钻孔灌注桩论文.改.pdf

1 前1 前 言言 在建筑物修筑过程中 当地基浅层土质不良 采用浅基 础无法满足建筑物对地基强度 变形和稳定性等方面的要 求时 往往需要采用深基础 桩基础是一种应用较为广泛 的深基础类型 桩基础的分类方法很多 按照成桩方法分 类主要有以下两种基本类型 预制桩和灌注桩 由于灌注 桩相比预制桩有下列优点 1 1 施工过程基本无噪音 无振动 无浓烟排放 对 环境的影响小 1 2 可根据土层分布变化桩长 并且可选择适当的桩 型提高受力性能 1 3 施工过程中桩身不需搬运吊装 不必承受打击 因 此可采用较低的配筋率 并且可根据建筑物的重要性和荷 载条件选择沿深度变截面配筋 因此 在工程中较多选用灌注桩 灌注桩根据成孔方式 又可分为钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩两类 其中人工挖 孔灌注桩以工期短 机具简单 成孔质量好及适用范围广 等特点而具有极强的生命力和良好的发展前景 2人工挖孔灌注桩概况2人工挖孔灌注桩概况 2 1发展历程2 1发展历程 人工挖孔灌注桩是指在桩位采用人工挖掘的方法成孔 然后安放钢筋笼 灌注混凝土而成的基桩 人工挖掘成孔技术源自古代人类的掘井技术 1893年美 国首先在芝加哥 底特律等大城市使用这项新技术 由于 当时这些大城市土地紧张 导致建筑物的层数不断增加以 缓解这种压力 各种高强轻质新材料的出现 大型起吊设 1 备的开发为高层建筑的设计和施工创造了条件 但是 这 同时也提高了对基础强度和稳定性的要求 这些大城市地 表以下存在着埋深较大的软土或中等强度的粘土层 若基 础选用当时通行的摩擦桩 必然会产生不可允许的沉降 于是设计人员不得不考虑把桩设置在更深的持力层上 并 且为满足承载力要求还必须将桩身截面设计的很大 由此 而导致当时的打桩设备不足以提供足够的力 把桩打至设 计的深度 人工挖孔灌注桩的引入则解决了这一难题 人 工挖孔灌注桩也由此被称为 芝加哥式挖孔桩 由于其 施工机具简单 适用范围广等优点 人工挖孔灌注桩作为 一种深基础形式很快的应用于世界各地 人工挖孔灌注桩的出现不仅解决了当时工程中出现的问 题 关键是其改变了传统的施工方法 将广泛应用于上部 结构施工的现浇工艺引入对基础的施工中 与此前广泛应 用的木桩 钢桩以及钢筋混凝土预制桩等打入桩相比 先 成孔 再浇筑混凝土的施工工艺的确是一种突破 随后在2 0世纪40年代出现的钻孔灌注桩也是在此基础之上发展起来 的 我国是在上个世纪60年代初开始在工程中引入人工挖孔 灌注桩 最初 这项新工艺应用于沿海地区 70年代中期 以后又陆续在我国北京 广州等大城市应用于高层和重型 建筑物的基础 随后 人工挖孔灌注桩便在我国得到了迅 猛的发展 数年间便普及了全国的二十几个大 中城市 广泛应用于包括软土 黄土 膨胀土等特殊土在内的各类 地基 据估计 近年来我国应用人工挖孔灌桩的数量堪称 世界之最 2 22 2 技术特点技术特点 自人工挖孔灌注桩问世至今经过了一个多世纪 随着人 2 们对人工挖孔灌注桩承载机理的研究 这一桩型也得到了 进一步的发展 在各类建筑物的基础中人工挖孔灌注桩越 来越受到重视 这主要是由于它较之其他的桩型有其自身 的特点 1 人工挖孔灌注桩属于非挤土桩 施工基本无噪音 无地面隆起或侧移 无浓烟排放 对周围环境影响小 对附近的建筑物 路面或地下设施等危害小 操作简单 2 人工挖孔灌注桩的单桩承载力高 视地质条件 桩身尺寸和混凝土强度等级不同 一般可达数千kN甚至数 万kN 因此 在工程中常设计成一柱一桩的基础形式 3 人工挖孔灌注桩由于其桩身刚度大 除能承受较 大的竖向荷载外 还能承受一定的横向荷载 增强建筑物 的抗震力 并能有效地充当坡地的抗滑桩 堤岸支护桩以 及地铁或建筑物基坑开挖的支护桩 还可以在基坑开挖后 继续作为地下室的承重墙等永久性结构使用 4 人工挖孔灌注桩施工设备比较简单 轻便 施工 速度快 通常只用镐 锹 人力卷扬机和铁桶 或条筐 必要时采用风镐和通风机 同时可以分组作业 多孔同 时进行 提高施工速度 5 人工挖孔灌注桩质量易保证 采用人工挖孔可直 接检查孔底岩层的岩性及风化程度 保证桩端设置在良好 的持力层上 人工清底可保证桩底与持力层接触紧密 不 存在沉渣现象 6 人工挖孔灌注桩不需要搬运吊装 不必承受打击 因而可采用较低的配筋率 并可根据建筑物的重要性和 荷载条件仅在桩身上段配筋或沿深度作变截面配筋 7 人工挖孔灌注桩通常桩间间距较大 群桩效应小 设计中无需为此而进行繁琐的计算 桩的沉降及其对邻 近桩和周围地面的影响的计算也比常规中等直径桩更为简 3 便 8 人工挖孔灌注桩采取扩底的型式 能更好地发挥 桩端持力层的作用 这是其它桩型所不可比的 并且缩短 了桩长 