（岩土工程专业论文）自扩式沉管灌注桩工作性状研究.pdf

浙江大学坝士学位论文 自扩式沉管灌注桩工作性状研究吴彩霞2 0 0 3 白扩式沉管灌注桩工作性状研究 摘要 f 随着桩基理论和技术的快速发展，无论是桩的应用还是成桩工艺都比 过去更为多样化和复杂化，桩型设计和施工工艺不断推陈出新，出现了形 形色色、花样繁多的桩型。自扩式沉管灌注桩( 以下简称自扩桩) 就是其中 、 的一种。 本文具体介绍了单桩和扩底桩的研究现状及存在的问题，总结了自扩 式沉管灌注桩的桩型设计和施工工艺要点；通过对自扩式沉管灌注桩的现 场试验测试结果，研究了自扩桩的荷载传递特性和受力机理，并同普通灌 注桩进行了比较。 然后通过有限元法分析了影响自扩桩工作性状的主要因素，研究了桩 周土、持力层和下卧层土的性质、长径比、扩径比、桩端进入持力层深度、 荷载大小等因素对自扩桩荷载传递特性的影响。分析了自扩桩桩底土应力 场和变形场的特征，并和普通灌注桩作对比研究。 f 最后结合工程实例进行分析论证，将有限元计算结果和实测值进行对 比分析，说明本文所采用的计算模型的合理性。1 关键词：皇! 釜、鎏曼耋注算。+ 鼍譬。承载力；扩张体j 有限元j 现场试 荷载传递特性应力、，位移， 、 竖盔塑! ：堂垡堡；! ! ! ； 业型壁鲨壁堂塑堕堡堕翌生 t h e p r o p e r t i e so f s e l f - e x p a n d e dd i v i n gc a s i n g c a s t _ _ i n 。s i t ep i l e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fp i l ef o u n d a t i o n ， t h ea p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g yo fp i l e c o n s t r u c t i o ni s b e c o m i n gm o r ea n d m o r ed i v e r s ea n dc o m p l i c a t e d ，t h ed e s i g no fp i l ep a t t e r na n dt e c h n o l o g yo f p i l ec o n s t r u c t i o ng e t sr i do f t h es t a l ea n db r i n g sf o r t ht h ef l e s h v a r i o u sn e w t y p e s o fp i l e p a t t e r n h a v e e m e r g e di n r e c e n t y e a r s s e l f - e x p a n d e dd i v i n g c a s i n gc a s t i n s i t ep i l ei so n eo f t h e m i nt h i s p a p e r ，t h er e c e n td e v e l o p m e n to fs i n g l ep i l e a n ds e l f - e x p a n d e d p i l e i si n t r o d u c e d ；t h ed e s i g no fp i l ep a t t e r na n dt e c h n o l o g yo fs e l f - e x p a n d e d p i l e c o n s t r u c t i o ni ss u m m a r i z e d ；b a s eo nf i e l dt e s tr e s u l t so fs e l f - e x p a n d e d p i l e ，t h e l o a dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dl o a dt r a n s f e rm e c h a n i co f s e l f - e x p a n d e dp i l ea r es t u d i e d b a s eo nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h em a j o rf a c t o r st h a ta f f e c tt h ew o r k b e h a v i o ro fs e l f - e x p a n d e dp i l ea r es t u d i e d ，t h e s em a j o rf a c t o r si n c l u d et h e m o d u l u so f c o m p r e s s i b i l i t y o f p i l e s i d e s o i l ，b e a r i n g s t r a t u ms o i la n d s u b s t r a t u ms o i l ；t h er a t i oo fl e n g t ha n dr a d i u so f p i l e ；t h er a t i oo fe x p a n d e d b o d y sr a d i u sa n