（岩土工程专业论文）上拔荷载作用下挤扩支盘桩荷载传递规律的试验与理论分析.pdf

太原理j ：人学硕十研究生学位论文 l o a d i n gt r a n s f e rb e h a v i o r e x p e r i m e n l l a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a n a l y s i s 0 fs q u e e z e db r a n c hp i l e u n d e rp u l u n gl o a d i n g a b s t r a c t t h es q u e e z e db r a n c hp i i ei san e wt y p eo fp i l e e m e 唱e d o n l yr e c e n t l y c o m p a r e dt ot h eu n i f o r mp i l e ，i th a sh i g h e r a n t i p u l l i n gb e a r i n gc a p a c i t ya n ds m a l l e rd e f o r m a t i o n i t i s m o r ee c o n o m i c a la l s o h o w e v e r ， a san e w l yi n t r o d u c e d t e c h n o l o g y ，t h et h e o r yo ft h i st y p eo fp i l e sh a sn o tb e e nf u l l y d e v e l o p e d - r e f e r r i n gt ol o a d i n gt e s ti ns i t uu n d e rt h ep u i l i n g 1 0 a d ，t h eb e a r i n gc a p a c i t y ，l o a d i n gt r a n s f e r r i n gm e c h a n i s mo f s q u e e z e d b r a n c h p i l e a n df e ms i m u l a t i o n a n a l y s i s a r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，r e f 色r r i n g t ot h ef e s u l t so ft h ef i e l d t e s t s o m e a n a j y s i s a r ec o n d u c t e d i ti sf o u n dt h a t w i t ht h el o a d i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 前言z j 【3 】i d 第一章绪论 桩基础作为最古老的基础形式，有着悠久的历史，它随着人类文 明史的发展而不断更新变化。建筑材料和施工技术的提高，改变了木 桩的单一形式，钢筋混凝土材料的利用，对桩的施工和广泛使用产生 了巨大的影响。改革开放促使我国建筑业迅速发展。据不完全统计， 我国每年用桩量1 0 0 万根以上。超高层和重工业厂房等构筑物的兴建， 对地基基础的要求越来越高，桩基础作为大家所熟悉的一种基础形 式，无论在桩型，还是在施工工艺方面都得到了进一步的发展。钻孔 灌注桩具有承载力高、施工深度容易控制以及造价低和噪音小等优 点，近年来已成为应用最为广泛的一种桩型。尽管影响灌注桩的因素 相当复杂，人们对其承载力机理有了进一步的认识。然而，由于土的 变异性及桩基与土相互作用的复杂性，迄今成桩质量的控制与检测， 桩基的计算理论和方法仍然是不够完善而有待研究发展。目前，国内 一些工程中使用一种多分支承力盘挤扩混凝土灌注桩，是从普通混凝 土灌注桩衍生出来的一种新桩型。它在普通混凝土桩成孔后，用专门 的设备，沿桩身不同深度设置一些分支或盘，从面提高桩的承载力。 挤扩支盘灌注桩又称“多级扩盘桩”、“多支盘钻孔灌注桩”、“挤 扩多支盘d x 灌注桩”或简称“d x ”桩，是在等截面钻孔灌注桩基 础上发展起来的一种新型桩，其成功应用并迅速发展的基础是八十年 太原理工大学硕士研究生学位论文 钢筋混凝土桩是靠桩周摩阻力与桩底端承力共同作用来完成荷 载传递的。为了提高单桩承载力，人们大都围绕着提高桩周摩阻力与 桩底端承力这两方面来研究。要提高桩的侧摩阻力，只有增大桩径或 提高桩的比表面积，但这并不经济。因此人们大都在桩的端承力上下 功夫，出现了扩底桩、夯扩桩等改良桩型。扩底桩是将桩端承压面积 扩大，并且加密了桩端地基土，改善了原地基土特性。从而承载力得 以提高。但是，这种桩对地基土有一定的要求，否则夯扩头很难形成。 挤扩支盘桩包括钻孔挤压支盘和振动沉管挤压支盘两种形式。钻孔挤 压支盘桩是在原钻孔桩的基础上，为了充分利用深处各硬土层的抗力 沿桩长设置一定数量的支盘，靠增加支盘的端阻力来提高桩的承载 力，克服了夯扩桩扩大头难以保证的弱点。 挤扩支盘桩有较大的承压能力，又有较大抗拔能力。由于支盘的 存在，可增加桩的稳定性，增加桩的侧摩阻力及支盘端阻力。挤扩支 盘桩克服了以往些桩型的缺点。 