（道路与铁道工程专业论文）桥梁钻孔桩破坏机理与竖向承载力的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国高速公路、高速铁路的发展及施工技术的进步，在我国上个世纪九十年代 以来，大跨度桥梁得到迅速发展，因而上部结构对基础的承载力要求越来越高。大吨位 钻孔桩不但具有很高的承载力和较小的变形，而且还具有使用灵活、计算简洁、施工方 便、节省材料等优点，因而在大跨径桥梁工程中被广泛应用。但目前，在我国公路桥梁 规范中，对于桩基础仅给出轴向承载力的安全系数。由于目前桩基沉降计算方法的精度 均低于承载能力的确定精度，因此桥规中规定，对于桩柱及桩中距大于6 倍桩径时，桩 的沉降按静载试验曲线确定；对于群桩，将群桩视为实体基础，按分层总和法计算，但 未给出相应的限值。故在超静定结构中，不能预计桩的沉降对于上部结构的影响。因此 根据基桩沉降量合理确定大吨位桥梁钻孔桩竖向极限承载力己成为众所关注的问题。 本文采用d r u c k e r - p r a g e r 模型，建立了大吨位钻孔桩的分析模型，对于钻孔桩在竖 向荷载作用下的受力和变形机理进行了计算机仿真分析，并通过仿真结果与桥梁钻孔桩 静载试验结果对比分析，对于钻孔桩的侧摩阻、端阻力的形状，侧摩阻力、端阻力与沉 降的关系进行了较系统的研究。在此分析基础上，通过对荷载传递模型的比较，选定三 参数模型作为桩荷载传递模型，并利用此模型编制了相应的计算程序，对桩基的p s 曲线进行计算，根据p s 曲线合理的确定桩基的承载力，并将计算结果与试验及仿真 结果进行了对比分析，证明了三参数模型的有效性。 关键词桥梁钻孔桩；荷载传递理论：单桩静载试验；有限元模拟；三参数模型；沉降 控制承载力 东北林业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舢o n gw i t h t h ec o n s t r u c t j o nd e v e l o p m e n ti n s p e e d w a y s ，e x p r e s sr a i l w a y s a n dt h e c o n s t r u c t i o na d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y ；l o n g s p a nb r i d g eh a v eb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi n c h i n ai nt h en i n e t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y ，s ot h er e q u i r e m e n t so fb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e f o u n d a t i o n s ，w h i c hs u p p o nt h eu p p e rs t l l l c t u r e s ，h a v et u m e do u tm o r ea n dm o r es t r i c t t h e l a 唱ed i a m e t e rp i l e s ( u ) p s ) n o to n l yh a v es t r o n g e rb e a r i n gc a p a c i t yw i t hl e s sd e f 0 咖a t i o n ，b u t a l s oh a v es o m eo t h e ra d v a n t a g e s ：f l e x i b l ei na p p l i c a t i o n ，s i m p l ej nc o m p u t a t i o n ，c o n v e n i e n tf o r c o n s t l l l c t i o n ，a n de c o n o m i c a li nm a t e r i a l sc o n s u m p t i o n ，e t c ，t h u sl d p sa r ew i d e l yu s e di n l o n g - s p a nb r i d g ee n 酉n e e r i n g b u tn o w a d a y s ，i nt h ec o d eo fh i g l l w a yb r i d g eo n l yh a v es a f e t y c o e 仃i c i e n tf o ra x i a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o n b e c a u s et h ep r e c i s i o no fc a l c u l a t e s e t t l e m e n to fp i l ef o u n d a t i o ni sl o w e rt ot h ep r e d s i o nb ys t a t i cl o a dt e s tc u r v e s ot h