dp i l e sr a d i u s ；t h ed e p t hi n t ob e a r i n gs t r a t u mo fp i l ee n d ； l o a dv a l u ea n ds oo n t h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f f o u n d a t i o ns o i lb e l l o wt h ep i l ee n di s a n a l y z e d i ti sa l s oc o m p a r e dw i t ht h e c o m m o nc a s t i n s i t ep i l e f i n a l l y ，t w o c a s e so fp l a t e l o a d i n g t e s ta r e a n a l y z e d t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n sa r ec o m p a r e dw i t hm e a s u r e dr e s u l t s i ti ss h o w e dt h a tt h er e s u l t s b yt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma r ec l o s et ot h em e a s u r e dr e s u l t s k 。y ”。d s ：s e l f - 。x p a n d e dc a s t i n s i t ep i l e b e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e e x p a n d e db o d yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i e l dt e s t l o a dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t r e s s d e f o r m a t i o n 2 浙江人学硕上学位论文 自扩式沉管灌注桩工作性状研究 墨墅垦! 塑! 符号 c 土的粘聚力； 口土的内摩擦角： v 土的泊松比： 西土的压缩模量； 墨法向劲度系数； k 切向劲度系数； q 。单桩的极限荷载； & 单桩的极限沉降量 9 加载荷载； s 沉降量； 上桩身长度； d 桩身设计直径； d 扩大头直径； 臃扩张体高度； h 持力层厚度； z 桩端进入持力层深度； p 桩顶总荷载； 凡桩端承担荷载； j e 桩周土压缩模量： 凰持力层土压缩模量； 玩下卧层土压缩模量： 灌入管内混凝土高度； c 管内残留混凝土高度； 风单桩竖向承载力标准值； q 。桩端土的承载力标准值； 爿。桩端最大横断面面积： “。桩身周长： g 。桩周第f 层土侧摩阻力标准值 按土层划分各段桩长。 v i 塑坚盔堂堡主堂竺堡苎 苎二童堕堡 一堂鳖垦! ! 竖 1 1 前言 第一章绪论 桩基是一种古老的基础型式，其旋工技术经历了几干年的历史过程。它可应 用在各种地质条件和各种类型的工程中，尤其适用于软土地基上的建筑物a 迄今 为止，桩基已发展了多种类型。按材料可分木桩、混凝土或钢筋混凝土桩以及钢 桩等；按施工方法可分为预制桩和灌注桩；按荷载传递方式可分为摩擦桩、端承 桩、摩擦端承桩和端承摩擦桩：按挤土效应可分为挤土桩、低挤土桩和不挤土桩： 按应用功能可分成支承桩、加固桩、支护桩；按入土深度可分短桩、长桩、超长 桩；按桩的截面形状可分为圆桩和异型桩等等。 随着社会经济的飞速发展，对某些建筑物的基础承载力、沉降要求不断提高， 桩基础也不断地向更深更密的方向发展，其中灌注桩技术因其承载力大、寿命长、 施工快、工期短、造价低、使用范围广等特点受到了人们的青睐。 在我国，灌注桩首先由河南省交通厅于2 0 世纪6 0 年代初研制开发成功，并 于1 9 6 4 年成功地应用于我国第一座灌注桩基( 桩径o 8 m ) 大桥竹杆河大桥。 经过数十年的研究开发，如今在我国已形成多种成桩工艺、多类桩型，使用范围 涉及到土木工程的各个领域，它的诞生被誉为我国桩基的第一次飞跃( 牟玉玮， 2 0 0 0 年) 。从国际情况来看，灌注桩正朝三个方向迅速发展，即大直径巨型桩、 小直径( d 一 2 5 0 m m ) 微型桩以及异形桩。大直径桩多用于高层建筑物，并多采 用一柱一桩，其直径大至4 m ，扩底直径可达9 m ，如桩端支承于硬粘土层，设计 承载力高达4 0 0 0 0 k n ，支承于基岩则高达7 0 0 0 0 k n 。微型桩多用于地基的浅层处 理，形成复合地基，或用于旧建筑物的托换加固。异形桩即用带有组合钻的机械 施工形成的矩形桩、十字形桩、t 形桩、工字型桩等异于常规圆截面的桩，它不 单是指桩身截面的形状，也包括桩身纵断面的“异形”。这种桩不仅能较大幅度 地提高灌注桩基的竖向承载能力，而且解决了长期存在的桩基不能承担大水平荷 载的问题，使桩基的力学性能更好、用途更广，因此被誉为我国桩基的第二次飞 跃( 牟玉玮，2 0 0 0 年) 。 灌注桩虽然有其使用寿命长、施工简便、经济效益显著等诸多优点，但也有 其不理杰垦的地方。