预应力管桩竖向荷载传递机理研究(土木结构工程专业优秀论文).pdf

中文摘要 本文在对单桩荷载传递试验的理论研究和发展现状调查的基础上，进行了一 定数量的静压预应力管桩韵足尺试桩的荷载传递试验。试验桩身内力测试元件采 用电阻式应变计，埋设在管桩混凝土外壁，并附环氧树脂胶和钢片保护。试验得 出各试桩的实测q s 曲线、桩身实测应变、桩身轴力分布曲线，并分析得出各 土层阻力与位移的关系曲线，为分析静压预应力管桩荷载传递特性提供足够的实 测数据。 分析预应力管桩的桩侧阻力的发挥性状，提出各土层极限侧阻力的取值范 围，认为桩侧土体材料在发挥极限侧阻力后均出现明显的应变软化。各土层发挥 桩侧阻力所需的桩土间相对位移不尽相同，一般不超过1 0 r m ，均己先于端阻力发 挥出来。土层随深度增大而侧阻力相应增大，浅部土层受挤土影响，侧阻力趋于 定值。分析预应力管桩桩端阻力的发挥性状，提出各土层极限端阻力的取值范围， 认为充分发挥桩端阻力所需的桩端沉降比相对其他桩型是非常小的，发挥极限端 阻力所需的桩端沉降约为桩端直径的5 1 0 。 研究预应力管桩的荷载一沉降特性，分析影响沉降的主要因素，研究了该桩 型主要荷载传递特性，并将荷载传递参数与其他桩型进行比较。同时对比分析了 敞口管桩与闭口管桩的q j 曲线形态，研究了其沉降特性，得出荷载沉降的解 析算式，提出了相同受力情况下，闭口管桩较敝口管桩在控制沉降问题上有很大 的优越性。 本文对一定数量预应力管桩竖向静载试验结果进行了统计归纳，并对管桩实 际承载力与设计计算承载力之间的差异进行了分析研究，提出了建筑桩基技术 规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 中的经验公式的修正，并通过用实测结果与计算值对比，验 证了修正公式的实际意义。 关键词：预应力管桩应变测试竖向荷载传递单桩沉降承载力 a b s t r a c t b a s e do i lt h e n r e d e a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gi n v e s t i g a t i o no i l1 0 a dt r a n s f e r t e s t i n go i ls i n g l ep i l e , i h i sp a p e rc a r l i e 8o ras e r i a lo ff u l l s c a t ll o a dt r a n s f e rt e s to n s t a t i cp r e s s u r ep r e - s t r e s s e ds t e e lp i p ep i l e t h ep i l e sw e r ei n s t r u m e n t e dw i t hs t r a i n g a g e sw h i e dw e r ei n s t a l l e do i lt h e 飘j r f h c eo fp i l e sc o n c r e t eo u t e rw a l la n dw e r e p r o t e c t e db yt h ee p o x ya n dt h es t e e ld i s k a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t a t i cl o a d i n g t e s t , w eh a v et h el o a d - s e t t l e m e n tc l ：l r c s t h ed a t ao f s t r a i ni nt h ep i l es h a f ta n dt h ea x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o nc u r v e so ft h et e s tp i l e s a tt h es l f f r l et i m ew ec a ng e tt h er e l a t i o n c i ：u v eb 咖铷t h es h a f tr e s i s t a n e ea n dt h er e l a t i v cd i s p l a c e m e n t l t t er e s u l t s 孤b a s i c d a t af o r t h ea n a l y s i ss t a t i cp r e s s u r ep r e - s t r e s s e ds t e e l p i p ep i l e s a n a l y z e dt h eb e h a v i o ro f s h a f tr e s i s t a n e eo np r e - s t r e s s a ds t e e lp i p ep i l e ，t h er a n g e o ft h eu l t i m a l ev a l u eo fs h a f tr e s i s t a n c ei ne v e r ys o i ll a y e ri sp r e s e n t e d , t h er e l a t i v e