（岩土工程专业论文）夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究.pdf

夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 摘要 本文首先根据桩受水平荷载作用时的特 生 总结了承受水平荷载桩的 解析和数值求解方法 主要是讯法和卜1 曲线法 然后应用大型有限元软件 a n s y s 模拟实际工程夯扩桩基础 对钢筋混凝土夯扩桩单桩受水平荷载作用 时的特r 洼开展深入的研究 分析7 影晌单桩水平承载力以及位移的主要因 素 桩长 桩径 竖向荷载 桩底扩大头 桩身抗弯刚度 桩身截面积 桩顶形式等 在影响夯扩桩单桩承受水平荷载作用性状的诸多因素中 桩 长和扩大头的影响相对较大 在夯扩桩的桩长范围内 桩长越长其水平承 载能力越高 扩大头的存在会消弱夯扩桩的水平承载能力 但扩大头大小 对夯扩桩的水平承载力影响不显著 模拟是在成层土中进行的 所以更接 近实际工程状况 在对单桩分析的基础上 进一步分析群桩受水平荷载作用时的特性及 影响因素 桩距 桩数 桩长 桩径 土体模量 扩大头 并对分析结 果归纳总结 得出一些有用的结论 在桩距 桩数 桩长 桩径 土质参 数等因素中 桩距和桩数对位移场群桩效应的影响较为显著 而桩长 桩 径 土质参数等因素则对群桩效应影响不大 随着桩距的增大 群桩的水 平位移随之减少 桩数越多 群桩效应对位移场的影响也就越大 关键词 夯扩桩水平荷载性状有限元承载力位移 s t u d y0 nb e h a v l 0 rf o rr a m c o m p a c t l 0 np il e s u b j e c t e dt 0l a t e r a ll o a d a b s t r a c t t f i r s tt h i sp a p e rg e n e r a l i z e ds o m en 伽e r i c a lm e t h o d sa n da n a l y t i c e q u a t i o n sb y1 e a r n i n gt h eb e h a v i o ro fp i l eu n d e rl a t e r a ll o a d s u c h a smm e t h o da n dp yc u r v em e t h o d t h e na p p l yt h el a r g ef i n i t ee l e l n e n t s o f t w a r e a n s y s t osi 眦1 a t ef o u n d a t i o nw h e r e c o n c r e t e r a l i l c o m p a c t i o ni n d i v i d u a lp i l ei ss u b j e c t e dt ol a t e r a ll o a do ft h e a c t u a l e n g i n e e r i n g a n a l y z i n gt h ef a c t o r so fi n f l u e n c i n gi t s b e h a v i o r t h e s ea r ep i l e1 e n g t h p i l ed i a m e t e r v e r t i c a l1 0 a d r a 功m e r e x p a n d e db o d y b e n d i n gs t i f f n e s so fp i l eb o d y c r o s s s e c t i o na r e a o fp i l eb o d y p i l ev e r t e xd e s i g n e t c p i l el e n g t ha n dp i l ed i a i l e t e r h a v ei n f l u e n c et o1 a t e r a ll o a d b e a r i n gc a p a c i t yo fr 鲫一c o m p a c t i o n p i l ec o m p a r et o 妒h e rf a c t o r sg r e a t l y l a t e r a l1 0 a d b e a r i n gc a p a c i t y o fr a m c o m p a c t i o np i l ei si n c r e a s e db y1 e n g t h e n i n go fp i l e1 e n g 七h r a 珊e re x p a n d e db o d yw i l le l i m i n a t e1 a t e r a l l o a d b e a r i n gc a p a c i t y o fr a n c o m p a c t i o np i l e b u tt h es i z eo ft h er a m m e re x p a n d e db o d yh a v e n oo b v i o u s i n f l u e n c et o1 a t e r a l 1 0 a d b e a r i n gc a p a c i t yo