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抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究 浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究姓名:罗引可申请学位级别:硕士专业:建筑与土木工程指导教师:邹道勤;张先明2012-05-27浙江人学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究摘要桩基础是我们所知道的最古老的。基础形式之一,它把建筑物的荷载通过桩传递到深处的坚硬土层上或是给桩周围的土体,以保证建筑物具有一定的稳定性及较小的沉降量。本文对于抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用进行了重点研究,本文的主要研究工作:、介绍了桩基础、桩基础分类、新型桩基础以及桩基础的质量检验。、对目前国内外的等截面抗拨桩和扩底抗拨桩的研究现状作了介绍,阐述了这两类桩的受力机理、破坏形态以及单桩承载力的计算。、对抗拔锚杆桩的分类及受力机理、承载力计算方法、施工方法及特点、试验方法进行了论述。、重点研究了抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中应用,在研究以前工程案例的基础上,选取了一个典型工程中的抗拔锚杆桩作为研究内容,进行了桩抗浮设计与计算,估算了其单桩承载力,阐述了其施工要点,并进行了验收试验。最后对使用抗拔锚杆桩与使用一般钻孔抗拔桩作了经济性能比较,抗拔锚杆桩可节省较多造价,优于一般钻孔抗拔桩。关键词:抗拔锚杆桩;建筑物;抗浮设计;应用研究浙江人学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究 ,. ? ,:. , ,. ?., ,., , . ?, ?, ? , % ,.?,;:?:致谢首先感谢我的导师邹道勤老师。在我撰写学位论文的两年多时间里,邹老师在百忙之中抽出时间,在我对论文的选题、框架的调整、内容的增删、乃至具体格式的规范等方面,都投入了大量的精力,提出了很多极具价值的建议意见,给了我极大的启发和帮助,让我领会到了一个真正学者所应该具有的风采以及治学为人的道理。借此机会,再次表达对邹老师最深切的尊敬、爱戴和谢意。感谢我的合作导师浙江当代发展设计院副院长张先明高工,在当代设计院的八年间,无论是在生活上,还是在学中都得到了张院长关心和呵护,使有机会我走上结构设计工作岗位。感谢单位德高望重的老前辈叶浩兴高工,感谢同事虞志华高工,感谢同事叶云波高工,感谢国家一级结构师陈军所长,感谢所有与我共事过的同事,感谢各位对我工作的支持和帮助。感谢所有使我的今天成为可能的人们,老师、同事、同学、朋友,还有家人,没有他们的支持和帮助,就没有论文的最终完成。最后,感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们。浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究第章绪论从本世纪初近十年间,江浙沿海一带经济发展相当迅猛,城市建设规模不断扩大,高层、超高层建筑如雨后春笋般的拔地而起,在一些一线城市的中心地带,高层建筑更是一栋挨着一栋,规划地面空间日趋饱和已经是不争的事实。为满足城市使用功能的需要,同时满足建筑物设计安全性的要求,在建筑物的基础设计中,往往需要一定的埋置深度而设置地下室或地下结构等。在近几年的一些媒体报道中,总能听到这样的声音:未来城市向哪发展向地下要空间.抗浮问题的产生向地下要空问,发展地下建筑,建筑物的抗浮设计便是一个重要的设计内容。而要进行建筑物的抗浮设计,首先要确定建筑物所在区域地下水设计抗浮水头高度。由于江浙沿海一带的城市,地处我国南方,常年雨水较多,不仅地下水位高,而且地下水位的变化幅度较大,季节性降水,如台风季节的降水可能使地下水位的高度上升到地表,甚至出现洪涝灾害,如台州市建设工程设计审查中心提供的台州椒江市区当地的抗浮洪水位为黄海高程.,而其地面道路就在这个高程附近。在沿海一带的民用建筑工程岩土工程地勘察质报告中,一般提供勘察期间的测量得到的水位高度,由于受季节性降水的影响,在雨水季节地下水位就高,而枯水季节地下水位就明显较低,因此缺乏代表性,不能作为抗浮设计的依据。实际上地下室和地下结构的上浮往往是短时间内暴雨导致地下水位突然升高所引起的。某些沿海地区的地方性规范对地下室和地下结构的抗浮设计水位应该取“建筑物设计使用年限内包括施工期可能产生的最高水位”瞄。 一般认为,对排水通畅的场地,长期监测得到的地下水最高水位作为抗浮设计水位是合理的。实际上,在建筑工程岩土工程地勘察质报告中所提供的设计水位往往是位于地表以下.