（岩土工程专业论文）滚压成型螺旋灌注桩受力机理分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 滚压成型螺旋灌注桩( 以下简称螺旋桩) 是一种特殊的异型桩，目前还处于 试验研究阶段，通过静载荷试验表明螺旋桩的承载力高于等直径的直型桩。螺旋 桩具有节省工程材料、降低工程造价等优势，是一种很有实用价值的桩型。 本文通过螺旋桩的现场静载试验并进行了数据处理，进行了螺旋桩承载性能的研 究。主要包括三个方面的内容： 第一，螺旋桩的承载机理研究。 通过对螺旋桩静载实验数据的处理，从几个方面总结了螺旋桩的荷载传递机 理，对螺旋桩的受力性能有了比较直观的认识。 第二，优化了螺旋桩设计参数。 螺旋桩的尺寸合理设计，包括螺牙厚度、宽度及螺距的相互关系，主要与桩 所在的土层有关，所以桩在不同的土层条件下三者之间的合理关系并不相同。 第三，提出螺旋桩极限承载力的计算公式。 应用极限平衡法，对螺旋桩的桩侧受力机理进行了仔细的研究，分几种情况 推出了了螺旋桩的极限承载力公式。通过静载荷试验的结果验证，证明该公式正 确可行。 最后，进行经济效果分析。 通过工程造价比较，螺旋桩较等直径的直型桩单方混凝土承载力大。 关键词螺旋桩；静载荷试验；尺寸设计；极限承载力； 北京交通大学硕士学位论文a b s ，限 c r r o l lf o r m i n g $ o c wf i l l i n gp i l e ( s c r e wp i l ef o rs h o r tb e l o w ) i sak i n do fp r o f i l e dp i l e w h i c hi ss t i l lo nr e s e a r c hg r o u n d o nt h eb a s i so fs t a t i cl o a de x p e r i m e n t ，t h eb e a r i n g c a p a b i l i t yo f8 c l e wp i l ei sh i g h e rt h a nt h a to ft h en o r m a lo n ew i t ht h es a l n ed i a m e t e r w i t ht h eb e t t e rt e c h n i c a la n de c o n o m i c se f f e c t s ，s c r e wp i l ei sak i n do fp i l eo fg r e a t p r a c t i c a lv a l u e o nt h eb a s i so fs t a t i cl o a de x p e r i m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n gt h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo f s c r e wp i l ei sf o c u s e d , i n c l u d i n gt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h em e c h a n i s mo fb e a r i n gc a p a b i l i t yi ss t u d i e d t h r o u g ht h es t a t i cl o a d e x p e r i m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n g ，t h em e c h a n i s mo fl o a dt r a n s f e r r i n gi ss u n m l a r i z c df r o m s e v e r a la s p e c t sa n di t sb e a t i n gc a p a b i l i t yc a nb eu n d e r s t o o di n t u i t i o n i s t i c s e c o n d l y , p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h es i z eo fs c r e wp i l es h o u l dd e s i g n e dr e a s o n a b l y t h e r e l a t i o n s h i po fw i d t b , t h i c k n e s sa n dt h ed i s t a n c eo f5 f f l 唧t o o t hh a v es o m e t h i n gt o d 0w i t hs o i ll a y e r s i t sq u i t ed i f f e r e n tf r o mo n es o l i dc o n d i t i o nt oa n o t h e r t h i r d l y , c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yi sp u tf o r w a