（土木工程专业论文）软土地基超长桩桩身压缩和稳定性研究.pdf

摘要 混凝土灌注超长桩被越来越多的建( 构) 筑物采用，但超长桩的理论研究还 落后于工程实践，尤其是超长桩桩身压缩量、桩身失稳的研究还比较欠缺。本课 题就此开展研究。 本文首先阐述了钢筋、混凝土的力学性状和超长桩特殊的工作性状。提出由 于钢筋混凝土材料单向受压应力状态与多向受压应力状态下的力学反应不相同， 因此用混凝土的弹性模量模拟桩身变形模量，并用此参数来计算桩身在土压力中 的压缩量是不合理的。 采用新的方法计算了桩身混凝土的变形模量。考虑了配筋对桩身变形模量的 影响，利用钢筋、混凝土的全应力应变曲线在不同的配筋条件下得出了不计入箍 筋的环箍作用和计入箍筋环箍作用的完整的桩身模量计算值。并推导了计入配筋 影响的桩身压缩弹性公式。 桩的长径比过大且桩侧土为软弱土时，需要验算桩的稳定性。本文采用伽辽 金法，假定侧摩阻沿桩身为均匀分布或三角分布，土侧压力采用m 法为基础的 地基反力，得出了不同情况下的临界压力。 本文通过对1 8 0 0 根静载试桩的统计数据分析得到：桩身压缩量随荷载水平 和桩长的增加而增加，当荷载和桩长大于一定值后，压缩量的变化趋势平缓。桩 长越长用规范公式计算得出的计算值误差就越大。提出用蝴乓作为统计量来 联合反映桩身压缩系数和桩身变形模量与混凝土弹性模量的差别。并得到线性回 归的计算公式。最后通过工程实例进行了验算并提出了相关工程建议：对箍筋加 强范围的计算提出了自己的公式。 关键词：超长桩，桩身压缩，稳定性，伽辽金法 a b s t r a c t f i r s to fa l l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o n c r e t e ，r e i n f o r c i n gb a ra n ds u p e r - l o n gp i l ea r e p r e s e n t e d a n dt h e ni tp u tf o r t ht h a ti ti su n r e a s o n a b l et ou s et h ec o n c r e t ee l a s t i c m o d u l u st os i m u l a t et h er e s p o n s eo ft h ep i l ee m b e d d e di n t os o i l sb e c a u s eo ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee l a s t i cm o d u l u so fc o n c r e t ea n dt h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so f p i l es h a f t t h i sd i f f e r e n c ei sm a i n l yd u et ot h a tt h er e s p o n s e so fc o n c r e t es u b j e c t e dt o u n i a x i a ls t r e s sa n dt r ia x i a ls t r e s sa r ed i f f e r e n t i nt h en e x tp a r t ，an e wm e t h o di sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o nm o d u l u s o fp i l es h a f t i nt h i sm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo ft h er e i n f o r c e m e n tr a t i oo nt h ed e f o r m a t i o n m o d u l u so fp i l es h a f ti st a k e ni n t oa c c o u n t ，a n db a s e do nt h ew h o l es t r e s s s t r a i n c u r v e s ，t h ev a l u e so ft h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so fp i l es h a f ta r eo b t a i n e dc o n s i d e r i n g t h es t r e n g t h e ni n f l u e n c eo ft h er e i n f o r c e m e n t h o o p e ds p i r a l f u r t h e r m o r e ，t h ef o r m u l a o ft h ee l a s t i c c o m p r e s s i o no fp i l e i sd e r i v e d c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to ft h e r e i n f o