（水工结构工程专业论文）预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的研究.pdf

摘要 随着我国工程建设事业的蓬勃发展，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口码头、海 上采油平台以及核电站等工程中大量采用桩基础，桩基已成为我国工程建设中最重要的 一种基础型式，桩基工程造价通常占土建工程总造价的1 4 以上，桩基础质量对工程建 设质量有决定性的作用，因此对桩基质量的检测就显的十分重要。 预应力钢筋混凝土桩( 简称p c 桩) 以其混凝土强度高、桩身抗弯、抗裂和抗腐蚀 能力强、穿透力大、施工工效高、质量较好等优点在工程上有广泛的应用。但在沉桩过 程中，特别是在采用锤击法沉桩施工过程中，有部分钢筋混凝土桩产生了纵向裂缝，这 将严重的影响桩基的稳定性，如果不对这些桩基检测出来进行纠正，将会产生不可估量 的损失。 本文从理论上分析了预应力钢筋混凝土桩在沉桩过程中产生纵向裂缝的形成机理， 即在瞬时的锤击中，在桩内部产生的横向拉应力大于桩本身的横向抗拉强度；并采用大 型有限元软件a n s y s 对预应力钢筋混凝土桩进行了打桩瞬态的模拟，根据在不同地基中 的受力情况，提出了预应力钢筋混凝土桩在沉桩过程中，当桩尖打入软弱地层时最容易 发生纵向裂缝的位置一般在桩的中上部；当桩尖打入坚硬持力层时，最容易发生纵向裂 缝的位置一般在桩尖部位。又阐述了波动理论在桩基检测中的运用，在以往检测方法的 基础上，提出了新的检测方法一旁孔透射法，根据新的检查方法，在实际工程中，能 够很好的检测出桩基纵向裂缝的位置。根据此形成机理，本文提出了控制纵向裂缝发生 的一些基本措施，例如：选择合适的打桩机械，及时更换桩垫，对桩身进行合理的配筋 等。通过本文为以后桩基础的检测以及发展提供了一些依据。 关键词：预应力桩；纵向裂缝；有限元；波动理论；措施 a b s t r a c t a sc h i n a sb o o m i n gc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , i nh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，h e a v yp l a n t , b r i d g e s ， p o r t s ，o f f s h o r eo i lp l a t f o r m sa n dn u c l e a rp o w e rp l a n t sa n do t h e rp r o j e c t si nt h ee x t e n s i v eu s e o fp i l ef o u n d a t i o n ，p i l ef o u n d a t i o nh a sb e c o m ec h i n a sm o s ti m p o r t a n tc o n s t r u c t i o np r o j e c t s o faf o u n d a t i o np a t t e r n ，p i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o nc o s tt y p i c a l l ya c c o u n t sf o rm o r et h a na q u a r t e ro ft h et o t a lc o s to fc i v i lw o r k s ，t h eq u a l i t yo ft h ep i l ef o u n d a t i o nh a v ead e c i s i v ee f f e c t o nt h ec o n s t r u c t i o no fq u a l i t y ，s ot h eq u a l i t yo ft e s t i n go nt h ep i l eo nt h es i g n i f i c a n ti sv e r y i m p o r t a n t p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i l e s ( r e f e r r e dt oa sp cp i l e ) h a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sw i t l li t s l l i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ，r e s i s t a n c et ob e n d i n g ，r e s i s t a n c et oc r a c k i n ga n dc o r r o s i o n - r e s i s t a n t a b i l i t y , p e n e t r a t i o nf o r c e ，c o n s t r u c t i o no fh i g he f f i c i e n c ya n dg o o dq u a l i t y b u ti nt h ep i l e d f i n gp r