（岩土工程专业论文）多节挤扩灌注dx桩承载性状的模型试验和数值分析.pdf

t淳：一 本学位论 授权北京交通 提供阅览服务 同意学校向国 ( 保密的 学位论文 签字只期 s t u d y o nl o a db e a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fc a s t - i n - s i t ud x p i l e sw i t h m o d e lt e s t sa n d n u m e r i c a la n a l y s i s 作者姓名： 导师姓名： 学位类别： 学科专业： 张清林 陈立宏 工学 岩土工程 学号：0 8 1 2 1 5 1 2 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：桩基工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ， 致谢 在此硕士论文完成之际，我谨向在我整个研究生期间所有指导和帮助过我的 师长、同学、朋友们致以最诚挚的谢意。 首先，我要衷心感谢我们的国家，是国家的安定与繁荣让我有这么好的机会 在北京交通大学这样一所中国一流的大学里安心读书。 其次，我要衷心感谢我的导师陈立宏副教授。在两年的研究生学习期间，陈 老师给我无微不至的关怀，不论是在学习上还是在生活上，我都感觉导师有着“仰 之弥高，钻之弥坚”精神气质。陈老师的严谨和正直为我树立了一个做人的典范， 从陈老师身上我学到了很多东西，相信这些都会在日后的工作中对我产生积极的 影响，在此向陈老师表达我深深的谢意。 衷心感谢多年来一直鼓励和支持我的父亲和母亲，我成长的每一步都凝聚着 你们的辛劳、宽容和希望。你们让我即使面对重重困难也依旧乐观峰强。 感谢我的师兄唐松涛博士，是唐师兄的谆谆教导与循循善诱让我挺过了做论 文的最艰难时刻，是唐师兄的指导让困惑、迷茫的我找到了方向；感谢我的同门 公茂文硕士，茂文对待毕业论文的沉着与冷静值得我们所有人学习；感谢师弟张 振硕士以及陈飞硕士，你们的鼓励也给了我很大的信心；感谢陈湘红博士和王小 飞博士；感谢岩土2 班其他的同窗好友。两年的学习和生活中，你们都给了我很 多无私的帮助，让我在人生的航道上越走越有信心。 中文摘要 中文摘要 摘要：d x 桩是近几年兴起的一种新型桩，是在普通直孔桩的基础上通过液压挤扩 装置在桩身不同部位设置扩盘而成；通过将扩盘布置在地基土体的坚硬土层上， d x 桩能充分利用地基土体的承载力。相比于普通直孔桩，d x 桩具有承载力大、 沉降小等很多优点。本文通过现场的大比例尺模型桩试验和数值计算对d x 桩单 桩和群桩的抗压承载力、沉降特性以及单桩的抗拔承载力进行了研究与分析。 通过对长度为2 m 和4 m 、直径为0 1 5 m 的d x 模型桩，以及由四根基桩组成 的群桩进行现场试验，研究分析了d x 桩的承载机理以及群桩效应。 通过数值计算对桩长为2 0 m 、直径为l m 的d x 单桩及间距为1 5 d 、2 d 、2 5 d 、 3 d ( d 为扩盘直径2 m ) 群桩进行了分析研究，得出了d x 单桩抗压和抗拔以及群桩 效应中的一些结论。 通过试验研究和数值计算，得到的主要结论如下： d x 单桩的抗压、抗拔承载力可提高到尺寸相同普通直孔桩的2 2 3 倍；端阻 力占d x 桩总荷载的比例较小，不到1 0 ，这样可以有效减小在成孔施工过程中 由于清孔不力造成对桩承载力的不利影响。 d x 桩的群桩效应随着桩间距的减小而逐渐明显，间距为3 d 群桩的极限承载 力是问距为1 5 d 群桩的极限承载力的1 3 2 倍；群桩间距由1 5 d 增大为3 d 时，群 桩效应系数由0 5 9 增大为o 7 8 ；群桩间土体的沉降的最大值发生在两扩盘中间位 置处，且随着桩问距的增大而减小。 关键词：d x 桩；群桩；模型试验；沉降；数值分析；抗拔 分类号：t u 4 7 3 1 r a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：d xp i l e ，an e wt y p eo fp i l e ，i sb e i n gw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s i ti s b a s e do ng e n e r a ls t r a i g h tp i l e ，a n di sf o r m e dw i t hs e v e r a lb e a r i n gp l a t e sm a d eb y e x t r u d i n gd e v i c e t h eb e a r i n gp l a t e sa r ed i s t r i b u t e da l o n gt