（土木工程专业论文）后张预制抗拔方桩技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，工程抗拔桩普遍采用的普通灌注桩，其抗裂性较差，为了控制混凝 土裂缝宽度，要加大截面配筋率，而桩身强度却有很多富余，很不经济。另外 普通灌注桩还具有相同截面积的圆桩提供的侧摩阻力比方桩小、桩侧摩阻力易 退化、污染环境、工期长、不利于冬季施工等缺点。 为了克服普通灌注桩抗裂性差等诸多缺点，人们在抗拔桩工程中进行了许 多尝试。有人进行了用管桩作为抗拔桩的尝试，取得了一定的效果，但也发现 了管桩作为抗拔桩具有对裂缝敏感、圆桩侧阻力较小、其光滑表面提供的桩侧 摩阻力小、接桩处薄弱及桩顶与承台连接不易处理等缺点。也有人尝试在灌注 桩中施加预应力，从而提高其作为抗拔桩的抗裂性。但是灌注桩的其他缺点仍 然存在，而且在灌注桩中采用预应力，也增加了施工难度。 结合工程抗拔桩的现状，本研究考虑采取预应力预制方桩作为抗拔桩，以 有效控制截面裂缝，并充分利用预制方桩施工带来的一系列优势。由于先张预 制方桩需要专用台座，且其接桩以及桩、承台间连接仍然不可靠，所以本课题 的研究对象定为后张预制实心方桩。后张预制抗拔方桩截面配筋可同时满足强 度和抗裂要求，而且其接桩可靠，施工操作简便。目前无论是先张、还是后张 预制方桩都没有在抗拔桩工程中得到应用。本研究利用某工程场地进行后张预 制抗拔桩实践并进行静载试验，研究其受力性能和抗裂性能。本文阐明了后张 预制方桩作为抗拔桩在技术上的可行性和经济上的优越性，创立一套后张预制 方桩作为抗拔桩的成套技术并申请相应的“后张预制抗拔方桩 专利。 关键词：后张预制方桩，抗拔桩，承载力，抗裂性，技术经济分析 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，r e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e so f t e nb eu s e da su p l i f tp i l e s ，b u ti t s c r a c kr e s i s t a n c ei sb a d l y , i no r d e rt oc o n t r o lt h ew i d t ho fc o n c r e t ec r a c k s ，i ti s n e c e s s a r yt oi n c r e a s et h er a t i oo fc r o s s s e c t i o nr e i n f o r c e m e n t ，a n da tt h es a m e t i m et h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ep i l ei se x c e s s i v e l yg r e a t e rt h a nn e e d e d ，a n di t s u n e c o n o m i c a n o t h e r , r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e s a l s oh a ss o m eo t h e r d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea r o u n dt h ec i r c u l a rp i l ei sl e s sa n d d e g e n e r a t ee a s i l yt h a nt h es q u a r e dp i l e ，a n dt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e sm a k e a g a i n s te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h et i m eo ft h ec o n s t r u c t i o n , w i n t e rc o n s t r u c t i o n ， e t c i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e s ，m a n y t e s t sw e r ec a r r i e do u to nu p l i f tp i l e s ，a n ds o m ee f f e c t sw e r ea c h i e v e d ，b u tp e o p l e a l s of o u n dt h a tw h e nu s e da su p l i f tp i l e s ，p i p ep i l eh a sm a n yo t h e rd i s a d v a n t a g e s ， s u c ha si ti ss e n s i t i v et oc r a c k s ，t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea r o u n dt h ec i r c u l a rp i l ei s