（岩土工程专业论文）静压桩压桩力与承载力关系研究.pdf

东南大学硕士学位论文 静压桩压桩力与承载力关系研究 研究生：邓学支导师：卫龙武 东南大学土木二r ：程学院桥隧_ l j nf 工程系 摘要 静压桩技术在我国很多地区得到了空前发展和，1 一泛应用，但是静压桩的研究明显落后于应用。 国内对静压桩的研究多采用与静力触探相类似的研究理论和方法，主要研究了静压桩的挤土效应， 在一定科度上解决了静压桩施1 对周同环境的影响问题。本文主要研究静压桩沉桩机理、压桩力与 承载力计算及二者间的关系，这对于沉桩可能性、施i ：厂机具选择、压桩力和承载力估算等问题具有 重要工程戍用价值。论文的主要工作有： 分析了粘性士和砂十层中的沉桩特性，比较了沉桩过程中平面圆孔扩张经典解答和空间圆柱形 扩张解析解的优缺点，平面圆孔扩张解答推导简单，结果明了，但所求得的位移、麻力和超孔压值 与z 坐标无关，显然与事实不符；空间圆柱形孔扩张归结为空间轴对称问题，考虑z 轴方向的变化、 f ，和土体自重的影响，但朱对桩端和桩侧进行区分。有鉴于此提出桩端用球形孔扩张、桩侧滑动 摩擦计算模式来模拟沉桩过程来获取沉桩后在桩周产生的应力场是可行的。 静压桩沉桩过程中超静孔隙水压力的产生和消散对沉桩旌工、桩周土体再固结及其后承载力发 展具有重要意义。本文系统地分析了国内外专家学者对沉桩引起的超孔隙水压力的研究情况，包括 理论分析计算和实测经验总结，然后采用空间圆柱孔扩张理论的空间应力解答，根据h e n k e l 超孔压 公式，从理论上对弹性区和塑性区超孔压径向和竖向分布规律进行了分析。 分析了桩侧和桩尖阻力的特性，假定土体为均质、各向同性的理想弹塑性材料，采用摩尔库仑 模型，根据球孔扩张理论求得其解析解，考虑桩身滑动摩擦，确定沉桩过程中不同深度压桩力计算 公式，最后用有限元分析软件a n s y s 8 0 对沉桩过程采用位移贯入法进行模拟和计算分析，分析( 计 算) 结果与实际工程实测结果有较好的一致性。 根据桩土作用分析承载力的影响冈素和规律，特别考虑了承载力的时间效应，分析归纳了静 压桩承载力间效应现象、研究意义和估算方法。最后对于终压力与承载力关系，结合南京地区数个 静乐桩工程资料，用专业统计分析软件d p s 定量或定性分析了二者间的影响因素，以期由终压力直 接推算极限承载力。 关键词：静压桩，沉桩机理，超孔压，压桩阻力，极限承载力，统计分析 蔓亘查竺堡：! 堡兰 t h es t u d yo nj a c k i n gp r e s s u r ea n d b e a r i n gc a p a c i t y o fj a c k e d i np i l e g r a d n a t es t u d e n td e n gx u e - z h i s u p e r v i s o r p r o f w e il o n g - w u d e p a r t m e n to fb r i d g e & t u n n e r a n dg e o t e c h n i c a le n g n i e e r i n g s c h o o lo f c i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t j a c k e d - i np i l ei s b e i n gw i d e l yu s e di nm a n yr e i o no f0 1 wc o u n t r y , a n di t st h e o r ys t u d yl a gb e h i n di t s a p p l i c a t i o n d o m e s t i ce x p e l sp a ym o r ea r e n t i o nt oe l i m i n a t et h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ti n f l u e n c ec a u s e d b yj a c k e d - i np i l e ss o i lc o m p a c t i n ge f f e c t , s o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e db ya d o p t i n gs o m e t h e o r i e sa n dm e t h o d ss i m i l a rt o c p ts t u d y t h em e c h a n i s mo fp i l ep e n e t r a t i o n ，s i m u l a t i o na n d c o m p u t a t i o no fr e s i s t a n c e & t h eu l t i m a t eb e a x i n gc a p a c t vo f a c k e d i np i l ea r eb ed i s c u s s e d ，a sw e l la s t h e i rr e l a f f o n s f o l l o w i n ga r e t h em