r d w i t ht h e m e t h o do fl i m i te q u i l i b r i u m t h es t r e s sm e c h a n i s mo ft h ep i l es i d ei ss t u d i e dt op r o p o s e a p p r o p r i a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y i tc a nb ep r o v e dc o r r e c t t h r o u g hs t a t i cl o a dt e s t i nt h ee n d ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fe n g i n e e r i n gc o s t ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f s c r e wp i l ei sb i g g e rt h a nt h a to fn o r m a lo l l ew i t ht h es a l n ed i a m e t e r k e y w o r d s ：s c l e w p i l e ：s t a t i cl o a de x p e r i m e n t ；b e a r i n gc a p a c i t y ：s i z ed e s i g n ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：七智茜褥 签字日期：山口 年i 月) 。日 导师签名： 签字日期：缈，片w 日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一周工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苛她、签字隰w 叼年m 却日 致谢 本论文的工作是在我的导师崔江余老师的悉心指导下完成的，崔江余老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 崔江余老师对我的关心和指导。 在两年半的时光中，我的同学唐亮、张宇川、艾虎在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，段启伟、张彦彬师兄给予了热情帮助，在此 向他们表达我的感激之情。 感谢我的父母，他们二十余年来含辛茹苦抚养我长大，给了我无微不至的关 怀，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们 在百忙之中给予指导。 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 背景 1 绪论 随着土木工程建设的大规模发展，各类建( 构) 筑物拔地而起，造成了城 市建筑密集、用地日益紧张的状态，因此，作为深基础之一的桩基础也得到了 越来越广泛的应用。由于钢筋混凝土桩配筋率低，混凝土取材方便、价格便宜、 耐久性好，而且既可预制又可现浇灌注桩，还可采用预制和现浇组合，可适用 于各种地层条件，成桩直径和长度范围变化大。目前桩基工程中绝大部分采用 钢筋混凝土灌注桩。因此，钢筋混凝土灌注桩已成为当前科研院所、施工单位 主要的研究对象和发展方向。 目前，随着材料科学、施工技术及土力学基础工程理论的逐步丰富和完善， 桩基础的成桩技术日新月异，已形成多种工艺、多种桩型。五、六十年代主要 以预制桩为主，但随着城市建设的发展，施工环境受到越来越多的限制，而且 预制桩造价往往高于灌注桩。因此，预制桩的使用范围逐步缩小。七十年代以 来，工程建设中大量使用灌注桩。特别是近2 0 年来，随着城市现代化的发展， 需要修建大量高层和超高层建筑，这些建筑物对地基承载力和沉降变形的要求 十分严格，对桩基工程的应用和发展也提出了新的挑战。 为满足高层或超高层建筑物荷载大、承载力高的要求，我国在桩基工程领 域也发展了多种新的工艺和方法，如锥形桩、夯扩灌注桩、沉管灌注桩、挤扩 支盘桩、中心压灌桩、c f g 桩、复合载体夯扩及后压浆技术等。这些方法与钻 孔灌注桩相比，对提高单桩承载力、减少沉降量、降低工程造价均具有明显的 效果。但各种方法都具有各自的优缺点，如钻孔扩底现浇混凝土灌注桩具有桩 体承载面积大的优点，但存在扩大体上部拉裂面引起局部桩周土松动从而降低 桩侧摩阻力以及孔底虚土难以清除干净从而降低桩端阻力，尽管后压浆技术通 过桩端、桩侧压浆解决了由于桩底虚土和桩侧泥皮过厚而影响桩基承载力的缺 点，但存在桩承载面积有限，未能充分发挥桩基应有的作用。挤扩支盘桩由于 特殊的施工工艺可形成承力盘或分支，承载面积增大，通过施工时局部挤压桩 周土体和桩端土体，使单桩承载力可大幅度提高，然而该桩型也存在承力盘上 北京交通大学硕士学位论文 绪论 部形成拉裂缝而导致侧阻力降低的问题，没有从根本上解决侧摩阻降低的问 题，此外，挤扩支盘桩施工机具还存在钻扩两套工序需要两套设备，从而导致 施工效率降低，影响其使用范围。 1 2 桩的历史及其发展 桩基础是历史悠久、应用广泛的一种基础型式，在距今1 2 0 0 0 年历史的智 利古文化遗址中就已经发现了桩的雏形。