（岩土工程专业论文）人工挖孔灌注桩承载特性数值仿真研究.pdf

l i i 1l ii l l i l l i 1liii 17 3 0 3 3 5 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo n b e a r i n gb e h a v i o ro f m a n e x c a v a t e dp i l e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d o n gx i a o m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i ey o n g l i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 ：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 的其他个人或集体已经公开发表的成果。 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签 年月 日 1 卅滓朋尹 ( 3 ) 介绍了应用大型软件a d i n a 的人工挖孔灌注桩承载特性数值仿真计算的桩 土本构模型及其参数的选取； ( 4 ) 结合云南地区的试桩资料，基于a d i n a 分析了人工挖孔灌注桩的承载机理， 通过研究其计算结果得出以下结论： 人工挖孔灌注桩的荷载位移曲线基本呈三阶段变化； 桩周土体呈现以桩为中心的“盆式”沉降状态，并介绍了在竖向荷载作用下桩侧 和桩端土竖向位移的变化规律； 通过分析有限元计算及现场静载试验得出的桩端阻力可以看出，桩端阻力随着 桩顶荷载的增加不断增大，同时桩端荷载分担比也不断增加。 在选择合适的本构模型和材料参数以后，利用有限元软件分析人工挖孔灌注桩的 承载特性是可行的，虽然由于桩周土体材料以及桩土接触关系的复杂性，目前很难利 用有限元做准确的量化分析，但是能够通过数值仿真计算对其进行定性分析，得出一 些规律性的结论，为可以为人工挖孔灌注桩的设计、施工、质量控制等提供借鉴和依 据。 关键词：人工挖孔灌注桩、承载特性、a d i n a 、数值仿真、本构模型 o ft h ec h a r a c t e r i s t i co fm a n - e x c a v a t e d p i l e t h e r e f o r e ，t h eb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co f m a n - e x c a v a t e dp i l es h o u l db es t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yt os h o wi t s b e a r i n g m e c h a n i s m c o m b i n e d 、砘t 1 1t h es u b j e c to fy u n n a np r o v i n c i a lc o m m u n i c a t i o n sd e p a r t m e n tw h i c hi s n a m e d 邪“s t u d yo nb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fm a n e x c a v a t e d p i l e ”，t h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co fm a n e x c a v a t e dp i l ei ss i m u l a t e db a s e do nt h en o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma d i n a t h em a i n w o r k si nt h i sp a p e ra r el i s t e d 锻f o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs i t u a t i o n so fm a l l - e x c a v a t e dp i l ea l e o b t a i n e db yc o n s u l t i n gv a r i o u sr e f e r e n c e sa n dd o c u m e n t a t i o n s ； ( 2 ) t h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e da n dt h et w o k i n d so fm e t h o d su s e dt od e f m et h ev e r t i c a