（检测技术与自动化装置专业论文）砼芯水泥土搅拌桩单桩性能研究.pdf

一塑查垄芏堡主堡垒圭堂堡垒查兰 ? 3 9 3 9 9 v 中文摘要 本文介绍了砼芯水泥土搅拌桩在国内外的发展概况，并对其发展前景进行了展望。砼芯水 泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩基础上发展起来的一种新桩型，其桩体由水泥土外桩和混凝土 内芯桩组成。其具有施工方便和造价低廉等优点，具有广阔的发展前景。 本文通过理论分析建立砼芯搅拌桩的内力和变形方程和利用有限元分析软件a n s y s 建立承 台一桩一土的三维实体模型，对砼芯搅拌桩的竖向荷载作用下的单桩性能进行了分析。着重 分析了砼芯水泥土搅拌桩的竖向荷载在桩身内外芯和桩土各部分间的分配，砼内芯桩与水泥 土外芯桩在荷载传递过程中的相互作用和共同工作特性，以及影响单桩沉降的因素包括硷内 芯的直径和长度、水泥土和桩周土体的弹性模量等。并对比分析了同比( 桩长相同、桩径相 同) 砼芯水泥土搅拌桩、水泥土搅拌桩和混凝土钻孔灌注桩，得到了他们的荷载沉降曲线、 桩身应力曲线、桩身轴力曲线等，通过这些曲线对他们的荷载传递规律以及变形特性进行了 深入的分析。根据两种方法的分析结果，都表明砼芯水泥土搅拌桩桩的性能同水泥土桩具有 很大差别，而同混凝土桩十分类似。 最后根据砼芯水泥土搅拌桩的性能，提出了该类桩应用于工程中的设计计算原理，并为 砼芯水泥土搅拌桩的施工提出了一些技术措施和建议，以期达到对该新桩型的进一步发展提 供定的借鉴意义。 关键词：砼芯桩；侧摩阻力；有限元分析；荷载传递 ! i 墨 a b s t r a c t t h ep a p e rf i r s tr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fc e m e n t e ds o i lp i l ew i t hs t r o n gc o r e ，t h e np r o s p e c t s t h ef o r e g r o u n do f i t c o n c r e t e c o r e dd e e pc e m e n tm i x i n gp i l ei san e wp i l et y p eb a s e do nc e m e n ts o i l p i l e ，w h i c hi sc o m p o s e do f a ni n t e m a lp r e c a s t c o n c r e t ep i l ea n da ne x t e r n a ld e e p c e m e n t m i x i n gp i l e s o c k e t t h en e wt y p eh a sas e r i e so fa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hc o m m o nc a s t i n 。s i t up i l e ，s u c ha s h i g b e rc a p a c i t y ，l o w e rc o s t ，m o r er e l i a b l eq u a l i t ya n dl i g h t e rp o l l u t i o n s oi t i san e w t y p eo fp i l e w i t hb r i g h tf u t u r e b a s e do nt h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h ef o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gt h ei n t e r a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no f c o n c r e t e c o r e dd e e pc e m e n tm i x i n gp i l ea r ef o u n d e da n du s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r et h et h r e ed i m e n s i o n a lb o d ym o d e lo ft h ep i l e s o i l r a f ti se s t a b l i s h e d ，t h e nt h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o n c r e t ec o r e dc e m e n t s o i ls i n g l e p i l ei sa n a l y z e du n d e rt h ea x i a ll o a d t h ep a p e rf o c u s e so n t h el o a dd i s t r i b u t i o nm a dl o a dt r a n s f e ra m o n gs o i i ，p i l e - c o r ea n dp i l e - s o c k e t ，t h ei n t e r a c t i v eb e h a v i o r o fc e m e n t s o i lr i