（岩土工程专业论文）铁路桥梁桩基础的承台作用效应研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着我国经济的迅速发展，基础设施的大量兴建，如何节省基础 建设的成本越来越成为一个重要的话题。复合桩基由于其充分考虑了桩间土分 担荷载的作用，减少了用桩数量，因而具有良好的经济效益和广阔的应用前景。 几十年来，国内外的专家学者对这一课题的研究取得了不少成果。但是，在复 合桩基承台作用效应影响因素方面的研究还不够完善，特别是承台厚度及土层 刚度的影响还没有太多的论述。 本文立足于京沪高速铁路重大科技项目高速铁路深厚软土地基中桩基后 压浆技术研究，从复合桩基理论论述出发，分析承台作用效应的影响因素。 利用现场测试的数据分析承台底土的应力分布特征及发挥规律，得出了一些对 后压浆项目有参考价值的结论。之后通过f l a c 3 d 数值模拟分析荷载水平、 桩间距、承台厚度及土层刚度对桩间土分担荷载的影响，为复合桩基的承台作 用效应理论提供有意义的参考意见。 现场测试及数值模拟结果表明：复合桩基承台底土应力呈现中间小、边缘 大的趋势。荷载水平及桩间距对桩间土分担荷载有较大的影响，荷载水平越高， 土体分担荷载比例越大；桩间距越大，土体分担荷载比例越大。此外，承台厚 度及土层刚度亦对桩间土分担荷载有一定影响，承台厚度越大，土体分担荷载 比例越小；土层越硬，土体分担荷载比例越大。 关键词：桥梁：复合桩基；承台作用效应；承台效应系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r ya n d r i s eo fi n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n ，h o w t os a v et h ec o s to fi n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o nh a sb e c o m ef lm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt o p i c t h ec o m p o s i t ep i l e f o u n d a t i o nh a sf u l l yc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo fs h a r e dl o a d i n go fs o i lb e t w e e n p i l e s ，w h i c hd e c r e a s e dt h en u m b e ro fp i l e s ；t h e r e f o r e ，i th a sg o o de c o n o m i cb e n e f i t a n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t i nr e c e n td e c a d e s ，e x p e r t sa th o m ea n da b r o a dh a v e g a i ng r e a ta c h i e v e m e n t sa b o u tt h i ss u b j e c t h o w e v e r , t h ed e s c r i p t i o na b o u t i n f l u e n c i n gf a c t o r s f o rc a pe f f e c to ft h ec o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o ns t i l ln e e d s i m p r o v e m e n t ，e s p e c i a l l ya b o u tt h ei m p a c to fc a pt h i c k n e s sa n ds o i ls t r e n g t h b a s e do nam a j o rs c i e n t i f i cp r o j e c to fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a y “r e s e a r c ho n p o s t g r o u t i n gt e c h n o l o g yf o rp i l ef o u n d a t i o n i ns o f ts o i li n h i g h s p e e dr a i l w a y ，t h i st h e s i ss t a r t e df r o mt h ed e s c r i p t i o no f t h ec o m p o s i t ep i l e f o u n d a t i o nt h e o r ya n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fp i l ec a p p i n ge f f e c t w i t h t h ed a t ec o l l e c t e df r o mt h e s i t e ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs o i la tt h eb o t t o mo ft h ec a pa n dc a l t l et os o m ec o n c l u s i o n sw i t h r e f e r e n t i a lv a l u et oo t h e r p o s t g r o u t i n gp r o je c t s t h e r e a f t e r , w i t hf l a c 3 d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h et h e s i s a n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fl o a d i n gl e v e l ，p i l e d i s t a n c e ，t h i c k n e s so fc a pa n ds o i ls t r e n g t ho nt h es h a r e dl o a d i n go fs o i lb e t w e e n p i l e s ，w h i c hw i l lb e n e f i tt h ec a pt h e o r yf o rc o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o n i ti n d i c a t e db yt h es i t es u r v e ya n dt h er e s u l t sf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h a t ： s t r e s so ft h es o i la tt h eb o t t o mo fc o m p o s i t ep i l ec a pi ss m a l li nt h em i d d l ew h i l e h u g ea tt h eb o u n d a r y ；t h el o a d i n gl e v e la n dp i l ed i s t a n c eh a v eam a j o ri n f l u e n c eo n s h a r e dl o a d i n go fs o i lb e t w e e np i l e s ：t h eh i g h e rt h el e v e li s ，t h eb i g g e rt h el o a d i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 p r o p o r t i o no fs h a r el o a d i n gi s ；t h eb i g g e rt h ep i l ed i s t a n c ei s ，t h eb i g g e rt h el o a d i n g p r o p o r t i o no fs h a r el o a d i n gi s f u r t h e r m o r e ，t h et h i c k n e s so fc a pa n ds o i ls t r e n g t h h a sa ni n f l u e n c eo ns h a r e dl o a d i n go fs o i lb e t w e e np i l e s ：t h et h i c k e rt h ec a pi s ，t h e s m a l l e rt h el o a d i n gp r o p o r t i o no fs h a r el o a d i n gi s ；t h eh a r d e rt h es o i li s ，t h eb i g g e r t h el o a d i n gp r o p o r t i o no fs h a r el o a d i n gi s k e yw o r d sb r i d g e ；c o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o n ；e f f e c to fp i l ec a p p i n g ；p i l e c a pe f f e c tc o e f f i c i e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： r j 、宰 指导老师签名： 日期： 沙，口，岁日期：彦口rc ， 物詹 1 1r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 加，9 ，歹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 桩基础是一种常用而古老的深基础形式，因其具有承载力高、稳定性好、 沉降稳定快和沉降变形小等诸多优点而被广泛应用于工程中。人类早在七、八 千年前的新石器时代就懂得了在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩支 撑房屋。在漫长的历史过程中，随着人类社会的进步和科技水平的提高，桩基 的类型和工艺也有了很大的发展。特别是近代由于新材料、新机械、新工艺的 不断出现，为桩基技术的持续进步奠定了基础。