a l s os m a l l e r , s m o o t hs u r f a c eo ft h ep i l e sp r o v i d el e s sf r i c t i o n a lr e s i s t a n c e ，t h e j o i n tb e t w e e nt h eu p p e rp i l ea n dl o w e rp i l ei sw e a k ，a n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t h ep i l ec a pa n dt h ec u s h i o nc a pi sd i f f i c u l tt od e a lw i t h s o m e o n ea l s ot r i e dt o a p p l yp r e s t r e s si nr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e st oe n h a n c et h ec r a c kr e s i s t a n c e b u t t h eo t h e rd i s a d v a n t a g e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e se x i s ts t i l l ，a n du s i n gp r e s t r e s s i nr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e si n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo fc o n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fu p l i f tp i l e s ，t h i sa r t i c l et a k ep r e s t r e s s e d p r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e sa su p l i f tp i l et oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ec r a c k s ，a n d m a k ef u l lu s eo fp r e c a s ts q u a r e dp i l e st o b r i n gas e r i e s o fa d v a n t a g e s ， p r e t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e sn e e ds p e c i a lp e d e s t a l ，a n dt h ej o i n t b e t w e e nt h eu p p e r p i l ea n dl o w e rp i l e ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep i l ec a pa n d t h ec u s h i o nc a pa r es t i l ln o tr e l i a b l e ，s ot h eo b j e c to fs t u d ys u b j e c ti d e n t i f i e da s p o s t t e n s i o n e dp r e c a s ts o l i ds q u a r ep i l e s 1 1 1 er a t i oo fc r o s s s e c t i o nr e i n f o r c e m e n t i np o s t t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft e n s i l e a b s t r a c t s t r e n g t ha n dc r a c kr e s i s t a n c ee q u a l l y , t h ej o i n tb e t w e e nt h eu p p e rp i l ea n dl o w e r p i l ei sr e l i a b l e ，a n dt h ec o n s t r u c t i o ni se a s yt oo p e r a t e a tp r e s e n t ，n e i t h e r p r e t e n s i o n e dn o rp o s t - t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e sh a sb e e na p p l i e da s u p l i f tp i l e s i nt h i sp a p e r , t h ep o s t - t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e du p