大直径薄壁筒桩土芯性状及对竖向承载力贡献的研究（可编辑）

大直径薄壁筒桩土芯性状及对竖向承载力贡献的研究（可编辑） 大直径薄壁筒桩土芯性状及对竖向承载力贡献的研究 ? 论文作者签名: 指导教师签名: 论文评阅人: 评阅人: 评阅人: 监越蜮鏊戤直援趁星逝型盥哒逝逍堂太建建堂鲤塞 堂里递 奎塞兴一 釜一 评阅人: 评阅人: 答辩委员会主席: 委员: 委员: 委员: 委员: 委员:浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发或撰写 过的研究成果,也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证而使用过 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 并表示谢意。 年 月 日 学位论文作者签名: 签字日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 澎鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名: 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日浙江大学硕士学位论文 致谢 李剑强年月 致谢 本文是在导师温晓贵副教授的悉心指导下完成的,导师深厚的学术功底,求真务 实的治学态度,平易近人的高尚品德深深感染着我.正是导师的耐心教导和严格要求, 让我按时、顺利地完成论文研究,更重要的是三年来培养的踏实、认真的学习态度, 严谨、科学的研究思路和方法,对我今后的工作有极大的帮助,让我受益终生,在此 向导师表示最诚挚的敬意和感谢 本人年河海大学毕业后一直在浙江省水利水电勘测设计院从事岩土工程勘 察工作,工作中深感知识更新拓宽的重要性,年由设计院选派攻读硕士学位,非 常珍惜这次宝贵的学习机会,由衷地感谢单位领导给我机会重返校园,继续深造. 年后重返校园,巨大的学习压力,繁重的工作让我一度无所适从,衷心感谢课 组龚晓南教授,徐日庆教授,俞建霖副教授,周建副教授、韩同春副研究员长期以 来对我的关心和帮助,感谢岩土所谢康和教授、王立忠教授,王奎华教授、凌道盛教 授、陈仁朋教授、张我华教授、胡亚元副教授、边学成副教授及外语系徐沁老师等各 位任课教师对我的悉心指导,更感谢张勋、管林波,孙苗苗,姜民,郭杰锋等同学给 我的无私帮助,是你们的鼓励、支持和帮助,使我顺利完成课程学习,是你们的友谊 让我度过一段紧张而快乐的的求学时光.特别感谢李一雯,严佳佳同学为论文撰写、 编排、绘图提供的帮助. 硕士三年是我人生最重要的三年,我收获了学业的成功,也收获了家庭的圆满, 衷心感谢家人的理解,你们的鼓励和支持是我不断前进的动力。 感谢年浙江省钱江人才项目《大直径薄壁筒桩复合结构及设计方法》项目 编号:的资助 最后,感谢评阅硕士学位论文和出席论文答辩的各位专家,他们的建设性意见将 是我进一步工作的重要指导。 李创强 年月浙江大学硕士学位论文 摘要 李剑强年月 大直径薄壁筒桩土芯性状及对竖向承载力贡献研究 摘要 大直径薄壁筒桩内土芯的贡献对桩竖向承载力影响很大,这也是该桩有别于其他 桩的一个重要特点。现有开口桩承载力研究对土芯的认识和研究还很肤浅, 导致计算 结果与实测相差较大,开展土芯性状及对竖向承载力贡献研究非常重要,这是合理进 ‘ 行筒桩设计的理论基础。 本文从土芯闭塞定义入手,研究土芯闭塞影响因素,提出考虑土芯贡献的筒桩竖 向承载力计算新方法,本文主要研究成果有: 对比分析现有国内外土芯闭塞定义后发现,现有的各种定义方法非常混乱, 考虑因素也各有侧重.研究认为从土芯静力平衡条件出发给出的土芯闭塞定义适用于 静压式开口桩,而且桩径不是很大的情况; 大直径开口桩打桩引起的土芯惯性力不容忽视,桩径越大,打桩时土芯闭塞 高度越大,而且该高度与打桩加速度密切相关.混凝土筒桩与大直径钢管桩相比,打 桩时土芯闭塞的可能性大很多; 静载下土芯闭塞影响因素研究表明,桩径越大,土芯越不容易闭塞;同样桩 径下,壁厚越大,土芯越容易闭塞;土体性质及分布对土芯闭塞影响非常大,土体强 度越低,越不容易闭塞;贯入深度越大,土体性质的影响越大; 现有国内开口桩计算方法无法准确估算打桩前后开口桩桩侧摩阻力的变化, 及土芯闭塞引起桩端阻力的提高,因此计算结果并不理想。比较而言, 方法计算方便,结果准确; 本文基于计算思路,提出考虑土芯贡献的筒桩竖向承载力计算新方法, 并用工程实例进行了验证。该方法综合考虑我国东南沿海土体的特点,比方 法简 单,实用,预测效果更好。 关键词:大直径薄壁筒桩;土芯闭塞;影响因素;承载力计算; 李剑强年月 浙江大学硕士学位论文 、. , ., , ’.., .: , ., , .,. ... ,. ’ , . ... ? 李剑强年月 浙江大学硕士学位论文. ., . . ? . ; ; :? ; 浙江大学硕士学位论文 目录 李剑强年月 目 录 致谢?..:?:.?.. 摘:??.??.??..??.?.??.?..??..??....?. 目 录?.. 