在一般的基础工程中，桩主要 承受轴向荷载，桩的功能是将作用于承台的竖向荷载传递到深部土层，以满足 上部结构物对基础的承载力和变形要求。而桩基承台作为支撑在桩上承受上部 荷载作用的构件，在桩基础中起着承上启下的作用。桩基承台的受力，不仅与 上部结构荷载、材料强度、结构形式、基桩的刚度等因素有关，而且受千变万 化的地基土质的制约，形成了一个非常复杂的体系。研究桩基承台的作用效应 对桩基设计的经济性和安全性有着重要意义。 以往的桩基设计理论认为上部结构荷载完全由桩来承担，这样的设计固然 是安全的，但偏于保守。实际上桩间土也承担了一部分的荷载，因而按以往的 桩基设计方法必然会造成一定的资源浪费。桩基设计的原则是在确保安全的前 提下，即经济合理又方便施工。我国是一个发展中国家，建设资金匾乏，如何 在保证工程质量的前提下，节省工程投资显得十分重要。在高层建筑中，桩基 的造价约占整个工程总造价的2 0 - 3 0 ，可见常规桩基设计理论的改进是大 有潜力可挖的。近年来，考虑桩一土共同作用的复合桩基设计理论的发展和应 用，正是试图解决这一问题。现行的建筑桩基技术规范j g j9 4 2 0 0 8 中对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 复合桩基术语的解释为：由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。基桩 即为桩基础中的单桩，单桩及其对应面积的承台下地基土组成的复合承载基桩 则称为复合基桩。由此可见，对于任何桩基础，只要由桩和承台底地基土共同 承担荷载我们就可以称之为复合桩基。 复合桩基的实质就是通过减少桩数让单桩承受的荷载超过其允许承载力， 从而产生较大的桩尖刺入变形量，保证承台与其下土体接触良好，充分发挥承 台和基底土的承载作用，在这种情况下，基础的沉降量可能相对比较大，但只 要控制在允许范围内，就可以既保证结构物的安全又充分发挥复合桩基的承台 下地基土的分担荷载作用。复合桩基最主要的两个问题是桩、承台与土共同作 用时的荷载分担问题及沉降计算问题。与常规桩基础相比，复合桩基具有较大 的优越性：在充分发挥桩的承载力的同时考虑了利用桩间土的承载能力，由此 可以大量减少用桩数量，大大降低基础工程的造价。因此，如果复合桩基能够 得到推广应用的话，将会产生巨大的社会效益和经济效益。 有人认为，复合桩基大多情况下都是指大间距( 大于5 - - - 6 d ) 稀疏布置的 低承台摩擦型群桩或端承作用较小的端承摩擦桩。而对于小间距( 小于5 d ) 低承台摩擦型的群桩基础由于其桩间土分担荷载甚少往往不予考虑承台效应， 同样这种做法是过于保守的，偏于安全。为此，本文将结合京沪高速铁路项目 高速铁路深厚软土地基中桩基后压浆技术研究对深厚软土层中小间距布置 的低承台摩擦型群桩基础承台作用效应进行理论与试验研究，旨在为复合桩基 承台作用效应理论提供有意义的参考意见。 1 2 复合桩基承台作用效应研究现状 现行的铁路桥涵地基与基础设计规范i 1 31 0 0 0 2 1 2 0 0 5 中没有提及复 合桩基的概念，但是现行的建筑桩基技术规范j g j9 4 2 0 0 8 中对复合桩基 有明确的定义：由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。基桩即为桩基 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 础中的单桩，单桩及其对应面积的承台下地基土组成的复合承载基桩则称为复 合基桩。 桩基的承台作用效应是指桩基承台作为群桩基础的一部分将桩与桩间土 约束起来，对桩体和土体进行分配荷载；同时，在竖向荷载作用下，桩土产生 相对位移，桩间土对承台产生一定竖向抗力而分担荷载的现象。 复合桩基桩土共同作用问题的研究，迄今己有1 0 0 余年的历史，取得不少 进展。目前桩一土共同作用问题的研究主要集中在两个方面：一是研究桩一土 共同( 群桩下) 作用机理；二是对桩一土共同作用进行数值理论分析。尽管桩基础 一开始就是以群桩的形式出现的，但对于群桩工作机理的系统研究却直到2 0 世纪5 0 年代才开始。最初的研究主要是模型实验( c a m b e f o r t ，1 9 5 3 ；w h i t a k e r ， 1 9 5 7 ；m e y e r h o t ，1 9 6 0 ；v e s i c ，1 9 6 8 等) 。根据模型试验的成果，提出了采用 群桩效应系数和沉降比来计算群桩的承载力和沉降量的方法。6 0 年代，p o u l s 等人对群桩的变形进行了理论研究，应用弹性理论解并考虑桩的相互影响来计 算桩群的变形。7 0 年代，o t t a v i a n i 对群桩的工作性状进行了数值模拟，利用 有限元法分析了荷载传递机制和承台的作用。h a i n 等分析了桩筏体系的工作 性状，考虑了桩的相互影响和筏的作用，并取得了理论分析和实测的一致。以 后，r a n d o l p h 等以单桩的性状为基础，引入荷载沉降比的概念和桩的相互影 响系数分析了群桩的变化特性。o n e i l l 等利用原型试验分析了群桩的荷载传 递机制，并把群桩和单桩的情形进行了比较。另外，c o o k e ，p o u l o s ，c h e u n g 等学者利用理论分析方法或实验分析方法分析了桩一承台一土共同作用【1 5 1 。 