减少了工程量 降低了施工难度 在桩端扩大的 基础上 工程人员进而沿桩身在合适的土层上扩大桩的直 径 形成各种异形桩 更好地发挥土层的承载力 2 32 3 适用范围适用范围 人工挖孔灌注桩的上述特点 使其在国内外的工程中得 到广泛的应用 尤其是在我国 由于劳动力充足 价格低 廉 使单桩成孔造价大大低于钻孔桩或其它类型桩 另外 可以多孔同时施工 加快了进度 缩短了工期 人工挖 孔灌注桩适用范围较广 可广泛应用于以下工况 1 桥梁 高层建筑 大型设备等的基础 在无地下 水或地下水量不多的地层 2 地表以下有较厚的软弱土层 如杂填土 素填土 淤泥质土等 3 拟建工程场地有人防工事 可将人工挖孔灌注桩 穿过人防工事达到其下的硬土层 4 工程场地地表以下有埋深较厚的湿陷性黄土 膨 胀土 而其下有较硬的持力层 5 工程场地具有适于作人工挖孔灌注桩持力层的土 层 如 岩石类 砾石类 密实砂类 s E值大于10MPa的粘 性土等 6 场地狭小的市区 不宜开进大型机器设备 宜选 用人工挖孔灌注桩 它具有土方量小 投资少 施工快 对周围环境影响小的优点 7 新近建筑物邻近有老建筑物时 采用人工挖孔灌 4 注桩可避免不利影响 方便施工 2 42 4 发展方向发展方向 随着时代的进步 科学的发展 建筑物的上部结构形式 越来越多 由此也引发了基础工程的不断更新 人工挖孔 灌注桩目前的发展趋势大概有这么两个方向 1 桩型的变 化 由以前的直壁桩 扩底桩发展为沿桩身布设多个坎 肋 或是桩径设计成沿深度呈阶梯形变化的桩 充分发 挥地层中工程性质良好土层的承载力 2 浇筑过程中新工 艺的引入 打破先前浇筑实心混凝土桩的传统 采用空心 桩 减少了桩的自重和废弃土方量 节省了工程量 降低 了造价 另外 引入欧洲国家使用的桩底灌浆施工工艺 通过对桩底灌浆 有效地增加了桩端土的刚度 减少的桩 端土层的压缩量 建筑规模的不断增大 引起了桩径的增大 直径为2 3 米的人工挖孔灌注桩已司空见惯 个别的达到并超过了5米 为了减少桩身自重 节省工程量 降低造价 但同时又 满足承载力的要求 人工挖孔扩底灌注桩作为一种新的桩 型引入基础工程 人工挖孔扩底灌注桩能较好的发挥持力 层的作用 减少桩长 提高单桩承载力 近年来的工程实 例已证明当桩长较大 场地可能因大量堆载或地下水下降 而发生沉降 或因地震液化等原因致使桩侧摩阻力降低 丧失甚至会产生负摩阻力时 扩大桩底部直径仍然是发挥 桩端持力层的作用 提高单桩承载力的有效措施 随着人 们对扩底作用认识的深化和施工机具的改进 扩底的形式 也有了新的发展 扩底的形式主要有锅底形扩底和平面形 扩底两种 我国近年推荐采用前者 扩底端的尺寸选取上 变化很大 一般桩端直径与桩身直径比 d D 不超过3 0 锅底 5 矢高 b h取 0 1 0 15 D 扩底侧面的斜率应根据实际成孔及 支护条件确定 c h a 一般取1 3 1 2 砂土取为1 3 粉土 粘性土取为1 2 见图如下 d D a hd hc 人工挖孔扩底灌注桩构造 人工挖孔支盘灌注桩从仿生学原理出发 把自然界树木 生长的规律应用到工程上来 是一种新的发明 这种桩使 用特制的设备在支盘周围可形成坚硬的土体 既有较大的 承压能力 又有较大的抗拔能力 由于桩体周围有支和盘 的存在 可增加桩的稳定性 人工挖孔支盘灌注桩克服了 传统桩型承载力低 抗拔能力小 稳定性差的缺点 可以 认为是夯扩桩和大直径桩 墩 的改进 挤扩支盘灌注桩技 术是利用专利设备 支盘挤扩机在常规施作的桩孔内的适宜土层 进行加压挤 扩 形成 盘 或 支 再按常规工艺灌注混凝土 形成 挤扩支盘灌注桩 挤扩支盘灌注桩的机理是 桩身的 盘 或 支 支承于较硬土层上 充分利用桩身周围和桩端的 较好土层 变侧阻力为支承力 这样大大提高了桩的轴向 承载力 抗拔力 并减小了桩的沉降变形 6 3 13 1 课题的提出课题的提出 时至今日人工挖孔灌注桩已发展了100余年 此间人类 从未停止过对其工作机理的研究 新桩型 新工艺的不断 涌现使得工程人员必须更新自己的知识 对人工挖孔灌注 桩的受力机理和变形特性进行不断的探讨和研究 特别是 从上个世纪70年代以来 随着我国国民经济的高速增长 基础设施的建设得到了大力发展 许多大 中城市兴建起 大批的高层建筑和大跨度柱网框架结构及大型设备基础等 建筑物 尤其是近年来公路事业的发展 大跨径桥梁的数 量急剧增加 桩基础的作用越来越重要 在已建和在建的 诸多工程中 工程人员发现了存在于建筑物基础方面的大 量问题 这些存在于设计 施工和检测中的诸多问题影响 了基础工程的发展 同时也给研究人员提出了大量新的研 究课题 首先是对人工挖孔灌注桩受力机理和变形特性的研究 尽管人工挖孔灌注桩已使用100余年 工程人员和研究人员 一直在不停的探索 