a l nr e s u l t si nt h i sp a p e r f i r s t ，j a c k e d i np i l ep e n e t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fc o h e s i v es o i la n dt h es a n d ys o i la r ea n a l y z e d ，t h e n g i v i n gt h em e r i t sa n df a u l t sb e t w e e nt r a d i t i o n a lp l a n ec a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ( c e m ) a n ds p a t i a l c y l i n d r i c a lc e m ，i ti sp u tf o r w a r dt h a tt h ef o r m e rr e a s o n i n gs i m p l e e a s yt ob eu n d e r s t o o d ，b u tm e d i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n de x c e s sp o r ep r e s s u r eo b t a i n e dd on o t h i n gw i t ht h ezc o o r d i n a t e s ，i t so b v i o u s l y a g a i n s tw i t ht h ef a c t , a n dt h el a t t e rc o n s i d e r si t8 sa ns p a t i a la x i s y m m e t r i cp r o b l e m ，w h i c hc o n s i d e r i n gt h e c h a n g eo fzv a l u ea l o n gza x i sd i r e c t i o n ，i n f l u e n c eo ff a n dt h es o i ls e l f - w e i g h t ，b u tn e g l e c t i n gt h e d i s c r i m i n a t i o no fp i l ee n da n dt h ed i l e s i d e t a k i n gi n t ot h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，as i m u l a t i o n & c o m p u t a t i o np a t t e r nt h a ts p h e r i c a ic a v i t ye x p a n s i o nm e t h o da n ds l i d i n gf r i c t i o na r ea d o p t e dt op i l ee n da n d p i l es i d er e s p e c t i v e l ya r ep r o p o s e dt o e tt h es t r e s sf i e l da r o u n dp i l e ，i t sp r o v e dt ob ef e a s i b l e t h eg e n e r a t i o na n dd i s s i p a t i o no fe x c e s sp o r ep r e s s u r ed u r i n gp i l ep e n e t r a t i o na r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r , w h i c hh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c eo fi a c k e d i np l i e ，si n s t a l l a t i o n ，s o i la r o u n dp i l e sr e c o n s o l i d a t i o na n d t i l eb e a r i n gc a p a c i t yd e v e l o p m e n to fd i l e a sw e l la sd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a le x p e r t s s t u d yo fe x c e s s p o r ep r e s s u r ec a u s e db yp i l ej a c k i n g ，i n c l u d i n gt h e o r ya n a l y s i s ，c a l c u l a t i o na n df i e l ds u r v e yt h e n t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h