h ep i l eo nh a r ds o i ll a y e r i t h a sm o r ea d v a n t a g e st h a ng e n e r a lp i l es u c ha sh i g h e rb e a r i n gc a p a c i t y , l o w e rs e t t l e m e n t t h i sp a p e rf o c u s e si t ss t u a yo nd xs i n g l ep i l ea n dg r o u p - p i l e sb e a r i n gc a p a c i t ya n d d xs i n g l ep i l e st e n s i o nr e s i s t a n c eb yf i e l dt e s t so fl a r g es c a l em o d e lp i l e sa n d n u m e r i c a la n a l y s i s t h i sp a p e rs t u d i e dd xp i l e sb e a r i n gm e c h a n i s ma n dg r o u pp i l e e f f e c tb yd xm o d e l p i l e t h em o d e lp i l e sa r e2 ma n d4 ml o n ga n dd i a m e t e ri s o 15 m a n dt h eg r o u p - p i l e c o n t a i n s4 p i l e s t h i sp a p e ra n a l y z e s4t y p e so fg r o u p - p i l ew h i c hc o n t a i n s4 p i l e sw i t hs p a c i n g1 5 d 、 2 d 、2 5 da n d3 d ( di sd i a m e t e ro f t h eb e a r i n gp l a t e ) b yn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n dd r a w s s o m ec o n c l u s i o n s b y f i e l dt e s t sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e r sm a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： d x p i l e sb e a r i n gc a p a c i t ya n dt e n s i o nr e s i s t a n c ea r ei n c r e a s e dt o2 2 3t i m e so f g e n e r a lp i l e s t h er a t i oo fd xp i l e se n dr e s i s t a n c ei sv e r yl o w , a b o u t10 o f t h et o t a l l o a d t h el o wp e r c e n t a g ec a nr e d u c et h ea d v e r s ee f f e c tt od xp i l e sb e a r i n gc a p a c i t y w h e nr e m o v i n gt h es o i lo fp o l e g r o u pp i l e se f f e c to fd xp i l ei n c r e a s e ss h a r p l yw h e np i l es p a c i n gd e c r e a s e s t h e b e a r i n gc a p a c i t yo f3 d - s p a c i n gg r o u p p i l ei s1 3 2t i m e s1 5 d s p a c i n gg r o u p - p i l e e f f e c t c o e f f i c i e n to fg r o u p p i l ei n c r e a s e sf r o m0 5 9t oo 7 8w h e ns p a c i n gi n c r e a s e sf r o m1 5 d t o3 d t h em a x i m u mv a l u eo fs e t t l e m e n to fs o i la m o n gg r o u p p i l eo c c u l t e sb e t w e e