（岩土工程专业论文）y形沉管灌注桩挤土效应和沉降分析研究.pdf

摘要 摘要 y 形沉管灌注桩相对于传统的圆形沉管灌注桩可以更大程度地发挥地基土 和桩本身的潜在能力，因此，它是一种具有推广应用价值的新型地基加固技术。 由于y 形桩是一项新技术，各项研究尚处于起步阶段，本文主要针对y 形桩 的施工工艺、技术特点、加固机理、以及其挤土效应和沉降计算方面进行了理论 分析和试验研究，主要内容为： l 、介绍了y 形沉管灌注桩的施工工艺和设备、技术特点、质量检验与控制、 经济性以及y 形桩处理高速公路软基的现场试验。 2 、进行了y 形桩挤土效应的现场试验，较为详细的观测了沉桩引起的土体 位移、挤土应力以及超孔隙水压力，并对试验结果进行了分析。 3 、在s a g a s e t a 的理论基础上得到了沉桩引起的土体位移解答，并对y 形桩 和圆形桩、矩形桩群桩引起的地表隆起量进行了对比。结合土体水平向的极限平 衡条件和圆孔扩张理论，分析了沉桩引起的土体应力和超孔隙水压力。 4 、对y 形桩桩身荷载在土体中产生的附加应力进行了分析，在此基础上改 进了y 形桩复合地基其沉降计算方法。 关键词：y 形桩；挤土效应：现场试验；路堤；复合地基；沉降；附加应力 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e y - s h a p e dt u b e s i n k i n gc a s t - i n s i t up i l ec a n e x e r tt h ep o t e n t i a lc a p a c i t yb o m o fp i l ea n ds o i lm o r et h a nt h et r a d i t i o n a lt u b e - s i n k i n gc a s t - i n - s i t up i l eo fr o u n d c r o s s s e c t i o n t h e r e f o r e ，i t san e wf o u n d a t i o nt r e a t m e n tw o r t ht oe x t e n d a st h ev s h 印e dp i l ei san e w t e c h n i q u e ，t h er e s e a r c hi nt h i sa r e ai sj u s ta tt h e s t a r t i n gp h a s e 1 1 1 i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c ho fi t sc o n s t r u c t i o nt e c h n i c s t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , t h em e c h a n i s mt or e i n f o r c et h ef o u n d a t i o n , c o m p a c t i n ge f f e c t sa n d s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dt e s t t h ep r i m a r yc o n t e n t sa r c a sf o l l o w s ： 1 t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n ds o m eo t h e rc h a r a c t e r i s t i c so fy - s h a p e dp i l ea r c i n t r o d u c e d ，s u c ha st e c h n i c a lp r o p e r t i e s ，t h eq u a l i t yi n s p e c t i o na n dc o n t r o l ，t h e e c o n o m i cc o m p a r i s o nw i t ho t h e rp i l e s t h ef i e l dt e s tw h e r ey - s h a p e dp i l ei su s e dt o t r e a tt h es o f ts o i lf o u n d a t i o no f ah i 曲w a yi sa l s oi n t r o d u c e d 2 t h ef i e l dt e s to f t h ec o m p a c t i n ge f f e c t so f y - s h a p e dp i l ei so p e r a t e d i nt h et e s t t h es o i ld i s p l a c e m e n t ，s t r e s sc h a n g ea n dp o r ew a t e rp r e s s u r ea r eo b s e r v e da n da l s o a n a l y z e d 3 b a s e