el a wo fe x e c s sp o r ep r e s s u r e sr a d i a la n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o ni nt h ee l a s t i ca n d p l a s t i cz o n ea r eg i v e nb ya d o p t i n gt h es p a t i a ls t r e s sa n s w e ro fs p a t i a lc y l i n d e rc a v i t ye x p a n s i o n ，a n d f o r m u l aa c c o r d i n gt oh e n k e le x c e s sp o r ep r e s s u r et h e o r y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et r a i to f t h er e s i s t a n c ei nt h ep i l es i d ea n dp i l ee n d ，i ti sa s s u m e dt h a t t h es o i li sh o m o g e n e o u s ，i s o t r o p i ca n dd e r f e c tm a t e r i a lo f e l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t ym o h r - c l o u m bm o d e li s a d o p t e di nt h i sp a p e r t h e nt h ea n a l y t i cs o l v ei sg o tb a s e do nt h ec a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，a n d c o n s i d e r i n gt h es l i d i n gf r i c t i o no nt h ep i l es i d e ，t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao fp i l ej a c k i n gf o r c ei sc o n f i r m e d w h i l et h ep i l ei si nd i f f e r e n td e p t h a tl a s tt h ep r o c e s so fp i l ej a c k i n gi ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db yu s i n g t h ed i s p l a c e m e n tp e n e t r a t i o nm e t h o di nf e ms o f t w a r ea n s y s 80 t h ea n a l y s i sr e s u l ta c c o r d sw e l lt ot h e p r o j e c t 东南大学硕十学位论文 f a c t o r sa n dr u l e sw h i c ha f f e c tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l e ，a r ed i s c u s s e db a s e do nt h et h e o r yo f t h er e c i p r o c i t yo f t h ep i l ea n dt h es o i la n d e s p e c i a l l yc o n s i d e r i n gt h et i m ef a c t o ro f t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l e ，i ta n a l y s e sa n dc o n c l u d e st h ep h e n o m e n o n ，s t u d y m e a n i n ga n dw a y st oe s t i m a t eo f t h et i m ef a c t o r o f t h e j a c k e d - i np i l e ，a tl a s t ，c o n s i d e r i n gs o m ep r o j e c t so f j a c k e d - i np i l ei nn a n j i n gd i s t r i c t ，a n du s i n gt h e s t a t i s t i c a ls o f t w a r en a m e dd p sv 6 5 5t oa n a l y s i s ，t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fi a c k