比如材料强度发挥度低，桩身挤土等缺点，从而带来环境和社 会效益方面的负面效应。以目前应用较普遍的振动( 锤击) 灌注桩为例，构成灌 注桩桩身的主要材料混凝土的抗压强度一般都只是理论值的五分之一左右，当桩 端持力层承载力较低时甚至更小。而为满足工程承载力的需要，往往将桩端落在 较深的坚实土层上，通常认为这样设计安全可靠，但导致桩身过长，桩的砼质量 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 吴彩霞2 0 0 3 难以保证，时有桩身缩颈现象，而且也不经济。若增加桩数，又会导致挤土。因 此，如何进一步改善灌注桩的受力条件使其构成材料的强度以及桩端持力层强度 得到充分发挥，进而减少桩数、缩短桩长，取得良好的经济、环境效益是一个具 有重要理论价值和工程实际应用价值的课题。国家建设部对此也予以了很大的关 注，在建设部科学技术委员会和建筑业司组织有关专家编制的 1 9 9 6 2 0 1 0 年建 筑技术政策中就已明确提出了这一研究方向。 作为一种传统的深基础形式，桩基础在土木、水利等学科领域有着广泛的应 用，对其承载机理、工程技术等的研究工作也一直是岩土工程中的热点之。桩 基理论与技术的研究开发与国家、地区的经济、社会发展水平相适应，与当地的 地质情况相适应。理论方面，随着计算机技术的发展，分析复杂环境条件下桩基 性状已成为可能。工程技术方面，人们总是在不断寻求施工简便、成桩质量好、 经济效益可观、对环境影响小的桩基技术。桩的扩底技术就是提高单桩承载力的 一种有效措施，为满足各种工程需要，保证工程质量，加快工程进度，节省工程 费用，现已研究和发展了各种扩底桩的旖工技术。自扩大头沉管灌注桩( 以下简 称自扩桩) 便是其中的一例，它和其他的扩底桩同属于异形桩。 1 2 自扩桩简介 自扩桩是杨建华工程师( 2 0 0 0 ) 研制和开发的一种新型扩底桩技术，并获得 了国家实用新型专利( z l 0 1 2 0 3 3 0 3 o ) 。它的成桩原理与其他的扩底桩相同，即 根据建筑地基基础设计规范( 2 0 0 2 ) ，粘土中摩擦单桩的竖向承载力标准值为 r = 4 ，+ “，g ， 。人们通过对其荷载传递机理及工作性状的分析研究，揭 示出桩的竖向承载力是桩与土共同作用的结果。当桩身强度足够时，桩的竖向承 载力取决于土对桩的支承能力。若土层、桩径和桩长都确定了，则承载力与桩端 横截面积a 。有关，因此如何扩大桩端的支承面积成为提高单桩承载力的重要途 径。它的桩型构思原则是利用现有桩机的自身激震( 锤击) 力，在斜面的作用下 通过力的分解产生推力，使桩尖到达持力层后横向劈离扩张，以达到扩大桩端支 承面积的目的。 1 2 1 自扩桩桩尖构造 自扩桩桩尖可分为两大部分： ( 1 ) 下部底座预制桩尖头( 图i - i ) 。是对传统的预制桩尖( 图1 2 ) 做 一改进，即在顶部多浇一个圆台以产生劈离作用所不可缺少的斜面。 ( 2 ) 上部扩张体。它可分为三至四块，但用个模具联体浇筑，其外径略小 于打桩用的钢沉管内径，其底面与桩尖头底斜面相吻合的圆筒状块体 塑垩查兰堡主兰焦丝塞 墨二童堑堡墨墅垦! 盟 ( 图1 3 ) 。扩张体的外壁沟槽主要是为减少扩张体外扩时的土的侧向土 压力，而内侧顶部凹槽则主要是为沉管内混凝土在重力和打桩机的激震 力作用下产生推力，使扩张体能更快地向外侧推移。 图1 1 自扩桩预制桩尖图1 2 浙g2 0 9 1 图集预制桩尖 以上所述桩尖头和扩张体就组成了自扩桩桩尖，它们制作十分简便，和传统 预制桩尖的制作无异，可用翻模在工场连续生产。 1 2 2 自扩桩成桩过程 为方便施工，预制桩尖和上部扩张体分两步定位。先将桩尖头平稳定位， 然后将上部数块扩张体分体固定后将其放在已按定位的底部桩尖头之上，将震动 打桩机桩管套住扩张体上部，后将固定物撤去，将钢沉管下沉顶住桩尖头台肩， 使打桩沉管时桩管的作用力仍作用在桩尖头上( 见图l 一3 ) ，然后激震沉管直达要 求持力层位置( 沉管时如有地下水、淤泥等可考虑按一般常规施工方法和在沉管 内灌注混凝土) 。之后将沉管边震边拔至扩张体上方，由于桩尖头直径大于钢沉 图1 3 成桩过程( 1 ) 图1 4 成桩过程( 2 ) 图1 5 成桩过程( 3 ) 浙江入学硕l 学位论文 第一章绪论 吴彩霞2 0 0 3 管直径，拔管后在桩失头上方外围形成空隙。同时因扩张体的底面与桩尖头的斜 面相吻合，此时上部扩张体解除钢沉管束缚能在自重及沉管内混凝土和桩机激震 力的几重作用下将沿桩尖头顶部斜面下滑，占据上方形成的外围空隙，然后反插 钢沉管，此时钢沉管即能下压在扩张体上部( 见图1 4 ) 。开动桩机使下部扩张体 在桩机激震力的作用下产生斜面劈离效应，继续向下向外扩张，即能达到最大限 度地扩大桩端支承面积的最终目的( 见图1 - 5 ) 。随后按常规灌注混凝土，激震拔 管，直至成桩。 从桩尖制作以及成桩过程来看，自扩桩的扩底技术施工简便、效果显著， 它只利用现有的设备，无需增加投入，不失为一种创新的扩底技术，同时经济效 益显著，非常值得推广。 1 3 单桩研究现状 众所周知，单桩的竖向承载力和沉降计算是单桩设计计算中最基本也是最 重要的两个方面，有关这两方面的研究成果相对来说也比较成熟，在此将简要介 绍其研究现状。 1 3 1 单桩竖向承载力计算理论 单桩的竖向承载力的确定主要有原位测试法、静力法、经验法、动测法等。 