n ga n dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r ea n ds o m ec o r r e s p o n d i n gf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e d i s p l a c e m e n to ft h ep i l e w h i c hi n c l u d et h ev a r i o u sc o r el e n g t h ，t h es e c t i o nr a d i u s ，t h ee l a s t i c m o d u l u so fs o i la n dc e m e n t - s o i le t c b yt h ec o m p a r i s o no f t h es a l l l et y p eo fc e m e n t s o i lm i x i n gp i l e w i t hc o n c r e t ec o r e ，c o n c r e t ep i l ea n dc e m e n t - s o i lp i l ew h i c hh a v et h es a m ep i l el e n g t ha n dp i l e d i a m e t e r , w eg e tt h eq - sc u r v e ，t h ea x i a lf o r c eo f p i l eb o d yc u r v e ，t h es t r e s so f p i l eb y f i n i t ee l e m e n t p r o g r a mt h r o u g ht h et w od i f f e r e n tm e t h o d s ，w ec a nf i n d t h a tt h ep r o p e r t i e so fc o n c r e t ec o r e d c e m e n t s o i lp i l ea r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h ec e m e n t - s o i l ，b u ts i m i l a rt ot h ec o n c r e t ep i l e i nt h ee n d a c c o r d i n gt h ep r o p e r t yo ft h ec o n c r e t ec o r e dc e m e n t - s o i lp i l e ，t h ep a p e rp u tf o r w a r d t ot h ep r i n c i p l eo f d e s i g nc o m p u t a t i o na p p l y i n gt ot h ew o r k ，a n da d v a n c e ss o m et e c h n i c a lm e a s u r e s a n da d v i c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep i l e t h ea u t h o re x p e c t st h et h e s i c o u l ds u p p l ys o m eh e l pt o t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f t h ec o m p o s i t ep i l e k e y w o r d s ：c o n c r e t e c o r e dp i l e ：s k i nf r i c t i o n ： f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；l o a dt r a n s f e r r i n g 2 河南大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 桩基概述 桩基础是一种历史悠久的基础使用型式，在土木工程中应用非常广泛。从古代的木桩开 始发展到现在的钢筋混凝土桩基础，随着人类社会的发展、经济的进步和科技的提高，桩基 础型式也在逐渐发展变化，以满足建筑物的需要。 对于软弱的天然地基，一般需要对地基进行处理或采用桩基础”。在我国沿海地区和内 陆江河湖泊的周围，分布着大面积的软弱土地基。软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、 杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基。淤泥和淤泥质土通称为软 士，是组成软弱士的主要土类。软士的特性是天然含水量高、天然空隙比大、抗剪强度低、 压缩系数高、渗透系数小，在外荷载作用下地基承载力低、变形大。因此在软土地区上的工 程建设中，为了保证工程设施的正常使用并尽可能的降低工程造价，就必须找到一种经济有 效的方法来控制基础沉降和提高软弱土层承载力。 在软弱土地区建造高层或多层建筑，采用天然地基通常难以满足承载力与变形要求，要 对地基进行处理。处理软弱土地基的方法有换土垫层法、深层密实法、排水固结法、加筋法 等。而采用桩体复合地基或桩基础是处理软弱土地基的常用方法。