f r a j n c o m p a c 七i o np i l e b e c a u s et h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do ni nt h e 1 a y e rs o i lf o u n d a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es on e a rt oa c t u a l e n g i n e e r i n gc o n d i t i o nh 1 0 r e h f o l l o w i n g r e s e a r c ht h ef a c t o r sn 鲫e l yp i l es p a c i n g p i l en u j i l b e r p i l el e n g t h p i l ed i a m e t e r t h em o d u l u so fc o 皿p r e s s i b i l i t yo ft h e s o i l r a 姗e re x p a n d e db o d yo fi n f l u e n c i n gs t a b i l i z a t i o nb e h a v i o ro f p i l eg r o u p a n d i n d u c es u m m a r yt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s g e ts o m e u s e f u lc o n c l u s i o n s i na 1 1f a c t o r s p i l es p a c i n ga n dp i l en u m b e rh a v e o b v i o u si n f l u e n c et op i l eg r o u pe f f e c to f r a m c o r n p a c t i o np i l e o t h e r s h a v el i t t l ei n f l u e n c e l a t e r a ld i s p l a c e m e n to fr 硼一c o m p a c t i o np i l e i sm i n i s h e db yi n c r e a s i n go fp i l es p a c i n g p i l eg r o u pe f f e c th a v e m o r ei n f l u e n c et od i s p l a c e m e n to fp i l eg r o u pb yi n c r e a s i n go fp il e n u b e r k e yw o r d s r 鲫一c o m p a c t i o np i l e 1 a t e r a ll o a d b e h a v i o r f i n i t e e l e m e n t l o a d b e a r i n g d i s p l a c e m e n t i i i 一j 广西大掌硕士学位论文力r 扩桩受水平荷戢作用时的性状研究 第一章绪论 1 1 夯扩桩的起源及应用 桩基础作为一种古老 传统的基础型式 在工程建设中占据重要地位 由于其承载 力高 沉降量小 现已被广泛应用于各种建筑 铁路桥梁 核电站 近海采油平台 海 岸码头以及大型动力机器基础等基础工程中 桩基础可以采用不同的材料 木 钢筋混 凝土 钢材 不同的截面 方形 圆形 空心 实心 和不同的成桩方法 预制 现场灌 注 打入法 压入法 可以支承在不同的土层上 可以作为各类工程结构物的基础 建 筑物的低桩承台 桥梁或码头的高桩承台 因此 桩基础的特性各不相同 承载力相 差悬殊 施工工艺和设备极其多样 发展空间相当广阔 桩基技术发展的广阔空间 也 成为地基基础领域中一个非常活跃的 具有很强生命力的分支领域 近5 0 年来 出现 了许多新的桩型 新的工艺 新的设计理论和新的科技成果 成为我国工程建设的有力 支柱 大直径钻 挖 孔扩底桩具有承载力高 成孔后出土量少 承台面积小等显著优点 当地基上部为软弱土层或较软弱土层 而在不深处 一般2 0 m 以内 有一层物理力学性 能较好的桩端持力层的地质条件下 如果采用扩底桩 就能有效地发挥扩底支承效能 可获得较高的单桩承载力和较好的技术经济效益 因此扩底桩广泛地应用于各类工程基 础中 日本的大直径钻扩桩工法将近3 0 种 我国的钻孔扩底桩种类有2 0 种以上 扩底 的成型工艺有钻扩 爆扩 振扩 锤扩 压扩 冲扩 夯扩 注扩 挖扩 挤扩等种类 沉管扩底灌注桩则为其中的一大类 北京地区实践表明 普通直径扩底灌注桩 桩 身直径0 3 o 4 m 扩底直径0 8 1 2 m 的静载试验结果表明 与相同桩身直径的直 孔桩相比 前者极限荷载为后者的1 7 7 0 倍 前者的单位桩体积的极限荷载为后者 的1 4 3 o 倍 可见扩底桩具有广阔的发展前景 近些年来 随着建筑业的发展 建筑物对地基基础的要求越来越高 地基承受的荷载 越来越大 而传统的普通直径 d 短桩 b 长桩 图1 一l 长短桩示意图 f i g 1 一ld i a g r a mo