米附近,由于上述种种, 在一些实际工程中,地质报告往往无具体的抗浮水位资料提供,在工程设计中,一般取室外道路面为建筑物的抗浮设计水位高度。上述确定抗浮设计水位后,建筑物所承受的水浮力计算方法,学者们提出了一些符合本地区地质情况的水浮力计算方法,其基本原理是根据阿基米德定律:浮力等于它的排开水体积的重量,常见的地下室处于潜水层,下层为隔水层,其浮力计算为扫,其他情况,如地下室穿过上部潜水层,底板位于隔水层;地下室位于上部隔水层,且浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究未穿越,隔水层下部为承压水层;地下室穿越隔水层,底板位于承压水层;地下室穿过上部潜水层,底板位于隔水层,隔水层下部为承压水层;地下室穿过上部潜水层和隔水层,底板位于承压水层.其水浮力计算公式可见张欣海水浮力分类计算方法。.抗浮措施的介绍我们常见的地下空间一般是地下停车库,其自重及其上部的覆土重往往要小于最高洪水位产生的水浮力,如果不采取措施的话,地下停车库很有可能会上浮,因此设计者一般会采取一定的抗浮措施。实际工程中可采用抗浮方法很多,大体上可分为两大类,一类采用的是疏导消除型,这是一种比较直接的方法,通过排水、降水、截水使地下水位保持在一定的标高之下,减小地下水对地下室或地下结构的浮力。降水的主要措施是在底板附加标高处设置盲沟,或在底板下设置滤水层和排水管道如图.,图.,让地下水汇集到排水井中再用抽机水抽走;截水法主要是将深层水泥搅拌桩或高压旋喷桩或地下连续墙作为止水帷幕,使其进入隔水层一定深度,将建筑物周边的地下水与外界水源隔开如图.。增硅麟膨盛涓土防水层厚虎凝土垄层双向配筋厚压实在? 群石莲嬖的避永过薅土工希藤扳虑警赣法示意罱未拉地基土底扳虑永层傲珐示意图图. 图.目前,疏导消除型的措施应用较少,通过疏导排水措施可以降低地下水位,减小地下水对地下室底板的浮力作用,理论上可以控制抗浮水位,地下水由于外界季节性雨水补充而突然升高的情况下,可以通过临时突击抽取地下水,降低地下水位将其控制在设计的高度,该方法不但简单易行,而且经济高效;但是如果地下水位一直处于高位,需要长时间抽取地下水来降低地下水位,不但不经济,而且还会引起其周边建筑物因地下水的下降而发生地面下沉,造成工程隐患。因此疏导消除型的措施应当巧用、慎用。浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究抗浮水位且土层鞍硬图.另一类抗浮方法采用的是抵抗型,这一种方法工程用的比较多,如采用抗拔桩,抗拔锚杆,增加结构配重等。增加结构配重法适用于各类工程条件,配重的部位可以在建筑物顶板上,可以在建筑物底板上,也可以在建筑物边墙上如图.。地表 地表位 ?抗浮水位,边墙/边墙边墙增加配重底板增加配重钐钐钐勿形钐黝 易 易图.这种方法的优点是施工和设计都很方便快捷,缺点是当建筑需要抵抗浮力的配重较大时,由于需要增加大量的混凝土或是其他配重材料,费用增加较多。例如在建筑物顶板上增加配重,不但要增加配重所需的混凝土或其他配重材料,显然还要增加大量的钢筋来抵抗顶板增加的配重外荷载。如果在建筑底板上增加配重,由于地下室的净高要求,回填层增加了工程埋深而使浮力增大,外加配重增加的抗力实际效果已经打了一半的折扣,此法浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究效果也并非十分理想。如果在边墙上增加配重,显然其配重分布不会很均匀,单单采用这种方法来抵抗建筑物所受浮力,这种措施并不妥当。还有一种抗浮方法是延伸底板法,可以认为是另外一种增加配重法,具体做法是将地下室底板伸出侧墙外而形成翼板,有翼板承托覆土来抵抗上浮力。此法一般适用于不受场地限制的规模较小且狭长形地下建筑物的抗浮。但是,由于要外伸底板而成翼板,基坑开挖的范围也因此而加大加宽,土方和使用土地面积也要加大,在实际工程中,对于规模较大,抗浮荷载也大的工程,一般很少采用此法作为抗浮措施。.用抗拔桩抗浮不管是从经济性上还是从技术上考虑,在抵抗型抗浮措施中工程中普遍采用抗拔桩抗浮,应是比较理想的抗浮方法。单从经济上来说,一般采用的抗拔桩往往是既要起到抗压的作用又要起到抗拔的作用,相对于抗压桩来说,无非是在抗压桩的基础上增加一定量的钢筋用于抗拔,增加的造价比较有限;单从技术上来说,抗拔桩的施工与抗压桩没有太多区别,只是在桩身构造上略有不同而已,且经过这么多年的工程实践也证明采用抗拔桩抗浮是比较可靠的抗浮措施之一。但是,对于一些比较特殊的工程,采用普通抗拔桩进行抗拔,可能不一定起到很好的效果,比如对于一些小型的加固工程,采用抗拔锚杆抗浮可能会更经济合理些,再比如对于浮力较大的工程,采用单根普通的抗压抗浮桩,如普通钻孔灌注桩等,可能满足抗压的需要,但是不能满足抗浮的需要,那么,如果同时再采用锚杆抗拔桩对结构物抗浮,可能在经济上会更加合理。