o c e s s ，p a r t i c u l a r l yi nt h eu s eo fh a m m e r - p i l ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，s o m er e i n f o r c e d c o n c r e t ep i l e sh a dl o n g i t u d i n a lc r a c k s ，w h i c hw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ep i l e ，i f n o td e t e c t e dt oc o r r e c tt h ep i l e ，t h e r ew i l lb ep r o d u c ea ni m m e a s u r a b l el o s s t h i st h e s i sa n a l y s i so ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i l e si nt h ep i l el o n g i t u d i n a lc r a c k s g e n e r a t e di nt h ep r o c e s so ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，n a m e l y , i na ni n s t a n th i t t i n g , t h ep i l e s i n t e r n a l l yg e n e r a t e dh o r i z o n t a lt e n s i l es t r e s sg r e a t e rt h a nt h ep i l ei t s e l f , t h eh o r i z o n t a lt e n s i l e s t r e n g t h ；a n du s et h el a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t os i m u l a t et h ep r e s t r e s s e d c o n c r e t ep i l e sw h e nt h ep i l i n gw e r et r a n s i e n th i t a c c o r d i n gt ot h ef o r c e ，p r o p o s e do ft h e e a s i e s tl o c a t i o no ft h ev e r t i c a lc r a c k s ，w h e nt h ep i l et i pi n t ot h es o f tg r o u n dm o s tl i k e l yt o h a p p e nw h e nt h eg e n e r a ll o c a t i o no ft h ev e r t i c a lc r a c k si nt h eu p p e rp a r to ft h ep i l e ；w h e nt h e p i l et i pi n t oah a r db e a r i n gs t r a t u m ，t h em o s tl i k e l yl o c a t i o no ft h ev e r t i c a lc r a c k si nt h e g e n e r a la r e aa tt h ep i l et i p ；a n de x p l a i n e dt h ew a v et h e o r yi nt h eu s eo ft h ep i l et e s t i n g d e t e c t i o n , b a s e do nt h eo l dd e t e c t i o nm e t h o d s ，p r o p o s e dn e wd e t e c t i o nm e t h o d s - - n e x tt ot h e h o l et r a n s m i s s i o nm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h en e w i n s p e c t i o nm e t h o d ，i nt h ea c t u a lp r o j e c t ，c a n d e t e c tt h el o c a t i o no ft h el o n g i t u d i n a lc r a c k si np i l ef o u n d a t i o n f o re x a m p l e ：s e l e c tt h e a p p r o p r i a t ep i l i n gm a c h i n e r y , r e p l a c e m e n to fp i l em a tt i m e l y , t h er e i n f o r c e m e n to ft h ep i l e a n