f l e n g i l lp i l ea n ds h o r tp i l e 7 奢扩桩受水平荷载 怍用时的性状研究 2 极限反力法 土处于极限状态时地基反力的分布形状是事先假定的 荠按照作用在桩上的外力及 其平衡条件来求桩的横向抗力 极限反力法 就是假定桩为丹q 牲 不考虑桩身位移 根 据土体的性质预先设定一种地基反力形式 地基反力p 仅为桩入土深度的函数p p y 如图l 4 所示 反力p 与桩的挠度y 没有直接关系 根据力 力矩平衡 并直接求解 桩身剪力 弯矩以及土体反力分布形式 图中p 为桩侧土压力 l 为桩长 z 为深度 c p 为被动土压力系数 y 为土的重度 c u 为粘性士不排水抗剪强度 b 为计算桩宽 根据土反力分布规律的不同假设 此法又分为 1 土反力按二次抛物线分布的方法 如恩格尔 e n g e l 物部法 2 土压力按直线分布的方法 如罔部法 雷斯 r a s e s 法 斯奈特科 s i l i t k o 法 布罗姆斯法 3 土反力为任意分布的方法 如挠度曲线法等 b r o m s 1 9 6 4 p l 对于粘性土中的短桩 提出图1 2 d 所示反力分布形式 以粘土不 排水剪强度c u 的9 倍作为极限承载力 对于无粘性土中的短桩 b r o m s 1 9 6 4 提出 图1 2 e 所示的反力分布形式 取朗肯被动土压力的3 倍作为极限承载力 p 雪于 k 耋 萝 7 c i 日 c 爵 百 司 图l 一2 短桩横向土压力分布形式 引自b r s 1 9 6 4 f 培 1 2 d i s 仃i b u t i o nf o 啪o f l a t e m ls o i lp 他s s u r eo f s h o r tp i l e 8 t 广西大掌硕士掌位论文 夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 极限地基反力法最初是从像沉井那样的刚性结构物的应力问题中导出的 适用于埋 入长度较短的刚性桩 如竖向荷载很小 由水平荷载确定桩的埋入长度及断面的电杆 照明柱 掭志拄 广告塔等的计算中 作为电轷的计算公式是最实甩的 由于根据的理 论基础 不考虑地基变形对桩侧反力的影响 因此无法计算桩身的确切变形 但可以计 算桩的极限水平承载力 极限地基反力法不能用于长桩及含有斜桩的桩结构物的计算 3 弹性地基反力法 地基反力系数亦称为地基反力模量 指的是土压力同其相应的位移的比值 它是一 个计算参数 随着有关参数的变化而变动 而不是土的一个固定属性 一般假定地基反 力系数在一定位移范围内为常数 既不随位移而变化 并可有多种沿深度分布的型式 这是目前应用最广的一种解法 假定水平受力桩在变形过程中 与桩周土之间互相 作用的横向力为桩身横向位移 计算点深度的函数 由桩的挠曲线微分方程 口箬 p g y 归 o 1 1 确定桩侧土体反力p z y 的形式 运用解析法或数值法 有限差分法 有限单元法 求解土体反力与桩身内力 位移分布 式中 e i 为桩身截面刚度 y 为桩身侧向位移 z 为深度 b 为桩身迎士面宽度 弹性地基反力法假定地基土为弹性体 并假定土反力p z y 与桩的地面下的深 度z 的m 次方成正比例 与桩挠度y 的n 次方成正比例 用梁的弯曲理论求解桩的横向 抗力 土抗力函数的表达式为 p k y y 1 2 式中 k 为由土的弹性性质所决定的系数 与指数m n 的取法有关 根据对指数n 的不同取法 弹性地基反力法可以分为两类 第一类为n l 时的线性 弹性地基反力法 第二类为n l 时的非线性弹性地基反力法 1 线弹性地基反力法 p z y 可以表示为k z y 即反力系数与水平位移y 无关 仅与深度z 有关 土反 力与位移y 成振臂 这其实是将w i n k l 盯地基运用于桩士体系中 一种假定是k z k 1 式中h 为常量 m 为指数 范围在o l 之间 另一种假定是k z 为任意的其他形式 根 据m 的取值不同常用主要有以下几种解法 张有令法 m 0 9 广西大掌硕士掌位论文夯扩桩受水平荷戢作用时的性状研究 这种方法假设k h 为与深度无关的一个常数 将此关系式代入 1 一1 式则桩的基本 微分方程有其理论解 适当的确定k h 值后 它的数学处理比较简单 故其应用较广 特 别是在日本工程界大量廒用 m 法 m 1 这种方法假设k z k l z 其中l i i 一般写成m 表示是与地基性质有关的系数 该方 法的基本微分方程的精确求解有困难 故往往采用一些数学近似的手段求解 并作为便 利的计算图表查用 m 法在我国 欧美 前苏联应用较广 其他方法 m 0 1 对地基反力系数沿深度z 变化规律还有其他不同的描述 如在上段取m l 2 下段 取m o 这便是人们熟悉的c 法 该方法在我国公路部门应用广泛 对于多层地基的线性反力法主要有 p i s 1 9 8 4 6 1 假定土的反力系数为数值方向均匀 分布 运用差分方法 分析双层地基 用一组无量纲图标反映土体上下层厚度比 模量 比 桩身刚度与桩身内力变形的关系 横山幸满 1 9 7 7 针对地基反力系数为常量的情况 给出了单层土体中半无限长和有限长水平受荷桩的解析解 多层土体的半解析解 针对 反力系数为深度的函数 给出幂级数形式的半解析解 线弹性地基反力法假设地基为服从虎克定律的弹性体 在处理时不考虑土的连续 性 简单的数学关系很难正确表达出土的复杂性 