我国对于群桩的研究起始于2 0 世纪5 0 年代末期，尤其是我国7 0 年代末 期实行改革开放的政策后，许多地区开始兴建大量的高层建筑，建筑物荷载日 益增大，为了提高地基的承载能力，桩基础作为一种有效的基础形式而被普遍 采用。基础、桩群和土体的共同作用的研究也就在深度和广度方面取得了较大 的进展，人们在研究中发现，应把上部结构( 包括基础) 、桩群、地基土作为一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 个整体综合加以分析，这在理论和实践中都得到了充分的证实。共同作用研究 已成为我国基础工程学科的一个重要分支，而且很快接近世界水平，在原型试 验研究等方面甚至超过了国外水平。我国的研究工作主要也是从试验研究入手 的，不仅进行了室内外的模型群桩试验，而且还进行了大规模的野外大型群桩 试验。更为难得的是对大型筒仓建筑和高层建筑桩基础的荷载传递规律和沉降 变形进行了原型测试研究。在理论研究方面，对群桩一承台( 筏、箱) 一地基土 的共同工作作用机理进行了大量的分析工作，取得了许多成果。在这些研究成 果的基础上，运用共同作用理论，推向工程实践，提出了桩土明确分担荷载的 复合桩基的地基处理方式的设计原则与计算方法，并应用于多层建筑和高层建 筑，取得了很好的效果。上海市地基处理技术规范中己将复合桩基理论正式列 入了规范。 桩土相互作用理论分析方法主要有：荷载传递法、弹性理论法、剪切位移 法、有限单元法、边界单元法以及混合法等等。荷载传递法认为任何一点的位 移只与该点的剪应力有关，忽略了桩周土的应力场效应，也无法反映软弱下卧 层的影响。潘时生( 1 9 9 1 ) 提出了用分层位移叠代法求解单桩，并推广到群桩分 析中去，有效改善了该法不同的传递函数对应的临界位移相差大的问题。陈如 桂建立了单桩荷载传递的弹塑性桩土体系的理论，并开发出可供工程应用的实 用方法。弹性理论法利用半无限弹性体中集中力下的m i n d l i n 解给出桩身竖向 变形，这与实际地基土的成层性差别较大。为此，费勤发等将弹性理论解与分 层总和法相结合，以考虑成层土的情况。剪切位移法假设桩产生竖向位移时， 桩侧摩阻力通过环形单元向四周传递，桩侧周围土体的变形可视为同心的圆柱 体，适用性较强。杨嵘昌等进一步将剪切位移法推广到塑性阶段，并且用于桩 一土一承台的非线性共同作用分析。有人在剪切位移的基础上，给出了层状土 中轴向受荷桩土相互作用的问题分析方法，对于解决一般地基土的桩土相互作 用问题较为有效。杨敏等提出按沉降控制设计桩基础的方法，是桩土相互作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的进一步发展。董建国等则对桩土相互作用的计算机理进行了系统的研究。有 限单元法是目前一种应用较为普遍的数值方法，但是由于在计算时，所取用的 参数多，计算量大，较复杂等原因，目前用于研究目的的分析居多j 此外还有 边界单元法和混合法等等【”】。 1 3 本文主要工作 本文结合京沪高速铁路重大科技项目高速铁路深厚软土地基中桩基后压 浆技术研究，从复合桩基理论论述出发，分析承台作用效应的影响因素。根 据后压浆项目现场测试数据，分析京沪高速铁路桥梁桩基础的承台底土抗力分 布特点和发挥规律以及桩体、土体荷载分担规律。利用数值分析软件f l a c 3 d 对现场群桩基础进行数值模拟，然后将数值模拟结果同现场测试数据所得出的 结论进行对比，以验证京沪高速铁路桥梁桩基础承台作用效应的规律性。最后 通过f l a c 3 d 数值模拟定性分析荷载水平、桩间距、承台厚度、土层参数等 因素变化时对复合桩基桩一土荷载分担比的影响及其规律性，为京沪高速铁路 工程建设提供理论依据以及可靠的技术支持，同时为复合桩基承台作用效应理 论提供有意义的参考意见。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章复合桩基理论及承台作用效应 2 1 复合桩基理论 2 1 1 复合桩基的概念 通常意义上的桩基础不考虑桩间土的直接承载作用，控制单桩荷载不大于 单桩容许承载力只。为充分发挥桩间土的直接承载作用，近年来复合桩基日 益受到国内外工程界的关注。由于桩与土的力学性能相差极大，尽管桩间土直 接承受的荷载所占比例可能大于5 0 ，但桩基截面积所占比例( 即所谓置换 率) 很小，故将这种桩基连同桩间土视为复合地基不一定妥当。又由于复合桩 基其桩距一般很大( 往往为5 - - - 6 d ) ，群桩效应已退至次要地位，单桩荷载往 往远远超过其容许承载力，甚至接近极限承载力r ( 一般r = a ) ，故这种疏布 桩基在受力机理和工作性态上已不同于通常意义上的桩基，而是处于天然地基 与桩基之间的过渡状态，单桩的非线性工作状态起着决定性的作用。为便于论 述，将这类桩基称之为非线性复合桩基，简称为复合桩基。事实上，对于小间 距( 桩距小于5 d ) 桩基础，承台底地基土也或多或少的有一定的分担荷载作 用，只不过承担比例较小，在桩基设计过程中往往予以忽略。对于任何桩基础， 只要由桩和承台底地基土共同承担荷载我们就可以称之为复合桩基。 2 1 2 复合桩基的工作与破坏性状分析 通常情况下，复合桩基只研究大间距( 大于或等于5 - 6 d ) 桩基础，对于 小间距桩基础，由于承台底地基土分担荷载较小而常不予考虑。本文研究的是 高速铁路桥梁下群桩基础，而现行的铁路桥涵地基与基础设计规范t b 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 中没有提及复合桩基的概念。