n t w ob e a r i n gp l a t e s ，a n di td e c r e a s e sw h e nt h es p a c i n go fp i l ei n c r e a s e s k e y w o r d s ：d xp i l e ；g r o u p p i l e ；m o d e lt e s t ；s e t t l e m e n t ；n u m e r i c a la n a l y s i s ； r e s i s t a n c et ot e n s i o n c l a s s n o ：t u 4 7 3 1 t ， z 、 1 2 3 单桩在竖向荷载作用下的工作性能4 1 2 4 群桩效应。5 1 3d x 桩的特点6 1 4d x 桩的研究现状1 0 1 4 1 研究方法1 0 1 4 2 承载力的研究现状10 1 4 3 承载机理研究现状1 2 1 4 4 沉降研究现状14 1 4 5d x 桩的工程应用情况15 1 5 研究内容l7 2d x 桩的大比例尺模型试验1 9 2 1 试验方案1 9 2 1 1 试验目的1 9 2 1 2 单桩设计1 9 2 1 3 群桩设计一2 1 2 2 试验桩竖向极限承载力标准值的计算2 1 2 3 试验步骤2 3 2 3 1 试验场地地质勘察2 3 2 3 2 试验桩成孔、挤扩与浇筑2 5 2 3 3 试验桩堆载与数据采集2 6 2 3 4 模型试验方法2 8 2 4 模型试验结果分析2 8 2 4 1 试桩1 、2 试验结果分析2 9 北京交通大学硕士学位论文 2 4 2 试桩3 试验结果分析3 2 2 4 3 试桩4 试验结果分析3 7 2 4 4 各试桩的q - s 曲线分析比较3 9 2 4 5 群桩试验结果分析4 0 3d x 单桩的数值模拟4 3 3 1f l a c 3 d 简介4 3 3 2d x 单桩数值模拟概况4 3 3 2 1 模型的尺寸4 3 3 2 2 模型的建立4 4 3 2 3 本构模型及参数的选取4 5 3 2 4 接触面单元模型及其参数的选取4 7 3 2 5 荷载及加载级数的确定4 9 3 3 对数值计算所取参数的验证5 l 3 4d x 单桩抗压数值模拟结果5 2 3 4 1q - s 曲线5 2 3 4 2 扩盘两侧摩阻力分析5 4 3 4 3 桩身轴力与扩盘阻力的发挥5 5 3 5d x 单桩抗拔数值模拟结果5 8 3 5 1q - s 曲线5 8 3 5 2 扩盘阻力的发挥5 9 4d x 群桩的数值模拟6 l 4 1d x 群桩数值模拟概况6 1 4 1 1 模型的尺寸6 l 4 1 2 模型的建立6 2 4 1 3 本构模型及接触面单元6 3 4 1 4 荷载及加载级数的确定6 3 4 2q - s 曲线及群桩效应6 4 4 2 1q - s 曲线。6 4 4 2 2 群桩效应系数6 6 4 2 3 群桩效应沉降比6 7 4 3 群桩问土体受力情况。6 9 4 3 1 群桩间土体在各级荷载下受力情况6 9 4 3 2 不同问距群桩间土体受力情况7 2 4 4 群桩问土体沉降情况7 5 目录 4 4 1 群桩问土体在各级荷载下沉降情况7 5 4 4 2 不同间距群桩间土体沉降情况8 1 4 4 3 群桩间不同深度土体沉降情况8 5 5 结论与展望8 9 5 1 结论8 9 5 2 展望9 0 附录9 1 参考文献9 3 作者简历9 7 独创性声明9 9 学位论文数据集1 0 1 1 1 研究背景与 1 1 1 研究背景 当今社会城市化发展迅速，城市用地也趋于紧张，而且城市地价居高不下。 在这种情况下，新兴建的楼房一般都向高层发展。于2 0 0 3 年1 0 月建成的台北1 0 1 高楼高度5 0 9 米，大楼地上有1 0 1 层、地下5 层；位于阿拉伯联合酋长国迪拜的 哈利法塔，有1 6 0 层，总高8 2 8 米；在上海，设计总高度达6 3 2 米的上海中心大 厦将于0 8 年1 1 月开工，建成后其将成为中国第一高楼。除此之外，高速度铁路 等重要建筑物也开始大量兴建，这对地基基础的要求越来越高。 桩基础作为一种深基础，有着悠久的发展历史。进入现阶段以来，桩基础有 了具大的发展，这表现在单桩设计承载力越来越大，沉降越来越小。这样一来， 设计者不得不从诸如桩身材料优选、加大桩身截面、追求新的有效的沉桩工艺等 途径来进行桩的改良工作。于是就出现了不同类型的桩，灌注桩就是其中的一种。 设法提高灌注桩单桩承载力，以节省资金、创造良好的社会效益和经济效益，具 有重要的意义。 2 0 世纪5 0 年代后期，印度率先开始在在膨胀土采用多节扩孔桩，6 0 年代和 7 0 年代，英国及前苏联等国家也纷纷使用这一桩型。我国在1 9 7 8 年初开始相关的 施工工艺及静载试验研究，1 9 7 9 年在北京研制出第一代挤扩设备，1 9 9 0 年初研制 出第二代产品，挤扩支盘桩多年来已在全国十多个省市的1 0 0 多项工程中采用。 