ds oo nr e a s o n a b l e a c c o r d i n gt ot h i sf o r m a t i o nm e c h a n i s m ，t h i st h e s i sp r o p o s e ds o m e m e a s u r e st oc o n t r o lt h el o n g i t u d i n a lc r a c k so c c u r r e d t h r o u g ht h i st h e s i sp r o v i d e ds o m eb a s i s t of o u n d a t ef o rf u t u r et e s t i n ga n d d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dp i l e ；l o n g i t u d i n a lc r a c k s ；f i n i t ee l e m e n t ；w a v et h e o r y ；, m e a s u r e s 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。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： 碱亍滓 7 f in ：泖p 年年月，7 日 重庆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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 学位论文作者签名：镅夕簪 日期：溯埤年月，7 日 指导 日期 干 乡日 廨叩 o 月 一 名 p 摊 一 者年 作弘一 文 艄聊 位 期 学 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 基础工程是建筑工程的重要部分，地基基础工程的质量直接关系到整个建筑物的结 构安全，直接关系到人民生命财产的安全。桩基础是主要的基础形式之一，而且随着高 层建筑层高的增加，或者结构体型复杂、层数相差悬殊的建筑以及地下空间的开发利用 越来越广泛，桩基础成为许多建筑物的首选或必选的基础形式。根据多个工程造价可知， 一般情况下桩基工程造价通常占土建工程总造价的1 4 以上，桩基础的工程量是很大的 【l 】 o 据资料，我国每年的用桩量超过3 0 0 万根，在以后的建设中，用量将继续增大。2 0 1 0 年3 月将在在上海召开2 0 1 0 亚洲桩基础应用与发展峰会，根据其峰会愿景：为促进国 内经济发展，减小金融危机对本国造成的影响，亚洲国家政府纷纷推出了以基础建设为 主的经济刺激方案，泰国、菲律宾、韩国及中国大陆的开支占方案的总投资比重超过6 0 。 在中国，国家发改委投资四万亿人民币以刺激经济，其中，用于铁路、公路、机场、水 利等重大基础设施建设和城市电网改造资金占比最大，资金规模1 5 万亿，仅京沪高速 铁路的项目就在“十一五计划期间( 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ) 获得2 0 0 0 亿的投资。其次是汶川地 震灾后的重建资金l 万亿。因此在今后桩基的工程量将会越来越大，随之对桩基的技术 要求也将越来越高。 桩基的施工具有高度的隐蔽性，从而使得桩基工程的设计、施工、质量检测等方面 往往比上部建筑结构更为复杂，更容易存在质量隐患。大量的事实表明：工业与民用建 筑中的质量问题和重大质量事故多与基础工程质量有关，其中有不少是由于桩基工程的 质量问题，而直接危及主体结构的正常使用与安全。 桩基的纵向裂缝问题是近几十年才产生的问题，在以往，桩身的强度不足，在打桩 过程中由于桩身桩身产生的应力回弹往往容易出现横向裂缝，而现在，采用预应力后， 桩身的强度有了明显的提高，所以，现在横向裂缝产生的几率较小，而随着桩身强度的 增强，纵向裂缝产生的几率就比较大了。相关资料表明，由于出现的时间比较短，我国 目前对其研究有限，成果较少，施工过程中仍有许多问题需要做进一步的研究【2 】【6 】。 1 2 预应力钢筋混凝土桩发展概况、特点及研究现状和存在的问题 1 2 1 预应力钢筋混凝土桩发展概况及分类 桩基础是最古老的基础形式之一。早在新石器时代，人们就已采用木桩搭设水上住 2 第一章绪论 所，这可以看作最原始的桩基工程。我国在汉朝已用木桩修桥，到了宋代，桩基技术已 比较成熟。上海市的龙华塔和山西太原市晋祠圣母殿都是现存的北宋年代修建的桩基建 筑物，早期的桩多为木桩。 1 9 世纪2 0 年代开始使用铸铁钢板桩修筑围堰和码头。到2 0 世纪初，美国出现了各 种形式的型钢，在密西西比河上的钢桥开始大量采用钢桩基础，以后在世界各地逐渐推 广，并逐渐发展成为包括钢桩、钢板桩、钢管桩及异形断面钢桩等类型。 1 9 世纪后期，随着钢材、水泥、混凝土及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，首先是前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 年代修筑的一些高层建筑物就采用了沉管灌注桩基础。 