因此 此法有很大的近似性 仅在小 荷载和小位移时候比较适合应用 2 非线性弹性地基反力法 该方法考虑到地基土的非线性弹性性质 运用非线性弹簧来代替线性弹簧 可以更 广泛的说明桩土共同作用机理 这对于较大位移的情况计算有一定价值 该方法不再将 p z y 分离为z 的函数与y 的一次式乘积 而将z y 两部分分开 形成形如k z y i i 的形 式 主要有以下几种常用的计算方法 港研方法 m 0 或1 n 0 5 日本港湾技术研究所的久保林一宫岛认为 无论什么地基n o 5 而对于s 型地基 m l 对于c 型地基m o 即 p 七l 矽 s 型地基 1 3 p t c 型地基 1 4 1 0 务扩桩受水平荷载作用时的性状研究 其中i s 为s 型地基系数 k c 为c 型地基系数 由于分析比较困难该法采取从标准桩 得到的种种关系 利用相似性法则 确定实际桩的情况 m a n o c k b r o i 璐法 i n l n 硇 6 他们从粘土地基现场试验中得出的n r 曲线与土的三轴不排水试验的 o o3 一e 曲线 即应力一应变 曲线的比较中得出两者的相关结论 认为p k x y 0 6 其中 k x 是x 的函数 k x p y 06 是一个与相应的土工试验数据相关的非常数 最后通过逐次 渐进 求出k x 非线性地基反力系数法对土性的反映比线性弹性地基反力系数法好 但其计算比较 繁琐 4 p 1 r 曲线法 p 7 曲线法是一种非线性分析方法 是以非线性模式来反映桩 土间的相互作用关 系的 即它描述的桩一土之间的相互作用力p 与桩身变位y 和桩入士深度 之间是非线性 关系 p y 曲线法可较好地考虑横向荷载作用下单桩荷载位移的非线性性质 比m 法 能更好地反映土的实际工作性状 因而被视为目前计算横向荷载单桩性状最为实用的方 法 其基本思想就是沿桩深度方向将桩周土应力应变关系用一组曲线来表示 即p y 曲线 如图1 3 a 在某深度z 处 桩的横向位移y 与单位桩长土反力合力之间存在 一定的对应关系 如图1 3 b b 图1 3p y 曲线 f i g 1 3p yc u r v c i l 羞f 扩桩爱水平荷载作用时的性状研究 美国学者m a t i c o k 4 根据桩受横向力后 土由表面开始屈服 并逐渐向下扩展的现 辫麟笋蟹辎 鹫鬣将沿箍长方向的土分为两个区域 假定各个区域有不同的破坏模式 即有不同的极 限土抗力 的表述形式 上部乳l 是根据 体的极限平衡概念到处 p u i 毪 b 下部 的p l l 2 足根据土体在水平面上围绕着桩的塑性流动的假设而求得 p 2 c 其中a b c 均为与桩 土有关的系数 m a t l o c k 发展了m a t l o c k b r o m s 法中有关p y 曲线与土的应力应变曲线相关的理 论和斯开普顿在分析基础沉降问题时相类似的结论 建议根据室内三轴不排水剪试验资 料 结合现场数据 从而建立p y 关系 在分析的基础上 他指出随着横向位移的增 加 士可分为弹性区和塑性区 前者p k y 嵋 后者p p 其中k o 5 p i i 1 y 5 0 m y 5 0 为 p 以对应的位移 从理论上讲 p 了曲线法是一种比较理想的方法 配合数值解法 可以计算桩内力 及位移 当桩身变形较大时 这种方法与地基反力系数法相比有更大的优越性 但是 与地基反力系数法类似 这里问题的关键也在于确定土的应力应变关系 即 确定一组p y 曲线 此问题的精确求解又涉及到土的本构模型这个基本命题 现有的 些方法均为半经验 半理论性质 基本上将土的应力应变关系分为弹性阶段 塑性阶 段加以考虑 弹性区p 7 曲线的确定 类似于线性地基反力系数法中的一些公式 如p k a y p k y 等 过渡区r y 曲线一般为y 的非线性关系 又引出了土在横向荷载作用下极 限反力的问题 b r o m s 1 9 6 4 5 1 对于砂性土 取三倍朗肯被动土压力作为p u 对于饱和粘性土取9 c 为p u 但后来有人用塑性理论分析 认为这种取值偏于不安全 茜平一 1 9 9 6 用有限元 法分析认为p i i 值对应于b r o m s 取值的一半左右 r e e s e 1 9 7 5 唧从试桩资料出发 分析桩土应力变化规律 提出用p y 曲线法解决 粘性土中深基坑抗水平力的计算 提出硬粘土中制定p 吖曲线的一种方法 r e e s e 1 9 7 7 p 悃一组p y 曲线反映土体特性 用差分法进行数值计算 考虑不同 顶端约束条件 b b l l s h a i l 1 9 7 9 7 1 采用1 2 根钻孔桩进行原位测试 分析地面处位移随加荷变化情况 认为r e e s e 1 9 7 5 文中的p y 曲线制定方法中的若干参数在刚性短桩情况下应作修改 g e o r g i a d i s 1 9 8 1 8 1 针对p y 曲线法提出考虑桩土之间的摩擦力来预测桩身位移 广西大掌硕士掌位论文 鸯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 转角 5 数值方法 因为水平荷羧披挠曲变形的控制微分方程式只熊对予线性均质 等截面桩的张有 令方法得到封闭解析解 而工程实践中大量遇到非均质土 变截面刚度桩以及桩和土的 非线性与蠕变问题 因而在寻求其他形式的解析解 如土模量随深度变化的幂级数解 的同时 