do ht h et h e o r yo fs a g a s e t at h ed i s p l a c e m e n tb yp i l es i n k i n gc a nb e o b t a i n e d t h es o i ls u r f a c eh e a v ec a u s e db ys i n k i n go fg r o u p - p i l e sw i t hy - s h a p e d c r o s s s e c t i o n ，r o u n dc r o s s s e c t i o na n ds q u a r ec r o s s s e c t i o ni sc o m p a r e d c o n s i d e r i n g t h eh o r i z o n t a ll i m i te q u i l i b r i u ms t a t eo fs o i lw h e np i l es i n k i n ga n dt h ec a v i t y e x p a n s i o nt h e o r y , t h es o i ls t r e s sc h a n g ea n dt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ec a na l s ob e o b t a i n e d 4 t h es o i ls u b s i d i a r ys t r e s sc a u s e db yl o a do fy - s h a p e dp i l ei sd i s c u s s e d a n d t h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o do f y - s h a p e dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni si m p r o v e d k e y w o r d s ：y - s h a p e dp i l e ；c o m p a r i n ge f f e c t s ；f i e l dt e s t ；e m b a n k m e n t ；c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ；s e t t l e m e n t ；s u b s i d i a r ys t r e s s ” 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：塑兰牡妨叼年月i 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，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。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：q 姓晕 岫- 7 年臼r 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 近年来我国基础建设进入了飞速发展的时代，特别是经济发展较快的东部沿 海地区，而这些地区存在着众多淤泥、淤泥质粘土等软土地基，在这些地区修建 建筑物必须解决承载力不足、沉降或不均匀沉降过大、侧向变形过大、整体或局 部失稳等问题。为解决这些问题必须对软基进行处理，如何快速、有效地加固软 土地基成为了当前岩土工程界研究的热门课题。 目前高速公路软基处理方法主要有：预压法和排水固结法、柔性桩复合地基 ( 如粉喷桩) 、散粒体复合地基( 如碎石桩) 、刚性桩复合地基( 如c f g 桩) 。各种 方法都有其适用范围及局限性：预压法和排水固结法施工工期较长，且工后沉降 较大，土方增量大；柔性桩复合地基和散粒体复合地基造价低廉，但其加固深度 有限，且质量难以控制；刚性桩复合地基具有加固深度长，承载力提高和沉降减 小明显等优点，但一般造价较高，如预应力管桩。沉管灌注桩具有寿命长、施工 快、造价低、使用范围广等优点，但目前我国的灌注桩多为圆桩，为能较好地发 挥地基土和桩本身的潜在能力，陆见华工程师开发了y 形沉管灌注桩( 专利号： 0 1 2 2 1 7 1 0 7 【1 1 ，以下简称y 形桩) 软基加固技术，除了原有灌注桩的优点外，单 位面积加固费用低，具有极大的推广应用价值。目前，该技术已在申苏浙皖、申 嘉湖和杭浦等高速公路建设中推广应用，使用量已经超过3 0 万延米，与同类技 术相比节省造价约2 0 一2 5 ，具有较大的经济、社会效益和广阔的应用前景。 作为一项新型桩基技术，y 形桩目前尚处于推广应用阶段，其理论研究还远 远落后于工程实践。本文将对y 形桩单桩挤土效应及路堤下y 形桩复合地基的受 力变形机理进行初步研究探索，希望能为这项新技术的推广使用作出一定的贡 献。 第二节刚性桩复合地基概述 在工程建设中，当天然地基不能满足结构物对地基的承载力的要求又不能另 选场地时，就需要对天然地基进行处理，形成人工地基，以保证结构的安全和j 下 第一章绪论 常使用。