（交通运输工程专业论文）现浇混凝土薄壁筒桩的应用.pdf

摘要 现浇混凝土薄壁筒桩是一种新型桩，已成功应用于高速公路、铁路、水利堤坝、基坑支护 工程及民用建筑地基处理中，因其经济效益好、施工速度快、质量有保证、无污染等优点取得 很好的经济和社会效益。但目前此桩型的理论机理的研究还很缺乏，对其理论研究目前远远落 后于工程实践，这在一定程度上制约了该桩型的推广应用，因此开展相应的理论研究非常迫切。 本文首先介绍了筒桩的一些主要特点，介绍了筒桩在软弱地基处理和堤坝工程中的应用情 况，包括它的施工工艺和施工要点，并详细比较了筒桩软基处理方法与目前常用的几种软基处 理方法，接着介绍了筒桩的国内外研究现状。 现浇混凝土薄壁筒桩为端承摩擦桩，如何计算筒桩内、外侧摩阻力是竖向承载力计算中的 关键问题，目前这方面的研究很少，各种方法中对是否考虑土芯作用有较大分歧，对端阻力和 侧阻力的折减修正也有很大差异，粗略的计算方法导致实测值与计算值相差很大，一般情况下 计算值均低于实测值。本文在筒桩荷载传递机制基础上，对其竖向承载力计算进行探讨，综合 利用现有国内外研究成果，对比分析5 种计算方法，并通过工程实例进行比较。结果表明，i c p 方法简单、实用，与实测值最接近，值得推广应用。 现浇混凝土薄壁筒桩处理软弱地基的主要目的是控制沉降。控制沉降本身就意味着改变土 层中的附加应力，论文提出了现浇混凝土薄壁筒桩的沉降计算方法。本文在比较了规范推荐的 应力扩散法和等效实体法之后，应用弹性力学g e d d e s 解和b o u s s i n e s q 解求解路堤荷载作用下 筒桩地基的附加应力，再利用分层总和法计算其沉降，与实际观测结果相比，上述的联合求解 法与实测值更为接近。 关键词：现浇混凝土薄壁筒桩；临界荷载；荷载传递；摩阻力；竖向承载力；沉降分析 a b s t r a c t l a r g e - d i a m e t e rc a s t i n s i t ut h i n - - w a l lt u b u l a rp i l ei san e wk i n do fp i l ea n dh a sb e e np u tt ow i d e u s ei nt h et r e a t m e n to fs o f ts o i li ne x p r e s s w a y ，d a m ，e m b a n k m e n t ，a n de x c a v a t i o nd u et oi t s a d v a n t a g e so f c o s t - s a v i n g ，f a s tc o n s t r u c t i o n ，h i g hq u a l i t ya n dl e s se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n n o w a d a y s d u et of e w e rs t u d i e so nt h e o r e t i c a lm e c h a n i s ma n dl o a dt r a n s f e rs y s t e mi t sw i d eu s ei n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga n df u r t h e rd e v e l o p m e n ta r er e s t r i c t e d f u r t h e rs t u d i e so nt h i ss u b j e c tb e c o m em o r e u r g e n ta n dn e c e s s a r y i nt h i sp a p e rf i r s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i st h i n - w a l lc a s t - i n - s i t uc o n c r e t et u b u l a rp i l ea r e s u m m a r i z e d ，a n dt h e ni t sa p p l i c a t i o ni ns o f tg r o u n da n dt h ep r o c e d u r eo fp i l e d r i v e na r ei n t r o d u c e d o t h e rm e t h o d su s e df o rg r o u n di m p r o v e m e n ta r ea l s ob r i e f l yd i s c u s s e da n dar e v i e wo fp r e s e n t s t u d i e so nt h i sp i l ea n do t h e rs i m i l a rp i l e s ，s u c ha ss t e e lt u b u l a r ( o rp i p e ) p i l ea r ed e p i c t e di nt h ef i r s t c h a p