r c e m e n t t h es t a b i l i t yo ft h es u p e r - l o n gp i l ee m b e d d e di n t os o f ts o i l ss h o u l db ec o n s i d e r e d h e r e i nt h ea s s u m p t i o n so ft h et r i a n g u l a rd i s t r i b u t i o na n du n i f o r md i s t r i b u t e da r e a d o p t e dt os i m u l a t et h ep i l es i d er e s i s t a n c e ，a n dm - m e t h o di su s e dt os i m u l a t et h es o i l c o u n t e r f o r c e a n dt h e nt h ec r i t i c a ll o a di sg i v e nu s i n gt h eg a l e r k i nm e t h o d f o r mt h ed a t ao f18 0 0p i l e s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o m p r e s s i o no fp i l e s h a f ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp i l el e n g t ha n d l o a d i n gl e v e l a n dt h ei n c r e a s e dt r e n di s n o ts i g n i f i c a n tw h e nt h ep i l el e n g t ha n dp i l eh e a dl o a da r el a r g e rt h a nac e r t a i nv a l u e t h ec i t e rb e t w e e nt h em e a s u r e da n dt h ec a l c u l a t e dv a l u eo ft h ec o m p r e s s i o no fp i l e s h a f ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp i l el e n g t h m o r e o v e r ，as t a t i s t i c a lc o e f f i c i e n t q , - _ 织g ，i s u s e dt op r e s e n tt h ep i l ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ee r r o rb e t w e e nt h ee l a s t i c m o d u l u so fc o n c r e t ea n dt h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so fp i l es h a f t i na d d i t i o n a1 i n e a r r e g r e s s i o nf o r m u l ai sg i v e n i nt h el a s to ft h i sp a p e r , t h er a t i o n a l i t yo ft h ep r o p o s e d m e t h o di sp r o v e nu s i n ga 1 1 e n g i n e e r i n ge x a m p l e ，a n ds o m es u g g e s t i o n sf o rt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s u p e r - l o n gp i l e ，c o m p r e s s i o n , s t a b i l i t y , t h eg a l e r k i nm e t h o d i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得 的研究成果。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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 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谢意。 学位论文作者签名：彳绦私亏签字日期：阳卜年 3 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 歹多恕黟 签字日期：沙哞3 月护日 哆p韶蝴放亏 名 ) 签 几 者 如 作 ： 、又 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 如诗如画的玉泉，大气现代的紫金港，两年半的研究生生涯生活在绿意盎然 的杭州，也许是多年后最美好的回忆。 