（地质工程专业论文）巨厚层土中大直径超长钻孔灌注桩承载性状的应用研究.pdf

摘要 巨厚层土中大直径超长钻孔灌注桩的荷载承载性状一直是工程 界的一大热点问题。超长桩己在工程中大量的被使用，尤其是在巨厚 层土中，如我国上海及沿海其他城市。因其地层大都为第四纪海相、 滨海相沉积层，厚度大，土力学性质较差，而且具有显著的流变性特 点，使得巨厚层土中大直径超长钻孔灌注桩的传递性状显得更加复 杂。本文从大直径超长钻孔灌注桩具有成桩时间长、桩身压缩量大的 显著特点出发，在理论上分析了桩侧摩阻力与桩周土的土性、成桩时 间、桩一土相对位移之间的关系。从分析了土的力学性质出发，重点 研究了成桩时间、桩一土相对位移对巨厚层土中大直径超长钻孔灌注 桩承载性状的影响： ( 1 ) 根据巨厚层土的流变性质，选择适当地桩周土流变模型； 由粘弹性厚壁圆筒问题解，得出了桩周法向应力与时间的函数关系： ( 2 ) 分析了桩一土相对位移与超长桩的承载性状之间的关系。当 桩一土相对位移达到了极限位移之后，这段桩的桩土界面产生了破坏 性滑动，桩的侧摩阻力达到了极限值；桩的下部分桩一土接触面仍然 处于弹性接触，桩侧摩阻力未达到极值。 ( 3 ) 以桩一土极限相对位移为标准，将超长桩分为滑移段和非滑 移段，建立了单桩计算模型。通过模型的分析，建立起超长桩的承载 力的计算公式，即在滑移段，利用公式( f ，= 只t a n 妒+ c ) 计算桩侧 摩阻力；在非滑移段，利用桩一土双曲线模型计算桩侧摩阻力。这是 对超长桩承载力计算的一个新的尝试； 工程实例证明，本文建立的单桩计算模型结果与试桩的结果很相 近，表明了在巨厚层土中考虑成桩时间是很必要的。 关键词： 超长桩，巨厚软土，成桩时间，荷载传递，桩一土相对位移，流 变效应 a b s t r a c t a sw ek n o wt h a tt h e 如n c t i o no fl o a dp r o p e r t i e so fs u p e 卜l o n gb o r e dp i l e s h a sb e i n gs t u d y i n gf i o r a l o n gt i m e ，s u p e r l o n g b o r e dp i l e sh a v eb e e n a p p l i e da 伊e a td e a li nl o t s o fv a r i o u sc i v i le n g i n e e r i n g s ，e s p e c i a l l yi n 山ea r e a so fs u p e r - t m c ks o rs o i l ，s u c ha ss h a n g h a ic i t ya n dt h eo t h e rc i t i e s a l o n gt h es e ai no u rc o u n n mw h e r en l es o i li so f t h ef b u n h q u a t e m a r y a n db i gt h i c k n e s sa n db a ds o i lt e x t u r e t h es o f ts o i li so ft h ee f r e c t i o no f o u t s t a n d i n g“e e p i n g e g e c t i o n ，w h i c hm a k e su l e s t u d y o fl o a d t r a n s m i s s i o nm o r ec o m p l i c a t e ! t h ed i s s e r t a t i o ns t u d y s 疔o mt w ot y p i c a l c h a m c t e r i s t i c so f s u p e r - l o n gb o r e dp i l e s ，猢l y z i n gr e s p e c t l yt l l er e l a t i o n s b e t w e e np i l e s i d e 仔i c t i o na 1 1 dm es o i lt e x t u r e p l i e sd e e p t h ，r e l a t i v e d i s p l a c e m e n to fp i l e s o i l a tf i r s t ，i d i s c u s sr e s p e c t i v et h a tt h es o rs o 订 t e x t u r e ，t h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to fp i i e s o i la i l dt h ef i n i s l l t i m eo fs i n 9 1 e p i i et h a tr e s p e c t i v ed i s t r i b u t et os i n g l ep i l e sl o a dc a p a c i t y a tt