我国考古学家在陕西半坡村遗址和浙 江河姆渡遗址出土了大量木结构遗存，证实了先人在7 0 0 0 年前就开始采用木 桩插入土中支承房屋。今上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存 的北宋年代修建的桩基建筑物。早期使用的桩都是木桩。 木桩的使用经历了漫长的历史时期，直至1 9 世纪2 0 年代，人类才开始使 用铸铁板桩修筑围堰和码头。1 9 世纪后期，随着钢、水泥、混凝土和钢筋混 凝土的相继问世和大量使用，制桩材料发生了根本变化，为桩基础的飞跃发展 提供了条件。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的一类桩型，首先是由俄国工程师斯特拉乌 斯在1 8 9 8 年率先提出的，即就地灌注混凝土桩；到1 9 0 1 年，美国工程师雷蒙 德又独立提出了沉管灌注桩的设计，我国上海在2 0 世纪3 0 年代修建的一些高 层建筑就采用了沉管灌注桩基础。 2 0 世纪初，钢桩和钢筋混凝士预制桩相继问世并得到广泛应用，如美国 密西西比河上的钢桥就大量采用了型钢桩基础。到了3 0 年代，欧洲一些国家 也开始广泛使用钢桩。二次大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢 管被作为桩材用于基础工程。1 9 4 9 年美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机 生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我国从5 0 年代开始生产预制钢筋混凝土 桩，5 0 年代末，铁路系统开始生产使用预应力钢筋混凝土桩，而且随着大型 钻孔机械的发展，又出现了钻孔灌注桩或钢筋混凝土灌注桩。2 0 世纪6 0 7 0 年代，我国也研制生产出预应力钢筋混凝土管桩，并广泛应用于桥梁和港口工 程中。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 自此以后，随着桩基础应用领域的扩宽，机械设备和施工技术不断得到改 进与发展，产生了各种新桩型和新工法，为桩在复杂地质条件和环境条件下的 应用注入了勃勃生机。今天，桩基础已成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和 海上石油平台等采用的主要基础型式，而且随着工程的需要，人们在桩的施工 技术、桩型的开发应用和设计理论方面又不断研究探索，使桩基技术得到蓬勃 发展，特别是异形桩在近年来得到了长足的进步，并逐渐走向成熟。 在我国，科技工作者也开发研究了一些性能良好、承载力明显提高的桩型。 其中最有代表性的是挤扩支盘砼灌注桩。挤扩支盘砼灌注桩是近几年发展起来 的一种新桩型，它是在原等截面钻孔灌注桩的基础上发展起来的，即在原钻孔 灌注桩施工中增加一道挤扩工序，向孔内放入专用挤扩装置，通过地面液压站 控制该装置的弓压臂的扩张和收缩，按承载能力要求和地层土质条件在桩身不 同部位挤压出扩大岔腔或近似的圆锥盘状的扩大头腔后，放入钢筋笼，灌注混 凝土，形成由桩身、分岔( 盘) 和桩根共同承载的桩型，其抗压承载力和抗拔 承载力都显著提高，如图卜1 。挤扩支盘桩克服了传统灌注桩的一些缺点，同 时可改善基桩和桩基的应力分布，进而减少沉降。2 0 0 5 年中国工程建设标准 化协会已颁布发行挤扩支盘灌注桩技术觌程( c e c s1 9 3 ：2 0 0 5 ) 。d x 桩也 属此类桩型。 - 捌 夺 h 珂酉 图卜l 挤扩支盘桩示意 挤扩支盘砼灌注桩有如下优点： i ) 单桩承载力高，可充分利用桩身各部位的较好土层； 2 ) 成孔成桩工艺适用范围较广，挤扩支盘桩按不同成孔工艺可结合采用 3 北京交通大学硕士学位论文 绪论 潜水钻机、正循环钻机、冲击钻机和钻斗钻机进行泥浆护壁法成孔，也可采 用长螺旋钻机进行干作业法成孔，还可采用贝诺特钻机进行全套管护壁法成 孔。 3 ) 低噪声、低振动，泥浆排放量减少，节约成本，缩短工期。 4 ) 挤扩盘、岔腔成形稳定而不坍塌，桩身稳定性好；抗拔力大；机控转 角，定位准确，成桩差异性小；可实施成孔与挤扩装置的车载一体化，挤扩效 率高。 1 3 桩的作用和分类 1 3 1 桩的作用 桩几乎可以用于任何地质条件和土木工程中。 桩是深入土层的杆状结构，是将上部结构的荷载通过软弱土层传递到较坚 硬的、压缩性小的土层或岩石上，桩以及连接桩项的承台组合成桩基础。桩基 础除主要承受竖向抗压荷载外，还在桥梁工程、港口工程、近海采油平台、高 耸建筑物、支挡结构、抗震工程结构及其特殊土地基如冻土、膨胀土等中，用 于承受侧向土压力、波浪冲击力、风力、地震力、车辆荷载、冻胀力等水平荷 载、竖向荷载及动荷载等。桩基础以其承载力高、稳定性好、沉降稳定快和沉 降变形快、抗震性能好以及能适应于各种复杂地质条件而被各类工程广泛采 用。 1 3 2 桩的分类 随着生产力水平的不断提高和科学技术的不断进步以及建设事业的要求， 桩的施工机具、施工工艺、桩的类型及型式、桩基础设计理论和设计方法等都 在高速的发展，目前我国桩基础最大入土深度已达1 0 7 m ，桩径超过5 m 。