（岩土工程专业论文）高速公路桥梁phc管桩竖向承载力研究.pdf

摘要 摘要 预应力高强度混凝土管桩( 简称p h c 管桩) ，具有单桩承载力高，质量可靠，单位承载力造价低， 检测方便等特点，能够满足高质量、环境保护、工业现代化等方面的要求。但其在高速公路桥梁桩 基中应用尚未得到推广。 本文在前人工作的基础上，采用现场试验、理论分析和数值模拟等方法，对p h c 管桩在高速公 路桥梁应用中的竖向承载力特性和群桩效应进行了深入研究。本文的主要研究内容和成果包括： 1 通过现场试验分析了静压法施工的p h c 管桩的挤土效应和p h c 管桩承载力的时间效应；假设桩 周土体服从摩尔- 库伦强度准则，采用小孔扩张理论，对p h c 管桩内外径比关系与挤土效应之间的关 系、p h c 管桩与实心桩挤土效应差异等进行了研究。 2 对p h c 管桩荷载传递机理进行了分析，重点是土塞对单桩承载力的影响、桩内外侧摩阻力的 分布发挥模式等；分析了桩长、桩径、土层变化等工况对p h c 管桩竖向承载力性状的影响。数值模 拟结果表明，桩侧上层土( 即桩侧土) 压缩模量的提高、桩侧下层土( 即桩端持力层土) 压缩模量的提高、 桩长增加和桩外径的增大均能大幅度提高管桩的竖向极限承载力。在本文数值模拟参数条件下，p h c 管桩的合理桩长选择范围为1 5 m 2 0 m ，合理桩外径选择范围为0 6 m o 8 m 。 3 分析了c p l u 静力触探的侧壁摩阻力和锥尖阻力与p h c 管桩的桩侧阻力和桩端阻力相关性，建 立了利用c p l u 侧壁摩阻力和锥尖阻力来估算p h c 管桩单桩竖向极限承载力的计算公式。 4 利用数值模拟对p h c 管桩的群桩承载力进行计算，得出了群桩效应系数；并对群桩荷载传递 机理影响因素进行分析。本文数值计算条件下分析结果表明：随着桩间距增大和桩周土体弹性模量 增大，p h c 管桩群桩承载力和桩侧摩阻力随之增大，桩端阻力逐渐减小 关键词：p h c 管桩；挤土效应；时间效应；三维数值模拟；荷载传递规律：土塞效应；单桩竖向承 载力；群桩效应 a b s t r a c t a b s t r a c t p r e s t r e s s e dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ep i p ep i l e ( a b b r e v i a t e da sp h c p i p ep i l e ) b o a s t ss p e c i a lm e r i t s ，l i k e i l i g hv e r t i c a lk m 吨c a p a c i t yo f as i n g l ep i l e ，g o o dq u a l i t y , l o wc o s t sa n de a s yd e t e c t i o n , s a t i s f y i n ga l lt h e r e q u e s t s s u c ha sh i g hq u a l i t y , e n v i r o n m e n tf r i e n d l y , i n d u s t r ym o d e r n i z a t i o n 1 1 1 er e s e a r c ho f 如a p p l i c a t i o n i n t oe x p r e s s w a yb r i d g eh a sb e e ns e l d o mi n v o l v e di nc h i n a b a s e do l lt h e p r e v i o u sr e s e a r c h , t h er e s e a r c h i sc o n d u c t e dt h r o u g hf i e l dt e s t i n g , l a b o r a t o r y e x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h em a i nc o n t e n t so f t h er e s e a r c hm a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e t e s i o n e ds p u rh i g hs t r e n g t hc o n c r e mp i l e 口h cp i l e ) i n s t a l l a t i o nu s i n gj a c k i n gm e t h o d c a u s e dt h ei n c r e a s ei np o r ew a t e rp r e s s u r eo fs u r r o u n d i n gc l a y s , a n dt h ec o m p a c t i o ne f f e c ti sa n a l y z e d f r o mt h e e x p a n s i o nt h e o r yo fs p h e r i c a la r mb a s e do i lt h es