h es a l n e t i m e ，ie m p h a s i z eo nt h es l l _ b j e c to f t h es o i lt e x t u r e ，w 1 1 i c hi sa n a l y z e di n d e t a i li nt h e o r vt h es e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h e 兜a t u r e so fs o f ts o i l s c r e e p i n g ，c r e e p i n g o f s u p e 卜d e e p t h s o f ts o i li si m i t a t e d w i t hn l e v i s c o e l a s t i c i t ym o d e lo f 在a x w e l la n dm e s o i li a v e ra r o u n d i n gs i l l g l e p i l ei sd i 订d e di n t o 觚op a n s ，n a m e l y t h ea r e a so fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c “y t h ef h n c t j o no ft h en o r m a l s 缸e s st ot h e s i n 豇ep n es i d e f a c e a n d f i n i s h t i m eo f s i n g l ep i l e i si i e d u c e d丘o mt h e e l a s o p l a s t i e i t y 止i c k c y l i n d e r sa n s w e r - t j l et h 硎，t h e s i n g l ep i i ei sd i v i d e di n t ot 、v op a r t s ， t h e s l i d i n gp a nb e t 、v e e np i l e a n ds o i li nt h e p i l e su p p e ra i l dm e n o n s l i d i n gp a r t ，a c c o r d i n gt o t h em a x i m u mr e l a 虹v ed i s p l a c e m e n to f p i l e s o i l w i t h t h ed i s c u s s m e n ta b o v c ，m ef o m u l aa r e 撕v e da tt o a c c u m u l a t et h ew h o l es i l l g l e - p i l e ss i d e 趣c t i o nc o r r e s p o n d i n 翻y a t l a s t ， t h es t u d ya b o v ei s p r o v e dt ob ee m c t i v eb ym ee x a l l l p l eg i v e ni nt h e f b l l r t hd a r to f t l l ed i s s e r t a t i o n k e y w 0 r d s ： s u p e r - l o n gp i l e ，s u p e r - t h j c ks o f 【s o i l ，t h ef i l l i s h t i m eo f s i n g l ep i l e ，l o a d - t r a n s m i t ，t h er e l a t i v e d i s p l a c e m e n t o f p i i e s o i l ， c r e e p j n ge 疏c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书丽使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文： 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：年月日 中惰大学硕士学位论文筇一章慨述 1 1 前言 1 11 超长桩的应用现状 第一章概述 目前对于超长桩1 的定义有各种不同的观点“1 ，有的是单纯的以桩长命名， 如当直径d 0 8 m ，桩长l 6 0 0 m 或l 5 0 m 命名为超长桩；有的是综合考虑直径d 和长径比l d ( 即桩长桩径) ，如d 0 8 m ，l 5 0 【i l 或l d 1 0 0 为超长桩。本文认为， 超长桩对大直径桩而言，即桩径d 0 8m ，桩长l 5 0 m ，设计是以桩侧摩阻力为主 ( 桩侧摩阻力占桩总承载力的9 0 以上) 的摩擦型桩。 钻孔灌注桩是随着人们对地基基础要求不断地提高而出现和发展起来的。