在人工地基中，复合地基由于其良好而独特的技术经济性能，其应用有 日益广泛的趋势。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强， 或被置换，或在天然地基中设置土工合成材料，加固区是由天然地基和增强体两 部分组成的人工地基。按目前的概念，复合地基有水平向增强型和竖直向增强型 两种基本型式【2 j 。 儿竖向增强体是由刚性桩形成的复合地基，可以统称为刚性桩复合地基。刚 性桩通常由混凝土或其他粘结性材料组成，如钢筋混凝士桩、低强度混凝土桩、 c f g 桩等。严格的讲，桩体的刚度不仅与材料的性质有关，还与桩的长径比有关， 应采用桩土相对刚度来描述。国内王启铜 3 】首先定义桩体相对刚度为： 压 岸= 一 九 式中：以为桩的柔性指数，砟= e ，g j ，乓、q 分别为桩体的弹性模量和桩 自j 土剪切模量：五。为桩的长径比，a 。= l r ，、r 分别为桩长和桩径。 段继伟4 j 考虑了有效桩长的影响，修正了相对刚度的表示方法，认为桩体相 对刚度为： | | ：f 盟二 ( 1 2 ) v 2 ql 式中：孝：l n p 篁丛l 二塑 ，q 为桩间土泊松比。 l r j 并认为刚性桩与柔性桩的判别标准在于| 的大小，当女大于l 时，为刚性桩， 当七小于l 时为柔性桩。 由于刚性桩强度、刚度较高，能大幅提高地基承载力，减小地基沉降，同时 发挥了桩问土的承载作用，造价显著低于桩基，在工程中被广泛采用。适用的基 础形式也多样，既可用于建筑工程中的条基、片筏基础、箱基等刚性基础，也可 适用于道路工程中的路堤柔性基础。目前在高速公路软基特别是桥头段软基处理 中得到了越来越广泛的应用，使用时往往在桩项设置桩帽，并结合水平加筋体共 同处理，由此形成了一种新的路堤形式一桩承式加筋路堤。 桩承式加筋路堤已在国内外一些工程中丌始应用，如杭甬高速公路拓宽工程 中的一期工程、伦敦s t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程5 1 、巴西圣保罗北部 的公路拓宽工程【6 】和荷兰的部分高速公路【7 1 等，具有施工方便、工期短、侧向变 形和工后沉降小的优点。但目前在我国由于剐刚丌始采用该形式路堤，还没有相 2 第一章绪论 应的设计规范，尚处于探索阶段。 第三节研究现状 1 3 1 异形桩研究现状 异形桩是一种特殊的桩种系列，此类桩其桩身横截面或桩身纵断面的形状异 于常规桩形。在某些特定情况下，采用异形更能贯彻桩基设计的一个重要的原则， 即最大程度地发挥地基土( 岩) 和桩本身的潜在能力。如改变桩身横截面形状( 几 何特征) ，有利于提高桩身的承载能力，充分发挥桩身材料的潜力；改变桩身纵向 截面的形状，可以增加桩土界面的不平直度和粗糙度，从而取得较大的侧阻力和 端阻力【扪。目前对异形桩的研究侧重于新桩型的开发、施工工艺的完善等，对其 理论研究较少。 牟玉玮等【9 】提出了用组合钻做矩形桩、十字形桩、t 形桩、工字形桩等非圆 截面的异形桩及用多钻组合做实体或空心大型独立桥墩的方法，认为当桩截面 积、桩长、地基一定时，桩的竖向承载能力只随桩周长度而变，桩周长度大，桩 的竖向承载能力就大。 杨敏等【l o 】介绍了d g z 系列功能钻机，该钻机能进行十字形截面桩、i i 形截 面桩、“口”“工井”字形截面桩、“一”字形截面桩的施工，解决了异形截面 桩的麓工工艺，介绍了异形截面桩的技术特征和单桩承载特性。 李安洪【1 1 1 提出对桩板墙桩截面形式作出改进，将矩形截面改为t 形截面，在 矩形桩的受压侧各加一翼缘，主要用于放置挡土板、增加桩板墙结构的美观度， 也减少了挡土板的跨度，同时在陡坡地段可节省部分桩长。 张之颖等 1 2 d 4 l 研究了陕甘黄土地区的柔性桩一灰土井桩，针对灰土井桩基础 中承载力偏低、沉降值偏大这一问题，提出了异形灰土井桩概念，分析研究了灰 土井桩桩型效应的产生机理，指出圆楔形桩是一种较优桩型。 林天健【8 】从力学角度对现代异形桩总的技术特征进行了阐述，并重点介绍了 h 形桩的工作机理和力学特点。 汤建南等【博l 讨论在无坚硬桩端持力层时，异型桩截面形式的确定方法及桩 身材料的选择，提出了雪花形的异形截面桩，并在桩土传力分析的基础上，对异形 桩在外力作用下桩土系统的受力变形过程及桩的承载能力进行了有限元分析。 雷国辉等【1 6 17 l 对壁板桩的应用和研究现状进行了回顾，内容涉及壁板桩的施 工效应、承载性能、桩身摩阻力的发挥特性以及施工效应对承载性能的影响等。 第一章绪论 陆见华【1 8 圳】对y 形桩的设计、施工工艺进行了阐述，并通过现场试验对比了 同截面面积的y 形桩和圆形桩桩侧摩擦力的发挥，得出y 形桩侧摩擦力比圆形桩 增加幅度符合等面积周长扩大倍数，但只做了一组试验。 文献 2 2 , 2 3 | 通过y 形桩在高速公路桥头段软基处理中的应用，对y 形桩的设 计、施工及质量检验等作了介绍。许海云等肼培合现场施工资料，对y 形桩的 施工工艺和施工定额测定作了简要分析和探讨。 