o i l a r o u n dt h ec o l u m nc o n f b n 璐t o m o h r - c o u l o m by i e l dc r i t e r i o n , a n db yc o m p a r i s o nw i t hg e n e r a lp i l e s , i t ss u p e r i o r i t i e si n r e s p e c to f d i s t u r b i n gs o i i sa r ed i s p l a y e d b e c a u s eb o t hi t si n n e ra n de x t e r n a ls u r f a c ec a nb e a rf r i c t i o n , a n di t i s h o l l o w , s oi t sb e a r i n gc a p a c i t yi sh i g h e ra n dp i l ed r i v i n ge f f e c ti ss m a l l e rt h a na n yk i n de l s e t h et i m i n g e f f e c ti sr e s e a r c h e da n dt h ef i l l a lb e a r i n gc a p a c i t yf o r m u n a t i o ni so b t a i n e d ( 2 ) i no r d e rt oa n a l y z et h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma n ds t u d yt h em a i ne f f e c t so ut h ev e r t i c a lb e a r 吨 c a p a c i t y , a s p a c i a l l yf o rt h ep l u g g i n ge f f e c tt ot h es i n g l ep i l ec a p a c i t yi n f l u e n c e t h en u m e r i c a la n a l y s i si s u s e d t h e p r o g r a mu s e d i nt h i sr e s e a r c hi sf l a c - 3 d w h i c hi s c o m m o n l yu s e d i ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g , s o m e d e t a i l s i nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a i n t r o d u c e d , i n c l u d i n g e l e m e n t d i s e r e t i z a t i o n , s t i f f n e s sm a t r i xf o ras i n g l ee l e m e n t , t h eg l o b a ls t i f f n e s sm a t r i xa s s e m b l i n g , b o u n d a r y c o n d i t i o 溉i n t e r f a c e sm o d e l i n ga n dt h ec o n s t i t u t i v em o d e l b yu s i n gt h es o x q w a r ef l a c - 3 dt h em e c h a n i s mo fl o a dt r a n s f e rf o r ma n dt h ev e r t i c a lb e a r i n g e a p a c i t yi ss t u d i e d d i f f e r e n ts o i lm o d u l u sa l o n ga n dt m d e r u e a t ht h ep i l ea r cc o n s i d e r e d 1 e n g t h , d i a m e t e r a n dt h et h i c k n e s so f p i l ew a l la na l s os t u d i e di no r d e rt og r a s pt h em a i ne f f e c t so l lp i l eb e a r i n gc a p a c i t ya n d g u i d ep m c t i c a ld e s i g n n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a th i g h e rc o m p r e s s i o nm o d u l u s ，l o n g e rl e n g t ha n dl a 曙e fo u t e rd i a m e t e r w i l