t e r u s u a l l y ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ei sc a u s e db ye n d b e a r i n gc a p a c i t ya n dt h ef r i c t i o n a l r e s i s t a n c eb e t w e e ns o i la n dp i l e h e n c e ，h o wt oe v a l u a t et h eo u t e ra n di n n e rf r i c t i o nr e s i s t a n c e si st h e k e yp o i n t s of a rl i t t l ep r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e d w h e t h e rs o i lc o r es h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ta n d h o wt or e c t i f yt h ee n d - b e a r i n gc a p a c i t ya n df r i c t i o nr e s i s t a n c ea r es t i l lu n d e rc o n s i d e r a t i o n t h i si st h e m a i nr e a s o nt h a tt h er e s u l t sd e d u c e df r o mp r e s e n tm e t h o d sa r ef a ra w a yt h o s ef r o mt h em e a s u r e m e n t b a s e do nt h ei o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m ，f i v em e t h o d sf r o md o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e sh a v e b e e na n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t hc a s es t u d i e s i na l lt h e s em e t h o d s ，i c pm e t h o dt u r n so u tt ob et h e b e s to n ea n dc a nb ee a s i l yu s e d i t sc a l c u l a t i o nr e s u l tc o i n c i d e sw i t ht h em e a s u r e m e n tf r o ms t a t i c l o a d i n gt e s t ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h i sm e t h o di sw o r t h yt ob eu s e di np r a c t i c e t h em a i np u r p o s eo fl a r g e d i a m e t e rc a s t - i n - s i t ut h i n - w a l lt u b u l a rp i l ei ss e t t l e m e n tc o n t r 0 1 s e t t l e m e n tc o n t r o lm e a n st oc h a n g es t r e s so ft h eg r o u n d an e wm e t h o do fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no f l a r g e d i a m e t e rc a s t i n - s i t ut h i n - w a l lt u b u l a rp i l ew a sp u t f o r w a r d a f t e rc o m p a r i n gt h er e s u l t s o b t a i n e df r o ms t r e s sd i s p e r s i o nm e t h o da n de q u i v a l e n ts o l i dm a s sm e t h o d ，i nt h et e s t , t h ea d d i t i o n a l s t r e s so ft h ef o u n d a t i o nw i t hl a r g e d i a m e t e rc a s t - i n - s i t ut h i n w a l lt u b u l a rp i l eh a sb e e nc a l c u l a t e db y g e d d e ss o