随 着科学技术的不断发展及各种大功率的钻机设备的研制成功，为钻孔灌注桩的发 展提供了设备基础；随着二次战后世界各地经济复苏与发展，高层和超高层建筑 物及重型构筑物不断兴建，对地基基础的要求不断地提高，使得绝大部分基础选 择钻孔灌注桩桩基础成为必然。在我国，大直径钻孔灌注桩的使用是在本世纪6 0 年代，为建设南京、上海、天津等地的桥梁和港口建筑物而逐步发展起来的；自 7 0 年代中后期，又陆续在广州、深圳、北京、上海等地用于高层和重型建筑物。 至8 0 年代末至9 0 年代初，随着改革开放的步伐加快，在数年间已普及全国除西 藏外各省、市自治区数以百计的大城市及各经济开发区，应用主要是黄土、土、 膨胀土等特殊土较厚的各类地基中p 】。后来，随着我国改革开放的深入，城市建设 也随之迅速发展起来，各地区，尤其是沿海区域等巨厚层土地区( 如上海地区，地基 为厚1 5 0 o m 4 0 0 o m 厚的第四纪冲积层，天然地基承载力低、变形大) 许多超高 层建筑、重型构筑物的出现，使超长桩的使用成为必然。因为超高层建筑需要承 载力很大的基础，而且又有严格的基础沉降控制，在巨厚层土地区中，其它基础 类型是难以达到此目的的，只有依靠桩侧摩阻力或让桩的桩端持力层进入地层深 处较好的土层，才能达到设计的要求和目的。如上海8 8 层的金茂大厦，桩长入土 深度达8 0 0 m ，上海浦西的港汇大厦采用了入土深度达8 5 o m 的钻孔灌注桩，杭 州钱塘江大桥采用了甚至长达1 3 0 o m 的钻孔灌注桩“1 。 1 1 2 超长钻孔灌注桩的特点 荷载传递机理：当竖向荷载逐步施加于桩顶，桩身上部受到压缩变形，而 主：本文中的“超长桩”指的是“巨厚土中大直径超长钴孑已灌注桩。 1 中惰大学硕士学位论文 筇一章慨述 使土层对桩侧产生摩阻力。桩身荷载通过土的摩阻力传递到桩侧土中，使桩身荷 载和桩身变形随深度递减。随着荷载的增加，桩身的压缩量和桩一土相对位移量增 大，随之桩身下部的摩阻力逐步发挥出来，同时，由于桩身的压缩量加大，使得 桩的上部土层某深度内，桩土接触面产生破坏滑动，桩周土达到极限摩阻力，此 段之后桩侧摩阻力不会随着桩土相对位移的增大继续增大。当桩的上部荷载进一 步加大，桩土接触面产生破坏滑动的位置向下移动。当上部荷载达到某一值后， 桩全部荷载都是由桩侧摩阻力承担。因此，从桩身长度看，桩侧摩阻力可以分为 两个部分，即发生桩土接触面破坏滑动滑移段( 此段桩周土达到了土的极限摩阻 力) 和桩身下部非滑移段，桩土接触面仍然保持弹性接触。 属摩擦型桩：超长桩桩长大，大量的试桩实验表明“”“”圳超长桩的桩 端阻力所占的比例小于1 5 ，有的甚至为o ，属于摩擦型桩。桩的承载特性主要 是靠桩侧摩阻力来承担上部荷载。下面是笔者收集到的一些关于超长桩的试桩试 验资料。( 见表卜1 ) 。 桩身压缩量大：从侧摩阻力的产生机理可知，侧摩阻力的发挥程度取决于 桩土位移的大小，这是所有摩擦桩的共同特点。一般摩擦桩桩侧摩阻力产生所需 要的桩土位移大部分来自于桩的刺入式位移，即在上部荷载的情况下其桩端压缩 桩端土，从而引起桩的上部桩土之间的位移；而超长桩因为其桩身较长，在巨大 的轴向荷载下，当桩身下段发生桩侧摩阻力时，整个桩身在上部荷载的作用下产 生了桩本身压缩变形，大量的试桩工艺表明，桩本身压缩变形量是造成桩土相对 位移量主要的因素“”“”“州。 成桩时间长：从成桩工艺来看，超长桩的成桩时间较长，一般十来天，有 的甚至个多月。对于土来说，土的地应力平衡受到破坏，且土长时间受到水的 浸泡，不仅土的含水量增加，土产生蠕变效应，使得桩周土向临空面产生径向位 移，而且孔壁周围土产生应力松弛，从而影响整个土层的极限摩阻力。成桩时间 越长，松弛效应越明显n “。 综上所述，超长钻孔灌注桩具有摩擦型桩、桩身压缩量大，成桩时间长等显 著特点。 表卜1部分超长桩的试桩资料 桩项沉降桩端胆力 参与人或桩径 桩长( m ) 土层特点( m m ) 桩端所占比例 试桩地点 ( m m ) 沉降( m m ) ( ) o 9 24 ：粘土 朱向荣等 9 8 01 0 0 0 4 4 8 i 0l2 9 2 4 9 8 0 强风化凝灰岩 厦门 5 041 2 0 0 0 6 2 4 ：粘土 3 26 20 l1 24 0 1 13 ：粘土 赵顺波等6 8 31 0 0 0 3 12 5 0l4 5 1 1 3 7 76 ：中砂及细砂 o 5 93 ：粘土 张忠苗鑫泰广场7 608 0 0 3 l _ 9 3 2 0 91 3 9 5 93 7 6 9 ：卵石 张忠苗鑫泰广场 5 938 0 0 0 5 9 3 ：粘土3 06 5 6 3 71 43 张忠苗鑫泰广场 6 3 79 0 0 0 6 3 7 ：秸土2 7 0 l 34 3j 4 6 o 6 35 ：粘土 张忠苗鑫泰广场7 6 41 0 0 0 2 81 2 3 ，3 9 1 1 2 6 35 8 6 卵石 胡立明郑州市金 7 69 31 0 0 0 o 7 69 3 ：粘土 2 7 8 8 1 5 博大城 池跃君天津市北 6 0 51 5 0 0 0 6 05 ：粘土及粉细砂 3 2 3 5 3 0l l3 塘镇 胡庆立松花江某 0 6 1 0 ：粘土、细砂、中 6 l1 0 0 0 5 63 35 1 32 斜拉桥 砂 俞亚南浙江温岭5 08 0 0 0 5 0 ：淤泥、粘土2 1 7 973 1 2 问题的提出 超长桩的出现，给桩基理论研究与实践提出了新的课题与挑战。