在张忠苗教授的悉心教导下，我完成了学业。研一课题组会议上对我们的叮 嘱，对课程学习的关注，指导学习专业知识，要求我联系实际工程认真的态度， 都使人难忘。本文是在他的指导下完成，从论文的选题，论文修改，最后定稿都 倾注了老师的大量心血。在生活方面，老师和师母亲切宽厚，经常邀请我们在家 里小聚，并经常对我们讲述人生经验，鼓励我们奋斗前行。你们谨慎的生活态度， 努力勤奋的奋斗经验都使得我受益匪浅。老师点点滴滴的教诲永在我心。 论文期间，有诸多困难，多谢浙江大学多位教授的指点和帮助，同时也感谢 和我一起讨论的张广兴、邹建师兄和寿旋同学，你们的指点对我启发很大。 实验室是我们温暖的“大本营”。难忘玉泉3 3 3 的各位师兄：邹建，竺松， 吴明，刘瑜，许军平和李振泽，谢谢对我的指导和关心；感谢课题组同级的王华 强，张乾青，寿旋，陈晨，孙苗苗，师弟刘俊伟，房凯，谢志专，赵玉勃，林存 刚，何景愈，王智杰，胡文韬，陈炜昀，王志凯，王梅，孔祥斌，侯键，翟朝娇。 感谢玉泉三舍的室友杨佳丽，宋华伟，你们是我见过最可爱的人，怀念和佳 丽的夜谈的日子，怀念和华伟西湖边的时光。紫金港的室友伍云利，卜狮，张飞 霞，也感谢你们对我的包容和支持。 感谢身边的好友焦丹和荆子菁，谢谢在我低落和沮丧的时候安慰我。感谢龚 瑜，郭杰峰，管仁秋，吴永华，陈成振，0 7 级岩土班的同学们，很高兴遇 到你们，很高兴和你们有兄弟姐妹一样的感情。 二十多年的时光，最让我铭记于心的是父母，我们永远是不可分割最最亲爱 的一家。 最后感谢本文的评阅老师和参加本次答辩的各位专家、同学。 贺静漪 2 0 1 0 年2 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 中国民用建筑设计通则( g b5 0 3 5 2 - - 2 0 0 5 ) n3 中将住宅建筑高度大于1 0 0 m 的民用建筑称为超高层建筑。高层建筑混凝土结构技术规程( j g j 3 2 0 0 2 ) 阻1 中规定：1 0 层及l o 层以上或高度超过2 8 m 的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。 当建筑高度超过l o o m 时，称为超高层建筑。截止2 0 0 8 年2 月上海市2 0 层以上 的高层建筑有1 6 0 0 多幢，如4 2 0 多米的金茂大厦、恒隆广场等等；浙江省超高 层建筑也有上千幢，如2 1 8 米的开元名都大酒店，3 2 3 米的温州世贸中心大厦。 这些超高层建筑都采用了钻孔灌注桩基础而且其桩基础都采用了大直径超长桩。 建筑桩基技术规范中并没有对超长桩进行界定，学术界对超长桩的划分 有两种意见：一种是从施工因素考虑，以桩长为标准，界限在4 0 5 0 m ；一种从 桩的传力特性方面考虑，以桩的长径比为标准，界限在5 0 左右。 对于超长桩来说，其受力有其独特之处，总结现有研究状况，需要解决的问 题在如下方面： 第一个需要明确的是桩端桩侧的承载力分担比。这个问题已经有很多学者做 了大量的工作。 第二个是桩身混凝土的压缩量。软土地基中以沉降为控制指标的设计方法逐 渐成为主流，桩身压缩占总沉降量的5 0 以上，因此对超长桩桩身压缩的研究必 然成为热点。桩身压缩量与混凝土的受力状态、混凝土的本构密切相关。同时桩 土的相互作用使桩身压缩更加复杂b 1 。 第三个必须考虑的是超长桩的稳定性，软土中超长桩由于桩长过长而可能带 来挠曲及屈服破坏。屈服破坏不同于强度破坏，加大配筋和增强混凝土强度不能 有效的避免屈服破坏h 1 ，因此有必要研究这个问题。 第四个是桩身混凝土的破坏。桩身破坏主要是由两方面造成的，一个是施工 质量问题，一个是桩身的设计值不够。规范中只是对桩身的强度做简单的强度验 算；在设计中，为了避免桩身混凝土破坏，使桩身强度成为桩承载力的首要控制 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 因素，往往加大配筋量并大范围加密箍筋。同时抗剪和抗弯特性和桩身配筋情况、 混凝土强度密切相关，因此我们需要研究钢筋和混凝土对荷载的反应。使桩承载 力最大程度的发挥而达到最大的经济效益。 对桩身压缩量和稳定性的研究不仅仅对桩的沉降和破坏有帮助，同时也对桩 的研究受力性状也有很大的意义。 1 2 国内研究现状 随着超长桩的大量使用，其独特的特性逐渐引起了工程师和研究者的注意。 由于超长桩多应用于超高层，高架桥梁以及其他重大工程建筑物、构筑物中，因 此除了对桩承载力的要求之外，对桩沉降的控制及稳定性要求也非常严格。因此 我们在桩基设计中既要满足桩基承载力，也要验算群桩沉降及稳定性。 一般来说单桩的沉降有三部分组成：桩身压缩，桩端阻引起的桩端土压缩和 桩侧阻引起的桩端土压缩。很多研究指出不同于其他桩的是超长桩的桩身压缩量 大到足以影响到群桩沉降，试验表明： 1 ) 超长桩在工作荷载下为纯摩擦桩或者端承摩擦桩( 如张忠苗，1 9 9 7 ) 。 2 ) 超长桩的侧摩阻和端阻的发挥是异步的，并且超长桩侧阻的发挥是逐渐 向下进行的，并和桩土相对位移紧密相关。超长桩的荷载传递和桩土性质的紧密 联系，如桩土刚度比，桩的长径比，桩周土、桩底土的性质等等碡q 。 