绪论??..,.. .引 言??.. .筒桩竖向承载力研究现状 ..国内现状 ..国外现状?。 .研究内容、思路与方法? ..研究内容?。 ..研究思路和方法? 土芯闭塞定义及土芯性状研究.概述. .闭塞效应定义?。 ..山原法? ..田岛法? ..小泉法..土芯长度比法? ..土芯填充增量比法..土芯抗剪强度描述法.. 经验公式? ’..土塞恢复率法?.. ..其他方法? .. 讨论?.. .土芯的形成及影响因素分析?。 ..桩径的影响? ..壁厚的影响?:?。 ..土体性质的影响。 ..打桩方式影响 .小结. 浙江大学硕士学位论文 目录 李剑强年月 现有承载力计算方法研究 .引 言.现有计算方法研究..概述..江苏推荐法.....谢庆道教授推荐公 式?。 ..浙江规程法??。 ..混凝土空心桩规范法??。 .. 方法??。 .. 方法??. .. & 方法?。 .算例对比. .小吉. 承载力计算新方法研究.. .概述. .承载力计算方法? .内侧摩阻力 .桩端阻力.. .桩外侧摩阻力计算 ..桩土破坏位置?。 ..破坏面上摩擦角? ..径向有效应力..桩侧摩阻力 .小结??.. 工程实例计算分析??.. .概述 .温州浅滩一期围涂北堤水闸及连接段? .甬台温铁路台州站??.. .盐通高速? .上海环线 软土地基路基.天津威鸟高速公路??.. .小 结成果与建议??. .本文研究成果.. 浙江大学硕士学位论文 目录 李剑强年月 .进一步研究建议 参考文献?. 作者简历?。 ?浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 绪论 .引 言 随着我国经济的迅猛发展,涌现了许多新的地基处理形式,通过在天然地基中设 置竖向或水平向增强体,使地基土体与增强体一起作用形成复合地基是经济又有效的 措施,大直径现浇混凝土薄壁筒桩简称筒桩,它采用振动沉模、现场浇筑混凝土的一 次性成桩技术,可快速加固较软弱地基,使其满足各类工程设计要求,在我国东南沿 海软弱粘性土地区已得到较广范围的应用,如温州鹿西岛双排桩防浪堤、广州大亚湾 石化工业区双排桩海堤、上海浦南东片出海闸导流堤、杭州绕城高速公路、杭宁高速 公路软基处理、杭州市罗马公寓等,它广泛应用于水利工程、交通工程、工民建工程 中,目前高速铁路路基处理中也在尝试采用筒桩处理技术. 筒桩技术由浙江省海洋二所谢庆道教授发明,己在中国和美国获得专利,它 是薄 壁现浇混凝土或钢筋混凝土空心桩,外径一般为,壁厚. 这里特别要指出的是南京河海大学刘汉龙教授提出的现浇混凝土薄壁管柱简称 桩,与谢庆道教授提出的筒桩在荷载作用机理上完全一致,两种方法仅施工工法稍 有不同,因此本文研究中将桩也归为筒桩。 筒桩充分吸收了预应力管桩和振动沉管桩技术的优点,突破了沉管桩和预制桩直 径一般在以内的限制,使桩径大大增加,充分发挥了大直径桩高稳定性、高强 度的特点;又没有钢管桩造价高,要考虑抗腐蚀的问题。现场施工时通过内套管自动 排除部分余土,可大大减少地面隆起、桩体被拉长、拉裂等问题,减小桩的挤土效应; 一次沉孔灌注成桩,施工快捷,质量易于控制;无需造浆,无泥浆对环境造成的影响, 减少了泥浆处理费用,环境效益好;没有桩侧泥皮与桩底沉渣,相同条件下的承载力 较高。施工时对材料要求低,材料运输工作量小,散体运输,施工速度快,因中间空 心而节省大量的建筑材料;与钻孔灌注桩相比,节省混凝土至少%,工程造价低. 通过改进成孔器结构可以连续浇筑,桩身整体刚度比一般灌注桩要好,必要时还可以 增强和扩底,并且可以灵活地组成各种结构形式;也可以形成空心连续墙,实现挡土 和止水二墙舍一.筒桩及筒桩复合结构是软土地基处理的一种有效措施.浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 打桩过程中筒桩内部的土体不是排出桩外,而是被内套管套入其中,桩内土体与 桩体一起承担荷载形成复合地基.竖向荷载作用下内部土芯的作用及发挥程度是影响 筒桩竖向承载力的关键因素之一,对土芯性状进行分析,并考虑它对筒桩竖向承载力 的贡献既有理论意义又有实际工程应用价值。与其他复合地基形式一样,该种桩型的 理论研究远落后于应用研究,随着应用范围的扩大,特别是在高速铁路路基处理中的 应用,使得对该种桩型的理论研究变得日益迫切. .筒桩竖向承载力研究现状 ..国内现状 筒桩特别是单体筒桩在大多数土木工程中主要用于承受竖向菏载,一方面解 决承载力不足的问题,另一方面也是为了消除地基过大的不均匀沉降和沉降。因此, 合理计算筒桩竖向承载力显得尤为重要.为研究筒桩竖向承载力,近年来在室内外试 验、解析理论、数值计算、设计方法上做了大量研究工作,下面分别进行论述. 