根据 桩的施工工艺、桩体截面形式、承载力性能、桩体材料、桩的使用功能、桩径 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 大小等等分类如下： 按桩承载性状分类 ：二兰 蓁蓁蓁霎兰 按桩使用功能分类 按桩材料分类 按桩径分类 竖向承压桩 竖向抗拔桩 横向受荷桩 组合受荷桩 混凝土桩 普通混凝土桩 预应力混凝土桩 灌注桩 预制桩 预制灌注组合桩 r 钢板桩 钢桩j 钢管桩 i 异形截面钢桩 怕于木材资源短缺，木材 木桩 除用于抢险工程外，目前 i 已较少使用。 组合材料桩 票篡誊凳囊笙篡翕合 f 普通桩( 桩径2 5 0 d 8 0 0 ) 小型桩 ( 桩径d s 2 5 0 ) i 大直径桩( 桩径d 8 0 0 ) 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 按桩型分类 按施工方法分类 扩底桩 挖扩桩 r 挤扩桩 i 爆扩桩 灌注桩 预制桩 无护壁作业 螺旋钻孔灌注桩 钻孔灌注桩 机动洛阳铲挖孔灌注桩 人工挖孔灌注桩 泥浆护壁作业 霾耄薹耋蓁萋鋈萎 沉井护壁作业 姜曩妻鎏薹裳注桩 套管护壁作业 按成桩方法分 振动沉管灌注桩 锤击沉管灌注桩 贝诺特桩 弗朗基桩 打入桩 振动沉入桩 静力沉入桩 锚杆静压桩 按材料分 j 混凝土桩 蓁主雾鬈蠢至桩 l 钢桩 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 4 螺旋桩的研究现状 螺旋灌注桩是近几年在工程上采用的一种带螺旋的钻孔灌注桩，简称螺旋 桩，成桩工艺有多种，主要有预制螺旋桩拧入、带螺旋的长螺旋钻杆成孔或通 过特制的螺旋装置在预先钻好的直孔中滚压形成螺旋孔等，成孔后灌注混凝土 形成螺旋桩。该新型桩具有施工速度快、施工方便、无振动的优点，对周边环 境没有影响，所以被广泛应用于对环境要求比较严格的地区。在我国对螺旋桩 的系统的研究较少，处于边研究边应用阶段，其设计理论及计算方法还满足不 了工程实践的要求，因此应对螺旋桩进行深入的研究，探索其设计计算理论、 方法及施工工艺，使螺旋桩在工程上的应用更加广泛。 1 4 1 螺旋桩的优点 1 ) 螺旋桩由于采用变截面桩身，在成孔过程中对桩周土起到了挤密加固 的作用，有效的提高了承载力。由于螺牙的存在，改变了桩身受力机理，螺牙 起到了类似端部轴承的作用。当载荷增大时，各级螺牙逐渐产生作用，逐步传 递应力到持力层，这样使整个桩身的变形沉降减少，从而有效的减小沉降，抗 拔能力好。 2 ) 螺旋桩由于螺旋间由土取代了部分混凝土，可比普通灌注桩节省水泥， 降低工程造价。达到设计承载力的同时，单方混凝土的承载力为同等条件下普 通灌注桩的1 2 倍以上，材料节约了1 5 2 0 。 3 ) 螺旋桩可穿过各种软硬土夹层，将桩端置于坚实土层，扩大桩底，可 充分发挥桩身强度和持力层的承载力。根据土层分布情况和上部建筑的荷载分 布可任意变化桩长和桩径；对于承受侧向荷载的桩可设计成有利于提高水平承 载力的桩型。 4 ) 螺旋桩不仅可以作为承载桩，也可以作为抗拔桩和复合地基的刚性桩 等。特别是对于持力层较深的地质条件，螺旋桩可充分调动桩间土的承载力， 在成桩过程中对持力层进行加固挤密。 5 ) 螺旋桩对不同土质有很强的适应性。由于螺旋桩机具有机械扭矩潜能 7 北京交通大学硕士学位论文 绪论 大，穿透力强的特点，对于内陆平原地区和沿海河口的海陆交替层下的硬塑粘 性土、密实粉土、粉细砂层及中粗砂层，包括各种陆相、海相沉积或其陆、海 相沉积的互层均适合作为螺旋桩的持力层，并且不受地下水位的影响。 6 ) 螺旋桩在施工过程中是采用桩机旋转挤压土体钻进的或挤压器滚压成 型，与打入式预制桩相比，施工噪声低、无振动、对已施工的桩无影响；与普 通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。 7 ) 螺旋桩改变了桩与土的相互作用方式，极大的改善了桩侧阻力作用， 故能有效的提高承载力。 1 4 2 螺旋桩的缺点 国外螺旋桩工法运用时，其桩身及桩尖制造工艺复杂，施工装备价格昂贵， 运行费用较高，影响了国外螺旋桩工法在我国的直接推广应用。国内目前尚无 相应的螺旋桩施工设备。 国内试验研究的螺旋桩工法在成桩机理、施工工艺及施工设备上均不同于 国外。目前，国内还没有成熟、先进的螺旋桩机可用于这一先进施工工法的广 泛推广使用。 图卜2 螺旋桩示意图 在我国螺旋桩由于处于边研究边应用阶段，对螺旋桩的系统的研究较少， 其设计理论及计算方法还满足不了工程实践的要求，因此应对螺旋桩进行深入 的研究，探索其设计计算理论方法及施工工艺，使螺旋桩在工程上的应用更加 8 北京交通大学硕士学位论文 绪论 广泛。 1 5 本文主要研究内容 目前螺旋桩处于边应用边研究阶段，这方面的研究较少，螺旋桩传递机理 如何、螺旋的个数和间隔如何布置以及他们对承载力和沉降的影响如何计算等 都需要通过大量的研究来解决。 为了探讨螺旋桩的承载力性状和受力机理，有必要进行更深入的试验研究 工作，为工程应用提供可靠的理论依据。本报告通过现场静载压桩试验，对螺 旋桩的受力性状进行全面地分析研究。主要针对螺旋桩技术的作用机理和桩的 承载力性状进行现场实验研究，就桩的尺寸和类型两种影响因素对螺旋桩承载 力性状作定量的描述，具体分为9 种桩型，主要对比各种单一因素改变时对桩 承载力性状的影响。