3 ) 超长桩的桩顶沉降量中桩身压缩占到大部分，桩身压缩不可忽视。虽然 在此方向理论研究尚缺乏，但是还是得到了一些基本规律：如桩长越长桩的压缩 量就越大，同时非线性的压缩量就越大等等n 2 。1 钔。 4 ) 超长桩的桩顶荷载通常很大，超长桩设计时就不能只考虑沉降量和承载 力，同时必须考虑到桩身强度。 张忠苗教授在十几年的研究中积累了大量的工程资料，在深厚软土非嵌岩 超长桩受力性状试验研究1 一文中通过对深厚软土中超长桩静载荷试验资料的 分析，得出了桩端阻力、桩侧摩阻力的发挥规律和桩身压缩变形规律；软土地 基超长嵌岩桩的受力性状哺1 一文中描述了超长嵌岩桩在不同的桩长下，不同 的荷载水平下，受力性状及桩身压缩规律。辛公锋在其毕业论文竖向受荷超长 桩承载变形机理与侧阻软化研究中指出桩身的压缩在桩顶沉降中占到8 0 以 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 上，侧阻的发挥即便是在同一种土层中，埋深不同发挥程度也是不同的。 阳吉宝( 1 9 9 8 ) n 5 1 的论文中认为超长桩在工作荷载情况下是纯摩擦桩，并假设 桩为弹性杆件，桩土间用弹性弹簧模拟由此得出超长桩的有效桩长 乞一fe p a 5 p7 r l 川3 2 ) ( 1 + u s ) 。他还在1 9 9 5 n 6 1 年的论文中对桩的q s 曲线建立 了灰色模型。 朱向荣教授( 2 0 0 3 ) n 7 1 通过工程实例分析得出超长桩的极限荷载的控制因素 应该是桩顶沉降和桩身强度，同时得出桩侧摩阻和桩端阻力发挥并不同步。之后 的学者们的理论研究和工程实践大多数围绕桩的传力特征，集中在极限承载力和 桩顶沉降两方面。 池跃君( 2 0 0 0 ) n 8 1 采用非线弹性的邓肯一张模型模拟土体，g o o d m a n 接触 面模拟桩土界面，用有限元的方法谈论了超长桩在均质土和有良好土质下卧层的 工作性状 丘湘泉( 1 9 9 8 ) 在对超长桩的相关设计建议必须充分考虑桩身强度的影响， 其应是承载力强度的控制因素n 粥。 由于桩侧土抗力的存在，在土质良好中的桩基失稳的情况很少见，但是处于 软弱土中超长桩地基基础由于长径比过大而稳定性就必需考虑。稳定性问题始于 结构问题。对于稳定性问题国内外学者的解决方法众多，但大多是应用在上部的 梁，柱，板以及钢结构中。桩的屈曲问题的研究是由深厚软土地区超长桩的大量 使用开受到关注的。 胡任礼基于m 法得到计算长度c ，之后利用里兹法和铁摩辛柯法，朱大同n 2 1 得到相关解。 赵明华，王季柏在1 9 9 5 ，1 9 9 6 对于利用最小势能原理对侧阻摩擦对桩的屈 曲进行了分析乜们，近几年赵明华，贺炜，邹新军，王季柏在用最小势能原理能量 法对变截面桩的屈曲问题进行讨论 盯，同时引入数学中的摄动技术得到桩身屈曲 路径的高阶近似解。 在建筑桩基技术规范( j g j9 4 2 0 0 8 ) 乜卯对于压曲失稳的解释中认为工程 实践中，桩身处于土体内，一般不会出现压曲失稳问题，但下列两种情况应考虑 桩身稳定系数确定桩身受压承载力：一是桩的自由长度较大( 这种情况只见于少 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数构筑物桩基) 、桩周围为可液化土；二是桩周围为超软弱土，即土的不排水抗 剪强度小于1 0 k p a 。 1 3 国外研究现状 对于桩的沉降的研究s e e d r e e s e 在1 9 5 7 年提出的荷载传递法也称之为t z 曲线法乜。其研究的主要方向在荷载传递函数的提出和改善上：k e z d i 在1 9 5 7 年提出了指数函数的传递函数；佐藤悟于1 9 6 5 年提出了线弹性全塑性传递函数 等等旺扣25 1 。 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 提出了剪切位移法啦刀；1 9 7 8 年r o n d o l p h 提出的方法可以考虑 桩身压缩和桩长范围内轴向位移以及荷载分布雎8 1 ；c h o w 于1 9 8 6 年把k r a f t 在 1 9 8 1 年提出的考虑到土体的非线性情况的方法推广到了群桩。 p o u l o s 、d a v i s 和m a r e s 提出了基于无限半空间内中荷载的m i n d l i n 解的弹 性理论法。不同的是p o u l o s 在弹性半空间内引入桩身微分方程，得到桩周的剪 应力和桩端的阻力大小、分布形式，而g e d d e s 在1 9 6 6 和1 9 6 9 年同样从m i n d l i n 解出发，利用叠加原理求出了地基的应力和应变 2 9 - 3 0 对于桩长带来的影响p o u l o s 在文章中指出当长径比超过5 0 的时候，长径 比对荷载的传递性质有很大影响：即使持力层再加大刚度对减小桩的沉降的影响 也不大。 作为混凝土构筑物，桩的力学性质和其材料特性密切相关：在p o u l o shg ( 1 9 8 9 ) n 2 1 的论著中提到的桩身刚度的问题说明桩身的刚度越大，桩对力向下传 到的能力就越好。同时，作为极限承载力的控制因素超长桩桩身强度的两个主要 方面桩身的配筋和桩身混凝土的强度也互相影响。