但是至今没有对其受力机理和变形特 性给出令人满意的解释 承载力与变形也没有建立合理的 取值方法 对于桩土体系的荷载传递机理 桩端阻力 桩 侧摩阻力在受力过程中发挥的性状也没有统一的认识 在 承载力的判别标准方面也是如此 目前主要存在的两种承 载力判别标准 强度控制和变形控制 极限荷载法就是一 种强度控制方法 对于小直径桩尤其是摩擦桩 Q S曲线上拐点较明显 易于确定极限荷载 但对于人工挖孔 扩底灌注桩 承载力以端承力为主 Q S曲线呈缓变型 没有明显的突变点 桩顶沉降相当大时还 达不到破坏 这时就需要引入变形控制的方法 用桩顶绝 对沉降S或是相对沉降 D S 来控制承载力 在利用公式计算人 7 工挖孔灌注桩承载力时 是否需要计及桩侧摩阻力的影响 也是有争议的问题 各地工程人员对此也是各执一词 众 说纷纭 以上各种问题导致在确定承载力时出现分歧 例 如 对于设在同一土层几何尺寸相同的人工挖孔灌注桩的 承载力按各种规范建议的公式计算承载力可能相差一倍甚 至更多 对于同一基桩的静载荷试验结果 以不同的极限 承载力判别标准也可能出现较大的差别 其次 单桩轴向允许承载力的确定在工程设计中也是一 个值得研究的课题 单桩轴向允许承载力是指单桩在轴向 荷载的作用下 地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到 保证 变形也在允许范围以内所能承受的最大荷载 它是 以单桩轴向极限荷载承载力 极限桩侧摩阻力和极限桩端 阻力之和 考虑必要的安全度后得到的 单桩轴向允许承 载力的确定方法很多 例如 1 静载试验法 2 经验公 式法 3 静力触探法 4 动测试桩法 5 静力分析法等 在这些方法中 以静载试验法最为直观可靠 但是其试 验工作量大 操作繁琐 造价较高 设计中较为常用的是 经验公式法 主要由于其简单易行 也有大量经验可供参 考 我国现行的各设计规范都规定了以经验公式计算单桩 轴向允许承载力的方法 规范根据全国各地大量的单桩静 载试验资料 经过理论分析和统计整理 给出了不同类型 的桩按土的类别 密实度 埋置深度等条件下有关桩侧摩 阻力及桩端阻力的经验系数 数据及相应公式 例如 现 行的 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85 给出了下面两个公式用于人工挖孔灌注桩轴向允许承 载力得计算 1 摩擦桩型人工挖孔灌注桩的轴向允许承载力 RP AUlP 2 1 8 2 支撑在基岩上或嵌入基岩内的人工挖孔灌注桩轴 向允许承载力 a RUhcAcP 21 各地区都有类似的经验公式 甚至同一地区的不同设计 院也都有各自的经验公式 但是这些公式有的过于保守 有的则偏于不安全 再就是很多公式都是很多年以前建立 的 在新的施工工艺中再使用它则有明显的不妥 例如上 面提到的 公路桥涵地基与基础设计规范 还是上个世纪 八十年代编写的 它对于这些年来工程中出现的众多实际 问题都没有涉及到 例如在计算人工挖孔扩底灌注桩承载 力时 桩侧摩阻力的计算与否 扩底端部分对桩侧摩阻力 影响的深度等问题都没有解决 对于人工挖孔支盘灌注桩 的承载力计算公式更是没有提及 1994年颁布的 建筑桩 基施工技术规范 中对于有混凝土护壁的人工挖孔灌注桩 单桩轴向极限承载力标准值的计算是按照大直径 mD8 0 干作业钻孔灌注桩的公式进行的 但是由于人工挖孔灌 注桩在成孔的过程中使得周围的土体产生应力释放 造成 其桩侧摩阻力较之钻孔灌注桩要小 因此 这样的公式套 用必将带来计算值与实际值不符 所以 人工挖孔灌注桩 如何把握各设计参数的合理取值 使地基土既能发挥最大 的承载潜力 又使基础具备规范所规定的安全度 已成为 众多基础工程设计者所关注的问题 4 人工挖孔灌注 人工挖孔灌注桩现场桩现场静静载载荷荷试验试验 4 1岩土工程条件 试验场区属于丘陵区 地形起伏不大 较平坦 勘探中 未发现地下水存在 在试验场地范围内 地层的岩性主要为亚粘土 粘土和 9 卵石 pldl Q 2 具有土卵双层结构 土层分布较均一 层面 起伏不大 共分三个土体单元 自上而下分别为 1 人工填土 2 亚粘土 3 卵石 pldl Q 2 依据 工程地质手册 和 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85 中的相关规定 对试验场区内的土进行了现场原位测 试 标准贯入试验 和室内试验 经综合分析整理 提出 了各土层的物理力学性质指标建议值 4 2 试验方案设计 4 2 1 试桩 锚桩的设计 试验中采用三根试桩 其中一根是人工挖孔直壁桩 一 根是人工挖孔扩底灌注桩 另外一根是人工挖孔支盘灌注 桩 经过对试桩极限承载力和锚桩抗拔能力的估算 决定 采用两个锚桩的加载方案 正三角形布置 