e s e t t l e m e n to fp i l ei sc o n f i n n e db ys t a t i cl o a dt e s tf b rp i l e - p o l ea n dt h ep i l e ，w h i c ht h ed i s t a n c e o fc e n t e ri sl a 唱e r6t i m e s ，p i l ed i a m e t e ri nt h eb r i d g ec o d e f o rp i l e 伊o u p ，t h es e t t l e m e n tc a n b e e nc a l c u l a t e db yl a y e ra n ds u n l m a t i o nm o u t hb yp i l eg r o u pi sc o n s i d e r e db o d yf b u n d a t i o n ， b u th a v en o t 酉v e nt h el i m i t sv a l u e s oi nt h es t a t i c a l l yi n d e t e 栅i n a t es t n l c t u r e ，w ec a n n o t f o r e c a s tt h ei n f l u e n c e sw h i c ht h es e t t l e m e n to fp i l et ou p p e rs t l l l c t u r e s s oh o wt oc o n t r o l v e r t i c a lt e m l i n a lb e a r i n gc a p a c i t yb ys e t t l e m e n to fb o r e dp i l ei sap r o b l e mw h i c ha hp e o p l e a t t e n t i o n t h ep a p e ra d o p t sd m c k e 卜p r a g e rm o d e l ，s e tu pab o r e dp i l ea n ds o i lc o n t a c tm o d e lb a s e o n i m c k e r p r a g e rm o d e l ，t a k eac o m p u t e rm o d e la n a l y s i st od e s n 0 y st h e o r ya n dd i s t o r t i o n c h a r a c t e r0 fl a 唱e - d i a m e t e rb o r e dp i l eu n d e rv e n i c a ll o a de f f e c t ，a n a l y z e dt h r o u g hs e tu pt h e c o m p u t e rm o d e lr e s u l ta n ds t a t i cl o a dt e s tr e s u l t ，t h ep a p e ra n a l y z e ds y s t e m i c a u yt h ef i g u r eo f s i d ef r a c t i o na n de n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e ra n dt h er e l a t i o n so fs i d e 行i c t i o na n de n dr e s i s t a n c e w i t hs e t t l e m e n to fl a 玛e d i a m e t e rp i l e 0 nt h eb a s eo fa n a l y s i s ，t h r o u g hc o m p a c tt h el o a d t r a n s f e rm o d e l s ，t h ep a p e rt a k et h et h r e e p a r a m e t e rm o d e lf o rl o a dt r a n s f e rm o d e lo fp i l e ，a n d c o m p i l e dam a t l a bp r o g r a m m eo ft h em o d e lt oc a l c u l a t et h ep sc u r v eo fp i l ef b u n d a t i o n a n dc o n f i 册e dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ef b u n d a t i o nb yp sc u e ，a n dc o m p a c tt h e c a l c u l a t er e s u l ta n dc o m p u t e rm o d e lr e s u l tw i t ht e s tr e s u l t ，p r o v e dt h a tt h r e e p a r a m e t e rm o d e l