d i s p l a e e m a n t st om o b i l i z et h eu l t i m a t er e s i s t a n c ei sd i f f e r e n tw h e ns o i li sd i f f e r e n t g e n e r a l l y , i ti sn o tl a r g e rt h a n1 0m m t h es i g n i f i c a n ts t r a i n ss o f t e nh a p p e n e da f t e rt h e u l t i m a t er e s i s t a n c ew e r em o b i l i z e d b e c a u s eo f t h es q u e e z ee f e e tt h es h a 丘r e s i s t a n c ea l t h es h a l l o wd e p t hi sc o n s t a n t t h ed e q ，e rt h ed e p t h t h eg r e a t e rt h es h a f tr e s i s t a n c ei s a n a l y z e dt h eb e h a v i o ro f a n dr e s i s t a n c eo f p i l e s ，t h er a n g eo f t h eu l t i m a t ev a l u eo f e n dr e s i s t a n c ei sp r e s e n t e d c o m p a r e dt ot h eo t h e rt y p e so f p i l e s ，t h es e t t l e m e n to f t h e p i i ct om o b i l i z ee n dr e s i s t a n c ei sv e r yl i t l e g e n e r a l l y , i ti s5 0 , - 1 0 o f t h ee n d d i a m e t e rf o rt h eu l t i m a t ee n dr e s i s t a n c e t h ee x i s t i n go f r e s i d u a ls t r e s si l e a l p i l ee n d i n c r e a s e sa n dr e s i s t a n c ea n ds h a f tr e s i s t a n c en e s 3 p i l ee n d t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h el o a d - s e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c , a n l y s i z e dt h es e t t l e m e n t i n f l u e n c ef a c l o l - m a d1 0 a dt r a n s m i s s i o n c h a r a e t e r i s t i e t h r o t l g ht h ep r e - s t r e s s e d a p e r t u r ep i p ep i l e sa n dt h eb l i n dp p ep i l e s l o a d s e t t l e m e n tt e s t , c o n t r a s t e d 也e 打q s e n r v es h a p e ，a n a l y z e dt h e i rs e t t l i n gq u a l i t i e s ，a n do b t a i n e dt h a tu n d e rt h es a m e c o n d i t i o nt h eb l i n dp i p e 硼da g om a r es u p e r i o rt h a na p e r t u r 8p i p ep i l e si nc o n t r o l l i n g s e t t l e m e n l a tt h es a r 1 1 et i m e , t h i sp a p e rc o n t r a s t e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a lr e s u l t a n dt h ep r e d i c t e dv a l u ea n ds u p p o s e daf o r m u l ar e v i s i o n ，a n dc o n f i r m e dt h e c o v r e l a t i o i lf o r m u l ap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：p r e - s t r e s sc o n c r e t ep i p ep i l e s t r a i nt e s t , l o a dt r a n s f e r , s i n g l ep i l e s e t t l e m e n t ，s u p p o r t i n ge a p a e i t y ? 