l u t i o n sa n db o u s s i n e s qs o l u t i o ni ne l a s t i cm e c h a n i c sa n dt h e nt h es e t t l e m e n to ft h ep i l e s h a sb e e nc a l c u l a t e db yl a y e rw i s es u m m a t i o nm e t h o d b yc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t hm e a s u r e m e n t s ， t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h i ss e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nc o l a i dm a t c hw e l lw i t ht h ef i e l dd a t e k e y w o r d s ：l a r g e d i a m e t e rc a s t - - i n s i t ut h i n w a l lt u b u l a rp i l e ；c r i t i c a ll o a d ；l o a dt r a n s f e r ；f o r c eo f f r i c t i o n ；v e r t i c a lb e a t i n gc a p a c i t y ；s e t t l e m e n ta n a l y s i s i i i 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，i i j j n 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。 一签名簪一一 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：名全氅导师签名： l 日期： 第一章绪论 第一章绪论 为了适应国民经济快速发展的需要，近几年来随着我国高速公路的迅速发展，高速公路不仅对 线型技术要求高而且对路堤稳定性、工后沉降也要求很高。同时从已建的高速公路桥头曾采取了塑 料排水板加等载( 超载) 预压和粉喷桩等处理段的运行情况看，工后沉降较大，“桥头跳车”是普遍 存在的。为了解决桥头跳车，确保车辆行车舒适和安全，究竟采何取种经济合理地基加固方式才能 达到控制工后沉降，缩短施工周期，是大家共同关注的研究课题。 现浇薄壁混凝土筒桩作为种新型实用桩型，有着独特的构想、具有施工速度快、设计桩径大、 经济、无污染挤土少等优点。本文通过在浙江省0 7 省道工程上采用了现浇混凝土薄壁筒桩软基处理 的实践研究，验证现浇混凝土薄壁筒桩应用于加固软基的效果，比较筒桩软基处理方法与目前常用 的几种软基处理方法的优劣，并在筒桩荷载传递机制基础上，对其竖向承载力计算进行探讨，综合 利用现有国内外研究成果，对比分析5 种计算方法，并通过工程实例进行比较。同时因为现浇混凝 土薄壁筒桩处理软弱地基的主要目的是控制沉降，本文提出了现浇混凝土薄壁筒桩的沉降计算方法， 在比较了规范推荐的应力扩散法和等效实体法之后，应用弹性力学g e d d e s 解和b o u s s i n e s q 解求解路 堤荷载作用下筒桩地基的附加应力，再利用分层总和法计算其沉降，与实际观测结果相比，验证现 浇混凝土薄壁筒桩的可行性。 1 1 概况 1 9 9 8 年3 月建造了第一台筒桩打桩机，同年6 月就进行了系列打桩试验，经过几十次反复试 验与改进，终于试造成功。1 9 9 9 年6 月在乐清高速公路路基上，进行研制成功后第一次正式试桩试 验，共打桩4 根，经现场开挖观测。筒桩内外侧壁自上而下质量均符合试验要求。筒桩桩径 d s o o m m 一1 5 0 0 m m ，壁厚tl o o m m 一2 5 0 衄，筒桩施工采用振动沉模、现场浇筑混凝土的一次性成桩技术， 可快速加固较软弱地基使其满足各类工程设计要求，这项技术在我国东南沿海软粘性土地区已得到 较广范围的应用，如海洋工程( 温州鹿西岛双排桩防浪堤) 、道路交通工程( 杭州绕城高速公路、杭宁 高速公路软基处理) 、民用建筑工程( 杭州市罗马公寓) 和水利工程( 上海浦南东片出海闸导流堤) 等工 程。现浇混凝土薄壁筒桩，就目前沉桩能力及性状而言，筒桩适用于饱和软土、一般粘土和粉土中。 1 1 1 筒桩施工原理 筒桩主要原理是采取自动排土振动灌注而成筒桩，施工原理简述如下：把筒体桩靴套入外、内 钢质套管之间的孔腔中，该外、内套管的下端面与桩靴上的外、内支承面相接触；上部与压盖连接， 且内套管上部成锥度管穿过压盖，插入施力压头与出泥孔导通；然后将切削头( 即桩靴尖头) 压入 土层。接着振动下沉，在成圆筒形孔的同时亦同步自动排出土体，随后放入钢筋笼及灌注混凝土， 一边灌注混凝土，一边振动拔出成孔器套管( 留下桩靴) 即成筒状管桩。 振动成桩过程中，筒桩桩内大量土体不是挤向周围，而是被内管套入其中，并由内管上部通道 溢出，四面受挤土体只是少数，因此，从挤土效应看，该桩属于弱挤土桩。