i se f 琵c t i v ef b rc a l c u l a t e dt h el a r g e d i a m e t e rp i l e k e y w o r d sb r i d g eb o r e dp i l e ；l o a dt r a n s f 色rt h e o r y ；v e r t i c a ls t a t i cp r e s s u r et e s t ；f e m ； t h r e ep a r a m e t e rm o d e l ；c o n t m lb e a r i n gc a p a c i t yb ys e t t i e m e n t i i 1 绪论 1 绪论 1 1 大吨位钻孔桩国内外研究综述 桩基是一种用得非常广泛的地基基础形式。桩的类型、材料、施工方法随着生产力 水平的提高和科学技术的进步而不断地展。随着城市建设及公路运输事业的发展的需 要、大跨度桥梁的逐渐增多，对桩基的承载力和沉降要求也越来越高。同时有些地区地 表以下存在着厚度很大的软土或中等强度的粘土层，为满足承载力和减小沉降的要求， 不得不考虑把桩设在很深的持力层，而且必须把其截面设计得很大。大吨位钻孔桩的出 现解决了上述难题。 我国应用大吨位钻孔桩始于本世纪6 0 年代初，到8 0 年代末9 0 年代初，随着改革 开放步伐的加快，大跨度桥梁、高层、超高层的不断兴建，钻孔桩得以迅猛发展。大直 径钻孔灌注桩在我国公路桥梁工程中上获得广泛应用，表1 1 给出了大吨位钻孔桩在我 国部分桥梁工程上的应用情况。它具有以下特点【4 1 ： 。 1 、大吨位钻孔桩属于非挤土或少量挤土桩，施工时基本无噪音、无振动、无地面 隆起或侧移，对环境造成的影响小，对周围建筑物、路面及地下设施的危害小，适于在 市区施工。 2 、大吨位钻孔桩多为挖孔桩或钻孔灌注桩无需搬运吊装，不承受打击。配筋率大 为降低，并可视荷载条件沿深度作变截面配筋，降低了造价。 3 、大吨位钻孔桩直径大、入土深。最大直径已达4 m ，入土深度已达1 5 0 m ，并可 根据地质情况对桩长进行调整。 4 、大吨位钻孔桩的单桩承载力高，沉降量小，并可采用扩底的型式，更好的发挥 桩端土的作用。 5 、大吨位钻孔桩对桩所穿越土层的性质可从桩孔排出的土进行鉴别验证。大吨位 钻孔桩由于承载力高、施工简单、适应性强、造价经济等优点，在工程实践中用的越来 越多。 但同时由于大吨位钻孔桩是在地下开孔灌注成桩，故桩身质量不稳定，混凝土强 度较难保证，容易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥的现象；桩侧阻力与桩端阻力的发挥受 施工工艺影响，桩身直径变化较大，孔底沉渣不易清除干净。另一方面，它具有大承载 力的特性，致使现场试验变得比较困难，因此对在各种施工条件下形成的大吨位钻孔灌 注桩的受力、变形和破坏机理了解得不太透彻，系统的试验研究还不够【5 5 1 。 东北林业大学硕士学位论文 表1 - 1 国内桥梁大吨位钻孔实心桩一览表( 不完全统计) 吲 然而，在相当多的地区，特别是沿海发达地区，如上海、温洲、福州、天津、南 京，在深厚软土地基上建造大跨度桥梁、高、重及沉降控制严格的重要建筑物，日益增 多。在深厚软土层上建造重要建筑物，沉降量和差异沉降量控制是问题的关键。根据工 程经验，软土地基地区建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差过大造成的，特别 是不均匀沉降对建筑物的危害最大。不过，深厚软土地基上建筑物的沉降量与工程投资 密切相关，减小沉降量需增加投资，因此，合理控制沉降量非常重要。 近年来，随着大跨度桥梁的迅速发展以及桩基施工的进步，在工程建设实践中采用 一柱一桩的结构日趋增多。尤其是大吨位钻孔灌注桩，土对桩的支承能力较大，且荷 载一沉降关系比较特殊，p s 曲线一般呈缓变型，无明显破坏特征点，此时桩基承载 力应根据上部结构的允许沉降量加以控制。但是，目前我国在桥梁设计规范中，仅给出 了竖向承载力的安全系数，没有相应的沉降指标。在超静定结构中，不能预计桩基沉降 对上部结构带来的影响。 如何通过p s 曲线确定桩的承载力方面，德国桥规( d i n 4 1 0 4 ) 作出了明确规定【o j ， 在7 1 竖向承载力条款中，明确指出单桩允许荷载可用p s 关系曲线来计算。只要允 许桩沉降s ，就能确定承载力p ，如果s 不受限值，那么大吨位钻孔桩一般无极限承载 力。 日本建筑结构设计规范以及美国桥规 1 4 1 也对沉降控制承载力做了相关规定。 1 绪论 我国建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 规定，对于大吨位钻孔灌注桩，土对桩的 支承能力较大，且荷载一沉降关系比较特殊，此时应根据上部结构的允许沉降量加以控 制。对于缓变型p s 曲线一般可取：4 0 - - 6 0 m m 对应的荷载值；对于大直径桩可取 0 0 3 d - 0 0 6 d ( d 为桩端直径，大桩径取低值，小桩取高值) 所对应的荷载值为极限承载 力。对于沉降不敏感的结构物桩基，可取沉降值：0 0 1d 对应的荷载为容许承载力或承载 力设计值；对于沉降敏感的结构物单柱单桩基础，宜根据上部结构的要求，按桩顶等变 形原则确定不同直径桩的承载力设计值。