1 2 挤扩支盘桩的主要特征及适用范围 1 2 1 挤扩支盘桩的主要特征【6 ( 1 ) 可以剥用沿桩身不同部位的硬土层来设瞥承力盘及分支，将 摩擦桩改为变截面的多支点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。 这样的桩基础会使建筑物更稳定，抗震性好，沉降变形更小。 ( 2 ) 有显著的经济曩i 益。其单方混凝土承载力为相应普通灌注桩 的2 倍以上。也就是在同样承截力要求下，挤扩支盘桩可比普通直孔 桩节约材料半以上。 太原理工大学硕士研究生学位论文 钢筋混凝土桩是靠桩周摩阻力与桩底端承力共同作用来完成荷 载传递的。为了提高单桩承载力，人们大都围绕着提高桩周摩阻力与 桩底端承力这两方面来研究。要提高桩的侧摩阻力，只有增大桩径或 提高桩的比表面积，但这并不经济。因此人们大都在桩的端承力上下 功夫，出现了扩底桩、夯扩桩等改良桩型。扩底桩是将桩端承压面积 扩大，并且加密了桩端地基土，改善了原地基土特性。从而承载力得 以提高。但是，这种桩对地基土有一定的要求，否则夯扩头很难形成。 挤扩支盘桩包括钻孔挤压支盘和振动沉管挤压支盘两种形式。钻孔挤 压支盘桩是在原钻孔桩的基础上，为了充分利用深处各硬土层的抗力 沿桩长设置一定数量的支盘，靠增加支盘的端阻力来提高桩的承载 力，克服了夯扩桩扩大头难以保证的弱点。 挤扩支盘桩有较大的承压能力，又有较大抗拔能力。由于支盘的 存在，可增加桩的稳定性，增加桩的侧摩阻力及支盘端阻力。挤扩支 盘桩克服了以往些桩型的缺点。 1 2 挤扩支盘桩的主要特征及适用范围 1 2 1 挤扩支盘桩的主要特征【6 ( 1 ) 可以剥用沿桩身不同部位的硬土层来设瞥承力盘及分支，将 摩擦桩 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 钢筋混凝土桩是靠桩周摩阻力与桩底端承力共同作用来完成荷 载传递的。为了提高单桩承载力，人们大都围绕着提高桩周摩阻力与 桩底端承力这两方面来研究。要提高桩的侧摩阻力，只有增大桩径或 提高桩的比表面积，但这并不经济。因此人们大都在桩的端承力上下 功夫，出现了扩底桩、夯扩桩等改良桩型。扩底桩是将桩端承压面积 扩大，并且加密了桩端地基土，改善了原地基土特性。从而承载力得 以提高。但是，这种桩对地基土有一定的要求，否则夯扩头很难形成。 挤扩支盘桩包括钻孔挤压支盘和振动沉管挤压支盘两种形式。钻孔挤 压支盘桩是在原钻孔桩的基础上，为了充分利用深处各硬土层的抗力 沿桩长设置一定数量的支盘，靠增加支盘的端阻力来提高桩的承载 力，克服了夯扩桩扩大头难以保证的弱点。 挤扩支盘桩有较大的承压能力，又有较大抗拔能力。由于支盘的 存在，可增加桩的稳定性，增加桩的侧摩阻力及支盘端阻力。挤扩支 盘桩克服了以往些桩型的缺点。 1 2 挤扩支盘桩的主要特征及适用范围 1 2 1 挤扩支盘桩的主要特征【6 ( 1 ) 可以剥用沿桩身不同部位的硬土层来设瞥承力盘及分支，将 摩擦桩改为变截面的多支点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。 这样的桩基础会使建筑物更稳定，抗震性好，沉降变形更小。 ( 2 ) 有显著的经济曩i 益。其单方混凝土承载力为相应普通灌注桩 的2 倍以上。也就是在同样承截力要求下，挤扩支盘桩可比普通直孔 桩节约材料半以上。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 对不同土质的适应性强。在内陆冲积和洪积平原及沿海、河 口部位的海陆交替层及三角洲平原下的硬塑粘性土、密实粉土、粉郅 砂层或中粗砂层等均适合作支盘桩的持力层。而且不受地下水位高低 的限制。 ( 4 ) 成桩工艺适用范围广。可用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成 孔工艺、水泥注浆护壁成孔工艺和重锤挤扩成孔工艺等。 ( 5 ) 出于单桩承载力较大，在负荷相同的情况下，可比普通直孔 桩缩短桩长，减小桩径或减少桩数，作为高层建筑及重要构筑物的基 础，可供设计灵活使用，既可作桩下荜桩方案以减少承台施工量，又 可沿箱基墙下或筏基柱下布桩以减少底板厚度及配筋量。这不仅能节 省投资，而且施工方便、工期短、造价低、质量优。 ( 6 ) 抗拔性能好。由于桩身支盘受土体的支撑作用，改善了桩身 刚度，提高了桩的抗拔力。 ( 7 ) 对环境保护有利。与打入式颈镪桩榻比施工噪声低、无振 动；与普通泥浆护壁直孔桩完成等值承载相比，泥浆排放量显著减少。 挤扩支盘桩和几种典型桩的特点、性能对比参见表1 1 。 1 2 f 2 挤扩支盘桩的适用范围 7 】 ( 1 ) 该工艺在款弱粘性土、淤泥质土中施工，成桩长度一般为 1 0 一4 0 m ，桩径可达3 0 0 8 0 0 胁，采用沉管加填料挤密成型，达到防 渗、防缩颈及加强地基、减少地基变形的作用。 ( 2 ) 该工艺在粘性土、地下水位以上施工，成桩长度一般由成孔 深度而定，桩径可达3 0 0 氆0 0 胁，采用长、短螺旋钻造孔原位挤压 成型，达到提高地基强度、节约原料、缩短工期、减少沉降的目的。 4 奎堕型王奎堂堡堑塞尘兰垡堡壅 表l 一1支盘桩和其它桩型的性能对比 5 l 树：型 特点、性能 缺点 适用4 ：土崖较软弱，秆较好的持力塔， 锤m 产生噪音污染，配置较多钢筋， 预制桩对桃瑚土产生挤密作用，璇 t 质齄较稳 造价高。 定。 