e d i np i l ec a nb e c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ef i n i a lp r e s s u r ei se x p e c t e d k e yw o r d ：j a c k e d i np i l e ，m e c h a n i s mo f p i l ep e n e t r a t i o n ，e x c e s sp o r ep r e s s u r e ，p i l e j a c k i n gp r e s s u r e ， u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y , s t a t i s t i c a la n a l y s i s i l l 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：翌鲎生日期：坐夕 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： 日期：丝! 竺j 兰二里堕丝 一 1 1 引言 第一章绪论 桩是深基础中的柱形构件，它的作用在于穿过软弱的压缩性士层或水，把来自上部结构的荷载， 传递到更硬或更密实且压缩性较小的土壤或岩石上。桩基的应用历史悠久，目前所发现的最早使用 的桩距今至少已有1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 年的历史。我国的考古学家于1 9 7 3 1 9 7 8 年间，在浙江省余姚市 河姆渡村发掘新年i 器时代的文化遗址时，出十了占地约4 万n 1 4 的木桩数百根。经测定，该处浅层和 深层文化层大约分别距今6 0 0 0 7 0 0 0 年。这是全球迄今发现的规模最大的木桩遗存。 木桩由于它的轻质高强、耐久、来源广以及容易切割和操作等特性，因此，在材料有限、上部 结构荷载较小的年代起到积极的作用。1 9 世纪末后，随着社会发展，城市建设的需要，混凝土及钢 材这些新兴材料应运而生，和同样尺寸的木桩相比较，( 钢筋) 混凝土桩或钢桩的抗压、抗挠和抗拉 能力等要远比木桩高得多【l 】 因此，2 0 世纪7 0 年代后木桩已基本上被( 钢筋) 混凝土桩及钢桩所 取代。 桩的分类除了上述的根据桩身材料分为木桩、钢筋混凝土桩和铜桩外，广义上，在地基处理技 术中还有水泥土桩、c f g 桩、石灰桩、二灰桩、灰土桩，以及碎石桩等。 按桩的制作方法，基于上述广义桩的概念可分为： 按桩的制作方法分 f 木桩 预制桩 钢筋混凝土桩 旧 桩 灌注桩 沉管成孔桩 钻孔冲孔桩 抓掘成孔桩 螺旋成孔桩 人工挖孔桩 f 水泥浆搅拌桩 搅拌桩 【水泥粉搅拌桩 按直径或截面尺寸分为大直径、中等直径和小宜径桩。但各国( 地区) 和各专业的分类界线不尽 相同，主要视旌工习惯及桩型性状等不同而区分。例如，我国建筑桩基技术规范j g j9 4 9 4 ) 将 由8 0 0 咖的灌注桩视为大直径灌注桩，而在港口工程预应力混凝土大直径管桩设计与施工规程 ( j t j j 2 6 1 9 7 ) 中则将由1 2 0 0 r a m 的预应力混凝土管桩视为大直径管桩；我国香港持别行政区则 将d 6 0 0 m m 灌注桩视为大直径灌注柱。至于小直径桩一般均指q b 2 5 0m 的桩，也称为微型桩。 此分类常用于灌注桩，且正向着大直径和小直径两个方向发展。 按桩的功能可分为基础桩、围护桩、锚桩、标志桩、隔离桩等。 按桩承台高低可分为高承台桩和低承台桩。 按桩的承载性状可分为摩擦型桩、端承型桩、端承摩擦桩及摩擦端承桩。 按桩的受荷方向可分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩和水平向主动桩、水平向被动桩 按成桩时对地基土的扰动影响，可以分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩，其中挤土桩中预制 桩根据沉桩方法可以细分为锤击法、振动法和静压法。 东南大学硕h q 文 1 2 静压桩的简介 静压法即静力压入沉桩方法的简称，静压预制桩( 简称静压桩) 是借助专用桩架的自重和配重 或结构物自重，通过压梁或压柱将桩架的自重和配重或结构物儆反力，以卷扬机滑轮组或电动油泵 液压方式作用于预制好的桩顶或桩身上，当施加给桩的静压力与桩的入土阻力达到动态平衡时，桩 在自重和静压力的作用下- 逐渐压入地基十中。 静乐桩的应用与发展和静力压桩机的开发研制是息息相关、相互促进的。2 0 世纪5 0 年代初， 静压法沉桩首先在我国沿海地区开始使用，交通部三航局在上海首次使用压桩船通过钢丝绳加压来 沉桩删：2 0 世纪7 0 年代初，上海基础公司制成使用蒸汽锅炉和蒸汽卷扬机为动力的顶部加压7 0 0 k n 滚管式静压桩机，其后改进为电力驭动步履式静压桩机；同期长沙研制出3 2 0 0 k n 液压式静力压桩 机，用于北京地铁工程；1 9 7 5 年后，压桩机专业生产厂出现，武汉生产了$ 0 0 k n 抱压式液压静力压 桩机；这期间我国的房屋建筑主要是以3 8 层为主建筑物对地基承载力的要求比较小，所以压桩 机以压桩能力不大，但基本上满足建设需要。