但是，目前我国在工程应用中多以承载力为控 制指标。因而如何通过桩顶沉降量来控制桩的竖向承载力，是很值得探讨的问题l 删。 我国北京、上海、天津等城市的地区规范都对大直径单桩承载力的计算给出了相应 的经验算法【s 1 。经验方法必须有足够的地区经验才能作为工程设计的依据。无可靠经验 时应该谨慎使用。 我国湖南省公路局于1 9 9 4 - - - 1 9 9 6 年在洞庭湖区1 8 0 4 线三座大桥中推广和发展了德 国桥规( d i n 4 1 0 4 ) ，在1 9 9 2 年通过交通部鉴定的无承台大直径钻埋空心桩新工 艺，完成了8 4 根总长2 2 9 3 m 的无承台大直径桩。并在设计中研究提出( p s ) 计算方法 ( 后称：湖南法) ，并应用了按容许沉降量确定桩的承载力的新理论，为了验证其可靠 性，选择了粘性土的石龟山大桥3 6 # 墩和砂性土的南华渡大桥6 # 桩作为试验桩，将实 测p s 曲线与湖南法理论值相比较，十分吻合，受到国内外众多桩基专家的好评，湖 南法标志着我国桩基设计理论的一个重要进步。 在沉降控制设计理论方面，b u r l a n d ( 1 9 7 7 ) 首次提出了比较明确的概念即桩基按沉降 变形设计将比按强度设计更为经济，而后h o o p e r ，c o o k e 等人在理论分析和设计方面 做了一些工作。国内，龚晓南在房屋浅基础、复合地基等领域提出了按变形控制承载力 的思路【4 引，同济大学杨敏等学者对高层建筑桩基按变形设计做过许多有益的探讨i nj 。但 对于桥梁大吨位钻孔灌注桩按沉降控制竖向承载力的方法，除湖南大学进行了大量的研 究外【4 2 ，4 6 4 7 】尚很少有文献报道。 1 2 本文研究内容 本文主要内容概述如下： 本文在综述钻孔桩破坏机理的基础上，根据大吨位钻孔摩擦桩的破坏机理，运用大 吨位有限单元分析软件a n s y s 对两根桥梁钻孔桩进行模拟分析，并与现场实测数据进行 了比较，系统研究了钻孔摩擦桩的破坏机理及承载力的影响因素；利用三参数传递函数 的原理，编制计算钻孔桩p s 曲线的计算程序；并据此对钻孔摩擦桩的参数取值进行 探讨，根据计算机模拟、三参数法计算的荷载一沉降曲线，确定的两试桩的极限承载 力。 东北林业大学硕士学位论文 2 钻孔桩荷载传递理论研究 2 1 引言 对于大吨位钻孔桩，不同强度的土层发挥桩侧极限摩阻力所需的位移不同，随着深 度的增加，其值也发生变化；同时桩端土性质的不同也影响桩侧摩阻力的发挥。因此桩 侧摩阻力和桩端阻力相互制约，相互影响，形成了一个复杂的荷载传递系统【3 4 j 。本主要 研究大吨位钻孔桩的工作性能及受力特点、破坏模式，并根据求解荷载传递函数的基本 微分方程途径的不同，介绍计算荷载传递函数的方法，总结现时一些研究学者提出的桩 身及桩端的荷载传递函数，同时指出荷载传递法的优、缺点及对于大吨位钻孔桩传递函 数方法的适用性。 2 2 钻孔桩的工作性状 2 2 1 钻孔桩的荷载传递 钻孔桩的荷载传递一般可以分为四个阶段：( 1 ) 桩侧摩阻力发挥段，此时桩端阻力为 零，桩端无沉降；( 2 ) 桩端阻力开始发挥，桩顶荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担： 桩端开始出现沉降，初期为沉渣的压实，后期为桩端持力层的压缩；( 3 ) 桩侧摩阻力发挥 到极限值，桩顶荷载的进一步增加全部由桩端阻力承担，桩端沉降进一步发展，桩端土 体逐步屈服；( 4 ) 桩端持力层达到塑性状态或桩身被压坏而破坏。 大吨位钻孔桩的荷载一沉降特点：不同的桩端持力层性质大吨位钻孔桩具有相似的 荷载一沉降特性，极限承载力较大，且静载试验很难加载至破坏，极限荷载前的荷载一 沉降曲线段一般呈缓变型。因此，极限承载力特征值的确定一般应以位移控制】。 2 2 2 大吨位钻孔桩按受力特点分类 大吨位桩钻孔按照其桩型及桩端特点进行分类： ( 1 ) 摩擦型桩 摩擦型大直径桩桩端持力层一般为粘性土且桩长较长。当桩顶荷载受到轴向静荷载 的时候，荷载增大后桩土相对位移较大，荷载主要由桩侧摩阻力承担，由于桩端持力层 性质较差，很快达到破坏阶段。桩端阻力与桩顶荷载之比几乎为零。当桩侧摩阻力达到 极限时，沉降迅速增大而超过允许值。 ( 2 ) 端承桩 持力层为基岩的短桩，一般为嵌岩桩，可以视为端承桩。轴向荷载施加于桩顶，随 着荷载逐渐增大，桩身混凝土的弹性压缩激发部分桩侧摩阻力并很快将荷载传递给桩 端。由于桩身压缩量极小，桩侧阻力桩土相对位移小而不能充分发挥，桩顶荷载主要 由端承力来承担。如果基岩很好，则破坏型式往往表现为桩身混凝土从弹性阶段一弹塑 性阶段一塑性阶段的破坏，此时桩的极限承载力由桩身强度控制。 2 钻孔桩荷载传递理论研究 ( 3 ) 摩擦端承桩 上覆土层良好的大吨位钻孔灌注长桩，桩端持力层为砂砾石、强风化、中风化或微 风化基岩，只要沉渣厚度不是非常厚，都可认为是摩擦端承桩。 大吨位钻孔灌注桩由于桩较长，桩侧摩阻力的发挥段较长。不同桩身处、不同强度 土的屈服发展进程是不一致的，且相互制约。桩周土摩阻力的部分恢复和进一步屈服是 同时发生的，桩端阻力开始发展的初期实质上是孔底沉渣和扰动土的压实。 2 2 3 单桩的破坏模式 桩的破坏是指丧失承载能力的状态，其破坏状态的种种特征往往通过试桩曲线反映 出来。