l i f ts q u a r e dp i l e s w e r ep u ti n t op r a c t i c eo nap r o je c ts i t ea n das t a t i ct e s tw a sd o n e ，i t sm e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dt h ec r a c kr e s i s t a n c ew e r er e s e a r c h e d ，t h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n d e c o n o m i cs u p e r i o r i t yo fa p p l i n gp o s t t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e sa s u p l i f tp i l ei sa p p r o v e d ，aw h o l et e c h n i ca b o u tt h ep o s t t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e d s q u a r e dp i l eu s i n ga su p l i f tp i l ei sa c h i e v e d ，a n d t h ep o s t t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e d u p l i f ts q u a r e dp i l e s ”p a t e n tw a sa p p l i e d k e yw o r d s ：p o s t t e n s i o n e dp r e f a b r i c a t e ds q u a r e dp i l e s ，u p l i f tp i l e s ，c a r r y i n gc a p a c i t y , c r a c kr e s i s t a n c e ，t e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i s i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：压殿雨 p 7 年弓月i 了日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：压强雨 o q 年3 月琴日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 当前采用的抗拔桩及其局限 ( 1 ) 普通钢筋混凝土灌注桩 普通钢筋混凝土灌注桩是目前工程抗拔桩采用最多的桩型，该桩型施工简 便，但也有很多缺点，详细叙述如下： 1 ) 抗裂性差u 1 由于混凝土抗压能力强而抗拉能力弱，抗拔桩受力后会早早出现裂缝，随 着裂缝的发展，混凝土逐渐退出工作，全部拉力主要由钢筋承受。而抗拔桩处 于地下，周围有土体和地下水等，混凝土开裂会导致钢筋受水和化学有害物质 地侵蚀，大大影响了抗拔桩甚至整个结构的耐久性。因此提高抗拔桩的抗裂性 能十分重要，设计规范规定抗拔桩的最大裂缝宽度不得大于0 2 m m 。如果采用普 通钢筋混凝土桩作为抗拔桩，为了控制混凝土裂缝宽度，就要大大加大截面配 筋率，很不经济。 2 ) 钻孔桩的侧摩阻力较易退化 随着地下水位的升降，地下室工况将发生交替变化，桩的受力方式也随之 发生改变。对地下室工程桩而言，桩的侧摩阻力并非定值，存在退化效应，当 地下水位低于某临界水位时，桩或桩端土处于受压状态，并产生压缩变形，桩 周土受到向下的剪力；反之，桩处于受拉状态，产生拉伸变形，桩周土受到向 上的剪力，多次反复之后，桩周土受到重塑，抗剪强度逐步降低，桩土接触面 粗糙程度下降，从而导致桩周土对桩的侧摩阻力减弱，抗拔力降低。 与预制桩相比，一方面，钻孔桩的桩身刚度较弱；另一方面，因受施工工 艺影响，钻孔桩桩底常残留沉渣，桩侧常形成泥皮。所以，在相同压力作用下， 钻孔桩桩身变形量及桩端土的沉降量较大，桩土间产生的相对位移较大，在桩 的受力变化过程中，钻孔桩的桩周土受重塑的程度更严重，桩土界面的粗糙程 度要下降得更快，桩周土对桩的侧摩阻力更易退化。 另外混凝土灌注桩还有相同截面积的圆桩提供的单桩承载力比方形截面桩 低、易污染环境、工期长、不利于冬季施工等缺点。 第1 章引言 ( 2 ) 预应力钢筋混凝土灌注桩 为了解决普通钢筋混凝土桩作为抗拔桩对混凝土裂缝控制不利的问题，有 人尝试在灌注桩中施加一定的预应力，从而提高抗拔桩的抗裂性。但是灌注桩 作为抗拔桩的其他缺点仍然存在，而且在灌注桩中采用后张预应力技术，也增 加了施工难度。 ( 3 ) 预应力混凝土管桩 预应力混凝土管桩在工程抗拔桩中的应用一直争议很大，因为其具有如下 缺点乜】： 1 ) 对裂缝敏感 预应力管桩壁厚较薄，预应力纵向主筋直径小( 常用直径为7 1 1 0 7 m m ) ， 一旦桩身出现裂缝，钢筋锈蚀将对抗拔桩的耐久性造成重大威胁，在抗拔桩工 程应用时，不允许桩身混凝土出现裂缝。 