la l l o w a b l el o a dc a p a c i t yo fm a n - e x c a v a t e dp i l ea r e a l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h et w om e t h o d sa r et h em e t h o dt oe f i n et h ev e r t i c a la l l o w a b l e l o a dc a p a c i t yo fm a n - e x c a v a t e dp i l ea c c o r d i n gt os t r e n g t hc r i t e r i u ma n dt h em e t h o da c c o r d i n g t os t r e n g t ht h e o r yd e f o r m a t i o nc r i t e r i u m ； ( 3 ) t h es e l e c t i o n so fc o n s t i t u t i v em o d e lo fe a r t h - p i l ea n dt h em a t e r i a lp a r a m e t e r sf o rt h e s i m u l a t i o no fm a n e x c a v a t e dp i l eb a s e do na d i n aa r ei n t r o d u c e d ； ( 4 ) c o m b i n e dw i t ht h ep i l et e s tr e s u r si ny u n n a np r o v i n c e ，t h eb e a r i n gm e c h a n i s mo f m a n - e x c a v a t e dp i l ea l ea n a l y z e db a s e do na d i n aa n dt h em a i nc o n c l u s i o n sa r ei n t r o d u c e da s f o l l o w s ： t h e r ea r et h r e es t a g e so nt h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v eo fm a n - e x c a v a t e dp i l e ； t h es h a p eo ft h es e t t l e m e n t so fm a n - e x c a v a t e dp i l es u r r o u n d i n gs o i li sl i k eab a s i n a n dt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ft h e s i d es o i la n db o t t o ms o i lf o rt h e m a n e x c a v a t e dp i l ea r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ； i i i t h ev a l u e sc a l c u l a t e db ya d i n aa n dt h et e s tv a l u e ss h o wt h a tt h ep i l et i pr e s i s t a n c e s i n c m a s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d sa n ds od ot h ea l o n gw i t ht h ei n c m a s eo fi t si n s o i l l o a d s h a r i n gr a t i o s t h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co fm a n - e x c a v a t e dp i l ec a l lb ew e l ls i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t p r o g r a ma r e rt h es e l e c t i o no fp r o p e rc o n s t i t u t i v em o d e l so fe a r t h - p i l ea n dt h em a t e r i a l p a r a m e t e r s a l t h o u g hi ti sd i f f i c u l tt oa n a l y z et h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co