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他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。 学位论文作者签名： 占，j ，毛为签字日期：。6 年，月。，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：扣乏，羌一导师签名纠约 i 签字日期：跏0 6 年f 月，f 日 签字日期：仰6 年，月日 ? 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外预应力管桩的发展现状 1 1 1 国外研究现状 世界上，目前日本、美国、加拿大、英国、俄罗斯等国家是研究、生产、应 用预应力管桩较多的国家。8 0 年代末起，发展中国家，如中国、马来西亚、菲 律宾对顸应力混凝土管桩的生产应用也普及起来，而且起步较高【“。 而最初管桩是如何出现的呢? 我们看一下预应力管桩的发展研究历史。 随着预制混凝土桩的出现，1 9 1 5 年，澳大利亚人w r h u m e 发明了用离心密 实混凝土的成型方法，开始生产环形管桩；1 9 3 4 年日本开始制造离心钢筋混凝 土管桩；1 9 5 1 年美国的r a g m o n dc o n c r e t ep i l e 公司首先将p c 桩( 预应力混凝 土桩) 用于储罐基础。由于日本地处地震地带，对预应力管桩的研究、设计、施 工以及应用上下了很大功夫，取得了丰富的经验，是当今世界预应力管桩方面技 术领先专家。在1 9 5 5 年日本制订日本工业标准j i s a 5 3 1 0 离心钢筋混凝土桩； 1 9 6 2 年日本首次使用了p c 管桩，用在东京l 号高速公路中东品川桥墩；1 9 6 8 年日本制订了j l s a 5 3 3 5 先张法离心预应力混凝土管桩标准；1 9 6 9 年日本开 发蒸压养护强度7 0 0 k g f c m 2 的r c 桩，1 9 7 0 年蒸压养护强度达8 0 0 k c m 2 的p h c 桩，并制订肛s a 5 3 3 7 - 8 2 先张法离心高强预应力混凝土管桩，后又于1 9 9 3 年 修订；1 9 8 3 年日本研制开发比p h c 桩具有更高的弯曲屈服强度、比r c 更经济 的p r c 桩。 1 1 2 国内研究现状 我国在1 9 4 4 年开始生产r c 管桩，2 0 世纪6 0 年代研制p c 管桩，1 9 6 9 年开 始批量生产，7 0 年代研制后张法预应力悬滚离心混凝土管桩( 雷蒙特桩) 。8 0 年 代以来，我国开始研制p h c 管桩广东省在1 9 8 4 年开始研制和应用 2 1 。1 9 8 7 年 上海交通部第三航务工程局混凝土预制品厂从日本引进了p h c 管桩的制造技术 和设备，开始用于码头等水上工程。同时，广东省有的厂家参照英国b s 标准和 日本j i s 标准，主要生产设备从国外引进，软件以国内为主开发了p h c 管桩。 我国于1 9 9 2 年制定国家标准先张法预应力混凝土管桩( g b l 3 4 7 6 - 1 9 9 2 ) 。1 9 9 3 年成立了全国预制混凝土专业委员会，1 9 9 6 年委员会和苏州水泥制品研究院组 第一章绪论 织全国有关专家。编辑出版了先张法预应力混凝土管桩的“结构设计图集”。管 桩的设计施工规范也在编制之中。1 9 9 1 年，广东省编制的省标建筑地基基础 施工及验收规程d b j l 5 2 0 1 9 1 里，首次将预应力管桩施工纳入规程中；与此 同时，冶金工业部一颁布了预应力混凝上管桩施工技术规程y b j 2 3 5 - 9 1 1 9 9 5 年广东省着手编制预应力混凝土管桩基础技术规程，将管桩基础的勘察、设 计、施i ：= 及质检等技术规范化。该规程于1 9 9 8 年1 0 月1 日在广东正式出版执行， 编号为d b j l 5 - 2 2 9 8 。此外，广东省还在编制静压桩基础技术规程，使预应 力管桩用静压法施工的设计、施工工作规范化。1 9 9 9 年8 月，浙江省在预应力 管桩多年应用的基础上编制了先张法预应力混凝土管桩9 9 浙( 3 2 2 ，使预应 力管桩的设计和施工工作得以规范化。先张法预应力混凝土管桩( g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 ) 已于2 0 0 0 年2 月1 日正式实旌，本标准根据我国先张法预应力混凝土管桩 的生产和使用现状，非等效采用日本工业标准先张法预应力离心高强混凝土管 桩( j i s a 5 3 3 7 ：1 9 9 5 ) ，对先张法预应力混凝土管桩( o b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 2 ) 进行 修订的。该项标准系国家强制执行标准，与( g b l 3 4 7 6 1 9 9 2 ) 相比，在以下几个方 面作了较大的调整：修订了管桩型号的分类方法、混凝土抗压强度试验方法、混 凝土强度检验评定方法、管桩抗弯试验的加载程序、管桩抗裂荷载和极限荷载的 确定方法等：重新确定先张法预应力混凝土管桩用钢材品种；补充了混凝土用掺 台料的有关规定。 