但是现行的建筑桩基技术规范 j g j9 4 2 0 0 8 中有对复合桩基进行明确定义：由基桩和承台下地基土共同承担 荷载的桩基础。因此对于小间距桩基础，只要土体分担荷载，我们也称之为复 合桩基。对于复合桩基，一般认为桩、土和承台结构处于非线性共同作用阶段， 单桩荷载往往远远超过其容许承载力，从而使桩尖产生较大的刺入变形，迫使 桩间土分担更大的荷载。因而其工作及破坏性状与普通桩基有所不同。 2 1 2 1 桩与承台下土体共同承载的非线性复合作用能改善群桩的工作性状 众所周知，桩与承台及其承台下土体在共同作用承载的过程中始终是既相 互依存又相互制约，既相互影响又相互矛盾的一个总支承体系的两个方面。对 总体承载而言可将有利与不利的各项作用简单归纳如下： ( 1 ) 有利的作用： 1 ) 桩的“遮拦作用”。群桩的存在，使承台下土体不易被侧向挤出， 如果桩与承台刚接更有利于此。 2 ) 承台的“加强作用”。对内摩擦角大于零的土，承台下土反力产生 的土中应力既能增加侧壁土的法向应力从而提高摩阻力，也能增 加桩端土的承载力。 3 ) 承台底面与土的摩擦力也限制土体外挤。 ( 2 ) 不利的作用： 1 ) 承台的“削弱作用”。承台的存在限制土对桩上段摩阻力的发挥， 甚至可能有少量的负摩阻力产生。 2 ) 桩身因发挥“遮拦作用”而产生附加弯矩。 3 ) 刚性承台迫使各桩同步下降，造成角、边桩桩顶荷载大于中心桩， 此外桩顶与承台的同步下沉也使桩对土起“下拽作用”。 4 ) 粘土，特别是软粘土中当不计承台的承载作用时，常规桩距的群 桩效应系数，7 可能小于1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 5 ) 高承台群桩沉降比在正常桩距下随桩数上升很快，即常规桩距下 大群桩沉降比单桩沉降大得多；常规桩距下的低承台亦有类似现 象。 从宰金珉的复合桩基理论与应用对复合桩基的研究成果中可以知道： 对于大间距( 大于或等于5 - - - - 6 d ) 疏布并且单桩工作荷载接近极限荷载的复合 桩基，上述有利的作用均保留下来，而不利的作用大部分被改善或完全消除。 当单桩工作荷载逐步向单桩极限荷载趋近时，承台的“削弱作用”逐步消失，近 承台底面桩段的侧阻力得以逐步发挥，最终可以达到其极限值。对刚性承台不 论是高承台还是低承台，随着上部总荷载9 的增加，桩顶荷载从角、边桩向 中心桩转移，由角、边桩到中心桩先后都达到单桩极限承载力尸u ，因此在复 合桩基桩筏基础的正常工作状态下，可认为各桩顶荷载都等于其单桩极限承载 力尸u ，在此以后，基底土体积极参加工作，表现为天然地基的工作性状，基 底反力亦然。因此，桩对土的“下拽作用”也趋于消失。此外，复合桩基的荷载 一沉降曲线具有典型的天然地基的特征，为缓降型。 2 1 2 2 复合桩基与承台下土体承载作用的发挥过程 复合桩基和承台下土体承载作用的发挥过程可分为三个阶段： ( 1 ) 第一阶段平均单桩荷载尸小于单桩极限承载力尸u ( p 6 d ) ，土体克服桩对土侧向挤出 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 的绕流阻力，在基地压力付a a 作用下出现剪切滑动面，土体挤出，9 = r i p u 十魄+ 石m ，达到复合桩基整体承载力极限状态二。 第二种可能的破坏状态是对非特大桩距( 5 6 d ) 的复合桩基，荷载在桩端 下土体中产生高应力区，并使该深层土体产生剪切破坏面，达到复合桩基整体 承载力极限状态三。 2 2 桩基承台作用效应 2 2 1 承台作用效应的概念 桩基承台作为支撑在桩上承受上部荷载作用的构件，在桩基础中起着承上 启下的作用。桩基承台的受力，不仅与上部结构荷载、材料强度、结构形式、 基桩的刚度等因素有关，而且受千变万化的地基土质的制约，形成了一个非常 复杂的体系。桩基的承台作用效应包含两个方面的内容，一方面桩基承台作为 群桩基础的一部分起到将桩与桩间土约束起来，对桩体和土体进行分配荷载的 作用；另一方面由于群桩在竖向荷载作用下，桩土产生相对位移，桩间土对承 台产生一定竖向抗力，成为桩基竖向承载力的一部分而分担荷载。 2 2 2 影响复合桩基桩土荷载分担比的因素 复合桩基桩土荷载分担比即为承台效应系数仉，现行的建筑桩基技术 规范j g j9 4 2 0 0 8 中对承台效应系数仉的定义为：竖向荷载下，承台底地基 土承载力的发挥率。复合桩基承台底地基土参与承担荷载时，其土反力的大小 和分布形式随桩顶荷载水平、桩间距、桩径桩长、台底和桩端土质、承台刚度 以及桩群的几何特征等多种因素而变化。通常，承台底地基土分担的荷载比例 可从百分之十几直至百分之三十以上。通常情况下，承台底地基土荷载分担比 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 主要受以下因素影响较大： ( 1 ) 承台荷载水平。桩间土荷载分担比仉( 也即承台效应系数，下同) ， 通常随着群桩上部荷载的增加而增加，当上部荷载较小时荷载分担不明显，仅 1 当上部荷载q 去q u ( 绋指群桩极限荷载) 时才会明显分担荷载。当上部荷 ： 载q g 时桩间土荷载分担比仉会进一步增大。上述现象与桩距基本无关， 即荷载水平对桩间土荷载分担比仉的影响超过桩距，是最重要的影响因素。 ( 2 ) 桩间距。桩间距是影响桩间土发挥承载作用的重要因素。桩间距大 于5 d 时桩间土荷载分担比7 7 c 才有显著增加。