前人对抗拔桩做了非常多的卓有成效的研究,也给出了相当多的应用实例,但是对锚杆抗拔桩的研究不多,对普通抗拔桩和锚杆抗拔桩联合抗拔的案例也不多见,对于一些比较特殊的工程,采用普通抗拔桩和锚杆抗拔桩联合抗拔设计理念对于优化结构设计以及节约工程造价来说具有重要意义。.本文论述的主要内容桩及抗拔桩的研究介绍。锚杆抗拔桩的受力特点、承载力计算、施工方法、试验方法介绍。采用抗拔锚杆桩和普通钻孔抗拔桩联合抗拔工程设计案例介绍。通过对比单纯采用普通抗拔桩抗拔的例子来说明采用联合抗拔设计在经济效应上的优越性。浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究第章桩基础概述及最新进展桩基础是我们所知道的最古老的基础形式之一,早在有文字记载的历史以前,人类就已经在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩来支承房屋。智利发掘文化遗址时发现的木桩距今大约是?年。中国浙江省余姚县河姆渡原始社会遗址出土的木桩,距今大约是年。英国的桥梁工程和河滨住宅中有许多木桩基础。中世纪在东安格里亚 沼泽地区所修建的大修道院,已经使用橡木和赤杨木做桩基础了。中国汉朝大约公元前年到公元年建桥时使用木桩基础;到明、清时期,桩基础已在桥梁、水利和建筑工程中得到广泛应用。世纪年代,中国开始在一些大型工程中采用钢筋混凝土预制桩基础;年代后期采用开口钢管桩和离心混凝土管桩等基础。随着打桩施工机械和技术的不断发展进步和海洋工程建设的迅速兴起,桩基础已由单纯的支承上部结构,向承受很大外力的结构构件方面发展。.桩基础的适用性桩基础由桩和桩承台组成,是深基础的一种,也是常用的基础类型。它把建筑物的荷载通过桩传递到深处的坚硬土层上或是给桩周围的土体,以保证建筑物具有一定的稳定性及较小的沉降量。当建筑物地基土较差时,如果采用以天然地基作为持基层的浅基础不能满足建筑物对稳定性及沉降量的要求,工程设计中一般就会考虑使用桩基础。当然,桩基础的工程造价往往比浅基础一般要高一些,但在实际工程中发现,有一些情况考虑采用桩基础往往会经济合理些。如接近地表为软弱土层,其下为硬土层,而挖除软土层不经济或不可能时;如建筑物荷载较大,天然地基承载力较差,不满足上部荷载的要求时,或能满足上部荷载的要求但是不能满足沉降要求时;如动力基础、精密设备基础对地基变形有严格要求时;如利用桩的水平抗力以稳定边坡时;如建高桩承台,作为码头及其他港口或港湾建筑物的基础时;如采用桩的抗拔力对建筑物进行抗浮时;如地基土性不稳定,如液化土、湿陷性黄土、季节性冻土、膨胀土等,要求采用桩基将荷载传至深部土性稳定的土层时;浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究如建筑物受到相邻建筑物或地面堆载影响,采用浅基础将会产生过量沉降或倾斜时。桩基已成为软弱地基上高、重建筑物、桥梁、码头、海洋平台等结构的最普遍使用的基础形式。.桩基础的分类桩基础由许多的基桩组成,通过桩顶承台或者冠梁将桩群连成整体共同抵抗上部结构的竖向向上,竖向向下或者水平作用。桩可按承载性状、使用功能、桩身材料、成桩方法和工艺、桩身受力情况、桩径大小等进行分类。.按承台位置高低分类低承台桩基:承台底面埋置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承台桩基。一般工业与民用建筑工程的桩基多属于这一类,在一般设计中常用的也是低承台桩基。高承台桩基:群桩承台底面有时设在地面或局部冲刷线之上,这种桩基称为高承台桩基。这种桩基在桥梁、港口等工程中常用,在民用方面比较少用;.按桩身材料分类根据桩身材料可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩等。钢筋混凝土桩混凝土桩是目前应用最广泛的桩,具有制作方便,桩身强度高,耐腐蚀性能好,价格较低等优点。它可分为预制混凝土方柱、预应力混凝土空心管桩和灌注混凝土桩等,抗拔桩一般采用钢筋混凝土桩。钢桩由钢管桩和型钢桩组成。钢桩桩身材料强度高,桩身表面积大而截面积小,在沉桩时贯透能力强而挤土影响小,在饱和软粘土地区可减少对邻近建筑物的影响。型钢桩常见有工字形钢桩和形钢桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。由于钢桩价格昂贵,耐腐蚀性能差,应用受到一定的限制。木桩在一些考古发现中,用的比较多,但是目前已经很少使用,只在某些加固工程或能就地取材的临时工程中使用。在地下水位以下时,木材有很好的耐久性,而在干湿交替的环境下,木材很容易腐蚀。浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究灰土桩、砂石桩、水泥搅拌桩等一般用于地基加固处理,在浙江沿海一带城市中,由于软弱土层的存在,一般用的比较多。.