从混凝土构件抗弯计算 可知，断面中心部位混凝土所起的作用可忽略不计，桩体侧向受力并不需要全断面，筒桩用合理的 东南大学硕士学位论文 材料获取有效的结构效应。筒桩既汲取了钻孔灌注桩桩径大、桩长可调节和沉管灌注桩设备简单、 施工速度快等优点，又克服了钻孔灌注桩泥浆护壁的泥皮减弱侧摩阻力、桩端沉渣减弱桩端承载力、 施工进度慢和沉管灌注桩挤土常导致桩身缩颈、离析和断裂等缺点。筒桩的这些优点使其具有较大 的经济社会效益和广阔的市场前景。但由于施工工艺的限制，如内、外两层钢套管接桩困难，简桩 施工深度受单节钢套管的限制，在深厚软土地区，桩端往往不能到达良好持力层，另外在软土，特 别是在深厚软粘土的海洋工程中灌注混凝土时，混凝土总是挤向土芯，使混凝土充盈系数大大提高， 从而增大了投资成本。因此，筒桩的施工工艺和作用机理有待于在实践应用中不断改进和完善。 1 1 2 筒桩机械设备 本次采用的施工机械为d j l 2 0 k s 1 0 0 0 一1 6 型振动打桩机，它的桩架高4 5 米，重6 0 吨。其关 键的机械配套设备为振动锤，其技术参数如下： 外形尺寸2 4 0 0 m m 1 7 0 0 m i nx2 2 0 0 m m 空载振幅8 2 m m 激振力6 3 0 k n 电动机功率5 5 k w - 4 px2 电机转速1 4 8 0 r m i n 。 此外，打桩机配备的主卷扬机为8 t ，电机功率3 0 k w - 4 p ；副卷扬机5 t ，电机2 2 k w - 4 p ；移架卷 扬机3 t ，电机7 5 k w - 6 p 。 1 1 3 筒桩施工技术特点 ( 1 )一次成孔灌注成桩，施工快捷。 ( 2 )能使被桩靴挤出的多余软土通过内套管内侧抬升而自动排出，构成了自动排土技术，因 而大大减少地面隆起、桩体被拉长、拉裂等问题，施工质量易于控制。 ( 3 )采用环形桩靴，施工时贯入阻力小，口径可根据工程需要或承载力要求进行调节。 ( 4 )专用的振动压入式一次成孔器结构简单，对设备要求不高，易于安装；施工时对材料要求 低，材料运输工作量小，散体运输，随意性好：施工速度快，节省大量的建筑材料。 ( 5 )施工时无需造浆，无废土运进运出的问题，环境效益好。 ( 6 ) 无桩侧泥皮与桩底沉渣，相同条件下的承载力较高；如果成桩后将顶部振捣密实并浇上混 凝土盖板，承载效果更好。 ( 7 )在传统桩型无法施工的工程地质条件或施工难度较大的工程，如地基施工中遇到流沙， 亦会因现浇混凝土薄壁简桩技术的采用而易于解决，起到事半功倍的效果。 ( 8 )水下成桩可实施一次性成桩，可大大节约工时，有效地降低工程费用。 1 2 筒桩研究现状 现浇混凝土薄壁筒桩是一种新的桩型，国外还未见相关的研究报道，国内已将此桩型逐步应用 于公路软基处理和堤坝工程中，而后者由于一般要在海里施工，施工工艺和技术要求很高，动水压 力下桩体受力性状研究还不深入，因此筒桩多用于公路软基处理。迄今为止，关于筒桩报道大多集 中在施工工艺及工程应用方面，但在筒桩的工作性状研究方面成果非常有限。从对国外钢管桩和预 应力管桩的研究来看，主要是采用模型试验和有限元方法，从钢管桩和预应力管桩内的土芯的承载 2 第一章绪论 机理研究出发，来进一步认识两者的工作性状。国内目前对筒桩的理论研究还不够深入，基本是停 留在对筒桩的概括性认识，采用现场试验和有限元分析方法对筒桩的荷载传递机理进行了初步的研 究，但并未详细分析桩体几何参数和土质参数变化时的筒桩的承载性状，未提出土芯内摩阻的估算 方法，提出的筒桩承载力的计算方法误差也较大。国内对其沉降计算还停留在薄壁筒桩复合地基模 式的计算阶段，与现浇混凝土薄壁筒桩的工作性状不符，因此造成计算结果不理想。鉴于此，开展 对现浇混凝土薄壁筒桩进行承载特性和沉降研究对学术界和工程界显得至关重要，既有理论意义又 有实际应用价值。 1 2 1 筒桩承载性状的研究 谢庆道( 1 9 9 8 ) 提出了现浇混凝土薄壁筒桩的一次成孔器的专利；河海大学刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 较详 细地阐述了振动沉模大直径现浇薄壁管桩的施工技术及应用；汪鹏程( 2 0 0 4 ) 根据圆孔扩张理论推导并 比较了筒桩与普通沉管灌注桩的挤土效应；叶俊能( 2 0 0 3 ) 考虑桩内土芯，用荷载传递法推导了有盖板 情况下筒桩沉降的弹塑性半解析解，并应用有限元程序对影响筒桩工作性状的主要因素进行了分析； 费康( 2 0 0 4 ) 应用s m i h t 提出的弹塑性模型在分析静载试验时忽略阻尼作用，桩体和土芯均用一系列的 集中质量块体和线性弹簧模拟，从而针对筒桩沉降提出了一套简化分析方法。为了分析筒桩竖向荷 载作用下的荷载传递性状，叶俊能( 2 0 0 3 ) 、费康等( 2 0 0 4 ) 、姜陈睾- i j ( 2 0 0 4 ) 、郭平( 2 0 0 5 ) 、陈志军( 2 0 0 6 ) 等做了数值计算( 如f e m ) 分析，主要分析了桩长、桩径、壁厚、桩侧土压缩模量、桩侧土粘聚力、 桩侧土内摩擦角和桩端土压缩模量等影响筒桩承载的主要因素。