徐立新掣2 5 】针对y 形沉管灌注桩在申嘉湖高速公路桥头软基处理的应用，较 为全面的介绍了y 形桩的施工情况、技术经济性、工艺参数选择及其他经验总结； 另外在文献【2 6 l 中介绍了申苏浙皖高速公路y 形桩试验段的桩土应力、桩土表面 沉降、分层沉降、侧向变形、孔隙水压力等项目的现场观测成果，并对路堤荷载 作用下y 形沉管灌注桩加筋路堤的性状及其处理效果进行了分析。 1 3 2 沉桩挤土效应研究现状 桩的贯入必然会排丌一定体积的土体，引起桩周土体的位移和应力变化，产 生挤土效应，尤其是在饱和粘土中沉桩。这些必将对已施工的邻桩产生径向压力 及垂直向拉拔力，从而使邻桩产生弯曲、倾斜、水平位移等一系列不良后果，如果 周边存在建筑物，还将对相邻建筑物产生影响，给工程带来不良影响；另外沉桩时 引起的土体应力改变和超孔压也会对桩基的承载力产生影响。所以对于挤土类型 桩有必要对沉桩的挤土效应进行研究。 对沉桩挤土效应的研究开展地较为广泛，研究内容大多集中于桩周土体的变 形，沉桩过程中土体应力状态及土体强度的变化，沉桩引起的超孑l 隙水压力的分 布和随时间的变化规律以及桩的承载力的时效性等方面。其研究方法主要试验研 究、理论分析和有限元分析，下面对主要的研究方法作简要分析。 1 、现场测试和室内模型试验 早在上世纪五、六十年代，国外一些学者就丌始对沉桩时桩周土体隆起进 行了观测。a d a m s h a n n a 2 7 1 发现h 型钢桩压入较硬的土体中时，桩周土体隆起 量与桩体积之比可达1 0 0 ；h a g e r t y & p e c k f 2 8 】则发现在不灵敏软粘土中隆起量为 5 0 ：o r r j e & b r o m s f 2 9 】发现在灵敏软粘土中隆起量为3 0 。c o o k p r i c e 刈将直 径1 6 8 c m 的试验桩压入到超固结的伦敦粘土中，发现水平位移在深度1 5 m 处较 大，对于竖向位移，桩失以下的土体首先向下移动，随着桩尖的继续下沉，在一 倍桩径范围内的土体有较大的竖向变形。r a n d o l p h 引】通过一系列的底部丌1 3 和 闭口的预制桩压入粘土中，发现对于闭口桩，土体变形在地面以下6 倍桩径范围 第一章结论 内基本为均匀分布，没有明显的隆起现象，竖向变形仅发生在距桩壁一个半径的 范围内，在距桩壁3 个半径的地方仍可观测到水平变形。j a r d i n e & b o n d 3 2 1 在伦 敦软土中贯入试验，取贯入后的土体在显微镜下观测，发现存在土颗粒有规则的 向下运动的现象。h w a n ge ta 1 3 3 1 对直径为8 0 c m 的桩入粘土时的位移进行了测 量，发现土体的水平位移随土体到桩体的距离的增大而较快的衰减，而打桩产生 的竖向位移对已入土的邻桩有较大的影响，观测中发现随着桩体的打入，邻桩有 不同程度的上浮现象。我国学者还进行了室内模型试验研究，樊良本口4 】为验证 圆孔扩张理论解释单桩周围土体的应力状念的适用性，设计了模型桩试验。徐建 平等p 5 妞过静力压入单桩和双桩的模型试验，获得了沉桩过程中土体位移随水 平和深度方向的变化规律，并对压入单桩与双桩的试验结果进行了比较分析。陈 文【3 6 】采用离心模型试验，观测了桩压入软粘土中土体产生的径向变形。 l e h a n e & j a r d i n e 3 7 j 进行了中度超固结软土中的贯桩试验，发现贯入后经 过一段时问固结，最终的平均径向有效应力为刚完成时刻的3 倍。a z z o u z m o r r i s o n 3 8 i 在轻度超固结软土中观测桩的贯入，得到了水平有效应力和竖向有 效应力之比与时间的曲线；b o g a r d & m a t l o e k 3 9 1 桩端开口和闭口的模型桩贯入软 土进行了观测，发现桩径相近的情况下，闭口桩贯入后产生的孔压和侧向总应力 比开口桩要大的多，同时，两种桩型贯入时初始侧向有效应力较小，但随时间增 长有较大的增长。旄呜升 4 0 l 进行了相同长度的两种不周尺寸方桩的沉桩试验， 通过在桩身不同断面安装土压力计和孔压计对沉桩时不同深度的桩侧总压力、孔 隙水压力和有效应力进行了观测。 2 、圆孔扩张理论( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，简称c e m ) 圆孔扩张法首先由b i s h o pe ta 1 ( 4 1 1 提出，用于解决金属压痕问题； b u t t e r f i e l d b a n e r j e e 4 2 , 4 3 】首先提出将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：1 ) 土是均匀的，各向同性的理想弹塑性材料；2 ) 土体 饱和不可压缩；3 ) 土体屈服满足m o h r - c o u l o m b 强度准则；4 ) 小孔扩张前，土 体具有各向等同的有效应力。随着内压的增大，围绕柱形孔的部分区域将由弹性 状态进入塑性状态，塑性区随着内压的增大而不断扩大，以外土体仍保持弹性状 态。 