按桩身受力情况的不同分类摩擦型桩摩擦桩:竖向荷载下,基桩的承载力以桩侧摩阻力为主,外部荷载主要通过桩身侧表面与土层之间的摩擦阻力传递给周围的土层,桩尖部分承受的荷载很小。主要用于岩层埋置很深的地基。这类桩基的沉降较大,稳定时间也较长。端承摩擦桩:在极限承载力状态下,桩顶荷载主要由桩侧摩擦阻力承受。即在外荷载作用下,桩的端阻力和侧壁摩擦力都同时发挥作用,但桩侧摩擦阻力大于桩尖阻力。如穿过软弱地层嵌入较坚实的硬粘土的桩,在浙江沿海一带城市建设中比较多见。端承型桩端承桩:在极限荷载作用状态下,桩顶荷载由桩端阻力承受的桩。如通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩,外部荷载通过桩身直接传给基岩,桩的承载力由桩的端部提供,不考虑桩侧摩擦阻力的作用,山区地基多采用这种桩。摩擦端承桩:在极限承载力状态下,桩顶荷载主要由桩端阻力承受的桩。如通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩,由于桩的细长比很大,在外部荷载作用下,桩身被压缩,使桩侧摩擦阻力得到部分地发挥。.按桩的使用功能分类竖向抗压桩:竖向抗压桩主要承受竖向荷载,是主要的受荷形式。根据荷载传递特征,可分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩及端承桩四类。竖向抗拔桩:主要承受竖向抗拔荷载的桩,应进行桩身强度和抗裂性能以及抗拔承载力验算,一般有扩底抗拔桩,等截面抗拔桩,锚杆抗拔桩等。水平受荷桩:港口工程的板桩、基坑的支护桩等,都是主要承受水平荷载的桩。桩身的稳定依靠桩侧土的抗力,往往还设置水平支撑或拉锚以承受部分水平力,桩身配筋往往较大。复合受荷桩:承受竖向、水平荷载均较大的桩,应按竖向抗压桩及水平受荷桩的要求进行验算。.按成孔方法分类非挤土桩非挤土桩是指成桩过程中桩周土体基本不受挤压的桩。在成桩过程中。将与桩体积相浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究同的土挖出。因而桩周围的土很少受到扰动。这类桩主要有干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法钻挖孔灌注法、人工挖孔法等,一般这种桩的直径可以做的比较大,承载力一般也比较大。部分挤土桩这类桩在设置过程中,由于挤土作用轻微,故桩周土的工程性质变化不大。这类桩主要有打入的截面厚度不大的工字型和型钢桩、开:钢管桩和螺旋钻成孔桩等。挤土桩在成桩过程中,桩周围的土被挤密或挤开,使桩周围的土受到严重扰动,土的原始结构遭到破坏,土的工程性质发生很大变化。挤土桩主要有打入或压入的混凝土方桩、预应力管桩、钢管桩、木桩、沉管灌注桩等,一般直径会比较小,承载力较低,高层建筑用的比较少。.按几何特征分类为提高桩的承载力以及满足使用的要求,桩可采用不同的截面形式和桩体形状,常用桩的截面主要是圆形和方形,有时为了增加桩身的桩侧表面积与体积之比,在一定条件下可采用圆环、三角、十字、等形式。柱状桩体为目前的常用形式,另外,在还采用其他形式,如采用楔形、糖葫芦、扩底、螺旋形等形状。按几何特征分类的目的是在可能的情况下,尽可能的提高桩的承载力,在实际工程中,对于侧摩力比重比较大的摩擦桩,尽可能采用桩身的桩侧表面积与体积之比较大的截面形式,如采用梅花状截面的灌注桩、预制的三角形空心桩;对于端承力比重较大的端承桩,宜采用桩端截面面积较大的桩型,如采用扩底桩等。.桩的质量检验采用某种方法设置于土中的预制桩,或在地下隐蔽条件下成型的灌注桩,均应进行工监督、现场记录和质量检测,以保证质量,减少隐患。特别是柱下采用一根或少量大直径桩的工程,桩基的质量检测就更为重要。目前已有多种桩身结构完整性的检测技术,下列几种较为常用。开挖检查。这种方法只能对所暴露的桩身进行观察检查。抽芯法。浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究在灌注桩桩身内钻孔直径?,了解混凝土有无离析、空洞桩底沉渣等情况,取混凝土芯样进行观察和单轴抗压试验。声波检测法。利用超声波在不同强度或不同弹性模量的混凝土中传播速度的变化来检测桩身质量。动测法。包括打桩分析仪等大应变动测、桩身结构完整性分析仪和其它如锤击激振、机械阻抗、水电效应、共振等小应变动测。对于等截面、质地较均匀的预制桩,这些测试效果可靠或较为可靠。灌注桩的动测检验,目前已有相当多的实践经验,而具有一定的可靠性。.新桩型的介绍.长螺旋压灌灌注桩长螺旋钻孔压灌桩成桩技术是近几年开发并使用较广的一种新工艺,适用于长度不超过的桩基工程。它采用长螺旋钻机钻孔,至设计深度后提钻,同时通过钻杆中心导管灌注混凝土,混凝土灌注完成后,借助于插筋器和振动锤将钢筋笼插人混凝土桩中,完成桩的施工。