lc a l l s ea l a 玛ei n c r e a s ei np i l eb t 锄由培c a p a c i t y t h er e a s o n a b l el e n g t ha n do l - t 盯d i a m e t e rf o rp r a c t i c a l u s ei sa r o u n d1 5 - 2 0 ma n d0 6 - 0 8 ms e p e r a t l ya c c o r d i n gt ot h i sp a p e r ( 3 ) am e t h o dt oe s t i m a t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h i st y p eo fp i l ew i t ht h es l l a f tr e s i s t a n c ea n dc o r e s i s t a n c eo fc p t uw a sp r e s e n t e d c o m p a r i n gt h et h e o r e t i cr e s d t sw i t l lt h o s eo fi n - s i t um e a s u r e m e n t s , a n di t sr e a l i b i l i t ya n du s e f u l n e s sw a ss h o w n ( 4 ) u s i n gt h en u m e r i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e st h eg r o u pe f f e c tc o e f f i c i e n to nb e a r i n gc a p a c i t yo f g r o u pp i l e s t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s m sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ei n c l u d e d t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ：a l o n gw i t ht h ep i l es p a c i n ga n dt h es o i la r o u n dp i l e se l a s t i c i t yc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，t h ep h cg r o u p o f p i l e sp i l es u p p o r t i n gc a p a c i t ya n dt h ef r i c t i o ni n c r e a s e , t h eh e a do f p i l er e s i s t a n c ed e c l i n ea l o n gw i t hi t k e yw o r d s ： p h c p i p ep i l e ；c o m p a c t i o ne f f e c t , t i m ee f f e c t ；t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l o a dt r a n s f e r m e c h a n i s m ；b e a r i n gc a p a c i t yo f s i n g l ep i l e ；g r o u pe f f e c t n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同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。 研究生签名：毒立薮知日，期：蒯；j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二- 导师签名：日期2 竺：三 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着我国经济的发展，我国公路建设也迎来了良好的发展机遇。2006 年，中国新改 建公路里程3 4 万公里，其中，高速公路为“6 0 公里。到2006 年底，全国公路通车总里 程达3 4 8 万公里，其中，高速公路达4 5 4 万公里，2 0 0 8 年全国计划建成高速公路5 0 0 0 公 里以上目前我国高速公路建设总里程位居世界第二。桥梁工程是高速公路建设中的重要组 成部分，在新形势下，对高速公路桥梁工程桩基础提出了新要求，主要体现在高质量、环境 保护、工业现代化等方面。 目前桥梁桩基大多采用灌注桩，虽然其单桩承载力较高，但是在施工过程中会出现如断 桩、短桩、缩径、强度达不到设计要求等质量问题，而且原有的钻孔灌注桩对周围环境影响 较大大，可能会造成噪音污染、水质污染等环境问题，而且就其施工来讲，也会有较多的不 便。