2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，出现了钢筋混凝土预制桩。我国从2 0 世纪 5 0 年代开始生产预制钢筋混凝土桩，多为方桩，以后又广泛采用抗裂能力高的预应力钢 筋混凝土桩。1 9 4 9 年，美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产预应力混凝土管桩。 2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，我国也研制生产出大型的预应力钢筋混凝土管桩，并将其应用于 桥梁、港d - i - 程中p j 。 经过数百年的发展，桩基础现如今已经发展成为最广泛的工程基础形式之一，桩基 础按不同的标准可以分成多种类型【4 】： 1 按制桩材料分，有木桩、钢筋混凝土桩、钢桩，水泥土桩、c f g 桩、石灰桩、二 灰桩以及碎石桩等。 2 按桩身的制作方法分，有预制桩、灌注桩以及与地基土就地搅拌三类方法。 3 按其直径或截面尺寸分，常有大直径桩、中等直径桩和小直径桩之分。 4 按其端部形状分，预制桩有尖底、平底之分；钢管桩有开口、闭口之分；沉管 灌注桩有采用预制圆锥形桩尖或平底桩靴之分；人工挖孔和机械成孔灌注桩则均有平底 或锅底之分。 5 按其纵向截面形状分，有柱状桩、板桩、楔形桩和锥形桩之分；柱状桩又有直 身桩、扩底桩、多节桩、竹节桩、表面带螺纹的桩等；近年又出现了多支盘挤扩桩、d x 桩等。 6 按其横向截面形状分，有圆形、管形、正方形、矩形、十字形、h 形、箱形、 三角形、多角形等。 7 按设置时对于地基土的影响程度分，有： ( 1 ) 大量挤土桩( 包括各种打入、振入、压入、旋入桩等) ； ( 2 ) 部分挤土桩( 包括开口钢管桩、h 型钢桩、预钻孔打入桩、螺旋成孔桩等) ； ( 3 ) 非挤土桩( 包括人工挖孔桩和冲孔、钻孔、抓掘成孔桩等) ，此类桩也称为 第一章绪论 置换桩，因是取出土体而用钢筋混凝土进行置换而成； ( 4 ) 少量挤土桩，主要是指水泥土桩和加劲水泥土桩；此类桩施工时不产生泥浆 污水，无废土外运，对环境保护较有利。 8 按其承载性状分，通常有： ( 1 ) 摩擦型桩，指桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担的桩；根据桩侧阻力承担 荷载的份额，摩擦桩分为纯摩擦桩和端承摩擦桩； ( 2 ) 端承型桩，指桩项荷载全部或主要由桩端阻力承担的桩；根据桩端阻力承担 荷载的份额，端承桩分为纯端承桩和摩擦端承桩； 9 按其竖向受荷方向分，有抗压桩和抗拔桩。 1 0 按其水平向受荷条件分，通常有： ( 1 ) 主动桩，指桩顶受水平荷载或力矩作用，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受 土压力是由于桩主动变位而引起的情况； ( 2 ) 被动桩，指沿桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线由于该土压力作用 而偏离初始位置的情况。 1 1 按其用途或功能分，主要可分为基础桩、围护桩。 1 2 2 预应力钢筋混凝土桩的特点 桩的发展从最原始的木桩到现在的预应力钢筋混凝土桩，桩的优越性不断的被完 善，现在的预应力钢筋混凝土桩的优点，主要体现在以下几个方面【5 】： 1 预应力桩施工质量比较稳定。 2 预应力桩提高了起吊时桩身的抗弯能力和冲击沉桩时的抗拉能力，改善了抗裂性 能，并可节约钢材。 3 预应力桩极大的提高了桩身横行抗裂方面的能力，可以通过自身的预应力来愈合 横向裂缝。 预应力钢筋混凝土桩大多用柴油锤、蒸汽锤或自由落锤打入土中。打桩过程容易发 生以下质量问题： 1 打桩时选用的锤垫和桩垫不合适。垫层过软会降低锤击能量的传递，打入困难； 垫层过硬，增大锤击应力，容易击碎桩头。 2 打桩的拉应力易引起桩身开裂。打桩拉应力的产生及大小与桩尖土的特性、桩侧 土阻力分布、入土深度、锤偏心程度和垫层特性有关。若桩较长，桩尖土质较差，锤击 入射压力应力波从桩尖反射为拉力波，最大拉应力大多发生在打桩初期桩身中部一定范 围，约( 0 2 , - - 0 8 ) 倍桩长位置；当桩尖土质较坚硬，入射波在桩尖的反射仍为压力波， 压力波传至桩顶，此时锤已回跳离开桩顶，应力波因而就从自由桩顶反射形成拉力波， 这时最大拉应力一般发生在桩的上部。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将开 4 第一章绪论 裂。 3 桩锤选用不合适，桩将难于打至预定设计标高或不满足贯入度要求。 4 桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求或桩顶混凝土保护层过厚，桩顶不平，桩身 混凝土强度等级低于设计要求等，打桩时都易击碎桩头。 5 桩距设计不合理，或打桩次序安排不合理，往往导致打桩时将临近桩挤压折断。 6 桩在运输、起吊过程中，支点和吊点的选择、配置不合理，导致桩身断裂。 7 桩尖遇到硬土层、顽石或障碍物，因锤击次数过多，冲击能量过大引起桩身破 裂或折断。 1 2 3 预应力钢筋混凝土桩的研究现状和存在的问题 预应力钢筋混凝土桩经过几十年的发展改良，如今预应力钢筋混凝土桩根据不同的 地质情况以及侧重点的不同，其形态发生了很大的变化，由最初的方形桩( 属于传统桩 型) ，发展到现在的各种桩型。 