fm a n e x c a v a t e dp i l e a c c u r a t e l ya n dq u a n t i f i c a t i o n a l l y , i tc a ns i m u l a t ei t sb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i cq u a l i t a t i v e l ya n d g i v es o m ec o n c l u t i o n s ，w h i c hc a l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dq u a l i t y c o n t r o lo fm a n - e x c a v a t e d p i l e k e yw o r d s ：m a n - e x c a v a t e dp i l e ；b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c ；a d i n a ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c o n s t i t u t i v em o d e l i v 目录 第一章绪论1 1 1课题研究背景l 1 2 人工挖孔灌注桩简介1 1 2 1 人工挖孔灌注桩应用历史l 1 2 2 人工挖孔灌注桩的技术特点2 1 2 3 人工挖孔灌注桩的适用范围3 1 2 4 人工挖孔灌注桩的施工工艺3 1 3国内外研究现状5 1 3 1 人工挖孔灌注桩承载能力理论分析研究现状5 1 3 2 人工挖孔灌注桩承载能力试验分析研究现状6 1 4 论文依托课题简介9 1 5论文研究内容及研究思路9 1 6 小结1 0 第二章人工挖子l 灌注桩受力特性及单桩容许承载能力分析11 2 1 人工挖孔灌注桩受力特性1 1 2 1 1 荷载传递规律1 1 2 1 2 荷载传递主要影响因素分析1 1 2 2 人工挖孔灌注桩单桩容许承载力1 2 2 2 1 按强度控制的单桩容许承载能力分析1 3 2 2 2 按变形控制的单桩容许承载能力分析2 0 2 3 小结2 2 第三章基于a d i n a 的人工挖孑l 灌注桩承载特性数值仿真原理2 3 3 1 大型有限元仿真软件a d i n a 简介2 3 3 2a d i n a 数值仿真计算流程2 4 3 3 基于a d i n a 的人工挖孔灌注桩数值仿真技术2 5 3 3 1 桩身本构模型的选择2 5 3 3 2 桩周土单元类型及其本构模型的选择2 7 3 3 3 桩一土接触分析2 7 3 4 小结2 9 第四章基于试桩数据的人工挖孔灌注桩a d in a 数值仿真分析3 1 4 1 云南地区人工挖孔灌注桩试桩资料3 1 v 4 1 1 试验内容及实施方案简介3 1 4 1 25 # 试验桩试桩资料3 3 4 2 基于a d i n a 的5 # 试验桩有限元模型3 6 4 2 1 几何模型的创建3 6 4 2 2 边界条件的设置3 7 4 2 3 材料参数的设置3 9 4 3 有限元程序计算结果及其分析4 1 4 3 1 逐级荷载作用下桩顶位移分析4 1 4 3 2 桩周土的竖向位移分析4 2 4 3 3 桩身轴力分析4 5 4 3 4 桩端阻力分析4 7 4 4 小结4 8 主要结论及进一步工作建议5 1 参考文献5 3 攻读硕士论文期间公开发表论文5 7 致谢5 9 v l 长安大学硕士学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 人工挖孔灌注桩( 简称人工挖孔桩或挖孔桩) 是利用人工挖孔、在孔内放置钢筋笼、 灌注混凝土的一种桩型【l 】。由于它具有工程造价低廉、施工现场无噪声、孔径不受限制、 成孔质量和地基土层可直接观测、施工周期短、混凝土灌注质量容易保证等诸多优点， 目前在国内外公路、铁路、水利、煤炭、电力以及房建工程建设中得到了广泛的应用。 人工挖孔灌注桩的使用至今已经有1 0 0 多年的历史，虽然世界各国的工程技术人员 和学者对该桩型做了大量的研究工作，也积累了许多成功经验，但是由于各种条件的限 制，针对人工挖孔灌注桩的完整准确的试验资料和现场测试数据并不多见，导致了目前 有关人工挖孔灌注桩的设计理论和计算方法还是建立在经验的基础之上，并未形成针对 该桩型系统的、全面的、准确的设计理论和计算方法，按各国规范推荐的计算方法得出 的承载力值可能相差一倍以上，即便是同一试桩方案得出的分析结果也可能由于不同的 容许或极限承载力的判别标准而相去甚远，可见，目前对于人工挖孔灌注桩的研究还存 在不足，因此，有必要对人工挖孔灌注桩的承载特性进行深入地、系统地研究，从而 获取人工挖孔灌注桩承载规律，以期为后续的人工挖孔灌注桩的设计、施工及养护等工 作提供借鉴和理论依据。 