1 9 9 8 年我国研制开发出新型的多功能液压挤扩装置，由该设备挤扩形成的桩称为 多节挤扩灌注桩或d x 桩【l 3 1 。 2 0 0 8 年北京中阔地基基础技术工程公司又推出了最新一代的d x 旋转挤扩设 备如图1 1 所示，其桩身构造如图1 2 所示。该设备采用了边旋转边挤扩的设计思 想，在连续旋转的过程中三对挤扩臂逐渐向外打开。而且挤扩臂上设计弧形切刀， 可根据土体情况选择不同的挤扩臂和施工方式。对于一般土体，通常采用碾压挤 扩与切削碾压挤扩相结合的方式，挤扩臂正向旋转，切刀的刀口对土体进行少量 切削，同时切刀的外弧面对土体进行碾压，反转时外弧面对土体进行碾压挤扩， 不进行切削。 北京交通人学硕十学位论文 年一， 图1 1 旋挖挤扩设备图1 2d x 桩桩身示意图 自d x 桩在国内建筑中开始应用，其已经在北京、河北、天津、安徽、山东 等十多个省市的很多项目工程中使用；它在提高桩基承载力，减小沉降，增加桩 基安全性，降低工程造价和缩短施工工期等方面都取得了很好的效果。 通过实践证明：d x 桩基技术有着显著的经济效益和社会效益，有着强大的市 场竞争能力。该项技术已取得国家知识产权局颁发的专利证书，其设备在1 9 9 9 年 中国第十二届发明中被评为金奖项目。 1 1 2 研究意义 目前，对于计算d x 桩的受力机理、计算方法以及沉降的计算还处在探索阶 段，在铁路行业还没有形成统一的设计计算规程。现有的地区性规程或方法主要 还是参考建筑桩基技术规范得出承载力和沉降的计算公式，虽然其计算基本 能满足建筑工程的要求，但计算结果的可靠度不是很高。 客运专线和高速铁路等工程项目，对于承载力和沉降的要求极高，因此需要 更为准确合理的计算方法，这必须通过更多的工作来完善。在客运专线和高速铁 路项目中，沉降是重点关注的问题，通过实际的工程以及有关学者的研究，都表 明：d x 桩相对于同等直径的直孔桩的桩承载力要大，而且在承受相同荷载时的沉 降相对于同等直径的直孔桩要小。但是在荷载作用下，由扩盘造成的其上方一段 桩长内的侧摩阻力的损失、其下方应力的集中效应以及扩盘具体怎样影响沉降都 没有得到很好的解决。 本文将通过大比例尺模型试验和数值计算方法对d x 桩进行承载机理、承载 2 兰 _ - 一 载力高、稳定性好、沉降量小且均匀、能承受一定的水平荷载、有一定的抗震能 力等特点。但桩基础造价一般比较高，而且施工复杂，施工时产生的噪声及振动 影响环境。现代社会中，建筑物的规模越来越庞大，使得各种建筑物的造价往往 很大，在安全的基础上，建筑物的造价越低越好，这就要求使用不同种类的桩基。 桩基础按桩的数量可以分为单桩和群桩。单桩基础就是只有一根桩的基础。 二 这种基础的桩身面积一般较大。群桩基础是指由两根或两根以上的桩组成的基础。 群桩基础由承台把桩群上部联结成为一个整体，建筑物的荷载通过承台分配给各 桩，再由桩将荷载传递给地基。 桩按承载性状可分为端承桩、摩擦桩；按施工方法可以分为预制桩、灌注桩； 按使用功能可分为抗压桩、抗拔桩、水平受荷桩、复合受荷桩；按成桩的方法可 分为非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩。 端承桩是指在竖向极限荷载下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担，而桩 侧摩阻力相对于桩端阻力较小的桩，按端阻力承分担荷载的比例，端承桩又分为 端承桩和摩擦端承桩。摩擦桩是指在竖向荷载作用下，桩项荷载全部或大部分由 桩侧摩阻力承担的桩，按桩侧摩阻力分担的荷载比例，摩擦桩又可分为摩擦桩和 端承摩擦桩。预制桩是指在工厂或工地现场预先将桩制作成型，然后运送到桩位， 用某种沉桩方法将其沉入土中的桩；沉桩方法主要有锤击法、振动法和静压法； 预制桩按材料又可以分为钢筋混凝土预制桩、混凝土预制桩、钢桩、木桩。灌注 桩是指在施工现场先在桩位处成孔，然后在孔内加放钢筋笼，最后灌注混凝土而 制成的桩；灌注桩可以分为沉管灌注桩和钻孑l 灌注桩。抗压桩是指主要承受竖向 向下的荷载的桩。抗拔桩是指主要承受竖向上拔力的桩。水平受荷桩是指主要承 担水平荷载的桩。复合受荷桩是指既承受竖向荷载又承受水平荷载的桩。非挤土 桩是指在沉桩过程中对周围的土无挤压作用的桩。部分挤土桩是指在沉桩过程中 对周围的士体有定的排挤作用的桩。挤土桩是指在成桩的过程中桩孔中的土未 取出，由桩将土大量排开挤压到四周的桩。 北京交通大学硕十学位论文 1 2 2 桩基的作用 在一般的工民建基础工程中，桩基主要承受竖向的荷载。但是在像港口、海 上钻采平台、桥梁、支挡建筑等工程中，桩还要承受诸如波浪力、风力、土压力 等水平荷载。除此之外，在具有大型地下室等工程中，桩基还要承受较大的抗拔 力。