尽管超长桩 己被大量的使用，但这类桩的荷载传递性状仍不清楚，桩的设计仍按普通的计算 理论进行，迄今还没有符合接近实际的计算。现行规范关于超长桩设计理论并非 建立在超长桩荷载变形性状的基础上，存在理论与实际之间的矛盾。对超长桩荷 载传递性状认识的不足，导致超长桩的设计很难做到即经济又合理。因此，研究 超长桩荷载传递性状不仅是桩基理论本身发展的需要，更是工程界的迫切要求。 目前超长钻孔灌注桩的极限承载力的计算公式： 中惰大学硕士学位论文筇一章慨述 尺时= 一p g ，+ ，p g 。 ( 1 一1 ) 并按下式将桩的极限承载力除以分项系数得到承载力的设计值， r = j r 。，女玑。 ( 1 2 ) 式中：4 。一桩断面积： u 一桩周长； q 。一桩底土的极限强度； g 。，一第膀 的桩侧摩应力； f 一第f 层土的厚度； 玎，。一分项系数。 上式( 卜1 ) 和式( 卜2 ) 的前提就是假设桩的侧摩阻力沿整个桩长均能发挥至极 限，同时桩端土也能发挥出极限承载力。 其一，大量的试桩研究早己指出旧”“1 ，对一般非端承桩，桩的侧摩阻 力的发挥通常早于端阻力的发挥，极限侧阻力发挥所需的位移远小于极限端阻力 发挥所需的位移。张忠苗、吴世明、汤展飞“对杭州某试桩进行了桩端沉降量 和桩顶沉降量的实测，该试桩桩长4 5 o m ，桩径中l o o o 。桩端在第五级荷载 7 4 5 9 k n 时才出现微小的沉降s l = 0 3 l 舢，而此时桩顶沉降s 2 = 7 9 0 m ；第六级荷 载8 7 0 2 k n 时，s l = 1 5 2 m ，s 2 = l o 9 8 m ；第七级荷载9 9 4 5 k n 时，s l = 9 8 0 m ， s 2 = 2 0 5 9 m ：当桩顶荷载接近极限承载力时，桩端沉降才大幅度增加。以上的试 桩数据表明，桩侧阻力是由表至深层逐步发挥的，侧阻力的发挥是由桩土位移决 定的，所以各土层由于土的性状不同，其各层阻力发挥状态也不一样，等到桩端 处摩阻力发挥时，桩上部的土层己达到屈服状态，桩土接触面已受到破坏，而桩 的下部仍处于非弹性阶段。所以，式( 卜1 ) 和式( 卜2 ) 和一般静力经验公式按 各层摩阻力平均值来计算桩侧阻力显然是不合理的。 其二，在许多工程的钻孔灌注摩擦桩静载试验中常会碰到这么一些问题：在 同一场地，地质条件基本相同且桩的几何尺寸相同的两根桩，由于其成桩时间不 同，试验得出的单桩承载力相差甚远，有的甚至成倍相差。而动测的结果表明： 承载力较低的桩基桩身完整性和砼质量不比承载力较高的桩差。有人认为泥浆护 壁使承载力降低的，原因是桩周形成了一层较厚的润滑层，从而降低了摩擦系数。 但在进一步调查中发现，这两桩的成桩工艺样的，护壁泥浆的比重、粘度和厚 度并没有多大的差异，而且后来发现这两根桩的成桩时间相差很大。对于干作业 成孔桩来说，成桩时间对其成桩的质量没有多大影响。而且对于一般的桩长较短 的桩来说，成桩时间相对较短，成桩时间对桩的承载力影响较小。巨厚土层超长 ! ! 塑查堂堡主兰垡笙奎塑二里! ! 型 钻孔灌注桩就不同，不仅它所处的地层是土层，而且其成桩时间较长。粘土常有 明显的蠕变性和触变性，孔压有消散时间的延迟，密砂则有应力集中和应力松弛 现象。它们对桩的承载力的影响有个时间过程一时间效应。由于孔壁侧向应力解 除，钻7 l 灌注桩在成i l 过程中会出现侧向松弛变形。孔壁土的松弛效应将导致土 体强度削弱，桩侧阻力则随之降低。桩孔暴露时间越长，松弛效应越明显，桩坝0 阻摩阻力降低越大；此外，桩孔暴露时间越大，孔壁泡水软化现象越严重，孔壁 泥皮及桩端沉渣就越厚，同样会影响桩侧阻力发挥，并且发挥侧阻力所需的桩土 间相对位移加大”“。超长桩的试桩试验和研究”“”1 还指出，由于超长桩的成 桩时间很长，如有的十来天，甚至达一个多月，致使桩的承载力大大降低。文献 1 曾报道一根桩孔暴露时间长达8 8 8 h 的超长嵌岩灌注桩，实测单桩极限承载力 仅为设计值的i o 。 表1 2 。“成桩时间对桩侧摩阻力的影响 桩总摩阻力桩周平均摩阻力 f 桩号 桩径啊桩长m嵌岩深度m “成孔时间h k n( k m 2 ) f - l2 84 5 2l l o o6 39 0 8 024 9 6 8 。 1 1 04 5 21 0 2 02 l9 0 4 935 7 7 7 其原因：方面，因土的含水率增加，抗剪强度直接受到影响；另一方面， 由于土的蠕变特性和孔内原始地应力被解除，使得土的径向位移加大一即产生蠕 变效应和应力松弛，土的抗剪强度进一步的降低。为此，成桩时间对超长桩承载 力的影响也是不容忽视的一个因索，而目前，对这方面的研究不多。 1 3 超长桩承载性状的研究方法综述 1 ，3 1 裁荷试验法 在进行钻孔灌注超长桩设计时，静载试验法般是首选的方法。根据钻孔勘探 报告，试桩在加载方面，其加载方式用得越来越多的是快速分级加载法。在进行科 学研究时，试桩要求达至g 破坏，以便更好地了解桩的承载破坏过程。