2 ) 造价比较高 高标号混凝土造价高。 3 ) 截面形式的局限 在相同截面积的情况下，圆形截面的周长小于方形截面，而抗拔桩主要靠 周边摩阻力来抵抗拉力，因此圆桩提供的单桩承载力比方形截面低。 4 ) 表面粗糙程度的影响 p h c 桩的混凝土经离心生产，高压蒸养，表面很光滑。有试验证明，粗糙表 面桩的抗拔极限承载力大于光滑表面桩的1 7 倍，因而认为p h c 桩的抗拔承载 力低。 5 ) 接桩薄弱及桩顶与承台连接不易处理 传统的焊接接桩工艺不能满足抗拔桩的使用要求，接桩时应采取相应措施。 而且抗拔管桩施工中，桩顶标高不易控制准确，难免发生截桩的情况，截桩时， 桩顶预应力损失殆尽，减小了抗拔承载力。 管桩离心生产中，孔内壁往往存在浮浆，单纯依靠孔内插筋并浇注混凝土 的方法来实现抗拔功能，由于混凝土与管内壁的抗拔力离散性较大( 根据浙江 等地的试验结果，其锚结力仅能达到2 5 0 k p a 左右) 口1 ，管芯插筋及浇注混凝土 的长度往往很大。 ( 4 ) 普通预制方桩 相同截面积的方桩提供的单桩承载力比圆形截面高，而且预制桩施工可以 避免灌注桩施工的很多缺点，但是普通预制桩方桩的抗裂性依然很差，接桩以 2 第l 章引言 及桩与承台连接依然4 i 可靠。 1 2 后张预制方桩作为抗拔桩的设想及需要解决的问题 ( 1 ) 设想 针对普通灌注桩、预应力灌注桩、管桩、普通预制方桩等作为抗拔桩应用 的相应缺点，考虑采用预应力预制方桩作为抗拔桩，以解决目前所用的各种形 式抗拔桩所存在的诸多问题。 采取预应力预制方桩作为抗拔桩可有效控制截面裂缝，并能充分利用预制 方桩施工带来的一系列优势。预应力施加有先张和后张两种方法，比起后张预 制方桩来说，先张预制方桩需要施加预应力所用的台座，且先张预制抗拔桩的 接桩以及桩、承台间连接仍然不可靠，所以本课题的研究对象确定为后张预制 实心方桩， ( 2 ) 拟解决的问题 本文研究后张预制方桩作为抗拔桩的受力性能和抗裂性能，研究其承载力 的变化、桩经济性分析以及在施工l + l 的可行性，并创立一套后张预制桩作为抗 拔桩的成套技术。需要解决的问题有： 1 ) 后张预制抗拔桩的抗拔承载力和抗裂计算。 2 ) 后张预制抗拔桩桩体设计。 3 ) 预应力部分设计及施工工艺。 4 ) 接桩及桩顶与承台连接处理。 5 ) 后张预制抗拔桩各截面轴力及桩侧摩阻力分布情况研究。 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 2 1 当前抗拔桩作用机理研究情况 从抗拔桩本身构造来看，主要分等截面直桩和非等截面桩( 主要是扩底桩) 。 等截面桩有打入、压入、钻孔灌注混凝土等方式，非等截面桩则有拧入式、螺 旋式( 包括螺旋锚桩) 、机扩、爆扩和掏挖孔后再灌注混凝土等形式。等截面直 桩主要依靠侧摩阻力提供抗拔力，而扩底桩除了侧摩阻力，还有一部分由底部 扩大头提供的端阻力，但同承受压力的扩底桩一样，由于这两部分阻力发挥往 往不同步，在桩体位移较小时，端阻力不一定能够发挥出来。因为抗拔桩工程 中主要是等截面抗拔直桩，所以本文主要以等截面直桩为研究对象。 2 1 1 等截面抗拔桩的破坏形式及承载力 ( 1 ) 破坏形式h 。 抗拔桩的破坏形态和诸多因素有关，大致分为如下几种基本类型： 1 ) 沿接触面剪切破坏，如图2 1 a 所示，抗拔桩周边表面与土体的粘结力 不够，沿桩与土侧壁界面剪切破坏，破裂面出现在桩体与土体的交界面处，桩 体被徐徐拔出。 2 ) 与桩长等高的倒圆锥台剪切破坏，如图2 1 b 所示，因土层的物理特性 较好，能够很好的与桩体粘结在一起，呈倒锥型剪切破坏，破裂面出现在土体 中，在抗拔桩桩端周边小范围地面会出现隆起。 3 ) 复合剪切破坏1 ：即桩的下部沿桩一土侧壁界而剪破，而上部的局部深 度内土体中形成斜向裂面或曲线型裂面剪破，如图2 1 c 所示，因桩体上部分的 土层物理特性较好，而桩体下部分的土层物理特性较差，致使桩体下部分与下 部土层粘结性能较差，桩体上部分与土体的粘结强度却很大，在这种情况下， 很容易出现桩的下部分沿桩一土界面剪切破坏，而桩的上部却呈倒锥体剪切破 坏的复合型剪切破坏。 4 ) 复合剪切破坏2 ：呈弧形的倒锥形土体与桩体粘结在一起，与桩体同时 向上位移，如图2 1 d 所示，该种破坏情况介于复合剪切面剪破1 和倒圆锥台剪 4 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 破之间。 、厂 现 筋 ( a )( b )( c )( d )( e ) 图2 1 抗拔桩破坏形态图 5 ) 因桩体钢筋配筋不够致使桩身强度不够，桩身被拉断，如图2 1 d 所 不。 一般比较常见的破坏形态是a 及c 所示的两种破坏类型，因为桩体与土体 的交界面是比较薄弱的，破裂面最容易先在桩体与土体交界面处产生；而在土 体与桩体的粘结很牢固的情况下，女i i 抗拔桩嵌固在岩石中，并嵌固一定的长度 的情况下，抗拔桩受力发生破坏时则容易发生e 所示的破坏类型，不过此乖| ，破 坏情况可以通过增大钢筋的配筋率来得到控制，所以在工程界一般很少出现该 种破坏类型；至于破坏类型b 和d ，一般只有在短粗灌注抗拔桩才可能出现完整 通长的沿土体破坏，而在工程上一般很少采用短而粗的抗拔桩，这种抗拔桩的 抗拔能力有限，从工程造价上考虑，这种抗拔桩很不经济。 ( 2 ) 抗拔桩的承载力研究 对于抗拔承载力问题，是目前研究者研究探讨最多的问题。b a l l a ( 1 9 6 1 ) 以及m e y e r h o f 和a d a m s ( 1 9 6 8 ) 开始考虑这一问题，并提出了抗拔桩的极限抗 拔承载力。研究表明，等截面桩上拔时的破坏形态与桩的长径比( l d ) 有关， 对于短桩( l d 2 0 ) 则主要呈 现为沿接触面剪切破坏面；对于中长桩( 1 0 l d 2 0 ) 则介于前两者之间，即呈 现为复合剪切破坏面。可依据不同的破坏形状计算出各自相对应的极限抗拔力， 有研究者建议采用描述抗拔桩破裂面形状的参数方程，并且证明前者假设的几 种可能的破裂面均为其建议的破裂面的特例，提出了一个用于承载力计算的极 5 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 值原理。还有研究者指出，桩的泊松比对桩的承载力有影响，而且二者成一定 的函数关系，并提出了一个相应的经验关系式。饽1 此外，众多工程人员通过实际工程，对抗拔桩的设计问题进行了大量研究 工作，并依据不同条件或是某一具体工程来确定相应土体中桩的抗拔承载力， 如：依据桩身强度；依据大应变动测结果；依据钢筋混凝土构件的抗裂度计算 等。其中还有利用数值仿真方法来研究抗拔桩的承载性能，即利用a n s y s 有限 元程序对大直径预应力锚索桩进行有限元分析，并提出了数值计算方法用于求 解抗拔桩承载力问题有较大的实用价值和町靠性的论点。 2 1 2 等截面抗拔桩受力机理 ( 1 ) 抗拔桩的荷载传递与抗拔机理 桩基础的受力机理实质就是桩与桩周土组成的桩土系统内相互作用，共 同完成荷载传递这一过程。国内外研究者通过进行一系列的拔桩试验，并结合 实际工程，提出了抗拔桩的荷载传递方式1 。即：当桩顶荷载较小时，桩与桩周 土之间紧密接触，这时桩土之间无相对位移；随着荷载的不断增加，桩体的向 上位移促使桩周土也产生向上的位移，同时桩周土体又带动周围远处的土体产 生向上位移，这样就使得桩周土体之间产生剪切变形；随着荷载的继续增加， 桩体位移和桩周土位移不断增加，当某一土层的剪切变形超过了极限后，这一 土层就与桩周土之间产生相对位移；而当桩周土体的剪切变形均超过极限时， 桩与土之间的相对位移就迅速增加，从而桩被整根拔起。 由此可见，等截面桩承受上拔荷载时，桩身将荷载传递到周同土体上的规 律与抗压桩的规律相似，但又有所不同。在桩端，抗压桩为持力层，而抗拔桩 则为自由空间，这样抗压桩的承载力的组成中就多了桩端承载力，而抗拔桩则 没有桩端承载力，但抗拔桩在桩底部却存在真空吸引力，只是这部分吸引力在 总的抗拔承载力中所占比例不大，而且往往在受荷后期可能会消失，因而这部 分吸引力并不计入桩的承载力中；此外抗压桩在受压时，由于桩身的弹性压缩 而引起桩身的侧向膨胀使桩周土体被挤紧，这使桩土界面上的摩阻力趋于增加， 而抗拔桩在拉伸荷载作用下，桩身截面有收缩的趋势，造成了桩土界面上的摩 阻力减小；同时二者在桩侧摩阻力的方向上也是完全相反的。抗拔桩与抗压桩 在荷载传递方式上的不同，造成了二者在受荷机理及承载性能等方面的差异。 6 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 尽管目前人们己明确了抗拔桩这种荷载传递方式及“越拉越松”盯1 的特性 与抗压桩不同，但还没有确切的定量分析米描述这种不同。虽然人们对桩在上 拔力作用下水平法向应力的计算提出了一个经验公式，但这个公式却不能确切 地表明水平法向应力在桩受到上拔力时的动态变化过程。 由于抗拔桩的抗拔承载力受到桩身材料、桩周表面特性( 即桩土侧肇界 面的几何特征) 和土体的物理特性等条件的限制，与承压桩相比，更具有不确 定性。也就是说，上拔过程中倚载与上拔位移量关系曲线呈明显的峰值，峰后 承载能力急剧下降，大变形时仅仅靠基础本身重量和协同拖带的部分士体重量 平衡上拔荷载，远比峰值抗拔承载力要小的多。等截面桩受上拔荷载时，通过 桩周摩阻力来抵抗上拔荷载。对桩身较长的等截面抗拔桩来讲，受上拔荷载时 其荷载传递机理类似于其受压，所有的应力正负号则与之相反，侧摩阻力的方 向也相反。桩身拉应力开始产生在桩的项部，随着桩项向上位移的增加，桩身 拉应力逐渐向下部扩展，当桩尖部位的桩一土相对滑移量也达到某一定值( 通 常小于6 至l o m m ) 哺3 时，该界而摩阻力己发挥出其极限值。但桩下部的侧摩阻 力还没有充分发挥，随着荷载的增加，发生侧摩阻力峰值的桩土界面不断往下 移动；当达到一定荷载时，桩下部侧摩阻力得到发挥，引起抗拔力增加量等于 桩上部由于过大位移而产生的总侧摩阻力的降低速度时，整个桩身侧壁总摩阻 力也已经达到了峰值，其后桩的抗拔总摩阻力就将逐渐下降。对桩身较短粗的 桩，由于在上拔过程中桩的弹性拉伸量不大，拔荷载达到其峰值只需要相当小 的位移，抗拔能力即告嵌失。另外，抗拔桩的轴向力沿桩深度的分布特点为： 各断面的轴向力沿桩身自上而。卜逐渐减小；当上拔荷载较小时，上部土层与桩 侧间的摩阻力起主要作用，轴向力通过各土层时逐渐减小，在三分之一深度以 内变化梯度明显。随着上拔荷载的增加，下部各土层与桩侧的摩阻力越来越明 显，轴向力通过下部各土层时变化的梯度也就加大。 ( 2 ) 抗拔桩的桩侧摩阻力 人们明确了抗拔桩的荷载传递规律及作用机理，了解到桩的抗拔承载力是 由桩侧抗拔阻力、桩重以及桩底部在桩承受上拔荷载作用时形成的真空吸引力 三部分组成。其中桩的侧阻力是桩的抗拔承载力的主要方面。 抗拔桩的桩侧摩阻力往往与抗压桩的侧摩阻力相比较而提出。对抗拔和抗 压时的桩侧摩阻力，存在着两种观点： 1 ) s a r a c 等( 1 9 7 9 ) ，0 n e i1 1 等( 1 9 8 2 ) ，v e n i c ( 1 9 7 0 ) 、矢岛等( 1 9 9 2 ) 7 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 等人研究表明，两种侧摩阻力相等。饽。 2 ) f e l l e n i u s 等( 1 9 7 6 ) ，b o z o z u k 等( 1 9 7 9 ) ，g i l c h r i s t ( 1 9 8 5 ) 等人提 出抗拔桩侧摩阻力小于受压桩侧摩阻力。u 叫 尽管目前我国抗压、抗拔侧阻力实测资料并不多，但从己有的试验研究成 果以及数值模拟方面来看，对比抗拔桩与抗压桩的荷载传递机理，认为抗拔桩 与抗压桩的桩侧摩阻力也是存在差异的。而且普遍认为在条件完全相同的情况 下，等截面桩的抗拔极限侧阻力要小于抗压极限侧阻力。 对造成抗拔桩侧摩阻力发挥低于抗压桩侧摩阻力发挥的影响因素的分析， 人们也做出了大量工作。有研究者指出1 ：在纵向拉力作用下，桩身的横截面 有缩小的趋势，当桩体材料确定时，其横向变形系数也就随之而确定。所以在 相同的纵向拉应力作用时，桩的横截面越大，其绝对横向收缩量也就越大，桩 土之间的脱离也就越明显。这对于桩侧摩阻力的发挥是极为不利的。这个结论 定性地说明了桩体的泊松比效应对桩侧摩阻力发挥的影响。 也有研究者通过对比抗拔桩与抗压桩，提出桩周土的剪胀性及主应力方向 的旋转是造成抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力差异的两个主要因素。他们认为对 于抗压桩，当桩项受竖向压力时，在桩周一定范围内土体发生剪胀，但实际上 这部分土又没有足够空间允许发生体积的真正增加。那么，实际上是这个范围 的土体的平均主应力，尤其是径向应力增加，用应力增加而压缩的体积去“消 化 体胀，这样土体的剪胀增加了应力。相反，在抗拔桩情况下，桩周十体发 生剪缩而非剪胀，剪缩则靠平均主应力的减小回弹来弥补这部分体积。同时， 他们认为主应力方向旋转能引起体变，从而引起桩周土体中应力场发生变化， 最终造成对桩侧摩阻力的影响。他们定量地分析了桩周土的剪胀性及主应力方 向旋转对桩侧摩阻力的影响，得出了相应的影响系数和侧阻的预测公式。 此外，有研究者还提出影响桩土界面水平应力的因素还有荷载方向及桩体 的泊松比效应。他们指出n 引，在荷载方向上，抗拔桩受上拔力作用，土体的竖 向应力减少从而引起水平应力减少，而抗压桩则反之。在桩体的泊松比效应上， 上拔力使桩体径向收缩，引起水平应力的减小；下压荷载使桩体径向膨胀，引 起水平应力增大。同时，他们还提出抗拔桩与抗压桩的侧摩阻力发挥的特点： 1 ) 抗压桩侧摩阻力的峰值比抗拔桩大，抗拔桩与抗压桩侧摩阻力的比值在 0 6 o 8 之间。 2 ) 某一点的侧摩阻力的发挥与该点在桩上的位置有关。 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 3 ) 抗拔桩、抗压桩的侧摩阻力与桩土相对剪切位移间存在幂函数关系。 最终他们得出结论，认为造成抗拔桩r 卜抗压桩侧摩阻力差异的主要因素有： 荷载方向；桩土界面间的摩擦作用的剪胀( 剪缩) 性能；桩体的泊松比效应； 荷载反向( 主要是指抗拔桩先受压沉桩再承受上拔荷载作用) 引起桩周土体颗 粒重新排列而导致桩土界面摩擦角的变化。 而n i c o l a 明和r a n d o l p h n 们利用有限元模型针对抗拔桩与抗压桩侧摩阻力发 挥进行了对比研究，提出：抗拔桩、抗压桩的侧摩阻力比值与桩的长径比( l d ) ， 桩材料的泊松比、桩十间摩擦角、土的平均剪切模量与桩的弹性模量的比值有 关，并提出一个相应的经验计算式。 尽管目| j i 国内外研究者己对侧摩阻力的几种影响因素进行分析并提出了相 应的影响系数及侧阻的预测公式，但目前所考虑的影响抗拔桩侧摩阻力的因素 并不全面，而且人部分因素的影响都仅局限在定性分析上，还没有明确的定量 的分析。同时，桩受上拔荷载作用发生拉伸变形是一个动态的变化过程，这就 使得土体的侧压力也会随之而不断变化，从而影响到桩侧摩阻力的动态变化。 这种动态变化要如何体现仍需要研究人员进一步探索。 2 2 后张预制抗拔桩作用机理初探及研究方向 2 2 1 后张预制抗拔桩作用机理初探 后张预制方桩作为抗拔桩的着眼点是解决普通钢筋混凝土抗拔桩裂缝不易 控制的问题。根据2 1 对普通钢筋混凝土抗拔桩的受力机理分析，可知普通钢 筋混凝土抗拔桩受力有如下特点： ( 1 ) 抗拔桩所受拉应力，上下不均匀，上部一般比下部大，且上部摩阻力 首先达到极限荷载。即“桩身拉应力开始产生在桩的顶部，随着桩项向上位移 的增加，桩身拉应力逐渐向下部扩展，当桩尖部位的桩一土相对滑移量也达到 某一定值时嵋1 ，该界面摩阻力己发挥出其极限值。