有研究表明，桩间土荷载分担比 仉随桩间距的增大而增加。 ( 3 ) 承台的内外区面积比。若以桩群外围包络线为界，将台底面积分为 内外两区( 见图2 2 ) ，则内区反力比外区小而且比较均匀，桩距增大时内外区 反力差明显降低。有研究表明，外区与内区面积比4 4 越大，承台分担荷载 越多，即桩r m 土荷载分担比仇越大。 ( 4 ) 桩的长径比。有研究表明，相同桩距时，桩长与桩径之比l d 愈大， 桩间土应力叠加愈显著，桩间土荷载分担比叩c 越小。 ( 5 ) 成桩方式与承台埋深。有研究表明，灌注桩比预制桩有利于提高桩 间土荷载分担比仉值，且承台埋深越大，仉值越高。 ( 6 ) 桩的工作类型。摩擦桩比端承一摩擦桩显著地提高仉值。 此外，承台厚度、承台底土的强度以及土的非线性性质等因素也对桩间土 荷载分担比仇有一定的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 2 复合桩基承台底分区图 2 2 3 考虑承台作用效应的复合基桩竖向承载力特征值的确定 由于本文研究的是高速铁路桥梁下群桩基础，而现行的铁路桥涵地基与 基础设计规范t b1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 中没有提及复合桩基的概念。根据最新建 筑桩基技术规范j g j9 4 2 0 0 8 的规定，考虑承台作用效应的复合桩基础，其 基桩的承载力特征值应按下述要求确定。 对于端承型桩基、桩数少于4 根的摩擦型柱下独立桩基、或由于地层土性、 使用条件等因素不宜考虑承台效应时，基桩竖向承载力特征值应取单桩竖向承 载力特征值。 对于符合下列条件之一的摩擦型桩基，宜考虑承台效应确定其复合基桩的 竖向承载力特征值： 1 上部结构整体刚度较好、体型简单的建( 构) 筑物； 2 对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物； 3 按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区； 4 软土地基的减沉复合疏桩基础。 考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值可按下列公式确定： 不考虑地震作用时 r = 兄+ r 。厶4 ( 2 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 考虑地震作用时 r = 吃+ 去喊。4 4 = ( a 一啤) n ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中仉承台效应系数，可按表2 1 取值； 厶k 承台下1 2 承台宽度且不超过5 m 深度范围内各层土的地 基承载力特征值按厚度加权的平均值； 彳r 计算基桩所对应的承台底净面积； 彳d 。一桩身截面面积； 彳承台计算域面积。对于柱下独立桩基，彳为承台总面积； 对于桩筏基础，彳为柱、墙筏板的1 2 跨距和悬臂边2 5 倍筏板厚度所围成的面积；桩集中布置于单片墙下的桩筏 基础，取墙两边各1 2 跨距围成的面积，按条基计算r i ； t 地基抗震承载力调整系数，应按现行国家标准建筑抗震 设计规范g b5 0 0 1 1 采用。 当承台底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土时， 沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时，不考虑承台效应，取7 7 ，= 0 。 表2 - 1 承台效应系数仇 膨 b r 3456 6 o 4 0 0 6 0 0 8 0 1 4 - - 0 1 70 2 2 o 2 6 0 3 2 0 3 8 0 4 - 0 80 0 8 0 1 00 17 - 0 2 0 0 2 6 o 3 0 o 3 8 0 4 4 o 5 0 0 8 0 0 80 1 0 - 0 1 20 2 0 0 2 20 3 0 o 3 4 0 4 4 ：0 5 0 单排桩 0 1 5 - 0 1 80 2 5 o 3 00 3 8 0 4 5 0 5 0 0 6 0 条形承台 注：1 表s a d 为桩中心距与桩径之比；剐，为承台宽度与桩长之比。当计算基桩为非 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 正方形排列时，s ：了鬲，彳为承台计算域面积，刀为总桩数。 2 对于桩布置于墙下的箱、筏承台，仉可按单排桩条形承台取值。 3 对于单排桩条形承台，当承台宽度小于1 5 删，仉按非条形承台取值。 4 对于采用后注浆灌注桩的承台，仉宜取低值。 5 对于饱和黏性土中的挤土桩基、软土地基上的桩基承台，仉宜取低值的0 8 倍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章京沪高速铁路桩基础现场试验 3 1 京沪高速铁路桩基础现场试验项目简介 3 1 1 课题背景及问题的提出 京沪高速铁路是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量最高的 一项工程，也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路。