桩体复合地基是指由两种 刚度( 或模量) 不同的材料( 桩和桩间土) 所组成，在刚性基础下两者共同分担上部荷载并 协调变形的地基。在桩体复合地基的桩和桩间土中，桩豹作用是主要的，决定着复合地基的 承载力。桩体复合地基中桩的类型很多，性能变化较大。根据桩所采用的材料不同，桩体复 合地基可分为：散体土类桩( 如碎石桩、砂桩) 、水泥土类桩( 如水泥土搅拌桩、旋喷桩) 以 及混凝土类桩；根据成桩后桩体强度( 或刚度) 不同，上述三类桩又可分为柔性桩、半刚性 桩和刚性桩。散体材料桩的桩体材料没有粘聚力，是依靠桩周士的侧限力而成桩，承载力主 要由侧限力决定：半刚性桩和刚性桩的承载力主要取决予桩侧摩阻力和桩端阻力以及桩体本 身的强度。复合地基虽属地基范畴，但与桩基础有共同之处，即都是以桩的形式处理地基。 复合地基有几个明显的特点：( 1 ) 它是由桩体和桩周土共同组成的地基而不仅仅是桩基础；( 2 ) 加入的桩体材料的强度和变形模量明显大于原地基土的相应指标；( 3 ) 在刚性基础的作用下， 桩体和桩周土共同工作并符合“变形协调”原理：( 4 ) 地基的强度和变形体现出复合作用的 结果。 采用桩基础时，上部结构荷载主要由桩，再通过桩端阻力和桩侧摩阻力传给地基土层， 桩间土并不直接承担荷载或承担荷载比例很小。 第一章绪论 根据成桩的方法和工艺，桩基础可分为预制桩、就地灌注桩等几种形式。 预制桩包括钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩和钢管桩等。其优点是：桩的单位横 截面积承载力高；桩身质量易于保证和检查；桩身混凝土的密度大、抗腐蚀能力强；施工工 序简单，工效高。缺点是：用钢量大、接头费用高，成本较高：由于用锤击或振动法沉桩， 施：l ：噪音大，污染环境；采用静压方法又往往受地层条件和压桩能力限制而不能普遍推广。 掘凝土灌注桩的优点是：可适用于各种土层：承受轴囱压力时，可不配或少配钢筋，比 预制桩经济；采用大直径灌注桩，单桩承载能力大。缺点是：桩的质量不易控制和保证，容 易出现断桩、缩颈、漏筋和泥夹层等现象；桩身直径变化较大，孔底沉积物不易清除干净； 单桩的承载能力影响因素较多离散性较大。 目前，大多数城市在1 0 层以下的多、高层建筑中p j ，大量使用水泥士搅拌桩复合地基和 混凝土灌注桩基础进行地基处理。水泥土搅拌桩“。是采用一种成孔喷浆( 喷粉) 搅拌 三位一体的专用机具，在设计加固深度范围内，把水泥浆( 粉) 与被切碎了的地基土强行原 位搅拌均匀通过水泥浆( 粉) 与土颗粒一系列物理化学作用和一定的时间历程，逐渐固化 结硬的水泥土桩体，桩与土组成复合地基。根据工程需要这种桩可施工成单桩体、多桩相互 搭结的墙体或片状实体等形式。由于其施工简单方便并具有较好的经济性，在工程中得到大 量应用，广泛应用于地基加固、基坑围护、坝体防渗等各类：翻呈中。水泥土搅拌桩可分为水 泥浆搅拌( 湿法) 和粉体喷射搅拌( 干法) 两种，前者用水泥浆和地基士搅拌成桩，后者用 水泥粉和地基土搅拌成桩。 由于水泥土搅拌桩施工时无震动、无噪音、无污染、造价低，因此在多层建筑地基处理 中应用日益广泛。根据1 9 9 8 年以前的统计p ，天津市在多层住宅建设中，水泥土搅拌桩复合 缝基占地基处理总面积的5 0 以上，取得了比较满意的效果。但是由于水泥土搅拌桩桩身强 度较低，受有效桩长的限制，对地基承载力提高有限( 一般为1 5 - 2 0 倍) ，通常难以满足高层 建筑对承载力与变形的要求，而且受土层情况、施工设备和施工队伍素质的影响，易造成水 泥土搅拌不均、桩身不连续等质量酶患。例如，对地基承载力较高的土层，采用水泥搅拌法 进行加固，一旦施工质量达不到要求，由于搅拌机械对土的扰动，破坏了原土体结构，其效 果有时反而比天然地基还差；另一方面，被加固土土质松软也易造成桩身强度不连续，使荷 载不能有效传递，影响加固效果，水泥土搅拌桩中由于桩身强度荷载不能有效传递到桩身下 部，当桩顶水泥土被压坏时，桩全长范围的桩侧摩阻力远远没有发挥出来，实测表明水泥士 桩的低模量使桩存在着所谓的临界桩长【6 。”，当施加在桩顶的荷载增加时并不能使桩的轴力和 变形向更深的深度传递，而是使临界桩长范围内的桩身变形增大以抵抗外荷的增加，侧摩阻 力的发挥也仅局限于有效桩长范围内。 出于水泥搅拌桩存在上述不足之处和质量隐患，近几年应用逐渐减少，而粉喷桩在某 些地区己被禁止使用。 2 河南大学硕士研究生学位论文 钢筋混凝土桩具有较高的桩身强度，但是在以利用侧摩阻为主的软土地区，桩身强度不 能充分发挥，造成材料强度浪费，使工程造价提高。钢筋混凝土桩桩长小于2 0 米时，桩的承 载力通常只有桩身混凝土材料本身能提供承载力的5 0 ，甚至更低。 在处理软弱土地基时，水泥土搅拌桩和钢筋混凝土桩表现出两种不同的破坏模式：前者 为桩身强度破坏，后者为桩周土破坏。这两种桩由于桩身强度和桩侧摩阻力不匹配，造成承 载力低或桩身强度浪费。我们希望找到一种更好的桩型，能综合水泥土搅拌桩和钢筋混凝土 桩的优点，克服其缺点，实现桩身强度和桩周( 端) 土承载力的良好匹配。砼芯水泥土搅拌 桩就是在取水泥土搅拌桩和刚性桩所长与不足的基础上，综合互补而新提出的一种新型桩基 形式。这种桩使荷载能更有效的传递，并具有较高承载力和较低的造价且施工方便。 砼芯劲性水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩成桩之后，水泥土初凝之前，用压桩机械将刚 性加强体( 如预制钢筋混凝土芯桩) 压入水泥土体内，待水泥土凝固后，芯桩与水泥土共同 工作承受上部荷载的一种新桩性。