进入8 0 年代后，随着国民经济的高速发展，一批批高 层和超高层建筑应运而生，建筑物对地基承载力要求越来越高。随着环保意识的不断加强，施i 造 成环境污染的钻孔灌注桩、锤击桩等施 方法在大中城市受到一定的限制，而静压桩工法得到k 足 发展，采用此工法施工的桩长度已经达到7 0 m 以上，压桩机的设计压力已经达到6 0 0 0 k n 7 0 0 0 k n ， 使得静压桩基础不仅适合用多层和一般高层建筑还可用于2 0 3 5 层的高层建筑 1 2 1 静压桩的优点 静压桩有许多优点，现从环保等几个方面归纳如下： 1 、从环境角度看 静压施工法与锤击施工法相比，无噪声、无油污飞溅，适合于市区作业。在已明令禁止锤击桩 的很多大中城市市区，静压施工法是一种理想的选择；无振动的特点又适宜在有危房、精密仪器房 附近及河口岸边等场地旋工： 静压施工法与灌注桩相比，无泥浆污染、无泥浆外运，且施工文明，场地清洁，自动化操作程 度高，工人劳动强度低。 2 、从成桩质量看 首先，静压桩桩身可丁厂化预制，加早强剂后5 d 左右就可以压桩，时间周期短，且施e 前的准 各期也可可缩短，桩身质量有保障；其次，静压桩压入施工时不像锤击桩施1 = 那样在桩身产生动应 力，桩头和桩身不会受损，减小了对桩的破坏力，从而可以降低对桩身的强度等级要求，节约钢材 和水泥，如静压空心桩混凝土标号可以从锤击法桩混凝土标号c 3 0 c 3 5 降到c 2 0 c 2 5 ，节约混 凝土约1 6 4 ，节约钢筋4 7 ；再次，压桩过程中压桩阻力能自始至终地显示和记录，可定量观测 整个沉桩过程，预估单桩承载力；最后，静压桩可以很好地适用于某些特殊地质条件( 如岩溶地区、 上软下硬或软硬突变地层) ，而打入式预制桩等一般不适用于这些地区。 3 、从施工特点看 静压桩送桩深度比打入式桩要深，接桩方便，避免了高空作业，桩长不像沉管灌注桩那样受施 工机械的限制，在深厚软土地区使用，有较大的优势；可用柴油机作为动力，克服了某些地区缺电 或供电不足的不利条件；施工方便快捷，可用于地基加固和基础补强。 1 2 2 静压桩的缺点和适用范围 1 ，静压桩的缺点 正如前面所言静压桩的应用与静力压桩机密切相关，压桩机大多比较庞大笨重，所以对施工场 地有要求，场地士过于软弱时容易发生陷机事故；场地土过硬时，则压桩机吨位太小时穿透能力差， 难以压到设计标高而不满足承载力要求。此外，对于靠近邻近旧建( 构) 筑物的边桩、角桩有时就 2 苎二! 丝堡 无能为力。但是这些缺点并不是不可消除的，随着人们研究的深入，压桩机压桩能力不断增丈，目 前最大压桩力己大于1 0 0 0 0 k n ，能施压6 0 0 m 、7 0 0 m 的预制方桩，单桩承载力设计值可达3 0 0 0 k n 以上；对于边桩、角桩，沿压桩机纵向移动方向( 即压桩机细长方向) 一端布置特制夹桩的机构， 在桩机配重保持上e 常的情况下，充分利用桩机的自重，有效实现了同一套装置同时近距离处理边桩 和角桩的目的，最小边桩距小达6 0 0m 。这些措施大大提高了压桩机的适用范围。 2 、静压法沉桩的适用范围 建筑桩基技术规范( j o j 9 4 9 4 ) 7 4 9 条，静力压桩法适用于软弱土层，当存在厚度大于2 m 的中密以上砂夹层时，不宜采用静力压桩嘲。此规定与当时的静力压桩机压桩吨位是相适应，但在 今天随着大吨位静力压桩机( 高达1 0 0 0 0 k n 以上) 的出现，静力乐桩法适用范围远远超过上述规定， 已适用_ 几乎所有的需要采用桩基础的地基，包括含有硬夹层的地基。此外，适度超载旌压与以往 使用小丁| q 的终压力的施压法相比，也可以提高了静压桩穿越砂七夹层的能力，实践证明超过 4 0 0 0 k n 的压桩力可以穿透4 6 m 中密以上砂层。 一股来说，由于受到压桩机械和施 ：条件的限制，桩截面不可能做得很大，单桩承载力受到限 制，冈此，不宜用丁高层建筑桩基础。从地质条件看，官用于中间犁桩( 摩擦、端承犁) ，可穿越较 厚的软塑、可塑、硬塑甚至坚硬的粘性土层，桩端可入强风化层数米，桩端持力层可为硬塑坚硬 粘性土层、中密密实碎石土、砂土、粉土层、全风化岩层及强风化岩层。 下列场地不宜采用或慎用静压桩： ( 1 ) 现场地表层松软且未经处理而容易出现陷机的场地； ( 2 ) 土层中含有较难清除的孤石、过厚的碎石、卵石或其他障碍物、冻七或膨胀土的场地； ( 3 ) 桩端持力层为中密密实砂土且其上覆士层几乎全是稍密中密砂土的场地； ( 4 ) 上层中含有不适宦作桩端持力层且又难贯穿的硬夹层的场地； ( 5 ) 溶岩地区基岩上面无适合作桩端持力层的场地； ( 6 ) 覆盖层土体松软，而静压桩难贯八的岩面埋藏较浅且岩面倾斜较大的场地 1 3 静压桩的应用与研究现状 1 3 1 静压桩的应用 随着大吨位或小巧等功能各异的静力压桩机的发展，可用静压法沉桩的桩型越来越多，常用的 主要有普通钢筋混凝预制方桩( p c 桩) 、预应力混凝土管桩( 分p c 桩和p h c 桩) 、钢桩( 分钢板 桩、钢管桩和型钢桩) 、锚杆静压桩和微型桩等。 1 、钢筋混凝土预制方桩 普通钢筋混凝土桩一般可分为实心方桩和空心管桩。