京沪高速铁路正线 全长约1 3 1 8 k m ，与既有京沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线，设计时 速3 5 0 k m h ，初期运营时速3 0 0 k m h 。 京沪高速铁路土建六标段的起点为d k l l 4 8 + 5 2 2 4 8 ，终点为d k l 3 0 1 + 2 0 0 ， 工程地点常州东特大桥一上海虹桥站，正线长度1 5 3 7 4 5 k m ，其中桥梁总长度 1 5 2 4 2 k m ，占正线长度的9 9 1 2 ；路基1 3 2 5 k m ，占正线长度的0 8 8 。 本标段属于江南地层区域，第四系沉积物覆盖广泛，以松散碎屑沉积为主， 全新统黏性土、上更新统滨海相、浅海相或河流相成因黏性土及粉细砂层分布 广泛，是典型的软土和松软土深厚土层。 高速铁路对线下基础的沉降特性及承载力要求很高，桩基础沉降比较小， 而且较为均匀，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，同时承载力亦较高，可以满足高速铁路对线下基础沉降小及承载力高的要 求，因此本标段线下大量采用钻孔灌注钢筋混凝土桩基础。对于类似本标段内 的深厚软土地层，桩基设计为摩擦桩，桩长往往达到6 0 - - - 7 0 m 甚至更长。因 此，如何控制桩基沉降量、保证桩基承载力成为保证整个工程质量的控制因素。 另外，本标段土建工程工期为3 6 个月，工期十分紧张，部分桥梁下部结 构工期甚至不到1 年。因此，采用桩基后注浆技术缩短桩基静置时间、减小桥 梁桩基的工后沉降，对确保工程的如期完成非常重要。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 虽然国内外已有采用后注浆技术减少桩基沉降的工程实例，但目前对于灌 注桩后注浆技术的作用机理的认识还不够深入，相关的学术性研究较少，对后 注浆灌注桩的承载力计算也没有明确的规范。特别是在深厚软土和松软土地质 条件下，采用桩基后注浆技术以减小基础沉降量、提高桩基承载力，使注浆加 固后墩台基础满足建设需求，在国内外都是一个具有挑战性的课题。因此，展 开钻孔灌注桩后注浆技术的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 3 1 2 试验项目简介 本试验项目根据施工现场实际进度，选择先架方向4 7 7 # , - - - 5 0 8 # 墩部分桩 基进行压浆，压浆后开展静力触探与钻孔取样，对相应的墩身承台进行沉降观 测，同时进行桩顶压力、桩身轴力、桩端反力、群桩基础桩间土压力测试。 3 1 2 1 桩顶压力、桩身轴力、桩侧摩阻力与桩端反力测试 ( 1 ) 埋设钢筋计与桩顶压力盒测定不同阶段的桩顶压力以及桩身轴力、 桩侧摩阻力沿桩身的分布及大小。 ( 2 ) 测定桩端反力分担所受总荷载的比例。 3 1 2 2 群桩基础桩间土压力测试 为测定承台底面桩间土竖向压力的大小和分布特征，选择4 个承台在每个 承台底部安置压力盒，测定桩间土压力。 3 1 2 3 沉降观测工作 按照桩基础后压浆项目统一设置的沉降观测系统进行。 3 1 2 4 静力触探与钻孔取样 压浆后针对不同注浆方式与注浆位置的承台开展静力触探与钻孔取样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 京沪高速铁路桩基础现场试验现阶段相关成果 京沪高速铁路桩基础后压浆项目从项目立项至今，已完成现场静力触探与 钻孔取样，仪器安装与阶段测试，室内土工试验及前期阶段的成果处理等。目 前己到架好梁等待铺轨阶段。 由于本论文只研究群桩基础的承台作用效应，不考虑注浆对承台作用效应 的影响。因此，只对与论文研究相关的成果作相应介绍。 3 2 1 桩顶压力 为了测试桩顶压力大小，在4 8 2 # 、 4 8 6 # 、4 9 9 # 、5 0 1 # 、5 0 2 # 、5 0 3 # 、5 0 5 # 、 5 0 6 # 共8 个承台的1 撑、2 f 、5 撑桩( 桩号布置参见图3 1 ，3 2 ) 桩顶分别布置 了土压力盒。此外，为了得到桩身轴力，在此8 个承台的1 群、2 拌、5 撑桩桩身 分别布置了钢筋计，通过钢筋计得出的桩项轴力，可用来校核桩顶土压力盒测 得的桩顶压力。 由于现场仪器损坏较多，目前只有4 8 6 # 承台桩顶土压力盒数据完整， 4 8 2 # 、4 9 9 # 承台5 桩土压力盒数据线损坏。其他承台仪器、数据线损坏严重， 无法处理。将测得的桩项压力结果处理后如下图3 3 ，3 4 ，3 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 l 王 i i _ _ 。 图3 14 8 2 # 承台桩间土压力盒布置图例 图3 - 24 9 9 # 、5 0 3 # 、5 0 5 # 承台桩间土压力盒布置图例 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 - 34 8 2 # 晕台桩璜压力 洼：读数玫数1 对应无荷载状态，2 为浇注承台后，3 ，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 8 为架絮后 234567 8 读数次数 + i # 柱 一2 # 柱 5 # 柱 图3 44 8 6 # 承台桩顶压力 注：读数次数1 对应无荷载状态，2 为浇注承台后，3 ，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 8 为架粱后 一 i； ；一h。