超长桩的静 载试验程序主要包过测试元件的布置，安装调节加载系统和加载程序三个方面。 由试桩结果得出p s 曲线( 郎荷裁一沉降曲线) 和s i g t 曲线( 沉降对间的 对数曲线) 及其他有关曲线，如s p 曲线，s 一t 曲线，后两类血线能很好 的反映各级荷载下不周的沉降增长速度和稳定情况。根据这些曲线特征的对比分 析，用来综合判定试桩的极限承载力和容许承载力。在国内，张忠苗、池跃君、 阳吉宝、赵顺波”1 等人对这方面的研究较多：在国夕卜这种方法也是常用的【2 ”。 静载荷试验法具有可靠、直观等优点，并且结合各种模型，能够详细具体的 中i 柯大学硕士学位论文 筇一章慨述 反映超长桩的荷载传递性状，能够较真实地反映超长桩的承载性状因桩径比，桩 与桩周土的刚度比，桩周土与桩端土，桩周土应力松弛、泥皮、沉渣等诸多因素 的综合影响。但是，静载试验因加载设备的限制，一般很难加到极限荷载，通常 是只加到两倍的设计值，即使这样，桩仍处于弹性工作状态。而且，静载荷试验 法工期长，费用昂贵，很少利用。 1 ，3 2 数值解析法 荷载传递法“1 荷载传递法( 也叫传递函数法) 由c o y l e 和r e e s e 在1 9 6 6 年提出的。这个方 法是利用桩的现场试验或桩的模型试验得到每段桩的摩阻力与该段桩位移的曲线 来分析单桩与土的共同作用关系的( 这种关系曲线首先由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 7 年提出的) 。在实际问题中，为了描述整个桩长方向的荷载传递性状，需要得到较 多的上述关系曲线。一旦桩土这种关系曲线获得后，就可求得在竖向荷载下的桩 侧摩阻力、桩身轴力分布阻及桩身各截面处的位移。这种方法的原理是：把桩戈0 分为许多弹性单元，每单元与土体之间用非线性弹簧联系来模拟桩土间的荷载 传递关系。桩端土也用非线形弹簧与桩端联系，这些非线性弹簧应力一应变关系， 即表示桩侧摩阻力r ( 或桩端阻力盯) 与剪切位移s 之间的关系，这个关系即作 为传递函数。由于这种数值模拟方法理论较成熟，得到广泛的重视和利用”“。 但传递函数法也有局限性：由于假定桩侧任何点的位移只与该点上的摩阻力有关， 而与其它点的应力无关，忽视了土的连续性，在理论上存在一定的缺陷。 弹性理论法o ”m “删 弹性理论方法首先由d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i 在1 9 6 3 年提出，以后t h u r m a n 和d a p p o l o n i 在1 9 6 5 年，s a l a s 和b e l z u n c e 在同期，i r 在1 9 6 7 年，p o u l o s 和d a v i s 在1 9 6 8 年，t t e s 和p o u l o s 在1 9 6 9 年，b u 饥e r f i e l d 和b a n e rj e e 在 1 9 7 1 年，b a n e r j e e 和d a v i s 在1 9 7 7 年，以及r a r d o l p h 和杼o t h 在i 9 7 8 年均 对单桩在竖向荷载作用下研究桩土共同作用问题。弹性理论法是对桩土系统用弹 性理论的方法来研究单桩在竖向荷载作用下桩土之间的作用力和位移之闭的关 系，进而得到桩对桩、桩对土、土对土以及土对桩的共同作用模式。此法把桩分 成若干个均匀的受载单元，通过桩上各单元的位移与嬷近土位移之阔的协调条件， 从而获得各单元受载大小的解；把土体看成线弹性体，用弹性模量厶和泊桑比v 。 两个变形指标表示的性能。如p o u l o s 弹性理论法对单掇摩擦桩原理的分析，基 本假定：将土看成均质的、各向同性的弹性半空间体，具有固定的弹性模量e 。 和泊桑比1 二。将桩看成长度l 、直径d 、底端直径d 的圆柱体，桩顶与地表面 平齐，并作用有轴向荷载p ，沿桩身圆周作用有均匀分布的剪应力- ，在桩端作 中南大学碗上学位论文 第一章概述 用有均匀的竖向应力。桩身侧面假定为粗糙面。只考虑桩与其临近土之间的 竖向位移协调，忽略了径向位移的协调。许多的试验汪明，假定中沿桩周分布 均匀的剪应力t 是和超长桩的试验值相差甚远，对超长桩的荷载传递性状有一定 的局限性。 剪切位移法”“1 剪切位移法是c 0 0 k e 在1 9 7 4 年提出的。假定桩在较小的荷载作用下( 即工作 荷载远小于其极限荷载) ，桩与土之间不产生相对滑动。因此，桩沉降时，桩周土 体也随着发生剪切变形，剪应力- 从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。 分析时假定桩侧土上下土层没有发生相互作用，且认为摩擦桩在一般工作荷载作 用下，桩端承担的承载力较小，即假定桩的荷载主要由桩侧摩阻力来承担。如 c o o k e 提出的剪切位移法从桩周一定范围内土的剪切位移模式出发，导得桩周土 弹性变形的公式，然而桩周土的变形是弹塑性的，且在靠近桩侧的范围内呈现出 明显的非线性甚至可能发生塑性滑动，对超长桩的性状的描述还是不尽人意。尽 管如此，在我国，朱珊，牛腾飞m3 和杨嵘昌，宰金珉“7 1 等在此方面作了许多研究， 取得了可喜的成绩。 