破坏模式大体可归纳为以下三种1 3 j 。 o z ( a 0 z s q t s q s 0 z s q ( c ) 图2 1 桩破坏的典型模式 ( 一) 桩身材料屈服 如图2 1 ( a ) 所示，当桩穿过极软弱土层支承于基岩或坚硬的土层上时，在竖向荷载 作用下，由于桩侧和桩端土能提供的承载力超过桩身强度所能承受的荷载，桩先于土发 生曲折或桩顶压屈( 薄壁钢管超长摩擦桩) 而破坏。这种破坏在荷载一沉降曲线上将呈现 明显的破坏荷载，此时桩的竖向承载力取决于桩身的材料强度。 ( 二) 持力层土整体剪切破坏 如图2 1 ( b ) 所示，当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的上层而达到或沉入强度 较高的土层时，侧摩阻力发挥有限，大部分竖向荷载由桩底土支承，使桩端土体逐渐形 成连续的滑动面，出现整体剪切破坏，导致桩顶急剧下沉。同时持力层以上的软弱土层 r国鱼 r匿， 2 钻孔桩荷载传递理论研究 阻力，桩侧摩阻力与位移的关系如图2 2 所示。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移， 从而使桩侧摩阻力进一步得到发挥。当桩侧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。由于桩端土层的大量压缩和塑性挤出，位 移增长速度显著加大，直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏，此时桩所承受的 荷载就是桩的极限承载力，桩端持力层的压缩变形服从的压应力一竖向位移关系 s b = f ( q b ) 如图2 3 所示。 0 o 宴 螯 罩s 担 桩土相对位移s ， 图2 2 桩侧摩阻力与位移的关系 子 r 宴 臻 担 桩底竖向位移s b 图2 3 桩端阻力与位移的关系 2 3 2 河以东为 努比亚沙漠，以西为利比亚沙漠；西部是科尔凡多高原和达富尔高原；东部为东非高原 和埃塞俄比亚高原的西斜坡，全境属热带沙漠气候和热带草原气候。 本文的试桩1 # 为位于苏京掣臃筠篇菇i ! 墓= 手i 彤萋i 面霪窿必蠹菱器例凌兰手翔； 艇需蠹辇霾弼飘警蓖鹅毛廊鏊赫隧i 认鬈差雪鬟匡i 耥篓菰环诵i 薹。攀。雾羹霎羹薹 | 一；箍魅薹羹可得 东北林业大学硕士学位论文 j o it )一 p o 一 访u 一 弋 一 一i j i ， n p ( z ) ， ， ， ， n， 1 ， | | 。一 一 牟苦丰 两。、。r壅 上。 o - i 一i - p ( z ) + d p ( z ) q s 刍 一 访- l h s 。 一p 。斗一p 。- j f lp 。 z 图2 _ 4 桩土体系的衙载传递分析 由此得 “加寺警 ( 2 - 2 ) 由桩身压缩变形出御与轴力p 之间的关系：出( z ) = 一p 。) 老 可得z 断面荷载 脚i 蘑囊鬻t 羹一垂羹霆 l 羹蒸 耋；霪 孽 雪薹鎏薹羹层曼羹 萤l 蚕i 蔼一霾笛l 妻蓁 2 冀霪 妻薹g 露8 雾眨冀一鋈湎蓁鋈薰薹； 攀鬻萎毯鋈薹雾攀； 铺一淫泻琵编； 麴翮藓藉钔； 辇；i 塞l 。鋈? 藤 i 耋藜 薹，! 螽l “鏊? 徽 沼妻； 扛 黪s 毒| 黔警蠢藤翮静博强季型一谢掣t 夔蓿辑持预埋线 的接头，应严格密封，防止漏水。 9 、以地面为试桩土层分层起点，试桩底设置压力盒混凝土块厚度为4 0 c m ，为方便千斤 顶的安放，试桩顶部设有1 m 1 m 的混凝土承台。 ( 二) 加载系统 加载装置采用总的荷载量大于1 2 倍的设计极限荷载的千斤顶，四台油压千斤项连 接一台电动油泵并联同步工作，使之合力通过试桩的中心。基准梁采用工字钢，打入地 表以下。在四个方向将百分表平稳放至毖准梁上。桩头用细砂抹平，找准中心点，主梁 2 钻孔桩荷载传递理论研究 删哪状戮x p 0 1 2 + o 5 4 n 半 - 0 4 2 讲 e 。v 厂土的平均不排水杨氏模量。 p 。_ 大气压力； t m 。x _ 桩侧最大摩阻力。 ( 7 ) 徐和 该法假定荷载传递函数为： 丁( z ) = - 二l _ 一 ( 2 1 3 ) 一 o 6 5 + o 3 5 ( s 。s ( z ) ) 式中t ( z 卜弹性状态时的摩阻力； t u 一土体进入屈服状态时的侧摩阻力； s ( z 卜p 荷载下土的沉降值； s 。s _ 屈服荷载下的剪切位移。 ( 8 ) 陈竹昌 该法假定荷载传递函数为： 丁( z ) = 瓦( s ( z ) 5 。) u 2 式中参数意义同徐和方法。 ( 9 ) 何思明( 1 9 9 4 ) 【3 4 】 该法假定荷载传递函数为： r f z 、：二旦一 ( 2 】4 ) 下 、7 ( 1 一亭) + 笋。：s ( z ) 式中t ( z ) 一桩侧摩阻力； t u 一桩侧极限摩阻力： s 。s - 桩身临界位移： s ( z ) 一p 荷载下土的沉降值。 2 4 2 位移协调法 位移协调法最早由s e e d 和r e e s e 提出，并由c o v l e 和r e e s e 加以改进。该方法是应 用实测的传递函数，因此不能直接求解微分方程。采用该方法可将桩划分成许多单元 体，考虑每个单元的内力与位移协调关系，求解桩的荷载传递及沉降量。