普通钻孔直桩( 三种桩径) 与滚压成型螺旋桩( 6 种桩型) 的抗压承载性状和变形特点对比研究，具体内容包括： 1 、研究长度对桩承载力的影响。 2 、在无螺旋情况下，侧摩阻力的作用特性。 3 、通过现场试验研究桩身荷载传递规律及螺旋的受力性状( 通过埋设钢 筋应变计测定任意断面的轴力变化) 。 4 、研究现场足尺桩的受力特点及其变化规律，对螺旋桩的受力机理和承 载力性状作定量的分析。 5 、通过研究分析，提出能适合螺旋桩受力特点的承载力公式。 6 、根据研究的成果和已建成工程的使用情况，对螺旋桩提出合理、正确 的施工方法和工艺流程。 7 、进一步改进和提高螺旋桩的性能，使其更广泛地在工程中推广应用。 1 6 本章小结 简要介绍了桩基础的发展过程，以及国内外最新研究的异型桩基础形式及 新的施工工艺。重点介绍了螺旋桩的研究及发展现状、螺旋桩的优缺点以及研 9 北京交通大学硕士学位论文绪论 究过程中存在的问题，针对现存问题提出了本文的研究内容。 北京交通大学硕士学位论文螺旋桩的现场试验方案 2 螺旋桩的现场试验方案 2 1 基本假定 大量的工程实践表明，桩基础的主要功能和作用是传递竖向荷载，部分作用 是传递横向荷载和抗拔力；通常桩的承载力即指桩的竖向受压承载力。竖向荷载 下单桩的性状与承载力仍是一个主要研究的方面。因此，一般桩假设为竖向受力 结构体系。并作如下假定： 1 、地基土为半无限体、各向同性的弹塑性体材料。 2 、钢筋混凝土桩假定为连续、均质体材料。 2 2 试验要求和目的 本次试验主要针对螺旋桩的特点，要求测得螺旋桩侧阻力、承载力和桩顶沉 降量关系；另外还需分析研究长度和直径对该新型桩的承载力性状影响如何。 根据上述要求，归纳出各种变化规律，分析螺旋桩的作用机理及承载力性状， 并对现场试桩提出指导意义的要求，进一步通过现场积累的资料，分析归纳出计 算螺旋桩的单桩承载力公式和沉降计算公式，为螺旋桩在工程中的推广应用提供 理论依据。 2 3 试验设计与试桩的制备 基桩静载荷试验方法是检测基桩承载力最为可靠，也是最为成熟的方法，但 在静载试验中仍存在不少问题，包括堆载法和反力梁法，其中堆载法存在不少问 题。 采用堆载平台作加荷系统时，由于堆载量不足，或有时由于堆载吨位过大， 堆载中心难以控制，造成偏心过大，试验中还未达到目标吨位堆载便被向上项动， 堆载平台的两支墩局部出现悬空，以至压力无法加上，试验中止。若不及时发现， 停止加载操作，严重时会出现堆载平台塌方。对于堆载法试验尤其是大吨位堆载 北京交通大学硕士学位论文螺旋桩的现场试验方案 试验，试验前必须编制详细可靠的施工方案，且在现场堆载反力装置过程中应做 好二个一致，即平台的中心应与试桩桩头中心一致，重物的中心应与平台的中心 一致。 在基桩静载荷试验中，测量桩“顶”位移的常用方法是用位移传感器( 或百 分表) 测量桩“顶”相对于基准梁的位移量。在试验过程中基准梁稳定与否相当关 键。对人工设置的基准桩而言，对其稳定性影响较大且容易被忽视的因素就是堆 载重量对地表产生的附加压力引起其稳定性的变化。尤其大荷载堆载试验，必须 严格按规范的要求，即试验桩、基准桩、支承墩三者的距离即使能满足4 d ，且 2 m ( d 为桩身外径) ，堆载时仍发现支承墩出现明显下沉现象，在一定程度上影响 着基准桩( 梁) 的稳定性。 本次试验对比两种加载方法，并考虑到试验要加载的桩承载力较高，堆载存 在的各种问题无法有效解决，影响试验的准确性，所以本次试验采用反力梁法进 行加载。 2 3 1 静压桩现场试验设计 现场挖出一个试验槽，平面尺寸为1 2 m 8 m ，深度为无限深( 天然地基) 。所 需的试验设备为： 1 ) 锚桩横梁反力装置。由锚桩、主梁、次梁、拉杆、承压板、千斤项等组成 ( 参见图2 - 1 ) 。锚桩反力梁装置提供的反力不应小于预估最大试验荷载的1 2 - 1 5 倍。当采用工程桩做锚桩时，锚桩数量不得少于四根，当要求加载较大时，有时 需要六根锚桩甚至更多锚桩。现场试验时的反力装置采用四根锚桩提供反力( 参 见图2 - 2 ) 。 2 ) 沉降测量装置。包括基准梁、百分表和位移传感器。沉降测定平面宣在桩 顶2 0 0 r a m 以下位置，最好不小于0 5 倍桩径，测点应牢固的固定于桩身，即不得在 承压板或千斤顶上设置沉降观测点，避免因承压板变形导致沉降观测数据误差。 直径大于5 0 0 r a m 的桩，应在其两个方向对称安装4 个百分表或位移传感器，直径小 于等于5 0 0 r a m 的桩可对称安装2 个百分表或位移传感器。 3 ) 荷载测量装置。包括油泵、r s j y c 桩基静载荷测试分析仪和j x g - 1 型钢筋 应力计、g p c - 6 多路频率接收仪。试验采用千斤顶与油泵相连的形式，通过并联于 北京交通大学硕士学位论文螺旋桩的现场试验方案 油泵的压力传感器测定油压，根据千斤顶的率定曲线换算荷载，试桩采用i i s j y c 桩基静载荷测试分析仪进行测量，实现了加卸载与稳压的自动化控制，不仅减轻 检测人员的工作强度，而且试验数据准确可靠。 il 锚桩 厶顶 图2 - 1 静载反力梁装置 图2 2 试桩锚梁反力架及加力系统 4 ) j x g - l 型钢筋应力计焊接在桩的主筋上( 参见图2 3 ) ，用于测量钢筋的应 力 5 ) 在每级荷载下分别测读沿桩身的应力，通过截面再换算出各截面的轴力， 以便研究桩顶荷载沿桩身的传递规律。 