在室内外试验方面,叶俊能、叶亦盛等,杨寿松等、费 康等、周云东等、温学钧、严东方等,余芝云 等对筒桩的应用情况进行了研究,从现有成果看,筒桩对软土地基的加固效果很好, 单桩承载力完全达到,有时大大超出设计要求,如周平等从设计、施工、加 固效果等方面介绍了杭宁高速公路采用现浇混凝土薄壁筒桩加固桥头路堤软基的应 用情况,结果表明筒桩具有良好的基础承载力,并能有效防止软土地基侧向滑移,对 高填方路堤具有良好的抗滑性能;刘芝平等介绍了现浇混凝土薄壁管桩技术 在南京大厂区高填土市政道路软基加固中的应用,通过现场测试沉桩过程中地面水平 位移和桩周土压力的变化,发现薄壁管桩侧向挤土效应小;朱向荣等介绍了 筒桩的成桩设备、施工工艺,认为筒桩在饱和粘土或软粘土地基应用优势明显,通过 两个场地组试桩的静载荷试验,对筒桩承载特性进行了分析和研究. 张晓健等通过自行研制的加载系统和量测系统装置,对砂土中筒桩进行 了室内模型试验.试验所得的荷载一沉降曲线结果与采用和提出的双曲 线荷载传递函数计算的结果进行了比较,认为采用该试验装置进行室内模型试验研究浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 是切实可行的,荷载传递函数仍然适用于筒桩,并且认为筒桩内摩阻力是存在的.建 议今后的试验通过改变壁厚、管径及桩长等参数,或把内部砂土取出来进一步研究桩 芯土的性状.与室外试验相比,室内试验研究还很缺乏. . 解析理论和数值计算方面主要围绕荷载传递机理和内外摩阻力进行研究.如叶俊 能利用荷载传递法,考虑土芯内侧摩阻和端部土塞作用得出筒桩沉降的弹塑 性半解析解,然后利用有限元程序与半解析解对比,分析探讨了影响筒桩荷载一沉降 性状的主要因素,但在求解过程中做了很多假设,如筒桩顶面有盖板情况下土芯顶端 不分担荷载,荷载全部由筒桩承担等,大大限制了其应用的范围.随后朱向荣等 采用双折线荷载传递函数,在假设内侧摩阻与外侧摩阻有同样荷载传递性状的基础 上,推导了筒桩竖向荷载一沉降曲线的解析表达式,这种分析方法与筒桩顶部有盖板 或砂垫层的荷载传递性状不同。汪鹏程等应用圆孔扩张理论,分析了筒桩施 工挤土效应,通过比较发现,筒桩施工挤土效应远远小于普通沉管灌注桩或预制实心 桩,筒桩可内外承担摩阻力,承载力高;筒桩可以显著减小沉桩时的挤土效应,并且 桩径越大,效果越显著.丁选明等将桩周土体假设为轴对称均匀粘弹性体, 假设桩一土位移协调,建立了严格考虑桩一土耦合振动的微分方程,并运用变 化求得了频域解析解,为动荷载作用下薄壁管桩动力响应的计算以及动力检测提供了 理论支持. 费康等通过有限元方法研究了筒桩的荷载传递机理.计算分析时,筒 桩采用了线弹性模型,土体采用摩尔一库仑弹塑性模型,桩土间的接触采用‘ 摩擦模型,考虑了土体的自重初始应力场;通过计算结果和静载试验结果对比,验证 了该有限元分析方法.费康等基于荷载传递法,考虑土塞作用,提出了一 种筒桩单桩性状的简化分析方法;内外桩土界面上的相互作用模型采用了提出 的弹塑性模型,桩体和土塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟,桩结点和土 塞结点之间通过弹簧与滑块连接,从而在分析中可以考虑土塞和桩的相互作用.采用 该方法分析了模拟了荷载一沉降曲线,计算了桩的内外摩阻力及土芯和桩身 的轴力, 与现场试验和有限元计算结果进行比较;姜陈钊应用程序分析了筒 桩单桩的荷载一沉降曲线的特征、桩壁内外侧摩阻力的分布、桩端阻力的分布,桩的 竖向荷载传递以及孔压消散规律等;李文虎利用三维强化假定应变单元,采 ‘ 浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 用厚度较小的薄单元,模拟桩与土体的相互作用,对水平荷载作用下薄壁筒桩的弯矩 和桩顶最大水平位移进行了分析.蒋中明等对薄壁管桩及桩周土进行三维数 值分析,研究管桩和桩芯土及桩周土的联合作用机理,研究发现,空心管桩桩身由于 采用薄壁结构,在竖向荷载作用下会产生一定的压缩量荷载下,桩身压缩量 .,桩内部土体对提高桩的承载力和减小变形沉降有一定的积极作用,桩内土体 可以提高桩的承载力?.桩周土体的最大剪应力出现在桩进入土层一定深度后. 另外由于开口桩,桩底应力集中程度较其他形式的桩底应力集中程度大,因此要注意 局部强度的校验. 设计方法上主要对筒桩竖向承载力计算方法和筒桩复合地基进行研究.一般认为 筒桩竖向承载力由桩外侧摩擦力、桩内侧摩擦力和桩端阻力三部分组成,如温淑莲等 、朱向荣等、刘汉龙等提出的计算方法.但各方法中每一部 分的计算又有不同,如温淑莲等认为桩外侧摩擦力取值可参考钻孔灌注桩的 取值;对于桩端阻力,认为钢管桩相似,考虑底端闭塞效应,桩端阻力五。%, 其中名。为桩底端闭塞效应系数,取.;%为桩端阻力值,参考钻孔灌注桩取值; 为桩端面积。用该计算方法所得的结果与实际观测值进行了比较,结果之间的差值约 为实际观测值的%左右,认为该计算方法基本符合实际情况. 朱向荣等认为筒桩承载力计算时桩侧摩阻力和桩端阻力的取值可参考桩 基规范,土芯端阻力按级仍肚,计算,其中仍为桩端阻修正系数,取一;砖为 参考沉管灌注桩的极限桩端阻力值;为土芯截面积。此种方法修正系数仇范围 太大,取值带有很大的不确定性. 刘汉龙等筒桩承载力计算方法主要参考《建筑桩基技术规范》 中钢管桩的计算方法.考虑到筒桩内侧摩阻力很难计算,温淑莲等、刘汉龙 等方法中均不作考虑,将其作为安全储备。 