所以桩的主要作用就是将建筑物上部的荷载传递到地基土层中去，确保建筑 物的安全。 在不同的工程中、不同的荷载条件下、以及使用不同的施工方法制作而成的 桩发挥着不同的作用，桩基的作用可以概括如下： 1 ) 通过桩侧表面与桩周土层的摩擦，将荷载传递到土层中，通过桩身将荷载 传递到桩端土层中。又由于桩可以具有很大的竖向刚度和承载力，可通过侧阻力 和端阻力将作用于桩顶的大的竖向荷载全部转移到地基土中，使上部的建筑物安 全。 2 ) 桩基可具有很大的竖向抗拔承载力，这对于地下水位较高的大型地下室的 抗浮有很好的效果。 3 ) 桩基可具有很大的水平荷载承载力，在一些以承受水平荷载为主的工程中， 可以设计相应的桩基来满足承载力等的要求。 4 ) 此外，桩基还可以改善地基基础的动力特性，提高地基基础的自振频率， 减小振幅，保证机械设备的正常运转；可作为标志桩、试锚桩、锚杆桩等特殊用 途。 1 2 3 单桩在竖向荷载作用下的工作性能 了解单桩在竖向荷载作用下的工作性能是合理进行桩基设计和施工的必要条 件。对单桩工作性能的研究，主要是分析土与桩的相互作用、桩的荷载传递机理、 破坏模式、承载力的发挥以及变形等问题。对于竖向荷载下桩土问相互作用的问 题，目前主要通过两个途径来认识：一是桩的小比例尺模型试验和桩的现场静载 试验【和1 0 l ，二是利用弹性理论及数值计算方法【1 1 16 1 。 对于单桩，在实际工程中，最为受关注的是承载力和沉降量。当竖向荷载作 用于桩顶时，桩身材料发生弹性的压缩变形，使桩与土之间发生相对位移，即而 就产生了对桩身表面向上的侧摩阻力；由于桩身侧表面受到了向上的摩阻力后， 会使桩侧土体发生剪切变形，从而使桩身荷载传递到了周围土层中，造成随着深 度的增加，桩身压缩变形、侧摩阻力、轴力逐渐减小。当桩侧阻力不足以提供平 衡桩顶的荷载时，竖向的荷载就会通过桩身一直传到桩底，使桩端土层发生压缩 4 1 综述 变形，产生对桩端的阻力。桩侧摩阻力与桩端阻力的分配比例与地基土的性质、 桩的类型、桩的尺寸、竖向荷载的大小有关。 从桩的静力平衡分析，桩项所受的竖向荷载q o 与桩侧摩阻力q s 以及桩底端阻 力瓯相平衡，即： 9 = g + 纬 ( 1 - 1 ) 在进行桩基础的设计与施工时，要注意桩侧负摩阻力的产生情况。所谓的桩 侧负摩阻力是指由于桩周围土层相对于桩向下位移，对桩产生的向下的摩擦阻力。 负摩擦阻力对桩的工作带来不利的影响，这相当于在桩项旋加了一个竖直向下的 荷载，无形之中增加了桩所受的总荷载，使桩的沉降量增大，桩身轴力增大。 桩侧土体的下沉量大于桩身的下沉量，这是桩侧摩阻力产生的必要条件。有 如下几种情况造成桩侧摩阻力的产生： 1 ) 桩周土体地面上受到大面积的堆载、填土等，或桩周土体受到长期的较大 的荷载作用； 2 ) 由于地下水位下降使桩周土体的有效应力增大，使土体有向下位移的趋势； 3 ) 在进行桩基施工时，桩穿越自重欠固结土、自重湿陷性黄土、松散填土而 后进入相对较硬的土层。 4 ) 桩周土体的冻融循环造成的土的融陷。 对于产生负摩阻力的桩基，在进行承载力计算时要分桩的类型进行不同的处 理。根据现有的研究成果显示，负摩阻力对摩擦型桩基的影响程度要大于端承型 桩基。 1 2 4 群桩效应 由多根桩通过承台联成一体，即构成了群桩基础。与单桩相比，在竖向荷载 作用下，不仅桩直接承受荷载，而且在一定条件下桩间土也可能通过承台底面参 与承载；同时各个桩之间通过桩间土产生相互影响；来自群桩和承台的竖向力最 终在桩端面形成了应力的叠加，从而使桩端平面的应力水平大大超过了单桩，应 力扩散的范围也远比单桩大。以上各种方面对桩基础的影响综合起来就使得群桩 的工作性状与单桩的有很大的区别。这种群桩一土一承台共同作用的结果就称为 群桩效应【 2 0 j 。 群桩效应主要表现在以下几个方面：群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土 反力、桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化、群桩的破坏模式等。在对群 桩效应的分析中，常会用到一个系数7 7 ，称为群桩效应系数，其计算公式为： 北京交通大学硕士学位论文 7 72 鲁( 1 - 2 ) 式中，鲰为群桩中基桩的平均极限承载力；q 为单桩极限承载力。 在不同的桩基中，由端承桩组成的群桩和由摩擦桩组成的群桩所产生的群桩 效应是不同的。在端承桩组成的群桩中，由于桩端阻力分担的桩项荷载占很大的 比例，桩端持力层比较刚硬，使得桩单独贯入土层量很小；对于低承台桩，承台 底地基土分担的荷载可忽略不计，使群桩中基桩的工作性状与单桩相似，桩与桩 之间、桩与承台的相互作用可以忽略不计。即群桩效应系数近似取为1 。在摩擦桩 组成的群桩中，由于桩侧阻力占有很大的比重，桩端贯入土层的深度相对较大， 加上桩身的弹性压缩变形；对于低承台桩，会造成承台底部也承受一定的地基土 反力，这使得群桩的工作性状趋于复杂；群桩中任一基桩的工作性状明显不同于 独立的单桩，群桩的承载力也不能简单等于各单桩承载力之和，群桩效应系数也 不等于1 。