在此，将p h c 桩引入高速公路桥梁桩基中，不但能够满足规范i l j 对桥头部分工后沉降的 要求，而且能够满足如上所述的新要求。 p h c 桩，即预应力高强度混凝土管桩( p r e s t r e s s e dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ep i p ep i l e ) 其混 凝土强度不得低于c 8 0 ，主筋采用预应力钢筋，高速离心，两次养护工艺。1 9 7 0 年日本创制 了预应力高强度砼管桩，并于1 9 8 0 年在香港建厂生产p h c 管桩。1 9 8 7 年交通部三航局混凝土 预制厂全套引进日本生产p h c 管桩生产设备，1 9 9 3 年后宁波水泥制品厂也开始生产眦桩。由 于预应力管桩具有单桩承载力高，应用范围广，成桩质量高，工程造价较低，质量较可靠， 长度易调整，旌工速度快，监测方便，监测时间短等优点，目前己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。表1 1 为管桩常见规格。 2 1 1 3 1 1 4 1 表1 1p h c 管桩常见规格 混凝土 种类外径m壁厚r m长度正 桩身竖向极限承载力标准值k n 等级 5 0 01 0 0 兰1 2 3 9 7 0 4 0 7 0 5 5 0l o o 、1 2 5 1 24 4 7 0 4 5 8 0 p h c 型c 8 0 6 0 0l ，儿o 、1 3 0 1 54 9 3 0 6 2 3 0 8 0 01 1 0 1 57 4 3 0 7 6 4 0 4 加 7 5 1 22 0 l o 5 0 0l o o 1 23 2 7 0 3 3 6 0 p c 型 c 6 0 5 5 0 1 0 0 1 23 6 5 0 3 4 9 0 6 0 0l 、1 1 0 1 1 54 0 2 0 4 5 4 0 3 5 0 s l o 1 0 6 0 4 0 05 5 、6 5 1 2 1 6 l o 1 8 3 0 p t c 型 c 6 05 0 06 0 1 22 2 3 0 5 5 06 0 7 0 8 0 0 m m 砂、砾石夹层 可穿越土层 3 0 米的砂夹层穿越性好穿越性好 7 o m 硬岩土、密实砂层 进入持力层软质岩、强风化岩中微风化岩中微风化岩 和碎石层 造价3 2 l 元k n 6 i i 元 斟 8 8 l 元 n5 8 7 元，l 【n 由上述可见，预应力管桩不但可以满足桥梁桩基的要求，而且其造价低廉，经济性也较好。 但是预应力管桩目前主要应用于工业与民用建筑地基处理，在高速公路桥梁工程中尚未得到 应用推广。预应力管桩应用于高速公路桥梁工程中，在设计、施工和检测方面，均存在不少 工程技术问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 现行规范问题：我国尽管颁布了预应力管桩的生产制作标准先张法预应力混凝 土管桩( g b j l 3 4 7 6 - 9 2 ) 但关于管桩的勘察设计和施工方面，国家目前尚无统一的规范。 广东省于1 9 9 8 年制定了广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程，但该标准主要是针 对珠江三角洲地区基岩埋藏浅，风化严重，风化层较厚且采用环击贯入法施工的管桩而制定 2 第一章绪论 的。而华东沿海地区多为深厚淤泥层土质，两者土质情况相差太大，因而无法参照使用。因 此目前广大技术人员在高速公路桥梁工程中设计管桩基础时尚无国家规范可执行； ( 2 ) 设计理论问题：高等级公路桥粱工程桩基础设计主要以灌注桩为主，对预应力管 桩在公路荷载作用下的设计方法、稳定计算、变形分析等问题均缺乏系统研究； ( 3 ) 对于广泛分布各类典型的软弱土地基，主要特点是含水量高、孔隙比大，属于高 压缩性土、承载力极差。因此对软弱土地基中桥梁桩基础如何合理设计管桩应进行进一步的 深入研究。 出于以上考虑，本文以江苏省宁常高速公路汤庄立交桥梁工程为工程依托，采用p h c 管桩作为桥梁桩基，以预应力管桩在工民建工程中的广泛应用为基础，通过现场试验、数值 模拟和理论分析，深入研究预应力管桩在高速公路桥梁工程中的应用问题，本文着重研究桥 梁工程中p h c 管桩的竖向荷载传递机理和竖向承载力确定方法，为预应力管桩在高速公路桥 梁工程中的推广应用提供依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 管桩承载力研究现状i s 1 3 1 预应力管桩的工作机理比闭口桩要复杂的多，目前对管桩的承载力的研究主要集中在沉 桩的挤土效应，静载作用下的土塞性状研究，包括端阻力，土塞与桩内壁之间的内摩阻力的 发挥和分布等方面。 现有的确定单桩极限承载力的方法很多，基本上可分为两类：第一类方法称为直接法， 包括静载荷试验和动力测试；第二类方法称为间接法，包括静力计算法、经验公式和原位测 试实践表明，单桩竖向极限承载力的确定就其可靠性而言，仍以传统的静载试验最高，其 次为七十年代发展起来的原位预i 试法。 