有限单元法。4 ”1 有限单元法是国内外桩土共同作用使用的最普遍的方法，也是用来研究超长 桩的较广泛的数值法之一“8 。有限单元法最早是在分析结构力学问题的基础上 发展起来的，但不久便被人们认识到它也适用于求解许多其它领域中的问题。许 多研究者在研究桩土共同作用时也纷纷采用此法，所选取的单元有轴对称8 节点、 5 节点等。如郑刚、顾晓鲁”1 等编制的5 节点超参无穷元程序能够较好的模拟超 长桩在极限荷载或工作荷载下的桩侧摩阻力的发挥规律。正因为有限元可以很方 便的考虑到桩周土分层、桩端有沉渣、桩底注浆加固以及桩侧注浆、桩长变化闭 题，因此，引起了许多学者的兴趣。但是，采用有限元法对桩土的分析的缺陷之 一就是很难模拟土体无限域，往往在计算中要考虑很大一部分桩周域，导致其 结果计算量大，精度难以提高，而且，有限元中参数的选取对结果很敏感。“。在 我国，沈伟跃1 等提出了有限元无限元耦合单桩分析法，使有限元得到了进一步 的发展。 此外还有灰色理论法和神经网络法，由于这些技术在目前还是不够成熟，仍 处于探索阶段。 1 4 本论文的主要内容 随着超高层建筑和重型构筑物的出现，伴随着超长桩不断地运用于工程中。 由于大直径钻孔灌注超长桩在建筑工程领域中历史较短，经验少，研究电不多， 中南，、学硕十学位论义 第一章概述 又由于它主要用于高层、超高层建筑，是百年大计问题，造价巨大，因此对超长 桩的研究非常必要。而超长桩又主要运用于巨厚土层中，因此有必要对土中超长 钻孔灌注桩荷载传递性状进行研究。对土地区中超长钻孔灌注桩荷载传递性状， 工程界各专家一直未中断过对它的研究，并取得了可喜的成绩，但也有不尽人意 之处。本文就是在前人的基础之上，根据工程桩成桩环境和桩的实际受力情况， 考虑桩的承载力影响因素，包括桩、桩周土、以及成桩时间对桩周土抗剪强度的 影响一即桩周土的蠕变效应和应力松弛现象，分析研究了超长桩的承载传递性状。 本文主要包括以下内容： 运用粘弹性理论中的厚壁圆筒问题理论解，分析了成桩时间对桩土界面 法向应力( f ) 的影响，并得出了相关的函数公式。 分析了桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系。 通过分析超长桩和桩周土的受力特点，合理的选择了桩材料混凝土的本 构关系模型和桩周土的本构关系模型。针对超长桩桩身压缩变形占桩土相对位移 量较大比例的特点，通过计算分析在桩某个范围内桩身压缩量超过了桩土极限相 对位移量，从而将超长桩承载性状分为两个阶段，滑移段上，和以下桩一土非弹性 段( 三一) 。 针对大直径超长灌注桩的特点、成桩时间对桩周土的法向应力影响，建 立起大直径超长钻孔灌注桩的有关极限侧摩阻力和桩长、桩直径、混凝土弹性模 量e ，、桩的轴向弹性系数e 、土的剪切模量g 等关系的理论公式。根据所得到 的公式，并编写了有关程序。 ! 塑查堂堕主兰堡堡奎 笙二至塑堡堕! ! 堡些堡堕墼堡望壁鲨堕坚一 第二章超长钻孔灌注桩承载性状的研究 2 1 超长桩承载性状的主要影响因素 超长桩承载力影响因素主要包括桩周土的力学性质、桩径、桩一土界面条件、 泥皮、成桩时间、桩一土相对位移、桩身材料等。由1 1 2 节可知，巨厚层土中超 长桩的两个主要特点是：一是成桩时间长，土的流变性对桩侧摩阻力有显著的影 响；二是桩身长度大，桩在巨大的竖直荷载作用下桩身压缩量大，有数据表明b 3 l 桩身的压缩量占了桩一土相对位移量的8 5 以上。超长桩承载力以桩的侧摩阻力为 主，因此，很有必要对这两个方面进行研究。 2 2 桩周土的力学性质 桩周土是桩进行工作的物质基础，也是整个桩土体系中最复杂的因素。土的 强度指标主要是用土的抗剪强度来表示，土的抗剪强度简分为内摩擦角舻和内聚 力c 两个分量。从宏观上来说，土的抗剪强度的大小取决于：胶结性的联结、胶 体颗粒的联合作用和土的粘性。土的粘性不仅是由于胶体颗粒间的分子作用力 ( 这些胶体颗粒把较大颗粒粘结在胶体颗粒之间) ，而且也是由于不同的结晶联结 把土胶结起来；而结晶联结是在长期形成的，与其粘土类岩石的形成及存在中的 地质条件有关，当固体颗粒相互接近时，接触点的数目和面积也会增大，其分子 相互作用力也会随之增大。当固体颗粒间有滑动相对位移时以及结构被破坏，这 种与刚性的、胶结性的联结有关的土的粘性就会消失，且这种联结只有通过很长 时间后才再会恢复。基于此，在超长桩的钻孑l 过程中，由于钻具扰动，桩周土的 一定范围内的土发生了相对移动，其原始内聚力( 起源于分子相互作用力的粘性， 它随着土的密实度的增加而增加) 受到破坏，使士的抗剪强度有所降低。 2 21 粘性土的抗剪强度 ( 1 ) 关于土内摩擦角p 变化规德 土的内摩擦角伊值正确与否，往往是设计工作成败的关键。已有许多研究资 料表明”，土的内摩擦角主要取决于土的矿物成分，其次也受土的密度、含水量、 形成历史和结构等因素的影响。以石英、长石、方解石含量为主的土内摩擦角一 般在3 0 0 以上；以云母类矿物( 如伊利石) 为主的士妒值往往在1 5 0 至2 6 0 之间： 蒙脱石则可能低至l o 。或更小。土的塑性指数与其矿物成分有粗略的相互关系。 ! ：堕查兰堡圭堂堡堡塞 笙三里塑堡笪! ! 