与传统的匀质材料桩不同，砼芯水泥土搅拌桩由水泥土和 芯桩组合而成并共同工作，兼具钢筋混凝土桩和水泥土搅拌桩的特点，由于施工方便、造价 低、承载力高和质量稳定的优点而显示出强大的生命力。 1 2 砼芯水泥土搅拌桩国内外研究现状 在搅拌桩的发展历程中，人们尝试过各类劲性搅拌桩，如加入钢筋或竹筋的加筋水泥土搅 拌桩【8 | 、加入型钢的s m w 工法加劲水泥土连续墙【9 _ 1 ”、加入预制微型钢筋混凝土桩的砼芯水泥 士搅拌桩l i “等。 劲性搅拌桩最早出现在日本。其前身是1 9 7 6 年日本发明的一种地下连续墙施工方法又 称s m w 工法( s o i lm i x i n gw a l l ) 。这是目前应用较为广泛的一种劲性搅拌桩施工方法。它是 在深层搅拌工法和地下连续墙的基础上发展起来的一种新型的深基坑支护技术，其特点是利 用水泥土的特性，在地下深处注入水泥系固化剂，经机械搅拌，将软土与固化剂和成致密的 水泥土地下连续墙，并在墙体内插入受力钢材构成复合材料共同抵抗侧向压力并起到止水作 用，从而形成具有一定强度和刚度的连续无接缝的劲芯水泥结构。工程实践表明。该工法利 用了水泥土的抗压性，抗渗性和钢材的抗弯性，具有止水性好、刚度大、构造简单、施工速 度快、占地少、无泥浆污染、型钢可回收重复使用、成本较低等优点。至1 9 9 3 年7 月该法在 日本各地施工实业绩已达到1 2 1 6 万m 2 ，约合8 0 0 万m 3 ，约占全日本用各种工法施工地下连 续墙结构的5 0 t ”j 。 2 0 世纪9 0 年代，日本近2 0 家大公司和研究机构合力开发了种新桩型，其主旨力图 既能保持预制桩、灌注桩的各种优点又能从根本上消除其许多不足。并已进行了大量室内 外试验，取得了预期效果。 第一章绪论 这种桩称为“肋型钢管水泥士桩”其：l 艺流程大致是：先用大型搅拌杆将水泥乳浆从其 喷口以高压喷入地基并强行与原土搅拌，自地面徐徐往下，直至预定深度而形成一浆状水泥 土柱；然后将搅拌杆自下而上边搅边提，直至地面；再将一表面有肋的钢管插入水泥土，待 水泥土结硬而成桩。水泥乳浆的水灰比为1 6 5 ，进入持力层后改用较稠的乳浆。乳浆用量约 为被搅拌土体体积的8 5 。所形成的水泥土结硬后的抗压强度，桩身为o 5 1 0 m p a ，桩端为 6 1 0 m p a 。 肋型钢管系专门卷制。钢管外表通常有肋，底端进入持力层部分则内外有肋，肋呈螺旋 状，螺旋角小于4 0 。，螺距4 0 m m ，肋高3 r a m ，钢管壁厚6 2 2 m m 不等，直径从5 0 0 r a m 至 2 m 甚至更大。拉拔试验表明，单面有肋钢管与水泥土之间的粘结力为光面钢管的8 倍，双面 有肋的更高。因此，这种钢管作为桩体主要受力骨架，能与水泥土形成整体而协同工作，不 发生滑移。测试表明，桩顶荷载可由钢管的肋有效地传递给水泥土，水泥土又将荷载有效的 传递给桩周和桩底土。载荷试验表明，肋型钢管水泥土桩按水泥土外径泛算得桩侧和桩端阻 力均高于常用的灌注桩的发挥值。这种新桩型把软土地基加固的有效手段深层搅拌技术 与大直径灌注桩和钢管桩三者融合为一体，扬其长而避其短，是典型的劲性砼芯桩形式之一。 早在1 9 7 7 年，日本混凝土工业公司也申报了一项专利技术，与“肋型钢管水泥土桩”不 同之处是在水泥土搅拌桩内插入混凝土芯桩，并针对土层情况，对薄弱土层或桩端部分进行 扩径和注浆搅拌。 在国内，随着搅拌桩在我国应用业绩的增多和国外陆续取得的一些显著成果，一些科研、 设计、施工部门陆续研究探讨了各种劲性搅拌桩结构，如加筋水泥土搅拌桩、竹筋水泥土搅 拌桩等，1 9 9 4 年s m w 工法首次在我国基坑工程中得到成功应用 15 - 1 6 后经不断研究开发， 该项技术正逐步得到完善，标志着我国搅拌桩应用技术已达世界先进水平。1 9 9 2 年上海市在 高层建筑基坑围护工程中，首次采用了水泥土搅拌桩中插入型钢形成复合桩：1 9 9 4 m 1 年沧州 机械施工公司将一根长4 4 m ，上端直径2 3 0 r a m ，下端直径1 8 0 m m 的圆锥形空心钢筋混凝土 电线杆插入直径5 0 0 m m ，长8 0 m 的水泥土搅拌桩内作为劲性桩芯，静载荷试验结果表明其极 限承载力达4 5 0 k n ，而相同条件搅拌桩极限承载力仅1 6 0 k n 。1 9 9 51 ”年上海市隧道公司施工 技术研究所和江阴建筑安装总公司机械施工公司也共同成功开发了型钢水泥土复合桩，并于 1 9 9 9 年被国家建设部、上海市建委列为重点推广应用项目。 1 9 9 9 年初，由天津大学、沧州机械施工公司和天津质检站组成课题研究组”，开展了水 泥土搅拌桩与钢筋混凝图电线杆组合桩工法的系列试验和应用研究，先后在天津大学六里台 小广场杨村国税局住宅工地完成了两批共4 2 根组合桩的对比试验。得出结论，组合桩承载力 是钢筋混凝土灌注桩的1 3 5 1 6 倍，是同直径搅拌桩的4 4 5 3 8 偌。 从目前情况来看，劲芯水泥土搅拌桩已在基坑围护和软土地基加固工程中得到推广和应 用，并取得了良好的经济和社会效益。但是，砼芯桩作为竖向承载力建筑桩基，在实际工程 塑壹垄堂竺主堡壅兰堂竺笙墨 中应用较少，相关资料也不多，尚处于研究试验阶段，对其受力机理、承载力计算、设计、 沉降特性及破坏模式还需进一步研究。 1 3 砼芯水泥土搅拌桩的构造 本文研究的砼芯水泥土搅拌桩是一种新型的地基处理和深基坑支护技术，这种技术是在 水泥搅拌桩的基础上发展而来的，即在水泥土搅拌桩成桩之后。