研究钢筋混凝土的性质对于桩 身的压缩有很重要的意义。 1 8 2 4 年英国人阿斯普丁( j a s p d i n ) 发明硅酸盐水泥；1 8 7 2 年在纽约建造第一 所钢筋混凝土房屋，之后混凝土广泛应用。在钢筋混凝土结构的设计计算理论方 面： 第一阶段：尚未形成理论，沿用材料力学的方法。1 8 0 1 年考格涅特发表了 的论著，指出了混凝土的抗拉性能较差。钢筋混凝土小构件开始进入了工程实用 阶段。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第二阶段：考虑到混凝土塑性性能，1 9 2 2 年英国的狄森提出受弯构件按破 损阶段的计算方法，1 9 5 0 年原苏联依据极限平衡理论，制定了塑性内力重分布 计算规程，此方法规程综合了容许应力法、破坏强度法的优点，不仅可以验算在 使用阶段的容许应力、容许裂缝宽度、挠度，也可以验算破坏阶段的承载能力。 由此奠定了现代刚混结构的基本计算理论。之后，欧洲混凝土委员会与国际预应 力混凝土协会( c e b f i p ) 逐渐形成了统一的意见，完成了国际化的统一准则。 第三阶段：计算机使大量复杂的运算变得可能而快速。以概率论为基础的极 限状态设计法，数值方法中的有限元分析，先进的实验手段，测试手段的运用等 技术、工具和理论的发展使钢混结构的研究进入了新的阶段- 模拟结构的非线性 行为，以及复杂应力状态下，混凝土本构关系等等。 需要注意的桩是是钢筋混凝土结构为符合材料组成，不管是桩还是其他混凝 土构件其计算多是建立在试验和实际工程上的，都有一定的约束条件和使用范围。 所以实际设计中，所考虑的是综合的解决方案，要从桩的持力层，桩身截面尺寸， 桩身混凝土、钢筋标号选择等等方面全盘考虑。 在现有的研究中，尤其是实际运用中，对于钢筋混凝土结构的桩的材料性质 对其力学性质的影响还没有深入的研究。 稳定性问题自从1 7 4 4 ，e u l e r 提出了压杆稳定理论，结构稳定性问题在土木 工程中被研究了近2 0 0 年。 f o r s e u ( 1 9 1 8 ) 和g r a n h o l m ( 1 9 2 9 ) 提出了桩基础的屈曲稳定稳定问题一一 细长桩在软弱土中的稳定性问题。5 0 年代，b r a n d z a g e ，h a r b o e ( 1 9 5 7 ) 进行了 现场钢桩的试验孤，之后又有很多学者做了众多桩身材料的室内、室外试验，如 l e e ( 1 9 6 8 ) 室内钢桩4 1 ，铝桩室内试验，s o v i n c e ( 1 9 8 1 ) 的现场试验n 5 3 等等。 国外d a v i s s o n 和r o b i n s o n ( 1 9 6 3 ，1 9 6 5 ) d 们。考虑了成层地基系数，利用 计算机模拟解，p a v l o v i c 采用了幂级数解，b b b u d k o w s k a 和c s z y m c z a k 同样对部分埋入桩的屈曲性状进行了研究。 1 4 本文的恩路以及研究内容 因此综合国内外文献可以得出：软土地基超长桩桩身压缩和稳定性研究尚待 完善。本文研究了三方面内容：桩身压缩，桩的稳定性和桩身强度。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 软土地基中超长桩桩身压缩不可忽略，本文研究思路采用既观测桩顶沉 降又观测桩端沉降的测试技术来获得桩身压缩量。从1 8 0 0 根桩桩身压缩实测值 出发，通过对影响桩身压缩量的各个变量进行分析，得到相应的回归函数。理论 研究方向从桩身变形模量入手，利用混凝土和钢筋的全应力应变曲线，在不同的 配筋条件下得出了不计入箍筋的环箍作用和计入箍筋环箍作用的完整的桩身模 量估算值。并且结合混凝土结构设计规范，利用弹性方法，推导出了计入配 筋影响的桩身压缩量弹性计算公式。 2 ) 软土中，超长桩桩身稳定性问题逐渐受到重视。本文考虑了桩侧摩阻力 对稳定性的影响，利用迦辽金法计算出桩的临界荷载。公式中桩侧摩阻力假设为 均布或三角分布。 3 ) 桩身的强度主要取决于桩身材料的性质和外部应力状况。本文利用混 凝土结构设计规范中相关规定，在桩身强度计算中加入了箍筋对强度的影响。 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 第二章桩身混凝土的基本性能及超长桩的受力特性 2 1 钢筋混凝土力学性能 混凝土是很常见的工程材料，施工方便，工艺简单。钢筋混凝土结构已经非 常广泛的应用于各种建筑形式中。 在混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) h 中规定结构构件应根据承载 能力极限状态及正常使用极限状态的要求分别按下列规定进行计算和验算： ( 1 ) 承载力及稳定：所有结构构件均应进行承载力( 包括失稳) 计算；在必 要时应进行结构的抗倾覆滑移及漂浮验算；有抗震设防要求的结构应进行结构构 件抗震的承载力验算。 ( 2 ) 疲劳：直接承受吊车的构件应进行疲劳验算；但直接承受安装或检修 用吊车的构件根据使用情况和设计经验可不作疲劳验算。 ( 3 ) 变形：对使用上需要控制变形值的结构构件应进行变形验算。 ( 4 ) 抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件应进行混凝土拉应 力验算；对使用上允许出现裂缝的构件应进行裂缝宽度验算；对叠合式受弯构件 尚应进行纵向钢筋拉应力验算。 这和桩基设计的要求不谋而合，因此更有必要对桩身材料一钢筋混凝土进行 分析和研究。 2 1 1 普通混凝土的性质 混凝土从宏观上讲是由水泥、细骨料、粗骨料组合而成。从微观上讲则由水 泥凝胶、未完全水化的水泥颗粒、晶体骨架以及之间的空隙组成，且是非均质、 非连续体。混凝土是一种需要拌合一定配合比的粗细骨料，水，添加剂再经过注 模、捣振、养护等等工序之后才能形成的人工材料。 在其硬化的过程中，内部、外部各种因素都会对混凝土的强度有不同程度的 影响。在混凝土凝固过程中裂隙已经产生一一由于砂浆，骨料的失水率不同，在 硬化过程中水泥砂浆收缩远大于骨料，因此砂浆受拉应力，骨料受到压应力，在 浙江大学硕士学位论文第二章 超长桩的特性和混凝土的特性 骨料界面上，局部应力也许很大，极有可能产生微小的裂缝。材料结合部的裂隙 的发展是混凝土强度丧失的重要原因。同时水泥砂浆具有很高的孔隙率，可达 3 0 左右，并且孔隙内充满了水和空气。这些都会造成混凝土受力时力学性质的 复杂性。大量的试验证明，混凝土的破坏过程就是裂缝的产生，发展直至贯通的 过程m 1 。 、 ， l1 1 l 、 、 - - - 一 l 图2 1 典型混凝土应力应变曲线 2 1 图是混凝土单轴压缩试验的典型应力一应变曲线。在口 0 7 5 时，裂纹达到临界长度，裂纹贯通，结构开始崩溃，此 时应变与最小体应变相对应，应力水平为临界应力；在此之后为下降段f 曲线 弯曲明显。有实验表明低、中、高强度混凝土的应力一应变曲线形状大致相同， 只是高强度的混凝土线性部分更加明显，应力峰值更加高同时下降段也更加陡， 脆性更加明显b 7 叫们。 混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) h 中对于素混凝土的强度的规定 为：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定。，k = o 8 8 a c l 口c 2 “j | 式 中轴心抗拉值s t 、轴心抗压强度设计值尼分别约是轴心抗拉、轴心抗压强度标 准值厶k 、k 的7 1 4 。这符合对混凝土轴向受力的分析。 混凝土结构设计规范中混凝土单轴受压的应力应变曲线方程按下列公 式确定： 当x 1 时y = 吒工+ ( 3 2 a a ) x 2 + ( 一2 ) x 3 当x l 时y = - 毛r 口d ( x 一1 ) + x 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 其中x = 三；y ：三。吃，吻为单轴受压应力应变曲线上升段、下降段的参 8 c c 数值，e c 为与z 相对应的混凝土峰值压应变。 表2 1 混凝土结构设计规范中混凝土设计值、标准值和弹性模量 强度等级 强度藉k c 1 5c 2 0c 2 5c 3 0c 3 5c , 4 0c 4 5c 5 0c 5 5c 6 0c 6 5c 7 0c 7 5c 8 0 弹性模量 标准值 a ( n r a m 2 ) 】0 0 01 3 4 01 6 7 02 0 1 02 3 4 02 6 8 02 9 6 03 2 4 03 5 5 03 8 5 04 1 5 04 4 5 04 7 4 05 0 2 0 实际值 工( n m m 2 ) 7 2 09 6 01 1 9 01 4 3 01 6 7 01 9 1 02 1 1 02 3 1 02 5 3 02 7 5 02 9 7 03 1 8 03 3 8 03 5 9 0 弹性模量 e c ( 1 0 4 n r a m 2 ) 2 2 02 5 5 2 8 03 0 0 3 1 5 3 2 5 3 3 5 3 4 5 3 5 53 6 03 6 53 7 0 3 7 53 8 0 2 1 2 钢筋的性质 混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中规定使用普通钢筋：h p b2 3 5 、 h r b3 3 5 、h r b4 0 0 ；预应力钢筋：钢绞线、消除应力钢丝、热处理钢筋等，同 时提倡使用h r b 4 0 0 ( 新i i i 级) 钢筋作为我国钢混结构的主力钢筋。 图2 2 为钢筋典型应力应变曲线。钢筋中如热轧低碳钢和普通热轧钢筋等有 明显的流幅，而高碳钢等没有明显的流幅。对于有明显流幅的钢筋规定为其屈服 点为极限强度，而没有明显流幅的钢筋规定以达到8 5 的极限抗拉强度的点为条 件屈服点7 1 。 表2 2 普通钢筋强度设计值、标准值( n m m 2 ) 和弹性模量( 1 0 5 m m ：) 种类 l 。t 嫩 e h p b2 3 5 ( 0 2 3 5 )2 1 02 1 02 3 52 1 热 h r b 3 3 5 ( 2 0 m n s i ) 3 0 03 0 03 3 52 0 轧 钢 h r b4 0 0 ( 2 0 m n s i v 、2 0 m n s i n b ， 4 0 02 0 5 3 6 03 6 0 筋 2 0 m n t i ) r r b4 0 0 ( k 2 0 m n s i ) 3 6 03 6 04 0 01 9 5 注：在钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大 于3 0 0 n m m 2 时，仍应按3 0 0 n r a m 2 取用。 