原型静载试验是传统的也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可确定桩的极限承载 力，而且通过埋设各类测试元件，可获得荷载传递、桩侧阻力、桩端阻力、荷载一沉降关系 等诸多资料。由于试验费用、工期、设备等原因，往往只能对部分工程的少量桩进行试验。 静力学计算法根据桩侧阻力、桩端阻力的破坏机理，按照静力学原理。采用土的强度参 数，分别对桩侧阻力和桩端阻力进行计算。如m e y e r h o f ( 1 9 6 3 ) 的塑性解、c o y l e a n d r e e s e ( 1 9 6 6 ) k r a f t ( 1 9 8 1 ) 的非线性荷载传递分析、p o u l e sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) 的非线性边界元 分析，d e s a i ( 1 9 7 4 ) 和j a r d i n e ( 1 9 8 6 ) 的非线性有限元分析以及能考虑成桩效应的有限元分 析方法等。由于计算模式、强度参数与实际情况的某些差异，计算结果的可靠性受到限制。 往往只用于一般工程或重要工程的初步设计阶段，或与其他方法综合比较确定承载力。 原位测试法对地基土进行原位测试，利用桩的静载试验与原位溯试参数间的经验关系， 确定桩的侧阻力和端阻力常用的原位测试法有下列几种： ( 1 ) 静力触探法( c p t ，c p t u ) 如s c h m e r t m e n n ( 1 9 7 5 ) 的静力触探试验( c p t ) 公式； ( 2 ) 标准贯入试验法( s p r ) ：g e y e r h o f ( 1 9 5 6 ) 的动力触探试验( s p t ) 公式； ( 3 ) 旁压试验法( p m t ) 。 经验法根据静力试桩结果与桩侧、桩端土层的物理性能指标进行统计分析，建立桩侧阻 力、桩端阻力与物理性能指标间的经验关系，利用这种关系预估单桩承载力。如 b u r l a n d ( 1 9 7 3 ) 和m e y e r h o f ( 1 9 7 6 ) 1 3 法及f l e m i n g ( 1 9 8 5 ) 的有效应力法。这种经验法简便而 经济，但由于各地区间土的变异性大，加之成桩质量有一定的变异性，因此，经验法预估承 载力的可靠性相对较低，但用于地区性规范的可靠性是较高的。 3 东南大学硕士学位论文 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、施工、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。英国和日本按照桩身强度计算 管桩的竖向承载力，给出计算公式r = 0 2 5 ( f 。- - a 。) 4 。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，目前分别为海利( h i l l e y ) 动力打桩公式( 1 1 ) 与改进的格氏打 桩公式( 1 2 ) ： d q w , h 阡r + r t 2 v e r p ( 1 1 ) 一p + 三孵+ 铲争厣可黟 ( 1 2 ) 在国内，对管桩竖向承载力的计算，仍然是以静载试验结果为依据，通过规范或者经验 公式进行计算。 宋建军( 1 9 9 9 ) 1 1 4 1 对淤泥地区，桩端持力层为硬塑一坚硬风化残积土。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，提出了经验公式。 蓝星育等人( 1 9 9 2 ) 0 5 1 将格氏打桩公式改进后用于预应力管桩的承载力计算，效果较 原公式更好。蔡长庚( 1 9 9 7 ) 【1 6 l 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 ) 按桩身额定强度来确定；( 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。 朱宏波等( 2 0 0 0 ) 【1 7 】在实际工程经验中，通过分析l o + 静压管桩的最终压力和极限承 载力的关系，同时考虑到影响单桩极限承载力的因素，如桩长，桩型，桩径土层性质等，提 出了个经验公式：且：( 卜罢b 匕。，p “为压桩时最终压力( 咖 约 曹称字( 2 0 0 0 ) 【”1 利用港口工程桩基规范( j t j 2 5 4 9 8 ) 中给出的桩侧摩阻力系数 表及桩端阻力系数表计算目前常用大管桩的轴向极限承载力简便实用的经验公式，该公式将 计算结果与试桩实测值进行对比，经概率分析得到。 李兴武，蔡文盛，罗旭辉( 2 0 0 3 ) 【1 9 j 将q h 曲线法应用简单的数学曲线，把预应力管 桩承载力分析的诸多影响因素分离开来，形象地显示了各因素之间的相互关系，体现了单桩 极限承载力的计算值随桩基入土深度的关系以及实际极限承载力随桩基入土深度的关系：预 测出未做破坏试验的桩基的最大极限承载能力。 施峰( 2 0 0 4 ) 2 0 l ，王春盛( 2 0 0 5 ) 2 1 1 通过对p h g 管桩单桩竖向承载力试验结果与规范推 荐的公式计算的承载力对比研究发现：实测的桩侧摩阻力值与桩端阻力值均比勘察报告推荐 值和规范值有较大幅度的提高。