这样既减小了 试验场地面积 也降低了试验费用 如图4 1所示 其中1号试桩是直壁桩 2号桩是人工挖孔扩底灌注 桩 3号桩是人工挖孔支盘灌注桩 桩长均为15米 有效桩 长 桩径1 2米 三根锚桩全部采用扩底的形式以增加其 抗拔能力 其扩大端的设计尺寸同2号试桩 由于试桩在试验过程中不受弯拉 所以只采用结构配筋 主筋为 20的 级螺旋钢筋20根 通长配置 箍筋采用 8 级钢筋 间距20cm 考虑到桩顶一定长度内桩身在加 压的过程中存在应力集中的问题 故而试桩的实际桩长为1 5 6m 在地面以上预留出0 6m长的桩身供应力消散 在浇 注试桩的过程中 为防止试验时压破桩头 在桩顶1米的范 10 围内加密了箍筋的布置 间距10cm 设置了三层承压钢 筋网 同时提高浇注混凝土标号 采用40号混凝土 另外 还在桩顶布置了一块直径等同于桩径 厚5cm的钢板 这 样便削弱了桩顶由于放置千斤顶而产生的应力集中 有效 地将应力扩散到四周 1 锚桩 试桩 锚桩 试桩 1 试桩 锚桩 400400 图4 1 试验方案平面布置图 锚桩及2号试桩的构造如图4 2 a所示 3号试桩沿桩身布设了两个支盘 具体布设的位 置如图4 2 b所示 直壁桩的结构形式如图4 2 c所示 a 人工挖孔扩底灌注桩 b 加肋桩 c 直壁桩 图4 2 锚桩及试桩的尺寸图 考虑到锚桩主要承受上拔力 根据设计上拔荷载确定其 配筋为 主筋采用24根 28 级螺旋钢筋通长配置 箍筋 11 采用 8 级钢筋 间距20cm 锚桩主筋长16 5m 其中1 5 m为外露于桩顶混凝土外 以备加载时固定反力梁用 如下 图所示 图4 3 锚桩示意图 4 2 2 测试元件的埋设 每个试桩沿桩身布设了42个钢筋应力计 量程为 20kN 50kN 在桩底布置了5个双膜振弦式土压力盒 量 程为1 0MPa 自桩底1m起沿桩身每1m间隔作为一个测试 的断面 总计14个断面 依次标号为1 2 3 14 第一个断面上4个钢筋计布正交布设 第二个截面则对称 布设2个钢筋计 然后依次往上布置 钢筋计的布设见图4 4 布设土压力盒时 先在桩底铺上20cm厚一层细砂 然后 由试验人员将四个压力盒沿桩周布置在正交的四个方位 另外一个布置在中心位置 压力盒的布设见图4 5 由于埋设的元件是课题研究第一手资料的来源 埋设元 件的成功与否直接影响到试验结果的可靠性 因此 在试 验元件埋设 试桩浇筑以及试验过程中对元件的保护至关 重要 否则通过埋设元件所得到的有关试桩受荷后变形 应力的有关数据不能真实的反映实际的情况 从而导致试 验的失败 12 部起每 2米布置一个 钢筋应力计 自钢筋底 部起每 2米布置一个 钢筋应力计 自钢筋底 钢筋应力计 自钢筋 底部起每米布置一个 土压力盒 土压力盒 土压力盒 D120 R45 R60 图4 4 钢筋计的布设 图4 5 压力盒的布设 对测试元件的保护贯穿于试验的整个过程 在钢筋计的 焊接 钢筋笼吊放就位和灌注混凝土的过程中要注意以下 问题 1 钢筋计与试桩主筋焊接过程中 焊接温度不能过高 以免损伤钢筋计 焊接过程中可用浸水的湿毛巾进行降 温 2 在钢筋计与主筋搭接的过程中 要尽量保持焊接后 的那根主筋不弯曲 否则会导致主筋的偏心受压 钢筋计 不能真实反映出桩身的受力状况 3 吊放钢筋笼的过程中 避免使焊接有钢筋计的主筋 产生过大的挠曲 4 埋设压力盒时使其受力面与土层充分接触 防止混 凝土封闭而影响测试结果 如果桩底出现卵石 砾石等大 粒径土则要先在桩底铺上一层细砂 5 浇筑混凝土时如果采用人工振捣 在桩底30cm厚度 内不需要振捣 以免伤害到土压力盒 设有钢筋计的主筋 附近也不能振捣 在每个测试断面上可只振捣中间部分 5 人工挖孔扩底灌注桩轴向承载力分析与计算 桩的承载力是桩与土共同作用的结果 了解单桩在轴向 13 荷载作用下桩土间的荷载传递规律 单桩承载力的构成特 点以及单桩受力破坏形态等基本内容 对于合理确定单桩 承载力有指导意义 5 1 受力机理 5 1 1 荷载传递过程 当竖向荷载逐步施加于桩顶 桩身上部受到压缩而产生 相对于土的向下位移 与此同时侧面就会受到土的向上的 摩阻力 桩顶荷载通过发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周 土层中去 致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减 在 桩土相对位移等于零处 其摩阻力尚未开始发挥作用 随 着荷载增加 桩身压缩量和位移增大 桩身下部的摩阻力 随之开始逐步调动起来 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的相对位移 从而使 桩身摩阻力进一步发挥 直至桩侧土达到极限摩阻力 而 