随着计算技术的迅速发展 人们将注意点转移到数值计算上来 工程中数值计 算发展很快 将多种更加灵活实用的数值计算方法引入到水平荷载桩的分析计算中来 使水平荷载桩的特性研究和设计分析技术水平取得长足进展 数值方法不仅能考虑地基 的线弹性问题 而且能考虑地基的非线性弹塑性性质 所应用的数值计算方法主要有有 限差分法 有限单元法和边界单元法 有限元法计算的关键在于确定出能反映地基真实情况的土的本构关系 即建立恰当 的计算模型a 前述的计算方法在处理时将桩看成二维问题 并假定某处沿桩宽方向的士 反力分布是均匀的 求得的桩的抗力是一个平均值或合力 对桩前土体的真实受力和变 形情况都是比较笼统的 这是一种简化处理的结果 若考虑桩土实际情况为空间问题 则给分析和计算带来较大困难 而有限元法只要有足够的存贮单元 其计算大多能反映 现实的状况 己经有相当多的学者进行了有限元法在抗水平力桩的应用 比如 r o m s l i k 1 9 7 4 将有限元法应用于水平荷载作用桩的计算中 并于s a b i n e 河地区 钢管水平荷载作用桩现场试验成果 1 9 7 0 m a t l o c k 进行对比 得出了有限元法应用于 水平荷载作用桩的一些定性的结论 罗火生 1 9 9 7 1 9 建立了一种改进型的弹性地基梁单元 从而能更有效的用有限元法 的方法求解桩的内力 王天胜 2 0 0 0 等应用商品化的有限元软件 对抗水平力群桩进行了研究 提出了 水平荷载作用群桩设计中需要注意的一些因素 6 其他方法 在桩的设计和应用实践中 国内外不少学者都提出了不少新的方法 这些方法一种 是对于上述方法的某种程度的修正 另一种不能完全归入上述方法 但是也并非是一套 全新的东西 于上述的方法有相似之处 但是引入了一些新的概念 主要有以下主要理 论 t 夯扩桩受水平荷就作用时的性状研究 n o g a i i l i 和p a u l s o n 1 9 8 5 提出了一种轴向和侧向荷载作用下的分析方法 该方法假 设在文克尔地基梁模型中 桩一土的相互作用模型利用非线性荷载传递函数来处理 同 时桩中所有的相互作用只沿水平方向 此方法用一个转换矩阵来计算群桩的桩头处刚 度 然后用于整个桩长范围内的分析 并且通过与单桩的荷载传递函数结合来计算 并 考虑了土的非线性性质 m u r 瞰1 9 9 3 运用塑性理论 考虑土体强度 土体滑动区 土体粘聚力及桩背吸力等 因素来分析横向受荷桩受力 p m k a s h 1 9 9 6 在确定k s 分布时引入两个概念 一是先确定k a x 由k 确定k s 的 分布 二是认为k 有上下界 运用数值解法计算桩顶力一位移曲线时可得到两条曲线 相当于包络线性质 在某些情况下可以对用其他方法所得得计算结果提供一个判断范 围 吴立恒 1 9 9 5 提出非线性地基反力的两个公式 燃苏戮勰 c 吲 七g 榭 向 o 1 九 o 前者用于桩顶荷载较小的阶段 后者用于荷载较大的阶段 其中a n 为可调整参数 m 为土体比例系数 将这两个公式引入桩身挠曲方程 得出半解析解表达式 根据试桩 数据 反算上述两方程中的参数 并认为比p y 曲线法具有更多的优点 就这种方法 的应用过程来看 实际上是一种经验公式的总结 先确定一种计算模型 模型中的参数 由试桩数据来确定 并根据试桩数据决定选用哪个方程 即荷载比较大或较小两个概念 需要恰当把握 尤其在没有试桩资料的情况下 不可避免有选择参数的问题 7 我国规范中所采用的方法 总体来说 规范中的计算方法为线性地基反力系数法 由桩土相对刚度区别一长桩 短桩 分别给出计算方法 对于短桩 假定地基反力系数随深度线性增大 用极限地基 反力分析方法分析 对于长桩 假定桩为弹性 假定地基反力系数随深度分布形式有如 下通式 七 z 拓一 1 川 根据指数n 的取值不同 解法也不同 1 n 0 张法 反力系数为常数 中国港口工程技术规范 中国交通部规范j t j 2 2 2 8 3 1 1 4 0 t 广西大掌硕士掌位截 文夯扩桩受水平荷戢作用时的性状研究 2 n l 反力系数随深度线性增大 此法称为m 法 建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 中国交通部标准j t j 0 2 4 8 5 3 n 卸 5 反力系数随深度增加星抛物线型增大 交通都科学研究院 1 9 7 8 1 2 3 群桩受水平荷载作用的研究现状 夯扩桩受水平荷载作用在规范中没有现成的理论指导 目前都是以现场实验分析为 依据 群桩分析是一个十分复杂的问题 它涉及众多因素 一般来说 这些因素包括群 桩几何尺寸 如桩长 桩间距 桩数 桩基础宽度与桩长的比值等 成桩工艺 桩基施 工与流程 土的类别与性质 土层剖面的变化 荷载的大小 荷载的持续时间以及承台 设置方式等 但是对于其中的不少因素 人们尚未开展试验 群桩基础一般由桩 承台以及土三部分组成 对于群桩基础的分析计算即理论研究 是从这三部分以及它们之间的相互作用进行分析的 根据三部分的不同假设就有了多种 不同的分析方法 水平荷载作用下群桩基础的工作性状和单桩有较大不同 主要表现在群桩中各桩间 距小于临界桩距时 群桩中各桩通过桩间土相互作用而产生群桩效应 目前 计算分析 水平荷载群桩的方法主要有以下几类 由试验导出的经验公式法 弹性理论法 综合效 率法 p y 曲线折减法和数值分析法等 相关论文见参考文献 3 0 卜 3 3 