筒桩复合地基研究方面,刘汉龙等结合盐一通高速公路单桩复合地基载 荷试验,通过软件分析了垫层模量和厚度,桩体模量,桩长、基础刚度等对薄 壁管桩复合地基桩土应力比的影响,发现增大桩体模量对薄壁管桩复合地基的桩土应 力比影响不大,桩土应力比随桩长增大而增大,符合刚性桩的受力特征,刚性 基础下 浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 桩土应力比明显大于柔性基础下桩土应力比.刘汉龙等又通过该工程实测 情况,分析了加筋褥垫层性质对桩土差异沉降以及应力比会产生影响;发现加筋材料 不同的预张拉程度会产生前期增长型和后期增长型两种桩土应力比增长模式,提高预 张拉程度对减小地基水平位移是有利的.此外,采用数值模拟方法对褥垫层中加筋材 料抗拉强度及铺设层数和位置的影响研究表明,提高加筋材料的抗拉强度,对减小桩 土差异沉降,提高桩土应力比是有利的;改变加筋材料铺设层数和位置也会产生一定 的影响,但影响程度较小. 为拓展简桩的应用范围,刘卫未提出一种新型海堤结构一一大直径现浇 混凝土薄壁筒桩结构海堤,分别考虑了持力层和海堤淤泥土质、排距、排桩刚度、系 梁刚度、系梁位置、抛石等因素对筒桩结构海堤水平性状的影响,提出了筒桩结构海 堤的设计方法.李一雯对大直径薄壁筒桩在高速铁路路基处理中的应用进行 了可行性分析,提出可采用大直径薄壁筒桩的桩网复合结构对高速铁路软土路基进行 地基处理,并给出多种桩帽形式和带桩帽桩平面布置形式,供设计时灵活选用. ..国外现状 目前国外还未曾见相关大直径现浇混凝土薄壁筒桩的研究报道,从简桩的形状和 受力特点看,它有类似于钢管桩和预应力管桩的特点,下面是目前钢管桩和预应力管 桩中侧重土芯方面的研究. 等通过模型试验研究了土芯对预应力管桩工作性状和设计的 影响.认为砂土在管桩中形成”土塞”后,桩的承载力大大提高,此时相当于桩端闭 口的预应力管桩;粘土中土塞形成后,在打入过程中,导致周围土体超孔隙水压的增 加,随着时间的推移,超孔压渐渐减小,管桩承载力将提高.等 认为在管桩的设计中时间是很重要的因素,应当加以考虑。 ’等通过室内大型足尺模型试验模拟分析了预应力管桩在密实砂 土中的荷载传递。认为在砂土地基中桩端至倍土芯直径的长度内,土芯才发挥出 内摩擦力,其余土芯段内几乎没有内摩擦力,土芯的承载力与土芯与桩内壁间的摩擦 角有很大关系。 等通过钢管桩的模型试验研究,认为在砂土地基中钢管桩内土芯浙江大学硕 士学位论文 绪论 李剑强年月 的剪应力与竖向有效应力的比值大小取决于桩与土芯的接触摩擦角值和砂土的膨胀 能力,与桩的直径和砂土的初始相对密实度无多大关系. 等通过对钢管桩内砂土土芯简单的一维解析分析,推导了桩内 土芯在完全排水、完全不排水和部分排水考虑固结效应三种情况下的土芯承载力 的最小值包括土芯端部阻力和内摩阻解析解,此解析解只限于砂土,即不考虑粘 聚力的情况,不能应用于粘土中. 等采用程序、模型试验和有限元方法对钢管桩内土芯进行 了分析,并与之前提出的简单的土芯一维解析解进行了比较。证明有限元分析中,石 灰质土芯土体本构模型采用修正剑桥模型,桩土接触单元采用摩尔一库仑本构关系能 得到理想的结果.同时认为,钢管桩内土芯的内摩擦力大于外侧摩擦力,由于土芯的 拱效应使土芯的承载力大幅度提高,土芯承载力是土芯几何高宽比的指数函数. 等用有限元程序分析了砂土中钢管桩和土芯的相互作用. 土体采用弹塑性等向强化材料,服从 屈服准则,桩土接触单元采用六结点 四边形单元,服从摩尔一库仑破坏准则,并在此基础上分析了桩顶和桩内土 芯随着荷 载增加的位移变化情况。 分析了轴向荷载作用下钢管桩在砂土中的工作性状,研究了各影 响因素,包括土体参数土压力系数、压缩模量、土体内摩擦角,桩与土的接触摩擦 角、桩体参数桩长、桩径、桩壁厚度和桩靴形式、成桩方法打入式、压入式和 现浇和荷载施加参数荷载大小、加载速率和频率.于是人们又开始关注打桩方 式的影响. 等通过一系列的钢管桩模型试验,研究表明在砂土地基中,打入 式钢管桩中的土芯长度随着打入过程中土层密度的增加而增大,而压入式钢管桩中的 土芯长度随着压入过程中土层密度的增加而减小,桩内土芯在压入式比打入式更容易 形成土塞现象即表现为闭口钢管桩的工作性状,同时发现桩内土芯的土压力系数 在土芯端部最大,在离土芯端部大约倍土芯直径处土压力系数达到最小,土压力系 数的最大值与桩内土芯的密实度有关。 等通过现场试验研究了超固结粘土中钢管桩的形成形式包括打 入式和压入式和土塞程度对钢管桩内外摩擦力的影响。研究表明,上述两种 因素对 浙江大学硕士学位论文 绪论 李剑强年月 其影响非常大.并且认为,土的超固结系数越大,越容易形成土塞现象,土塞现象形 成的快慢主要取决于柱的成桩方式、几何参数和土体参数,压入式钢管桩比打入式钢 管桩的摩阻力大. 等通过现场试验研究,分析了打入砂土中开口钢管桩和闭口钢管 桩的工作性状。研究表明,打入开口钢管桩所需的锤击数比闭口钢管桩少%左右, 前者的极限侧阻比后者低%,极限端阻比后者低%.开:管桩中土芯的端阻大约 是内摩阻的%,内摩阻比管桩外侧摩阻高%。 等通过室内模型试验和室外足尺试验研究了砂土中管桩竖向承载 力的确定方法.