1 、原位测试法 ( 1 ) 现场单桩垂直静荷载试验 桩的静载试验是目前确定单桩承载力的最科学和最广泛使用的一种方法，但 它的费用昂贵，费时费工，只限于重要的一级建筑物才采用。其确定单桩承载力 的主要计算方法有：o - s 曲线明显转折法、q s 曲线交会法、j l g q 曲线判 别法、l g q l g j 曲线折点法、s l g t 曲线判别法等、沉降值控制判别法等。 ( 2 ) 建筑桩基技术规范法 采用静探试验测得的桩侧极限侧阻力标准值g 。和桩底处土的极限端阻力标 准值q 。用公式计算竖向承载力。 ( 3 ) 铁路系统“综合修正法” 即用静探试验测定土的静探端阻和局部侧摩阻力后用公式计算竖向承载力。 其他原位测试法还有法国的l p c 法、m e y e r h o f 法、法国1 9 8 5 年规程中的建 议方法等。 2 、静力法 对于极限端阻力的计算主要有以下两种方法： ( 1 ) 极限平衡理论公式 塑坚查堂堡主堂垡望苎 塑二皇堕鲨j 塑塑! ! 里 以刚塑性理论为基础，假定不同的滑动破坏形式，导得不同的极限端阻力理 论表达式。其中t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 、m e y e r h o f ( 1 9 5 1 ) 、v e s i c ( 1 9 3 6 ) 公式为具有代表性 的端阻力极限平衡理论公式。 ( 2 ) 考虑土的压缩性的极限平衡理论公式 v e s i c ( 1 9 7 5 ) 提出了考虑土的压缩性的极限平衡理论公式，其极限端阻力 的计算值随土0 0 压缩体变增大而减小，比按刚塑性理论求得的与土的压缩性无关 的极限端阻力公式相比有所改进。 静力法对桩侧阻力的计算通常是取桩身范围内各土层的极限侧阻力与对应 桩侧表面积乘积之和，有总应力法和有效应力法两类，又可归纳为口法、法、 旯法。其中口法属总应力法，法属有效应力法，丑法适用于粘性土。 3 、经验法 这种方法被用于桩基的初步设计和非重要工程的设计，或作为多种方法综合 确定单桩承载力的依据之一，也有的规定在无条件进行静载试验的条件下应用这 种方法确定单桩承载力。经验法主要有建筑桩基技术规范中的方法、铁路桥涵设 计规范中的方法、前苏联建筑规范法等。 4 、动测法 根据作用在桩顶上动荷载的能量能否使桩土之间产生一定的塑性位移或弹 性位移，可把动测法分为高、低应变两种方法。高应变法可以较可靠地确定单桩 承载力，而低应变从原理上并不能直接得到承载力，其估算值并不是实测值，而 是带有很大的地区经验和人为因素的推断值。高应变动测法主要有动力打桩公式 法、锤击贯入法、s m i t h 波动方程法、c a s e 法、波形拟合法、静动试桩法等。 1 3 2 单桩沉降计算理论 竖向荷载作用下单桩的沉降由以下三个部分组成：( 1 ) 桩身压缩量；( 2 ) 桩 侧荷载传递引起土体压缩而产生的沉降；( 3 ) 桩端荷载引起的土体压缩而产生的 沉降。桩基沉降计算目前主要有四种方法：弹性理论法、剪切位移法、荷载传递 法和有限单元法。 1 、弹性理论法 弹性理论法的基础是m i n d l i n 课题。m i n d l i n 给出了在均匀、各向同性的弹 性半空间内作用单位竖向荷载的情况下，弹性半空间内任一点处应力、位移的积 分形式的解析解。弹性理论法以p o u l o s ( 1 9 6 8 ，1 9 8 9 ) 为代表的，p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 6 8 ，1 9 8 0 ) 等人从弹性理论中的m i n d l i n 公式出发，系统地导出了单桩和群 桩的计算理论以及计算表格。 为了把均质土中已有的分析公式应用到非均质土的情况，p o u l o s 的一种处理 方法是近似地假定土体内的应力与原均质土体中分布情况相同，而计算土体位移 塑坚查堂堡：! 堂竺丝苎 釜二兰堑笙墨墅垦! 坐 时所用到的土的模量与该点的位置有关。对于桩端以上有若干土层的情况， p o u l o s 建议也可取加权平均模量来代替。 桩一土共同分析的难度在于如何确定桩周摩阻力与桩端阻力的大小和分布 形式。g e d d e s ( 1 9 6 9 ) 从m i n d l i n 的应力基本解出发，并假定桩端阻力为均布， 桩周摩阻力为梯形分布，其中梯形可分解为矩形分布和三角形分布之和。g e d d e s 将上述三种荷载分别积分，并给出了它们在半空间内任一点处的表达式，根据应 力解，然后再求得沉降表达式。 综上所述，弹性理论方法能考虑土的连续性，在一定程度上能考虑桩与土 的相互作用。但这类方法也有其理论上的缺陷，首先是应用m i n d l i n 公式时忽视 桩的存在所产生的影响，认为荷载作用于未加桩时的理想均质、各向同性弹性半 空间体内；其次在考虑土非均质时，不得不采用一些近似的假设；第三，由于假 设土体应力应变关系为线弹性，分析桩、土的非线性受力特征存在困难；最后， 土的变形指标很难从室内土工试验中精确测定，一般需要从单桩静载试验结果反 求其值。尽管如此，弹性理论法的单桩和群桩分析在今天己发展成一种能实际使 用的、较完善的理论体系。 2 、荷载传递法 s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 首先提出，其基本概念是把桩离散为一系列等长的桩 段( 单元) ，每桩段与土之间的联系用非线性弹簧来模拟，弹簧的应力应变关 系即侧阻力与位移之间的关系q 。