实心方桩常用的截面边长为2 5 0m 1 6 0 0 ，桩身混凝土强度等级为c 3 0 c 5 0 ，特殊情况下可达c 8 0 , 空心方桩截面边长为4 5 0 6 0 0 伽 内孔直径有2 4 0m 、2 7 0m 、3 0 0 删等，桩身混凝强度等级为c 5 0 c 6 0 ，单桩的最大长度可根据施 工条件、地质条件、预制场所和运输能力等确定。 静力沉桩法是以施工预制的实心方形截面桩为主。桩截面边长多用2 0 0m 、3 0 0 “、4 0 0 。和 4 5 0 咖等( 以5 0m 为模数) ，单节桩长为5 m 、6 m ，7 m 和8 m ，由预制厂或现场预制施工时可根 据设计桩长按不同的节长进行配搭接长，接头不宜超过两个，接桩多用硫磺胶泥或焊接桩身主筋 一般采用4 根螺纹钢筋，根据桩的截面尺寸和长度，所用螺纹钢筋的直径在由1 6 由2 2 之间。箍筋 采用由6 钢筋，间距在各不同部位取5 0 2 0 0 衄不等。每根桩的第一节桩带有桩尖。桩的接头部分 有钢护套保护，钢护套高8 0 1 0 0m ，钢板厚度3 5m 。在桩尖和接头部分，主筋和箍筋都相应加 强。如采用硫磺胶泥接桩，为了便于接桩，在每一节桩的一端留有4 个预留孔，孔径的币5 0 m ，孔 深4 0 5 0 ，在另一端的相应位置预留4 根钢筋，钢筋伸出桩端部3 5 4 5 c m ，直径与主筋相同n 3 查塑茎兰堕! 堡壅 一一一 为了保证加丁好的钢筋笼在堆放和混凝士浇筑期间不变形，根据钢筋笼的长度，在内部设置3 4 道斜撑。 2 、预府力钢筋混凝十管桩 预戍力混凝士管桩按其施加预应力上艺的不同可分为后张法预应力混凝七管桩和先张法项戍 力混凝十管桩，一般官优先采用先张法施加预应力：按桩身灌凝七强度等级可分为预应力混凝十管 桩( p c 桩) 和预应力高强度混凝土管桩( p h c 桩) 。p c 桩最早于1 9 2 8 年应用于法国，1 9 4 9 年美国 富蒙德混凝七桩公司最早用离心机生产了中空p c 桩，p h c 桩则于2 0 世纪6 0 年代后在欧美兴起， 广泛用于桩基础。我国2 0 世纪4 0 年代后开始生产r c 桩，5 0 年代末生产p c 桩，8 0 年代后研制p h c 管桩。p c 槛混凝十强度等级不宜低于c a 0 ，一般在c 6 0 c 8 0 之间，而p h c 桩混凝十强度等级 c 8 0 ，桩身预应力筋宜选用、或v 级冷拉螺纹钢筋。 3 、钢桩 钢板桩。钢板桩成本较高，但容易形成组合的板桩墙，易于压入地下，挤土效应小可以反复 多次使用，故不宜用于桩基础，可用于临时支挡结构， 钢管桩。与其他类型钢桩相比，钢管桩的贯入能力，抗弯月度、单桩承载力、运输安装和焊接 接等方面都有明显的优越性。压入地层时，端部可敞口或封闭，内部可填塞混凝十，表面做防腐 处理。 型钢桩。最常用的型钢桩有h 型和i 型，二者可用于承受垂直荷载和水平荷载，贯入能力强 对地层扰动小，属于部分挤土桩。 4 、锚杆静压桩 锚杆静压桩是我国自行研究开发成功的独特的创新技术。主要用于新老建( 构) 筑物的地基处 理或基础托换工程，是锚杆和静力压桩结合形成的一种桩基施r t 艺。它是通过在基础上埤设锚杆 固定压桩架，以建( 构) 筑物所能发挥的自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将桩段从基础中预留或 开凿的压桩孔内逐断压入七中，然后将桩与基础连结在一起，从而达到提到地基承载力和控制沉降 的目的。除具有一般静压桩优点处，还具有施工机具轻便灵活、施工方便、作业面小、可在室内施 工的特点。所压入桩为方形或圆形钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩和钢桩，方桩截面边长可为1 8 0 m 、2 0 0m 、2 2 0 哪、2 5 0m 、2 8 0m 和3 0 0 衄，节长视机具和施工挣空高度情况可采用l m 、1 5 m 、 2 o m 、2 2 m 、2 5 m 和3 o m 。冶金工业部建筑研究总院于1 9 8 2 年开始研究锚杆静压桩技术，经过多 个工程的推广使用，都取 ；导了良好的技术和经济效果，1 9 8 5 年通过冶金部部级技术成果鉴定，1 9 8 9 年通过冶金部工业部专业技术审定，并于1 9 9 1 年1 0 月1 日开始向全国发行锚杆静压桩技术规程 ( y b j 2 2 7 9 1 ) 。 5 、微型静压桩 微型静压桩主要用于基础托换，也称坑式静压桩托换。它和锚杆静压桩托换技术有类似之处， 但也有本质区别。锚杆静压桩在压桩过程中，由于桩周士及桩瑞以下土体的物理力学性质和受力状 态都随之发生变化，而会导致附加沉降，其原因有三个方面：一是由于压桩时桩端阻力和桩侧摩阻 力产生的沉降；二是压桩时桩体侧向挤土引起隆起或由于土体挤密引起沉降；三是压桩时在桩周产 生塑性区，使得体强度降低，从而在竖向荷载不变的情况下产生沉降。微型静压桩托换技术的施 工方法，由于操作坑的形成，已经消除了微型桩体在压桩过程中与地基直接接触的土体的影响或作 用，故不会像锚杆静压桩那样，因上述三方面原因而导致基础或上部结构产生附加沉降。微型静压 桩在封桩之前，要运用托换钢管将千斤顶托换取出，属于不卸荷封桩或不完全卸荷封桩，而锚杆静 压桩属于卸荷封桩，显然，后者在解决由于回弹现象而导致的后期沉降方面的效果不如前者尽管 目前锚杆静压桩已有不卸荷封桩技术，但其工艺复杂，施工较为困难，实际应用也较少。