定义了土芯填充增量比覃缸/×%,址为土芯长度增 量,凹为桩贯入增量.认为管桩的承载力与土芯的土塞程度有很大关系,可以用 来定量表示这种关系,通过模型试验得出了管桩侧阻和端阻与的关系. 国外研究结合海洋工程中钢管桩的应用,侧重进行砂土中模型试验研究,很少对 软粘土进行研究. 、 .研究内容、思路与方法 ..研究内容 从国内研究成果看,竖向荷载下筒桩受力性状研究大多集中在工程实录和有限元 模拟,数值分析方法虽然功能强大、适应性强,可以较全面地模拟桩一土相互作用机 理,但计算量庞大而且复杂,难以实用,且计算参数的选择和前期建模等工作也有很 大难度,工程设计中应用不多;现场试验大多对承载力进行测试,很难测得打桩前后 土芯高度变化,及加载时内侧摩阻力的大小和分布.工程中应用的经验公式则往往直 接套用钢管桩和预应力管桩中桩端土的闭塞效应等效法,无法合理解释筒桩土芯作用 机理;已有解析解的一些假设条件则大大限制了其应用范围,甚至有些假设条件是不 合理的。随着筒桩的大力推广应用,迫切需要有实用、方便的计算方法,国外研究侧 重开口桩土芯高度、闭塞情况的模型试验研究,很少有软粘土中开口桩研究成果. 现有国内筒桩竖向承载力以及国外开口桩研究结果表明,问题的焦点在桩内部土 芯上,即筒桩土芯中是否存在闭塞效应、影响土芯闭塞的因素,不同土芯闭塞 情况下 桩端阻力的确定,以及土芯与筒桩内侧摩阻力大小的确定等,都是筒桩设计中急待解 ,绪论 浙江大学硕士学位论文 李剑强年月 决的问题,这些问题不得到有效解决,将大大阻碍筒桩的推广发展.为此本文选择这 一关键问题进行研究,先从土芯的定义入手,分析影响土芯形成的因素;在研究现有 筒桩及国外开口桩竖向承载力计算思路的基础上,确定合适的计算思路,提出考虑土 芯贡献的计算新方法,通过与实测资料对比,验证新方法的准确性,为筒桩的设计计 算奠定理论基础. , 具体研究内容包括: 分析比较现有土芯闭塞各种定义方法,对土芯闭塞与否作出合理判断; 分析影响土芯形成的各种因素,特别考虑打桩方式的影响; 在研究现有开口桩竖向承载力计算方法的基础上,提出新的考虑土芯贡献 的计算方法; 通过工程实例验证本文新方法的正确性. ..研究思路和方法 为完成上述研究内容,本文对收集的大量文献进行归纳和总结,确定了主要 研究 内容和研究思路,通过数据分析和理论研究,提出本文新观点,并用工程实例进行验 证.本文研究综合采用数据分析、理论研究,实测对比等方法,具体研究思路见图.. 图.本文研究恩路示意图 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 土芯闭塞定义及土芯性状研究 .概述 打入过程中筒桩桩端一部分土体进入桩管内形成土芯,随着桩体不断打入,土芯 与桩内壁的摩阻力不断发挥,如果土芯与桩内侧摩阻力足够大,土芯将附着在桩内壁 上,并随着桩身一起向下运动进入地基设定深度.这种情况称为桩内土芯发生竹闭塞” ,于是对应的土芯骨不闭塞静是指土芯不与桩身一起向下运 动,换句话说土芯可以在桩内自由地运动.桩内土芯不同于桩外土体的作用就称为闭 塞效应亦称为”土塞效应”.正因为桩内土芯对桩的作用与桩外土体不同,所以土 芯对桩体性状包括承载力、沉降等的影响需要进行研究,通常用土芯闭塞或闭 塞效应描述. 第一个将关于取土器中土拱作用的研究推广 到沉桩及静载下的土芯中.沉桩初期的衰减应力泡使土芯上部产生一个向上凸的曲线 拱,之后桩以封闭或半封闭的形式刺入土体,竖向应力增加引起的应力泡使得土芯下 部产生向下凹的曲线拱,如图.所示. 取样器 土芯 主动凸拱 被动凹拱 图.土芯内竖向应力等压线, 荷载作用下当荷载超过土拱的承载力,土体沿着土拱发生膨胀和剪切,从而允许 更多的土体进入桩内,直到新的稳定的土拱形成,这时土拱的承载力超过了向上的推 力桩端阻力。桩内土芯闭塞时,土体最密实的区域位于桩端以上约四分之一桩径/ 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 处;土芯不闭塞时,土体最密实区域位于桩端,且沿土芯向上密实度逐渐降低. 土芯的存在及引起的闭塞效应是开口桩的一个重要特征,因闭塞程度不同对 桩承 载力和沉降的影响也各异,开展这方面研究很有必要,这是合理进行开口桩设计计算 的一个重要组成部分. 开口桩中由于土芯闭塞引起桩竖向承载力增加是不争的事实.杭宁高速公路二期 长兴段,为研究土芯对简桩承载力及沉降的影响,在路基中分别打设和的筒桩, 然后挖除部分或全部土芯,进行载荷试验,并与满芯桩的结果对比,如图.和 示.图.中筒桩长,以粉质粘土为桩端持力层,其中,和 均为满芯桩,为空心筒桩桩内土芯全部挖除;图.中,筒桩长, 桩端土层为淤泥质粘土,,和分别表示满芯桩,是土芯高度为米的筒 桩土芯挖除米.由图可知,满芯桩的承载力明显高于空心桩或部分土芯桩,而且 持力层较好时,土芯对提高桩竖向承载力和减小沉降量都有较大贡献;对打设在软土 中的筒桩,土芯的存在对减少桩的沉降也有明显作用,见图.中曲线. 荷载/烈 荷载/甜 霎翳桩长 桩长 图.静载荷试验荷载?