现在有为了减小沉桩时的排土量和提高沉桩贯入能力，往往将预应力钢筋混凝土桩 制成空心管桩，或者是桩端制成敞口式；有为了提高侧面摩阻力，来提高承载力，而把 桩截面制成锥形的锥形桩，这种桩，在桩身体积相同的条件下，起承载力可比等截面桩 提高l 2 倍，沉降量也有所降低；螺旋形r c 桩系通过施加扭矩旋转置入土中，因而 可避免冲击沉桩产生的噪声和振动污染。r c 桩的螺旋叶片可提高桩侧阻力和桩端阻 力；有为了防止地震时地基土的液化，可采用结节桩。节点桩可以使桩的承载力能较快 地达到稳定值，同时又能释放地震引起的超孔隙水压力，从而防止土的液化，并且其承 载力比普通桩高出3 0 , 4 0 7 1 。 预应力钢筋混凝土桩虽然优点很多，并且经过了不断的改良，其性能的稳定性和可 靠性得到了很大的提高，但是随着其他问题的解决，新的问题又在不断的出现，其中主 要的问题有以下几方面： ( 1 ) 桩身本身的质量问题。主要原因有预制桩生产过程中材料、胎膜、生产工艺、 养护龄期等控制不严导致桩身强度不够、桩身几何尺寸偏差大等质量问题，装卸、运输、 堆放不当造成桩身裂缝等缺陷，在施工前又未能及时发现。桩身本身质量有缺陷的桩经 锤击打入后，将严重影响基桩承载力，造成的事故是很难处理的。 ( 2 ) 接桩质量问题。主要原因有接桩材料不合格、接桩方法不当等原因，如上下节 平面偏差、焊接不牢、焊接后停歇时间过短、螺栓未拧紧、胶泥质量差等。 ( 3 ) 桩身垂直度问题。原因很多，如施工中垂直度控制不到位，布桩密度、打桩路 线、持力层层面坡度不合理，地面超载，基坑开挖，相邻工程挤土桩施工等，造成基桩 倾斜，严重影响桩身质量及建筑承载力。 ( 4 ) “拒打 造成的质量问题。打入式预制桩施打过程中常出现送桩困难或无法送 第一章绪论 桩现象，桩长达不到设计要求。主要原因有勘察资料失实、设计参数、桩型、持力层选 用不当，施工中采用的锤重锤垫不当、停歇时间长，或出现复杂的地质现象( 如夹砂硬 土层、地下孤石等) 。过多的重锤打击，易导致桩头碎裂、桩身损伤。 ( 5 ) “上浮吊脚造成的质量问题。在深厚软土地区，已打入的桩，在施工其相邻 基桩时，往往会发生整桩“上浮 、桩端离开持力层的现象。这种现象对基桩承载力影 响很大，但如果采取措施将“上浮吊脚”桩压回原位，一般来说其承载力能满足设计要 求。 ( 6 ) 捶打出现的桩身质量问题。当重锤打击桩头时，由桩头向桩身射入的压力波， 如果桩身较长、桩尖处于软土层，桩尖将反射回拉力波，此时的拉力波往往会集中在桩 的中部o 2 - - - 0 8 倍桩长的位置；如果桩尖处于硬土层，桩尖将反射回压力波，压力波 到达桩顶后又产生拉力波，该拉力波一般集中在桩头部分。如果拉力波产生的拉应力超 过预制桩桩身混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现裂缝，形成断裂面。 特别是问题( 6 ) ，造成的危害特别大。过去，采用非预应力桩，锤击沉桩时常因 反射应力波的作用使桩出现横向裂缝；改用预应力桩后，横向裂缝得到了控制，但是又 出现了纵向裂缝。据对3 6 0 0 根沉桩的调查，近1 8 的桩产生了纵向裂缝。特别是在使用 预制预应力钢筋混凝土方桩时，桩身的局部表面，往往出现收缩裂缝、横向、纵向及环 向裂缝，甚至出现贯穿裂缝等现象，这将使砼的抗渗、抗冻、抗侵蚀等性能严重降低， 大大损害了基桩的耐久性，给工程带来极大的危害。因而，研究纵向裂缝的形成机理， 以及提出合理的防止措施，对预应力钢筋混凝土桩的进一步推广应用有极大的意义。对 此，国内外学者作了不少研究，尽管认识各异，但对沉桩纵向开裂的机理及其影响因素 均作了有益的探讨。 1 3 本文的主要研究工作 1 3 1 研究目标： 1 ) 探讨预应力钢筋混凝土桩在沉桩过程中产生纵向裂缝的机理。 2 ) 探讨预防其纵向裂缝开裂的措施。 1 3 2 研究内容： 1 ) 判定打桩应力在桩身内的传播规律。 2 ) 判定打桩过程中，桩土之间的相互作用。 3 ) 波动理论在打入桩桩基检测中的应用。 1 3 3 拟解决的关键问题： 1 ) 预应力钢筋混凝土桩在沉桩过程中产生纵向裂缝的机理。 6 第一章绪论 2 ) 有限元模拟打桩过程中，桩土耦合的问题。 3 ) 预防钢筋混凝土桩在沉桩过程中纵向裂缝开裂的措施。 1 3 4 预期的研究成果 通过理论分析与有限元模拟计算，我们可以得到如下的研究成果： 1 ) 预应力钢筋混凝土桩在沉桩过程中产生纵向裂缝的机理。 2 ) 在实际工程中影响其纵向裂缝产生的因素。 3 ) 控制其打桩过程中纵向裂缝产生的合理措施。 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 7 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 随着预应力钢筋混凝土桩在工程中的大量应用，以及对其研究的不断深入，国内外 学者发现，在打桩过程中，锤型的选择，垫层的选择，以及对地质情况的了解，预应力 钢筋的配置方式等因素都会引起纵向的裂缝。国内外学者根据不同的影响因素，提出了 不同的机理。本章将综合分析多种因素的情况下，对预应力钢筋混凝土桩在打桩过程中 纵向裂缝的产生机理作进步研究。 