水泥土初凝之前，用压桩机 械将钢筋混凝土预制桩芯压入水泥土体内到设计位置，形成以钢筋混凝士预制桩为硬芯、水 泥为外桩的共同受力的结构体，这种结构充分利用了芯桩和水泥土两种材料，其材料强度得 到极好的发挥。 砼芯水泥土搅拌桩的桩身由水泥土外芯和预制混凝土桩内芯所组成。结构如图1 所示， 各部分介绍如下： 1 预制混凝土桩芯 预制混凝土桩一般标号为c 3 0 ，在工厂集中制作，若有蒸汽养护更好。混凝土桩型为变截 面方型桩。采用混凝士桩作为桩芯，利用其高强度，低压缩量的特性；而且混凝土桩与相当 承载强度的钢管桩相比，不仅可：箝约钢材，提供更大的比表面积，而且混凝士内芯表面能与 水泥土搅拌桩外芯结合的更紧，桩内外芯界面上的摩阻更大。这一点对于竖向荷载向桩周的 传递是十分重要的。 、 、钢筋混凝土芯桩 水泥搅拌桩 图1 1 搅拌桩桩身示意图 2 水泥土外芯 水泥土搅拌桩是一种加固软土层的新方法。它是利用水泥浆作为固化剂的主剂，通过特 制的深层搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化刹和软士之间所产生的 一系列物理一化学反应，将软土结硬成具有整体性，水稳定性和一定强度的良好地基。一般 5 第一章绪论 水泥掺入量为1 5 2 0 ，水灰比为o 8 1 1 2 ，桩径为4 0 0 8 0 0 m m 。 1 4 本文所做主要工作内容 城市建设的立体化、交通高速化以及改善综合居住环境已成为现代土木工程的特征，在 现代土木工程的发展中，搅拌桩以其无可比拟的优势越来越受到工程部门的青睐和重视，工 程应用实绩逐年增大，在工程中应用范围也越来越广泛。由于搅拌桩材料水泥土( 或石 灰土) 的力学性能虽然比原土提高了许多，但与混凝土相比其强度和刚度还很差，因而在工 程中搅拌桩更多地用于地层加固或防渗处理，如需作为结构的一部分，则必须在搅拌桩内加 入一定量的加强材料，采用劲性搅拌桩。 砼芯水泥土搅拌桩作为一种在搅拌桩内加入小直径预制混凝士桩芯而形成的复合桩，其 既具有搅拌桩施工方便、造价低廉的优点，同时由于混凝土芯的存在，其性能较普通水泥土 搅拌桩有了较大的改善，具有广阔的应用前景。然而，由于该类桩为近年来才提出的一种掰 型桩，对其分析理论和技术的研究还处于起步阶段，缺乏对工程应用具有指导作用的理论依 据，工程应用实例还很少见。因此，加强砼芯水泥土搅拌桩理论和技术的研究具有重要的意 义。 根据我国目前工程中搅拌桩的应用情况，本文对砼芯劲性水泥土搅拌桩的性能和应用技 术进行了深入研究，主要研究内容包括： 1 。初步阐述了硷芯水泥土搅拌桩的工作性状。分析了砼芯水泥土搅拌桩单桩竖向承载力 发挥机理。认为高强度的桩芯的存在，砼芯插入时的挤土效应，水泥土固化机理是该桩承载 力提高的主要原因。 2 用理论分析和数值分析方法探讨砼芯水泥土搅拌桩单桩在竖向荷载作用下桩土相 互作用机理及桩的荷载传递规律。 3 本论文采用结构有限元分析软件a n s y s 7 0 进行了水泥土组合桩的有限元分析，结合采 用理论分析方法对比探讨了砼芯水泥土搅拌桩单桩在竖向荷载作用下的工作性状，通过不同 的计算参数分析了影响砼芯搅拌桩的沉降因素和力学因素。 4 ，提出砼芯水泥土搅拌桩单桩承载力和沉降的计算原理：为该桩的后续开发提供一定的 指导意义。结合搅拌桩和灌注桩的设计和施工的方法和技术，提出砼芯水泥土搅拌桩设计和 施二 中的综合技术原理。 6 河南大学硕士研究生学位论文 第二章破坏模式与理论分析 砼芯水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩中用静压法插入小直径预制混凝土桩而成。它是在 目前使用比较广泛的加固地下连续墙的s m w 工法上发展起来的。考虑用高强度的预制混凝士 桩作内芯来承担竖向荷载，两利用价格低廉的水泥土搅拌桩做外芯来提供桩侧摩阻。因此我 们有必要首先研究一下砼芯搅拌桩在竖向荷载下的性状，这是评价该桩的性能和推广前景并 进一步优化桩身设计得必要工作之一。 2 1 单桩荷载传递综述 竖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于 基础的承载力和沉降的要求。桩顶的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承受。传递到桩端的荷载 由桩端持力层承担，而以剪应力的形式传递给桩周土体的荷载最终也将扩散分布于桩端持力 层。桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩、土体系的传递过程。桩顶受竖向荷载后，桩身 压缩而向下位移，桩侧表面受到向上的摩阻力，桩身荷载通过发挥出来的桩侧阻力传递到桩 周土中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减。随着荷载的增加，桩端出现竖向位 移和桩端阻力。桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧摩阻力进一步发挥。一般来 说，靠近桩身上部土层的桩侧摩阻力先于下部土层发挥，而桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥。 随着外荷载的增加，桩身压缩和位移量增大，荷载向桩土体系的下部传递，使桩身下部的桩 侧摩阻力逐渐发挥出来，桩底土也受到压缩而产生桩端阻力，桩端土体压缩又加大了桩土相 对位移，使桩侧摩阻力更加充分发挥。