普通施下方法较简荦，适崩性较强比挤扩 铡笳、水泥用量多，桩尖虚土难于 灌往桩支盘 i 造价高。处理，桩身可能柯缔劲。 挤土效粜好，利用锥碰可增自 桩鲍抛魁 k 度，仃限，产生噪音、震动等。 锥形桃力承载力比等截蚵( 体积丰f | j 司条件下) 桩摊高】倍一2 倍。沉降量较小。 可阱止地震时地基土的液化埘挺高产生麓动噪音，污染，入士深度较 竹节批侧壤阻力，承载力比普通桩高短，承载力有跟，竹节处尺寸扩大 3 邢岳4 0 。柯限。 沉管 能改善灌注桩和预制桩等桩的施丁缺 产生噪暂，也易产生桩身质鼍问 欠。仅适用卜部为软弱七崖下层为较 灌注桩题。承戏力较低，事故较多。 好持力崖的土层。 对无粘性的砂、碎石类土，难于在 水下形艘扩大头，乳壁轮弛效啦导 人直径桩施工简便，承载力高，抗震性能好。致侧。 阻降低要求大功率施工成桩机具。 人t 挖扩桩孔易小安全事故， 孔底注浆机 由于二次涟浆剐解块普通灌注桩的桩二次注浆需多耗赞水泥、造价高。 尖虚土及桩身与土的收缩缝隙。提高承芴 或碎“滓浆 载力。对棚邻耩黜产生不利蟛响。碎甜注 桩 浆桩桩身质量难于保证。 cfg 桩 可节约m 砂及水泥桩的町灌。好。 承载力提高秆般。 集预制桩、夯扩桩、灌注桩的优点，根 据需要可对币阿垃进行抽l 拭挤密， 拼扩 枉深厚软土、淤泥地攘、无相对理 支盘桩 形成立盘，能以性径小、缩短桩长，满 足乐载山人的要求。具有遗价低，承载 想拌力崖时慎用。 力高，沉降量小的优点。 太原理工大学硕士研究生学位论文 基安全性、降低工程造价和缩短工期等方面都取得了显著效果。 1 9 7 9 年，建设部建筑机械研究所和北京市机械旄工公司在国内首 先研制开发出挤扩、钻孑l 和清虚土的三联机，简称z k v l 0 0 型扩孔 器。 2 0 世纪8 0 年代末。北京俊华地基基础工程技术集团研制开发出 该公司的第一代锤击式挤扩装置和第二代y z j 型液体挤扩支盘成型 机及挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩。 1 9 9 8 年中国北方光电工业总公司地基基础工程部贺德新研制开 发出新型的多功能液压挤扩装置，依次实施d x 多节扩孔桩，成为挤 扩支盘桩的第三代产品。 2 0 0 0 年山西金石基础支盘桩工程有限公司研制成功双油缸换臂 式立板液压支盘成型机和可变式支盘扩底桩成桩工艺。该工艺可在同 一钻孔内利用同一挤扩设备，根据土层的不同，挤扩完成不同直径的 支盘，其施工工法被评为1 9 9 9 2 0 0 0 年度国家级工法。已在山西省多 项工程中应用，效果显著。 建设部于1 9 9 7 年5 月和7 月分别在建筑施工手册和地基 基础施工手册中编入了挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩的章节，内 容包括挤扩支盘桩的特点、适用范围、工艺工法、承载力计算、质量 要求、工程实例和效果评价等。 国家科委于1 9 9 8 年4 月组织专家论证，认为该桩是以独特的挤 扩方式所形成的新的桩型，对地基土层起到了挤密作用，充分发挥了 桩身上下各持力层的承载作用，大幅度提高了桩的承载力。并将挤扩 支盘桩技术纳入“重点国家级火炬计划项目”，建议在全国推广应用。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 天津市建委于1 9 9 7 年召开专家审定会后，下发了“挤扩支盘桩 应用认定证书”。北京市建委认为“挤扩支盘桩是一项己取得国内外 专利的新技术，能有效地提高桩基承载力，节约原材料，缩短旅工工 期，在北京及外省市多项工程建设中得到应用，取得了良好的经济效 益，是一项应用价值较高的新技术”。1 9 9 8 年1 1 月，科技部等五大部 委联合发文将挤扩支盘灌注桩及设备做为“国家重点新产品”郑重推 出。 目前，挤扩支盘桩这项新技术尽管有显著的经济效益和社会效 益，但整体上还处于技术开发和推广应用阶段。一些研究者只是在抗 压桩的受力机理方面进行了研究，工程设计方面还不成熟，至于在支 盘桩的抗拔性能方面的研究就更少了。因此挤扩支盘桩尤其是在抗拔 方面更有待于进步研究。 1 4 支盘桩的研究现状 印度的d m p h a n 川早在1 9 6 9 年就在小范围内对变截面桩进行过 小规模的试验和应用，并探讨了最佳扩大盘问距。但由于施工机械和 认识水平的限制，这一技术并未得到进一步推广。 国内桩基发展也不例外，近几年来不断涌现出入工挖孔桩、大直 径扩底桩和变截面桩。一般的变截面桩或多级扩大盘桩成桩时是用钻 机成孔，然后在桩身不同位置处扩大桩径。常用的扩孔工具是由钻头 和扩径刀杆复合组成的，即用“镰刀”挖扩形成盘状腔摸。这种变截 面桩由于成盘时未对土体进行挤压，盘的上下端土体由于“挖扩”而 变的松动或产生应力释放，其力学性质要比原状土差，土的强度也有 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 弹性理论法 弹性理论法是把土体视为弹性半空间，应用m i n d l i n 解求桩的荷 载一位移关系及桩的荷载传递。这种方法自六十年代提出，经过许多 学者研究，扩大了应用范围，特别是p o u l o s 作了大量的分析工作。但 这种方法的困难在于如何确定土的变形参数e s 及u 。1 2 “。 ( 3 ) 有限元法 近年来随着计算机水平的提高，人们越来越接受这种方法。