张晓健( 2 0 0 4 ) 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。这些研究都使筒桩在竖向承载方面有了较 大的进展。在筒桩的水平受力研究上，目前还不多见，王哲( 2 0 0 5 ) 、刘卫未( 2 0 0 6 ) 、李文虎( 2 0 0 5 ) 等 通过解析法和有限元法对此进行了分析。 国内在筒桩的竖向承载力研究方面，温淑莲等( 2 0 0 2 ) 提出筒桩的承载力由桩外侧摩阻力、桩内 侧摩阻力和桩端阻力三部分组成，同时认为对于饱和软粘土来说，内侧摩阻力为零，即筒桩承载力 由桩外侧摩阻力和桩端阻力组成，外侧摩阻力参考钻孔灌注桩的取值，桩端阻力则参照钢管桩，考 虑桩端闭塞效应。用该计算方法得到的结算结果与实测值相差2 0 左右。朱向荣等( 2 0 0 3 ) 提出筒桩 承载力由外侧摩阻力、桩端阻力和土芯端阻力三部分组成，j , l , 便m l 摩阻力和桩端阻力参照桩基规范取 值，提出了土芯端阻修正系数，并给出了其取值依据来计算土芯端阻力。刘汉龙( 2 0 0 3 ) 提出了筒桩复 合地基中的筒桩承载力由桩外侧摩擦力和桩端阻力两部分组成，将内摩擦力作为安全储备。以上三 位学者只是提出了一些简化计算方法用于工程设计。周健( 2 0 0 6 ) 在分析大直径现浇薄壁筒桩单桩 竖向承载力机制的基础上，对目前国内外筒( 管) 桩竖向承载力计算方法进行分析，结合工程实例比较 了各种方法的计算结果。研究结果表明：计算筒桩单桩竖向承载力时，不应忽略土芯的作用，应先 判断土芯是否闭塞，并估算出闭塞程度，而不是不加考虑就对端阻力和侧阻力进行折减；筒桩的外 侧摩阻力修正系数不可取值太低，可参照谢庆道的建议值选取；国外的i c p 法和r a n d o l p h 法计算结 果与实测值更接近，考虑到应用方便及结果的准确、可靠性，建议采用i c p 法由静力触探结果估算 承载力值。 目前我国筒桩的设计计算正处于研究阶段，还未有相关国家或行业规范。如何计算各据一词， 实测值与理论相差很大( 理论值偏保守) ，这不利于该类桩的发展和推广应用。筒桩实际承载力较高是 不争的事实( 通常要高出设计值2 0 ) ，现有的计算方法与实测结果有较大的出入，如何合理估算筒 3 东南大学硕士学位论文 桩承载力是目前尚未解决的问题。单桩竖向承载力计算中要解决的主要问题有：( 1 ) - 1 - _ , - 6 是否闭塞的 判断，计算时如何考虑；( 2 ) 如何选取外侧摩阻力和环形截面上的端阻力修正系数；( 3 ) 如何计算土芯 部分的径向应力，内侧摩擦因数如何取值，内侧摩阻力的分布如何；( 4 ) 如果将内侧摩阻力与环形截 面上的端阻力一起考虑，竖向承载力如何计算，其与闭口桩的端阻力计算有何不同；( 5 ) 各影响因素， 如桩长、桩径、壁厚、土层分布等对内、外侧摩阻力及端阻力影响如何；( 6 ) 计算时如何考虑不同闭 塞程度对承载力的影响等等。 1 2 2 筒桩沉降计算方法的研究 大直径现浇混凝土薄壁筒桩作为一种新的桩型，目前对其理论研究主要还是集中在筒桩的竖向 承载力方面，对筒桩沉降计算的探讨还不多见。温淑莲、费康、刘汉龙等都是通过对筒桩复合地基 的沉降计算进行了分析，温淑莲( 2 0 0 2 ) 认为，群桩体范围内的压缩变形量较小，可以根据荷载、桩长、 桩身强度及变形模量、天然地基土强度及变形模量等估算其值，而下卧软弱土压缩变形量的确定， 可以假定桩群体形成一种实体深基础，按双层地基计算该实体深基础底部的附加应力，然后进行下 卧软弱土层压缩变形量的计算，可用分层总和法计算下卧层的压缩量。采用该方法计算，最主要是 计算下卧层的附加应力，即需要确定桩外侧摩阻力的分布型式。刘汉龙( 2 0 0 2 ) 认为筒桩复合地基的沉 降由加固区沉降和下卧层沉降组成，加固区桩间土的竖向压缩量等于桩体的弹性压缩量和桩刺入下 卧层的桩端沉降量之和。对筒桩复合地基，筒桩桩体的弹性压缩量很小，可以忽略。因此筒桩复合 地基加固区压缩量等于桩端刺入下卧土层中的桩端沉降量。而筒桩复合地基加固区压缩量s ：既可通 过计算筒桩桩端刺入下卧层的沉降量得到，也可通过计算加固区桩间土竖向压缩量得到。计算荷载 采用桩间土分担的荷载，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量，在计算中，忽略由桩侧摩擦力 所传递的应力增量作用。下卧层采用分层总和法计算。该方法较温淑莲( 2 0 0 2 ) 方法多考虑了加固区的 桩端刺入量，并且给出了桩端刺入量的简化计算方法，即由桩间土压缩量来代替计算桩端刺入量。 费康( 2 0 0 4 ) 通过土体的平衡、几何、物理方程建立了大面积路堤填土荷载下筒桩复合地基变形的简化 数值分析方法。桩土界面的接触条件按位移协调或产生滑移变形两种情况分别建立，采用有限差分 法离散求解，可得桩、桩周土各自的沉降变形、桩土界面的摩擦力分布，将其提出的筒桩复合地基 计算结果与有限元结果和工程实测资料进行了比较。该方法主要从筒桩复合地基受力机理出发探讨 了其沉降计算方法，但计算方法过于复杂，不利于工程应用。龚迪快( 2 0 0 5 ) 根据筒桩在海洋工程 和路基工程中的工作特点，将筒桩分为无盖和有盖两种情况。