2 1 纵向裂缝产生的力学理论研究 目前，对于预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝这种问题的研究国内还处于一个初级的阶 段，还有许多问题没有研究透彻，例如：以往注重研究桩的上部阶段的纵向裂缝问题， 而对中部和下部结构的研究比较少，下部的应力情况还不是太明了；钢箍对纵向裂缝的 影响机理还很不清楚，以往的研究，着重于试验，通过采集数据来分析，导出公式，验 证公式，来推求沉桩纵向裂缝的机理。我国的研究主要有以下几方面【2 】： 1 9 7 6 1 9 7 9 年长江中下游的江阴澄西船厂舾装码头、高港磷矿码头、江阴九五固定 码头、南京梅山扩建码头都在沉桩过程中相继出现了纵向裂缝。由于纵向裂缝的桩数较 多，裂缝较长，引起了施工单位二航四公司、三航三公司有关人员的关注。通过现场观 察、分析和调查研究，以所收集的长江中下游、南海石油基地码头、波罗的海、黑海和 日本海港口桩基等1 3 个工程的桩基纵向裂缝资料为素材，在1 9 8 0 年港工技术交流 上有沈定康、陈光福两同志撰写的“预应力混凝土空心桩纵向裂缝的探讨”，在国内首 次揭示了桩的纵向裂缝问题，为进一步探索纵向裂缝的机理，研究抑制纵向裂缝的技术 措施打下了一个良好的基础。1 9 8 0 年1 0 月一- - 1 2 月在南京白云石矿码头工程中，由三航 三公司、南京水科院材料结构研究所进行了国内首次以研究纵向裂缝为试验目的的现场 打桩动测试验，取得了第一手纵向裂缝的技术资料，根据专题试验的资料，沈定康、陈 光福两同志于1 9 8 1 年在水运工程发表预应力钢筋混凝土桩的纵向裂缝一文， 总结了所进行试验的一些结论。 1 9 8 6 年5 月港口工程桩基规范的主编单位交通部第三航务工程勘察设计院与 交通部第三航务工程局三公司、交通部第二航务工程局四公司签订了“预应力混凝土桩 锤击下沉时横向拉应力对桩身影响合同( 以下简称“合同) 。 为了实施“合同”，二航四公司委托南京水利科学研究院材料结构研究所，分别于 1 9 8 6 年5 月 - - 8 月和1 9 9 0 年5 月- - - 8 月合作进行了芜湖朱家桥外贸码头打桩纵向裂缝测 试，南京上元门港区1 3 、1 4 码头改造工程打桩纵向裂缝测试两项现场试验。1 9 8 7 年三 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 航三公司与河海大学工民建系、河海大学工程力学研究所合作完成了“模型桩的纵向裂 缝试验 与“纵向裂缝机理的力学分析。 1 9 8 7 年4 月1 2 月先后完成“预应力混凝土桩锤击试验研究 ，“预应力桩打桩 纵向裂缝的现场试验研究 ( 朱家桥) ，“预应力钢筋混凝土桩锤击时纵向开裂问题探 讨 三篇分报告，以及1 9 9 0 年8 月完成了“箍筋间距对预应力打桩纵向裂缝影响的现 场试验研究 ( 上元门) 报告。 1 9 9 1 年，河海大学陆中玉教授和交通部第三航务工程局三公司沈定康高工共同探讨 了预应力混凝土桩锤击时纵向开裂的问题，他们根据预应力钢筋混凝土4 组( 实心非预 应力、实心预应力、大小空心预应力) 共1 6 根( 2 0 0 c m 2 5 c m x 2 5 c m ，4 0 0 # 混凝土) 试 验桩受锤击时纵向开裂试验结果，提出了桩受锤击时“横向箍筋约束效应”的计算模式。 运用弹性力学和材料力学的计算方法，对预应力桩进行了冲击计算，导出了预应力 桩受纵向冲击时，纵向开裂发生前至发生时的桩内横向拉应力计算公式。并据此公式， 探讨了预应力钢筋混凝土桩锤击时纵向开裂的机理。 根据清华大学所作的素混凝土块不同受力条件下静力试验结果，混凝土泊松比： y ：婴+ 0 1 2 5 u ( 2 1 ) l ，= 一十 tz 1 ， 。1 一引r e 式中：仃一混凝土块所受压应力( p a ) ； r e = 0 8 5 r ，r 一素混凝土标号。 对室内1 6 根试验桩混凝土表面拟泊松比y ：的实测结果进行回归分析，可得以下的 经验公式： 吩o 0 9 ( o 4 0 + 篙) + 0 1 2 5 ( 2 2 ) 式中：以一桩中混凝土所受锤击压应力( p a ) ； 尺一混凝土标号( p a ) ； d 一桩空心直径( c m ) ； b 一桩横向最小尺寸( c m ) 。 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 比较可知：钢筋混凝土桩受锤击时，混凝土内存在着拉应力， 不然，混凝土桩表面拟泊松比不可能比同样条件下素混凝土的泊松比有较大的增长。桩 受锤击时，桩内各点应力实际上处于三向应力状态。 根据广义虎克定律，有： 占l = 。1 。a l 一p 2 + 仃3 ) 】 占l2 pll 一p 2 + 仃3 月 乞= i 1 。2 一( q + 仃1 ) 】乞2 ；。2 一b + 仃l 刀 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 9 占，= p 3 一p 。+ 0 2 ) 】 占3 。i l 口3 一i 仃l + 月 f 。： b ：一版】 f l2 i i 叮2 一盯lj 占：丢b 。一a c t 2 1 占：2i p - 一 叫= 鞘1 o r d 仃2 ：# 等0 i ( 2 3 1 0 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 2 2 纵向裂缝产生的波动理论研究 进行相关计算时，一般用波动方程来计算打桩应力和桩的承载力，因它能较准确地 模拟锤击应力波在桩身的传递过程，同时又能考虑影响应力波传递的各种因素( 如锤击 能量、垫层材料、桩身材质及桩周土壤特性等) 。