一j ，端阻力与位移之间的关系g 。一j 。利用已 知的桩侧、桩底荷载的传递函数( q 。一s 、q 。一s 关系) ，求解桩顶荷载与沉降曲 线( 一s ) ，桩身荷载沿桩身的传递曲线( o z ) 以及侧阻力沿桩身分布曲线 ( 吼一z ) 等，这就是所谓的荷载传递法。按求解微分方程的不同途径，荷载传 递法可分成荷载传递解析法、位移协调法以及其他些方法。 荷载传递解析法由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 和佐腾悟( 1 9 6 5 ) 等先后提出，在通过试 验实测并按一定模型建立的传递函数形式不太复杂时，便可直接求得解析解。关 于此法的传递函数的确定，对桩身荷载传递函数，一般系由桩静载试验资料导得 荷载传递关系，并以此为基础再导出现场数据曲线拟合的荷载传递关系，或使荷 载传递曲线与土性或桩的参数相关的表达式。常用的有代表性的桩身传递函数模 型有指数曲线( k e z d i ，1 9 5 7 ) 、双曲线( g a r d n e r ，1 9 7 5 ) 、和理想弹塑性关系( 佐 腾悟，1 9 ，6 5 ) 、何思明( 1 9 9 4 ) 模型等。桩端的荷载传递函数主要有i a y e r g i y a 模型、r e e s e 和w r i g h t ( 1 9 7 7 ) 模型、何思明( 1 9 9 4 ) 模型等。 荷载传递法在理论上存在这样两个缺陷：一是利用桩身某点的荷载传递衄线 ( q 。一s ) 时，只考虑了该点剪应力的影响，未考虑桩身各单元间的相互影响； 二是由于未考虑土体的连续性，因而荷载传递法不适于分析群桩的荷载沉降特 浙江人学碳l 学位论文 第一章绪论 吴彩霞2 0 0 3 性。但总的来说，荷载传递法是一种比较实用、效果较好的方法。 3 、剪切位移法 剪切位移法最初是由c o o k e ( 1 9 7 4 ) 等在试验和理论分析的基础上提出来的， 用于分析均质弹性地基中纯摩擦刚性桩问题。c o o k e 认为摩擦桩的沉降主要是 由桩周土的剪切变形引起的。假定桩产生竖向位移时，桩侧摩阻力通过环形土体 单元向四周传递，根据任意两环面上剪力相等的条件，得出桩壁土剪切位移与 r 和环面半径r 的关系。由于不考虑桩的压缩和桩土滑移及桩端阻力的作用，故 此法只适用于小荷载下的纯摩擦桩的分析。为了弥补这些不足，r a n d l o p h 和 w r o t h ( 1 9 7 9 ) 将桩承受的荷载分为桩侧摩阻力与桩端阻力，桩端平面以上的土 体变形w ( r ) 只由桩周摩阻力产生，按c o o k e 的剪切位移法求得，桩端下的变形 ( 6 1 由桩端阻力产生，按b o u s s i n e s q 公式求得。然后采用无量纲法得出非均质 土体单桩的桩顶沉降形与荷载p 的关系，运用同样方法，采用位移场叠加原理， r a n d l o p h 和w r o t h ( 1 9 7 9 ) 又分析了群桩体系的荷载一位移矩阵按变形条件不同 求出群桩的沉降特性。 这类方法原理简单，基本假定合理，但忽略的因素太多，因此该法在桩设计 的实践中一般应用较少。 4 、有限单元法 1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将有限元引入土力学，6 0 年代后期，开 始将有限元应用于桩体分析，并迅速成为桩基分析中一个应用广泛且相当有效的 工具。它本身只是将连续体离散后进行计算，并未对分析模型的物理条件进行明 确的限定。从理论上来说，它能考虑影响桩基性能的许多因素，如土的非线性、 固结效应以及动力效应、桩的特殊边界约束条件等。它远比传统的数值分析方法、 弹性理论法、荷载传递法和剪切变形传递法优越。有限元方法可以考虑实际的三 维效应，并可以计算桩和沿桩周地基土的应力和应变。它可以模拟导致破坏区和 楔形体分界的应力和变形的逐渐发展过程，而且还可以包含本构性状的真正意义 上的三维描述，也可考虑应力历程，应力释放和相互作用效应等因素。但其实际 应用中也有缺点，一方面如考虑桩的影响因素多，问题就比较复杂；另一方面计 算费用比较昂贵，特别是对于大型群桩问题的计算分析，往往建模相当复杂。 在桩基分析中应用有限单元法，可用来揭示桩的受力特性，并与实测结果验 证，以指导桩的设计和施工。 1 4 扩底桩的研究现状及存在问题 辨证唯物主义认为，要获得对一个事物的正确认识总是要经历实践理论 一再实践的过程，这种认识方法对土木工程领域同样适用。随着桩基技术的发展， 浙江火学硕士学位论文 第章结 论吴彩霞2 0 0 3 出现了扩底桩，而扩底桩中又出现了各种各样不同的扩底技术，在我国主要是在 东南沿海一带得到迅猛发展和应用。相对普通混凝土桩而言，扩底桩具有承载力 高、沉降小、群桩效应弱、经济效益显著等诺多优点，目前理论研究成果比较少， 落后于工程实践。对于不同的扩底技术，其荷载传递机理又有所差别。所以研制 套比较简单可行的扩底技术，并对其性状进行理论研究，从而得出具有工程参 考价值的设计参数显得尤为重要。 1 4 1 国际上扩底桩的研究现状 国外扩底桩的发展，以日本最为迅速，从1 8 9 0 年引进美国施工方法，孔内 下入套管用人工挖掘扩孔，一直沿用至十九世纪七十年代。之后引进英国机械扩 孔施工方法，并不断研究，在近十几年的时间内，共开发了十二种扩底技术。除 了发展扩底技术，还研制了扩底检测和管理系统，可以自动检测扩底深度、扩底 量等。 