1 2 人工挖子l 灌注桩简介 1 2 1 人工挖孔灌注桩应用历史 人工挖孔灌注桩应用历史悠久，最早的应用可追溯到1 8 9 3 年，至今已有近1 2 0 年 的使用历史。根据文献【2 】的记载，1 8 9 3 年，美国芝加哥遭遇了一场历史上罕见的大火， 城市大量的建筑物被烧毁，在后续的城市重建中，为了节省土地，建造了不少高层建筑， 并且建造了一大批当时芝加哥乃至世界上都前所未有的高层建筑，这些建筑物的出现对 建筑物基础的承载能力和稳定性提出了更高的要求，此时各种高强轻质新材料的出现， 大型起吊设备的开发已为高层建筑的上部结构施工创造了有利条件。但芝加哥城市地表 以下存在着厚度很大的软土或中等强度的粘土层，建造高层建筑如沿用当时通行的摩擦 桩必然会产生很大的不均匀沉降，于是设计者不得不把桩设置在很深的持力层并为满足 承载力要求还必须加大桩径。但这样长而粗的桩不可能采用传统的木桩，若采用钢管或 第一章绪论 型钢桩，或钢筋混凝土预制桩，依靠当时的打桩设备也难以打入到所需深度。在这样的 背景下设计者借鉴人类自古相传的掘井方法，提出了先用人工挖孔而后灌入混凝土成桩 的方法，这就是“人工挖孔灌注桩”的起源，因此，人工挖孔桩也由此被称为“芝加哥式 挖孔桩”，随后，人工挖孔灌注桩便被美国其它城市大量效仿使用，并被逐步推广到世界 各地。 我国铁路部门在上世纪5 0 年代就开始用人工挖孔灌注桩作为治理滑坡的抗滑桩， 但那时大都采用民间传统的掘井技术成孔，不但效率低下，施工安全也难以保证。而真 正用于高层建筑的人工挖孑乙灌注桩，应推1 9 6 0 年起在香港适用的“手掘沉箱”【1 1 。从上 世纪7 0 年代中期后，人工挖孔灌注桩在北京、广州、武汉、沈阳、成都、福州等大城 市相继应用于高层建筑、桥梁及其他重型建筑物。到2 0 年代末9 0 年代初，随着改革开 放步伐加快，大直径挖孔桩迅猛发展，仅数年间已普及全国二十几个大、中城市及各新 兴开发区，应用于包括软土、黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基。据统计，近年来， 我国应用人工挖孔灌注桩的数量已居世界前列，可谓起步虽晚而发展迅猛，成为人工挖 孔灌注桩使用最多的国家之一【3 】。 1 2 2 人工挖孔灌注桩的技术特点【3 4 】 ( 1 ) 施工工序简单，施工方便，成孔质量易保证，无需大型的设备，利用镐、锹、 人力卷扬机等常用工具即可施工，必要时采用风镐和通风机。施工时可多桩同时分组施 工，施工速度较快； ( 2 ) 人工挖孔灌注桩的单桩承载力较高，混凝土的灌注可以分层进行，受力性能 可靠，抗震能力强，桩身质量较为稳定，视地质条件、桩身尺寸和混凝土强度等级不同， 一般可达上千千牛甚至上万千牛的承载能力； ( 3 ) 人工挖孔灌注桩不但能承受较大的竖向荷载，而且能承受较大的横向荷载， 可以有效地加强建筑物抗震能力以及充当保证边坡稳定的抗滑桩、河海工程中的支护桩 以及作为维护地铁、建筑等基坑开挖的围护桩等； ( 4 ) 人工挖孔灌注桩通常采取扩底的型式，增大桩基底部的受力面积，从而充分 发挥桩端持力层的效用，有效地提高了桩基的承载能力，这是其他桩基形式难以实现的。 并且人工挖孔灌注桩可以根据地层结构组成灵活选用桩长，一般其桩长比其他形式的桩 基要短，从而有效地减少了工程量和工程造价； ( 5 ) 适用范围广，尤其是在受地形限制的条件下其他桩型的大型施工设备难以进 2 长安大学硕士学位论文 入场地的情况下，更具优势； ( 6 ) 与机械钻孔灌注桩相比，人工挖孔灌注桩在清孔、清底等方面上占有优势， 一般来说，钻孔灌注桩的清孔和清底工作都难以保证质量，容易在桩侧和桩底形成两个 软弱夹层，从而降低桩基的承载能力，而人工挖孔灌注桩能够很好的保证清孔和清底， 使桩体和周围土体能够密切接触，从而充分发挥桩的承载能力； ( 7 ) 人工挖孔灌注桩施工基本无噪音，对周围环境影响很小，对周围的建筑物及 其他结构危害也小，是一种利于环保的桩型。 1 2 3 人工挖孔灌注桩的适用范围 人工挖孔灌注桩适用范围很广，不仅能在平坦地形下施工，在山区地形，尤其是在 其他桩型的大型施工设备难以进入场地的情况下，更能体现该桩型的优势，且鉴于我国 具有充足的农村剩余劳动力，劳动力价格低廉，使人工挖孔灌注桩造价大大低于其他桩 型，而且可以实现多桩同时施工，可缩短工期，提高施工效率，因此人工挖孔灌注桩在 我国得到了广泛的利用，它可以在以下条件中使用： ( 1 ) 单桩荷载在1 0 0 吨以上的高层建筑、公路铁路桥梁及其他大型工程的基础【3 】； ( 2 ) 地表以下有较厚的软弱土层的情况，如杂填土、素填土等软弱土层； ( 3 ) 适用于土质变化较大的条件，尤其是适用于无地下水或地下水较少的粘土、 粉质黏土以及含少量砂、砂卵石、胶结石的粘土等地质条件； ( 4 ) 工程场地下具有适于作持力层的土层，如：岩石类，砾石类，密实砂类等； ( 5 ) 受施工场地大小或地形条件的限制，无法使用其他桩型大型施工设备的情况； ( 6 ) 附近有容易受施工影响的建筑物或其他构造物的情况，若采用其他施工法施 做桩基，可能会对周围构造物产生较大影响，因人工挖孔灌注桩具有施工噪音及震动小， 对周围环境影响小的特点，此时该桩型更为适用。 