张忠苗( 2 0 0 1 ) i 皿1 在对预应力管桩进行了大量的测试和理论 研究中也得到相似的结论，但打在高灵敏度高含水量的淤泥质士中，承载力则有可能由于挤 土效应而降低。 郭宏磊，贺雯等( 2 0 0 4 ) 鲫基于理论与实测分析，提出了用逐次线性概似法加上残差 修正，利用沉降观测数据来预测p h c 桩的竖向极限承载力。通过工程实例验证该方法的可行 性。 温淑莲等( 2 0 0 2 ) 脚墟出筒桩承载力由桩外侧摩擦力、桩内侧摩擦力和桩端阻力三部分 组成，其中桩外侧摩擦力取值可参考钻孔灌注桩的取值；对于桩端阻力，认为与钢管桩相似， 4 第一章绪论 考虑底端闭塞效应，桩端阻力，p = 。a 。a 其中a 。为桩底端闭塞效应系数。取0 5 ；a 。为桩 端阻力值，参考钻孔灌注桩取值；a 为桩端面积。用该计算方法所得的结果与实际观测值进 行比较，结果之间的差值约为实际观测值的2 0 9 6 左右，于是认为该计算方法基本符合实际情 况。但是此种方法没有考虑桩内侧摩擦力的影响，认为桩内侧摩擦力为零。 朱向荣等( 2 0 0 3 ) 1 2 目提出了筒桩承载力的经验计算公式。认为筒桩单桩竖向极限承载力 由桩侧摩阻力、桩端阻力和土芯端阻力三部分组成。桩侧摩阻力和桩端阻力的取值可参考桩 基规范，而土芯端阻力级= r ，g m 4 。其中町f 为桩端阻修正系数，取o 1 ；q 为参考沉管 灌注桩的极限桩端阻力标准值： 为土芯截面积。此种方法修正系数取值范围太大带有很 大的不确定性。 刘汉龙等( 2 0 0 3 ) ( z 6 l 提出了振动沉模大直径现浇管桩复合地基的概念。但在计算复合地 基中管桩的承载力时，认为管桩承载力由桩外侧摩擦力和桩端阻力两部分组成，将内摩攘力 作为安全储备。 费康等( 2 0 0 4 ) 1 2 7 1 通过有限元方法研究了筒桩的荷载传递机理，并提出了管桩单桩的承 载力公式。计算分析时，筒桩采用了线弹性模型，土体采用摩尔一库仑弹塑性模型，桩土间 的接触采用c o u l o m b 摩擦模型，考虑了土体的自重初始应力场。计算结果和静载试验的结果 进行了对比，验证了该有限元分析方法。 总之，目前国内外对p h c 管桩竖向承载力确定的研究成果都还没有达到较高的设计应用 水平，这一方面是由于各地工程实际情况不同，另一方面也是因为公式本身太过繁琐，不适 合工程应用，还有个原因就是公式还缺乏大量工程实例的验证。 1 2 2 挤土效应研究现状 开口桩属于挤土桩，在沉桩过程中会对桩周土体产生扰动，致使桩周土体出现应力状态 发生变化，孔压的产生及其消散，桩周土体的强度变化，和桩的极限承载力的变化等现象。 国内外在这方面做了不少工作。近年来，随着城市建设事业的发展和人们环保意识的增强， 沉桩挤土效应及其对周围环境的影响越来越引起人们的关注。 1 2 2 1 沉桩时引起的桩周土体超静孔隙水压力 沉桩时桩周土体会产生较高的超静孔隙水压力，一般情况下，桩周附近土体的超静孔压 最大，随着离桩表面距离的增加，超静孔压急剧降低且消散也比较迅速。超静孔隙水压力值 有时会达到一个很大的值，甚至大于土体的附加有效应力。 p o u l o s 和d a v i sb 川，r a n d 0 1 p h i l c a r t e r i 冽，s e e d 和r e e s e 州，p e s t a n a p l l h w a n gp 习等研究 了沉桩过程中的孔隙水压力变化，其结果显示：超静孔隙永压力等于甚至大于附加应力；产 生的孔隙水压力随着离桩距离的增加而急剧降低，且随着这个距离的增大消散得非常快。另 外，结果还显示：同时，p o u l o s i 2 s l j 匝得到士的灵敏度对孔压的大小有显著的影响，灵敏度 高的土中产生的孔压值也高。 我国学者也对打桩引起的超静孔隙水压力进行了量测和研究。姚笑青，胡中雄( 1 9 9 7 ) j 提出了用土压力理论来估算沉桩引起的超静孔隙水压力，分别讨论了单桩和群桩两种情况下 超静孔隙水压力的计算，并与工程实测资料进行了对比分析陈文( 1 9 9 9 ) 岬1 在h e n k e l 公 式基础上分析了沉桩中超静孔隙水压力的变化。王伟( 2 0 0 4 ) m j 、徐永福( 2 0 0 0 ) p 0 1 也从 解析解角度对挤土效应进行了研究，得到而来超静孔压计算的理论计算公式。唐世栋等( 2 0 0 2 ) t 3 7 ；通过对桩基施工过程中土中超孔隙永压力实际量测，探讨了沉桩时单桩周围土中产 生的超静孔隙水压力的大小、分布及影响范围，并与理论解进行了对比。刘芝平等( 2 0 0 3 ) 介绍了现浇混凝土薄壁管柱技术以及在南京大厂区高填土市政道路软基加固中的应用。通过 5 东南大学硕士学位论文 现场测试沉柱过程中地面水平位移和桩周土压力的变化，发现薄壁管柱侧向挤土效应小同 时，还对桩土界面处的超静孔隙水压力进行了讨论。 1 2 2 2 沉桩对桩周土强度的影响 祝桩瞬间会造成桩周土体结构的重塑，导致强度下降，剪切模量减小。在固结过程中， 孔隙水逐渐消散，有效应力不断增长，土体逐渐被挤密，桩周土的结构也随时间逐渐恢复。 完全固结后，桩周一定范围内的土体剪切模量会超过原状土剪切模量，强度也随之提高。 