v e s i c 4 4 采用相关流动的m o h r - c o u l o m b 屈服准则，给出了理想弹塑性圆孔 扩张问题的基本解，并于1 9 7 7 年将其用于深基础承载力方面的研究；c a r t e r h 习 采用非相关流动的m o h r c o u l o m b 屈服准则，并考虑了塑性区的大变形，得到了 第一章绪论 圆孔从零半径扩张有限半径的极限应力解；r a n d o l p h 舶】利用柱形孔扩张理论， 采用数值计算分析了孔隙水压力消散的规律，并给出了孔压消散后桩的极限承载 力；y u ( h o u l s b y 4 刀采用非相关流动的m o h r - c o u l o m b 屈服准则，对剪胀弹一塑性 土的球孔和柱孔扩张问题给出了统一的解析解，并给出了任意变形下的扩张压力 与扩张半径的关系式及孔半径接近无限时扩张压力的解析解。近年来，圆孔扩张 理论在本构关系、屈服面模型、大小应变等方面都取得了较大进展，考虑了土体 非线弹性、应力历史的影响及塑性区的大应变等( c o l l i n s & s t i m p s o n 4 s 】，1 9 9 4 ； c a oe ta 1 4 9 1 ，2 0 0 1 ：s c h n a i d m a n t a r a s 5 0 i ，2 0 0 3 等) 。 胡中雄，侯学渊【引】将饱和土中压桩的挤土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时的桩周土体应力和变形；王启铜， 龚晓南5 2 】采用拉压不同模量，建立了桩周土体应力和位移的表达式：蒋明镜， 沈珠江【5 3 1 给出了考虑应变软化的桩周土体应力和位移的关系式；陈文【3 6 l 考虑了 土体自重和桩身摩擦力的作用得出了空间圆孔扩张理论的解析解。李月健瞰】采 用球孔扩张理论分析了沉桩枧理。 圆孔扩张理论得到了国内外很多学者的研究和推广，由于其形式简单、易于 求解，已经成为研究沉桩挤土效应一种较为广泛的方法，但是它不能很好地解释 沉桩效应在竖向的变化。 3 、应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ，简称s p m ) 根据沉桩产生的土体变形规律，麻省理工学院b a l i g h d s , 5 6 领导的小组经过 1 0 年的研究，于1 9 8 5 年提出了应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ，简称s p m ) 。 该法假定：沉桩过程中不必考虑土体的本构关系就可以比较准确地确定土体的位 移场。利用个点源和一个均匀的竖直方向的流场相结合，模拟出一个光滑的圆 头桩沉入过程，得到独立于本构关系的应变场，从而求出土体中的应力。 h u a n g ，a b 【5 刀采用s p m 法给出了任意形状的旁压仪在刺入过程中产生的位移和 应变场，但只能得到数值解；s a g a s e t a 5 8 j 为了解决地表面无约束的情况，利用 源与汇的相互作用得到了地表面的位移解。c h o w & t e h 5 9 1 利用s a g a s e t a 的计算 方法得到了桩周土体的竖向位移场，然后利用弹性理论方法讨论了邻桩的上抬规 律，并研究了参数变化对邻桩上抬产生的影晌。s a g a s e t a 6 0 , 6 q 在原来基础上进行 了总结，提出了s s p m ( s h a l l o ws t r a i np a t hm e t h o d ) ，利用源汇法并加以地表 修e 相结合的方法求解位移场，并可以采用大变形分析，对贯入引起的土体应变 状态的改变进行分析。 6 第一帝绪论 黄院雄1 6 2 分别采用了源源法和源汇法，对压桩引起的土体水平位移和竖向 位移进行了分析；罗站友【叫在应变路径发的基础上对大小变形假设下的静力压 桩产生的位移场进行了分析，并对群桩条件下的土体变形进行了探索。朱宁畔】 结合s s p m 法的思路，采用不同的应力函数解答对地表应力进行了修正，并分析 了不同工况和群桩条件下的土体位移。 ， 对于刚度较大的桩体而言，沉桩在土中产生的变形具有相似的地方，应变路 径法能得到较为合理的解析解，使计算结果简单合理，但是由于不考虑土体的本 构关系，对求解土体中应力变化是不合适的。 4 、有限单元法( f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 采用复杂的土体本构关系和边界条件来求得解析解或近似解往往会遇到很 大的困难，这时数值方法就成为解决问题的有些工具。在过去二、三十年中，有 限元法及边界元法被广泛应用于分析探讨桩的工作机理。 c h o p r ae ta 1 【6 5 】将土看成是两相介质，使用临界状态模型，采用修j 下的拉 格朗日方法描述了在桩的贯入过程中桩周土体发生的大增量的塑性变形和有限 旋转，沉桩过程被模拟成桩尖土的逐渐劈裂过程。土体屈服服从修正的剑桥模型， 土体中水的流动服从达西定律，采用有效应力原理求出沉桩瞬时和固结后孔隙水 压力和有效应力场。 b t a b s o u t 6 6 l 对采用有限元法分析研究打桩问题的可能性进行了研究。在分析 过程中，考虑了不排水粘性土的非线性行为，桩入土过程用摩擦接触滑移线算法 来模拟，考虑土体的大变形，并采用修正的拉格朗日式的b i o t 固结有限元方程， 对静压桩的挤土效应进行了数值模拟尝试。 