1 2 4 人工挖孑l 灌注桩的施工工艺【5 ，6 】 1 ) 施工前准备工作 场地清理：场地较为平坦时，清除杂物，换除软土，整平夯实。 机具准备：配备安全帽、安全绳、钢丝绳、吊车、吊桶、吊钩、铁制辘轳、风镐、 发电机、导管等机具。 技术交底：制定安全防范制度，组织技术培训，对可能出现的问题要有应对措施， 有物质贮备，有组织准备。 第一章绪论 2 ) 施工工艺流程 放设桩位一桩开孔一桩i ：1 井圈护壁一安装施工机具一土方施工一桩身护壁探测 持力层一帷幕锚杆支护扩挖底桩一喷浆固砂一对桩孔检查验收一吊装钢筋笼、灌注桩 身混凝土。 3 ) 混凝土护圈施工 大量人工挖孔桩的事故，大都是在浇注护圈混凝土阶段时发生的，即混凝土护圈的 施工，是人工挖孔桩成孔的关键。顺利的将护圈混凝土浇注完成，人工挖孔桩的成孔也 即构成，往后整根桩体的施工就较为简单。 护圈混凝土的厚度可按公式： t k n 凡 ( 1 1 ) 式中：t 护圈混凝土壁厚( 神，对变截面护圈，取平均厚度； k 一安全系数，一般取1 5 2 0 ，视不同情况取； r 。一混凝土的轴心抗压设计强度( 1 叮m 2 ) ； n 一作用于每段护壁面上的压力( n m ) ； n = p d 2 其中t ( 1 挖孔桩设计的直径( m ) ； 卜相应护圈段上的平均水平压力( n m 2 ) ，当地面有堆载时，应考虑超载因素； 护圈形式一般采用外齿形和内齿形两种形式，护圈混凝土强度常采用c 2 5 一c 3 0 ， 护圈内钢筋一般取直径为6 - - 一1 0 m m 的光圆钢筋。模板可采用木模或钢模，一套完整的 钢模，虽然成本高但是周转次数多，变形和漏浆均不易发生，装拆方便，施工速度快， 很值得推广。 4 ) 混凝土浇注 在混凝土浇注前，必须排除坑底积水，同时要对孔底进行验孔，如果是嵌岩挖孔桩， 则更需要对基底岩层状况进行复验，直至验孔通过才可放置钢筋笼，浇注混凝土。混凝 土的下料以导管或串筒法最佳，坍落度一般在7 c m 左右，每层浇注的厚度般为3 0 - - 5 0 c m 。在此过程中要注意两点： ( 1 ) 混凝土的配合比。混凝土的配合比不仅要满足设计强度，还应满足和易性、 耐久性、凝结速度等施工技术要求，使混凝土混合料在输送、灌注过程中不凝结、不离 析，防止堵管等故障的发生。 4 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 掌握导管提升高度。混凝土的初始灌注量经计算确定，要始终保证导管在混 凝土中的埋深不小于l m 。首批混凝土拌和物下落后，要连续灌注。用探锤测量导管与 桩孔中混凝土的高度，提升导管并拆除导管节数，对堵管故障能及时发现并给予及时排 除。 要强调的是现场搅拌混凝土配合比的控制、和易性的合适与否等都将直接影响桩身 的质量，在某些工程中发现有些桩身质量经小应变检测，会出现断开、不密实或离析等 现象，大都是因现场拌制的混凝土质量差所导致的，因此有条件的一定要选用商品混凝 土，不能为省钱而造成事故。 1 3 国内外研究现状 国内外工程技术人员对人工挖孔灌注桩承载能力以及受力特性做了大量的研究工 作，主要包括对人工挖孔灌注桩承载能力的理论分析和试验分析，也得到了一些有价值 的结论，现将国内外的研究现状叙述如下： 1 3 1 人工挖孔灌注桩承载能力理论分析研究现状 p e n s 和t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 【刀通过有限元分析提出了在不同桩岩模量比和不同嵌岩深度 条件下的人工挖孔桩端阻力分担荷载比，这个认识比国内早了近十年。 t h o m e ( 1 9 8 0 ) 【8 1 认为，桩岩界面的粗糙度及混凝土和岩石界面的胶结状况是影响荷 载沉降曲线的主要因素。 霍志芳【3 】通过大量试桩资料和有限元计算分析，给出了以强度理论和相对变形为控 制标准的人工挖孔扩底桩竖向承载力计算公式。其中特别论述了扩底桩地基变形模量的 确定方法，并从m i n d l i n 解出发利用数学方法得出了泊松比“是影响地基土变形模量大 小的重要因素，初步确定了比较完善的变形模量的计算公式。 张九鹤，袁继国等【9 1 用三维有限单元法对人工挖孔嵌岩灌注桩的桩侧阻力、端阻力、 嵌岩深度进行了分析计算。讨论了侧摩阻力对桩承载力的影响，桩承载力与嵌岩比的关 系，以及不同岩层与端阻比的关系，并提出了不同桩长的桩具有最佳嵌岩深度。 长安大学李晋，冯忠居，谢永利等【l o 】利用有限元数值方法，对桥梁桩基础的大直径 钻埋预应力混凝土空心基桩的承载特性进行了系统分析，研究了不同参数对单桩承载力 性状的影响，建立了大直径钻埋预应力混凝土空心基桩的偏心受压计算公式和承载力计 算公式，提出了完整的大直径钻埋预应力混凝土空心桩设计计算方法。 