但桩下部的侧摩阻力还没有充 分发挥，随着荷载的增加，发生侧摩阻力峰值的桩土界面不断往下移动；当达 到一定荷载时，桩下部侧摩阻力得到发挥引起抗拔力增加量等于桩上部由于过 大位移而产生的总侧摩阻力的降低速度时，整个桩身侧壁总摩阻力也已经达到 了峰值，其后桩的抗拔总摩阻力就将逐渐下降。” 9 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 ( 2 ) 在纵向拉力作用下，抗拔桩桩身的横截面有缩小的趋势，即“越拉越 松”，h 1 侧压力有减小的趋势。 针对普通钢筋混凝土预制桩以上两点受力特点，后张预制抗拔方桩相应的 受力机理如下： ( 1 ) 采用部分粘结预应力抗拔桩，利用桩体下部的粘结体作为上拔力着力 点，桩的上拔力着力点设在桩的中下部，有利于减少桩的轴向力的最大值。 ( 2 ) 预应力桩作为抗拔桩，桩的全截面受预压力作用，在纵向拉力作用下， 正常使用的抗拔桩所受拉力必须首先克服截面预压力，才能使混凝土受拉。实 际工程中，混凝土不受拉( 或受拉力很小) ，桩身横截面不会有缩小的趋势( 或 缩小的趋势很小) ，侧压力也不会有减小的趋势( 或减少的趋势很小) 。 2 2 2 后张预制抗拔桩研究方向 预应力技术在抗拔桩设计和施工中还处于探索阶段，到目前为止还没有学 者提出关于预应力抗拔桩受力机理的完整理论，特别是预应力在永久性抗拔桩 中的变化和随之引起的桩侧土体应力的改变。在预应力抗拔桩的研究上要解决 以下3 大问题。u 副 ( 1 ) 解决永久性抗拔桩桩身混凝土的裂缝问题 钢筋混凝土构件本身是带有微裂缝( 宽度小于肉眼可见裂缝宽度0 0 5 m m ) 的，这些微裂缝是混凝土在凝结硬化过程中产生的，抗拔桩也不例外。抗拔桩 的桩身混凝士在成型过程中，存在着众多的微孔、气泡，结构内部呈不均匀状 态；混凝土中的水泥石和骨料在温湿度变化条件下产生体积变形，而它们又粘 结在一起不能自由变形，于是形成相互间的约束应力，一旦此约束应力大于水 泥石和骨料问的粘结强度，以及水泥石自身的抗拉强度，就产生微裂缝。微裂 缝对混凝土的承重、防渗漏、防腐蚀等使用功能无危害性。抗拔桩在上拔力的 作用下，桩身混凝土呈拉伸状态，导致微裂缝被拉伸后扩展、串通，以致材料 失去强度，结构构件失去承载能力。裂缝宽度是最主要的特征，因为它直接影 响混凝土的抗渗能力，直接影响混凝土对钢筋的保护能力，也即直接影响构件 或结构的耐久性和承载能力。我国现行混凝土结构设计规范( g b5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 ) 口钉中规定在二类环境条件下普通钢筋混凝土结构为0 2 m m 、预应力混凝土结构为 一级要求( 严格不出现裂缝) ；欧洲混凝土委员会和国际预应力协会c e b _ - h p 规 1 0 第2 章后张预制抗拔方桩作用机理 定裂缝限值在一般土中为0 2 m m ，处于侵蚀介质中为0 1 m m ；美国混凝土学会规 定在土壤中为0 3 m m 。对于预应力抗拔桩，建筑桩基技术规范( j g j9 4 2 0 0 8 ) u 引规定预应力桩应按要求不出现裂缝的一、二级裂缝控制等级进行设计。 近年来在工程实践中的预应力抗拔桩，也就是在抗拔桩上施加预应力，其 主要目的之一是解决桩身混凝土裂缝的问题。通过施加在桩身混凝土上的预应 力来抵消抗拔桩在卜拔力作用卜混凝土的拉伸作用力，施加的预应力大小以桩 侧摩# 且力发挥到极限时桩身混凝土基本接近裂缝控制的极限值为宜。预应力抗 拔桩是一种非常复杂的力学体系，其工程设计方法至今仍处于半经验半理论的 状态，目前为止还没有成熟的设计标准。而且，抗拔桩在经受上部结构的拉力 作用时，预应力钢索的不同加载点、粘结段长度不同，对抗拔桩的抗拔承载力 和抗拔桩桩体以及桩体周围土体的变形特性也有着一定的影响。 ( 2 ) 如何最大程度地发挥桩侧土体的摩阻力，提高抗拔桩的承载力 目前很多学者都在研究抗拔桩承载机理，通过对影响抗拔桩侧摩阻力和极 限承载力各种因素的分析研究，提出了一些提高抗拔桩承载力的方法，其中也 有几位研究者提出通过改变桩的上拔力着力点之类的构造措施来提高其抗拔承 载力，但研究还一i 够深入，尤其是对于预应力抗拔桩的设计和施工基本上是无 章可循，因此这种研究思路是很有价值的。 ( 3 ) 解决永久性抗拔桩的预应力的耐久性问题 永久性抗拔桩的使用年限一般都在5 0 年以上，而预应力抗拔桩是基于预应 力保持有效的前提进行设计的。所以在实际工程中，必须要切实解决永久性预 应力抗拔桩的预应力的耐久性，确保在使用年限前能保证预应力的有效性。 第3 章后张预制抗拔方桩设计方法 第3 章后张预制抗拔方桩设计方法 3 1 规范研究 建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) n 哪和建筑桩基技术规范 ( j g j9 4 2 0 0 8 ) n 7 3 对桩基抗拔设计的相应规定都较少，现结合上海市地方规 范对抗拔桩设计规定进行初步研究。 3 1 1 关于抗拔桩承载力的基本概念 目前设计图中关于承载力的描述干差万别，一方面使用过期规范的术语； 另一方面地方规范与国家规范关于承载力的使用不一致，给设计人员及其他相 关人员带来了很多彳i 便。本节对抗拔桩承载力的基本概念进行探讨。