此施工技术具有以下特点:施工速度快,由于成孔、成桩由一机一次完成,大大提高施工速度。环保,该施工工艺无泥浆排放,施工场地文明环保。桩身混凝土密实,桩身混凝土质量更有保证等特点。这种灌注桩北方城市使用比较多,南方沿海城市不太多见。.挤扩支盘桩桩挤扩支盘灌注桩是近几年得到开发且使用较广的一种新技术之一,它采用支盘设备,在先由普通钻机形成的等截面钻孔内,根据地质报告,在适宜土层中挤扩成承力盘及分支,从而形成类似竹节的桩身。通常在某一设计断面上挤次形成一个支,挤到次形成一个盘。在支盘挤成空腔同时也把周围的土挤密。挤扩支盘灌注桩由桩身、底盘、中盘、上盘及数个分支所组成。由经过挤密的周围土体与腔内灌注的钢筋混凝土桩身、支盘紧密地结合为一体,发挥了桩土共同承力的作用,从而使桩承载力得到提高。经测算,承力盘的面积约为主桩载面的到倍,如把各盘和各分支的面积加起来,其总和约为主桩截面的到倍。.大直径筒桩浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究大直径现浇混凝土薄壁筒桩是在普通沉管灌注桩的基础上加以改进而发展形成的一种新桩型,或称薄壳沉管灌注桩。采用振动沉模、现场浇筑混凝土,一次性成桩,一般采用环形桩尖。从目前沉桩能力及其性状而言,大直径筒桩可适用于饱和软土、一般软土、粉土中。大直径筒桩的外直径最小可做到咖左右,最大可做到左右,壁厚一般为 一,桩体根据需要可全部采用现浇的素混凝土或钢筋混凝土一次成型完成。这项技术在我国东南沿海软弱性土地区得到初步应用,己应用于海堤工程、交通道路工程等,特点是快速成桩、抗水平力相对较高,但单桩竖向承载力不高。.预应力竹节管桩预应力竹节管桩是在普通管桩基础上发展形成的一种新桩型,日本使用最早。是在普通管桩桩身上每隔一定距离设置一个凸出的混凝土肋环,用于增加侧表面积并增大侧阻力。施工方法同普通管桩一样,采用打入或压人式,主要差别在于填砂和焊接钢翼板采用钢翼板情况下。竹节状预应力管桩适用于软土地层。.预制空心方桩离心成型的先张法预应力混凝土空心方桩以下简称空心方桩是一种近年来得到开发应用的新桩型,截面形状为内圆外方。其形状类似于普通混凝土方桩和预应力混凝土管桩的组合,并且具有这两种桩型的特点和优点,其生产工艺类似于管桩。桩身混凝土强度等级一般不低于,桩身截面配筋率一般不小于.%,并要求具有.以上的有效预压应力,以此来保证打桩时桩身混凝土不会出现横向裂缝。空心方桩较管桩有一下几点优越性:传统的非离心法生产的预制普通混凝土桩一般多为方形,空心方桩也沿袭了这个传统,可以看到,外截面为方形比圆形更适宜堆放。在产品标准中规定,外边长为的空心方桩堆放层数,实际外边长的空心方桩可能堆放至层,只是要考虑到吊装取用的方便,堆放层数不宜过高。而管桩堆放层数过高的话,容易发生滚落伤人等安全事故,另外方形截面比圆形截面更有利于接桩。在相同横截面积的实体形状中,可知圆周长最小;相同外周长时,空心方桩一般%一比管桩横截面积可减少 %,对于以侧摩阻力为主的摩擦桩和端承摩擦桩的桩型,空心方桩占有较大优势。相同的横截面积,空心方桩比管桩的截面抵抗矩大,一般比管桩的截面抵抗矩%。增力口%一浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究.咬合桩钻孔咬合桩技术通过近几年在国内的开发应用,已成为一项相对较为成熟的用于支护及隔水帷幕工程的新技术。采用全套管钻机钻孔施工,在桩与桩之间形成相互咬合排列的一种基坑支护结构,为便于切割,桩的排列方式一般为素混凝土桩桩和钢筋混凝土桩桩间隔布置。施工时先施工桩再施工桩,桩混凝土采用超缓凝混凝土,要求必须在桩混凝土初凝之前完成桩的施工。桩施工时采用全套管钻机切割掉相邻桩相交部分的混凝土,实现咬合而形成钢筋混凝土“桩墙”。经过大量的工程实践,钻孔咬合桩技术已在地铁、道路下穿线、高层建筑物等城市建构筑物的深基坑工程中得到广泛推广,特别适用于有淤泥、流砂和地下水富集等不良条件的地层。钻孔咬合桩与普通钻孔排桩相比,具有良好的截水性能,不需辅助截水及桩间挡土措施;与地下连续墙功能基本相同,但配筋率较低、施工灵活、无需泥浆护壁、施工搭接缝的防渗控制往往更加容易,抗渗效果更强。但是,咬合桩这种桩型施工要求较高,要求每根桩都有咬合的非常好,如桩身上部咬合而下部由于施工原因未成功咬合而开又,则会使地下水从此处渗出,影响后续施工。.槽壁桩采用地下连续墙成墙工艺形成矩形截面桩作为建构筑物的基础,承受上部结构荷载,这种基础形式一般简称为槽壁桩基础。与常规桩基础相比,槽壁桩基础具有竖向承载力高、刚度大、可根据墙体布置灵活调整基础水平刚度、传力简单等特点,受到工程界越来越多的关注与应用。.超长桩随着超高层建筑和大跨度桥梁建设的发展,基底荷载已变的越来越大,对基桩承载力和变形提出了相当高的要求,桩基向大直径、超长桩方向发展已变成了一种大势。