5 第一章绪论 李晋等【1 1 】利用m a r c 软件，对横向荷载作用下不同长径比下空心桩的水平位移分布 规律进行了分析，提出了大直径空心桩的刚性与柔性的界定标准，并得到了桩身第一水 平位移零点随桩长的变化规律，在同一桩长和桩径情况下，第一零点位置受荷载的影响 很小。 沈子盘【1 2 】建立了预测单桩极限承载j j 的g m ( 1 ，1 ) 模型。结合某工程桩的静载试验 结果，利用该模型对该桩的荷载与沉降分别进行了预测，并在只有部分实测结果的情况 下，对单桩的极限承载力进行了预测，预测结果的精度能够满足工程需要。 毛昌庆【1 3 】结合某特大桥试桩项目，运用静载、动力测试和有限元方法分析该桩竖向 承载力的极限值，综合运用力学原理和数理统计知识得出单桩竖向承载力静载试验的曲 线和竖向承载力特征值；在初期各级荷载的作用下，单桩竖向位移能呈现较好的线性关 系，并能简单的获得有限元模型中的单桩竖向承载力的容许值。 陈学利【1 4 1 根据桩端土压缩机理模式，按照深埋基础沉降计算原则，推出了桩端沉降 的计算公式，并根据变形函数，以变形量为承载力控制标准，给出了承载力及折减系数 公式。 1 3 2 人工挖孑l 灌注桩承载能力试验分析研究现状 1 9 8 4 年，美国西北大学o s t e r g e r 教授 1 5 , 1 6 】成功研制了加载实验方法( 即自平衡测试 法) ，是通过预埋在桩底的测压盒进行钻孔桩静载试验的方法。该方法对于划分桩侧摩 阻力、桩端阻力和确定抗拔桩的承载力具有实际意义。近年来，欧洲、日本、加拿大、 新加坡等国家也广泛应用于该法。根据美国联邦调查统计，自1 9 9 4 年起，全美国挖( 钻 孔) 灌注桩荷载试验中该方法的使用率超过了6 5 。 p e n s ，r o w e 和t u m e r ( 1 9 8 0 ) 1 刀通过大量的室内模拟试验和现场试验得出了许多有价 值的结论，如桩岩截面的粗糙度是导致p s 曲线变化的主要因素，这与后续学者的研究 得出的桩侧极限阻力并不随岩石饱和单轴抗压强度的减小而成比例减小的结论一致；还 指出桩岩交界面的清洁程度对侧阻力也有较大影响；同时通过测试结果分析还可以看 出，对于不完全风化的岩石，可以建立极限侧阻力与岩石单轴抗压强度的相互关系。但 是他们的研究仅仅限于单桩整体的受荷后的响应上，并未涉及到桩岩界面各点的侧剪应 力的变化。 黄亚琴等【4 】人根据江苏电网调度中心无覆盖层人工挖孔嵌岩桩静载试验结果，对桩 侧阻力与相对位移和端阻力与桩端位移的关系进行了数值拟合，得到了桩侧和桩端的位 6 长安大学硕士学位论文 移传递函数，同时对桩端尺寸效应及侧阻深度效应进行了初步的探讨，并对其上覆土层 侧阻力修正系数s 、嵌岩段侧阻力修正系数争和桩端阻力修正系数白的取值进行了分 析，得出了一些对工程有用的结论。 刘伟平，扶名福掣埽j 人通过对三根人工挖孔扩底桩进行静载试验，从埋于桩中不同 层面的钢筋应力传感器和桩端压力传感器所获得的实测数据，分析研究了人工挖孔扩底 桩的承载特性和荷载传递机理，探讨了桩端阻力、桩侧摩阻力发挥规律和桩沉降变形规 律，得到了砾砂层的承载力最大值达到了3 6 5 m p a ，而且还有富余，为今后此类桩在该 地区的理论研究和设计应用提供了重要的参考作用。 徐敏，童小东【1 9 】利用自平衡测试技术，对江苏省刑侦技术大楼的两根人工挖孔嵌岩 短桩的承载力进行了测试，并根据测试结果对人工挖孔嵌岩短桩的受力进行了分析，得 出侧阻力与端阻力分布和各自的荷载位移曲线，并应用嵌岩桩承载力计算公式得出人 工挖孔嵌岩短桩承载力偏小，为桩基日后的使用提供了安全储备。 岳耀斌等【2 0 】基于现场静载试验和有限元分析方法，对泥岩中桩基的承载性状和承载 模式作了初步探讨，分析和评价了桩基础承载力计算理论，桩侧阻力和桩端阻力的规律， 阐述了嵌岩桩的工作机理，对嵌岩桩当中的桩土摩阻力、桩岩摩阻力、桩端阻力作了深 入分析，对嵌岩桩整体承载性状进行了总结，并结合试验地区的地质条件，根据地勘和 土工试验的参数进行了有限元模拟，分析了数值模拟的q s 曲线。 乾增珍，鲁先龙【2 l 】以某山区斜坡地形2 2 0k v 输电线路高露头挖孔桩基础水平荷载 的现场试验为例，研究斜坡地形高露头挖孔桩基础水平荷载作用下的桩土体系稳定性 及承载机理。得出由于斜坡地形边界条件对水平承载性能的影响，高露头挖孔桩基础 因埋深有限、嵌固程度低、土体约束作用弱，在水平力和倾覆力矩作用下埋置于斜坡 地基的高露头桩基础呈刚性短桩特性，可基于m 法计算分析其桩土体系的水平承载特 性；桩身水平位移是设计控制因素，基于桩身位移和桩侧土压力的m 值计算方法与结 果，能够较好地反映试验现象。该成果对斜坡地形高露头挖孔桩水平承载特性的工程 设计有一定的参考价值和指导意义。 长安大学丁胜仁【矧通过有埋设测试元件的挖孔扩底桩现场静载试验，结合相关理 论和数值分析手段系统地研究了大直径挖孔扩底桩在加载过程中，荷载沉降曲线的 类型及桩身轴力的分布特性；桩侧阻力和桩端阻力的发挥性状；土层摩阻力的分布及 其与桩土相对位移之间的关系；进行了受力机理分析和破坏特性的研究：同时，通过 研究扩底桩的端面积大小对桩基承载力的影响，给出了用相对沉降确定桩端承载力的 7 第一章绪论 公式，提出了承载力估算的经验公式，并对范德温法推求有限承载力的实用性进行了 探讨，该结论对该地区甚至其它地区大直径挖孔扩底桩的研究具有参考价值。 