r a n d 0 1 p h 和骱r t h 印l 认为桩周土剪切模量在轴向上近似为随深度呈线形增加的趋势；s e e d a l l r e e s e 对打入有机粉土的闭口桩进行了研究，认为随时间增长，桩周土强度随之增长，其 不排水强度增长到原来的5 0 ，含水量也从原来的鹳1 降低到了4 1 1 。r a n d o l p h p g 分别 对不同的0 c r 值的粘土进行了研究，认为桩周土的不捧水强度值在固结后有不同程度的提高， 并且其提高值与o c r 无关。 1 2 2 3 沉桩对桩承载力的影响 桩入土后的承载力不是一成不变的，而是经过一段休止期后，极限承载力有逐渐增大的 趋势，这就是桩基础承载力的时间效应。国内外已经对大量工程事实进行研究。文献列 出了一些承载力时效的现象。 1 9 3 8 年，在上海俊浦局工作的m e y e r 肝发现，上海地区桩的承载力，一年以后增长 了约1 0 。1 9 4 1 年，丹麦冰软粘上地基，圆木桩直径4 3 c m 入土深1 6 m ，刚入土时极限承载 力为9 7 t ，入土7 d 时为1 0 8 t ，入土2 8 d 时为1 3 0 t 。1 9 5 5 年，美国旧金山粉质软粘土地基， 直径1 5 c m 的钢管桩，入土深4 5 m ，入土3 3 d 的承载力是入土3 h 的5 4 倍，是入土7 d 的1 2 倍。1 9 5 9 年，天津新港软粘土地基，钢筋混凝土预制桩，截面为4 5 c mx4 5 c m 。入土深l o m 时，入土2 4 0 d 的承载力为4 2 d 的1 3 7 倍；入土深1 7 5 m 时，入土2 1 0 d 的承载力为1 4 d 的 1 4 2 倍。1 9 6 1 年，日本横滨软粘土地基，钢管桩直径3 0 a m ，入土深6 6 皿，入土2 8 d 的承载 力比入土2 h 的承载力增长1 5 倍。 关于桩基承载力时间效应随着计算机水平的发展，各国研究机构和学者借助模型试验和 现代科学理论提出了一些估算桩承载力的理论公式。文献1 4 1 】指出剑桥大学等机构( 1 9 7 8 ) 联 合提出了有效应力法”的研究；海丁格 g 等( 1 9 8 9 ) 结合小孔扩张理论和荷载传递法计算 了不同时间的桩基承载力；海默耶d ( 1 9 8 9 ) 考虑了土体不排水强度随时间增大，引起桩承 载力的变化，但这些理论在模拟现场时都有各种不同不足，会产生一些不合实际的地方。 张继红( 2 0 0 2 ) 嘲等通过对上海地区1 7 项工程钢筋混凝土预制桩在不同体止期静载荷 试验的统计分析得出，在沉桩后，随着时间的推移，其承载力有大幅度的提高。刘金砺1 提 出用式( l3 ) 表示桩的极限承载力随时间的变化： 统= q o ( 1 + a ，) 口：鱼：l ( 1 3 ) 1 q o a t b q o 为桩的初始承载力( t = o ) ，a 。为在时间t ，桩的极限承载力q 相对于q o 的增长 率，a 、b 与桩径、桩长和土质有关的经验系数，可根据不同休止时间t 和对定的q 回归确 定。此外，胡中雄( 1 9 8 5 ) m ，王伟( 2 0 0 5 ) 附】也对单桩承载力的时效进行了研究，前者集 中于上海地区的资料统计。后者则基于理论分析。 1 2 3 土塞效应研究现状 由于p h c 桩为开口桩，在沉桩过程中桩端土心管桩在沉桩过程中，桩端土受挤压后有一 部分土进入管桩内形成“土塞”或“土芯”，另一部分土将被挤向桩周。随着沉桩的继续深 6 第一章绪论 入，涌入管桩内的土芯不断增高，当达到一定高度后，由于管桩内壁与土芯间的摩阻力作用， 产生封闭效应，即形成了。土塞”而桩端土的闭塞程度又直接影响端阻发挥与破坏性状及 桩的承载力。 对于闭塞效应的研究，早在2 0 世纪8 0 年代就有许多学者进行研究，并且得到了许多有 益的成果。k i n d e l ( 1 9 7 7 ) i 轴j 对墨西哥湾不同场地条件2 0 0 多根打入软粘土的大直径管桩 进行研究，并且定义了一个描述闭塞程度的参数p l a = l d ，得出在软粘土中打桩并未产生 明显的闭塞效应。p a i k o w s k y ( 1 9 8 9 ) 1 4 7 j 也对打入桩的土塞高度进行了研究，指出p l 矗并不 能真是反映土塞的闭塞程度，又提出一个新的评价指标：s 腿- d l d d 1 0 0 ：k a r l s r u d 和 h a u g e n ( 1 9 8 5 ) 郴1 通过静压沉入超固结粘土中的管桩模型试验，证明s r r 更能真是反映桩 的闭塞程度；p a i k 和l e e ( 2 0 0 3 ) 4 9 1 也通过打入砂土中的管桩模型试验，验证了s r r 的正 确性，并确定了砂土中管桩承载力的方法：陆昭球等( 1 9 9 9 ) 唧1 报道了嘉兴电厂p h c 管桩 土塞研究结果，指出影响土塞高度变化的因素，并得到管桩闭塞效应的有效长度；朱合华等 ( 2 0 0 4 ) i ，l j 通过对上海地区打入软土中的超长p h c 桩的土塞高度随深度的变化的观测结果 进行分析，指出土塞高度主要受地表土层软硬程度较大；杜来斌( 2 0 0 4 ) 哪j 通过对国内外 研究成果的总结，提出了开口管桩利用土塞恢复率来表达闭塞的不同程度；陈斌( 2 0 0 4 ) p j l 对宝钢地区钢管桩的土塞闭塞性状进行了研究，采用利用实测得到土塞一入土深度曲线得到 的桩径( d ) 一比例系数( q ) 拟合线，结合圆筒扩张理论预测出了钢管桩内部土塞所承担的 荷载。 