用位移协调法 分析桩土体系荷载传递的优点在于可考虑桩侧土的分层和应力一应变关系的非线形特 征，但该方法的缺点就是必须首先进行桩的现场静载荷试验，以获取准确的现场土体的 侧摩阻t ( z ) 一s ( z ) 曲线u 1 。 2 4 3 荷载传递分析法存在的问题 一般地说，荷载传递分析法是一种比较实用、效果较好的方法，而且当己知荷载传 东北林业大学硕士学位论文 递函数时，其计算工作也十分简单。荷载传递解析法由于假定桩侧任何点的位移只与该 点上的摩阻力有关，而与其它点的应力情况无关，忽略了桩周土的应力场效应。所以该 法不能考虑桩侧某点的应力如何去影响周围土体，也就无法计算桩与桩之间的相互作 用，即群桩效应。因此不便于推广到群桩的分析中去，也无法反映软弱下卧层的影响， 更无法反映桩端阻力的大小，不仅影响桩侧摩阻力的发挥，同时还影响其分布规律的现 象，即所谓桩侧阻力的强化和退化效应n5 1 ，但对于本文大吨位钻孔桩( 单桩) 的情况， 传递函数法无疑是比较理想的分析方法。 另外，运用该法感到困难的是，传递函数的确定往往需要依赖现场原位试验。这样 大吨位的现场试验不但费钱而且需要很长时间。而如何回避大吨位耗时费力的现场试 验，利用土体的力学性质等及现有资料来代替大吨位现场试验确定荷载传递模式也亟待 研究。 荷载传递法以其简便、直观的特点在实际工程中得到了广泛的应用，在国内外许多 学者在理论和试验研究方面都做了不少工作，本文将在后面几章详细介绍荷载传递法在 大吨位钻孔桩中的应用。 2 5 本章小节 ( 1 ) 分析了大吨位钻孔桩的工作性能，包括钻孔桩的荷载传递、受力特点及破坏模 式。 ( 2 ) 讨论了单桩的荷载传递机理，并且分析了影响单桩荷载传递性状的因素，总结 了荷载传递分析的方法。 ( 3 ) 对单桩的荷载传递函数进行了系统的总结，并根据求解荷载传递函数的基本微 分途径的不同，介绍了计算荷载传递函数的方法，总结了目前一些学者提出的桩身及桩 端的荷载传递函数，指出了部分传递函数之间的相关性，同时指出荷载传递法的优缺点 及对于大吨位钻孔桩传递函数方法的适用性。 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 3 1 引言 由于大吨位桥梁钻孔桩承载力高，造价高，给静载荷试验带来很大困难，故大吨位 桥梁桩往往利用工程桩作为试桩，荷载试验时一般不破坏且试验得到的单桩承载力偏 低，许多工程甚至根本不做静载荷试验，这将增加结构的危险性或使大吨位桩钻孔桩承 载力存在很大潜力。 在实际工程中，单桩竖向抗压静载试验的目的就是采用接近于竖向抗压的实际工作 条件的试验方法，确定单桩竖向( 抗压) 极限承载力，作为设计依据或对工程桩的承载力 进行抽样检验和评价。本章研究了某工程的两根试桩的试桩方案及方法，并对试验结果 进行理论分析。 3 2 桥梁钻孔桩静载试验 3 2 1 试验概况 苏丹共和国两座大桥的试桩静载试验是依据业主和设计单位要求进行的。试验方案 是根据喀土穆大学建筑与道路学院地质系出具的地质调查报告、中华人民共和国山西省 交通规划勘察设计院的试桩、锚桩、反力梁设计图纸和说明，并结合中华人民共和国 公路施工技术规范附录b “试桩试验办法”制定的，试验方案是经业主审查批准后 实施的。 苏丹共和国位于非洲东北部，沙漠面积占国土面积的9 0 以上，全国年平均气温 2 1 ，境内大部为盆地，南高北低。中部为苏丹盆地；北部为沙漠台地，尼罗河以东为 努比亚沙漠，以西为利比亚沙漠；西部是科尔凡多高原和达富尔高原；东部为东非高原 和埃塞俄比亚高原的西斜坡，全境属热带沙漠气候和热带草原气候。 本文的试桩1 # 为位于苏丹首都喀土穆( k h a t o u m ) 附近的青尼罗河大桥试验桩， 试桩2 # 为位于苏丹北方省玛诺维( m e r o w e ) 大桥试验桩。 3 2 2 试验方案 ( 一) 试桩的桩土参数 试桩的参数如表3 - 1 ，各土层分布见表3 2 ，桩侧土层分布及测点布置图见图3 - 1 ， 3 2 。 表3 1 试桩参数表 东北林业大学硕士学位论文 亚 粘 土 砂 岩 一 泥 石 o ：努比 剖亚岩 一l - u - - 。“。一 引 剥 髫 龟 剥 1 4 - i ，2 ，3 ，4 昌 4 - 5 ，6 ，7 ，8 8 曷： 5 - 1 5 ，2 ，3 ，4i 蓄 l ，邕 压力 图3 11 # 试桩土层分布及测点布置图 1 4 432l 1ljl|l营t1f寸引删寸iil雾n 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 钢板围堰项面 2 叫 昌 n g 一 8 垂塑童：! ! ! ! ! ! ! ! i 图3 22 # 试桩土层分布及测点布置图 说明： 1 ：图中尺寸单位：c m 2 、1 1 ，2 ，3 ，4 ：1 - - 5 ，6 ，7 ，8 ：2 1 ，2 ；3 一l ，2 ，3 ，4 ：3 5 ，6 ，7 ，8 ：3 9 ，1 0 ：4 1 ，2 ，3 ，4 ；4 5 ，6 ，7 ，8 为钢弦应变计编号。“一”前面数字为土层 编号，“一”后面数字为该层应变测点编号。 3 、压力盒一1 ，2 ，3 ，4 ，5 为压力盒编号。 4 、压力盒在桩底布置，事先预埋在混凝土楔形块内，沿直径方向布置。 5 、每层设4 个钢筋应变计时，4 个钢筋应变计应置于两个互相垂直的对角线上。 