桩端极限阻力的发挥则需要比发生桩侧极限摩阻力更大的 位移 这使得桩侧摩阻力先充分发挥出来 当桩身摩阻力 达到极限后 由于土粒趋于定向排列 桩侧摩阻力有所降低 若继续加载 其荷载增量将全部由桩端阻力承担 如图5 1 由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出 位移增长速 度显著加大 直至桩端阻力也达到极限 此时所受的荷载 就是桩的极限承载力 桩土相对位移 Ss桩底竖向位移 Sb 桩端阻力 qb 桩侧阻力 qs 图5 1 桩侧阻力和桩端阻力的发挥性状 14 桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥程度与桩土间的相对位移 有关 它们各自达到极限值时所需的位移量是不同的 已 有试验表明 桩底阻力的充分发挥所需要的较大位移值 在粘性土中为桩端直径的25 在砂土中约为8 5 而桩侧摩阻力的充分发挥只要桩土间有不太大的位移即可 得到 但这个位移的具体数值目前尚无统一的认识 一般 认为粘性土为4 6cm 砂土中为6 10cm 因此在确定桩的 承载力时 应考虑这一特点 5 1 2 桩侧与桩端摩阻力的性状 一 桩侧摩阻力 桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴力随深度的变 化 因此掌握和了解桩侧摩阻力的分布规律 对分析和研 究桩的工作机理有重要作用 由于影响桩侧摩阻力的因素 即桩土间的相对位移 土中的侧向应力 土层分布和力学 性质均随深度变化 因此要精确的用函数来描述桩侧摩阻 力沿深度的分布规律较复杂 只能用试验研究方法 即桩 在承受竖向荷载过程中 量测桩身应力或应变 计算桩身 各截面轴力 求得侧阻力分布或端阻力值 桩侧阻力是随桩土间的相对位移而产生的 桩身受荷向 下移动时由于桩土间的摩阻力带动桩周土体产生位移 相 应的在桩周环形土体中产生剪应变和剪应力 该剪应变和 剪应力一环一环沿径向向外扩散 见图5 2 在离桩轴nd n 8 15 d为桩的直径 n随桩顶竖向 荷载水平 土性而变 处剪应变减小到零 Randolph Cooke et al 1979 根据Luker 1988 等人推算 其桩侧土变形及桩 侧土的剪应变 剪应力如图5 2 图5 3所示 15 nd w 硬壳层 r r wr 图5 2 桩侧土变形示意图 图5 3 桩侧土的剪应变 剪应力 距离桩中心r任意点处的剪应变 为 Grr Wr dr dWr r 5 1 式中 G 土的剪切模量 1 2 0 s E G 0 E 土的变形模量 kPa s 土的泊松比 相应的剪应力可根据半径为r的单位高度圆环上的剪应 力的总和与相应的桩侧摩阻力 s q总和相等的条件求得 sr dq 2 剪应力为 sr q r d 2 5 2 将桩侧剪切变形区 r d 内各圆环的竖向剪切变形加起来就等于该截面桩的沉降 16 W 将上式中的 r 代入式 5 1 并积分得 2ln 1 0 ndq E W s s 5 3 当荷载作用在桩顶时 桩顶处的位移最大 所以也是桩 顶处的摩阻力先发挥 随着荷载的加大 桩身下部的摩阻 力才逐步调动起来 因此 在加荷初期最大桩侧摩阻力发 生在桩顶 但是随着桩顶位移的增大 当桩顶位移超出该 土层发挥极限摩阻力所需的位移时 加之桩顶土层受到扰 动 桩顶处的摩阻力开始有所下降 这时桩侧摩阻力最大 值发生的位置将有所下降 已有试验研究认为 粘性土中 的桩侧摩阻力分布比较复杂 大部分沿深度呈抛物线分布 见图5 4a b c 砂土的桩侧摩阻力分布一般也呈抛物线型 随 着荷载的增加 桩侧摩阻力的合力作用点下降 如图5 4d 17 图5 4 桩侧摩阻力沿桩身的分布 影响桩侧摩阻力的因素很多 除上面提到的桩土间的相 对位移外 还有土的性质 桩的刚度 时间因素和土中的 应力状态以及桩的施工方法等因素 对于人工挖孔灌注桩 由于在成桩过程中孔壁侧向应力解除 出现了应力松弛 孔壁的应力松弛导致了土体强度的减弱 桩侧摩阻力随 之降低 二 桩端阻力 荷载增加到一定程度 桩端有相对于土层的向下位移 并压缩桩底土层 此时则开始发挥桩端的支撑力 也就是 端阻力 随着荷载的继续增加 桩底土层可能会出现连续 18 的滑裂面 基底水平面土体隆起等 桩端土层达到破环 其具体的破环形式要根据土层的类别 密实度 相对埋深 而定 5 2 承载力的确定方法 由于建筑物的要求不同 土层的多样性 不均一性以及 地域性差异显著 致使人工挖孔扩底灌注桩承载力的确定 也存在着多种方法 绪论中已经介绍了常用的确定承载力 的方法 总体看来 这些方法可以分为两类 即 以承载 力控制和以变形控制 特别是对于人工挖孔扩底灌注桩 由于其埋深较大 基底以上上覆土层压力大 因此桩底的 变形以压缩为主 