鲁祖统1 6 7 1 参照c h o p r a 所采用的方法，建立了空间轴对称问题考虑大变形和 弹塑性耦合的有限单元方程和采用修j 下拉格朗日算法的具体表达式，并应用虚功 原理推倒了空间轴对称采用修正拉格朗同格式的b l o t 固结有限元方程，对静压 桩挤土效应进行了数值模拟。李向红【6 8 1 也进行过类似的研究。周斟6 9 1 采用变网 格三维有限元对静压桩沉桩进行了数值模拟。陈文【3 6 j 采用 e s a i 接触面单元和 基于圆孔扩张理论的空问轴对称有限元对静压桩过程进行了模拟。徐建平等i 7 。】 以平面四边形模拟土体区域，以接触面单元模拟土与桩问的相互作用，在考虑初 始应力条件下对压入单桩、双桩情况下的沉桩挤土效应进行了数值模拟。罗战友 1 6 3 1 建立了能够模拟沉桩连续贯入的有限元模型，在相同假定条件下对数值解和 解析解进行了对比分析，得到了基本一致的结论。 7 第一章绪论 1 3 3 桩承式路堤研究现状 近年来，刚性桩越来越多地应用于公路软土地基处理中。为充分发挥桩体的 承载力，通常在桩顶设置盖板，并铺设水平加筋垫层以增加桩体的荷载分担，国 内外将这种新出现的公路软基处理形式称为桩承式路堤，其一般形式如图1 1 所示。由于其作用机理比单一的桩体复合地基更复杂，目前对桩承式路堤的研究 才刚刚起步，尚处于探索阶段。 幽1 1 桩承式路堤结构形式示意图 t a r z a g h i 【7 i j 最早研究了平面土拱效应，根据砂土的试验给出了土拱效应计 算式；l o w 7 2 1 通过模型试验比较了设与不设水平加筋体的两种情况下砂填料桩梁 ( 桩顶用梁连接) 中的土拱效应发挥情况，并在此基础上进行了理论分析。结果 表明水平加筋体能有效的增强荷载向桩上的转移；h e w l e t t 7 3 佣模型试验分析了 砂填料在方形布置的桩承式路堤中的空问土拱效应，并获得荷载分担比的计算公 式。分析过程中假定填料处于极限状态，但该假定不能满足受力平衡条件：陈云 敏等1 7 4 1 改进了h e w l e t t 的极限状态空问土拱效应分析方法，求得了桩体荷载分 担比解析表达式，研究了桩问距、桩帽大小和填料内摩擦角对荷载分担比的影响。 j o n e s i s 】假定水平加筋体中的拉力由桩间土沉降和路堤边缘土体侧向位移引 起，给出了预制钢筋混凝土端承桩情况下水平加筋体中拉力的计算公式和桩土应 力比公式：饶为斟7 5 】在j o n e s 的基础上通过求解水平加筋体圆弧面上的平衡， 得出了路堤荷载下桩与水平加筋体共同作用时的桩土应力比计算式。饶为国1 7 6 】 还将水平加筋体看成是路堤荷载下的薄板，应用薄板理论求解出路堤的工后沉 降。刘吉福 7 7 j 根据路堤填土的竖向受力平衡条件，获得计算荷载分担比的表达 第一审绪论 式，但必须先假定桩土沉降差；沈伟等【7 8 l 考虑桩、地基土和垫层的协同作用， 假定桩土界面阻力与相对位移为理想弹塑性关系，分析桩承式加筋路堤的受力机 理，但分析未考虑格栅和地基土体的自重，并假定桩间土沉降相同：许峰1 7 9 】根 据路堤各部分的协调作用，考虑桩侧阻力沿深度的变化和土拱效应、负摩阻力对 应力应变的影响，推导得到桩、土的荷载传递基本方程，获得了关于荷载分担比、 等沉面高度、沉降、桩身轴力等计算方法，但不能考虑格栅作用，也没考虑群桩 的相互作用；张忠苗【删将垫层看作是设置于桩顶的柔性承台，考虑桩对承台的 刺入作用。将桩侧阻力和桩端阻力引起土中任意一点的应力变化用m i n d li n 解求 解，丽桩间土所受均布荷载引起的土中应力用b u s s i n e s q 解求解，圣导到了路堤荷 载下沉降计算式。 h a n 引】采用轴对称有限元程序，填土和地基采用邓肯一张模型，桩和土工织 物使用弹性模型，对大面积堆载下的单桩进行分析。考察了路堤高度、桩身模量 和水平加筋体抗拉刚度变化对土拱效应、沉降和差异沉降的影响。认为水平加筋 体能有效提高桩承担的荷载比例，减小桩土的差异沉降；张建勋f s 2 】采用平面有 限元方法，对被动桩的桩问土拱效应进行了研究。对桩间距、土的内摩擦角和粘 聚力等因数对土拱效应的影响进行了研究；贾宁【s 3 l 改进了h e w l e t t 土拱效应分 析，在h a n 的基础上，通过单桩轴对称有限元分析，揭示路堤、水平加筋体、桩 和地基土共同作用的力学性状，研究随时问变化的桩土荷载分担比及下卧层沉降 发展规律：陈志掣“】采用三维有限元法对路堤下筒桩复合地基进行了分析，研 究了桩间距、桩径、桩长、土工格栅侧层数和布置位置、垫层厚度、桩体模量等 因数对复合地基沉降、侧向变形、荷载传递性状、土拱效应、桩土应力比的影响。 桩承式加筋路堤是路堤填料一水平加筋体一桩一土四者共同工作的整体，目 前的研究方法不能很好地综合考虑各种因数进彳亍分折，在理论研究时往往采用各 种假设，另外如何区分考虑桩问土和桩帽下土体的作用也值得研究。 第四节本文主要内容 ( 1 ) 介绍了y 形沉管灌注桩的施工工艺和设备、技术特点、质量检验与控 制、经济性以及y 形桩处理高速公路软基的现场试验和地基处理效果。 ( 2 ) 进行了y 形桩挤土效应的现场试验，较为详细的观测了沉桩引起的土 体位移、挤土应力以及超孔隙水压力，并对试验结果进行了系统分析。 ( 3 ) 在s a g a s e t a 的理论基础上得到了沉桩引起的土体位移解答，并对y 9 第一审结论 形桩和圆形桩、矩形桩群桩引起的地表隆起进行了对比。