首先 是e l l i s o n 在这方面作了大量工作，得出桩荷载传递的分析计算公式 及电算程序。有限元可以考虑土的非均匀性、非线性特征，还可以引 入土的应力历史，并能考虑土体滑动时的情况。因此，逐步发展成为 一种有效的手段。m o t t s l i 柚i 在1 9 7 1 年用轴对称有限元法对单桩作了 弹性分析，郑刚将接触面单元应用于有限元分析，对单桩承载力取得 了一定的认识。 ( 4 ) 剪切位移法 c o o k e ( 1 9 7 3 ) 曾运用简化分析法分析了桩体向周围土体传递荷载 的过程。所采用的假设是：离开桩距离相等处剪应力相等，且剪应力 与离开桩体轴线的距离成反比关系【2 = l 】。 r a i l d o l p h 等人( 1 9 7 8 ) 进一步发展了该法，使之可以考虑可压缩性 桩的情形，并且可以考虑桩长范围内轴向位移和荷载分布情形【2 4 】。 潘时声( 1 9 9 3 ) 用分层位移法分析了单桩和群桩，其中群桩的相互 作用采用了剪切位移法的研究成果1 2 ”。 这类方法原理简单，基本假设合理，但在群桩分析中，以两根桩 桩侧土刚度代替群桩桩侧土刚度，未能考虑第三根桩以外桩的存在。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 目前存在的问题及本课题研究的主要内容 目前，国内外对挤扩支盘桩的受力性能及工作机理的研究还不是 很多，在设计计算方面国家还没有统一规程，有的地区按本地的经验 和实际情况制定了地区性规程，但总的来讲，尚缺乏深入的理论研究 和设计依据，对其荷载传递性状、沉降特性、破坏特性、最合理的盘 间距等尚不能完全确定，缺乏可靠度分析，还没有设计和施工规范， 缺乏试验研究，迄今仍在部分地区和个别单位使用，因此继续研究和 推广运用支盘桩技术是当前急需解决的问题，尤其是在研究抗拔挤扩 支盘桩方面。 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 通过对抗拔挤扩支盘桩现场静载荷试验结果的处理，研究其 荷载传递规律。 ( 2 ) 建立并探讨抗拔挤扩支盘桩单桩承载力的计算公式和影响 单桩承载力的几种因素。 ( 3 ) 用有限元方法分析抗拔支盘桩在接近极限荷载作用下不同 的应力水平下不同部位特别是支盘内和其周围土体的应力场及位移 场的分布，确定抗拔支盘桩的受力特性，探讨支盘桩在接近极限荷载 作用下水平及竖向影响范围以及设计时支盘问的最小间距。 太原理工人学硕士研究生学位论文 a 试验目的：采用接近于竖向抗拔桩的实际工作条件的试验方法， 确定单桩竖向抗拔极限承载力值，安装应力计分析荷载传递规 律。 b 设备：采用油压千斤顶如载，利用锚桩一横梁作为反力装置，用 百分表对锚桩的上拔位移量进行量测。 c 加载方式：采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相 对稳定后加下一缴荷载，直到设计要求，然后分级卸载到零，加 载分级为预估荷载的十分之一。 d 加卸载及沉降观测：根据建筑基桩检测技术规范( j g j 1 0 6 2 0 0 3 ) 及建筑桩基技术规范( j g j9 4 9 4 ) ，单桩静载荷试 钟测读一次，累计一小时后每隔30分钟测读次，每次测读值 计入试验记录表。 e 沉降相对稳定标准：当一小时内上拔增量小于0 1 m m 时，并连 续出现两次( 由1 5 h 内连续三次观测值计算) ，认为已达到相对 稳定，可加下一级荷载，直到设计要求。 f 终止加载条件；当出现下列情况之一时，即可终止加载。某级 荷载作用下，桩的上拔量为前一级荷载作用下的上拔量的5 倍： 按桩顶上拔量控制，当累计桩顶上拔量超过1 0 0 m m 时；按 钢筋抗拉强度控制，桩项上拔荷载达到钢筋强度标准值的0 9 倍； 达到设计要求的最大上拔荷载值。 2 2 试验结果整理 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 静载荷试验是揭示桩的荷载传递规律的重要的方法之一。通过 对载荷试验测得数据的整理，才能充分说明和验证桩的受力特性和 变形性状。本试验是对挤扩支盘桩进行抗拔，在整个试验过程中理 论上桩端阻力是不存在的，所以在对试验数据的整理和计算中只考虑 侧摩阻力和支盘阻力。 2 2 1 计算分析的基本假定 本章主要讨论上拔荷载作用下挤扩支盘桩的荷载传递规律，基于 以下四条假定下计算得出桩身各截面轴力、承力盘阻力及桩侧摩阻力 的。 ( 1 ) 地基土为半无限体、各向同性的弹塑性体材料： ( 2 ) 钢筋混凝土桩为连续的、均质的弹性体【2 7 l ； ( 3 ) 因承力盘的弹性压缩量很小，本文在计算时将其忽略，仅考虑 直桩段的弹性压缩量： ( 4 ) 在整个抗拔试验过程中，不考虑桩身自重引起的变形，假设施 工完毕后形变已完成。 2 2 2 静载荷试验结果 2 撑抗拨试桩加载至3 0 0 0 k n ，桩顶总上拔量2 0 1 9 3 h 蚰，达到预定 加载终值，停止加载。每级荷载下的上拔量、上拔增量及稳定时间关 系见表2 2 、图2 2 和图2 3 。 3 # 抗拔试桩加载至3 0 0 0 k n ，桩顶总上拔量1 7 7 9 3 哪，达到预定 加载终值，停止加载。每级荷载下的上拔量、上拔增量及稳定时间关 系见表2 3 、图2 4 和图2 5 。