；一 一芒= 一r 翅 一 - 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 - 54 9 9 # 承台桩顶压力 注：读数次数1 对应无荷载状态，2 为浇注承台后，3 ，4 为浇注桥墩后，5 ，6 ，7 为架梁后 从图3 3 至图3 5 可以看出，三个承台的桩体受力均呈现1 桩受力大于 2 桩，2 拌桩受力大于5 撑桩的趋势，即京沪高速铁路群桩基础受力情况为：角 桩 边桩 中心桩。 3 2 2 桩间土压力 为了测试桩间土的竖向应力大小及分布特征，在4 8 2 # 、4 9 9 # 、5 0 3 # 、5 0 5 # 共4 个承台分别布置了8 个桩间土压力盒( 其中4 8 2 # 承台布置了1 6 个) 。其 土压力盒布置情况参见图3 1 、3 2 。 由于现场仪器损坏较多，目前只有4 8 2 # 、4 9 9 # 承台桩间土压力盒数据较 完整，5 0 3 # 、5 0 5 # 承台仪器、数据线损坏较多，无法处理。将4 8 2 # 、4 9 9 # 承 台长边边缘的中心点位置处桩间土压力盒数据( 4 8 2 # 承台的1 6 # 土压力盒、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 4 9 9 # 承台的8 群土压力盒) 及承台中心处桩间土压力盒数据( 4 8 2 # 承台的1 4 # 土压力盒、4 9 9 # 承台的6 群土压力盒) 进行处理，其结果见图3 - 6 ，3 - 7 ，3 8 ， 3 - 9 所示；由于在架梁之前受荷载较小，数据规律不明显，故只将架梁后承台 各桩问土数据进行对比处理，得到的桩间土压力结果如下图3 1 0 ，3 1 1 ，3 - 1 2 ， 3 1 3 所示( 4 8 2 # 承台i i 截面全截面安装了土压力盒，其他所有截面都只安 装了半个截面，另外半个截面与之对称) ： 图3 - 64 8 2 # 承台桩间土应力( 承台边缘) 注：读数次数1 对应无荷载状态，2 ，3 为浇注承台后，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 为架梁后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 74 8 2 # 承台桩间土应力( 承台中心) 注：读数次数l 对应无荷载状态，2 ，3 为浇注承台后，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 为架粱后 图3 84 9 9 # 承台桩间土应力( 承台边缘) 注：读数次数1 对应无荷载状态，2 ，3 为浇注承台后，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 为架粱后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 图3 - 94 9 9 # 承台桩间土应力( 承台中心) 注：读数次数1 对应无荷载状态，2 ，3 为浇注承台后，4 ，5 为浇注桥墩后，6 ，7 为架梁后 图3 1 04 8 2 # 承台架梁后i i 截面桩间土压力分布图 注：横坐标数字代表不同的截面位置，l ，5 为承台边缘，3 为承台中心，2 ，4 为等 间距截面位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 1 14 8 2 # 承台架粱后i i i i 半截面桩间土压力分布图 注：横坐标数字代表不同的截面位置，1 为承台边缘，4 为承台中心，2 ，3 为等间距 截面位置 图3 1 24 9 9 # 承台架梁后i i 半截面桩问土压力分布图 注：横坐标数字代表不同的截面位置，1 为承台边缘，3 为承台中心，2 为等间距截面 位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图3 1 34 9 9 # 承台架梁后i i i i 半截面桩间土压力分布图 注：横坐标数字代表不同的截面位置，1 为承台边缘，4 为承台中心，2 ，3 为等间距 截面位置 从图3 - 6 至图3 - 9 可以看出，京沪高速铁路群桩基础承台底的桩间土受力 较小，承台边缘土应力随上部荷载的逐步施加出现较大增长，而承台中心土应 力随上部荷载的逐步施加增长较小。从图3 1 0 至图3 1 3 可以看出，承台底土 应力出现中间小，边缘大的趋势。此外，从4 8 2 # 承台i i 截面可反应出承台 桩间土受力左右基本对称。 3 3 京沪高速铁路桩基础承台作用效应分析 由现阶段得到的试验成果，对承台的分担荷载作用及承台底桩间土应力场 进行分析。承台底桩间土应力的大小及分布规律已由现场试验数据得出初步结 论，即承台底桩间土受力较小，且呈现中间小边缘大的趋势。由此，此处只统 计分析桩体、土体分担荷载的比例。后面将利用f l a c 3 d 数值模拟的结果与 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 试验得出的结果进行对比。目前的成果中已有由钢筋计得出的桩身轴力，通过 桩顶的轴力可得出承台分担荷载的比例。由于现场数据线损坏较多，目前只有 4 8 2 # 、4 9 9 # 承台的桩身轴力数据较完整，且由于架梁前桩体承担荷载较小，数 据规律性不明显，故只将架梁后数据整理统计，其结果如表