结合土体水平向的极限 平衡条件和圆孔扩张理论，分析了沉桩引起的土体应力、超孑l 隙水压力。 ( 4 ) 对y 形桩桩身荷载在土体中产生的附加应力进行了分析，在此基础上 改进了y 形桩复合地基其沉降计算方法。 o 第二审新型树壮技术y 形船简介 第二章新型桩基技术y 形桩简介 我国嘱员辽阔，地质条件复杂且各地差别较大，软弱地基类别多，分布广； 特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在着众多复杂的软土地基，在软土地 基上修建高等级公路及建筑物都首先要进行软基处理，以增加地基的稳定性及减 小沉降。随着我国建设事业的快速发展，大量的高等级公路、铁路及建筑物在软 土地基上修建；探求技术先进、经济合理、施工方便、质量稳定、承载力高、材 料省、环保性强的软基处理方式成为岩土工程界迫切要解决的问题。 第一节y 形沉管灌注桩技术的提出 沉管灌注桩又称套管成孔灌注桩，是国内目前采用最为广泛的一种灌注桩。 按其成孔方法不同可以分为振动沉管灌注桩、锤击沉管灌注桩和振动冲击沉管灌 注桩【8 5 l 。沉管灌注桩以其施工设备简单、施工方便、造价低、施工速度快、工 期短等优点，在我国得到广泛的应用。我国岩土工程界的前辈们对沉管灌注桩的 设计、施工、检测进行了不懈的努力和探索，自引入我国以来也获得了长足的发 展。但由于普通沉管灌注桩是非置换型桩，施工机械及桩型固有的挤土效应限制 了桩径、桩长过于扩大，近而抑制了通过增大桩径、桩长提高单桩承载力。单桩 承载力的提高主要依附于采取增加端承力及侧摩阻力的措施：增加端承力的措 施，多采取附加工艺，如夯扩、爆扩、旋扩、支盘挤扩以及桩底注浆等，这些都 能收得一定效果，但它们这些都是基于圆柱形桩的基础上；要增加桩侧摩阻力可 以通过改变截面形状或增加桩土界面耦糙度来实现，而改变桩的截面形状不失为 提高侧摩力的有效措施，它的理论基础很简明：等截面周边扩大原理，以最大程 度地发挥地基土( 岩) 和桩本身的承载能力，充分发挥桩身材料的潜力。 b a r r e t t e 一词源于法语，指的是一种采用膨润土泥浆或聚合物泥浆护壁， 地下连续墙施工设备开挖成槽的特大形混凝土灌注桩，它在形式上与单片地下连 续墙槽段是一样的，但在功能上是做为桩基来使用，将上部结构的荷载传递到地 基土中，而不是作为支护开挖的挡土结构。根据d a y i d s o n s 6 的介绍，1 9 6 3 年法 国s o l e t a c h 公司根据当时的地下连续墙技术拓展首创了b a r r e t t e 处治方式，其 横截面通常是矩形，但在实际工程中，有时为了适应外部荷载的作用模式、建筑 第一年新型擗幕技术y 形拂简介 场地地下管线的约束条件、柱件的排列方式或地下室边角的形状，其它横截面型 式如十字形、t 形、l 形、h 形、y 形和i 形等也被采用，比利时也有过用y 形碎 石桩构筑复合地基的工程范例。y 形沉管灌注桩根据等截面异形周边扩大原理， 派生于传统圆形沉管灌注桩；是在传统沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的 一种新桩型，该技术是陆见华先生自主研制开发的一项专利技术，其断面形状为 三段圆弧弧线向内、外加三个尖角组成的曲边三角形，见图2 1 。y 形沉管灌注 桩采用普通沉管灌注桩的旌工设备，将圆形桩模改y 形桩模，并在施工工艺上做 了调整。充分利用等截面非圆形桩侧表面积增加，进而增加桩侧摩阻力与惯性距 的原理，保持了传统沉管灌注桩的优点，目前已在申苏浙皖、杭浦、申嘉湖高速 公路软基处理中应用。与其它同类技术相比节约造价约2 0 - - 2 5 ，具有较大 的经济、社会效益和广阔的应用前景。 色一 豳2 1y 形桩截面图及其几何特性( 单位o n ) 第二节y 形桩截面几何特性浅析 、 、 一生 y 形桩桩身截面具有一种几何美感，在几何特性上和等边三角形具有很多相 似之处，如图2 1 。y 形桩截面是轴对称图形，通过顶点和形心的三条对称轴将 截面分成了完全对称的六部分。与其他异形截面如矩形、t 形不同的是，y 形截 面对通过形心的任何轴的惯性矩是相同的，也就是说截面抵抗弯矩的能力并没有 方向性。表2 1 是在面积相同的情况下几种常见桩身截面的几何特性对比表。通 过对比我们可以看出，在使用相同材料情况下，y 形桩截面周长和惯性矩都比较 大，且惯性矩对任一主轴相等。如果不考虑桩土相互作用对承载力的影响，y 形 、 、 、 、 ， ， ， ， ， ， 第二章新型材筚技术y 形钟简介 桩将能同时能提供较大的竖向承载能力和水平承载能力。由于很好的结合了经济 性和实用性，相对于其他桩型y 形桩具有一定的优势。 l 一簋 i 围通丛而 圆形 矩形y 形 图2 2 相同面积的不同截面( 单位) 表2 1 相同面积不同截面几何特性比较表 幽 t 形 惯性矩1 0 w惯性矩比 截面形状面积m 2周长m周长比 i ； i ， i 。