当桩侧摩阻力全部发挥达到极限后若继续增加荷载， 桩侧摩阻力将不再增加，荷载增量全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层大量压缩并出现塑 性挤压变形，桩端位移加剧，导致桩端土破坏。此时桩所承受的荷载为桩的极限荷载。 2 1 1 均质材料刚性桩的荷载传递机理 对于钢筋混凝土类刚性桩，当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩并产生 相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的 桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减，在桩土相对位 移等于零时，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零而随着荷载增加，桩身压缩量和位移量 增大，桩身下部的摩阻力随之调动起来，桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层 的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥出来，当桩身摩阻力全部发挥出 7 第二章破坏模式与理论分析 来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担，由于桩端持力层的大 擐压缩和塑性挤出。位移增长速度显著增大。直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏。 此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。 2 1 2 水泥土搅拌桩的荷载传递机理 水泥土搅拌桩桩身刚度和强度小，相对钢筋混凝土类剐性桩而言属于柔性桩或半刚性桩。 在荷载作用下，桩体本身压缩量大，因此其荷载传递规律与刚性桩不相同。 试验表明：柔性桩( 水泥土搅拌桩) 在荷载作用下，由于桩体本身压缩性较大，桩侧摩 阻力发挥度自上而下减小，传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例小，当桩较长时，存在一临界 桩长，。，单桩桩身变形、轴力和侧摩阻力主要集中在o t 深度内变化。当深度大于，时，桩 体的变形、轴力和侧摩阻力变化很小，桩与土的变形趋于相同。所以超过f ，的那一部分对提 高水泥士搅拌桩的承载力贡献很小。 2 1 3 砼芯水泥土搅拌桩的荷载传递机理 对于砼芯水泥土搅拌桩而言，由于桩身内外套在竖向荷载作用下也存在着轴向的相对位 移与剪切，这种桩身内部的相互作用也会反映在桩土作用中，因而荷载的传递机理要比单一 材料桩复杂的多。本文后面将讨论该桩的荷载传递机理。 2 2 桩的破坏模式 2 2 1 混凝土刚性桩的破坏模式 单桩在竖向荷载下的破坏由以下两种强度破坏形态之一而引起；地基强度破坏或桩身材 料破坏。桩的破坏模式主要取决于桩周围土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的 荷载传递类型等条件。 第一种情况摩擦桩。桩端处的土层较弱，桩顶荷载由桩侧摩阻力支承，桩端阻力不 起作用。q s 曲线末段出现陡降端，此时的桩侧摩阻力已完全发挥出来。 第二种情况端承摩擦桩。由于充分发挥桩端阻力所需桩端位移要比侧阻力大得多， 桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来。在加荷最后阶段，随着桩端阻力的不断增加，桩顶部位侧 阻力首先达到极限( 趋于定值) ，并向下逐步扩大极限摩阻力的分布范围，在此过程中对应于 荷载增量，作为抗力的桩侧摩阻力增量所占比例愈来愈小。而桩端阻力增量所占的比例则越 8 河南大学硕士研究生学位论文 来越大，最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展，桩呈现刺入剪切破坏。 第三种情况摩擦端承桩。桩穿过抗剪强较低的土层，达到高强度的土层。如果桩的 长度较短，当桩顶荷载q 增大时将出现整体剪切破坏，因为桩端上部的软弱土层不能阻止滑 动土楔的形成。桩侧摩阻力较小，桩端土层将阻止出现大的下沉量。桩的极限荷载小部分由 桩侧摩阻力承受大部分由桩端阻力承受。 第四种情况端承桩。打入土中的钢筋混凝土短桩，桩端支承在很硬的地层上，桩周 土又较软弱，对于桩身没有约束力或侧向抵抗力。桩的破坏是在经受了或多或少的弹性压缩 后出现纵向压曲，有明确的破坏荷载，该荷载的大小往往由桩身的材料强度决定。 2 2 2 水泥土搅拌桩的破坏模式 a 鼓胜箍q tb 剁 醴球c 控体剪切破坏 图2 1 水泥土搅拌桩的破坏模式 对于水泥土搅拌桩，当其桩身强度不同时，也会有不同的破坏模式。当水泥土搅拌桩的 水泥掺入量较小k 。= 5 ) 时，水泥土的轴向应变很大时应力才达到峰值并产生塑性破坏，此 后应力在较大应变范围内缓慢下降，这就表现了桩体鼓胀破坏的特性。但当a 。= 1 5 ) 时， 水泥土在较小应变情况下，便使应力达到峰值，随即发生脆性破坏，这又类似于桩的整体剪 切破坏的特性。当桩体为高水泥含量时( d 。= 2 5 ) ，水泥土变形及膨胀量均很小时，为此， 这种高强度的水泥土桩体存在下卧软弱层时就会发生刺入破坏。水泥土搅拌桩的三种破坏 模式见图2 5 。 2 2 3 水泥土组合桩的破坏模式 由于水泥土组台桩是由芯桩和水泥土两部分组成，其破坏模式要比均质材料桩复杂。