故与锚杆 静压桩相比，微型静压桩托换技术有其独特的优点：施工时无振动、无噪音、无污染，也不影响上 部建( 构) 构物的正常工作或运营：而且，桩机操作时装有压力表，进行检测时，能如实记录桩尖 进入持力层的深度和压桩阻力，易于分析桩的承载力情况。 4 兰二垦堑堡 1 3 2 静压桩的研究现状 对静压桩的研究大多地采用了与静力触探类似的研究理论和方法，主要为极限承载力理论、圆 孔扩张理论( e a r 曲e x n a n s i o nm e t h o d ，简称c e m ) 、意变路径法( 蛳世np a t hm e t h o d ，简称s p m ) 、 有限元分析法( f i n i t ee l e n a e n t m e t h o d ，简称f e m ) 及模犁槽试验等。 应用上述理论或机理，人们更多的是对压桩过程中的挤十效应进行了研究，一定稃度上解决了 由之引起的环境岩土工程问题。贯入阻力研究方面，很少有学者注意到静力压桩的沉桩过程中桩侧 存在着不同于常规摩擦的滑动摩擦，且计算出的贯入阻力未区分桩端阻力与桩侧阻力，缺乏对贯入 过程的细致分析与反映。在静压桩承载力研究方面，有的学者将桩的贯入视为承载力问题，试图用 滑移线理论来解决，但无从验证。 此后的学者按压缩机理推导了桩端承载力的公式，但仅限丁j 均质砂十。静压桩承载力确定具有 明显的区域性和经验性，多为某些丁稃经验总结。无论是贯入阻力还是承载力的确定都未充分考虑 时效性。静压桩的研究方法主要有现场量测研究和理论分析研究。 1 、现场量测研究 早期的研究始于2 0 世纪5 0 年代，由于当时条件有限，人们通过现场实铡，对沉桩前f 舌桩周七 体的剪切强度、桩的承载力、孔隙水压力的产生和消散、土体位移等进行了广泛的研究，其主要成 果有如f 几点： ( i ) 压桩对土体剪切强度的影响 h o u s e l 和b u r k e y ( 1 9 4 8 年) ，c u m m i n g s ，k e r h o f f 1 1p e c k ( 1 9 5 0 年) 较早调查了沉桩对粘性土 性能的影响。根据在沉桩后不同时刻对桩进行的持续加载到桩失效的试验结果，认为粘土的不排水 强度在沉桩的初始阶段下降很多，但随后会随时间的消逝而显著恢复。这是由于沉桩瞬时桩周土被 严重重塑，使桩周土的不排水强度显著下降而随后的强度增长是由于粘土的不排水强度的触变恢 复和土体的局部固结所产生的强度恢复。o 两e 和b r o m s ( 1 9 6 7 年) 调查了灵敏土中沉入混凝士桩 对桩周士体强度影响的时效性问题。他们发现土的不排水强度在沉桩9 个月后几乎恢复了其原有的 值( 指来受扰动之前的c d 值) ，但在群桩基础中，当s a 4 d 时( s a 指桩间距，d 指桩径) 随着时问 的消逝，强度恢复很低。 ( 2 ) 沉桩过程中的孔隙水压力 m i l l i g a n ( 1 9 6 2 年) ，l a m b e 和h o m ( 1 9 6 5 年) ，o r r j e 和b r o m s ( 1 9 6 7 年) 等研究了沉桩过程 中对孔隙水压力的影响，结果显示：桩周一定范围内的超孔隙水压力等于甚至大于附加应力，随着 与桩距离的增加超孔隙水压力急剧降低，而且随着这个距离的增大，孔压也消散得非常快。另外- 土的灵敏度对孔压的大小有显著的影响，灵敏度高的土中的孔压值也高。 ( 3 ) 沉桩过程中产生的土体位移 对桩周土体的隆起位移进行观测的文献很多，a d a m s 和h a n n a ( 1 9 7 0 ) 、h a g e r t y 和p e e k ( 1 9 7 1 ) 、 o r o e 和b r o m $ ( 1 9 6 7 ) 等对此进行了研究，但结果却有很大的筹异。以桩周七体的隆起晕与桩在- 十 体内的总体积之比作为度量，这一比值为3 0 1 0 0 。这些数据上的差异大多数是由于在各自的 观测中士的类型不同所导致的。h a g e r t y 和p e c k ( 1 9 7 1 年) 对灵敏度不同的粘性土中压桩产生的位 移进行测量发现，结果却发现灵敏性土中的位移比非灵敏性土中的位移小。 2 、理论分析 大约从7 0 年代开始，人们开始采用理论分析和数值模拟的方法来研究静力压桩问题，主要的分 析方法有极限承载力理论、圆孔扩张理论、应变路径法、有限元分析法。 ( 1 ) 极限承载力理论 极限承载力理论是最早用于静力贯入课题研究的方法之一，该理论假定贯入阻力等于土体中圆 形基础的破坏荷载。研究时又细分为极限平衡理论和滑移线理论。 在极限平衡方法中，首先假设破坏机理，然后分析土体的总体平衡，该法分析简单，故应用广 泛，但是因为忽略了土体的应力应变关系，并且为从楔形体变换至贯入问题而使用了形状修正系数， 5 查查查兰竺! 堡苎 故所得解答仅为近似解。 在措移线理论中，将屈服准则( 如m o h r - c o u l o m b 、t r e s c a ) 引入平衡方稃，以得出体弹塑性 平衡微分方程，从而构造出滑移线网格，推导出破坏荷载。s o k o l o o s k i 【4 】( 1 9 6 5 年) 采用过该方法， m a y e r h o l f 等学者亦提出将贯入问题视为承载力问题，并采用滑移线理论来解决。