2 3 2 试桩的制备 本次试验共两种类型9 根桩，布置于加力架下。试验时在桩底部和截面不同位 置安置钢筋计。 现场试验桩型统计表参见表2 1 ，各种桩型几何形状设计参见图2 - 6 ( a ) 、( b ) 。 北京交通大学硕士学位论文 螺旋桩的现场试验方案 表2 一l滚压成型螺旋灌注桩试桩统计 桩桩长桩径螺旋外径 桩型砼强度实验方法持力层 号( )( m )( m ) l螺旋桩1 95 0 07 0 0c 3 0 慢速维持荷载法 第7 层粉质粘土 2 直桩 1 95 0 0c 3 0慢速维持荷载法第7 层粉质枯土 3螺旋桩83 5 05 0 0c 3 0 慢速维持荷载法 第5 层粉质粘土 4 螺旋桩 85 0 07 0 0c 3 0 慢速维持荷载法第5 层粉质粘土 5 螺旋桩 1 26 0 08 5 0c 3 0 慢速维持荷载法第6 层粉质牯土 6 螺旋桩 85 0 07 0 0c 3 0 慢速维持荷载法第5 层粉质粘土 7 螺旋桩 84 0 05 6 0c 3 0 慢速维持荷载法第5 层粉质牯土 8直桩 84 0 0 c 3 0慢速维持荷载法第5 层粉质粘土 9直桩 8 5 6 0 c 3 0 慢速维持荷载法第5 层粉质粘土 ( a ) 钢筋笼上安装钢筋计( b ) 正在检测钢筋计 图2 - 3 钢筋计的安装与检测 _ 一。，j 多j i i | 、。，j i | -_ | | | 。j 一。 | | 一 6 图2 4 试、锚桩平面布置 1 4 fjidl 北京交通大学硕士学位论文 螺旋桩的现场试验方案 根据试桩的桩径和长度，为能充分利用现有场地条件，各桩平面布置如图2 4 ， 图中空心圆圈分别为试桩，桩编号为1 9 ，详细桩型尺寸可与表2 - 1 对照。实心黑 圆圈为锚桩( 共6 根) 。试桩和锚桩均采用螺旋钻成孔，形成直孔后，再放入滚压 成孔器滚压形成螺旋桩孔。桩端持力层为勘察报告中的第5 层和第7 层粉质粘土， 试桩共9 根，桩型为干作业混凝土灌注桩。 ( 1 ) 试桩的制各 图2 5 螺旋桩滚压成型施工过程示意图 根据工程中常用的材料配比配制试桩，桩身采用c 3 0 混凝土，h p b 2 3 5 级钢筋、 h r b 3 3 5 级钢筋，桩身钢筋保护层厚度5 0 l 姗。在试桩的制备过程中，试桩顶部一般 应予加强，在桩顶配置加设郧 6 0 钢筋网3 层，间距l o o m 。为安置沉降测点和 仪表，试桩顶部露出试坑底面的高度不宜小于6 0 0 珊n ，试坑底面宣与桩承台底设计 标高一致。另外，试桩的成桩工艺和质量控制标准应与工程桩一致。为缩短试桩 养护时间，混凝土强度等级可适当提高或掺入早强剂。螺旋桩成桩过程见图2 5 。 ( 2 ) 桩身钢筋计的布置 根据设计要求，所有试桩在不同深度布置钢筋计，各试桩及锚桩的钢筋计埋 设位置参见表2 - 2 。 北京交通大学硕士学位论文螺旋桩的现场试验方案 盛 锚桩 脚 试桩l 煳 试桩6 试桩2 ( a ) 删 脚 试桩7 ( b ) 图2 - 6 桩型图 1 6 燃 试桩3 蚓 试桩4 雎 试桩9 曹1丞q11_jlilid8叶【lj 一 圃嘲蝌嘲懒焖蝌焖卅unu蹦 1ll|11ijl矗蚕11ijiiii1 溶 昔岬l叠苍吖jjif|l_1 一 桩 厕例嘲嘲嘲嘲删剐嘲峭u丌u硒 试 北京交通大学硕士论文螺旋桩的现场试验方案 ( 3 ) 试桩养护 在桩身强度达到设计要求前，从成桩到开始试验的间歇时间，根据大量资料 统计，对于砂类土，不应少于1 0 天；对于粉土和粘性土，不应少于1 5 天：对于淤 泥或淤泥质土，不应少于2 5 天。 ( 4 ) 土的物理力学性质指标 本次实验场地为哈尔滨锅炉厂电塔家园c 、d 、e 、f 栋场地的粉质粘土，经过 对现场的系统勘探，测定土的物理力学性质指标如表2 - 2 。 表2 - 2 土的物理力学指标 厚度含水量孔隙比 液性 压缩模 内摩 粘聚 地基 编号名称 指数 量e s 擦角 力 承载 ( m )( )e 妒( 度) ( k p a ) 力 l l ( - 口a ) ( k p a ) 2 粉质粘土 2 2 5 1 9 60 6 3 90 1 55 9 8 1 0 3 5 41 9 0 3 粉质粘土 3 8 02 3 40 7 6 10 4 96 79 72 5 91 5 0 4 粉质粘土2 0 02 1 30 7 3 60 3 36 8 61 6 83 6 41 7 0 5 粉质粘土5 0 5 2 3 3 0 7 5 7 0 5 4 5 2 8 32 3 61 5 0 6 粉质粘土 1 2 02 4 60 7 6 70 6 84 7 43 01 2 41 3 5 7 粉质粘土4 4 0 2 2 9 0 6 8 6o 5 25 7 5 6 5 1 5 51 7 0 8 粉质粘土 5 5 02 7 10 7 3 2o 8 35 6 73 o1 3 31 7 5 9 粉质粘土 3 22 3 20 6 6 80 5 27 2 49 62 5 11 8 0 1 0 粉质粘土 4 5 2 3 90 7 0 10 8 05 1 5 9 62 5 1 1 8 0 2 4 静载压桩试验 试验采用静载压桩试验，试验场地选在哈尔滨锅炉电塔家园。