大直径超长桩的应用,一般认为桩长且长径比/的桩称为超长桩。由于超长桩桩身长、长径比大,导致桩土刚度相对较小,直接影响其受力特性,表现出明显不同于常规桩的承载特性。其中超长桩最主要的承载特性表现为桩身压缩量相对明显,占桩的沉降总量比例也较大。在高应力水平下,桩身塑性压缩量相对也比较大,一般不能将其作为弹性杆件进行计算。超长桩的沉降计算,除要计算桩端力及桩侧摩阻力传递到桩端引起的桩端沉降外,还要充分考虑到桩身压缩变形量。由于超长桩桩身压缩量明显,导致上部土层的侧摩阻力出现侧阻软化现象,桩身下部侧阻存在不能充分发挥现象,并且超长桩的端阻力发现具有明显的滞后性,因此超长桩的设计与施工都不同于常规桩,其极浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究限承载力往往由桩身变形和桩身强度来控制。.本章小结桩基最为一种古老的基础形式,不管是在实践应用方面,还是在科研理论方面都有了长足的发展进步,在实践应用方面,根据工程实际中,同一种普通的工程桩,根据不同使用要求往往起到多种不同的作用,比如在地下水丰富的南方沿海地区的一般地下工程中,一根普通的工程桩可能即要承担竖向向下的建筑物重力等荷载又要承担由水浮力产生的竖向向上的浮力荷载,在地下工程的局部某些部位还有承担土压力产生的水平荷载,又比如在与上述相同的背景下,工程桩与抗拔锚杆桩一起抵抗水浮力对结构的不利作用的情况下,如何合理的选用桩型就变得非常的重要。本章内容对工程的桩类型做了比较详细的介绍,为了更好的指导工程实践,选用安全、经济、合理的工程桩,特别是在对抗浮有要求的情况下对工程桩的选用,后面几章将比较详细的介绍有关抗拔桩及抗拔锚杆桩的理论研究及应用方面的内容。浙江大学硕士学位论文抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究第章抗拔桩分类及研究现状抗拔桩按成桩方式的不同主要有预制桩和现场灌注桩。预制桩常用是预应力管桩,现场灌注桩一般常用的为沉管灌注桩和钻孔灌注桩,灌注桩除了常规的等截面形式外,有扩底灌注桩和后注浆灌注桩等,这两种形式的灌注桩能大幅提高抗拔力,适宜深开挖条件下的结构抗浮。抗拔桩按截面的大小可分为一般抗拔桩和微型抗拔桩,根据欧洲规范,当采用钻孔排土成桩时,直径小于时称为微型桩,而采用挤土成孔成桩方法时,直径小于 衄者可称为微型桩,根据上述定义,抗拔锚杆桩既为微型抗拔桩的一种桩型。抗拔桩的理论研究才刚刚起步,国内外关于抗拔桩的研究大多停留在经验性的基础上,系统和深入的机理研究很少,更没有形成比较完善的理论研究成果。有关抗拔桩的设计计算理论,相比于抗压桩,在荷载传递机理及计算方法要不成熟的多,影响抗拔桩承载力的因素有很多,如桩的施工方法、荷载特性、土质、桩型、土中应力历史及桩土界面的几何与材料物理特性相关。此外,桩的抗拔承载力同时还受桩身材料强度的制约。目前的抗拔桩研究,主要集中在抗拔桩的荷载传递和破坏机理方面,迄今为止抗拔桩的设计方法仍处在借鉴抗压桩设计方法阶段,已有的研究表明:抗拔桩的荷载传递规律与摩擦型的抗压桩类似,将外荷载以剪应力的形式传递到土体中去,只不过侧摩阻力传递方向相反,即以桩的抗压侧抗摩阻力值导入一个经验折减系数后作为抗拔桩侧摩阻力值以估算抗拔承载力。.抗拔柱国内外研究介绍.等截面抗拔桩的研究现状.有关桩一土界面破坏研究国内外学者做了相当多的理论研究,如在 年,通过个大型模型试验,对砂土中的钻孔灌注桩抗拔性能进行研究,试验发现等截面抗拔桩基础主要破坏形态为沿着桩一土界面上发生圆柱形剪切破坏。上拔力达到抗拔承载力时,桩侧水平应力系数在松砂中为主动土压力系数凡比较准确,在密砂中为被动土压力系数的平方根与实测值较为接近;如 等人在年,提出抗拔桩外表面的粗糙度会影响界面破坏位置,对于钻孔灌注桩而言,抗拔桩桩体表面一般都会比较粗糙,因此破坏面很有可能发生于土壤内部,而非桩一土界面上.因此认为,对于桩的侧摩阻力主要年,利用偏光来自桩一土界面发生相对位移时提供的提供侧摩力隅;如在浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究照相技术发现基桩破坏时,距桩一土界面.处会产生连续的位移剪切面一。如在年,在模型试验研究中发现桩身受荷时,桩一土界面首先产生倾斜桩位移方向之雁行状破坏,当荷载增加到相当大时,在接近平行位移方向将产生破裂面,在达到极限荷载时,各破裂面相互连接形成联系破裂面,桩侧土体发生大量位移帕;如和在年的研究发现在极限抗拔荷载作用下,抗拔桩破裂面在桩端处与桩表面相切,而在地表面,破裂面与水平面成一/的夹角“;茜平一等人在年的研究也发现,在铅直荷载作用下,抗拔锚板两侧土中的破裂面呈对称的喇叭形,其切线方向在板边缘近似垂直,在地表处,无论是砂土还是粘质砂土均接近一/。.