在我国，近十多年来，预应力混凝土管桩的生产和应用以惊人的速度迅猛发 展，生产企业在1 0 年内增加1 0 倍，产量也增加了1 0 倍。从地区分布看，已由 该产品生产和应用最多的广东省逐渐推向长江三角洲和沿海地区，并向内地发 展。目前，由于在天津中高层、小高层建筑的大量出现，需要一种中等承载力的 桩型，而管桩正好能满足这种需要；同时天津的地质条件也满足管桩的应用条件。 所以，在1 9 9 7 年后，管桩在天津也得到了迅速而广泛的推广和应用，据不完全 统计，天津约7 0 以上的桩基础为预应力管桩基础。 1 2 预应力管桩的特点 ( 1 ) 预应力管桩的优缺点1 w 各地实践证明预应力管桩有如下优点： 1 单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 c 8 0 之间，桩身强度 高，并可打入中实密实的砂砾层及强风化岩层，桩端持力层经过强大的 挤压而极大的改变受力性能，因而可以获得较大的单桩极限承载力。桩端承 载力可比原状提高8 0 1 0 0 ，所以管桩承载力设计值要比同样直径的沉管灌 注桩或钻孔灌注桩高，如1 0 0 5 0 0 管桩，最高设计承载力用到2 7 0 0 k n ，相 天津大学硕士学位论文 当于6 0 0 和7 0 0 的钻( 冲) 孔灌注桩。 2 设计选用范围广。由于管桩规格多，常见规格3 0 0 6 0 0 ，单桩承载力从 6 0 0 k n - 7 2 0 0 k n ，既适用于多层建筑，也适用于高层建筑，且在同一建筑基础 中，还可根据荷载的大小采用不同桩径的管桩，既容易解决设计布桩问题， 也可发挥每根桩的最大承载力，并使桩基沉降均匀。 3 持力层起伏变化大的地质条件适应性强。因为管桩节长长短不一，搭配灵活， 接长方便，可随时根据施工现场持力层深度的变化来调整接桩长度，减少截 桩，节约用桩量。 4 单位承载力造价便宜。衡量桩基的经济效益，以每米造价或以单方混凝土造 价作对比都是不科学的，应用单位承载力( 每吨或每k n ) 的造价作对比。虽然 管桩每米造价比沉管灌注桩贵，但单桩承载力高，结果每吨承载力造价还是 比沉管灌注桩便宜；虽然管桩单方混凝土造价比人工挖孔桩和钻孔桩高，但 持力层比人工挖孔桩和钻孔灌注桩浅，所以每吨承载力的造价在正常情况下 还是比挖孔桩和钻孔桩便宜，就拿5 0 0 的预应力管桩和6 0 0 的钻孔灌注桩 来比较，5 0 0 的预应力管桩单桩承载力可以达到2 0 0 t ，6 0 0 的钻i l 灌注 桩单桩承载力接近2 0 0 t ，在同等地质条件下，5 0 0 的预应力管桩的工程造 价比6 0 0 的钻孔灌注桩的造价减少1 ，3 以上。在一般情况下，预应力管桩的 单位承载力造价在诸多桩型中是较便宜的一种。 5 运输吊桩方便，接桩快捷。 6 成桩长度不受施工机械的限制。管桩成桩长度短者5 6 米，长者可达到5 0 米以上，根据地质条件灵活搭配。 7 施工速度快、工效高、工期短。主要表现在：施工前期准备时间短，尤其是 p h c 桩，从生产到使用最短时间只需乳4 天；施工速度快，监测时间短。 8 桩身耐打，穿透力强。由于管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩身可 承受较大的压力或冲击力而不破裂，可以穿透5 埘米厚的密实砂隔层。 9 施工现场文明，现场整洁。 1 0 成桩质量较可靠，加上管桩的耐打耐压性，只要桩基施工时操作规范、认真， 成桩质量是各种桩基中最可靠的。 1 1 ，监理、监测方便。 另一方面，预应力管桩也有它的局限性主要表现在： 1 所需的生产、施工设备投资大。 2 用锤击法施工时，震动剧烈、噪声大，不能在城区内打桩，用静压法施工时， 震动和噪音较小，但静压桩架进出场搬运不方便。预应力管桩施工属挤土桩， 会给周围环境造成不利影响。 第一章绪论 3 打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去的条桩较多，同时基坑开挖时， 若每次开挖的深度及开挖的顺序不当时，易产生桩体倾斜。 4 有些地质条件，如石灰岩地区岩溶地层作持力层时，是不宜采用管桩的”l 。 ( 2 ) 预应力管桩适宜的地质条件 一般情况下，软土、粘性土、粘土、砂土及风化基岩等地质条件可采用管桩， 但对以下四类情况下不宜采用预应力管桩。 1 障碍物、老基础及孤石较多的地层不宜采用。主要原因是容易产生如下质量 事故。 管桩不能全部进入设计持力层，有的桩打到设计持力层，满足了设计承载 力的要求，有的桩打不下去，桩长相差较多，承载力也不能满足设计要求。 桩尖接触到孤石或地下障碍物时，桩身会突然偏离原位产生大幅倾斜，甚 至会折断桩身，造成断桩现象。 管桩桩尖易破损，桩头易打乱。 2 有坚硬夹层且不能作持力层时不宜应用或慎用。有些场地存在一层或多层次 密实状态的砂砾曾或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不作为持力层， 桩基必须穿越此坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩施工遇到这些夹层 时，要么穿不了，要么破损率很高，不能保证工程的质量。 