堡鎏堡堕茎堕垡丝竖堕旦! 生 卢肇钧油认为土的内摩擦角妒有两个部分组成，即： 妒= 妒o + 妒 ( 2 一1 ) 式中：吼为在液限制样并正常压密条件下进行剪切时土的残余内摩擦角，它只 取决于土的矿物成分，可称妒为土的基本内摩擦角即实际内摩擦角与的差 值，取决于土的含水量、密度、形成历史等许多因素，在不同土中具有不同的变 化规律。与塑性指数，。相互关系。“如下： 在7 ，。5 5 阶段中，9 0 = 3 7 4 0 o 4 9 ，； ，5 5 阶段中，纯= 1 2 4 。00 4 2 7 ，p ； 7 ，。1 8 阶段中，= 4 3 0 0 9 2 ，； ，。 1 8 阶段中，妒在1 6 0 至2 6 0 范围内变化； 柏。1 8 阶段中，旷般不超过2 0 ： 扭。 1 8 阶段中，伊的变化可能达1 0 0 以上。 ( 2 ) 凝聚力c ”“ 凝聚力包括真凝聚力和表观凝聚力。从微观来看，真凝聚力的来源主要是， 价键胶结、粒间的静电引力和电磁引力、主价键结合及粘聚；表观凝聚力包括毛 细管应力和表观机械力1 。从宏观来看，真凝聚力和表观凝聚力来源于下面几个 方面m 3 ： 正常固结的饱和粘土地层，其颗粒水膜间由于地质年代长期压力作用而 产生的粘聚力比较稳定，为真粘聚力。一般饱和粘土的真粘聚力不大，大致范围 在5 2 0 k p a 之间。如果土样具有应变软化的特性，则其真粘聚力随着应变的增 大而逐渐减小，最后达到残余强度时，其残余粘聚力为零。 超压密的饱和粘土地层在地质年代中曾经受过巨大的覆盖压力并被压 缩，在卸荷后土体应回弹并增加孔隙水的含量。但如果回弹时不能充分供水，则 在这种粘土中将形成毛细水弯液面和负孔隙水压力，由此产生吸附强度并形成表 观粘聚力。这种吸附强度可能很大，有时可高达4 0 一1 0 0 l ( p a 甚至更大，形成坚硬 粘土。但如果这种坚硬粘土的陡坡长期暴露在外，则随着外界水分的逐渐渗入， 地层内部的吸附强度将逐渐减小，直至发生坍滑。 非饱和土本身均具有不同程度的吸力和负孔隙压力，因而也具有吸附强 度形成的表观粘聚力。当这种土的含水量或孔隙比发生变化时，其吸力发生变化， 吸附强度也随之变化。 其它可能形成表观粘聚力的来源有：大孔性黄土中的钙质胶结作用，剪 胀过程中的颗粒咬合作用。这些作用都将随含水量的增加或应变的增大而消失。 中南大学硕士学位论文第二章超长钻孔灌注桩荷载传递性状的研究 2 22 无粘性土的抗剪强度 无粘性土的抗剪强度主要是靠粒间的内摩擦力和皎合力组成”27 “。内摩擦力 是土粒表面之间的摩擦，即当体发生剪切时。剪切面上下之间的土粒发生捐对 位移所产生的摩擦力。通过试验，陈希泽m 1 还认为，无粘性土中还存在种由颗 粒之问相互交错、镶嵌与连锁作用产生的结构力。无粘性土的强度不能完全用颗 粒间的滑动摩擦来加以说明”“，例如，石英砂摩擦角峰值的范围大约在3 0 0 到5 0 0 之间；而中。的值只有2 6 0 。该峰值摩擦角巾可以代表三种作用之和( r o w e ，1 9 6 2 ) ： 粒间接触的摩擦阻力、颗粒重新排列和剪切膨胀，如图2 一l 所示。在这个图中， 巾峰值角，中。是颗粒间的真摩擦角或滑动摩擦角，巾，是由校正剪切膨胀做功所 产生的相应摩擦角，而由。，是变形时的摩擦角。 在最小孔隙度时，达到峰值强度之后才会出现显著的粒间运动，因而颗粒间 重新排列的作用是很小的；所给出的很大剪切膨胀，是因为破裂需要体积膨胀克 孔隙率，n 任) 图2 一l 托状土中的抗剪强度分量 ( 摘自r w e 1 9 6 2 ) 服周围压力。如果周围压力很高，那么膨胀将减小，而随着剪切变形将有更多的 颗粒被压碎。在较高孔隙度时，因为颗粒沿各种不同倾角的平面滚动_ 和滑动，故 在破裂以前会发展某些颗粒的重新排列。 2 ，2 3 土8 抗剪强度的表达式 鉴于结构力q ，陈希泽推出的无粘性土的抗剪强度表达式为w ： 7 ，= c + 仃艘( 2 2 ) 一! ! 堕查主塑主堂堡堡：兰 笙三翌塑篓堕! ! 童鎏堕! 婆! 塑型竺堕塑型坠 式中：一无粘性土咬台力作用的内摩擦角，度； c ，一无粘性土咬合力作用的结构力，k p a 。 土的抗剪强度的试验表达式”“： t j 2 0 t g 争七c 式中： 一土的咬合力作用的内摩擦角，度： c 一土咬合作用的结构力，砀d ； 盯一土的法向应力。 2 3 成桩时间对超长桩承载性状的影响 一般来说，成桩时间包含三个部分：成孔时间、空孔时间及浇筑时间 成桩时间对桩周土强度的影响主要有两个方面：由于桩周土具有流变性 ( 土的触变性、蠕变性等) ，促使土的抗剪强度随着时间的延长而降低：孔内 原始地应力的解除，随着时间的增加，桩周土向孔内发生径向位移，导致土产生 了应力松弛。这两个方面在以前没有引起工程界足够的重视，而对超长桩的承载 性状又有很大的影响。 2 3 1 土的流变效应 23 1 1 土的流变机理 土的流变效应就是土的强度随着时间的延长而强度降低的一种现象，这是由 土的性质决定的。众所周知，影晌摩擦型单桩承载力的决定性因素是桩与桩周 的摩阻力，而摩阻力又取决于摩擦系数和桩与土之间的法向应力分布，这些除了 与土的力学性质( 重要的是土的抗剪强度) 相关外，与成桩时间也有极其紧密地 联系。