有关桩的施工方法、砂土初始密度、桩表面粗糙度和桩的类型等方面的差异而影响抗拔桩的极限承载力方面的研究,如在年试验发现,桩端闭口抗拔桩承载力比桩端开口的抗拔桩承载力高%。在密砂中打入桩的抗拔承载力是压入桩承载力的.倍,在中密砂中打入桩的承载力是压入桩承载力的倍。表面粗糙模型桩的承载力相对于表面光滑模型桩要增加%”;如在 年,通过包括根钻孔桩,根打入桩和根震动打入桩的抗拔试验桩试验研究,试验结果发现不同的打桩方式对抗拔桩承载力的影响是不同的,该研究是通过引入一个系数来考虑不同的打桩方式对承载力的影响“。.有关抗拔桩荷载作用方式的不同而对桩抗拔力产生的影响研究,如在年通过模型试验研究竖向压力荷载对抗拔桩承载力的影响,试验结果表明桩承受竖向压力荷载会减少桩的抗拔承载力,减少的幅度取决于压力的大小扪。在年研究了反复荷载作用对抗拔桩承载力的影响文中指出反复荷载下抗拔承载力下降主要有以下三个原因造成:桩侧摩阻力在循环荷载作用下逐渐降低;桩底在上拔力作用下上移,循环荷载作用下,桩底附近砂粒流向桩底,桩底的砂粒越来越多,阻止了桩底回到原来的位置;循环荷载作用降低了水平侧压力系数。.其他方面的研究:在年,通过试验发现桩侧土压力系数常常大于土的被动土压力系数“。在 年桩和抗压桩的桩侧极限摩阻力相同,它取决于土在年试验中发现可以用受体的相对密度和桩的施工方式“。然而和压桩的桩侧摩阻力乘以/预测抗拔桩的承载力“训。在年,通过砂土中抗拔桩模型试验发现抗拔桩承载力随长径比/、桩表面粗糙度、砂土密实度和颗粒尺寸的增大而增大删:松砂中桩达到极限承载力时,抗拔桩对应位移大约为桩径的%;而在密砂中%。这些位移值与同等条件下抗压桩的位移桩达到极限承载力的对应位移大约为桩径的浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究值相比大%。砂土淹没在水中会减少桩的抗拔承载力,然而土压力系数只对于密砂的情况下会减少,而对于松砂,土水平压力系数基本不会受影响。在 年,通过小直径钻孔灌注桩现场试验研究利用钻孔剪切试验和旁压试验结果预测硬粘土中钻孔灌注桩的抗拔承载力”。刘祖德在 、年比较系统的介绍了抗拔桩基础,对抗拔桩基础受力状和应用范围等做了较详细的介绍。史鸿林在年在现场大直径钻孔灌注桩的原型抗拔试验基础上,对桩的抗浮安全度、荷载传递机理和抗拔桩对其周围土体的影响等进行了研究钔,何思明在年在国内外众多抗拔桩原位及室内测试资料的基础上,建立了抗拔桩桩周土体的破裂面方程,在此基础上研究了抗拔桩的极限承载力,并提出一个极值原理。吴传波在年基于抗拔单桩静载荷试验数据,采用灰色系统理论法,对单桩抗拔极限承载力进行预测【酣。冯君在年采用大型通用有限元分析程序,对大直径预应力锚索抗拔桩的抗拔性能进行了三维有限元分析,并认为抗拔桩直接受力点设置在桩身的下部是适宜的。张洁在年研究上拔力作用点位置对抗拔桩变形的影响,建立了能反映上拔力作用点位置影响的抗拔桩分析模型,该模型采用荷载传递法求解,得出了不同上拔力作用点下摩阻力分布、桩顶荷载位移、作用点所在截面荷载位移解析解幢钉。刘文自在年采用颗粒流理论数值模拟了砂土地基桩的上拔试验,对各级荷载下桩的上拔位移及土颗粒的分布、速度和位移进行了分析,并根据颗粒流数值模拟的荷载一位移曲线确定了极限上拔荷载和极限上拔位移,其曲线特征与物理实物试验的荷载一位移曲线基本一致乜叭。何剑在年根据某核电厂根嵌岩灌注桩单桩竖向抗拔静载试验数据,分析了嵌岩抗拔桩在受荷时的轴力传递、侧阻力发挥和桩端阻力特征,表明抗拔桩在承受拉升荷载时的承载机理与抗压桩存在不同,通过对试验结果的分析讨论,揭示了该地区土层和嵌岩段抗拔侧阻力的取值特点们。.扩底抗拔桩的研究现状等截面抗拔桩提供的承载力非常有限,而且破坏时变形很小,具有突发性;试验表明,抗拔桩随着上拔荷载的增加,侧摩阻力和变形也随之增加,两者初始时成线性关系,当上拔荷载达到一定水平后,侧摩阻力的增长落后于变形的增长,当桩一土界面相对位移达到时,桩的侧摩阻力就达到峰值,随后逐渐下降。最后残余值和桩重差不多。在其达到极限抗拔承载力时,侧摩阻力占的比例常常达到%以上。近年来随着桩的扩孔技术的发展、施工工艺的进步和新的桩型的出现,变截面抗拔桩:已逐渐应用到需要抵抗上拔荷载的建构筑物基础中。它的最大优点就是可以用增加不多浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究的材料和造价来显著增加桩基抗拔承载性状。不但使抗拔承载力有了明显的提高,而且大大改良了抗拔桩的变形特性。德国 在年提出在杆塔基础设计中建议优先采用扩头钻孔桩来代替传统的先挖坑埋没平板基础再回填土的旧式施工方法。这样,不仅可节省人力和材料,而且上拔力也毫不逊色。在年在国大电网会议上提出钻孔桩的底部用机械扩孔,使其下端桩径由原来的等截面直桩桩径.扩大到.,桩基的混凝土用量只增加%左右,而抗拔承载力可增加%以上。美国.和.等人根据长期那和现场真型试验结果分析认为带扩大头的圆柱形桩,其抗拔阻力随扩头直径的增加而迅速增大。