这在理论上是严格的，物理概念明确， 而且计算结果与实测数据能较好吻合或基本相符，此外能求解全桩身在锤击过程中桩压 应力的大小以及桩的极限承载力【6 】。 波动理论是根据桩受锤击后桩单元体的位移，加速度和动平衡的关系，写出波动方 程，并由选取的若干参数进行求解，有关波动方程在桩基工程中的应用，可参照三航局 科研所朱光裕的论文波动方程在桩基工程中的应用和在1 9 8 4 年南京工学院土木系 唐念慈、梁守信的出国参加会议访问小结应力波理论与桩基工程，以及参考文献l - 8 - 1 、 9 等文献。波动方程在桩基中应用的要点是一些参数( 特别是有关土的参数) 的适 实和正确的选取。国内一些单位，例如：三航局科研所、甘肃省建科所等单位编制了计 算程序，为工程设计服务并取得了积极的结果。 根据打桩实测的资料，打桩的实测应力值与按波动方程计算的应力值相比较，可以 看出其最大拉压应力都有较好的符合性。并且沿桩身打桩实测拉压应力与按波动方程计 算应力比较，两者颇相符合。可见波动方程在打桩时，用来计算应力值其结果是比较可 靠的。 对于钢管桩应用波动方程计算桩的应力，在1 9 8 7 年的海洋石油一书中有公式 如下： 蓐小生a cy 匦e c r c ( 2 4 ) 式中：仃，一打桩应力l o n c m 2 ； 彳、4 、么。锤、垫、桩的实际截面积c m 2 ； 、珞、一锤、垫、桩的客重t c m 3 ； e 锤击效率系数，柴油锤e 0 8 ，吊锤e o 6 ； 文中将式( 2 4 ) 用于预应力混凝土桩中，并修正锤系数，取口= 2 ，两根桩的实 测应力和计算应力符合良好，相差不大。 2 3 纵向裂缝产生的能量法理论研究 这种方法适用于室内模型桩的试验条件，只是做了专门的室内试验。但如何用于工 程实际有待研究。 如图2 1 所示，桩在锤击过程中，系统能量有： 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 1 1 落锤势能u i = 形日 桩垫变形能= p ( p k l + p k 2 ) 桩变形能u ，= 尸( 咒e f ) 若不考虑桩阻尼所耗散的能量有：g q - _ - p 2 ( 1 k 。+ l k ：) + p 2 ( l e f ) 在引入锤击有效系数之后，可得桩的锤击力尸的计算公式如下： p = ( 2 5 ) 式中：形一落锤重量i ( n ； 日落锤高度m ； 耳一桩混凝土动弹模量i ( n m 2 ； f 一桩截面积m 2 ； 五一桩帽垫层刚度l ( n m ； 疋一桩尖垫层刚度k n m ； 口锤击有效系数、室内自由落体击桩取口= 1 ； 尸一桩的锤击动压力l 【n 。 按式( 2 5 ) 计算，根据室内打桩试验的p 值，以及根据打桩时钢筋及混凝土的动 应变可求出相应的应力：= 局和盯c = c e c 进而可计算桩所产生的实际压力： = a c a s + 0 乜一彳s p c ( 2 。6 ) 式中：4 一桩混凝土的截面积； 彳。一纵向钢筋的截面积； 仃r 一打桩实测的混凝土纵向应力； 仃。一打桩实测的钢筋纵向应力。 按式( 2 6 ) 计算的结果和室内的打桩实测值，符合性良好。 1 2 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 垫层 图2 1 桩受锤击示意图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp i l eh i t 2 4 按锤型、落锤高度和贯入度计算 近一、二十年，国内各工程进行了大量的试打桩试验。多数试桩都用静载压桩试验 以确定单桩的极限承载力只，有少数桩仅进行动载试桩而未做静载压桩，也有部分桩动 静试验均进行的。由打桩时桩身的最大动应变可求出最大动压应力，进而可以计算出动 压力只【8 】； 只= a p 万一 ( 2 7 ) 式中：彳p 一桩的截面，a p 1 1 a f 为桩混凝土截面积，1 - 1 为钢筋换算或混凝土而有的 系数； 仃一一混凝土的最大压应力( 同一截面的平均值) 。 应该指出，打桩动应变的测量，影响的因素是较多的，远非室内结构静力试验可以 相比，所确定动压力e 值实属粗糙的，而桩静力压载的尸，因取值方法的不同，也有一 定的差异。预应力的另和p j 值仅差1 3 。因此可认为只= 弓。需要说明，乞值是打桩 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 1 3 过程中所受到的动压力，而静力压载是打桩后一定时间内所试验的值，只和只不是同 时的结果，也不是同一个概念，取只= p 仅是指它们间的数值相同而言。 静载试桩桩的极限承载力为桩尖土的抗力和桩侧土的摩擦力之和。它们与土质以及 桩的入土深度和截面尺寸有关。 研究大量试桩资料之后，发现桩的极限承载力与锤重、击高h 、土质和贯入度s 有 密切关系。