对不同的受荷情况、不同的土层持力层，群桩效应系数都会不同。 根据离心试验，对于处于软土地基中的低承台摩擦群桩基础，在承台面积相 同时，当桩间距从2 d 增加到5 d 时相应的群桩效应系数从o 8 8 增大到1 0 3 。 在群桩效应的研究与处理中，还常用到另外一个系数：群桩效应沉降比足。 其定义为： r 2 鲁 ( 1 - 3 ) 式中，& 为群桩的沉降量，s 为在承受相同桩顶荷载下单桩的沉降量。 一般来说，在群桩中，由于相邻桩应力的叠加导致桩端平面以下应力水平提 高和压缩层的加深，使群桩的沉降量要大于单桩的沉降量，故群桩效应沉降比足大 于l 。由以上公式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可以知道，群桩效应越明显，群桩的极限承载力越低， 群桩效应系数越小，群桩效应沉降比越大。 1 3d x 桩的特点 d x 桩和普通的桩相比，有以下特点： 1 ) 承载力、抗拔力、水平抗力高。 由于分岔和扩盘增大了桩身的有效承载面积，同时挤扩设备对周围土体有一 定的挤密作用，因此多节挤扩灌注桩可大幅度提高单桩承载力【2 1 1 。多节挤扩灌注 挤扩装置有着显著的优势，双油缸双向相对位移带动三对挤扩臂对土体进行水平 挤压，挤扩臂始终与土体接触，上下面土体均被挤压，土体扰动小，无沉渣或少 掉土。抗拔能力好，具有良好的抗震性能及承受活荷载的能力。 6 1 综述 由于挤扩支盘桩的“糖葫芦”作用，同时因为支盘处土体在挤压成盘时被挤密， 各支盘与土体较紧密地相互嵌固，使得支盘桩的抗拔力及水平抗力都相应地提高 2 2 2 4 0 图1 3 为在北京市莲花桥附近的靛厂村进行的d x 桩和直孔桩的对比试验的静 载荷结果，桩身桩径o 2 m ，扩盘直径0 6 m ，桩长4 2 m 。从图中可以发现，在同样 桩长下，由于扩盘的存在，d x 桩的极限承载力比直孔桩的要高很多。 桩顶荷载q ( k n ) o】0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 07 0 0 8 0 0 o 3 0 蓦 显6 0 精 娶 掘 9 0 1 2 0 1 5 0 图1 - 3 北京靛厂村d x 桩和直孔桩的q s 曲线 2 ) 沉降小 对于摩擦桩或摩擦端承桩，其竖向承载力中的摩阻力发挥所需位移较小，而 端阻力的发挥需要较大的位移。而且由于摩阻力的存在，桩身相对土体的位移总 是上大下小。因此相同荷载条件下，直孔桩的沉降往往较大，而d x 桩设置在桩 身上部或中部的扩盘可以率先发挥承载力，因此d x 桩比直孔桩的沉降要小很多。 另一方面d x 桩通过分散承载的方式，使得传到桩底的荷载较小，而且桩周 的荷载较为均匀，因此桩底土层的沉降也小于直孔桩。 同时d x 桩的挤扩对扩盘周围的土体进行了预压，减少了实际承载时的变形。 预压又大大提高了桩周土的变形模量、减小了孔隙比，因此d x 桩的沉降要小于 同等条件下的直孔桩。从图1 - 4 所示的河北沿海高速的试验结果看，直孔桩对应于 极限承载力的沉降为3 9 3 r a m ，而d x 桩的沉降为2 1 8 1 m m 。在荷载为3 0 0 0 k n 时， 直孔桩的沉降达2 0 m m ，而d x 桩的沉降仅为1 5 m m 。 7 北京交通人学硕士学位论文 0 2 0 0 0 4 0 0 06 0 0 0 8 0 0 0l o o o o 荷载q ( 1 斟) 图1 _ 4 河北沿海高速d x 桩与普通直孔桩的q - s 曲线 由于在成盘作业时，挤扩土时的压力值可以反应出各土层的软硬程度，这样 可以验证勘探资料的可靠性，进而对桩的设计根据需要做相应的修改。 d x 桩挤扩设备无套筒，挤扩臂为外连接，臂内表面呈三角形，不易夹土，挤 扩臂能顺利回位。d x 桩技术具有工艺独特，操作设备方便；机械先进，技术经济 竞争力强；单桩承载力高，成桩差异小，盘腔成形稳定；而且在同等荷载下，相 对于相同直径的等截面桩，其沉降要小；对环境的影响较小，适用范围广；节约 成本，降低造价等。 3 ) 成孔成桩工艺使用范围广 按不同成孔工艺可结合采用潜水钻机、正循环钻机、冲击钻机和钻斗钻机进 行泥浆护壁法成孔，也可结合采用长螺旋钻机进行干作业法成孔，还可结合采用 贝诺特钻机进行全套管护壁法成孔。 4 ) 经济 由于单桩承载力较大，在负荷相同的情况下，可比普通直孔桩缩短桩长，减 少桩径或减少桩数，作为桥梁基础，可供设计灵活使用，这不仅能节省投资，而 且施工方便、工期短、造价低。从大量工民建，例如武汉劳动力市场、天津金宝 大厦、济南北洋商务大厦等高层建筑中采用d x 桩的经验来看，d x 桩比普通灌注 桩节约成本率3 0 左右。 