风化岩层、 全风化岩层，坚硬粘性土层，密实卵石、碎石和圆砾、角砾土、砂土、粉土层等 场地，下列