1 3 课题研究对象及主要工作 1 3 1 问题的提出 随着建设事业的不断发展 夯扩桩作为一种新桩型出现并且迅速普及 在工程实践 领域的应用日见广泛 在工程实践中 夯扩桩目前主要是承受竖向荷载 随着工程实践 的不断发展 夯扩桩的应用领域也在不断扩大 以前一直认为夯扩桩只适用于承受竖向 荷载 实际工程表明夯扩桩也可以承受水平荷载 但要靠现场实验测得 夯扩桩抗水平 力的理论尚未得到系统阐述 夯扩桩受水平荷载作用下的工作性状的研究将会为基础工 程的发展增添新的活力 因为夯扩桩与普通桩基础性状 原理有一定区别 所以现行规范 如j g j 9 4 9 4 等 对夯扩桩受水平力作用不是很适用 本身现行规范对水平荷载这部分的理论也是建立在 经验的基础上的 那些实验都不是针对夯扩桩的试验 那么这些理论用于夯扩桩的计算 计算的误差有多大 都是需要解决的问题 水平荷载桩的分析 工程上最为关心的问题 广西大掌硕士掌位论文 务扩桩受水平荷载作用时的性状研究 是水平承载力确定和位移预测 综上 夯扩桩受水平荷载作用的研究无疑会对桩基础的 研究工作带来新气象 推动岩土工程界研究工作的发展 本文将在对前人对受水平荷载 桩的研究总结的基础上 进一步对夯扩槛受水平荷载作用下的性状进行探讨 1 3 2 夯扩桩受水平荷载作用的类型 夯扩桩受水平荷载作用的形式同普通抗水平荷载桩相同 最基本的情况如图l 一4 a 所示 考虑更为实际的情况 桩头可以限制转动或伸出土面 则也有如图l 一4 b c 所示的情况 图中h 为桩顶水平荷载 m 为桩顶弯矩 q 为桩头伸出段分布荷载 b b c 图l 一4 夯扩桩受水平荷载作用的类型 f g 1 4t y p eo f r a m c o m p a c n o ni n d l v i d u a lp i l es u b j e c t e dt ol a t e r a l l o a d 1 3 3 水平荷载的性质及分类 水平荷载的产生 一般由介质的流动 结构自身的形式 设备运动以及地震作用引 起 横向受荷桩的应用场合也由这些水平荷载而确定 1 由介质流动引起的水平荷载 一般由风力 水力 士体作用引起 1 风力作用 如高耸结构 支架 格构形结构等下的桩基 2 水流 波浪的作用 多用于海洋工程 港口工程等 如桥梁 钢结构护岸 防波堤 石油开采平台 管 道支撑 以及河流中桥墩下的桩基 务扩桩受水平荷载作用时的性状研究 3 土体作用 多用于陆地上的支档 围护结构 如深基坑开挖过程中所用的支护桩 或斜坡土体 中所用的护坡桩 2 结构自身引起的水平荷载 结构自身所受的重力作用于结构形式而转化为水平荷载 一般为拱形结构 如桥梁 拱形建筑 混凝土构架等 3 设备运动引起的横向荷载 大型设备往复运动引起的动荷载 4 地震作用引起的横向荷载 地震作用通过水 土运动传给建筑物或桩基 1 3 4 本文的主要研究工作 基于以上分析 本文做了如下工作 1 对前人所做的水平承载桩的计算理论方法进行归纳总结 2 对夯扩桩基础工程从沉桩机理到基础设计 进行详细的分析研究 3 详细分析了常用的桩受水平荷载作用的计算方法的解析过程 如张有令法 m 法 p y 曲线法 4 应用大型有限元软件a n s y s 对钢筋混凝土夯扩桩单桩受水平荷载作用时的特 性开展深入的研究 根据现场实际情况对成层土进行模拟 并进一步分析 确定影响其 稳定性的因素 5 应用大型有限元软件a n s y s 对群桩受水平荷载作用时的特性及影响因素进行 模拟分析 根据分析得出有益的结论 为夯扩桩基础的设计提供理论参考 1 7 务扩桩受水平荷戢作用时的性状研究 2 1 夯扩桩 第二章夯扩桩的研究分析 夯扩桩技术是在沉管灌注桩的基础上 针对承载力低 桩身质量较差进行攻关的技 术成果 据国内很多地区的夯扩桩施工情况调查 其施工质量较一般沉管灌注桩有很大 改善 同时单桩承载力也有很大的提高 夯扩桩技术的特点及其在实际工程中的应用现 状 充分证明了夯扩桩是一种比一般沉管灌注桩更具优势的替代桩型 随着对建筑物质 量安全的日益重视和城市的不断发展 既经济又安全的夯扩桩有着良好的应用前景 2 1 1 夯扩桩的沉桩工艺 夯扩桩的沉桩工艺是在锤击沉管灌注桩的机械设备与施工方法的基础上加以改进 增加一根内夯管 按照一定的施工工艺 无桩尖或钢筋混凝土而预制桩尖沉管 采用 夯扩的方式 一次 二次 多次夯扩与全复打夯扩等 将桩端现浇混凝土扩成大头形 桩身混凝土在桩锤和内夯管的自重作用下压密成型 在施工过程中 将内外管同时捶击 或振动 进入预定标高 然后提起内管 灌注 一定量的混凝土 放入内管 进行捶击 在桩底部形成一个类球形扩大头 桩身施工则 与钢筋混凝土灌注桩相同 通过增大桩端截面积和挤密地基土 使桩的承载力有较大幅 度地提高 同时 桩身混凝土在柴油锤和内夯管的压力作用下成型 利用内管和桩锤的 自重对外管内的混凝土压密压实 有效地防止了缩颈 断桩 夹泥等现象 保证了桩身 质量 2 1 2 夯扩桩的特点 夯扩桩的原理及其施工工艺决定了其有如下特点 1 在桩端处夯出扩大头 单桩承载力较高 可按地层土质条件 调节施工参数 桩长和夯扩头直径以提高单桩承载力 2 在夯扩过程中 锤击力经内夯管的传递 直接贯入桩端持力层 强制将现浇混 凝土挤压成夯扩头的同时 也将桩端持力层压实挤密 使桩端持力层得以改善 桩端截 面积增大 促使桩端阻力和桩承载力大幅度提高 3 内管底部的干拌混凝土 无桩尖工艺 