5 ) 工艺先进对环境保护有利 与打入式预制桩相比，施工噪声低，无振动；与普通泥浆护壁直孔桩相比， 泥浆排放量显著减少。 与挤扩支盘桩相比，d x 桩还具有下列优点：施工过程可由各传感器测试数据 而加以监控、挤扩岔腔稳定而不坍塌、抗拔承载力大、可实施成孔与挤扩装置的 车载一体化，挤扩效率高等【2 4 1 。 d x 桩与其它几种典型桩基础的优缺点对比如表1 1 所示。 o，m：2筋如巧 一量n)q澄犁 1 综述 表1 1d x 桩和其它几种典犁桩的比较 桩型优点缺点 适用十i ：层较弱、下层较好的十层：对l f f 问 锤击产生振动、噪音污染，配置钢筋较多， 预制桩 十产生挤密作用，施工质量较稳定而容易控 造价较岛 制 比d x 桩造价高，钢筋、水泥用量多，桩尖虚 普通灌注桩施工方法较简单：适应住较强 十难十处理，桩身町能自缩径 仅适用于上部为软弱土层、下层为较好持力 沉管灌注桩 能改善灌注桩和预制桩等桩的施t 缺欠 层的土层。产生噪声，也易产生桩身质量问 题 挤土效果好，利用锥面可增大桩的侧阻力； 锥形桩桩长有限，施t 产生噪音、振动等 承载力提高，沉降量较小 孔底注浆桩或由于二次注浆町解决普通灌注桩的桩尖虚士 二次注浆需多耗费水泥、造价高。易对相邻 基础产生小利影响。碎石注浆桩身质量难卡 碎石注浆桩及桩身与土的收缩缝隙，提高承载力 保证 可以防止地震时地摹十的液化，提高桩侧阻 毒 竹节桩 施工产生噪音、振动污染，桩入土深度较短， 力，承载力比普通直孔桩高3 0 4 0 承载力有限。竹节处尺寸扩大有限 桩端可夯扩成大头，能改善桩端持力层的密仅适用于卜部十层软弱，下部有一层较好的 夯扩桩实度，比沉管灌注桩和顶制桩承载力高，施持力层。施工时产生噪音，也有桩身质量问 工速度快，降低成本题 施t 简便，造价低，承载力高，沉降量小， 对无粘性的砂、碎石类土，难卡在水下形成 大直径桩( 墩)扩人状头，施t 时冈应力释放而出现孔壁士 混凝十质量易于保证，抗震性能好 的松弛效应，导致侧阻力降低 集预制桩和夯扩桩的优点；施工工艺简单，在较弱土层中成岔、盘较困难，专利产品有 d x 桩造价低，承载力高：能以桩径小、桩长短的待进一步完善，设计参数及承载力计算公式 桩满足承载力较岛的要求 需进一步研究 由于其突出的优点，虽然仅有1 0 多年的发展历史，d x 桩已经应用于十二个 省市及地区的工业厂房、商住楼、发电厂及高速公路桥梁基础等领域；已完成项 目总数1 0 0 多项；总桩数4 万余根，收到了非常好的工程效果和经济效益。目前 一些大型工程中也都开始采用多节挤扩灌注桩，例如大广高速公路河北饶阳的滹 沱河特大桥、幸福渠特大桥、江苏的l n g 工程、唐曹高速南堡盐场特大桥等。但 是在铁道桥梁基础中还未有使用的先例。 d x 桩的主要缺点在于设置扩盘的土层厚度宜大于3 d ( d 为桩身直径) ，且除 9 北京交通大学硕士学位论文 底扩盘外各扩盘下2 d 深度范围内不应有软弱下卧层。当底扩盘下存在软弱下卧层 时，其持力层厚度应通过验算确定。当淤泥及淤泥质土深厚，不适合挤扩。 1 4d x 桩的研究现状 1 4 1 研究方法 d x 桩的理论研究远远落后于工程实践，关于对d x 桩工程性状的研究，目前主 要的方法主要有：用有限元法进行计算分析【2 5 。2 7 1 、现场试验的方法【2 8 ，2 9 1 、数值模拟 法【3 0 。3 2 】、室内模型试验法【3 3 3 5 1 等。这些方法都有其优缺点，比如现场试验法能较 正确的反应桩的实际工程性状，但试验成本较高，而且研究得到的结果不具有广 泛的代表性。因此将两种或两种以上的方法结合起来研究，能更好的反应研究的 问题。 总的来说，有关d x 桩理论研究方面的工作很少。这是因为多节挤扩灌注桩 的承载力机理相当复杂，与直孔桩完全不同，多节挤扩灌注桩可以看作是多支点 摩擦端承桩。它的承载力实际上是由三部分组成：桩侧摩阻力、扩盘阻力、桩底 端阻力，这三种阻力之间又存在相互影响：其中扩盘阻力包含着摩擦和端承两种 因素；靠近扩盘上方的桩身摩阻力可能发挥不充分；部分摩阻力通过桩身向下扩 散对扩盘和桩端阻力也有一定影响。多节挤扩灌注桩由于其多级扩盘的存在导致 了目前人们对多节挤扩灌注桩承载机理的认识还很不充分，制约了多节挤扩灌注 桩在工程中应用的发展。 1 4 2 承载力的研究现状 上世纪七十年代末，北京市建筑工程研究所【3 6 】在团结湖小区进行干作业成孔 的小直径( 桩身直径3 0 0 m m ，扩大头直径4 8 0 m m ) 两节和三节扩孔短桩( 桩长不足5 m ) 施工工艺及静载试验。试验表明两节和三节扩孔短桩的竖向承载力是同等直径一 般桩的1 2 8 1 7 6 倍。 