3 石灰岩地区( 岩溶发育的地区) 。由于石灰岩地区岩溶较发育造成的石牙和 石沟使基岩岩面起伏变化较大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩石水溶性 岩石不存在强风化层，基岩表面之解是新鲜的岩石，强度商。在这样的地 质条件下进行管桩施工，桩长很难控制，容易发生断桩、斜桩、桩身跑位及 桩身稳定性差等现象。 4 从软弱地层变成坚硬地层。在上软下影、软硬突变的地层中，采用锤击法进 行预应力管桩施工时，由于缺少一层“缓冲层”，桩尖一接触硬岩层，贯入度 就立即变小甚至为零，使得管桩桩身容易破损，另外，由于桩端进入持力层 深度浅，桩的稳定性差，当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤 动及上抬，桩基质量得不到保证1 6 j 。 1 3 问题的提出 在我国，尽管管桩应用已经非常普遍，但由于缺乏对管桩沉降和承载力的原 位试验，因而对管桩基础的受力性能以及破坏机理的探讨仍未十分清晰，对各土 层的桩侧阻力特征值和桩端阻力特征值的取值很难确定。同济大学等提出开口管 桩存在“土塞效应”，并指出管桩在静压沉桩时一部分桩端土进入管桩形成土塞 一一 天津大学硕士学位论文 从而对管桩内壁_ 形成了内摩阻力。但是土塞对管桩的沉降和承载力是否有贡献， 其贡献多少，管桩内形成土塞的长度范围以及其与外摩阻力的关系是什么，管内 土塞的土的性状是否发生变化等都没能给出具体的解释。预应力管桩侧阻力和端 阻力是如何发展的，在其发展过程中都会受到什么因素的影响。同时，在预应力 管桩的总承载力中，对侧阻力g 和端阻力q 。进行分配问题是否同于一般预制桩， 桩端开口和闭口对单桩沉降和单桩极限承载力的影响是否异同。 1 4 本文完成的主要工作 本文研究了预应力开口与闭口管桩的荷载传递机理，分析比较了其异同；根 据足够的现场实测数据，分析了在天津地区管桩分段摩阻和端阻的发展过程，分 析了影响管桩摩阻力和端阻力的各种因素，并得出在不同桩端持力层的情况下， 管桩的侧摩阻力和端阻力的所分桩顶荷载的比例不同，且其单桩破坏模式不同； 通过对开口与闭口管桩单桩沉降q j 曲线、桩顶沉降以及桩底沉降占桩顶 沉降比例的比较分析，得出在荷载达到极限承载力之前，敞口桩桩底沉降所占比 例均高于闭口桩，即对于控沉基础而言，闭口桩较敞口桩存控制沉降上有很大的 优越性。 通过对用静载试验法、建筑桩基技术规范( j 6 j 9 4 9 4 ) 、预应力混凝土管 桩基础技术规程( d b 2 9 - 1 1 0 - 2 0 0 4 ) 中的经验法得到的管桩单桩极限承载力、极 限侧阻力和端阻力进行了比较，得出了适合天津地区极限承载力计算的修正公 式，为设计人员结合实际情况进行分析设计提供理论依据。 第二章竖向荷载作用下预应力管桩的受力性状 第二章竖向荷载作用下预应力管桩的受力性状 2 1 桩土体系荷载传递机理 当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下 位移，与此同时桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧 摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减，在桩土 相对位移等于零处，其桩侧摩阻力尚末发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身 压缩量和位移增大，桩身下部的摩阻力髓之逐步调动起来，桩底土层也因受到压 缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进 一步发挥出来，当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷 载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移显 著增大，直至桩端阻力达到极限或出现不适于继续承载的变形，此时桩所承受的 荷载就是桩的极限承载力。 由此可见，竖向荷载下桩土体系荷载传递过程可简单描述为：桩身位移“：) 和桩身轴力q ( z ) 随深度递减，桩侧摩阻力玑( = ) 是自上而下逐步发挥。桩侧摩阻 力玑( z ) 的发挥值与桩土问相对位移量亦即桩身位移s ( 力有关，如图2 1 c 所示。 qq ( z ) 、s ( z ) 、q a z ) 三者间的关系可通过数学表达式加以描述，取深度= 处微小 桩段落出，由力的平衡条件( 图2l b ) 可得； q ( z ) u d z + q ( ：) + a q ( z ) = q ( 力c - 1 ) 口向 出1 1 臣 p ，l f 0 俐4 - 由倒 f 们上 p ! 十 t j 2 p _l _ l 十 可百。可 可伊。萝 严乒 ( a ) 微桩段的作用力( b ) 轴向受压的单桩( c ) 截面位移曲线 ( d ) 摩阻力分布曲线( e ) 轴力分布曲线 图2 - 1 单桩轴向荷载传递 天津大学硕上学位论文 2 1 1 桩土体系荷载传递机理 由此司得； 啡) 一吉掣( 2 - 2 ) 由桩身压缩变形出( z ) 与轴力q ( z ) 之间的关系： 酢) _ - 嚣出 3 ) 可得： z 断面荷载： = 一e p 一，警= q 0 一u 胁啦( 2 - 4 ) z 断面沉降： 啦卜5 。