由于工程设计的需要，试桩的最大加载 】8 太原理工大学硕士研究生学位论文 量和上拔量受到限制，因此2 群、3 # 抗拔试桩均未加载至极限荷载， q s 曲线中未出现明显的陡升段，s l o g i 蓝线也未出现明显的向上弯 曲，故两桩的单桩竖向抗拔极限承载力均大于或等于3 0 0 0 k n 。 表2 22 # 抗拔试桩静载试验变形结果汇总表 荷载变形增量累计桩顶上拔置观察时问 ( k n )( m m )( m m )( h ) 6 0 01 2 2 51 2 2 52 5 9 0 0l1 2 02 3 4 52 0 1 2 o s 2 03 ，1 6 52 o 1 5 0 01 3 0 84 4 7 3 2o l8 0 005 6 550 3 82 0 2 1 0 02 6 9 277 3 02 0 2 4 0 0 1 6 9 0 9 4 2 02 0 2 7 0 035 8 5130 0 52 0 3 0 。o7 1 龉 2 0 9 32 0 图2 22 # 抗拔试桩q s 曲线 f 培2 1 2q sc u r v eo f 2 群t e s t i n gp i e 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 i o 口l ( m l n )图2 53 # 抗拔试桩s 一1 0 9 t 曲线 f唔25s 一】o g tc u r v e so f 3 # t es l l n gp i l e 2 。2 3 桩身轴力计算结果 本次试验采用钢弦式钢筋应力计测试桩身轴力。试桩施工前，在 桩的两根对称主筋上布置应力计，应力计与主筋问通过搭接焊连接。 当桩进行静载试验时，钢筋应力计中钢弦的振动频率就会发生变化。 用g p c - 2 型钢弦频率测定仪测出钢弦的频率变化就可得出钢弦的受 力大小。通过下面方法，计算出桩身轴力。 第一步：根据厂家提供的gjl-_2型钢筋应力计工作直线方程表求出应力计上受的拉力f s 。 第二步：假设菜一截面上钢筋和混凝土的应变是相同的，利用公 式n ( i 护警+ n 等( 2 - 1 ) 得出桩身某截面轴力。其中： n(ij卜第i级荷载下第j截面桩身轴力； ec，er分别为混凝土和钢筋的弹性模量(mpa)；本次试验中 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 73 # 试桩桩身轴力随深度的分布 f i g 2 - 7t h el o a dt r a n s f e rc u r v eo f t h et e s tp 订e3 2 2 4 试桩支盘阻力及侧摩阻力的计算 各级荷载下，桩身某段分担的荷载值由下式计算： f ( i j ) 2 n ( i j ) - n ( i 0 + 1 )( 2 2 ) 式中：f ( i ，j ) 为第i 级荷载下桩身截面j 到j + l 段分担的荷载( n ) 。 特别地，当j 及j + l 截面分别位于承力盘上下时，f ( i ，j ) 即为该承力盘 在第i 级荷载下分担的荷载值。n ( i ，j ) 为第i 级荷载下第j 截面桩身轴 力( n ) ，n ( i j + 1 ) 为第i 级荷载下第j + 1 截面桩身轴力( n ) 。 各桩段的平均摩阻力由下式求得： t ( u ) = f ( i j ) a 侧( 2 3 ) 式中：t ( i ，j ) 以k p a 计，a 侧为该桩段侧表面积( m2 ) 。当j 及j + 1 分别位于某承力盘上下时，承力盘单位水平净投影面积阻力q 由下式 太原理工大学硕士研究生学位论文 得出 q ( i ，j ) = f ( i ，j ) ，a 。 ( 2 4 ) 式中：q ( i ，j ) 以l ( p a 计，a 。为承力盘水平净投影面积( m 2 ) ，由承力 盘的水平投影面积减去桩的直桩段截面积得到。 各桩段中点处的竖向位移s ，按下式计算： s ，= s 一( 2 5 ) 式中：s 一某级荷载下桩顶上拔位移量( 删m ； 一相应荷载下从测点到桩顶这一段桩的弹性压缩量 ( m m ) 。因承力支盘的弹性压缩量很小，本论文在计算时将其忽略，仅 考虑等截面直桩段的弹性压缩量。 按照材料力学1 2 s ! 的知识，弹性压缩量由下式计算： ：盟 睇4 ， ( 2 6 ) 式中：n z 表示从测点至嚏e 顶这一段桩身轴力；l z 表示这段桩长； e ，是桩身的弹性模量，根据洪毓康建议的用试桩配筋率来确定： e p = e c + u ( e s + e c ) ，u 为配筋率。 由式( 2 2 ) 计算出桩身各段分担的荷载值汇总见表2 6 、2 7 及图 2 8 、2 1 0 。各部分的荷载分担百分比见表2 8 、2 9 及图2 ，9 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 62 # 试桩荷载分担值表单位( k n ) 淤 o0 80 m80 1 6 7 m上盘1 9 0 2 0 ，9 m2 09 2 27 m下盘2 5 0 3 0 _ 3 m 6 0 03 1 4 415 7 43 7 19 61 0 12 184 8 4 9 0 03 4 882 2 1 16 8 i5 153 633 5 21 2 88 1 2 0 03 7 6 5 3 0 9 2 1 0 4 2 5 3 3 8 0 44 7 - 4 2 1 3 3 l5 0 04 9 963 5 491 8 4 95 698 037 272 2 5 