桩顶沉降较大时桩底土层也不会出现破 坏 因此 变形和沉降应该作为评价人工挖孔扩底灌注桩 承载力的主要因素 下面分别这对两种确定人工挖孔灌注桩承载力的方法作 以简要介绍 一 按允许变形值确定承载力 变形控制方法确定承载力是根据静力载荷试验的结果 在荷载 沉降 sQ 曲线上通过沉降来确定其承载力 目前国内外 变形控制常用的取值方法有以下几种 1 美国波士顿建筑规范 1 取沉降量S 3 8英寸 约10mm 对应的压力为轴 向允许承载力 2 取沉降量S 1 0英寸 约25mm 对应压力的二分 之一为轴向允许承载力 2 德国建筑标准DIN4041 取沉降量S 20mm对应的压力为轴向允许承载力 3 日本建筑学会标准 19 取沉降量S 25mm对应压力的二分之一为轴向允许承载力 4 国内常用的几种标准 1 刘金砺 1990 建议取S 10 20mm或S 0 008 0 01 D D为扩底端直径 对应的荷载为轴向允许承载力 当桩端直径不一致时 设计人员一般取S 10 15mm对应的 荷载为轴向允许承载力 我国工程界一般取S 40 60mm或S 0 03 0 06 D所对应的荷载为轴向极限承载力 2 张荣祥 顾宝和 1998 等认为 无论按S 10 2 0mm确定轴向允许承载力还是取S 40 60mm确定轴向极限承 载力 这个标准对大直径人工挖孔扩底灌注桩都显得要求 过严 人工挖孔扩底灌注桩的潜在承载能力没有充分发挥 建议对大直径人工挖孔扩底灌注桩以相对沉降量S D 0 0 08 0 01对应的荷载作为轴向允许承载力 对进行基桩设 计 3 高广运 1993 年根据黄土载荷试验和工程实践 提出了以相对沉降确定黄土层中大直径人工挖孔扩底灌注 桩端承力的新思想 也可将这一方法推广到其它土层中 由于以绝对沉降S为控制标准时要考虑端承力随桩端面积的 增大而折减 以相对沉降S D为标准则不需考虑这一问题 可建立不同桩径间通用的规范标准值 二 以强度控制确定承载力 强度控制又可以分为桩周土强度控制和桩身材料强度控 制两种 一般情况下桩的轴向承载力都是由桩周土的支承 能力控制的 对于柱桩和穿越土层土质较差的长摩擦桩 则两种因素均有可能是决定因素 对于人工挖孔扩底灌注 桩则主要是以桩周和桩底土的强度来控制 静载试验法 经验公式法 动测试桩法以及静力分析法等均属于强度控 制方法 在以强度控制确定承载力的诸多方法中 经验公 20 式法最为常用 这主要因为它简单易行不需要复杂的试验 和公式推导 而只需知道桩周土的基本物理力学性质即可 目前国内外较为常用的计算承载力的经验公式有以下几 种 1 日本大直径人工挖孔扩底灌注桩基础设计方法 日本 建筑结构设计规范 确定单桩轴向允许承载力R 的方法如下 c ws p L qN ANR 25 15 3 1 4 4 式中 系数 硬土 1 砂土 0 85 系数 按 5 2 5 1 3 01 s D 计算 N 桩端土标贯N 50且嵌入深度大于1 5m或Ds 2时 可取N 5 0 p A 桩端计算面积 根据比施工直径小20cm的值计算 m2 s N 砂质土中平均N值 s L c L 砂土 粘土层内的桩长 m w q 粘土地基的单轴抗压强度 超过10时按10取值 kPa 桩横截面周长 m s D 扩底端直径 m 21 2 前苏联建筑规范 承受下压荷载的扩底灌注桩 其轴向允许承载力 d F kN 按下式确定 iicfcRcd hfURAF 4 5 式中 c 桩的工作条件系数 当支承在饱和度Sr 9的粉土 粘性土上时 c 0 8 在其他情况下均为 c 1 cR 桩底土工作条件系数 除下列情况均为 cR 1 爆扩 桩 cR 1 水下浇注混凝土的人工挖孔扩底灌注桩 cR 0 9 cf 桩侧土的工作条件系数 砂土 亚砂土 亚粘土 中取 cf 0 7 粘土中取 cf 0 6 R 桩底土的计算强度 kPa i f 桩侧第i层土的计算强度 kPa A 桩端支承面积 m2 22 U 桩身周长 m hi 桩侧第i层土的厚度 m 3 我国 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ 024 85 该规范中规定钻 挖孔灌注桩的轴向允许承载力 P为 2 1 Rp AUlP 4 6 式中 P 单桩轴向受压允许承载力 kN U 桩的周长 按成孔直径计算 m l 桩在局部冲刷线以下的有效长度 m A 桩底横截面面积 m2 p 桩侧土的平均极限摩阻力 kPa 可按下式计算 n i iip l l 1 1 n 土层的层数 i l 承台地面或局部冲刷线以下各土层的厚度 m i 与 i l对应的各土层与桩壁的极限摩阻力 kPa 如无 现场实测值则可根据规范中提供的取值范围进行取 值 R 23 桩端土的极限承载力 kPa 可按如下公式进行计算 32 