张晓健等( 2 0 0 4 ) 唧1 通过自行研制的加载系统和量测系统装置，对砂土中筒桩进行了室 内模型试验。试验所荦导的荷载一沉降曲线结果与双曲线苟载传递函数计算的结果进行了比 较，认为筒桩内摩阻力是存在的。叶俊能( 2 0 0 3 ) p “首先利用荷载传递法，考虑桩内土芯内 侧摩阻和端部土塞作用得出筒桩沉降的弹塑性半解折解。然后利用有限元程序与半解析解对 比，分析探讨了影响简桩荷载一沉降性状的主要因素。但在求解过程中做了很多假设如筒桩 顶面有盖板情况下土芯顶端不分担荷载，全部由筒桩来承担。大大限制了其应用的范围；随 后朱向荣等( 2 0 0 4 ) 州采用双折线荷载传递函数，认为内侧摩阻与外侧摩阻同样荷载传递性 状的基础上推导了筒桩竖向荷载一沉降曲线的解析表达式。这种分析方法与筒桩顶部有盖板 或砂垫层的荷载传递性状是不一致的；费康等( 2 0 0 4 ) 1 明基于荷载传递法，考虑土塞的作用， 提出了一种筒桩单桩性状的简化分析方法。 1 3p h c 管桩的群桩效应 大多数桩基础是由群桩构成，桩一土一桩之间的相互作用使群桩的刚度不等于各单桩刚 度的和，即存在群桩效应。群桩效应与场地土特性，桩间距与单桩直径比、单桩材料特性、 群桩分布形状等因素有关。最早研究静力荷载群桩位移的是p o u l o s 口q ，他提出相互作用系 数概念，证明群桩效应可以通过两根桩的相互作用不断叠加获得，即两两迭加法之后，研 究者们又提出了积分方程法、有限元法以及其他合理的简化方法。在静力荷载作用下，桩周 围场地的变形影响会增加桩的位移，所以群桩的平均位移大于单桩承受平均荷载时的位移， 即静力时本文定义的群桩系数总是大于l 。而动荷载作用下，动力群桩效应与桩本身的频率 有关，有时可能远大于1 。 群桩效应具体反映于以下几方面p w m ：群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土反力、 桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化、群桩的破坏模式等。群桩的侧阻力只有在桩土 间产生一定的相对位移的条件下才能发挥出来。当桩距较小时，群桩中桩间土被相邻桩裹挟 着，相互之间限制着对方的相对位移，近似地成为一个实体基础，从而阻碍了桩侧阻力的充 分发挥；同时，由于相邻桩的桩侧剪应力在桩端平面重叠。导致桩端平面土应力水平提高， 7 东南大学硕士学位论文 压缩层加深，因而使群桩的沉降量和延续时间大于单桩。当桩距增大时，群桩中桩间土竖向 位移受相邻桩影响小，桩土间能产生较大的相对位移( 承台底局部范围除外) ，因而有利于桩 侧摩阻力的充分发挥，同时也有利于桩问土反力的发挥。 1 4 本文研究的主要内容和技术路线 1 4 1 存在问题和研究意义 通过对相关参考论文的了解发现，目前虽然国内外对p h c 管桩的应用非常之多，但是仍 然存在下列一些问题： ( 1 ) 国际上关于预应力管桩竖向承载力计算的经验公式不多，国内也没有一种计算方法 形成主导。p h c 桩应用于高速公路桥梁中目前国内研究更是比较少。国内设计人员在进行预 应力管桩单桩竖向承载力计算时，一般按现行设计规范，借用混凝土预制桩的计算公式，即 将预应力空心管桩视作闭口桩考虑，来计算单桩的竖向极限承载力，结果往往有偏差，比通 过静载荷试验所得的试桩值低很多。同时也无法真实地反映预应力空心管桩在沉桩过程中的 受力情况和桩的承载机理。实际上预应力空心管桩沉桩过程中，桩端的一部分土将被挤入开 口的空心管内形成“土塞”或。土芯”，一部分土将被挤向桩周产生挤土效应。随着沉桩的 深入，管内的土芯将会发生压缩，同时对桩管内壁将产生摩阻力，所以预应力管桩的竖向承 载力实际上由三部分组成，即桩外侧阻力、桩管内侧阻力、环底端阻力。同时，由于打桩过 程中桩端土体的挤压，使得持力层的承载力进一步提高，若按原状土的设计参数进行计算， 则得到的结果往往偏低。因此对“土塞”，和“挤土”两项内容的研究，对确定预应力管桩 承载力的大小具有举足轻重的意义。 ( 2 ) 在现行交通部部标准公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) d 1 中，仍采 用经验公式来计算基桩的竖向承载力，该公式不仅保守而且不尽合理。利用现有的现场测试 资料用规范介绍的公式进行计算，其结果往往比静载试验结果低，如何合理确定桥梁工程中 管桩承载力是一个迫切需要解决的问题。 ( 3 ) 对管桩基础的群桩效应研究不够，桥梁工程中如何合理确定管桩桩间距和承台形 式，是桥梁管桩基础设计的关键技术。 1 4 2 研究的主要内容及解决的主要问题 本文在前人研究基础上，针对目前预应力管桩应用于高速公路桥梁上的存在的问题展开 研究，主要包括： ( 1 ) 对静压施工的p h c 管桩的挤士效应进行研究，主要结合现场资料进行分析，对沉 桩过程产生的超静孔压及孔压消散现象进行分析，得到了规律；同时利用小孔扩张理论得到 了沉桩影响范围，同时对挤土效应引起的桩基承载力的时间效应进行了分析，得到了有益的 结果。 ( 2 ) 对静压施工的管桩的荷