9 1 8 0 05 7 1 74 3 l9 2 4 6 1 8 8 08 999 0 12 4 5 6 2 1 0 06 2 l34 8 533 9 9 48 51 7 8 31 4 352 3 75 2 4 0 06 4 385 6 8 名5 3 1 36 l69 3 5 2 3 5 22 1 6 2 l 7 4 ，o5 1 7 56 l s 28 3 27 6 13 8 7 车2 1 1 - 3 3 0 0 07 7 11 5 1 6 6 6 6 2 39 7 3 4 455 6 9 12 6 8 8 量 占 艇 篁 托 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 l2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 o1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 桩项荷载( k n ) 一0 1 6 7 m 段 _ 一l g 一2 2 7 段 _ | 一2 5 3 0 3 口段 - - 口- - - 3 段总摩阻力 图2 8 2 # 试桩直桩段侧摩阻力随荷载变化 f i g 2 - 8r e l a t j o n s h i pb e t w e e ns k i nf r i c t i o n 锄dt o t a l l o a d i n go f t h et e s tp i l e2 奎堡望三查堂堡主堑茎兰堂篁笙茎 桩项荷载( kn ) 图2 92 # 试桩支盘和总侧摩阻力荷载分担值 f i g - 2 9b e a r i n g f o r c e o f d i s k a n dt o t a ls k i nf r j c t i o no f t h et e s tp i i e2 表2 - 73 # 试桩荷载分担值表单位( k n ) 岔霄 0 0 80 m8 0 - 1 67 玎1上盘1 9 0 - 2 09 m2 09 - 2 2 7 m下盘2 5o - 3 0 3 m 菏载( k n ) 6 0 0 3 7 699 7 01 282 49 4 6 29l3 3 1 9 0 04 9 551 9 9 42 6 85 4 f 06 1 12 i 53 0 4 1 2 0 05 9 9 r 32 9 3 35 4 98 7 26 7 33 0 25 4 3 1 5 0 07 2 973 3 8 21 0 131 0 7 ，7 6 97 5 6 47 3 9 1 8 0 07 6 5l3 8 4 21 6 8 41 2 428 4 41 1 0 11 2 75 2 1 0 07 6 0 g4 3 4 03 4 1 41 t 727 6 i1 9 221 3 2 0 2 4 0 07 6 2 3 5 0 22 4 8 0 ，1 6 486 82 2 6 931 9 3 9 2 7 0 07 4 945 1 856 4 2 ，53 3 26 6 14 0 0 02 1 7 i 3 0 0 07 7 9 55 1 6 47 0 8 ，68 323 2 05 5 1 52 48 3 咖啪黜咖螂枷。 (苫nn碧蝥蓖珀趟r丑“ 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 03 # 试桩直桩段侧摩阻力随荷载变化 f i g ，2 - 1 0r e l a t j o n s h i pb e t w e e ns k i nf r i c t i o n a n dt o t a l l o a d i n go f t h et e s tp i l e3 一上盘 一下盘 - - - 两盘 一一总摩阻力 图2 - l l3 # 试柱支盘和总侧摩阻力荷载分担值 f i g 2 - l lb e a r i n gf o r c eo f d i s k a n dt o t a ls k j nf r i c t i o no f t h et e s t 州e3 栅 啪 啷 啪 栅 姗 。 一至一r疑鞋蘑均剐r尝州 一 奎垦垄三奎堂堡主婴壅尘堂焦笙茎 表2 1o2 # 抗拔试桩承力盘阻力的荷载传递关系 项日 上盘 下盘 j 承力盘阻力k p a 位移m m承力盘阻力k p a 荷载( k n ) 位移m m 6 0 0o5 4 32 4 0 5 0 1 5 01 4 17 9 0 0 l3 3 84 42 00 7 4 i2 2 7 5 1 2 0 0 i8 2 36 7 ，5 3i0 2 93 0 ，8 l l5 0 02 7 8 l1 2 0 17 17 9 34 72 5 j 8 0 0 3 0 6 61 5 9 ，1 8 4 65 8 5 6 2 1 0 054 3 92 5 93 34 0 0 59 3 2 7 2 4 0 0 68 0 2 3 4 5 1 2 51 5 91 5 33 9 2 7 0 01 0 0 5 63 9 9 1 7 18 2 0 52 5 2 1 8 3 0 0 01 6 9 7 64 3 0 2 61 50 0 23 6 9 8 2 表2 1 13 # 抗拔试桩承力盘阻力的荷载传递关系 项目 上盘下盘 荷裁( k n ) 位移m m承力盘阻力k p a位移m m承力盘阻力k p a 6 0 01 5 0 684 