o g u r ah 3 7 - 3 9 1 介绍了类似竹节桩的一种桩型( n o d u l a rc y l i n d e rp i l e ) 在砂土中的 模型试验试验情况，证实了其承载力远远高于同直径的等直径桩，并且对荷载沉降 曲线进行了理论分析神户大学u c h i d ak 教授等【柏】介绍一种如图1 5 所示的两种 直径多节钢桩在水泥土中的模型试验研究，( 这种桩采用特殊的带多片旋转刀片的 钻杠钻孔成桩) ，通过埋设的压力盒和荷载传感器，量测桩端荷载传递情况，桩底土的 压力变化情况，并通过透明的丙烯酸树脂板观察土体随荷载产生的变形情况，与 l o 1 综述 d e m ( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) l 拘数值模拟结果进行了对比试验采用三种不同变直 径桩和一个等直径圆柱形桩进行对比，三种不同变直径桩的主要区别是凹、凸部分 的长度不同，结果证明变直径桩的承载力大大高于圆柱形桩，凹、凸部分的长度变化 对承载力有影响，凹进部分长承载力要高。 图1 - 5 类似竹：1 i 了桩的桩型 1 9 9 2 年，北京交通大学唐业清教授 4 1 】进行了挤扩多分支盘混凝土灌注桩受力 机理及承载力性状的试验研究，做了1 8 组不同盘距、不同盘数支盘桩的数据测定， 总结出不同盘距或盘数对承载力的影响和承载力的计算公式，对挤扩支盘桩技术 作为承载桩及支护桩的应用提供了重要的理论依据。1 9 9 4 年在中国水利水电科学 研究院主持下，对挤扩支盘带来的土质挤密效果进行了7 2 组试验，得出了不同土 层下挤密效果和成型规律。大量工程中都采用静载荷试验检测多节挤扩灌注桩的 承载力，这为研究多节挤扩灌注桩的受力性能提供了详实的数据，相关报道则相 对较多。 文 4 2 ，4 3 】对天津软土地区挤扩支盘灌注桩的传力机理和竖向承载力作了研究， 提出了单桩竖向承载力的经验公式。1 9 9 8 年，北京中阔地基基础技术有限公司贺德 新等人研制出d x 多功能液压挤扩装置，这使得d x 桩在工程实践中迅速推广开来。 杨锦东等人【删于1 9 9 9 年进行的d x 桩现场试验研究表明，d x 桩由于中间支盘的存 在，使桩侧分担的阻力提高，但支盘问的距离不能太近，这样会破坏支盘之间的土 层，使承载力降低；挤扩支盘桩的破坏属于渐进型。武汉水利电力大学吴兴龙等 人【4 5 】于2 0 0 0 年在d x 桩现场测试、有限元计算和理论分析的基础上，分析了d x 桩 的变形破坏机理，提出了d x 桩的单桩极限承载力经验公式，并结合工程试桩资料， 分析了所提观点的合理性。中冶集团建筑研究总院王立建和刘波等【舶】对挤扩支盘 混凝土灌注桩单桩竖向承载力经验公式进行了探讨研究，他们通过对大量的挤扩 支盘桩竖向承载力试桩资料进行分析，提出了新的挤扩支盘桩竖向极限承载力经验 北京交通人学硕十学位论文 公式，并验证了该公式的适用性。 1 4 3 承载机理研究现状 1 综述 处于弹性阶段时，桩身直筒部分与相邻土体之间不产生相对位移，也就是说，借 助摩阻力的作用，桩壁拉着土体一起下沉，但扩盘的上斜面难以拉着斜面以上的 土体向下移动，故扩盘的上斜面将可能与土体脱离。而且杨志龙的计算在桩土间 没有引入接触面单元，因此桩土间的应力传递偏大，计算扩盘的埋深、尺寸及扩 盘间距对承载力的影响比实际情况要小。而且当桩顶荷载较大时( 如在使用荷载 下) ，扩盘下侧土体及桩端土体由于应力集中，会出现塑性区，此时如仍用线弹性 模型计算，则结果可能会失真。 文【5 0 】通过对挤扩支盘桩桩周土的开挖取样进行室内土工试验，得出挤扩分支 盘挤压应力对桩周土挤密效应所引起的土干密度的变化规律，提出了挤密效应综 合影响系数1 3 的概念和设计时应注意的有关问题。清华大学的常冬冬【5 l 】则采用弹 塑性有限元和g o o d m a n 界面单元模拟多节挤扩灌注桩的受力特性，分析了不同扩 盘设置的效果。中国科学院武汉岩土力学研究所周青春等人【5 2 】于2 0 0 1 年进行了单 桩垂直载荷试验，对其工作性状进行了研究，研究表明分布于桩身的支盘能较充 分地利用桩侧土的承载力，支盘承受了桩的大部分荷载，桩的荷载，位移曲线类似 如端承桩的缓变形曲线，桩的破坏形式表现为支盘附近土体的剪切破坏( 如图1 7 所示) 。 )9 ) 图1 7 d x 桩的破坏模式 北京市建筑工程研究院沈保汉等人【5 3 。5 6 1 2 0 0 4 年通过对比同等地质条件下挤扩 支盘桩与直杆桩承载力的差异，分析了挤扩支盘桩的荷载传递规律和侧阻力与端 阻力的分配及发展规律。清华大学陈轮等人【5 7 6 0 2 0 0 4 年通过大比例尺现场模型d x 桩静荷载试验，对d x 桩单位侧阻力和单位端阻力的发展规律进行了研究，并与直孔 桩作了比较，可为d x 桩的承载力设计提供参考。2 0 0 8 年机械工业第三勘察设计研 究院鲍生谋等人【6 1 】对d x 桩在竖向荷载下的破坏机理进行了分析，分析认为d x 桩在竖向荷载作用下，表现出端承桩受力特征，变形曲线为缓变型，且成台阶状突变 ( 如图1 8 所示) ；d x 桩的破坏形式主要为扩盘问土体承载