_ 巧1 i q 。5 以上( 2 - 1 ) - ( 2 3 ) 中 _ ，一桩身横截面净面积； e 一桩身弹性模量； 【一桩身周长。 式( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 分别表示于 圉2 - 1 d ，e ，c 。将式( 2 - 2 ) 代入( 2 - 1 ) 可得： 北) _ e p u a e 等 6 ) 或 等= 等e a ， 出2 式( 2 4 a ) 和式( 2 - 4 b ) 是进行桩土体系荷载分析计算的基本微分方程。桩侧摩阻力 的发挥与桩土的相对位移有关，如果以土体作为参照系，桩侧摩阻力g j ( 2 ) 的发 挥与桩身位移s ( ：) 有关，桩端阻力的发挥与桩端位移s ( z ) k = f 有关。如果把 吼( z ) 一j ( z ) 及q ，一j 乜) l z = ，之间的关系称为传递函数，显然式( 2 4 a ) 或( 2 4 b ) 的 求解取决于传递函数吼( z ) 一s ( ：) 的形式，由此而产生对单桩荷载传递的计算方法 一荷载传递函数法。 荷载传递函数法是s e e d 和r e e s e 于1 9 5 5 年首先提出的计算单桩荷载传递的方 法，此后k c x d i ( 1 9 5 7 ) 、佐腾悟( 1 9 6 5 ) 、c o y l e 和r e e s o ( 1 9 6 6 ) 、h o l l o w a y ( 1 9 7 5 ) 等作出的发展。这个方法的基本概念是把桩视作为由许多弹性单元体组成。每一 单元体与土体之间侧摩阻力用一非线性弹簧代替，非线性弹簧的力与位移的关系 即表示桩侧摩阻力吼与桩土间相对位移j 的关系，把吼一j 关系称为桩侧荷载传 第二章竖向荷载作用下预廊力管桩的受力性状 递函数。桩端的土也用一非线性弹簧代替。这一非线性弹簧力与位移的关系表示 桩端阻力与桩端沉降s ( ) 的关系，q p s “) 关系称为桩端荷载传递函数，如图 2 - 2 所示。荷载传递函数法主要有两种计算方法：位移协调法和解析法。 圈2 - 2 荷载传递函数法 忡咖 图2 - 3 位移协调法 1 位移协调祛 利用实测的桩侧、桩端的荷载传递函数，考虑桩身各单元体位移与内力的协 调关系，可以求出桩顶荷载与沉降的关系曲线( q s ) 曲线p 棚。其具体步骤如下： ( 1 ) 把整个桩身划分成n 个单元体，每个单元体长度l = l n ，为桩入土深 度；一的大小取决于要求的计算精度。 ( 2 ) 假设桩端单元体( 第n 个单元体) 的底面产生的位移为，。，由此位移引起 的桩端阻力吼： = ，啤) ( 2 8 ) ( 3 ) 假设单元体为刚性体，按桩侧荷载传递函数确定相应于桩身位移& 时的 桩侧摩阻力。 ( 4 ) 计算n 单元体顶面处的桩的轴向力鲸i = 岛+ q 。a l u - ( 5 ) 计算月单元体中心点处的位移s n ： s n l = s p + 三怂。 式中a s + ，一单元体的弹性压缩量，即 趣= 降 嚣 悟” ( 6 ) 按n 单元体中点处的位移s 。重新按桩侧荷载传递函数确定桩侧摩阻力 ，重复以上( 4 ) 、( 5 ) 步骤，直到计算的最与假定的最一致为止，则”单元 体顶面处的轴向力g 。、顶面处的沉降s 。( 一。= j ，+ j 。) 已求得。 喀唾么 = 鼻 。鏖尹 一 天津大学硕士学位论文 ( 7 ) 往上计算上一单元体( 第h i 单元体) ，( ”一1 ) 单元体底面处的轴力和沉 降为己知( 即n 单元体顶面处的轴向力q 和沉降s 。) ，重复步骤( 3 ) 一( 6 ) ，反复 计算后求得( n 一1 ) 单元体顶面的轴向力g 一：和沉降，。、单元体的平均桩侧摩阻 力q ，( 。4 ) 。 ( 8 ) 依此往上逐个单元体进行同样的计算，直到桩顶单元l ，可求得桩项荷9 与桩顶沉降s 。 ( 9 ) 重新假定不同的桩端位移s 。，再由步骤( 2 ) 一( 8 ) 可求得相应的桩顶荷载 q 和桩项沉降s 。 ( 1 0 ) 最终可绘制完整的q s 曲线，并可绘制桩身轴向力q ( z ) 与深度z 的关系 曲线，绘制吼- - g 的曲线。由q s 曲线可确定单桩的承载力。 位移防调法也可用于成层土中，在实际应用上要取得比较满意的结果，其关 键是如何取得符合实际的荷载传递函数。 吼一s 的关系较为常用的有理想弹塑性、线性硬化、线性软化、非线性软化 等几种，这四种情况的吼一s 关系曲线如图2 - 4 所示。q p - s ( 2 ) i 。较常用的有 线弹性、线性硬化、理想弹塑性三种情况，其g p - - 5 ( z ) l 之间的关系曲线如图 2 - 5 所示【”1 。 ，甜 l 理想弹塑性2 线性硬化 3 线性软性4 非线住软化 图2 4 吼一s 戈系曲线 图2 - 5q p - 5 ( z ) 关系曲线 2 解析法 在荷载传递函数解析法中，以佐腾悟的方法最为普及，它能用来分析多种桩 型在均质士或非均质土( 包括成层土) 中的荷载传递在工程实践中桩都是处于成 层土层中。取吼一s 的关系为理想弹塑性模型( 图26 ) ，当s 增加到某一个限值屯 时，吼( z ) 发展到极限值钆，有： 黜：院羔 c ， 【吼( z ) = g 。