原苏联的扩底桩基础也比较多，除采用通常的钻孔扩底施工方法外，还开发 了一些不取土扩底方法，主要适用于地下水位以上的地层，成孔效率高，而且挤 密后的地基承载力有定的提高。不取土扩底方法，有捣固干硬性混凝土扩底 法；用液压千斤顶将铰接的钢板压入土中的扩底法；用动力扩孔器压实土层扩大 孔底的方法；用高压空气压缩土层的扩底法；也有高压射流扩底法等。在原苏联 古比雪夫电站，采用动力扩孔器，与钻孔扩底相比，消耗工时从4 降到1 0 6 ，桩 承载力提高1 0 4 0 ，年经济效益约1 1 万卢布。 c o o k e ( 1 9 6 1 ) 用铜材料做了一个扩底桩的模型试验，研究了这种桩基础的 承载力特性，特别是桩周与桩端的荷载分担比。实验表明桩侧极限摩阻力在沉降 量大约为o 5 琅时即发挥；当沉降量达1 0 1 5 见时达极限承载力( ，= 9 ) ； 桩侧摩阻力与桩端承载力的荷载分担比随着桩端直径的增大而减少，在桩端直径 与桩身直径相等时最大。 b r o m s 和n o r d ( 1 9 8 5 ) 研制和开发了一种新型的扩底技术，可用于建筑物 基础的加固和托换。文中指出承载力的提高主要由于两个方面的原因，一个是桩 端面积的提高，一个是桩端周围土的挤密。桩的极限承载力可通过原位测试法获 得，如c p t 、s p t 、w s t 试验等。 n e e l y ( 1 9 9 0 ) 基于标准触探试验，对砂土中的扩底桩的承载力特性作了研 究，结果表明当桩长 i o d , 时，承载力随桩身的增大而增大。毛生l d 。不变的 情况下，桩周土质均匀或桩穿透软土层进入坚硬持力层时的桩端承载力无甚大区 别。对长桩三1 0 d b 来说，桩端所能承担的荷载有限，桩端承载力随深度而增大， 但增大率降低。 n 。l y ( 1 9 9 0 ) 收集了7 0 余根扩底桩的载荷试验资料，得出了一个简单而 浙江人学硕士学位论文第一章绪望 吴彩霞2 0 0 3 又可靠的设计关系，这个关系只依赖于桩的尺寸和标准触探试验。从其中4 1 根 桩的载荷试验又得出了长径比、s p t 试验n 值、极限侧摩阻力和极限端阻力之 间的经验关系，发现极限摩阻力和极限端阻力随深度而增大，但增大率降低。 1 4 2 国内扩底桩的研究现状 各地工程经验表明，沿海地区厚层淤泥质软土层中夹有薄层粉土、细砂或可 塑一硬塑的粘性土，层厚一般小于桩径d 的6 倍，而且分布面广。为探求开发此 薄硬层的工程应用价值，工程师们在3 d - - - 6 d 厚的薄层与上层软土的交界面处将 桩头扩大，形成一个具有扩大头的支承桩，支承在薄层顶板上，可具有较高的承 载力( 顾尧章，1 9 9 3 年) ，这就是扩底桩。 国内采用扩底桩也较早，但发展缓慢，到目前为止，大直径扩底灌注桩多采 用日本早期的方法，在地下水位以上者用人工挖孔扩底，在地下水位以下的用机 械式扩底钻头扩底。国内各种机械式扩底钻头一般均为专门的工程而设计，没有 形成社会产品。国内现行的扩底技术按施工方法不同( 顾尧章，1 9 9 4 年) 大致 有： 1 、夯扩桩，是用锤击式柴油机打桩机成桩的混凝土沉管灌注桩，双管施工， 柴油锤夯击内模管把外套管内预先灌入的混凝土夯击挤出外套管，形成平头扩大 头。 2 、压扩桩，成桩与夯扩桩相似，但用静压桩架实施。 3 、振扩桩，是在振动打桩机上用带有特种桩靴的单模管实现扩底成桩。 4 、振动落锤夯扩桩，是利用振动打桩机的振动能沉管，再用钢锤夯击管内 混凝土形成扩大头。 5 、内击式夯扩桩，是从国外引进的专利桩，在欧洲发明，自香港传人后， 在广东省流行。即在管内投放碎石，再用钢锤夯击出管外，灌入混凝土后，再夯 击形成扩大头。 6 、人工挖孔扩底桩，是用人工挖掘成孔，对土的扰动小。 7 、注浆扩底桩，这种桩往往与钻孔灌注桩、冲抓桩或挖孔桩相结合使用， 当桩身混凝土强度达到5 0 后，用泥浆泵通过注浆管往桩底注入水泥浆或粉煤 灰水泥浆，压浆使桩底虚土和周围地基土得到密实，并由水泥浆与桩端土形成一 个扩大头。 8 、预制大头桩，有平底大头桩，十字尖桩以及锤形大头桩。 9 、爆扩桩，这种桩早期在北方用过，但在地下水位较高的软土地区很少采 用。 上述几种扩桩技术，各有所长。内击式夯扩桩，人工挖孔扩底桩以及注浆扩 底桩属于高承载力的大直径扩底桩。夯扩桩、压扩桩、振扩桩以及振动夯扩桩 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 吴彩霞2 0 0 3 属于普通扩底桩。就施工工艺而言，振扩桩和振动夯扩桩属于单模管成桩，施工 工艺比较简单。 刘三意( 1 9 9 4 ) 认为，扩底桩之所以在国内发展缓慢，主要存在下列问题： 1 先进工艺所带来的经济效益同施工单位所承担的风险有些脱离。 2 施工单位技术力量薄弱，设备落后，加上国内劳动力便宜，安全因素考 虑不多，仍经常采用人工挖孔扩底。 3 扩底工艺和扩底设备不甚成熟，测量手段和装置落后，也阻碍扩底桩的 发展。 4 基础工程设计部门对扩底桩的认识不够，设计也不合理。 因此，要进一步发展扩底桩，需要基础工程设计部门、机械设计部门和基础 工程施工部门三方面进行有机合作，特别是设计研究单位应不断完善扩底技术和 工艺、尽量简化施工操作过程，使扩底桩的形成更加简便、质量更加可靠。 扩底桩技术，在理论研究方面的工作主要有以下成果。 王炳龙( 1 9 8 9 ) 通过建立弹塑性模型，用有限元计算扩底墩荷载与沉降之间 的关系，并与扩底墩模型载荷试验结果对比，分析地基土的应力、变形分布规律 及扩底墩地基土的破坏过程。 