51 1 1 55 8 5 9 0 0 l9 2 81 75 51 3 3 61 4 3 0 1 2 0 02 7 3 13 57 51 9 3 22 0 1 5 1 5 0 0 33 7 7 6 6 2 92 3 7 2 3 64 0 1 8 0 04 _ 3 3 41 0 9 1 931 2 67 i4 9 2 1 0 077 0 3 2 2 2 2 86 2 7 71 2 4 7 9 2 4 0 08 0 7 l3 1 1 9 76 4 4 61 7 4 8 3 2 7 0 092 0 s4 179 17 3 9 l2 5 9 9 8 3 0 0 0 1 45 2 84 6 08 l1 24 8 63 5 8 7 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 22 # 抗拔试桩侧摩阻力的荷载传递关系 项目 桩顶一截面2截面3 一截面5 截面6 截面7 位移桩侧摩 位移桩侧雕位移挫侧雎 m m 阻力k p a m m 阻力k p a m m阻力k p a 荷载( k n ) 、 6 0 007 3 51 28 5o ，6 1 52 - 4 t0 ，2 4 041 5 9 0 01 6 9 71 5 5 21 4 5 11 0 8 20 8 8 21 1 0 5 1 2 0 023 1 218 ，6 8l9 8 41 64 3l2 2 5183 0 1 5 0 034 6 02 32 730 4 01 6 8 620 3 51 93 8 1 8 0 03 8 5 72 7 3 3 3 _ 3 1 32 1 8 62 1 5 8 2 l0 7 2 l o o6 4 2 03 0 1 45 7 4 62 0 d 843 8 02 0 3 8 2 4 0 080 2 73 30 371 6 l1 9 0 55 5 9 31 84 8 2 7 0 0l l8 0 1 3 4 4 51 0 4 6 21 9 5 48 ，6 9 41 8 0 8 3 0 0 01 9 2 0 】3 5 0 7l7 6 2 81 74 5 1 5 5 9 62 3 0 5 图2 1 42 # 各桩段平均侧摩阻力变化图 f i g 2 1 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g esk i nf r i c t i o n a n dt o t a l l o a d i n go f t h et e s tp i i e2 一 奎堕望三查堂堡主婴塑兰堂堡笙茎 o1 0 0 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 桩顶荷载( k n ) 图2 ，1 52 # 各桩段侧摩阻力占桩顶荷载的百分比 f 培2 - 15p m p o n i o no 九h ed i v i d e dl o a d i n go f s k i nf r i c t i c no f t h et e s tp i l e2 表2 1 33 # 抗拔试桩侧摩阻力的荷载传递关系 项目 桩顶一截面2截面3 一截面5截面6 一截面7 位移桩侧摩位移桩侧摩位移 桩侧摩 荷载( k n ) m m 阻力k p 8m m阻力l ( p a m m 阻力k p a 6 0 01 7 5 81 2 9 l1 5 7 887 31 2 0 62 8 3 9 0 022 9 21 8 9 22 0 3 l1 4 1 31 4 7 0 25 7 1 2 0 03 2 1 62 4 3 228 6 71 89 32 1 1 046 3 1 5 0 040 1 82 9 0 8 35 5 42 1 7 52s 9 3 6 3 5 1 8 0 051 0 23 1 3 l45 52 56 93 4 0 71 0 9 0 2 l o o85 9 8 3 25 4 7 ，9 7 62 3 7 26 6 2 1 1 i3 3 2 4 0 09 1 4 23 4 4 583 7 91 63 s68 3 51 66 5 2 7 0 01 0 4 5 23 45 395 5 11 2 1778 2 51 8 6 2 3 0 0 01 59 7 33 5 2 9i50 3 81 4 1 3 1 29 8 0 2 1 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 0 7 0 6 0 r5 0 萎4 0 毒3 0 蠢2 0 1 0 0 o1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 + 0 一1 6 7 m 段 十1 9 2 2 7 段 + 2 5 3 0 ，3 m 段 桩顶荷载“n ) 图2 1 63 # 各桩段平均侧摩阻力变化图 f i g 2 1 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g es k i nf r i c t i o n a n d t o t a l1 0 a d j n go f t b e t e s tp 1 e3 图2 1 73 # 各柱段侧摩阻力占桩顶荷我的酉分比 f 嘻2 - 1 7p r o p o r t i o no f t h ed i v i d e d1 0 a d i n go f s k i nf r i c t i o no f t h et e s td j l e3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 试验结果分析 2 3 1 抗拔挤扩支盘桩的受力机理分析f 3 0 如图2 一1 8 所示，受上拔荷载作用的挤扩支盘桩a b 面上有正压力 的作用，又有摩阻力f 的作用。