口叫 上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j0 8 1 1 1 9 9 9 ) n 卅及建 筑基桩检测技术规程( d gj 0 8 2 1 8 2 0 0 3 ) n 钔中关于抗拔桩承载力的相关概 念： 1 ) 单桩竖向抗拔极限承载力：单桩在竖向( 向上) 荷载作用下达到破坏状 态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。破坏状态指承载能力 极限状态，分为结构破坏及地基破坏。 2 ) 单桩竖向抗拔极限承载力标准值( r k ) ：对实测值通过统计方法进行修正 得到的承载力，可以用规范规定的方法计算。 3 ) 单桩竖向抗拔承载力设计值( 凡) ：p = r jy ，其中y 为桩的抗拔承载力 分项系数。 中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) n 旬 及中华人民共和国行业标准建筑基桩检测技术规范( j g j1 0 6 2 0 0 3 ) 1 中 关于抗拔桩承载力的相关概念和单桩竖向抗拔极限承载力的概念与上海规范基 本一致： i ) 单桩竖向抗拔极限承载力统计值：相当于上海规范的单桩竖向抗拔极限 承载力标准值。 2 ) 单桩竖向抗拔承载力特征值：单位工程同一条件下的单桩竖向极限承载 1 2 第3 章后张预制抗拔方桩设计方法 力统计值的一半。其涵义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。 由以上定义可以得出： 1 ) 单桩竖向抗拔极限承载力、单桩竖向抗拔极限承载力标准值( 凡) 和单 桩烙向抗拔极限承载力统计值三者大致相当。 2 ) 单桩竖向抗拔承载力设计值( r 。) = 单桩竖向抗拔极限承载力标准值( 凡) l 、4 3 ) 单桩竖向抗拔承载力特征值= 单桩竖向抗拔极限承载力统计值2 。 4 ) 单桩怪向抗拔承载力特征值约等于单桩蛏向抗拔承载力设计值( ) 1 2 。 5 ) 单桩竖向抗拔试验的最大加载量= 工程桩单桩竖向抗拔极限承载力+ 工程 桩顶至自然地坪段土层所能发挥的极限抗拔力。 3 1 2 抗拔桩设计的基本原则 根据上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j0 8 1 l 一1 9 9 9 ) n 引， 承受上拨力的桩基应满足： 条件一：作用于单桩的竖向上拔力设计值( n ) 小于等于单桩竖向抗拔承载 力设计值( r 。) 。 条4 - t ：- - ：按轴心受拉构件进行结构承载力验算。 对于条件一： 单桩竖向抗拔承载力设计值( r 。) 宜优先采用现场静载倚试验方法确定，经 单桩竖向抗拔静载荷试验，得到试桩的单桩竖向抗拔极限承载力，进而得到单 桩竖向抗拔极限承载力标准值( r 。) 。 当没有进行桩的竖向抗拔静载试验时，利用地质勘察资料，单桩竖向抗拔 承载力设计值( r 。) 可按有关规范给的公式进行估算。 对于条件二： 轴心受拉构件结构承载力验算是一些设计人员容易忽视之处。抗拔桩桩身 结构的设计除满足有关规范外，还应验算按钢筋强度标准值计算的桩身结构极 限抗拉承载力是否大于按地质勘察资料计算的极限抗拔承载力。如果满足，则 该工程的抗拔桩承载力设计无误；如果不满足，则以钢筋强度标准值计算的抗 拔承载力米确定工程桩的数量，即适当增加桩数以满足基础( 或承台) 上拔力 的要求；也可以增强桩的配筋，即增强桩身结构使极限抗抟强度予以满足，通 第3 章后张预制抗拔方桩设计方法 常以增强配筋的方法比较节约投资。 对工程设计进行校验和对施工工艺能否达到设计要求进行单桩竖拨静载荷 试验时，往往先根据地质勘察资料估算单桩竖向抗拔承载力，并进行布桩。桩 基施工完毕后，在指定的工程桩上进行单桩竖向抗拔静载荷试验，以检测工程 桩单桩竖向抗拔承载力是否满足设计要求。为设计提供工程设计参数为目的进 行单桩抗拨静载荷试验进行试桩，一般情况下均应加载至桩身材料破坏或地基 破坏，然后根据试桩结果对设计参数进行调整。 同时还应根据工程的重要性及地下水的腐蚀性，按正常使用极限状态要求 进行抗裂或裂缝控制的验算。 根据中华人民共和国行业标准建筑基桩检测技术规范( j g j1 0 卜2 0 0 3 ) 幢叫及上海市工程建设规范建筑基桩检测技术规程( d g j0 8 2 1 8 2 0 0 3 ) 9 。： 桩顶上拨荷载达到钢筋强度标准值的0 9 倍时应终止加载，可取某级荷载下抗 拔钢筋断裂时的前一级荷载值为单桩竖向抗拔极限承载力。承载能力极限状态 是指结构或结构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。 因此，在计算桩身结构极限抗拉强度时应采用钢筋的屈服强度即钢筋强度标准 值，而不应采用钢筋的极限抗拉强度。因为，普通钢筋的应力超过屈服强度后 会使材料出现疲劳破坏。 对试桩的单桩竖向抗拔极限承载力根据不同工况有两种取值。如果基坑已 开挖，试桩的单桩峰向抗拔极限承载力也是工程桩的单桩竖向抗拔极限承载力， 此时试桩的选择按随机取样的原则进行。如果在基坑开挖前试桩，试桩的单桩 竖向抗拔极限承载力为工程桩的单桩竖向抗拔极限承载力再加工程桩至自然地 坪段土层所能发挥的抗拔力，测试结果为间接结果。为使设计参数经济合理且 能保证工程质量，建议采用如下方法制作试桩：不妨将试桩分成两部份设计， 即以后作为工程桩使用的部份( 不管是否作为工程桩使用) 和基坑开挖时需