欧阳华江( 1 9 9 2 ) 利用有限元法，在弹塑性理论基础上建立了挖孔扩底桩和 土的受力和变形的计算模型，并模拟算出桩的p - - 6 曲线。通过对4 0 余根桩的计 算，主要研究了桩端拱高与扩大端直径之比对垂直承载力的影响，以及不同的桩 身直径、扩大端直径和桩长对垂直承载力的影响。获得了一些有关挖孔扩底桩的 有益结论。 宰金璋( 1 9 9 4 ) 通过扩底桩的荷载传递特征，研究揭示层状土中扩底桩的沉 降规律，具有竖向应力向桩底集中、收敛快、压缩层薄以及群桩效应微弱等特点， 从而为软硬相间层状土中应用扩底桩基提供了理论依据。 张聚山( 1 9 9 6 ) 以工程实例为基础，提出按地基变形分析法设计扩底墩基础， 推荐了相应的承载力和沉降计算公式。并对地基破坏模式、临界深度、变形控制 及承载力与沉降计算等问题进行分析，为工程设计提供了实用评价方法。 姚海林等( 1 9 9 8 ) 分析了软土地区采用夯扩桩基础破坏的原因。包括软粘土 侧压力、沉桩引起的挤土效应和超孔隙水压力、桩身负摩阻力和桩的压屈。 2 0 0 0 年廖雄华用节点位移的主一从关系考虑扩底桩的端承面尺寸效应。在 桩土体系有限元数值分析中将桩体模拟成梁杆单元集合体并在桩端旋加界面位 移的约束条件，则可考虑桩端尺寸效应，特别是扩底桩桩端尺寸效应。为了显示 桩端尺寸效应的影响进行了数值对比研究。结果表明：随着桩端尺寸的增大，桩 端二i 二体的塑性区分布及发展有很大的不同，桩的p 齿沉降曲线的差异也很大， o 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 吴彩霞2 0 0 3 因此该效应对用数值法计算扩底桩的承载力是不容忽视的。 2 0 0 0 年张志勇基于地基变形的概念对均质地基上扩底单桩在不同荷载大 小、不同桩土模量比、不同扩径比的临界桩长进行了有限元数值模拟，得出扩底 桩单桩临界桩长与桩土模量比和头径比有关但在容许承载力范围内与荷载大小 无关的结论。 2 0 0 1 年刘婕对夯扩桩静载荷试验的相对沉降值与单桩承载力之间的对应关 系作了分析，总结出一种简便实用的确定夯扩桩承载力的方法，即按沉降值 s = 0 0 1 d 0 0 1 5 d 所对应的q 值为桩的承载力标准值也，单桩极限承载力为 2 r 。 2 0 0 1 年刘之春通过对大直径扩底桩承载力确定原则的研究，给出了按沉降 变形控制确定承载力的方法，即取沉降控制值s 兰o 0 1 d 。并推导出了确定无静 载试验桩承载力的计算公式。 2 0 0 1 年林永汉对夯扩桩在软土地区设计、施工及检测中的若干问题提出了 具有参考价值的建议。设计中桩端持力层宜选稍密一密实的砂土与粉土、砂土与 粘性土互层以及可塑一硬塑粘性士，桩端进入持力层宜3 倍桩径为宜，不宜进入 太深，否则不利于扩大头的形成。对施工中的施工参数、施工顺序、止淤封泥措 施也提出具体的建议。提出在桩的质量检验中用低应变法，不宜用高应变法。 作为一种新型桩的设计方法，扩底桩技术具有良好的应用前景。虽然近些年 来对这一问题在理论分析、试验研究及工程实测等方面进行了一些探讨，并取得 了一些成果，在工程设计中也得到了应用，但是到目前为止，人们对扩底桩技术 的设计理念的认识还停留在初步阶段，对其基本机理的认识还不够全面和深入， 也未形成比较完善的设计理论和计算方法，研究工作仍处于探索阶段，许多问题 有待于深入研究。 1 5 本文主要工作 根据工程实践的需要和目前对扩大头灌注桩技术的研究现状，本文主要作以 下几个方面的工作。 1 介绍自扩大头灌注桩桩型的设计要点和施工工艺。 2 通过对自扩大头灌注桩和普通灌注桩的现场对比试验分析，揭示自扩桩 的受力机理和工程优越性。 3 采用有限元方法分析影响自扩桩的工作性状的主要因素，以期能从中了 解自扩桩的荷载传递规律，从而可以更好地指导工程设计。 4 - 结合工程实例，将数值计算分析的结果与工程实测结果进行验证，说明 所采用的计算模型的合理性。 塑里叁兰竺主堂堡堡苎 塑三垦宣堡垂堕塑塑熊重坌堑尘塑塑塑! ! 坚 第二章有限元法和接触面分析介绍 2 1 引言 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的种现代计算方 法。它是2 0 世纪5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中 应用的种有效的数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、 流体力学等连续性问题。它适用性强，具有独特的优越性，因此发展迅猛，使用 广泛，是各个学科领域与各种产业部门普遍采用的工程与科学计算方法。 在岩土工程中，很多问题要找到弹性力学解非常困难，但可以利用有限元 法求解各种具有复杂地质条件、应用历史、边界条件的问题。c l o u g h 和w o o d w a r d 于1 9 6 6 年首先将有限元引人土力学，6 0 年代后期，开始将有限元法应用于桩体 分析，可用它来揭示桩的受力特性，并与实测结果相验证，以指导桩的设计和施 t 。 2 2 有限元法简介 力学分析方法可以分为两类：解折法和数值法。解析法通常只能解答某些简 单的问题，对于复杂的问题，则往往得不出解答。在这种情况下，就需要应用数 值法来求出问题的近似解。有限单元法就是目前应用非常广泛的一种数值计算方 法。 