2200 hkm R 0 桩端土的允许承载力 kPa h 桩端的埋置深度 m 对于有冲刷的基础 埋置深度 由一般冲刷线起算 对于无冲刷的桩基 埋深由天然 地面线或实际开挖后的地面线起算 h的计算值不大 于40m 当大于40m时 按40m计算 或按试验确定其 承载力 2 k 地面土允许承载力随深度的修正系数 2 桩端以上土的容重 kN m3 修正系数 0 m 考虑孔底沉淀淤泥影响的清孔系数 4 基础工程手册 中的计算公式 基础工程手册 中对大直径人工挖孔扩底灌注桩的极 限承载力标准值用下式进行计算 pkskuk QQQ bbkbeiskisie AqLqU 4 7 式中 sk q 中等直径桩 d 250 800mm 桩身极限侧摩阻 力标准值 kPa 可按前述侧摩阻力计算方法确 定或通过原位试验 经验方法确定 24 e L 有效侧阻桩段长 m e L 总长 扩底高 u LL e U 桩身侧阻有效周长 m e U e d 对于外齿形护壁桩 其 有效桩 径 e d取外齿的最大外径 见图4 5 这是由于桩侧剪切面发生在外齿尖连成的竖向 环形面所通过的土体中而不是桩土界面 对于等截 面桩身 取dU Lu L L de D 剪切面 d L Lu L D 图5 5 人工挖孔扩底灌注桩的计算图 b A 桩端投影面积 m2 bk q 中等直径桩 D 250 800mm 桩端极限阻力标 准值 按实测 原位测试 经验方法确定 kPa 25 bsi 侧阻 端阻折减系数 尺寸效应系数 分别 按下列公式进行计算 n b D 8 0 式中经验指数n 对于粘性土 粉土取n 1 4 对于砂土 碎石类 土 取n 1 3 s 对于砂类土 碎石类土 3 1 8 0 d s 对于粘性土 粉土 由于成孔时孔 壁松弛效应不明显 故近似取1 s 式5 4 5 5这两个国外的公式在计算承载力时 没有把扩大端对桩侧 摩阻力的影响 我国 公路桥涵地基与基础设计规范 J TJ 024 85 没有针对于人工挖孔扩底灌注桩承载力的计算公式 而是把它归入钻 挖孔灌注桩的计算公式 式4 7在计算承载力时用到了有效桩长及桩身的有效周长 较之 前面的公式是一个进步 但是仍然没有把扩大端对桩侧摩 阻力的削弱考虑进去 5 3 极限承载力的预测 由于从荷载沉降曲线上得不到极限荷载 对试桩的分析 就需要借助预测方法来确定极限荷载 根据 基础工程处 理与检测实录 中介绍的两种极限承载力的预测公式 我 们可以预测出试桩的极限荷载 5 4 人工挖孔扩底灌注桩允许承载力的确定 由于本次试验中没有出现极限荷载 因此不能通过将极 26 限荷载除以安全系数来得到轴向允许承载力 沈阳城区 单桩承载力研究的资料 中给出 对于极限荷载难以确定 时 可以选用以下方法来确定轴向允许承载力 1 可用控 制沉降量1 2 1 8 d选取轴向允许承载力 2 若极限 承载力难以确定且试桩有直线段时可用第二特征点对应荷 载的1 15倍作为大直径桩的轴向允许承载力 3 经验公式 计算法 经验指标法 K值法 原位测试法 贯入度公式法 计算确定轴向允许承载力 利用上面叙述的三种方法综 合比较来确定承载力 建议用预测极限荷载 u Q除以安全系数K 2作为轴向允许承 载力 K R 4 5 人工挖孔灌注桩轴向允许承载力经验公式的提出 由于桩基静载荷试验费用较高 操作复杂 耗时较长 因此合理的计算单桩轴向允许承载力的经验公式则可以用 来指导桩基础的设计和施工 在工程中有较高的实用价值 特别是近年来公路建设的大发展带来了大量的桥梁桩基 础的设计和施工任务 人工挖孔扩底灌注桩作为深基础的 一种得到了广泛的应用 由于人工挖孔扩底灌注桩的成桩 工艺不同于钻孔桩 其承载力的计算公式应有所区别 但 现行的 公路桥涵地基与基础规范设计规范 没有给出专 门的人工挖孔灌注桩的承载力计算公式 而是将挖孔灌注 桩轴向承载力按钻孔灌注桩公式计算 这就使得算结果与 实际不符 习惯上单桩轴向允许承载力 k R是分为桩端阻力 桩侧摩 阻力两部分计算 首先求得极限承载力 然后对其除以安 27 全系数K得到 k R 目前 针对人工挖孔扩底灌注桩没有专门 的承载力计算公式 公路桥涵地基与基础设计规范 中 是将它归入摩擦桩之列 与钻孔灌注桩共用一个算式 桩基工程手册 中将其归入大直径桩之列 给出计算极限 承载力的公式 同时规定桩侧摩阻力的计算取护壁的外边 缘 考虑到有效桩长和桩侧阻力的折减 对桩端阻力的计 算考虑到尺寸效应给出了折减系数 使得承载力的计算更 趋合理 但是 桩基工程手册 中的公式主要是针对建筑 地基用桩 对于桥梁中用的大直径桩则不能很好的适用 另外 由于人工挖孔扩底灌注桩在底部存在临空面 因此 有的文献中提出考虑临空面的影响将桩侧阻力作为安全储 备 不计入承载力的计算 对于安全系数的取值 一般是 桩端 桩侧共用一个安全系数K 