试验桩共有9 根， 锚桩6 根，试验中要求承压桩压至破坏，从而测定其极限承载力和桩沉降、同时测 定在各分级荷载下桩身轴力的分布。 目前静载试验常用的加载方式有慢速维持荷载法、快速维持荷载法、循环加 1 7 北京交通大学硕士论文螺旋桩的现场试验方案 载试验法、等变形速率法及终级荷载长时间维持法等。 2 4 1 试验的加载方法 本次试验采用慢速维持荷载法和快速维持荷载法进行试验。 ( 1 ) 慢速维持荷载法 此法是国内外已沿用很久的方法，具体做法是：按一定要求将荷载分级( 9 4 规 范规定：每级加载为预估极限荷载的1 1 0 1 1 5 ) 加载到试桩上去，每级荷载维持 不变直到桩项下沉量达到某一规定的相对稳定标准，然后继续加下一级荷载，当 达到终止试验条件，便停止加荷，再分级卸载直到零。试验周期一般需2 3 天，特 殊情况需时更长。用该法测得的桩顶下沉既包括土的瞬间下沉，又包括土的部分 固结下沉。 ( 2 ) 快速维持荷载法 试验时桩顶加载不要求观测下沉的相对稳定，而以等时间间隔连续加载，9 4 规范规定每隔一小时加一级荷载，所测得的下沉量仅为桩与桩周土的瞬时下沉， 该法通常用于工程桩的检验性试验。 2 4 2 加卸载与沉降观测 ( 1 ) 加载分级；每级加载为预估极限荷载的1 1 0 - 1 1 5 ，第一级可按2 倍分级 荷载加荷； ( 2 ) 沉降观测：每级加载后间隔5 、1 0 、1 5 m i n 各测读一次，以后每隔1 5 m i n 测 读一次，累计1 h 后每隔3 0 r a i n 测读一次每次测读值记入试验记录表； ( 3 ) 沉降相对稳定标准：每一小时的沉降不超过0 1 r m r , 并连续出现两次( 由 1 5 h 内连续三次观测值计算) ，认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。 ( 4 ) 终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载： 1 ) 在某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5 倍； 2 ) 在某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2 倍，且 经2 4 h 尚未达到相对稳定； 3 ) 已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。 1 8 北京交通大学硕士论文螺旋桩的现场试验方案 ( 5 ) 卸载与卸载沉降观测：每级卸载值为每级加载值的2 倍。每级卸载后隔 1 5 r a n 测读一次残余沉降，读两次后，隔3 0 r a i n 再读一次，即可卸下一级荷载，全部 卸载后隔3 4 h 再读一次。 2 4 3 桩身轴力量测 由于桩的钢筋与混凝土的协同变形， 个位置钢筋上的钢筋计的读数换算求得， 桩身各截面的轴力变化由布置在桩身各 各桩钢筋计布设位置及间距见表2 - 3 。 表2 - 3 各桩钢筋计布设位置及间距 3 号、4 号、7 锚桩及1 号2 号5 号6 号、8 号 号、9 号 一 一 1 4 6 0 9 6 6 0 7 1 e 6 d撇 2 0 0 0 4 翻田 3 0 0 0 8 4 3 6 4 0 0 0 3 姗 刁 3 0 0 0 0 0 3 7 2 2 一 5 姗 2 0 0 0 团 匆0 d 3 0 0 0 6 2 0 0 0 1 一 2 一 4 一 l 匕 5 3 0 0 0 锄 3 0 0 0 2 0 0 0 4 l - 3 一 3 帕 2 0 0 0 3 0 0 03 2 2 0 0 0 2 3 0 0 0 2 0 0 0 l 3 4 0 l 3 4 0 衄 1 9 北京交通大学硕士论文螺旋桩的现场试验方案 2 5 本章小结 本章主要介绍了螺旋桩现场试验方案，包括静载试验的目的、要求和现场试验 的设计等几个部分，确定了把桩身轴力量测和桩顶的沉降观测作为试验数据采集 方法。 2 0 北京交通大学硕士学位论文试验资科的整理和分析 3 试验资料的整理和分析 桩身轴力的分布是分析桩承载力特性的重要依据。根据桩身的内力值( 表中 桩在受压时的轴力采用正值) 可绘出荷载沿桩身的分布规律，桩的轴力值及其沿 深度的变化规律进行分析，由于试验过程中，锚桩变形量较大，4 号试桩未进行试 验。 3 1 桩基工作特性的分析方法 近几年桩基础在工程中的应用日趋增加。由于桩基造价较高，合理确定桩承 载力有重要的意义。通常情况下，由土控制的单桩承载力是靠桩土之间的阻抗特 性而决定的。阻抗是指土对桩的轴向阻力和横向阻力。轴向阻力包括侧阻和端阻； 横向阻力包括侧抗和端抗。阻抗分析是桩基理论和实践中的重要问题，其正确与 否直接影响桩基的设计。研究桩侧阻力和端阻力的分配比例，并做出定量的评价， 是研究单桩垂直承载力的重要组成部分，也是分析荷载传递机理的基础，是有关 于地基基础和桩基规范中确定单桩极限侧摩阻力和端承力的前提，是设计部门通 过静力计算公式进行单桩承载力估算的依据。 目前静载试验是确定单桩承载力的主要方法，同时静载试验也是动力试桩法 研究应用推广的基础。在按静压桩试验确定桩的破坏荷载( 极限荷载) 时，如 采用不同的破坏标准，所得会有一定的出入，有时出入较大。国内外各种规范 中所采用的试桩破坏标准有许多种，有些方法不易准确控制，并且各种方法的应 用都有一定的局限性。