阢( 2 ) = 式中：c 剪切变形系数 第二章竖向荷载作用下预应力管桩的受力性状 g 不仅与桩身材料和土的性质有关，而且还受桩侧土压力大小的影响，并 随着加载速度以及各种其它因素而变。 把式( 2 - l o ) 代入式( 2 - 9 ) 得： 学彳北) - o 挚。凡= 。 式中口一表示土与桩相对刚度的系数。 i ： 形l ( 2 一1 1 ) ( a ) = 常数 ( b ) 自上而下增大 图2 _ 6 理想线弹塑性传递函数 图2 7 各层土吼一摹曲线 桩端阻力q 。与桩端位移s ( ，) 的关系取线弹性关系有： q ，= 墨s ( t ) 式中足一桩端持力层的基床系数。 如果正确确定了各层土的e ，丘，就可以用式( 2 一1 1 ) 解出桩顶荷载与 桩顶沉降曲线( q s ) 、桩身轴力沿桩身分布的变化曲线( q ( z ) - z ) 以及桩侧摩阻 力沿桩身分布曲线( 吼( 2 ) 一z ) 等。 由于土层是分层的，所以各层土的钆与是不相同的，即使是在同一土层， 口。与毛也会因不同深度处的桩侧土压力不同而随深度变化。为简便起见，假设 各层土的气不变( = 民：一一，图2 7 a ) 或自上而下逐渐增大 ( 凡1 _ s 。2 ，图2 7 b ) ，只有这两种情况下，用解析法求解的桩侧摩阻力的 屈服过程才是由桩项顺序发展到桩端的。 2 1 2 影响荷载传递的因素 马特斯( n s m a l e s ) 和波洛斯( h o p o u l o s ) 运用线弹性理论进行分析的结果 表明，影响桩土体系荷载传递的主要因素有： l 力 力 “ “ 再 天津大学硕十学位论文 ( 1 ) 桩端土与桩周土的刚度比e e , 桩端土与桩周土的刚度比最，e 。愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快。当 b ，e = o 时，荷载全部由桩侧摩阻力所承担，属纯摩擦桩。在均匀土层中的纯摩 擦桩，摩阻力接近于均匀分布。当乜e = 1 时，属均匀土层中的摩擦桩，其荷载 传递曲线和桩侧阻力分布与纯摩擦桩相近。当最，e 。= m 且为巾长桩( 1 d 2 5 ) 时，桩身上段轴力随深度减少，下段近乎沿深度不变。即桩侧摩阻力上段可得到 发挥，下段由于桩土相对位移很小( 桩端无位移) 而无法发挥出来，但桩端由于土 的刚度极大，仍可分担6 0 以上的荷载，属端承桩。 ( 2 ) 桩土刚度比e e 。 当e 。e 愈大，桩端阻力所分担的荷载比例愈大；反之，桩端阻力分担荷载 比例降低，桩侧阻分担荷载比例增大。当e 。e , = c o 时，也就是说桩身可看作一 刚体，则桩端阻力和桩侧阻力同时发挥，按桩侧、桩端土体各自的相应刚度系数 来分担荷载，桩端阻力将占大部分。 ( 3 ) 桩长径比l d l d 对荷载传递的影响较大。在均匀土层中的钢筋混凝土桩，其荷载传递性 状主要受l d 的影响。当l d 1 0 0 时，桩端土的性质对荷载传递不再有任何的影 响，可见长径比很大的桩部属于摩擦桩或纯摩擦桩。 2 2 桩侧阻力的发挥性状 2 2 1 桩侧阻力的发挥性状 桩身受荷向下位移时，由于桩土间的摩阻力带动桩周土位移，相应地，在桩 周环形土体中产生剪应变和剪应力，一环一环沿径向向外扩散，在离桩轴一定距 离处，剪应变减少到零。根据此理论分析，可得发挥极限侧阻所需位移j 与桩径 d 成正比增大的结论。但按照传统的工程实践经验，发挥极限侧阻所需位移与桩 径大小无关，仅略受土类、土性的影响。这个结论是三十几年前w h i 蚓1 9 6 6 1 、 r e e s e ( 1 9 6 9 ) 等根据少量桩试验结果得出的。近几年来大直径灌注桩应用不断增 多，对大直径桩承载性状的认识逐步深入。就桩侧阻力的发挥性状而言，大量测 试结果表明，发挥侧阻所需要相对位移并非定值，而与桩径大小、施工工艺、土 层性质与分布位置有关。不过。大量常规直径桩的测试结果表明，发挥侧阻力所 需相对位移一般不超过1 0 m m ，且先于端阻发挥出来，因此埘于常规直径桩，认 为发挥桩侧阻力所需相对位移趋于定值的结论应用于实际工作中也不会有很大 的误差【“i 。 第二章竖向荷载作用下预应力管桩的受力性状 当桩侧土中最大剪应力发挥到极限时，即开始出现塑性滑移，但该滑移面往 往不是发生在桩土界面，而是出现在紧靠桩表面的土体中。这是由于成桩过程形 成一紧贴于桩身的硬壳层。对于饱和粘性土中的打入式预制桩，桩土界面的挤压 应力最大，超孔隙水压力也最大，在桩土界面上形成一“水膜”。该水膜不仅起 到降低沉桩贯入阻力的作用，而且有加速桩表面土固结的作用，经静置固结，形 成一紧贴于桩表面的硬壳层。剪切滑移面发生于硬壳外侧，相当于增大了有效桩 径，总侧阻力因此提高。 2 2 2 影响桩侧阻力的发挥的因素 影响单桩桩侧摩阻力的因素有；桩的设置方法、土的种类、桩的入土深度、 桩土间的相对位移、成桩后的时间等。 一、桩的设置方法影响桩周土的应力状态 在设置桩之前，土中的应力处于翰状态，即土中的侧向应力与竖向应力之 比为硒( k o 为静止侧压力系数) 。 对于预应力管桩，在施工过程中桩周土受到挤压，在桩周形成挤密区或扰动 区。当土被挤密时，作用在桩身上的法向应力和竖向应力( 土的上覆压力) 之比 会高于杨。一般情况下，法向应力比被动侧压力小些。当土被扰动时，扰动区 土的强度降低，桩侧阻力也下降。