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本思想就是把无限维空间 转化为有限维空间，把连续系统转变为离散型的结构。有限元法是建立在固体流 动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多 小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组， 得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算 结果。它所得到的结果不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题 所代替了。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法最初被 称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和 有效性而引起从事力学研究的科学家们的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随 着计算机技术的快速发展和普及，有限元法迅速从结构工程强度分析计算扩展到 几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分 析方法。 有限元方法之所以能获得如此迅速的发展和广泛的应用，是因为它具有独 塑兰查堂堡圭兰丝堡兰兰三翌鱼堕歪些塑垄壁亘坌塑坌塑墨墅! ! ! 里 特的优越性。如以往常用的差分方法，其不足之处是，由于采用的是直交网格， 因此它较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差 异，此外它还有编制不出通用程序的困难。然而，有限元方法可以用任意形状的 网格分割区域，还可以根据场函数的需要疏密有致地、自如地布置节点，因而对 区域的形状有较大的适应性。另外，有限元方法在使用上更大的优越性还在于， 它与大容量的电子计算机相结合，可以编制通用的计算程序，代表着数值计算方 法的进步，反过来也促进了计算机科学的发展。 有限元法与其它求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于 相对小的子域中。有限元的创始人克拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有 限元法= r a y l e i 曲r i t z 法+ 分片函数”，即有限元法是r a y l e i g h r i t z 法的一种局部 化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的 r a y l e i g h r i t z 法，有限元法将函数定义在简单几何形状的单元域上( 分片函数) ， 且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之 2 2 1 有限元法求解步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法求解的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如 下。 1 ) 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、 数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定( 一般情况单元划 分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限 元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定 方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如 果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况越符合。 2 ) 单元特性分析 a 、选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力 作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量 时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用 范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物 理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采 f j 一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示 塑竖查兰塑圭兰竺笙兰 笙三兰塑堕垄鲨塑堡丝堕坌堑坌塑曼墅垦! 坚 为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 b 、 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中