利用荷载传递法，考虑桩内土芯，分 别建立起桩体和土芯的基本微分方程，并推导了求解的控制方程组，给出了竖向荷载作用下单桩沉 降的半解析解；从而求解桩身轴力、内侧与外侧摩阻力、荷载与沉降关系等。随着大直径筒桩在工程 中的大量应用，由于大直径筒桩的承载力较高，实际工程中采用单桩结构的情况日趋增多，这时单 桩沉降计算显得尤为重要。这时的单桩沉降计算不再是理论问题，而是需要解决的工程实际问题。 何金帆( 2 0 0 6 ) 在有限元分析的基础上，参照规范中工程桩基的计算方法，提出了单体筒桩的沉降 计算方法。 筒桩支撑路堤结构作为一种新型的高速公路的软基处理形式，其上部荷载转移特征十分复杂， 对其沉降计算的分析还鲜有提及。由于岩土体性质和地基基础作用的复杂性，沉降计算的计算精度 仍存在不少问题。筒桩基础的工作特性研究，可以采用相对全面的解析解和数值分析方法，其中多 以混合算法( h y b r i dm e t h o d ) 的形式出现，但由于假设条件不同，计算结果与实测值有一定偏差， 4 第一章绪论 对其沉降计算方面的研究工作主要集中在实用计算方法上。本文在相关学者研究的基础上对筒桩支 撑路堤结构的沉降进行了分析计算。 1 3 本文主要工作 1 3 1 研究路线 为实现目标，通过系统研究工作，除能够对筒桩加固软基的机理有更深入的了解外，为基础工 程设计、施工、验收提供依据，本项工程采取如下技术路线： ( 1 ) 充分考虑地质条件、交通条件和桥头软基路段的加固方式等因素的基础上，选择有代表 性的试验场地； ( 2 ) 配合补充勘察、室内试验等手段，尽可能准确地确定相关的工程参数； ( 3 ) 将室内外各项试验与观测数据进行汇总、整理、分析，建立数据库，形成完整性图表。 1 3 2 研究内容 本文依托浙江省0 7 省道项目试验段，对筒桩的施工工艺控制和评价标准展开研究，并对筒桩 支撑路堤结构的荷载转移特征和筒桩的荷载传递机制进行了分析探讨，并在相关学者对p t c 管桩支 撑路堤的实用沉降计算方法的基础上，分析了此方法用于筒桩支撑路堤结构的沉降计算的合理性和 可行性。研究的主要内容有： ( 1 ) 筒桩支撑路堤结构试验段的成果分析 ( 2 ) 比较薄壁筒桩与粉喷桩、塑料排水板加固软基的效果及经济效益 ( 3 ) 筒桩支撑路堤结构的荷载转移特征 ( 4 ) 筒桩支撑路堤结构的承载性状和承载力计算方法 ( 5 ) 筒桩支撑路堤的实用沉降计算 东南大学硕士学位论文 第二章现浇混凝土薄壁筒桩施工分析 2 1 筒桩施工工艺与质量控制 2 1 1 筒桩施工技术 2 1 1 1 一般规定 ( 1 ) 桩基的轴线应从基准线引出。在打筒桩地区附近设置的水准点，其位置应不受打桩影响， 数量不得少于2 个。 ( 2 ) 桩基轴线位置的允许偏差，不得超过下列数值： 群桩2 0 毫米 单排桩1 0 毫米 ( 3 ) 桩基轴线的控制桩，应设在不受打桩影响的地点。施工过程中对桩基轴线应作系统检查， 每1 0 天不少于1 次。控制桩应妥加保护，移动时，应先检查其正确性，并做好记录。每根桩打入前， 应检查样桩位置是否符合设计要求。 ( 4 ) 打桩前应处理高空和地下障碍物。打桩场地应平整。桩机移动的范围内除应保证桩机垂 直度的要求外，并应考虑地面的承载力，施工场地及周围应保持排水沟畅通。 ( 5 ) 打桩锤宜用中高频率的锤，激振锤选择应根据工程地质条件、桩的直径、结构、密集程 度及施工条件选用。 ( 6 ) 筒桩工程旌工前应作沉孔、成桩试验，以检验设备和工艺是否符合要求，数量不得少于2 根。 ( 7 ) 打桩时如发现地质条件与提供的数据不符，应与有关单位研究处理。 ( 8 ) 邻近有建筑物( 构筑物) 打筒桩时，并应采取适当的隔振措施，如开挖减振沟、打隔离 板及砂井排水等，或采用预钻进取土、高频振动锤。在邻近岸或斜坡上打桩时，应观测对边坡的影 响。 ( 9 ) 在软土地基上打较密集群桩时，为减少桩的变位，可采取控制打桩速度、全排土桩尖及 设计合理打桩顺序，最大程度地减少挤土效应。 ( 1 0 ) 灌注桩各工序应连续施工。 ( 1 1 ) 打桩完毕后的基坑开挖，应按施工顺序和技术措施，防止桩的位移和倾斜。 2 1 1 2 桩尖制作 ( 1 ) 桩尖的制作质量应符合下列规定： a 桩尖的表面应平整、密实，掉角的深度不应超过2 0 毫米，且局部蜂窝和掉角的缺损总面 积不得超过该桩尖表面全部面积的1 ，并不得过分集中。 b 桩尖内外面圆度偏差不得大于桩尖直径的1 ，桩尖上端内外支承面平整度不超过l o m m ( 最高与最低值之差) 。 ( 2 ) 预制桩尖上应标明编号、制作日期。 6 第二章现浇混凝土薄壁筒桩施工分析 2 1 1 3 成孔器的技术要求 ( 1 ) 成孔器的内外钢管质量要求是优质锰钢制成，钢管壁厚不得小于1 2 r a m ( 内管) 及1 4 m m ( 外 管) 。 ( 2 ) 成孔器在打入前，应在成孔器的外管的侧面或桩架上设置标尺。 ( 3 ) 成孔器直径：外径：以成孔器的外钢管的外壁尺寸为准，外钢管的圆度需达到0 5 ； 内径：以成孔器的内钢管的内壁尺寸为准，内钢管的圆度与外钢管圆度的精度要求相同。外钢管的 外径值减去内钢管的内径值的差值为筒桩的实际壁厚at = t - - t 。， t 筒桩的设计壁厚； t ，外钢管的外径值； t 广一内钢管的内径值。 ( 4 ) 成孔器的安装是筒桩施工的关键性工序，安装上端法兰或缩压夹持器时需控制底部套筒 的环形空隙即壁厚的均匀性，要求精确测试内、外套管间的环隙达到精度要求( 偏差小于5 r a m ) 后 才能固定上端法兰或缩压夹持器。 ( 5 ) 打桩顺序应按下列规定确定： a 依据桩的密集程度： 自中间向两个方向对称进行； 自中间向四周进行； 如一侧遇建筑物，则由毗邻建筑物一侧向另一方向施打。 b 根据基础的设计标高，宜先深后浅。 c 根据桩的规格，宜先大后小，先长后短。 ( 6 ) 成孔时应符合下列规定： a 开始激振时，应保持成孔器垂直( 垂直度按0 5 控制，可用经纬仪校测) ，位置正确，成 孔器下放速度应慢，防止成孔器倾斜。 b 成孔器下沉速度应根据电流值变化，及时调整。 ( 7 ) 成孔达到设计深度后，应验收深度，并做好沉孔施工记录。 ( 8 ) 浇筑混凝土前，应测量孔底有无渗水和淤泥挤入，用测绳测得挤入淤泥厚度小于2 0 c m 时 不予处理，当淤泥厚度大于2 0 c m 时，应拔出成孔器，重新下桩尖成孔；当渗水较多，宜用气泵抽吸， 少量渗水用投入干水泥，再用空气吹混水泥成浆；若遇桩端为渗透性较大非粘性土层，桩尖沉入到 该层前预灌1 米高度混凝土，以阻止渗水。 ( 9 ) 成孔可采用预制钢筋混凝土桩尖，预制桩尖的混凝土标号不得小低于c 3 0 。桩管下端与预 制桩尖接触处，应垫置缓冲材料，也作为止水材料( 如纺织袋、麻布、棉布等) ，桩尖中心应与桩管 中心线重合。 ( 1 0 ) 沉孔时，如遇桩尖损坏或地下障碍物时，应及时将桩管拔出，待处理后，方可继续施工。 ( 1 1 ) 沉孔时应观测桩顶和地面有无隆起及水平位移，必要时应及时采取纠偏措施处理。 2 1 1 4 浇筑混凝土 ( 1 ) 混凝土的粗骨料粒径：无配筋桩：卵石不宜大于5 0 毫米，碎石不宜大于4 0 毫米；坍落 度：宜6 1 2 c m 。 7 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 浇筑混凝土时，同一配合比的试块，每班不得少于1 组。 ( 3 ) 当气温低于o o c 以下浇筑混凝土时，应采取保温措施。浇筑时，混凝土的温度不得低于 5 0 c 。在桩项混凝土未达到设计强度5 0 以前不得受冻。当气温高于3 0 。c 时，应根据具体情况对混 凝土采取缓凝措施。 ( 4 ) 浇筑混凝土应保证混凝土质量，灌注时桩管内混凝土灌满后，先振动5 1 0 秒，再边振 边拔，桩管内应保持不少于2 米高度的混凝土。一般拔管速度应为1 2 1 5 米分钟，且不宜大于 2 0 分钟。遇特别软弱土层时，宜控制在1 - o 1 2 米分钟。 ( 5 ) 浇筑后的桩顶应高出设计标高至少5 0 c m ，并予保护，浮浆层应凿除。 ( 6 ) 筒桩的实际浇筑混凝土量不得小于理论计算体积。 2 1 2 筒桩施工常见病害处理工艺 ( 1 ) 灌注混凝土时桩顶大量冒浆的原因及处理：灌注混凝时桩顶大量冒浆的原因是空腔内有 水。处理方式：每次灌注前，需测试空腔内是否有水，如有水，需抽干水以后再进行灌注。 ( 2 ) 严重偏斜的原因及其处理：产生严重偏斜是桩基架未水平及沉孔器垂直度未控制好或初 始激振力过大。处理方式：重新调整桩基机架水平，已沉孔的沉管提起，重新调整沉孔器垂直度， 再次沉管，缓慢沉孔，激振力均匀加大。 ( 3 ) 沉孔困难的原因及处理：沉孔困难的原因分两种情况，一种沉管已将沉至持力层而产生 下沉困难，可能是地质条件发生变化，可以通过现场地质勘察或根据最后的贯入度来判断是否终孔。 第二种沉孔困难发生在沉孔过程中，离设计标高有较大差距。主要原因是沉孔器桩尖遇到障碍物， 如遇漂石或木头等障碍物。处理方式：移位避开或冲击冲掉。筒桩如遇沉孔困难时，严禁强行激振， 否则会震坏桩尖，严重将沉孔器挤扁，发生变形，造成沉孔器损坏。 ( 4 ) 混凝土卡孔的原因及处理：造成混凝土卡孔的主要原因在灌注过程中发生断电或混凝土 坍落度过小。处理方式：断电情况下需将沉孔器连同混凝土一起拔出空振，然后空振或拆除内、外 套管。防止措施，施工时需备发电机，其次加大混凝土坍落度，需经常测试浇筑混凝土的坍落度。 ( 5 ) 振动时时限与混凝离析的关系：当混凝土长时间振动，极易导致混凝土离析，根据我们 试验经验，当沉管内灌满混凝土，振动时限控制在1 0 分钟内较为合适，严禁振动时限超过2 0 分钟。 ( 6 ) 筒桩壁缺陷的补救措施：经检测以后，发现筒桩桩身较严重的缺陷，就需采取及时补救 措施。具体方式：开挖筒内土，直至缺陷部位，并将缺陷部位凿除，重新灌注高标号混凝土，若缺 陷严重，整个筒桩灌注混凝土，成为实心桩即可。 2 1 3 成桩质量控制 筒桩作为新桩型，由于壁薄，易出现质量事故。因此质量控制要求较严格。除严格执行筒 桩施工要求外，成桩以后检测显得非常重要。成桩质量检测主要手段有： ( 1 ) 低应变反射波法 要求按照一定比例进行抽检，主要目的是检测桩身完整性和成桩砼质量。由于筒桩桩型不同 于实心桩，要求桩顶至少均匀对称测试四点，击发方式采用尼龙棒、铁锤两种方式，选择最佳击发 r 第二章现浇混凝土薄壁筒桩施工分析 与接收距离，采集测试波曲线。 ( 2 ) 高应变检测法 主要用于工程桩承载力测试，由于筒桩承载力以摩擦力为主，锤击时，易产生较大贯入度， 因此，测试要求进行桩顶加固，挖除筒内1 2 m 土层，灌以1 2 m 的实心混凝土，方可进行高应变测 试。 ( 3 ) 静压试验及要求 试验目的：通常用来确定试桩单桩极限承载力，对于重要地段、地质复杂地段，要求进行2 3 根试桩静载试验，试验方法采用慢速维持荷载法。最大荷载采用设计荷载2 0 倍。试桩前应进行 下列准备工作，凿除桩顶有被损或强度不足处，挖空桩顶筒内土1 5 m ，灌以实心混凝土，修补平整 桩顶。 ( 4 ) 筒桩内壁直接观察法 现场开挖是检测筒桩质量最直观、最有效的方法，它不同于其它桩，因其中心为原土，故可以采 用人工开挖，自上而下直接观察混凝土的桩身完整性。每个工地，可选择低应变检测有缺陷的或在施工 过程出现异常的桩顶开挖。 ( 5 ) 桩身强度试验 筒桩不同于实心可以用钻机直接取芯获得抗压芯样。它要求在已开挖的筒桩内，用小型取芯 钻机，钴薄壁取得芯样。要求取芯芯样直径不小于l o c m 。 2 1 4 筒桩验收标准 2 1 4 1 基本要求 ( 1 ) 筒桩桩身质量监测包括如下内容： a 桩身成型完整性：筒桩成桩后的筒壁应完整无损，应抽样1 - - - 2 的桩进行筒内挖土观察， 并在筒壁取样送检。 b 筒桩整体砼灌注质量动力测试，按现行小应变测试试验规范执行，但筒桩系空心管型桩， 因而动测时在桩体上应取4 个测点。 c 对筒桩承载力评定时，可按其他类型单桩静载试验规范进行，但桩顶需进行盖帽处理后才 能进行。 ( 2 ) 桩径偏差一2 0 衄；桩位偏差：最外边桩允许0 1 个桩径；中间桩为0 2 个桩径；垂直度 偏差1 。 ( 3 ) 桩基工程验收时，应提交下列资料： a 桩位测量放样检查资料。 b 材料试验记录。 c 桩的成孔和浇注记录。 d 混凝土配合比报告单。 e 混凝土强度试验报告。 f 桩的静载荷和动载荷试验资料。 9 东南大学硕士学位论文 g 质量检验评定资料 ( 4 ) 凿除桩头砼后，无残余的松散砼。 2 1 4 2 实测项目 ( 1 ) 实测项目，见表2 - 1 筒桩实测项目。 筒桩实测项目 表2 1 项 检查项目规定值或允许偏差检查方法和频率规定分 次 1 筒桩砼强度在合格标准内按附录d 检查 3 0 中 间d 5 且不大于2 0 0 群 桩 桩 桩 外 用经纬仪抽查 2位 缘 d 1 02 0 3 0 ( ) 桩 苴 横 排纵不大于2 5 0 桩向 3倾斜度l 检查记录2 0 4 桩底高程符合设计规定检查记录 3 0 备注：d 为设计桩径。 2 1 4 3 外观鉴定 ( 1 ) 筒桩桩头实心桩砼浇注与桩顶盖板砼浇注应符合设计要求。 ( 2 ) 无破损检测桩的质量有缺陷，需进行开挖验证。 ( 3 ) 简桩桩内壁光滑密实，桩身不得出现裂纹。 2 2 试验研究监测和筒桩质量检测 2 2 1 试验内容确定 试验段为浙江省0 7 省道工程中一段，为冲湖积平原亚区，大部分为软土路段，表层冲湖积粘 土、亚粘土，厚度0 8 - 7 o m ，软土层为淤泥质亚粘土、粘土，流塑，多呈层状，夹薄层亚砂土，含 腐殖质及少量贝壳碎片，局部为淤泥。含水量为3 3 - 4 2 左右，孔隙比1 0 - 1 1 5 ，压缩系数为 o 4 - o 8 m p a - 1 ，该层软土高含水量、高压缩性，物理力学性质差。 设计按路基平面应力分布及允许沉降量两个原则来布置筒桩。路肩段负荷较小，因而桩数可 适量减少；路面段为路基荷载( 填土高4 5 m ) 分布区，因此是本工程桩量的密集区。筒桩采用正方 1 0 第二章现浇混凝土薄壁筒桩施工分析 型布设。筒桩直径设计采用1 0 0 0 m m ，壁厚1 2 0 m m ，桩身砼强度等级c 2 5 。为提高单桩承载力， 在筒桩桩顶设计盖板，为比较有盖板区与无盖板区二层土工格栅加固的沉降量，在k 1 6 + 6 7 8 - - k 1 6 + 7 0 2 段设计有盖板区，k 1 6 + 7 0 2 k 1 6 + 7 4 1 段设计无盖板区，辅以二层土工格栅加固。由于与筒 桩处理段接邻是塑料排水板加固区，塑料排水板加固区沉降量较大，而筒桩加固区沉降量小，为避 免二者的沉降差异，在二者之间设置一过渡带，通过改变桩长来调整两者沉降差异。 试验路段主要进行了以下项目的测试： ( 1 ) 现场开挖，外观检测 ( 2 ) 桩身砼抗压强度试验 ( 3 ) 低应变测试 ( 4 ) 高应变动力测试 ( 5 ) 静载荷试验 ( 6 ) 有无盖板筒桩试验检测 根据以上试验现场现浇硅薄壁筒桩的载荷试验、路基的原位观测，研究以下内容： ( 1 ) 验证现浇薄壁筒桩的成桩效果 ( 2 ) 研究桩顶盖板的使用、土工格栅的铺设对加固效果的影响 ( 3 ) 薄壁筒桩过渡区效果分析 ( 4 ) 比较薄壁筒桩与粉喷桩、塑料排水板加固软基的效果及经济效益 2 2 2 筒桩质量监控 本课题的任务着重研究现浇砼薄壁筒桩作为一种新型桩的实用性、经济性、安全性及应用效 果评价，了解该桩型的受力机理及作为改良加固软基手段的作用机理。因此，在桩基施工过程及施 工完毕后进行相应的测试是非常必要的，它有利于正确评价该桩型的成桩效果，有利于检测桩基存 在的问题，以及如何解决此类问题的方法。在2 0 0 6 年1 2 月1 2 日前共完成了以下测试工作：试桩施 工完毕后进行了现场开挖，直接观察成桩效果