但静置一段时间，其强度可能慢慢提商，恢复 到设置桩前的强度或更高的强度，桩侧阻力也随时间慢慢增大。 二、深度对桩侧阻力的影响 按照土力学理论，桩侧阻力与作用在桩身的水平有效应力有关。 q ，= 口：o t m ( 2 一l o ) 随着深度的增大，作用在桩身的水平有效应力成正比例增大桩侧摩阻力也 应逐渐增大，但实际上并非如此。 ( 1 ) 由于桩打入土中时的挤土作用，在地表浅部形成隆起、产生径向裂隙， 地下水沿间隙渗入，在地表以下约g d ( d 桩径) 范围内桩侧摩阻力 基本丧失，在向下约( 8 1 6 d ) 范围内的桩侧摩阻力有所降低 1 2 - 1 3 1 。 ( 2 ) 在桩底端附近，由于桩端阻力的影响，侧向应力有所松弛，或出现径 向裂缝，或部分土随桩一起向下移动，使近桩端约( 3 5 ) d 范围内 的桩侧摩阻力有所降低。 ( 3 ) 在均质土中，桩侧摩阻力在一定深度范围内是随深度而增大的，超过 该深度后，桩侧摩阻力基本趋于定值，该深度即桩侧摩阻力的临界深 度。 天津大学硕士学位论文 三、桩土间的相对位移 桩侧摩阻力的发挥与桩土间的相对位移有关。朱小林等通过直剪摩擦试验 测定不同接触压力下材料( 钢、混凝土等) 与土( 淤泥质粘土、粉质粘土、中密 和密实砂土) 问摩阻力相对位移的变化。 m a s a m 、f u k u o k a ( 1 9 8 8 ) 对某地灌注桩( 桩径d = 2 m ，桩长l = 4 0 m ) 实测了桩 土相对位移j 与桩侧摩阻力m ，发现随着土层埋深的增大，q 。达到极限值所需的 位移也增大。浅层土q l 达极限值对应的s d 2 2 ；2 4 m 以下，当s d 达到1 0 时侧摩阻力尚未达到最大值。1 四、时间效应 桩侧摩阻力受桩身周围的有效应力条件控制。饱和粘性土中的挤土桩，在 成桩过程中使桩侧土受到挤压、扰动和重塑，产生朝孔隙水压力，故成桩时桩侧 有效应力减小，桩侧摩阻力是不大的。超孔隙水压力沿径向随时间逐渐消散，桩 侧摩阻力则随时间逐渐增大。其增长受时间因数五控制，而 正：i 4 c , t ( 2 1 1 ) d 。 式中，c 一土体径向固结系数； f 一距离打桩的时间； d 桩径。 故桩侧摩阻力达最大值所需的时间与桩径的平方成正比。非挤土桩由于成孔 过程中不产生挤土效应，不引起超孔隙水压力，土的扰动比挤土桩小，桩侧摩阻 力随时间的增长并不大，时间效应可予忽略。 2 3 桩端阻力的发挥性状 2 3 1 桩端阻力的发挥性状 随着桩顶荷载的增大，桩底土层因受到压缩而产生桩端阻力。当桩身摩阻 力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载。其荷载增量将全部由桩端阻力承 担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移显著增大，直至桩端阻力达到 极限或出现不适于继续承载的变形。桩端土层的破坏形式主要受桩端土层及桩端 上援土层的性质影响，另外成桩效应、加载速率对桩端土层的破坏形式亦有影响。 桩端土层破坏主要有以下三种形式： 1 、整体剪切破坏； 2 、局部剪切破坏； 3 、刺入剪切破坏。 1 3 第二章竖向荷载作用r 预应力管桩的受力性状 当桩端持力层为密实的砂、粉土和硬牯性土，其上覆土层为软土层，且桩不 太长时，桩端土体一般是整体剪切破坏：当上覆土层为非软弱土层时，则一般呈 局部剪切破坏；当存在软弱下卧层时，可能出现冲剪破坏。当桩端持力层为松散、 中密砂、粉土、高压缩性和中压缩性粘性土时，桩端土体一般呈刺入剪切破坏。 对于饱和粘性上，当采用快速加载，土体来不及产生体积压缩，剪切面延伸 范围增加，从而形成整体剪切葳局部剪切破坏。但由于剪切是在不排水条件下迸 行，因而土的抗剪强度降低，剪切破坏面的形式更接近于围绕桩端的“梨形”。 2 3 2 影响桩端阻力的发挥的因素 影响单桩桩端阻力的因素有：桩的设置方法、穿过土层及持力层的特性( 剪 切和压缩特性) 、进入持力层深度、桩的尺寸和加荷速率等1 1 4 】。 一、成桩效应对桩端阻力的影响 对于挤土桩成桩过程，桩端附近土受到挤密，导致端阻力提高。对于粘性土 与非粘性土，饱和与非饱和状态松散与密实状态，其挤土效应差别较大，因此 成桩效应对端阻力的影响相差也较大。 当土层是砂性土时，土层较为松散的，会因成桩效应而变得密实，端阻力提 高显著，但对于较为密实的砂土，端阻力下降提高不多。 对于粘性土，在合适的含水率下，使桩尖土层能最大限度地吸纳外来的动能 量，锤击能量的强夯作用使土层达到很大的密实度，端阻力大有提高。另外对于 坚硬粘性土层或强风化岩层，由于管桩耐打性好，当桩尖进入坚硬粘性土层或强 风化岩层后，经过强烈的挤压，桩尖下的坚硬粘性土层或强风化岩层已不是原有 的状态，岩体的承载力几乎达到中风化岩体的原状水平。桩尖周围的土体同样受 到强烈挤压、致密，桩入坚硬粘性土层或强风化岩层的深度范围内相当于形成一 个端承扩大头，扩大桩端的受力面积，一般认为入坚硬土层深度少于4 d ( a 为桩 径) 形成桩端扩大头作用明显，如果入坚硬土层不深，该作用不会很明显。 二、桩端持力层的土类 对于预应力管桩这种挤土桩，当土层为砂土时，松砂变密实；但在桩端以下 的密砂在高压下会被压碎或损坏桩端。当土层为硬粘土时，土受挤而开裂，也会 发生湿化软化。 三、进入持力层深度 桩端阻力随桩入土深度按特定的规律变化。当桩端进入均匀土