根据对大量桩静力压载和动力打桩的试验资料，经回归分析并取整之后，建 议用公式( 2 8 ) 的动力公式计算来掌握桩的极限承载力p ： p = a 2 3 7 0 0 w h ( s + 1 0 0 ) ( 2 8 ) 式中：矿一锤芯重量i n ； 日一锤击高m ； s 一最后锤击的平均贯入度m m 击； 口一桩尖土质系数，取值如下： 粘土、亚粘土、淤泥质亚粘土口= 1 0 ； 粉砂土、细砂口= 1 2 ； 中砂、粗砂口= 1 5 ； 砾砂、粗砾砂口= 1 8 。 所谓桩尖土系指桩尖进入1 米以上的土层。如少于1 米时，仍按上一层考虑，当桩 尖为两种土质时，例如粘土夹砂或砂夹粘土，可以取用偏低的口值，这样偏于安全。 这个公式对打桩过程桩尖穿过硬土层或软硬土层桩身的应力计算是颇有意义的，可 用于分析是否因压应力过大而产生纵向裂缝。 2 5 桩的计算长度和偏心的影响 桩锤击过程中为受压杆件，桩的计算长度对桩纵向压应力的大小会有一定的影响， 尤其是桩尖穿过硬土层且外露长度较大时更为突出，此时桩的临界荷载将大为降低。偏 心是指桩锤击时的偏心和空心桩截面的偏心。 桩锤击的偏心可分为两项：桩顶在桩架龙口的偏心，其极限最大值可达2 5 厘米。 一般锤击初期偏心较大，锤击后期随着入土深度的增加和横向摆动的减少以及桩架的调 位，偏心较少：桩垫接触不均匀或置放的偏心，其大小视施工情况而定，一般为1 2 厘米。 桩制作的截面偏心，主要是指桩内膜胶囊的上浮或下沉：此外还与桩的平直度有关， 规范港口工程技术规范( 桩基) j t j 2 2 2 - 8 7 规定桩纵向轴的弯曲矢高不得超过2 厘 米以及桩长的o 1 ；关于胶囊空腔的偏心规范港口工程技术规范( 桩基) j t j 2 2 2 8 7 规定不得超过2 厘米，但在实际的桩有可能超过此限值。 可见加密定位箍筋可以有效减小胶囊的上浮。应该指出，胶囊的偏心随机性较大， 1 4 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 而与桩的不平直产生的初弯曲往往不在同一处出现，故不能将两者简单相迭加。 胶囊内腔偏心导致横截面几何特性的改变和偏心距的变化。用三种不同截面的桩当 ，= 0 和e 0 3 = 3 厘米，经计算其几何特性如表2 1 所示( 桩截面见图2 2 ) 。可见桩( 换 算) 截面积4 是不变的，而截面模量甄变化增减为4 3 - - , , 2 8 ，由此而引起的桩截面 应力变化甚微( 估计仅约1 ，因为偏心受压) ，可以忽略；但截面形心位置的偏移而增 加的偏心距e 。，- - 0 7 9 1 1 4 厘米( 平均0 9 2 厘米，由此引起桩身应力值不可忽视) 。 ? l y v 图2 2 桩截面示惹图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd a g r a mo f p i l es e c t i o n 在对计算长度和偏心的影响分析计算中作如下的假定和简化： 1 打桩为动应力问题，混凝土的塑性变形很小可以忽略，视桩位完全弹性体。 2 忽略混凝土预应力的影响。因为，打桩过程中混凝土和钢筋均产生压缩变形，钢 筋的预拉力合混凝土和钢筋均产生压缩变形，钢筋的预拉力和混凝土的预压应力将减 小。也未考虑应力( 应变) 波速在钢筋和混凝土两种介质中不同的差异。 3 取桩入土深2 米处为嵌固点( 表面淤土不计，从较好土层算起) ，桩顶为铰支端， 桩的计算长度i o = o 7 l ，并取t o - - 6 、1 0 、1 4 、1 8 米。 4 桩锤的偏心距取e 。= 3 5 厘米。此值是前述几种偏心的综合值。 表2 1 桩截面的几何特性 t a b l e 2 1 t h eg e o m e t r i cp r o p e r t i e so ft h ep i l e 第二章预应力钢筋混凝士桩纵向裂缝的理论研究 1 5 根据两端为铰接受到偏心压力p 作用的压杆，杆中心处( 0 52 1 0 ) 的附加挠度厂可 按式( 2 9 ) 计算： 厂= 等i p 。砰1 溺 弦9 ) 最= 艿2 & 百j 0 ( 2 1 0 ) t o 式中：尸一偏心压应力； 斥一轴心受压的临界荷载； e c 一混凝土的动弹模，可取为静弹模的1 1 倍； 厶一桩换算截面的惯性矩； 乇一桩的计算长度，l o = o 7 l ，j 为泥面( 不计淤土) 下2 米至桩顶的距离； 打桩的混凝土最大压应力按偏心受压公式( 式2 1 1 ) 计算： 仃叫= e 厶+ 心o + f ) w o , ( 2 1 1 ) 式中：厂一附加挠度，见式2 9 ； 以一桩换算截面面积； 甄p 一桩换算截面模量( 考虑胶囊偏心后的小值) 。 对于c 柏的混凝土，艮= 1 1 3 2 5 x1 0 4 n m m 2 ，取偏心距= 3 5 厘米，l o = - 6 、1 0 、 1 4 、1 8 米，桩尖为不同土层时，按式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 计算，所得p 、& 、 e o + 厂和盯雌值如表2 2 所示。 1 6 第二章预应力钢筋混凝土桩纵向裂缝的理论研究 表2 2 桩的锤击应力( 击高h = 2 2 m ，贯入度s = 1 0 m m 击，偏心距= 3 5 c m ) t a b l e 2 2t h eh a r a m e rs t r e s so ft h ep i l e ( h i th i g hh = 2 2 m , p e n e t r a t i o ns = 1 0 m m 击，e c c e n t r i