k o u m o t o 曾运用它 对静力触探问题用差分方法进行了三维分析吼 ( 2 ) 圆孔扩张理论 b i s h o pr e ，h i l lr 与m o bn 。f ( 1 9 4 5 年) 在压痕硬度试验理论中讨论了无摩擦介质( 剪 切内摩擦角1 l ，= 0 ) 中的圆柱形与球形小孔扩张问题，随后该理论被引入岩土【程中广泛应用于分析 桩的承载力和桩孔扩张等。通过对模犁桩和实际工程沉桩过程的观察发现，沉桩过程中桩尖十的形 变类似于球形孔扩张引起的形变；而在除桩尖和地面附近绝大部分桩身周围，土的形变类似于圆柱 形孔扩张引起的形变。 圆孔扩张理论首先假设土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s e a 或m o h r - e o u l o m b 屈服准则，根 据弹塑性理论给出具有初始半径的柱形孔或球形孔，内压力p 均匀分布的无限体内扩张的一般解。 由于桩体贯入时，一定深度处的土体逐渐出现半径为桩径的孔锕，周围一定范围的土体进入塑性状 态，冈此，一般采用柱形孔扩张来模拟除去靠近桩端和桩尖十体的变形情况。b u t t e r f i e l 和b a n e o e 首先提出用平面应变条件下的柱形孔扩张来解决桩体贯入问题，他们假定：土是均匀的、各向同 性的理想弹塑性材料；七体饱和、不可压缩；土体屈服满足m o h r - e o u l o m b 强度准则；小孔 扩张前，士体具有各向等同的有效应力。随着内压p 的增大，围绕桂形孔的柱形区域将由弹性状态进 入塑性状态，并随p 的增大而不断扩大，塑性区以外土体仍保持弹性状态，扩张过程如图1 1 所示： i f 弹性匹 斗。，2 7 _ | | 。一 围，1 沉桩应力、变形状态图 圆孔扩张理论提出之后，经过p a r l m e r 、v e s i e ，c a r t e r 等人的发展，已经成为解决沉桩对周围土 体影响应用晟为广泛的一种方法。r a n d o l p h 愫用圆# 孔扩张方法模拟压桩过程这是一个曾经被广 泛用于分析沉桩效应的方法，r a n d o l p h 采用圆柱孔扩张方法模拟，他采用平面轴对称模型，将桩的 压入过程看成为圆柱形孔的不排水扩张过程，压桩刚完成时，桩周围的土体进入剑桥模型临界状态， 推导了其有效应力计算公式，并认为沉桩过程中在土体中引起的超静孔隙水压力通过水流的径向流 动来消散，在此基础上得到了压桩刚完成时，桩周土体中的超静孔隙水压力；c a r t e r 也进行了类似 的分析。c h o w 和t e h ( 1 9 9 0 年) 利用圆孔扩张法把沉桩过程当作一个准静态过程，求出桩周土体 的位移场；胡中雄、侯学渊以及李雄、刘金励( 1 9 9 5 年) 将饱和中压桩的挤士效应问题视为半无 限土体中柱形小孔的扩张问题，应用弹塑性理论求出了沉桩瞬时的应力和变形。由于圆孔扩张法中 假设沉桩问题是轴对称或球对称的，严格限定各变量场如位移场、应变场、孔压场等仅仅依赖于径 向坐标，这与实际情况并不相符。b a l i g h ( 1 9 8 5 年) 认为圆孔扩张法在旁压测试中的应用是正确豹， 但将其应用于深基础问题的分析是不合适的；潘林有( 1 9 9 9 年) 在利用圆孔扩张理论分析静压桩挤 土效应方面也做了一定的工作。 6 别 ，i 、 。 o 、 ， “ 、 ，fl。 ( 3 ) 应变路径法 1 9 8 0 年前后，美国麻省理f = 学院b a j i g h 等a 总结出一种土要用丁分析深基础的分折方法一府变 路行法。他假设十体变形可在不考虑本构关系的情况下，推广对速度积分求得变形，然后由微分求 出席变。将桩体贯入模拟为单个边界以速度v 扩大的球形孔沿竖向匀速运动，通过对应变路径的描 述，即三个偏应变t ( i = 1 ，2 ，3 ) 的分析，从而得出桩体贯入过程中土体位移和应交的变化情况， 蒡得到了一些有意义的结论：发现桩周定范周内土体存在“应变反转”和主应力旋转现象，土 体有可能由“压”变为“拉”，这种现象将对应力和孔压产生显著影响，而圆孔扩张理论忽略土单元 的鹿变路径，无法对其加以解释；证实了沉桩时土体可分为“塑性区”和“弹性区”两部分，而 圆孔扩张理论只对弹性区的应力和孔压估计较为合理：指出了考虑七体“扰动”后性质变化的重 要性。 较之圆孔扩张理论，应变路径法优点在于，一方面可以考虑竖向贯入过程中，土体变形与竖向 坐标的关系；另一方面可以考虑匀速贯入的连续性。所以，b a l i i 曲等人的研究有其独至之处，它可 以给出贯入过程中土体应力、位移分布的大致情况。但是，应变路径法也有其缺点，它本质上只是 一种近似的方法，而且计算较为繁琐，可以将之与有限单元法联合起来考虑，互为补充 ( 4 ) 有限单元法 有限单元法广泛地用于桩基计算中，它是十分有力的计算r 具。许多学者已将之引入桩体贯入 过程分析中桩体的有限单元分析法有采用小变形穰犁的，也有采用大变形模型的。 小变形分析。在小变形分析中，将桩体置入预先钻好的孔中，周围土体仍处于初始应力状态， 然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯入阻力，这种方法并非完全正确的，因为在 桩的静力贯入过程，桩侧将产生很大的侧