本 9 第二章破坏模式与理论分析 文将采用有限元分析和理论分析水泥土组合桩的荷载传递规律及破坏模式进行分析研究。 2 3 内力与变形分析 2 3 1 基本方程建立 砼芯水泥土搅拌桩由钢筋混凝土内芯、水泥土外桩身组成。在竖向荷载作用下，桩内芯 将在轴向压力作用下产生压缩变形，同时通过内芯与外桩身之间的粘结或摩擦将部分荷载逐 步传递给水泥土外桩身，再通过外桩身与土体之间的摩擦将荷载逐步传递到桩周土体，部分 荷载通过桩端传递到桩端土体中。由于其荷载传递体系中涉及到混凝土内芯、水泥土外桩身、 七体三者之间的相互作用，因而比传统的桩士荷载体系更为复杂，相应的分析方法也更 加复杂。 砼芯水泥土搅拌桩变形模式及计算模型如图2 2 所示， 一弋鼎7 ：亨千一 卜j _ 一 姗一一一 图2 2 砼芯水泥土搅拌桩计算模型 工程中由于桩顶承台具有较大的羁度，可认为整个桩顶的沉降是一致的，因此可假定桩 身的竖向变形仅与深度有关。 对芯材及水泥土部分由轴力平衡条件分别彳导 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中b 、只分别为芯材和水泥土部分轴力，为芯材截面周长，玑为水泥士桩截面周 1 0 以 v 一。 u p 一 _ j j 一 = 盟瑟 堡如 河南大学硕士研究生学位论文 长，只。为，西材受到水泥土的犀阻力，圪为水泥土受到桩刷土体的摩阻力。 由弹性压缩条件得 最= 一毛以_ o w ( 2 3 ) ：一e 4 掣 ( 2 4 ) 式中e 、a 分别为芯材的弹性模量和截面面积，e 。、a 。分别为水泥土部分的弹性模量 和截面面积，w 为桩身的竖向变形。 由( 2 1 ) 、( 2 3 ) 得 即。窘一p 矿o ( 25 ) 由( 2 2 ) 、( 2 4 ) 得 剐。窘心p 。也p 。= 。 s ， 由( 2 5 ) 、( 2 6 ) 得 ( b 以怛4 。) 窘也p 。= o ( 27 ) d z 一 假设桩周土体只发生剪切变形，按照弹性理论，则桩周土体的摩阻力与桩身位移成正比 饥p 。，= w ( 2 8 ) 设桩体半径为0 ，最大影响半径为k ，r a n d o l p h 忽略土体径向变形的影响【2 0 】 耻杨 罗惟德假定土体剪切位移曲线为抛物线0 1 1 则得出 | 】 ：2 r i g , ( 2 + d ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章破坏模式与理论分析 窑一 d 2 w = o 万一 ” ( 21 1 ) 式即为桩身变形方程，其中 后焉 2 3 2 桩身变形的解答 方程( 2 1 1 ) 的通解为 w = c 1 8 ”+ c 2 e 一” 相应的芯材及水泥土两部分的轴力分别为 只= 一e 以6 三e 一一c 2 e - 一) 只= 一e 。a 。a ( c l e ”一c ：p 一”) 设桩端总轴力与桩端位移成正比。即 最犯) + 只乜) = k 2 w ( l ) 式中k 2 按刚性圆板下的无限弹性地基沉降公式 2 2 】求出 七，：! 监 l v ， 式中v 。为土体泊桑比。 在桩项桩身总轴力等于桩顶的荷载岛t 即 e ( o ) + p 。( o ) - - r ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) ( 2 ，1 6 ) ( 2 1 7 ) 将( 2 15 ) 、( 2 1 7 ) 代入( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 求出系数c l 、c 2 再代同( 2 1 2 ) 、 ( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 即可得出 去c 矗啡一z ) 嵯曲一= ) 】 c a ( 肛) + k _ is a ( 卢l ) 声脾2 1 2 ( 2 1 8 ) 河南大学硕士研究生学位论文 只：圭竺：攀：竺兰m r ，。， “一 。牝) + 牟。牝) “一。 4 只：壶竺兰竺：! ：盖：! 兰竺：! 胆。4 异 。：。， c i z ( 肛) + s 似) 土体弹性模量e 。= 6 o m p a ，泊桑比v 。= o 5 ，则剪切模量g ，= 2 o m p a ；水泥土弹性模量 e 。= 2 0 0 m p a ；芯材采用钢筋混凝土，弹性模量e = 2 6 x 1 0 4 m p a 。计算中关于桩体最 大影响半径k 的取值问题，c o o k e 通过根据试验结果认为【4 l r a n d o l p h 和w r o t h 则提出【2 3 k = 2 0 r , ( 2 2 1 ) = 2 5 l p o v 。) ( 2 2 2 ) 其中p 为桩入土深度一般处和桩端处的剪切模量的比值，对均质土p = 1 0 ，这些确定方 法虽有一些差异，但对计算结果影响不大，本文采用c o o k e 假定。 下面对桩顶荷载只= 3 0 0 k n 时几种长度的桩在不同大小的加芯下桩项的沉降、桩土侧摩 阻和内外芯界厩侧摩阻情况进行分析。 定义 芯桩面积比，即 肛鲁= 忐 哆z ， 4 一 + 爿。 这样当即= 0 时，为水泥土搅拌桩当0 h 1 时为砼芯水泥土搅拌桩，当h = 1 时为混 凝土搅拌桩。 国2 3 表示这三种桩在不同的芯桩面积比时的桩顶沉降曲臻。