冷曦晨，孙福申等1 2 3 】在肇源松花江特大桥桩基静载试验中应用了自平衡试桩法，该 试验结果可靠，具有节省材料、节省造价、缩短工期等优势，在桥梁桩基工程中有着广 泛的应用前景。 侯运秋，刘先伟等1 2 4 1 结合湖南省某高速公路大桥，首次成功的采用自平衡法进行了 大吨位基桩静载试验，得出了两根试桩在荷载作用下桩的侧阻力分担的比重较大，表明 了红砂性岩地区对桩侧摩阻力的取值过于安全。 王潮海等【2 5 】在桩基静载试验中采用分段测试，减少加载吨位的非常规方式，通过建 立合理的桩一土体系简化模型，根据现有的分段资料通过荷载沉降曲线的拟合确定土 的参数，并模拟计算大吨位试桩荷载作用下的桩基承载特性。 张恩犁2 6 】分析了挤密地基检验与评价工作现状及存在问题，着重研究了原位测试技 术在挤密地基监测评价中的作用。通过分析室内外对比试验资料，分别提出了适合陇西 黄土挤密地基桩间土和桩心土的承载力及变形参数的经验关系。同时应用复合地基理 论，对综合计算挤密地基承载力和变形参数进行了探讨。 陈锦剑，王建华掣2 7 】通过短桩原位测试和数值分析，研究了短桩基础的荷载传递与 变形特性。试验结果表明，桩基的实际承载力大于计算值，而沉降值远小于计算值。桩 顶反力和基底土压力的观测结果显示：地基土所分担的荷载较小。对短桩基础的桩- 土 共同作用进行数值分析，得到了地基土层内的附加应力和分层沉降变化情况。研究结果 表明，湖沼平原短桩基础的沉降以桩端以下土层的压缩变形为主。浅部硬土层既作为短 桩的持力层，又有利于附加应力的扩散，从而减小了沉降。 齐良锋，张保印等【2 3 】通过对陕西省邮政电信网管中心大楼工程的桩筏基础进行原位 测试，分析得到了西北黄土地区高层建筑桩筏基础的沉降特性、桩间土反力分布、桩顶 反力分布、桩间土与桩承担竖向荷载的比例，其结果可供实际工程设计及高层建筑结构 设计计算理论研究参考。 吴兴序，庄卫林等【2 9 】在攀枝花地区新九和安宁河流域德昌蒲坝的昔格达岩层中对1 3 根灌注桩进行了单桩轴向静载试验，研究了桩的承载力和影响承载力的因素。 由以上分析可以看出，国内外对人工挖孔灌注桩的研究主要是建立在现场实测和模 型试验的基础之上，虽然理论分析也有一定进展，得出了许多有价值的结论，但是由于 人工挖孔灌注桩的受力模式和受力机制尚未认识清楚，导致设计人员在进行人工挖孔灌 8 长安大学硕士学位论文 注桩的设计时仍过于保守，因此还有必要对人工挖孔灌注桩进行进一步的研究和分析。 1 4 论文依托课题简介【3 0 1 论文依托云南省交通厅科技项目挖孔桩承载特性及施工技术研究课题，现将该 课题的相关情况介绍如下： 云南省地处我国西南边陲，地理位置特殊，属低纬度、高海拔地区。该区气候类型 多样、地形地貌多变、工程地质条件复杂，全省土地面积中，山地约占8 4 ，高原、丘 陵约占1 0 ，盆地、河谷约占6 ，平均海拔2 0 0 0 米左右。多年来，在公路桥梁建设中， 钻孔灌注桩基础由于适应性强，成为各类结构物基础型式的首选。但由于云南省特殊的 地形、地貌和工程地质条件，不仅使得钻孔机具设备在运输、架设和作业面展开上存在 许多实际困难，从而造成工期滞后，而且还会由于设计中所取的参数与实际地层参数不 符，进而造成桩基承载能力难以得到保证。根据因地制宜、施工方便、保证桩基承载能 力的原则，挖孔桩以其独特的优势已渐渐成为云南地区公路桥梁结构物的主要基础型式 之一。 本课题主要针对云南省特殊条件下的人工挖孔灌注桩的特点，对云南省境内不同地 区气候类型多样、地形地貌多变、工程地质条件复杂的特点，通过对桩侧摩阻力及桩端 抗力工作机理及影响因素的详细研究，进而对规范中相应的设计指标和标准做出了适当 的修正和调整，以符合不同地区的实际要求。 通过本项目的深入研究，可以为云南省挖孔灌注桩的设计、施工、质量控制等提供 具有针对性的指导，使云南省挖孔灌注桩的设计、施工有据可依，有规可照。因此，本 项目的开展对云南省挖孔灌注桩技术的发展具有重要的现实意义。同时，本项目研究成 果还可为其他省市的挖孔灌注桩技术提供借鉴。 1 5论文研究内容及研究思路 本文结合云南省交通厅科技项目挖孔桩承载特性及施工技术研究课题，主要对 进行了一下研究工作： ( 1 ) 广泛查阅大量科技文献及设计资料，获取人工挖孔灌注桩承载特性研究现状； ( 2 ) 研究分析人工挖孔灌注承载特性以及目前国内外确定人工挖孔灌注桩单桩容 许承载力的两种方法：按强度控制的单桩容许承载力确定方法和按变形控制的单桩容许 承载力的确定方法； 9 第一章绪论 ( 3 ) 研究基于大型非线性有限元计算软件a d i n a 的人工挖孔灌注桩承载特性数值 仿真计算的基本原理，分析了a d i n a 数值计算的桩土材料的本构关系以及材料参数的 选取，桩土接触面的设置等问题； ( 4 ) 结合云南大理至保山段高速公路第六合同段5 撑测试桩的试桩资料，分析基于 a d i n a 的人工挖孔灌注桩承载特性分析的可行性，并得出了在不同荷载等级下桩顶位 移、桩身轴力以及桩端阻力等内容的变化规律。 