因此支盘上端土体既有支盘端阻力的 抗压缩特点又有摩阻力的抗剪切特点，当桩土相对位移达到极限平衡 时支盘由法向抗力n 和剪切作用力f 构成。当桩土问产生较小位移时 支盘上端土体受到压密，位移较大时土体则沿a b 面发生滑动，这时 摩阻力f 在承力时起主导作用，土体的移动主要是靠克服这部分摩阻 力做功。支盘总承力是各支盘摩阻力之和，在极限荷载作用下，当 a b 面上土体内的剪应力大于摩阻力时，支盘桩发生剪切破坏。 “j i 允 旷 、j 。 图2 18 抗拔桩受力分析 f i g 2 - 1 8b e a r i n gf o r c ea n a l s y so f p i l el h a tb e a r e dp u l l i n gl o a d 2 3 2 q - s 及s l o 群曲线分析 卜， k ；fiii儿liiij 太原理工大学硕士研究生学位论文 从图2 2 、2 3 、2 4 、2 5 中可以看到，上拔荷载与位移的关系曲 线较为平缓，均未出现陡降段。在上拔荷载小于1 8 0 0 k n 时，上拔荷 载与位移呈直线蹬鹱藕! 嚣菩谢| 萋i 搽曩高夏鏊寓静褐嚣琶i 鍪鬻鏊鬟 囊型；二= 熏；鏊嚣蛆鹳埕门鲤蓼! 鬟嚣鬣磐嚣嘲鳃淫菇甄嚣繇 睫翼鐾葵麓露囊鲻；蕊 ，o o1 12l 3 12 16 63 3 2 7 0 02 38 l1 48 l3 86 35 86 7 3 00 02 36 31 84 04 20 35 40 3 0 o o o2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 桩项荷载“n ) o 一一一 图21 33 # 试桩荷载分担百分比 f ig - 2 - 1 3p m p o r t i o no f t h ed i v i d e d1 0 a d i n g 太原理工大学硕士研究生学位论文 从图2 2 、2 3 、2 4 、2 5 中可以看到，上拔荷载与位移的关系曲 线较为平缓，均未出现陡降段。在上拔荷载小于1 8 0 0 k n 时，上拔荷 载与位移呈直线平缓状，说明土体变形处于弹性变形阶段。当上拔力 大于1 8 0 0k n 时，曲线斜率稍为变陡，土体中出现弹塑性变形。在最 大上拔荷载作用下，桩顶位移量仍然不是很大，说明试桩所受的上拔 荷载均未达到极限值，而是随着上拔位移量的增加保持同步增加，并 呈现“抗拔后劲”的现象。s l o g t 曲线也未出现明显的向上弯曲，基 本上呈直线状态。从这两种曲线中可以看出在最大荷载作用下，桩均 未破坏，承载力均达到试桩要求。 2 3 3 轴力沿桩身深度变化曲线分析 由图2 6 和图2 7 看出，挤扩支盘桩在上拔荷载作用下轴力分布 曲线类似于直桩的抗拔轴力分布曲线，即轴力随着深度的增加而递 减，这点可以从上拔荷载作用下桩的受力分析得到。所不同的是在支 盘位置处，轴力发生了急剧变化，轴力明显降低，其损耗的轴力完全 由支盘所承担。从而使得支盘桩在上拔荷载作用下的荷载传递特性比 直桩发生了显著变化。为了更清楚的看到这一点，下面将从支盘阻力 和桩侧摩阻力两方面加以分析。 2 3 4 支盘受力分析 图2 9 和2 1 1 至2 1 3 反映了各承力盘在各级荷载作用下所分担 的荷载值。可以清楚的看到。在加荷初期，总荷载主要由侧摩阻力承 担，支盘只承担很小一部分。当荷载为6 0 0k n 时，2 # 桩支盘承担 9 8 0 ，3 拌桩承担3 6 7 。随着桩顶荷载的加大，支盘承担的荷载逐 3 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 渐增大，当荷载为2 7 0 0 k n 时，2 # 桩支盘承担荷载达到3 7 15 ，3 # 桩 达到3 8 6 3 。而且在整个加载过程中，上盘所承担的荷载始终大于 下盘承担的。以3 # 桩为例，当荷载加到1 8 0 0 k n 时，上盘承担荷载突 然增大，承担荷载百分比由9 | 3 3 增加到2 1 0 0 k n 下的1 6 2 9 。而当 荷载加至最大荷载( 3 0 0 0 k n ) 时，上盘承担的荷载百分比较上一级荷 载有减小趋势，从2 3 8 1 降至2 3 6 3 。此时下盘承担荷载的百分数 明显增大，由1 4 8 1 增至1 8 4 0 。从图中的两曲线看出，桩顶荷载 加至接近最大值时，上盘承担荷载值趋于下降，而下盘承担的荷载值 趋于上升。2 撑试桩也有这样的规律。这f 说明：随着桩顶荷载的加大， 上面的承力盘先受力而下面的承力盘滞后。这也充分说明：支盘在上 拔荷载作用下，对其上端土体产生压应力，土阻力明显增加，作为其 反作用力使得支盘阻力也随之增加，且上拔位移越大则其增长速率越 快，甚至快到极限荷载时支盘阻力可达到上一级荷载下的2 倍左右。 这一现象可以这样解释：当荷载较小时，桩顶上拔荷载主要由盘上直 桩段产生的侧摩阻力来承担，但随着荷载的增加，桩侧摩阻力达到极 限，桩顶所增加的荷载首先主要由靠近桩顶的支盘承担。当上