从图中可以发现：搅拌桩 内术加入混凝十芯时，桩欧从桩径的1 0 倍增加到6 0 倍时，其桩顶沉降几乎无变化，这主要 是因为搅拌桩的刚度较差桩上荷载较早地传给桩间土，较深处的桩身未能发挥作用；搅 第二章破坏模式与理论分析 3 5 3 0 ，、2 5 星 磊2 0 基- s 辑1 0 3 0 2 5 2 0 重 v 世1 5 蛄 鹭 掣1 0 5 o 0 ：卷桩面积与桩总面积比 图2 3 桩顶沉降曲线 3 5 n = o n ：0 1 3 0 n 2 0 - 3 2 5 n = o 6冒 磊2 0 美1 5 辑l o 一 0 02 0 0 4 0 06 0 0 02 0 0 4 0 06 0 0 水泥土的弹性模量e s ( m p a ) 水泥土的弹性模量b s ( m p a ) 图2 4 桩顶沉降与永泥土弹性模量关系 拌桩内加入混凝土芯后，由于混凝土芯比水泥土桩身的强度和变形模量均大得多，使得桩顶 沉降显著降低，当芯桩面积比珂0 1 时，桩顶沉降几乎不再随糯面积比的增大而变化因 而，芯桩面积比达到1 0 以上时，砼芯搅拌桩的变形特征几乎等同于混凝土桩；由此可见， 桩内加入钢筋混凝土芯材后，可充分利用深处桩身的作用，当芯材面积达到桩身截面总面的 4 ，。l 5 0 河南大学硕士研究生学位论文 1 0 时，随着桩长的增加，其沉降相应减小。 o 0 2 j 0 4 世 错 0 6 0 8 o 2 0 4 0 ，6 0 ，8 o 桩身轴力n p 0 20 40 60 8 0 0 2 j 0 4 世 媾0 6 0 8 o 桩身轴力n p 0 20 4060 8 图2 5 砼芯水泥土搅拌桩内芯轴力和外芯轴力( l = l o d ) 桩身轴力n p 00 20 40 60 8 0 2 芒o - 4 世 翳0 6 o ，8 桩身轴力n p 00 20 40 60 8 图2 6 砼芯水泥土搅拌桩内芯轴力和外芯轴力( l = 3 0 d ) 1 n 越醛 第二章破坏模式与理论分析 图2 3 表示的是水泥土桩及砼芯搅拌桩的桩顶沉降与水泥土弹性模最之间的关系。由图 中可以看出水泥土的弹性模量对搅拌桩的桩顶沉降影响较大，而对砼芯桩的影响甚小，尤其 较短的桩，水泥土对桩顶沉降几乎无影响。 0 2 j0 4 世 避 0 6 0 0 2 薯0 4 越 磷o 6 08 桩身轴力n p 桩身轴力n p 00 20 40 60 ，8l 00 20 40 60 81 j04 赵 嫩 06 0 8 图2 7 砼芯水泥土搅拌桩内芯轴力和外芯轴力( l = 6 0 d ) 桩周摩阻力( k p a ) ol o2 03 04 0o ： i + o - 0 0 e i 。 0 1 。* 一o 2 _ i 03 - - 0 - - - 0 5 ， - - - - 1 - - l o 0 2 j04 啬 恺 醛 0 6 o 8 桩周摩阻力( k p a ) l o2 03 0 p 盔 - - o - n = o | 一n = o0 5 - r n = o 1 - 9 - - n = o 2 n = o3 一n = o5 - - - j f l = 1 图2 8 桩周摩阻力( l = l o d )图2 9 桩周摩阻力( l = 3 0 d ) 1 6 河南大学硕士研究生学位论文 图2 5 图2 7 表示的是各种大小芯材的搅拌桩在不同桩长条件下桩身内芯轴力和外芯 轴力分布图。由图可以看出：加芯后的搅拌桩，混凝土内芯承担了大部分的荷载，水泥土外 芯承担的荷载非常小；随着内外芯长比越小，内外芯的轴力分布曲线相差越大，大致为外芯 轴力分布曲线近似于水泥土搅拌桩的轴力曲线，而内芯分布曲线则近似于混凝土桩的轴力分 布曲线。图2 8 和图2 9 表示的是不同内外芯长比时的桩周侧摩阻力分布曲线。从图中可 以看出，水泥土桩的桩周摩阻力在上部较大，随着深度的增加而急剧减小，而砼芯搅拌桩和 混凝土桩的桩周摩阻力沿桩全长分布较均匀。由此得出，由于桩侧摩阻力的作用，各种桩的 内外芯轴力随深度的增加均有不同深度的减小，但加入加强芯材后，桩身轴力随深度的减小 幅度比为加芯的搅拌桩小的多，这表明搅拌桩加入加强芯材后桩身上部受到的摩阻力减小 许多而下部受到的摩阻力增大，这样可充分利用桩侧的摩阻力强度，使桩身荷载传递更加 台理。 通过以上分析表明：单桩桩顶沉降由桩身压缩量和桩端沉降量组成。水泥土桩由于桩身 材料变形模量较低，使得桩身上部在轴力作用下产生较大的压缩量，同时由于上部桩周摩阻 力较大，使得桩身荷载在上部己大量传递到桩周土体中，桩身下部轴力较小，相应的桩端沉 降量较小，因而，在水泥土搅拌桩的桩顶沉降中，桩身压缩量是其主要部分。在搅拌桩内加 入混凝土芯组成的砼芯水泥土搅拌桩，由于混凝土具有较高的强度和变形模量，混凝土内芯 分担了桩身的绝大部分荷载，并且桩身的压缩量大大减少，使桩身荷载能够传递到较深的深 度，同时，由于水泥土外桩身的存在，提高了桩身表面积，扩大了桩身与周围土体的接触面 积，充分发挥桩身材料的各自的性能，总体看来桩砼芯水泥土搅拌桩的桩身刚度比水泥土桩 大得多，其性能十分接近混凝土桩，桩顶沉降主要来源于桩端的沉降，桩身的压缩量所占比 例较小。 第三章有限单元分析 第三章有限单元分析 3 1 有限单元法 3 1 1 有限单元法的发展 有限单元法是随着电子计算机的发展而发展起来的一种很为有效的数值方法，它的创立 和应用在工程分析中具有重要的意义。 在国外，有限单元法在5 0 年代中起源于航空工程中的飞机结构应力分析。6 0 年代初，许 多数学和力学工作者参加了有限元法的研究。搞清楚它的理论基础，使有限元法得到了很大 的发展。在我国，6 0 年代初，著名数学家冯康教授和他的研究组提出了一种以变分原理为基 础的