1 6小结 ( 1 ) 介绍了人工挖孔灌注桩的应用历史、技术特点、适用范围及施工工艺； ( 2 ) 介绍了人工挖孔灌注桩国内外研究现状； ( 3 ) 介绍了文章的主要研究内容和研究思路。 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章人工挖孑l 灌注桩受力特性及单桩容许承载能力分析 2 1 人工挖孑l 灌注桩受力特性 2 1 1 荷载传递规律 人工挖孔灌注桩荷载传递规律主要指的是桩土之间相互作用以及桩土之间共同变 形的规律【3 1 。一般来说，桩基荷载传递机理是指桩基在外荷载作用下桩土系统各个部分 的反应的总体表现，它包括荷载的分配、传递方式、地基土和桩身以及桩端共同承担外 荷载的相互关系、构成桩土承载力的各个分量的形成、发展过程和分配规律【3 1 1 。 将竖向荷载逐级施? 3 n n 桩基上后，首先，桩基上部因为荷载的作用会产生相对于桩 周土的向下相对位移，此时桩基上部周围土体会对桩基产生向上的摩阻力，当荷载不大 的情况下，桩基上部范围内受到影响的土体会对桩基产生侧摩阻力，该摩阻力能够平衡 桩基所承受的竖向荷载，在加载的初始阶段，桩侧摩阻力与桩土相对位移近似呈正比例 关系。在桩土相对位移等于零处，桩侧摩阻力并未开始发挥作用，该点称为中性点。随 着荷载的不断增大，桩基自身的压缩量和位移量不断增大，中性点的位置也随之逐渐向 下移动，桩基下部的摩阻力也随之被调动以来，从而也将部分荷载传给桩端土层并使其 压缩和产生桩端阻力。桩端土层的压缩导致桩土相对位移增大，桩身摩阻力进一步发挥， 当桩侧摩阻力全部发挥出来达到极限后，位移继续增大，桩侧摩阻力保持不变。试验表 明，摩阻力达到极限时的位移与土的性质有关，在粘性土中约4 - - 6 r a m ，在砂性土中约 为6 1 0 m m ，或是桩径的o 5 加1 i 。桩的上半段侧摩阻力的发挥远比桩的下半段的 早，而桩侧摩阻力又总是比桩端摩阻力更早的得到发挥。桩侧摩阻力发挥至极限后，若 继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。若荷载继续增大达到使桩端持力层 产生大量压缩和塑性挤出变形时，位移将显著加大，直至桩端阻力达到极限而破坏。此 时，桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。 2 1 2 荷载传递主要影响因素分析 ( 1 ) 桩长径比l d 长径比l d 对荷载传递的影响是明显的，对此国内外的工程技术人员和专家学者曾 做过大量的研究工作。霍志芳【3 1 、黄亚琴【4 1 统计的实测资料表明，随着桩项荷载的增加， 其桩侧摩阻力和桩端阻力依次发挥作用，但是对于深长桩，尤其是当长径比l d 1 0 0 时，桩端土的性质对荷载传递不再产生影响，也就是说，桩端阻力基本不发挥作用，可 第二章人工挖孔灌注桩受力特性及单桩容许承载能力分析 以看出长径比很大的桩都属于摩擦桩或纯摩擦桩，采用传统的扩底型式无法提高其承载 能力的。 ( 2 ) 桩土模量比e o ，e s 桩土模量比e p e 。对桩荷载传递有很大影响，霍志芳【3 】、刘树亚【3 2 1 对比三种不同 桩岩弹性模量比的工况显示，e p e 。越大，桩端阻力所占总荷载的比例越大，反之，桩端 阻力分担的荷载比例越小，桩侧摩阻力承担荷载的比例增大，尤其是对于e p e 。1 0 的 中长桩，其桩端阻力基本上可以忽略不计。 ( 3 ) 桩端土与桩侧土的模量比啪f 文献 3 调查显示，桩端土与桩侧土的模量比e b e f 对桩荷载传递影响显著，当e b 毕0 时，桩顶荷载基本上全部由桩侧摩阻力来分担，桩端阻力几乎不起作用，此时桩属纯摩 擦桩；当e 艇沪1 时，属均匀土中的摩擦桩，其荷载传递曲线和桩侧摩阻力分布与纯摩 擦桩相近，桩端阻力对荷载分担基本无贡献，荷载基本上由桩侧摩阻力承担；当e b 】三f = 啪 且桩体为中长桩时，桩身荷载上端摩阻力随深度减小，而下端近乎不沿深度发生变化。 也就是说，桩侧摩阻力在桩身上部可得到发挥，而下端由于桩土相对位移很小而难以产 生较大的桩侧摩阻力，桩端由于土( 或岩) 的刚度大，可分担半数以上荷载，此时属端 承桩。由此可见，当桩底土刚度越大，即模量比值e b e f 越大，则由桩端承担的荷载也 就越多。 ( 4 ) 嵌岩深度 嵌岩深度也是影响桩基荷载传递的一项重要因素，尤其是对于端承桩，其影响也是 不容忽视。陈斌【3 3 】等人在有限元分析的基础上采用d u n c a n 非线性弹性e - b 模型对不同 嵌岩深度的嵌岩桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律进行了数值分析，通过研究，他们 得出了以下结论：桩端阻力对荷载的分担比例随着嵌岩深度的增加而逐渐减少；嵌岩段 桩侧阻力的非线性分布现象突出，呈现为双峰曲线，这在嵌岩