而且在很大的上拔变位变化幅度内,上拔阻力随上拔位移量持续不断地增加,呈现所谓的“有后劲”的现象。在年研究了扩底桩的破裂面和极限抗拔承载力。在室内模型试验中,为方便观测破裂面的几何形状采用一面为玻璃的钢柜;在钢柜中放置染色的成层砂土,观察砂土在试验过程中的交化。跟据观察结果,闭合的破裂面的形状可用对数螺旋线来表示,并用的微分方程表达沿破裂面的应力求得上拔荷载的数学表达式”。在 年通过离心机试验研究砂土中扩底桩在松砂、密砂不同条件下的抗拔性能。试验结果发现在密砂中扩底抗拔桩的抗拔承载力可以用锚板的承载力公式进行预测,而松砂扩底桩的抗拔承载力要比锚板承载力公式的预测值要低很多九。同样在年采用离心机试验来研究扩底桩的等截面直径和扩大头直径的比率、扩大头角度对扩底抗拔桩承载力的影响。研究表明扩底抗拔桩抗拔承载力和失效时的位移随扩大头角度和抗拔桩直径比率的增加而减少。该文给出了分析扩底桩承载力的经验设计方法,该方法考虑了扩大头几何形状对扩底抗拔桩承载力的影响。在年通过模型试验分析锥型桩的抗拔性能。试验结果表明锥型桩的承载力随围压的增长而增长,并且在高围压下锥型桩的抗拔承载力与等截面桩抗拔承载力相差不大?。在年研究了模型扩底桩在土工格栅加固砂土中的抗拔性状,提出了预测抗拔桩承载力的经验方法,同时建立了扩底桩桩顶上拔力和位移之间的双曲线非线性关系【“。刘文自在年应用颗粒流理论研究了黄土中扩底桩承受上拔荷载的宏观力学性能,以及扩底桩在上拔荷载下的位移、极限上拔承载力和破坏机理。结果表明:增加扩底桩扩大端的高度对提高承载力是有效的;破坏机理为土的减压软化和损伤软化的渐进性破浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究坏“。袁文忠等人在年的试验中报告中,论述了通过室内模型试验并采用砂浆模拟了种不同强度的基岩对扩底抗拔桩的荷载传递规律及破坏模式的影响。张尚根在年采用剪切位移荷载传递法和弹性力学理论,导出扩底抗拔桩的荷载与位移关系的理论解,并对理论解与模型桩试验结果进行了比较,计算结果与实测值基本一致,该方法为扩底抗拔桩的设计提供了理论依据钔。张洁在年采用荷载传递方法,建立了扩底抗拔桩的分析模型。抗拔桩工作阶段采用线性荷载传递函数,在线弹性荷载传递函数的情况下推导了扩底抗拔桩的荷载位移解析算式,并在分析抗拔桩刚度与桩长关系基础上提出了扩底抗拔桩的临界桩长计算方法.抗拔桩受力机理分析.等截面抗拔桩的受力机理根据桩基手册的抗拔桩受力机理分析认为,当桩顶受竖向向上的拔荷载时,桩身混凝土对桩周土有上拔位移,根据反作用原理,桩周土对桩身有向下的侧阻力,根据受力平衡分析,桩顶处桩身受轴向上拉力最大,沿桩身向下逐渐减小直至桩底为零,相对而言,桩上部土层受力向下部逐渐减小,若桩未达到上拔极限值,桩身零内力下部桩周土不受上拔荷载影响。桩顶上拔荷载逐渐加大后,桩身变形及桩周土位移也逐渐增大,桩身零内力处下移,下部土层随之逐渐发挥作用;由于黏性土极限位移一般为 ,砂性土为所以当长桩桩土界面相对位移大于桩土极限位移后,桩上部土的侧阻力已发挥至最大值并出现滑移,此时下部土进一步发挥作用,当上拨力再度增加后,整根桩桩土界面滑移,桩顶上拔量突然增大,桩顶上拔力瞬间减小并稳定在残余强度。最后桩身整个拔出破坏或者桩身钢筋拉断破坏。.扩底抗拔桩的受力机理扩底桩与上述等截面桩不同。在其上拔过程中,扩大头上移挤压土,土对它的反作用力一般也是随着上拔位移的增加而逐渐增加的。并且,当桩侧壁摩阻力己达到其峰值后,扩大头抗拔阻力还要继续增长,直到桩上拔位移量达到相当大时,才可能因土体整体破裂而失去稳定。与等截面桩不同,上拔时扩底桩的桩杆侧摩阻力与桩端扩大头上所受外力远并不同步。一般是桩杆侧摩阻力先达到它的极限值,而此时扩大头上的土压力远没有达到浙江大学硕士学位论文 抗拔锚杆桩在建筑物抗浮设计中的应用研究极限值。桩杆越长这种滞后的情况越明显。只有当上拨位移很大时,才可能达到极限值,因而扩底桩上拔位移往往是很大的,同时,上拔位移也会因为土质、土层埋藏条件以及桩形尤其是桩扩大头顶部的形状和扩大头直径等的不同而有所差异。一般扩大头所担负的抗拔阻力达到整个抗拔承载力的三分之二以上。.抗拔桩的破坏形态.等截面抗拔桩的破坏形态、厂图.等截面桩的荷载传递与破坏形态图.表示了三种抗拔桩破坏面形式。抗拔桩的破坏形态大致可以分为三大基本形态:、沿接触面剪切破坏;如图.,破坏面是沿着桩一土交界面形成的圆柱形剪切面。这种破坏形态是最常见的,只有软岩中的粗短灌注桩才可能出现完整通长的倒锥体破坏。倒锥体破坏面也可呈现为曲面。、倒锥台剪切破坏;如图.,即从桩底开始的倒锥形破坏面,这在软岩的粗短灌注桩和扩底抗拔桩中有可能产生。、复合剪切破坏面;如图.,即桩的下部沿桩一土侧壁界面剪破,而上部的局部深度内土体中形成斜向破裂面,其上倒锥性土体与桩粘附在一起,与桩同时上移,类似锚