根据试验数据反应的结果 桩侧摩阻力在总荷载中的比 例不容忽视 特别在轴向允许承载力的作用下 1号试桩取 kNRk6500 此时桩侧摩阻力占42 2号试桩取kNRk9000 摩阻力占53 56 由此可见 在计算桩的轴向允许承载 力时桩侧摩阻力不可以忽略不计 针对桩底及桩侧存在相当厚度的卵石等压缩性低 弹性 模量值大 摩阻强度高的地质情况 这里给出人工挖孔扩 底灌注桩轴向允许承载力计算的经验公式 R p f s k AUlR 11 4 15 式中 3 2 220 hk R s p 分别为桩侧 桩端分项 安全系数 其它参数的含义及取值方法如前 对于安全系数 s p 的取值问题 宜根据工程对基础沉 28 降的要求及土层的性质综合确定 对于一般的桥涵结构物 沉降要求在 6 10 mm时 给出桩侧 桩端安全系数的 取值范围 桩侧安全系数取 s 1 3 1 6 桩端的安全系数 取 p 2 4 对于粘性土取取低值 对于砂土 卵石等取高 值 利用建议公式来计算1号试桩和2号试桩的轴向允许承载 力 取 s 1 5 p 2 5 计算得到1号试桩 k R 6344kN 2 号试桩计算得到 k R 8540kN 由此可以看出 式4 15算得轴向允许承载力与预测破坏荷载得到较为接近 可 以作为一种经验公式用于这一地区指导设计和施工 目前轴向允许承载力的计算是用极限承载力除以安全系 数得到 而极限承载力的计算是根据桩在极限荷载作用下 桩侧摩阻力和桩端阻力发挥情况给出的 此时端阻力和侧 阻力反映的是极限状态的工作状态 在实际工程中 基桩 主要在设计荷载下工作 因此设计荷载作用下桩侧 桩端 阻力的发挥情况对于确定单桩轴向允许承载力具有实际意 义 这里引入 土工原理与计算 中对于安全系数的定义 安全系数为抗剪强度与实际产生的剪应力之比 f s F 根据这种思想 将桩的安全系数取为桩的极限状态下桩 周 桩端土的强度值与实际工作状态下的强度值之比 根 据桩侧摩阻力 桩端阻力在轴向允许承载力处发挥情况分 别给出这两部分的安全系数 然后再进行计算 这样似乎 更为合理 但目前这方面的研究不多 29 6 挖孔桩施工工艺的研究6 挖孔桩施工工艺的研究 人工挖孔灌注桩适用于无地下水或少量地下水 且较密 实的土层或风化岩层 与其它桩型相比 其主要区别在于 成孔方式的不同 人工挖孔灌注桩是利用人工挖掘成孔 并在土质条件差或有地下水渗出的土层浇筑护壁 然后吊 放钢筋笼 灌注混凝土成桩 为施工方便起见 要求人工 挖孔灌注桩的桩径不宜小于1 2m 孔深不宜超过20m 但是 在实际工程中 人工挖孔灌注桩已有超过60m桩长的成功经 验 由于人工挖孔灌注桩施工设备简单 成孔质量好 施工 速度快 成本低等优点 在工程中得到了广泛的应用 在 工程实践的基础上 施工人员积累了大量的宝贵经验 逐 步形成了一整套的施工工艺 6 1 开挖桩孔 人工挖孔灌注桩一般采用人工开挖 开挖前要清除现场 及四周山坡上的悬石 浮土等 排除一切安全隐患 备好 孔口四周临时围护和排水设备 并安排好排土提升设备 布置好弃土通道 必要时孔口要打遮雨棚 挖土过程中要随时检查桩孔尺寸 平面尺寸和轴向倾斜 情况 如有偏差应随时纠正 同时应注意施工安全 下孔 人员必须佩戴安全帽和安全绳 提取土渣的机具必须经常 检查 若孔内产生的空气污染物超过现行 环境空气质量 标准 CB3095 规定的三级标准浓度限值时 必须采取通 风措施 方可采用人工挖孔施工 孔深超过10m时 应经常 检查孔内二氧化碳的浓度 如超过3 应增加通风措施 孔 内如采用爆破施工 应采用浅眼爆破法 严格控制炸药用 量并且要在炮眼附近加强支护 以防止震塌孔壁 孔深超 30 过5m时 应采用电引爆 爆破后应先通风排烟15min并经检 查无有害气体后 施工人员方可下井继续作业 应根据孔 内深水情况 做好孔内排水工作 挖孔达到设计深度后 应进行孔底处理 必须做到孔底 表面无松渣 泥 沉淀土 如地质复杂 应钎探了解孔底 以下地质情况是否能满足设计要求 6 2 护壁和支撑 人工挖孔灌注桩开挖过程中 开挖和护壁两个工序必须 连续作业 以确保孔壁不塌 挖孔施工应根据土质和水文 地质情况 因地制宜选择孔壁支护方案 并应经过计算 确保施工安全并满足设计要求 常用的井壁护圈有下列几种 1 现浇混凝土护圈 当桩孔较深 土质相对较差 出水量较大或遇流砂等情 况时 宜采用就地灌注混凝土围圈护壁 每下挖1 2m灌注 一次 随挖随支 护圈的结构形式为斜阶形 每阶高1m 上端口厚约170mm 下端口约100mm 必要时可配置少量的 钢筋 混凝土强度等级为C15或C20 采用拼装式弧形模板 有时也可架立钢筋网后直接锚喷砂浆形成护圈来代替现 浇混凝土护圈以节省模板 2 沉井护圈 先在桩位上制作钢筋混凝土井筒 然后在井筒内挖土 井筒靠自重