6 、压力盒应水平放置，严禁倾斜或变位。 7 、钢筋应变计应焊于受力钢筋上，焊接应变计时，应采用冷水降温，以避免高温对应 变计造成损伤。 8 、预埋线的接头，应严格密封，防止漏水。 9 、以地面为试桩土层分层起点，试桩底设置压力盒混凝土块厚度为4 0 c m ，为方便千斤 顶的安放，试桩顶部设有l m l m 的混凝土承台。 ( 二) 加载系统 加载装置采用总的荷载量大于1 2 倍的设计极限荷载的千斤顶，四台油压千斤项连 接一台电动油泵并联同步工作，使之合力通过试桩的中心。基准梁采用工字钢，打入地 表以下。在四个方向将百分表平稳放至毖准梁上。桩头用细砂抹平，找准中心点，主梁 的中心线经过该中心点。 东北林业大学硕士学位论文 t - - - - 2 5 0 咔 图3 3 加载系统装置图 说明：1 、图中尺寸以厘米计； 2 、1 , 2 ，3 ，4 号百分表测量试桩沉降，5 ，6 号百分表进行水平观测，7 ，8 号百分表观测锚桩上拔量； 3 、以直径5 0 c m 钢管作为架设基准梁的i 临时桩，埋入土层l m 以下，露出地表l m ，与基准梁进 行焊接，且四根i 临时桩距试桩距离大于5 倍试桩桩径，距锚桩距离大于2 5 锚桩桩径。 ( 三) 加载、卸载过程 试验加载系统示意图见图3 3 。根据本文的研究方法及该基础桩的具体条件，决定 采用快速维持荷载法加载。试验中逐级施加荷载并严格按规范标准进行，加载后，相邻 两次沉降读数差值不超过o 1 m m ，并连续出现两次( 由1 5 h 内连续三次观测值计算) ，认 为已达到相对稳定标准，即可加下一级荷载，因桩基嵌入泥岩层，一般稳定较快，各级 荷载基本在1 5 小时内即达到稳定。对于卸载，每级卸载量为1 0 0 0 k n ，每次卸除荷载 后观测桩顶回弹量。首两次每隔1 5 m i n 测量一次，以后每隔3 0 m i n 测量一次，待回弹稳 定后再下一级的卸载，回弹的稳定标准与沉降休止标准相同，本次试验卸载观测时间为 1 h 。加载用的千斤顶均经过中华人民共和国国林业局工程质量监督管理总站检测中心试 验组在喀土穆标定，观测系统按试验方案固定百分表，基准梁支点距试桩和锚桩的距离 均大予6 米，经观测，支点稳定，试验过程中停止了附近施工与行车，禁止观测以外的 任何人员进入现场，以控制观测系统的稳定。 tii土卞i湖i土 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 3 2 3 试验分析 1 、荷载与沉降观测结果分析 两根桩的p s 曲线分别见图3 4 、3 5 ，s l g t 曲线分别见图3 6 、3 7 。按文献 2 0 】 中规定，可以停止加载标准是：当每阶段荷载约为极限荷载的1 1 0 1 1 5 ，试桩全部 沉降量大于4 0 m m ，同时这一级沉降量大于前一级沉降量的5 倍；这一级沉降量大于 前一级沉降量的2 倍，但沉降在一昼夜后仍不休止；或者锚桩上拔，无法维持加载系 统正常工作。本文两试桩试验均由于锚桩上拔，无法维持加载系统正常工作而停止加载。 试桩i # j j h 载至8 0 0 0 k n 时，经9 0 m i n 观测，桩顶本级沉降为0 8 8 m m ，累计沉降量 为4 3 8 m m ，所绘p s 曲线无明显陡降，s l g t 曲线尾部无明显向下弯曲现象。因此该 桩单桩竖向极限承载力大于8 0 0 0 k n ；试桩2 # j j h 载至1 0 0 0 0 k n 时，经9 0 m i n 观测，桩顶本 级沉降为1 2 9 m m ，累计沉降量为4 6 8 m m ，所绘p s 曲线亦无明显陡降，s i 酉曲线尾部 亦无明显向下弯曲现象，该桩单桩竖向极限承载力大于1 0 0 0 0 k n ，两试桩均满足工程实 际要求，两试桩试验汇总表见表3 2 、3 3 ，结果统计见表3 4 。 图3 21 # 试桩试验数据汇总表图3 32 # 试桩试验数据汇总表 0 1 6 0 03 2 0 04 8 0 06 4 0 00 0 0 0 q ( k n ) 图3 4 试桩l 撑沉降曲线 图3 5 试桩2 撑沉降曲线 东北林业大学硕士学位论文 图3 - 6 试桩1 撑s l g t 曲线图3 7 试桩拼s l g t 曲线 表3 4 试验结果统计表 桩号 t 最大加载( k n ) 最大沉降量 回弹率( ) 。实测单桩极限承 ( r a m ) 载力( k n ) 试桩1 撑8 0 0 0 4 3 85 8 6 8 18 0 0 0 试桩甜 1 0 0 0 04 8 63 1 2 8 1 0 0 0 0 2 、桩侧摩阻力与桩身轴力计算 采用j x e 一1 型钢筋应力传感器及j x y 一4 型压轴双膜土压力传感器测量时，将传 感器实测频率通过各自的率定系数换算成力，再计算砼内力。 在数据整理过程中，应将零漂大，变化无规律的测点删除，求出同一断面有效测 点的应力平均值，并按下列各式计算该断面处的桩身轴向内力、极限摩阻力和极限端阻 力： ( 1 ) 钢筋内力 p g i2 仃g f s g i ( 2 1 4 ) 其中i 一桩身检测断面顺序号，i = 1 ，2 ，3 ，n ，并自桩顶以下自小到大排列； p g i 一桩身第i 断面处钢筋内力( k n ) ； og i 一桩身第i 断面处钢筋应力( k n c m 2 ) ； s g 广一桩身第i 断面处钢筋面积( c m 2 ) 。 ( 2 ) 砼应力 吧脂) 其中 oh i 一桩身第i 断面处砼应力( w c m 2 ) ； e 班棚筋与砼弹性模量之比。 ( 2 1 5 ) 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 ( 3 ) 砼内力 最f = fx s j ( 2 1 6 ) 其中p h 厂桩身第i 断面处砼内力( k n ) ； oh 广桩身第i 断面处砼应力( 呵尼m 2 ) ； s g 广- 桩身第i 断面处砼面积( c m 2 ) 。 ( 4 ) 桩身第i 断面处断面轴力p b i 毛= 圪+ 珞 ( 2 1 7 ) ( 5 ) 按每级试验荷载下桩身不同断面处的轴向力值绘制成表格，见表3 5 、3 6 ，并绘制轴 向力分布图，见图3 8 、3 1 0 ，再由桩顶极限荷载下对应的各断面轴向力值计算桩侧土 的分层极限摩阻力和极限端阻力，见图3 - 9 、3 1 1 - g 豇= 亿一只+ 。) 0 z ，) ( 2 - 1 8 ) q p2 8 1 a o ( 2 1 9 ) 其中q 。广桩身第i 断面与i + 1 断面间侧摩阻力( k n c m 2 ) ； q p - 桩的端阻力( k n 啪2 ) ； u 一桩身周长( m ) ； l i 一第i 断面与第i + l 断面之间的桩长( m ) ； p 。1 一桩端的轴向力( k n ) ； 舢一桩端面积( m 2 ) 3 、桩身轴力与桩侧摩阻力结果分析 试桩l # 、2 # 桩身轴力数据见表3 - 5 、3 - 6 ，两试桩底压力盒数据分别见表3 7 、3 8 ，轴力分布图见图3 - 8 、3 - 1 0 ，摩阻力分布分别见图3 9 、3 1 1 。 东北林业大学硕士学位论文 表3 - 51 # 试桩轴力传递关系表 0 8 4 1 5 6 6 5 1 1 1 5 1 4 1 5 1 6 1 5 5 0 4 0 51 2 2 2 4 42 1 2 8 3 7 2 9 6 2 4 1 3 9 8 3 8 74 7 0 0 5 8 5 5 2 2 7 76 0 7 3 6 8 3 8 5 1 59 5 4 5 3 1 7 8 0 1 12 5 6 7 4 23 5 5 8 4 94 3 0 2 0 15 0 4 2 1 95 7 8 0 3 1 6 5 28 0 8 8 11 5 6 5 7 5 2 3 8 7 9 63 3 5 0 8 3 4 2 8 1 9 5 0 2 3 9 45 7 0 8 。6 2 1 0 8 8 52 8 35 2 5 88 4 9 0 31 2 8 6 0 81 8 5 2 1 12 3 9 1 3 12 8 4 1 7 7 8 9 0 72 4 2 7 9 5 0 9 0 48 1 5 5 11 2 5 9 2 81 8 3 22 3 5 4 4 42 8 3 5 0 8 6 5 2 91 4 9 0 73 6 5 0 6 6 2 1 2 51 0 0 3 0 71 4 7 3 6 41 9 8 2 6 92 3 4 1 0 4 1 9 4 5 4 0 2 21 2 5 6 12 3 1 1 23 5 8 3 55 5 2 6 17 4 8 0 71 0 3 6 5 81 2 0 4 0 4 2 0 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 表3 71 # 试桩桩底压力盒数据表 2 1 东北林业大学硕士学位论文 ， 图3 8 试桩1 # 各层轴力一深度传递关系图 图3 9 试桩l # 各层摩阻力一深度传递关系图 l ll 蚺o2 0 仳：0 0 ，1 05 ) c o6 0j 0 二二乡一 图3 一l o试桩2 # 各层轴力一深度传递关系图 2 2 0 ：o h三：挖二=m膊如丝；赫冀 3 桥梁钻孔桩静载试验研究 j + 。 、 图3 - 1 1 试桩2 # 各层摩阻力一深度传递关系图 图3 - 1 22 # 试桩桩侧一桩端荷载分担比 从表3 5 、3 7 ，可见1 # 试桩桩身1 9 4 5 m 处轴力均大于桩底反力，由表3 6 、3 8 可见，2 # 试桩也有同样结果，可见测试结果符合规律。 从1 撑、2 撑桩的桩身轴力分布试验结果可知：桩身轴力随深度逐渐减小，并在不同地 层及不同的荷载阶段有着不同的递减速率，呈非线性分布。在桩顶荷载作用下，1 撑试桩 上部软土层( 0 2 m 范围) 、2 撼桩( 0 4 m 范围) ，和1 撼桩下部桩身( 7 m 以下) 、2 撼 桩( 1 3 m 以下) 轴力变化较快，说明侧摩阻力较大；桩身中部轴力变化较小，说明发挥出 来的侧摩阻力较小。1 撑试桩底端轴力很小，仅占最大总荷载的0 4 ，说明端阻力几乎 还未发挥出来。2 群试桩桩端阻力在最大荷载时占到总荷载的9 1 ( 见图3 1 2 ) 。综上分 析，以上两试桩上部荷载主要由土层侧摩阻力来承担，其承载特征为摩擦桩。 通过实测的桩身轴力及桩底压力，推算各土层间侧摩阻力，绘制1 撑、2 静试桩各截面 东北林业大学硕士学位论文 在各级荷载作用下侧摩阻力沿深度分布规律图3 - 9 、图3 1 1 。随着荷载沿桩身向下传 递，桩身侧阻自上而下逐步发挥，沿桩身呈非线性分布。桩侧摩阻力还未完全发挥，但 1