可有效起到止淤和短时止水作用 使后 续混凝土灌注质量得到保证 桩身混凝土借助于桩锤和内夯管的下压作用成型 可避免 1 8 痨 扩桩受水平荷载作用时的性状研究 或减少缩颈或断桩等弊病的产生 4 施工机械轻便 机动灵活 适应性强 借助内夯管和柴油锤的重量夯击灌入的 混凝土 桩身质量高 无泥浆捧放 施工速度快 工期短 造价低 5 遇中间硬夹层 桩管很难沉入 遇承压水层 成桩困难 振动较大 噪声较高 属挤土桩 设桩时对周边建筑和地下管线产生挤土效应 扩大头形状很难保证与确定 2 1 3 夯扩桩的适用范围 夯扩桩适用于单桩竖向极限承载力不大于4 0 0 0 k n 的工业与民用建筑 其中对单桩 竖向极限承载力大于2 0 0 0 l 甜的 属高承载力夯扩桩工程 在设计与施工时应采取相应措 施 建筑物属于二级或三级安全等级 高层建筑夯扩桩基的直径可达6 0 0 姗 夯扩桩成桩深度一般不宜大于2 0 m 若桩周 土质较好 成桩深度可适当加深 但最大成桩深度不宜大于2 5 m 夯扩桩是一种以桩端扩大头支承力为主 桩身侧摩阻力为辅的灌注桩 故夯扩桩对 地基要求首先是在一定范围内存在一定厚度相对好的持力层 所以特别适用于上部有软 弱土层或杂填土较深而下部有土质较好的桩端持力层的地基中 夯扩桩的桩端持力层 宜选择稍密 密实的砂土 含粉砂 细砂和中粗砂 与粉 土 砂土 粉土与黏性土交互层以及可塑 硬塑黏性土 福建部分地区已将花岗岩残积 粘性土和稍密 中密砾卵石层作为夯扩桩的桩端持力层 对高承载力夯扩桩宜选择 较密实的砂土或粉土 选择花岗岩残积黏性土和稍密 中密砾卵石层 持力层的埋深不应大于2 0 m 桩端以下持力层的厚度不宜小于桩端扩大头设计直径 的3 倍 当存在软弱下卧层时 持力层厚度应通过强度与变形验算确定 对桩周土为厚 层软土层地区不宜采用高承载力夯扩桩 因为夯扩桩的成桩深度最大不超过2 5 m 对于 较厚的软土层夯扩桩桩底达不到较好的持力层 承载力不高 桩基所承受的外力主要是竖向力 目前几乎没有夯扩桩用作抗水平荷载的工程 夯 扩桩的水平承载力性能主要靠现场试验测得 2 1 4 夯扩桩的扩大头 桩端持力层土质的不同直接影响到桩端扩大头的形状 对较松软的土层 土的侧限 小 易形成圆胡萝b 型扩大头 而对密实坚硬的土层 土的侧限大 易形成长胡萝h 型 扩大头 文献 1 1 在砂性土中所做模型试验表明 扩大头在均匀砂性土中呈椭球体 同 时分析了在砂土 粘性土 淤泥质土中的扩大头形状 对粘性土 由于其动强度和动模 1 9 广西大掌司l 士掌位论文夯扩桩受水平荷戢作用时的性状研究 量显著提高 扩大头混凝土侧向膨胀受约束作用相对增强 土体产生冲切破坏而向下推 移 成为一个长椭球体 如图2 一l a 所示 在砂性土中扩大头混凝土侧向膨胀所受约 束作用相对较弱 体侧向挤如 向钋弱膨胀丽形成短椭球体 如图2 一l b 所示 在 淤泥质土中 由于孔隙比大 抗剪强度低 压缩性高 扩大头混凝土向外围自由膨胀而 成球体 如图2 一l c 所示 a 粘性土中 b 砂性土中 c 淤泥质土中 图2 1 不同土性中扩大头形状 f i g 2 一ls h a p eo f 姗m 日e x p d e db o d yi nt h ed i 侬 ms o i l 2 2 复合载体夯扩桩 复合载体夯扩桩是近年来开发研制的一种在技术上可行 在经济上合理的一种特色 桩型 该技术实质上属于一种地基加固技术 该桩由上部桩身和下部复合载体组成 桩 身为钢筋混凝土结构 复合载体是避软就硬 以碎砖 碎石 混凝土块等为填充料 在 持力层内夯扩加固挤密形成挤密实体 复合载体由于硬性混凝土 填充料 挤密土体 影响土体四部分组成 自推广应用以来 该技术已成功进入北京市 天津市 河北省 陕北省 山西省 山东省 辽宁省 河南省 江苏省 黑龙江等省市地区的建筑市场 并承接完成了一定 数量的工程 特别是在北京市 天津市 陕西省西安市 河南省洛阳市 郑州市 黑龙 江哈尔滨市 牡丹江市 江苏省徐州市 山西省太原市 大同市等地 采用该技术已完 成了相当数量的工程实例 与当地传统工法在质量 造价和工期等指标的对比上都有很 大优势 相对于一般的地基处理方法 在提供相同承载力的情况下 采用该技术可为建 设单位节约1 0 2 0 的基础投资 同时施工单位可创造显著的经济效益 2 0 广西大掌硕士掌位论文 夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 2 2 1 复合载体夯扩桩的基本原理 复合载体夯扩桩是指采用细长锤夯击成孔 将护筒沉到设计标高后 细长锤击出护 筒底一定深度 分批向孔内投入填充料和于硬性混凝土 用细长锤反复夯实 挤密 在桩 端形成复合载体 然后放置钢筋笼 灌注桩身混凝土而形成的桩 是一种集重夯 沉管 钢筋混凝土灌注桩的优势予一体的一种新桩型 由上部钢筋混凝土桩身和下部复合载体 组成 如图2 2 所示 复合载体是指由干硬性混凝土 填充料 挤密土体和影响土体组 成的载体 图2 2 中的软弱土层是指不能满足上部结构对承载力或变形要求的土层 被加固土层是指复合载体所在的土层 复合载体持力层是指直接承受复合载体传递的荷 载的土层 夯扩体由夯实干硬性混凝土和夯实填充料组成 挤密土体是指夯扩体周围被 夯实挤密的土体 图2 2 复合栽体构造 f i g 2 2 s t n l c t u f eo f c o m p o s i t eb e