由于土体显著的流变性，钻孔完毕后，在地应力的作用下，一方面孔径不 断的收缩，影响了桩径质量；另一方面。由于土体的松弛性，表现为桩周土c 驴 值的减小以及桩周土与桩之间法向应力的降低。巨厚土层中的超长钻孔灌注桩的 荷载传递，正是绝大部分由桩的侧摩阻力提供的。成桩时间越长，桩周土受水的 浸泡越长，土的含水量增加，土的内摩擦角减小，桩土接触面的性质也就越差。 土的流变就是土的应力、应变与时间的关系，包括以下四个方面【m 】；蠕变特性： 在恒定的荷载作用下土变形随时间发展的规律。流动特性：士的流动速度与 所受剪应力的关系，最后反映在粘滞系数玎的变化规律。长期强度：在长期 受荷之下土的强度随受荷历史的增长而改变的性能。应力松弛：在变形恒定 尘i 塑奎兰兰婴主兰丝垒奎 堡三翌塑茎堕翌壁生壁堕塑生望堡鉴堕塑至 的情况下应力随时问减小的特性。对桩的承载性状影响最大的是和两个方 面。 231 1 蠕变期间强度损失的原因 蠕变期闻强度的损失对于不排水条件下的软粘土变形和排水条件下的高度 超固结粘土很重要。对于前一种情况，在进行超长桩施工期间，在巨厚软粘土中 尤其显得明显，不但会影响孔壁的稳定性，而且直接会影响桩周土的桩侧摩阻力。 具体看来，可根据下列原理解释流变结果引起的强度损失： 如果土的强度绝大部分起因于胶结，且蠕变形变会导致胶结键的破裂， 则将失去强度。 当不存在化学或矿物学变化时，强度取决于破裂时的有效应力。如果蠕 变引起有效应力的变化，那么强度也将产生变化。 几乎在所有的土中，不排水变形中的剪切会引起孔隙压力的变化，而排 水变形中的剪切会引起体积和含水量的变化。 含水量的变化会引起土的强度的变化，土产生蠕变后会使土体产生应力 松弛效应，从而使土体抗剪的强度降低。例如：图2 一i 【7 i j 中表明依赖于土的类 时问 ( q ) 图2 l 蠕变秘应力松弛 ( a ) 在不变应力下的蠕应变 ( b ) 在不变应变下的蠕应变 ( b ) 时间 型和试验条件得出的各种不同的蠕变曲线。尽管看起来是很随机的，但是现在已 经知道与时间有关的形变和应力松弛性状形式是符合逻辑的。 2 3 1 2 巨厚土中应变和应力松弛的一般特征 蠕变过程可能有两种情况，即减速进行或加速进行，前种情况称为衰减 蠕变过程，后一种情况称为非衰减蠕变过程。对于不同类型土，作为划分衰减稳 定蠕变和非稳定蠕变的l 临界应力水平是不同的，即划分低、高应力水平的标准不 r m 柯大学硕士学位论文第二章超长钻孔髓注桩荷载传递性状的研究 同。 土体显示出蠕变和应力松弛现象。这些影响的大小随土的塑性、活动性 和含水量的增加而增大，且受排水状态和不排水状态的影响；但是对所有的土来 说，该性状表现形式基本相同。 有些土可以在持续的蠕变应力作用下显著地小于( 可达5 0 ) 不排水试 验中所量测的峰值应力的情况下发生破坏，该试样从加荷到破坏只用了几分钟或 几小时( c a s a g r a n g d e 和w i l s o n ，1 9 5 l ：h i r s t 和m i t c h e l l ，1 9 6 8 ) 。这个现象称为 “蠕变破裂”。对于大于某些极限值时( 低于该极限值时不发生破坏) ，其达到破 坏的时间随应力水平的减小按对数关系增加( m u r 8 y a m a 和s h i b a t a ，1 9 6 9 ) 。在不 水条件下的高度超固结粘土，在蠕变过程中的强度损失最为明显。 般说来，粘土含量越高和粘土的活动性越大，其应力松弛和蠕变也越 明显。似稳态值的蠕变速率与粘土的类型、粘土的含量和塑性有关，与时间有关。 不同类型土的应力松弛幅度各不相同。 2 3 2 巨厚中的流变模型 对土的流变模型，不同的学者根据各自的试验结果，采用了许多不同的模 型，它们分别适应于不同的条件。但无论采用何种流变模型，都应能比较方便 地用来解决生产实践中的土工问题。 陈宗基。认为：对土力学性质差的粘土应从实用的角度考虑可用图2 3 所 示的凇x 砸l l 模型来描述其流变特性，对超固结粘土采用图2 4 所示模型，对 兰州黄土在一定的含水量范围可采用图2 所示模型； o 图2 5 f 。l q u e 采用常规三轴仪对非饱和击实粘土进行了流变试验，德认为可采用 图2 6 所示的流变模型来描述土的流变特性。s 。n u r a y a l f i a 和t s h i b a t a 【7 9 1 用压 缩塑性仪对一种正常固结的冲击粘土层原状土样所进行的流变试验认为可采用 图2 7 所示的模型来表示。范恩锟，钱征等用拖板式单剪仪和盒式单剪仪对天 。，#十。眦 ! 堕查堂堕主兰丝堕塞 篁三童塑量堕! ! 壅鲨堕堑塑堡垄：! 燮塑塑：茎 津某地区的原状土进行了一系列流变试验，他们认为当时间大于1 0 0 h ，总观察 时间在5 0 0 h 以内时可用如图2 3 所示的淞x w e l l 模型来表示。 s 图2 书 h n 图2 7 对于粘弹性阶段，可以利用l a p l a c e 变换，把粘弹性问题变化成一个等价的弹性 问题，在l a p l a c e 变化空间中得到等价的弹性问题的解，在由逆换得出原来的粘 弹性问题的解。这方面，b 0 0 k e r 和p o u l o s l 8 8 1 及s