9 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 ( a ) 有明显流幅钢筋应力应变曲线( b ) 没有明显流幅钢筋应力应交曲线 图2 2 钢筋应力应变曲线 2 1 3 多轴应力下的混凝土和箍筋的约束作用 桩在土中受到了土的侧向约束作用，混凝土灌注桩桩身普遍使用的螺旋箍筋 对内部混凝土也有约束作用，这对整个结构的抗压强度的提高有很大帮助。多轴 应力下混凝土力学响应和单轴受压情况有很大不同。 对于混凝土的多轴应力一应变的分析在试验方向上没有统一的标准，因此实 验方法和实验设备构造原理的迥异使得结果具有一定的离散性，特别是在应变值 的实验数据上。但是混凝土多轴应力一应变的一般性规律仍然可以从大量实验中 看出来，这些规律得到了普遍的认同2 。卯： ( 1 ) 二轴受压状态： 1 ) 混凝土二轴抗压强度超过单轴抗压强度。 2 ) 二轴抗压强度随着应力比的变化而变化，呈抛物线型，先快速增长接着 变化平缓，当应力超过一定值后二轴抗压强度反而下降。 ( 2 ) 三轴受压应力状态： 1 ) 应力应变曲线和单轴受压的曲线不再相似，由于侧向约束的存在而使得 峰值加大，曲线也更加平缓。 2 ) 试件的抗压能力随着侧向压力的增加而成倍增大，同时峰值应力所对应 的峰值应变也更加大。 3 ) 三轴受压状态下，试件的塑性变形所占份额大大增加。 不仅如此，材料的特性对三轴应力状态的混凝土强度也有影响。过镇海等对 比了不同强度等级的混凝土和添加了特殊材料的混凝土，发现当混凝土材料性质 越偏向脆性时二轴抗压强度提高幅度越小，塑性变形较大的混凝土其二轴抗压强 度提高越多。因此在选择桩身混凝土等级时，要综合考虑其侧向约束作用，合理 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 配置混凝土等级和箍筋配筋率才能够达到最佳效果。 2 2 桩所处的特殊的环境和桩身混凝土的特殊性能 2 2 1 桩结构所处地下物化环境 ( 1 ) 温度 土壤温度变化受到大气、阳光辐射和地球内部岩石的圈影响，其可以划分为 三层：地表层、恒温层和增温层。地表层主要受大气、太阳光辐射和室外空气温 度的影响，影响深度较小，其范围可达地下2 0 米，但是3 米以下的变化已经很 小。恒温层：一般高于年平均温度l 2 且常年基本保持不变，其深度大约在2 0 一 4 0 米。增温层：在恒温层以下，地下温度随深度增加而增加。一般在温带地区地 下5 米以下土壤温度变化波动已经很小。基本上浙江地区的地下l o m 以下维持 在2 0 度左右，因此地下桩基结构处在恒温状态。 ( 2 ) 水 地下水位随着地区、降雨情况、季节等因素呈现出很大的差异性，总体来说 浙江地区常年水位偏高，有资料表明，杭州常年地下水位平均在1 2 米左右。可 以说桩所处的环境基本在地下水位以下。 ( 3 ) 化学环境 中国建筑科学研究院建筑工程材料及制品研究所对土壤对钢筋混凝土的腐 蚀进行了长达3 0 4 0 年的实验“6 1 ，其结论表明：“土壤对混凝土的腐蚀属于化学 腐蚀，而对钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀。腐蚀的类型和严重程度取决于混凝土的 质量和水泥品种、土壤中各种腐蚀介质的种类和含量。普通水泥和矿渣水泥中的 预埋钢筋，经过3 5 年土壤腐蚀后，一般锈蚀都不太严重，面积锈蚀率小；而硅酸 盐混凝土中的预埋钢筋，经相同时间的土壤腐蚀后，一般锈蚀比较严重，面积锈 蚀率比普通水泥混凝土中预埋钢筋大2 3 倍。普通水泥混凝土和矿渣水泥混凝土， 在土壤中的中性化深度值比较小，而硅酸盐混凝土在土壤中的中性化深度值比较 大。硅酸盐混凝土耐腐蚀性很差，不能用于永久性工程的地下结构。硫酸盐对混 凝土的腐蚀规律，在初期增加混凝土的密实性，提高混凝土的强度；在后期破坏 混凝土的结构，降低混凝土的强度。”其下为主要化学反应： 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 4 c a o a 1 2 0 3 。 12 h 2 0 + 3 n a 2 s 0 4 + 2 c a ( o h ) 2 + 2 0 h 2 0 4 3 c a o 。a 1 2 0 3 c a s 0 4 3 1 h z o + 6 n a o h c a ( o h ) 2 + s 0 4 2 2 h 2 0 c a s 0 4 2 h 2 0 + 2 0 h 2 2 2 桩身混凝土的特殊性能 桩身混凝土的特殊性能表现在： ( 1 ) 桩身混凝土基本上埋置于地下，受地下环境因素影响。 ( 2 ) 钻孔灌注桩混凝土一般为商品混凝土，其材料本身质量有保证。 ( 3 ) 钻孔灌注桩一般设计有钢筋笼，其箍筋对桩身混凝土有约束作用，其 主筋有抗压作用。 ( 4 ) 钻孔灌注桩成孔后其混凝土浇灌一般采用导管灌注，规范要求导管有 一定的埋管高度( 埋入混凝土中的高度) 和超灌高度( 桩顶标高以上的超灌高度) 。 其桩身混凝土质量受到施工灌注质量的影响。 ( 5 ) 钻孔在地下成孔时，沿深度成孔直径受到地层变化往往大小不一，有 缩径、扩径现象。沿桩长范围内桩身直径也有一定偏差。 上述因素决定了超长桩桩身受力的特殊性。 2 2 3 超长桩实际受力状况 和普通柱受力不同，桩在土中还受到侧摩阻，土的侧向压力的影响，因此， 其受力状态就更加复杂多变。如图所示： = 至l 小、 土压力日一 趋，j _ 一 l - 伫臼雠阻 j 防 图2 3 单桩竖向受压侧向土压力锥状分布图 图2 3 假设桩侧土均匀，侧向土压力沿直线分布锥状分布；桩底反力均布分 布；不存在负摩阻。 随着大量工程的兴建，专家们在实际工程中总结研究了不同构造形式、持力 浙江大学硕士学位论文第二章超长桩的特性和混凝土的特性 层形式、施工形式等等的桩基，但是对长超桩的研究较少且理论研究落后于工程 实践。超长桩由于其大长径比等特点，其力的传递有其独特性，从一个工程实例 中我们可以得出一些超长桩的受力规律h 卜5 4 1 。 2 2 3 1 工程概况和场地地质条件 温州世贸中心是目前浙江省最高的超高层建筑物。位于温州市区，东临解放 南路，南邻马鞍池路，属于解放南路8 - 9 号地。总用地面积3 1 0 0 0m 2 ，建筑面积 2 2 9 4 5 0 m 2 ，主楼为6 8 层，高3 2 3 m ，裙楼8 层，地下室4 层，筒中筒结构。中 心平面布置图如图2 4 所示，工程地质状况如表2 3 所示。本工程基础设计采用 大直径钻孔灌注桩，桩长8 0 1 2 0 m ，桩径0 1 1 0 0 m m ，桩身采用c 4 0 混凝土， 持力层为中风化基岩，入持力层深度为0 5 m 。设计要求单桩竖向承载力特征值 为1 2 0 0 0 k n 。 表2 3 各土层的物理力学参数指标 天然含水重度e s f k q s kq p k 层次岩土名称层厚 i p i l 量l ( n m 。m p al ( p ak p ak p a 1 杂填土 2 8 4 5 1 5 4 3 51 7 3 82 0 40 9 3 2 2 黏土 0 3 1 7 3 91 8 7 72 1 30 5 1 541 0 02 3 1 淤泥 9 8 13 7 7 0 11 5 6 72 3 91 7 4 714 20 3 2 淤泥 5 9 1 1 4 6 4 71 6 12 3 51 5 6 l1 55 26 3 3 淤泥质黏土 1 5 9 6 5 0 51 7 2 72 2 51 1 2 12 87 02 0 4 1 黏土 0 9 5 5 5 3 2 91 9 0 62 0 5o 5 0 l5 51 5 04 55 0 0 4 2 黏土 0 9 15 7 4 0 91 8 22 2 10 7 3 44 51 0 03 54 0 0 5 1 粉质黏土夹黏土 1 3 9 2 2 9 91 9 3 31 6 20 5 1 961 6 04 75 5 0 5 2 黏土 1 o 1 1 63 7 1 8 5 52 0 90 6 4 851 3 04 04 5 0 5 3 粉砂夹粉质黏土 0 6 - 1 1 7 2 6 11 9 2 6 8 1 0 6 7 36 51 7 05 0 7 0 0 5 - 4 泥炭质土 0 4 3 0 3 9 81 81 8 40 7 6 3 4 1 0 03 5 6 1 黏土夹粉质黏土 1 7 - 8 1 2 9 61 9 4 918 10 4 3 16 51 8 05 58 0 0 6 2 黏土 1 0 1 0 2 3 6 81 8 42 0 10 6 4 851 3 0 4 0 4 5 0 7 1 黏土夹粉质黏土 0 3 8 7 3 0 71 9 1 21 7 6o 5 26 51 8 05 58 0 0 7 2 黏土 1 6 1 3 5 3 8 81 8 42 3o 6 2 151 3 04 04 5 0 7 3 含粉质黏土粉砂 0 7 5 - 4 2 6 517 05 0 7 0 0 8 粉质黏土混砾石 0 2 10 9 61 7 05 07 0 0 9 一1 1 全风化基岩 2 7 - 3 0 2 71 9 05 5 1 2 0 0 9 1 2 全风化基岩 7 1 4 8 7 8 52 5 0 7 02 5 0 0 9 2 强风化基岩 1 0 2 6 64 0 09 05 0 0 0 9 3 中风化基岩 2 1 2 6 42 5 0 05 0 01 0 0 0 0 渐 学学位论文第= 章超长拄的特性# 凝日特性 2 2 3 2 试桂单桩静载试验分析 为评价其实际承载力，选取本工程中的3 根桩做静载试验，分别编号为s 1 s 2 和s 3 。这3 根试桩的施工记录见表2 4 。温州世贸中心工程试桩静载试验采 用堆载反力架装置，加载方法采用水泥预制块堆载，反力架装置，j c q 静载自 动记录仪自动记录每级压力。加载和卸载方式均按相关规范进行。柱顶沉降利用 柱顶千分表及位移传感嚣测量得到。 桩端沉降别是预先在打桩时治钢筋笼内倒埋设2 寸水管，然后在2 寸水管内 下放4 分水管，再在桩顶4 分水管上谩测点来剥量得到。下放钢筋笼时在柱身 1 3 个断面预埋了钢筋应力计，每个断面3 个，安装的位置根据场地土层的分布 情况和桩长确定 2 = = # ；# = 2 # = = ；= = = = = = = i = = ；= = j = = j = o r + h 三兰刍