沉降曲线图 不考虑土芯闭塞作用会低估桩的竖向承载力,发现若用 ’ 方法 ,计算开口 桩的竖向承载力最高误差可达%,而且有时候由于土芯的闭塞作用,按照设计的锤 击数无法将桩打到预定深度. 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 认为土芯对开口桩性状的影响可以表现在三方面:砂土中 土芯对开口桩承载力的贡献非常显著;粘土中土芯会延迟桩承载力随时间增加而 增长;土芯对桩的动力特性有较大影响。为考虑土芯对开口桩性状的影响,必须 先确定土芯是否会闭塞。土芯闭塞的定义源于港口工程及海洋平台中大直径钢管桩, 后来拓展到一般的开口桩中,遗憾的是目前国际上关于土芯闭塞的定义非常混乱,这 极不利于开口桩的研究.基于此,本章首先介绍现有各种土芯闭塞定义方法,从土芯 破坏机理进行分析,目的是澄清概念,对现有土芯闭塞的判断进行研究并提出合理的 判别方法;最后在此基础上进一步分析影响土芯闭塞的主要因素. .闭塞效应定义 如何判断竖向荷载下开口桩内土芯是否会发生闭塞现象,国内外学者分别从 不同 的角度进行考虑,给出了不同的闭塞定义或方法,下面分别予以介绍. ..山原法 ...山原法 山原法通过比较土芯与桩管壁的竖向总内摩阻力咒和桩端地基极限承载力的 大小评价土芯的闭塞程度,兄 时,桩端土停止进入桩内,土芯呈完全闭塞状态; 罡包时,桩端土体继续进入桩内,土芯为非完全闭塞状态. 土芯与桩管壁总内摩阻力最按下式计算: . 忍? 式中: 一一土芯与桩壁单位平均内摩阻力,/ 置一一桩底标高处土芯与桩管壁的总内摩阻力,; 厶一一土芯横截面面积,。 推导兄时,假设管内土体为砂质土,土芯为弹性体,在桩身部位取一很薄的微单浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 元,由微单元竖直方向静力平衡条件图.得到: 印彳?彳善善‖?孝 式中: 一一辟度处的单位垂直应力; 一一繇度处的单位水平应力; 护土芯周长; 厂一一土体重度地下水位以下取饱和重度; ‖一一砂土与管壁的摩擦系数. ? ., ? ,黝 ?孝 既岘 图.土芯徽单元静力平衡示意图 由式.得到: . 哦 厂 咖币 . 其中 慨 . 七为土体侧压力系数,侧压力系数的经验计算公式如下: 正常固结粘土: 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强 年月 . 超固结粘土: , ?矽 一 疗??? . 将式.带入式.得到 . 劬 蜘巧 考虑到乒 ;乒时以,故 . 胁加知峨 . 壮南?鲁, .? ,:嘉等 若桩内土体为粘土,桩内壁与土体的粘着力大于桩侧土体的库仑剪切滑动阻 力, 与上述推导一样,对粘性土‖锄矿可以得到: .? 胪訾半 式中一?土体粘聚力; 旷一土体内摩擦角. 对成层砂土也可以用上述方法计算,最后得到 .一丛/.百.%‖?一.?土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 浙江大学硕士学位论文 一志陋忡吒咖‰鼻挚如心删 表.给出了参数口和的参考取值,其中肚.考虑到桩内土芯扰动及排 水条件变化的影响,土体粘聚力口取试验值的%。 表. 山原法中口和肚的取值 山原法中桩端地基极限承载力用桩端标高上、下一定范围内标贯击数平均值 ? 乘以一个常数计算也可以用太沙基公式或麦耶霍夫式等方法计算,这一常数 到底 取多少合适,日本各学术团体给出的推荐值并不完全相同,见表.。 表. 推荐值 标准制定单位 桩端地基极限承载力/. 日本公路协会 不大干 日本建筑协会 日本国铁 日本港湾协会 ?为平均标贯击数. 注:表中为土芯横截面面积,; 标贯击数的平均值?计算如下: . ??/ 式中,。为桩端下比。范围内标贯击数?的平均值,‰,为桩外径;?:为桩端以上 玩鲫范围内标贯击数?的平均值。浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 ...考虑尺寸效应的山原法 刘润等在山原法的基础上,结合大直径和超大直径开口桩中桩径对侧壁 摩阻力、端阻力的影响,引入尺寸效应系数,重新建立土芯微单元的静力平衡方程只 的推导过程同山原法: 参印彳考。,‖叻善硝?孝 . 式中,缈,为侧摩阻力的桩径尺寸效应系数,其他系数同前. 同样,计算桩端土体总承载力包时也引入桩端承载力的桩径尺寸效应系数既, 即包等于: . 阢。 计算桩端土体单位承载力吼时考虑贯入土体类型,如果桩端支承在粘土中,则按 照方法计算: . 。 式中:口为粘土的粘聚力. 若桩端支承在非粘性土中,则: . 。:?口 式中::为桩端土体上覆有效压力;为承载力系数,可参考方法取值. ...考虑边载效应的山原法 海洋工程中超大直径开口桩贯入深度常深达百米,计算桩端承载力时若不考虑边 载效应会给土芯闭塞判断带来很大误差,致使施工中所选锤型较大,造成巨大浪费, 甚至出现将桩打坏的现象,为此闫澍旺等在刘润等研究的基础上, 对桩端承载力计算进行了修正. 太沙基认为,荷载作用下圆柱形墩式深基础破坏时,基底平面下土体形成连续的 滑动面,如图.所示。