a r e r 2 2 2 复合载体夯扩桩的承载机理 它突破了传统的桩基础和地基处理观念 避软就硬 即避开浅部软弱松散的土层 选择下部层位稳定 土性较好的土层作为被加固土层 以桩端土体为研究对象 利用细 长锤冲击成孔 对周围土体进行挤密加固 将护筒沉到设计标高时 细长锤将护筒底击 出一定深度 分批向孔内投入复合填充料 主要是不含腐蚀植物的建筑垃圾 如碎砖 混凝土块等 反复夯实 挤密 并用三击贯入度作为控制指标 三击贯入度为锤重3 5 k n 上提6 0 m 自由落体时贯入的深度 再填以干硬性混凝土 使桩端以下深度为3 5 m 直径为2 3 m 区域约1 0 m 1 的土体得到最有效的加固挤密 形成自上而下由干硬性混凝土 2 l 广西大掌硕士学位论文 夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 填充料 挤密土体和影响土体组成的复合载体 然后再放置钢筋笼 浇注桩身混凝土 同 钢筋混凝土灌注桩 复合载体夯扩桩设计规程 j g j p t1 3 5 2 0 0 1 规定 桩端被 加固土层应为可塑到硬塑状态的粘性土以及粉土 砂土 碎石土 被加固土层厚度不宜 小于2 m 当软塑状态的粘性土 素填土 杂填土和湿陷性黄土经过荷载试验确定桩基承 载力稳定可靠时 也可作为桩端被加固土层 对于建造在粉质粘土 施工时不产生液 化的粉土以及中轻度湿陷性黄土的多层建筑地基处理尤为适用 对其应用范围目前尚在 研究当中 在受力机理上与混凝土夯扩桩相似 均为端承为主 桩周摩阻力与上承力盘抗力为 辅的承力体系 所不同的是桩端扩大头的形成方式和所用材料 因而旅工方法 扩大头 的直径与承载性状也必定有所不同 复合载体夯扩桩虽然也称作桩 但不同于传统桩 似桩非桩 对于传统的等直径桩或桩端扩大头桩 都是使桩端荷载从桩端相对刚性体直 接传递给该处的相对柔性的土体 均未充分调动桩端地基土体参与承载 对于复合载体 夯扩桩而言 桩端下面的复合载体的作用是将传递到桩端的荷载分散传递到其下面的持 力土层上 由于复合载体由4 个部分组成 由上至下刚度逐渐减小 而体积逐渐增加 这样 按照桩端应力的扩散原理 桩端荷载从刚度较大但体积较小的夯实干硬性混凝土 体经夯实填充料体 挤密土体和影响土体传递到刚度较小但承载区域较大的持力土层 上 即刚度介于桩身与持力层问的复合载体起到了缓冲作用 同时也起到了扩大持力土 层的有效承载面积的作用 由此可见 被加固土层成为一个硬层与其下的持力层形成了 双层地基 这是构成复合载体夯扩桩承载力的主体 该桩与其它桩型的最大区别在于它不是通过桩身形状 桩径 桩端面积的改变来提 高承载能力 而是利用重锤对填充料进行夯实挤密 挤密区土体受到很大夯击能量后缓 慢释放 对侧向周围影响土体施加侧向挤压力进行有效加固挤密 土体得到密实 变形 模量得到很大提高 所以较大幅度地提高地基承载力 总结起来主要有三点 扩大了 桩端的承载面积 据开挖实测 在一般粘性土中 其承载面积扩大了近十倍 桩身 承受的集中荷载作用时 通过 复合载体 的分层扩散作用 消除了桩端的应力集中现 象 将桩端的应力水平逐层降低至天然土体能够承受的程度 从而改善了土体的受力状 态 提高了桩的承载能力 在夯扩 复合载体 的过程中 对其所在的土层进行了有 效地加固挤密 显著地改善了原状土层的土性 呈层状分布的 由不同材料组成的 复 合载体 连同其周围被挤密的土体 形成了深层复合地基 其承载能力较原状土体的承 夯扩桩受水平荷载作用时的性状研究 载能力有较大幅度的提高 2 2 3 复合载体夯扩桩的特点 1 该桩型具有桩基的承载特性 可采用承台梁直接将上部结构荷载传递到桩基上 建筑物基础结构形成式简单 经济 2 由于在桩端处形成复合载体 桩的承载性状好 单桩承载力较高 为相同桩长 和桩径的普通灌注桩承载能力的3 5 倍 并且在同一场地 在不改变桩长和桩径的前 提下 可根据不同设计要求 通过调整施工控制参数来调节单桩的竖向承载能力 3 夯扩体形状可控且边界较清楚 施工质量易控制 填充料就地可取 能消纳大 量的建筑碎砖 混凝土块等建筑垃圾和工业废料 变废为宝环保功能好 施工造价低 在施工过程中 具有无污染 低噪声等特点 4 施工工艺简单 施工质量易控制 施工中 无需场地降水 基坑开挖等工序 减少了工程量 缩短了工期 施工速度快 安全文明 处理一栋5 0 0 0 舻的楼房地基 仅 需要1 0 1 5 天 5 采用锤击成孔跟沉护筒工艺 施工工艺简明直观 由于细长锤在护筒中做竖直 向下冲击时 护筒起隔音罩作用 可做到锤击时无噪声 施工机械轻便 机动灵活 施 工过程中无泥浆排放 在夯扩填充料最后一段时有低振感 但沉管式夯扩工艺实施中振 感较强 因此当无有效隔振措施时不宜在居民区和对振动敏感的建 构 筑物附近施工 6 因属于挤土桩 视具体工艺不同 对周边建筑物和地下管线会产生挤土效应 遇承压水层 成孔成桩困难 7 适用范围广泛 尤其对浅部具有相对较好土层 表层杂填土较厚时 其优势更 为明显 2 2 4 复合载体夯扩桩的适用范围 复合载体夯扩桩适用于 工业与民用建筑 对于旧房改造 安居工程中的多层住 宅尤为适用 市政工程 道路路基 桥梁工程之地基加固处理 中 小型水利工程 之地基加固处理 复合载体夯扩桩适用于单桩竖向极限承载力不大于4 0 0 0 k n 的工业与民用建筑 在 地层土质条件合适的条件下 单桩竖向极限承载力也可达4 0 0 0 5