i ， 圆形 0 1 5 71 4 0 51 0 0 01 9 6 21 9 6 2 1 0 0 0 1 0 0 0 钎形 0 1 5 71 6 1 71 1 5 l3 0 7 91 3 6 81 5 6 90 6 9 7 t 形 0 1 5 72 3 9 21 7 0 36 9 2 31 7 1 63 5 2 90 8 7 5 y 彤 0 1 5 72 1 2 41 5 1 23 1 3 53 1 3 51 5 9 81 ，5 9 8 第三节y 形桩施工设备和工艺 2 3 1 施工设备 y 形沉管灌注桩施设备具与普通沉管灌注桩类似，由桩架、振动锤、上料斗、 y 形桩管、及附属设备等组成，y 形桩模结构采取用三块凹面向内的弧形钢板和 三条角钢组成，相应的桩尖需与之配套。y 形沉管灌注桩的技术关键在y 形桩管， 沉管灌注桩的桩管压入土中浇注混凝土之前受到周围土的挤压力，浇筑拔管过程 中桩管还要承受管内混凝土对桩管的挤压力。圆管桩模为中心对称结构，受挤压 时处于均匀受力状态，不会产生应力集中；而y 形桩管为非中心对称结构且表面 压力分布不均，目前y 形桩管均为焊接而成，这样在焊缝处很容易产生疲劳破坏， 而产生涨管、憋管现象。y 形桩管设计中要解决的主要问题为：一、桩模能抵御 内外压力差，二、具有良好的可灌度，保障混凝土的充盈，桩体成型可靠。 1 、桩模中隔板的设置 第- 二章新型桩耩技术y 形拼简介 为适应桩模这种受力特点，解决桩管疲劳破坏的问题，在桩管内纵向设置了 三块中隔板，设置中隔板后使三块模板承受的压力彼此平衡、削弱，大大延长了 桩管的使用寿命。在桩模和桩靴配合较密贴的前提下，桩壁钢板可视为幕结构， 钢板不仅受弯，而且受拉，这就充分发挥了钢板的材料力学性能，从而迸一步使 钢板减薄，减少桩模的自重。所以设置三条中隔板的作用有二；一是减少模板受 弯支点距离，增加模板刚度；二是改变节点处的受力状况，模板主跨两端由简支 变为固端大大改善了节点处的受力情况中隔板的优化位置有待于进一步的研 究，目前y 形桩桩管可采用1 2 - i 5 c m 厚的无缝钢管焊接，中隔板设置在焊缝处 或距焊缝3 5 c m 处。 图2 3 无中隔板的桩模破损及加同 圈2 4 设置中隔板厉的桩模 通过现场试验用- t , 3 无中隔板桩模试打，桩模钢板厚l o 啪，模长1 9 m ， 第一次试打拔出桩模后即发现从1 5m 深处模板丌始压瘪，变形最大处内凹近 l o c m ，经割除严重变形部位，其余变形较轻部分用l o o m m xl o m m 扁钢加固，问 距2 0 3 0 c m ，向上逐步减稀，后未发生“瘪管”但继“瘪管”后桩模又出现了 1 4 第二章新型桩苹技术y 形树简介 “涨管”问题，桩模在瘪管后打了不到l o 根桩时，又在1 5 m 深处一个尖角的焊 缝开始破裂，经用1 0 0m m x1 0 姗扁铁包络加固后，继续施打，但打了3 5 根 后，同一部位其余2 个尖角也发生裂缝，经加固后裂缝又向未加固部分继续发 展，采用2 0 c m 问隔多处用扁钢加固后，到后来扁钢加固板本身也发生断裂。整 根桩模累计打了不到一百根桩，而采用了有中隔板的两付桩模各打了七百到八 百根桩，始终未出现焊缝开裂试验结果证明中隔板的作用是明显的。 同时由于中隔板的设置使得桩模内混凝土料仓减小，为保证桩模内混凝土的 溢出速度与桩模的提升速度相协调，保证混凝土的充溢，需要减小骨料粒径或添 加混凝土外加剂增加混凝土的流动性，现场也需要控制好混凝土的塌落度。 2 、y 形桩桩尖的设置 沉管灌注桩桩尖的形式，目前有两种，一种为活瓣式，一种为预制桩尖，两 者各有其优缺点，活瓣式承载力偏低，在有些土层中活瓣存在打开困难的问题， 但复打和反插都很方便；预制桩尖虽然端承力较大，但反插效果不好，复打成本 较大。活瓣式当桩管向上拔时，由于土体收缩，会使管尖的活瓣受挤压张开很 小，管内的混凝土不能顺利地下落，这会导致桩身缩径；在土体反压小的层段， 管尖活瓣开大，混凝土顺利下落，桩身就变租，使所成的桩为时粗时细的“糖葫 芦”状，严重地影响成桩的质量。 a 尖头桩尖 b 小平底三刃桩尖 图2 5y 桩两种不同预制桩尖 y 形桩目前采用预制桩尖的形式，y 形桩可采用带尖头的桩尖和小平底桩尖 两种桩尖，见图2 5 。它们中上部形状是一样的，区别在于下部一种有尖头，一 种采用小平底加三条线状刃1 ：3 。带尖头的桩尖预制时需将模具翻转脱模养护，尖 头必需朝上才能放稳，而小平底桩尖无需翻转，可就地脱模。从使用角度看，尖 第一二章新型拼皋技术y 形擗筒介 头桩尖需挖坑埋设，而小平底桩尖能水平放稳，无需挖坑。定位效果两种桩尖相 差不多，都能满足工程要求，但平底桩尖穿透能力不如尖头桩尖。目前工程中普 遍采用的为小平底桩尖。 2 3 2y 形桩施工工艺 y 形桩的施工顺序为：施工准备( 原材料试验、桩尖预制) ，桩位放样，桩尖 埋设，桩机就位，振动沉桩，浇注拔管，桩机移位，现浇钢筋砼盖板，成桩。同 一桩点的施工顺序为：先长桩后短桩，由区块向四周推移，减少挤土效应，具体 施工时，若实际挤土现象严重，则间隔施工。 铺设土工格栅 丫 i养护、检测 l ! 1 2 6y 形沉管灌注桩施_ l 工艺框图 1 、施工准备 施工前，应先平整场地，做到排水畅通，清除桩位处地上地下障碍物，场地 低洼时，应回填素填土，不应回填大于3 0 c m 直径的石块及树根等有机物，如遇 填塘处，先按填塘处理方法填至原地面，为避免雨天陷机，在施工场地铺设2 0 3 0 c m 碎石，碾压整平，测量整平后的地面高程，然后再打桩。 6 第_ 二章新型桩基技术y 形桩简介 图2