盘环形区下土体直接受到基础下土体的侧向挤压作用, 使这浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 块土体向上移动,并驱使最上面的土体也产生向上的相对位移,从而在如边 界及基 础侧面与土体之间盘,分别产生向下的剪阻力和摩阻力?. 图.太沙基深基础承载力计算示意图 因此太沙基建议呆用下列公式计算圆柱形墩式深基础极限承载力: . 。.。,,., 其中: /尹?』二???一/ . ? . ?,.一矽 式中:伊为土体内摩擦角;,,为承载力系数,由基底下土体的缈值通过式. 一.计算;口为基础埋深;刀为圆柱形墩式深基础半径;。为基底以上土体的等 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 效重度,由环形面积部分土体上移时竖向力的平衡条件确定: 七, 乃‰高 式中:刀为基础埋深范围内土层编号,‰为基底以上土体重度,工为基础侧面 与土体 之间的极限摩阻力;为环形圆柱体边界上的剪阻力,一般情况下,土 体抗剪强度. 考虑到打桩对周围土体的扰动,引入动力效应系数,,如表.所示,于是桩端 土体总承载力为 . . 甄钾。 动力效应系数推荐值 表. 山原法假定土芯为弹性体,不考虑土芯压缩变形,但计算土芯与桩壁的摩阻力时 又取极值,由于摩阻力与相对位移有关,因此严格讲是不成立的。另外计算时未考虑 打桩及桩受力过程中,土芯被挤密及土拱效应引起的桩内外土体性质的差异。刘润等 和闰澍旺等对山原法中桩端土的极限承载力做了修正,对上述不足 未作考虑。 ..田岛法 田岛法从位移平衡角度考虑土芯的闭塞情况,通过比较极限承载力状态下开口桩 和闭口桩端的下沉量,计算开口桩土芯闭塞率,即假设闭口桩达到极限状态时柱端下 沉量为磊,若开口桩也有相同的下沉量,为了使高度为。的桩端土体进入桩内, 这时 开口桩的桩端承载力就等于使桩端下沉爿一。的反力见图..浙江大学硕士学 位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月// 。,,, ///// ///// ~ 吣号 河图.田岛法计算示意图 假定桩内土体为弹性体,桩内壁犀擦强度与位移成正比,根据桩内土柱点处 严 生的压应力 与摩擦力正的平衡条件,得到将土压入桩内,高度所需的力。: . 蜀一‖’正出。 芝二一一万 根据正:及适当的极限条件求解上述两式,得到对应的微分方程为: ‘ 七, 一 , ’以儿。 告一舞刎 桩达到极限状态时,假定桩端下沉量与反力之间存在线性关系,即,, ,:彳爿,不考虑桩内土体重量.解得: 昆 . 旦浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 . 纠’屠?辱 式中:.一一桩端反力,; 口一?桩端地基极限承载力,; ,二二闭口桩端地基反力系数,/; 疋一一与开口桩内径相同的闭口桩端地基反力系数,/; 心一一土芯截面积,; ,.’一一土芯半径,; ‘一一土芯高度,; ’一一土芯体积压缩系数,/; 萨一摩擦系数,/. 实际应用时,假设,砭,则有: . . 粤:??匕 ??????????????一 弛』丝 。 式.就是开口桩闭塞率公式.从该式可以看到,瓦和桩径越小,桩端下 沉量越大,闭塞效果越好.而‖与’越大,闭塞效果也越好。 ..小泉法 开口桩桩端阻力除环形端阻外,还有桩内管壁上的摩擦阻力,而且摩阻力随 入土 深度增加而增加,为描述开口桩的这一特点,小泉法将考虑闭塞效果的桩端 有效面积 换算成桩端闭合的面积,即用桩的有效面积石与桩实际面积彳的比值,表示 闭塞率 口: 七, 拈每小铮 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 其中: 石署畦一% ?去 式中 石一一井口桩的桩端有效面积,; 肛一进入持力层深度,; 一一壁厚,. 由式.可见,闭塞率她可看作是与闭口桩相比,开口桩桩端承载力的降 低系数. ..土芯长度比法 通过对墨西哥湾大直径管桩直径.?.,桩长? 的研究,提出用土芯长度比 描述开:桩内土芯长度, 定义为土芯长度三与桩贯入深度瑚比值,即: 他, 去 上式的定义简单、直观,自提出该定义后,广泛应用于开口桩中土 芯性状描述,通常将大于某临界值定义为土芯不发生闭塞。 ..土芯填充增量比法 ...定义 开口桩打入过程中随着贯入深度增加,土芯长度不断变化.等 认为相对于而言,用土芯填充增量比 可以更 好地描述土芯的变化,即定义为土芯长度增量与桩贯入深度增量的比值,即: . 、。 .伍罢×% 式中/是随桩贯入深度增加而增加的土芯长度,见图.. 由式.可知,时,土芯完全闭塞 ;% 时,土芯完全不闭塞亦称为内核模式, .%之间土芯为部浙江大学硕士学位论 文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 分闭塞 . &等通过对砂土中打入或压入开口桩内的土芯进行分 析,发现砂土的密实度对值的影响很大,中密砂土中土芯高度比密砂中土芯 高, 这是因为振动沉桩时中密砂土在桩孔内被挤密,而密实土则在桩内趋向于膨 胀,使摩 阻力增加.