研究探讨能解释静载压桩试验结果的统一方法是当前桩基 设计和计算中的一个十分迫切的问题。 3 1 1 几种常用静载压桩试验破坏标准分析方法 许多建筑规范对静载压桩试验确定桩承载力都有一定的规定。所选定的试桩 破坏标准各有不同。下面对几种常用的破坏标准分别进行分析讨论： ( 1 ) p - s 曲线第二拐点法 北京交通大学硕士学位论文试验资料的整理和分析 这是一种常用的判定单桩破坏荷载的方法。以p - s 曲线上出现第二拐点所对应 的荷载值作为单桩的破坏荷载。当桩顶的荷载较小时，p - s 曲线近似为直线变化， 桩周围土体处于弹性变形状态。随着荷载的增加，桩周围的土体逐渐向塑性变形 状态过度，桩顶沉降量加大，p - s 关系表现为曲线变化( 如图3 - i ) ，在p _ s 曲线上 出现第一拐点。当桩顶荷载达到桩的极限荷载时，桩周围土体全部进入塑性变形 状态，桩顶沉降极速增加，在p s 曲线上出现第二拐点。利用这种方法有一定的局 限性，因为对支撑于坚硬土( 岩) 层上的试桩，试验往往不能做到破坏荷载。在 实际工程中还可能利用工程桩作为试桩，也不允许做到破坏。通常做法取最大荷 载作为单桩的极限承载力，故这时用p - s 曲线第二拐点法判定破坏破坏荷载是不准 确的且有时是不现实的。 t n 癌 o s p u p 图3 - ip s 曲线第二拐点法图3 2p s 曲线切线交汇法 ( 2 ) p - s 曲线切线交汇法 有些试桩卜s 曲线第二拐点不明显，这是判断p u 值就很困难。p - s 曲线的切线 交汇法( 如图3 2 ) ，是取p - s 曲线开始段及末尾段的切线交点所对应的荷载为单桩 的破坏荷载。利用这种方法判定p u 值，两条线汇交成的交点所对应的荷载一般小 于卜s 曲线第二拐点所对应的破坏荷载值，结果偏小。针对实际试桩p - s 曲线的初 始段与末尾段切线的做法，人为因素对结果影响较大。 ( 3 ) s - i g p 与l g p i g s 法 有些p s 曲线的拐点极不明显，那么通过坐标变换，利用s i g p 或i g p i g s 曲线 代替p s 曲线，即可获得明显的拐点。此点对应的荷载即为试桩的破坏荷载。这种 北京交通大学硕士学位论文 试验资料的整理和分析 方法与p s 曲线第二拐点法判定的结果接近，对于端阻比例较低的摩擦桩或长桩此 法尤为重要。 0 s o b s fb p 图3 3s - i g t 曲线法图3 4p - s p 曲线法 p ( 4 ) s - 1 9 t 法 根据s - i g t 曲线( 如图3 3 ) 的线性形态交化判断试桩的破坏荷载，一般做法 为某级荷载的s i g t 曲线尾部出现明显转折时，前一级荷载为桩的破坏荷载。 当桩顶荷载接近试桩的破坏荷载时，桩端附近土体开始发生塑性破坏并波及 四周基础。这种现象反应在桩顶沉降随时间变化而发生突变。即s i g t 曲线出现转 折点。一般荷载是等级施加的，可以看出，假如未出现s l g t 曲线末端转折现象， 则当沉降差较前一级荷载增加许多时，也可以认为该级荷载为破坏荷载。特别是 对一些端承摩擦桩，这种情形较多。 ( 5 ) p - s p 曲线法 该法是根据p - s 曲线斜率来判断试桩破坏荷载的一种方法。反应桩在荷载作用 下，破坏荷载与桩沉降速率之间的关系。当荷载达到p u 时，卜a s p 曲线( 如图 3 - 4 ) 上也明显出现第二拐点位置。 ( 6 ) 极限沉降控制法 桩在破坏荷载作用下，要产生一定的沉降位移。通常认为此时的沉降位移为 极限沉降。它可作为判定桩极限荷载的条件之一。然而由于桩土作用相当复杂， 同时由于桩身材料、桩周土层、桩端土层性质不同，很难确定一个极限的标准。 一般认为，桩端持力层为粘性土时，s = o 3 d ；为砂性土时，s = o i d ( d 为桩径或界 北京交通大学硕士学位论文试验资料的整理和分析 面边长) 。 ( 7 ) 霍塞尔法 由于塑性体在剪应力超过某一数值后，会随时间以一定速率发生变化，因此 取荷载p 为横坐标，桩顶加载和3 0 6 0 分钟的沉降值为纵坐标，可得一折线，取转 折点所对应的荷载为极限荷载。 刁： s us 图3 - 5p _ s 曲线拟合 图3 - 61 k s 的变化关系 ( 8 ) 双曲线拟合法 拟合试桩的p _ s 曲线发现，桩顶荷载p 与沉降s 关系可近似的用双血线关系式表 p l a + b s 式中a 、b 为试验常数。可将上式改写为： 鱼a b s p ( 3 1 ) ( 3 2 ) 令k = p s 为桩荷载一变形曲线的割线模量( 如图3 - 5 ) ，将其代入( 2 ) 得 三a + 嬲 k 令1 k - s 关系为直线( 如图3 - 6 ) ，该直线与纵轴的截距为a 。即 a j 【_ k m 该线斜率的倒数为桩顶沉降趋于无限大的荷载只。，即 ( 3 0 ) ( 3 4 ) 北京交通大学硕士学位论文试验资料的整理和分析 吃：i1(3-5) o 令et 兄n 为破坏比，得 = 气e ( 3 6 ) 当桩急剧下沉或接近于急剧下沉时认为达到破坏，以桩p - s 拟合曲线上切线斜 率达n o 1 m k n 时达到或接近于急剧下沉。 ( 9 ) 根据沉降s 的值判定极限承载力 g b j 7 - 8 9 ) ) 规定：当桩顶总沉降达到4 0 姗后，继续增加二级或二级以上荷