等人模型实验研究发现,砂土相对密实度相同的条件下随 着桩贯入深度增加,由于土体水平向应力增加,土芯长度也会逐渐增加,即随相 对密实度增加和水平向应力增加会显著增加,相比较而言,土芯长度对土芯上的竖向 应力不敏感。相对密实度和竖向应力相同的条件下,由于竖向应力的不同,超固结砂 中的将比正常固结砂中的大. ? 殇 ,, 厶 缪 图.填充增量比定义示意图 ... 与的关系 土芯长度比定义提出后,被广大学者接受并得到普遍应用,但同时也发现了 一些问题. 提定义后,对墨西哥湾上个工地根桩贯入到墨西哥 湾最常见的软土中最后的值进行了统计,结果见图.需要指出的是图中所有 桩数之和不等于,可能是原文中总桩数有误,但不影响图中曲线的分布形式,由 图可见: 桩的平均值等于.; 约%的桩值小于.,其中%的桩值小于.。注意对长桩而言, 一 等于.意味着桩内外土体高差有. 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 有%的桩值大于.,这表明打桩后,桩内土体会溢出桩外. 有%的桩值大于.,可以认为这部分桩不会发生土芯闭塞现象. 由上述结果可见,值有时也会大于..这一现象也陆续被其他学者发现. 等人发现,直径、壁厚的钢管桩打入硅藻泥中深时, 桩内土芯高于原泥面..等人报道了日本航空港岛引 桥基础桩的土芯高度情况,姗一柴油锤将直径、壁厚、长的钢 管桩打入.深的密实砂层中,桩内土芯高出海底原泥面.。可见,在深厚 高塑性有机质软土通常称为 中,或密实砂层中打设开口桩, 打设过程中产生的超静孔隙水使土体膨胀,这种情况下和值更多地说明打桩 过 程中土体会涌出桩外,不能说明土芯的实际闭塞情况. ’ . 撮平均 ~ // 辎 \ .人 惫分布 冀 厂正; 厂 / 一 ,仁 入 纠 \ . . . . . . . 土芯长度比, 图.墨西哥湾开口桩土芯数据统计图等, 打桩过程中土芯高度的变化不容易测量,但打桩完成后桩管内的土芯高度却 很容 易得到,这也是定义盛行的一个主要原因。从定义上看,评价土芯的闭塞程度 比更好一些,但考虑到土芯高度变化很难测量,人们试图建立与的关系, 期望通过容易测量的值计算出相应的,并由与承载力的经验公式,得到地 基承载力.例如等通过试验研究,建立了砂土中土芯长度比与土芯 填充增量比之间的关系,现场测得土芯长度比后,再根据式.计算出 值:浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 一 . .% 有了值,便可建立桩的竖向承载力与值之间的关系,继而得到不同闭塞 程度下桩的竖向承载力.计算时先把开口桩的直径按不同的值换算成等效直 径 : .. ?%时窜?左衙一矽如 . 时晰 ?魈。时以‰一一厩】.警. 式中为桩的等效直径,口腑为桩的外径,口。,为桩的内径.根据试验结果, 。 得到地基反力,,与值之间的关系为: 錾:?.型 . 式中,口是砂土相对密实度的函数,密砂口取.;中密砂口取.;松砂口取 ..一是桩端水平向有效应力.注意,该经验公式只适用于砂土中的打入桩,不 适 用于振动锤成桩方式. 通过经验公式由土芯长度执;计算得到土芯填充增量比,这种方法有很大的 局限性,一方面,由计算有一定的误差,例如等用式. . 评估土芯闭塞程度时发现,.时,该式会稍微低估土芯的闭塞程度;而当 时,会稍微高估值;另一方面,不是每个地区或每种土体中都能得到土芯长度 比 与土芯填充增量比的关系。 等分析了大西洋沿海平原个工程的土芯闭塞数据,共测得打桩 结束后个值和个值。每个工程的具体情况如表.示.浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 表. 大西洋沿海平原工程土芯闭塞数据等, 土体类型 桩英寸 闭塞数据 试验 编 位 置 外 动载试 静载试 桩 桩 号壁厚 端 径 验 验 侧. , 札. , 地 .,. ,, . .. ,. , . . 。 合计注:土体按统一土体分类方法, 方法分类,主要考虑打桩后 桩侧主要土体类型;英寸等于.米. 图.是等得到的土芯长度比与土芯填充增量比的关 系图,图中虚线为等给出的与的关系式,由图可见,对大西 洋沿海平原的开口桩,与之间没有明确的对应关系. ?? 范 坠 . . . . . . . 图. 与关系图 浙江大学硕士学位论文 土芯闭塞定义及土芯性状研究 李剑强年月 为进一步研究与之间的关系,等还给出了和 与桩贯入深度的关系图.和图..由图.清楚地表明,与桩贯入深度 之间不存在对应关系.但图.中却显示随贯入深度增加而减小,降低说明 土芯闭塞程度越来越大。这两幅图说明土芯闭塞与否最好用表示,因为描述 的是土芯长度的变化,而仅说明整个土芯长度与比值。 土芯高度与桩贯入深度的关系与土层特性及分布有密切关系,如上海宝钢工 程中 。 实测的结果显示两者的关系为线性的见图.,而等得到的不同 密实度砂土中打入桩的值随贯入深度的变化就非常复杂,松砂和密砂中值变 化的趋势也不相同.松砂中压入桩的试验结果中,值随压入深度是波动变化 的, 而且在最后阶段还出现了值为负值的情况。 芷 一 艮 图. 与归一后桩贯入深度关系等,