（道路与铁道工程专业论文）超长钻孔灌注桩承载性状试验研究.pdf

摘要 随着我国经济高速发展，大桥及特大桥梁不断修建，超长钻孔灌注桩并不少 见。而对于超长钻孔灌注桩的研究还比较缺乏，对其荷载传递机理还不是很清楚， 由于不清楚超长桩的受力变形机理，有些工程盲目的增加桩长，造成资金的大量 浪费。因此，急待研究超长桩的荷载传递问题。 本文首先论述了超长桩的研究现状并给予了综合评述。然后通过室内模型试 验的设计、实施，系统分析了超长单桩在竖向荷载作用下的承载机理和变形特性， 研究了超长桩的荷载一沉降特性，桩侧摩阻力、桩端阻力的发挥性状，桩侧摩阻 力和桩土相对位移的关系以及桩身的压缩量，得出了一些有指导意义的结论。 从理论上分析了超长单桩的荷载传递机理，荷载传递性状的影响因素。得出 超长桩存在有效桩长的结论。利用变形协调方法计算出本次模型试验的模型桩极 限承载力q 。= 8 8 7 k n ，与实测的极限承载力9 1 k n 比较接近，说明此方法由于 考虑了桩土体系的变形协调而比规范方更合理。 理论分析和模型试验结果均表明超长桩存在有效桩长，本文考虑超长桩承受 荷载达到其极限承载力时，桩身上部摩阻力已经全部发挥，处于塑性阶段，而下 段桩周土处于弹性阶段，利用剪切比刚度特征提出了处于均匀土层中计算基桩有 效桩长的理论公式，并用此公式计算模型桩的有效桩长为3 0 4 m ，与模型试验结 果3 m 左右较吻合。 关键词：超长桩；荷载传递；承载机理；有限单元法；有效桩长；解析解 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , l o n g s p a nb r i d g e sa r ec o n s t r u c t e d c o n s t a n t l yi no u rc o u n t r y , t h es u p e r - l o n gp i l e sa p p e a rv e r yc o m m o n l y b u tt h es t u d y o nt h es u p e rl o n gp i l e si sv e r ys c a r e ，a n dw eh a v en o tl e a r n e da b o u tt h el o a dt r a n s f e r m e c h a n i s mo fs u p e r - l o n gp i l e ，b e c a u s eo ft h i st h el e n g t ho f p i l eb e c o m e sl o n ga n d l o n g ，w eh a v et ou s em u c h m o r em o n e yo n p i l e s s ow e n e e ds t u d yt h el o a dt r a n s f e r m e c h a n i s m o f s u p e m o n gp i l e s i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rd i s c u s s e st h er e s e a r c ha c t u a l i t yo f s u p e r - l o n gp i l e sf i r s t l y a n dg i v e sac o m p o s i t i v ec o m m e n t a r y t h e nt h r o u g ht h ed e s i g na n di m p l e m e n to f m o d e lt e s t ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h em e c h a n i s mo fb e a r i n ga n dd e f o r m a t i o no f s u p e r - l o n gp i l e su n d e rt h ee r e c tl o a da n ds t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fq sc u r v e ， b o a o mr e s i s t a n c e ，p i l ep a r i e t a lr e s i s t a n c e ，t h ec o n n e c t i o no f p i l ep a r i e t a lr e s i s t a n c e a n da b s o l u t ed i s p l a c e m e n tb e t w e e n p i l ea n d s o i la n dc o n d e n s a t i o n o f p i l e ，d r a w ss o m e p r a c t i c a lg u i d a n c e c o n c l u s i o n s 耽ea u t h o rt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo f s u p e r - l o n gp i l e a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ra n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h es u p e r - l o n g p i l e sh a v ea e f f e c t i v e l e n g t hi sd r e w i n t h eu s eo f h a r m o n i o u sd e f o r m a t i o n d e s i g nm e t h o d ，t h ea u t h o rf i g u r e o u tt h eu l t i m a t el o a do f m o d e l p i l e s t h i sr e s u l ti sc l o s et ot h er e s u l to f m e a s u r e t h i s p h e n o m e n as h o w st h a tt h i sd e s i g nm e t h o di s m o r er a t i o n a lt h a nt h e w a yi nt h e c r i t e r i o n b o t ht h er e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h er e s u l to fm o d e lt e s ts h o wt h a tt h e s u p e r - l o n gp i l e sh a v eae f f e c t i v el e n g t h i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rt h i n k st h a to ni t s u l t i m a t e1 0 a d ，t h eu p s i d es o i l i si ni t sp l a s t i cc o n d i t i o n ，a n dt h eu n d e r s i d ei so ni t s e l a s t i cc o n d i t i o n u n d e rt h i sh y p o t h e s i st h ea u t h o re d u c e st h et h e o r e t i cf o r m u l aa n d w o r k so u tt h ee f f e c t i v el e n g t ho fm o d e lp i l e s u s i n gt h i s f o r m u l a t h er e s u l t so f a c c o u n t ( 3 0 2 m ) a n dm o d e lt e s t ( 3 m ) a r es y n o d i c a l k e yw o r d ：s u p e r - l o n gp i l e s ；l o a dt r a n s f e r ；b e a t i n gm e c h a n i s m ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；e f f e c t i v e l e n g t ho f p i l e sa n a l y t i ca n s w e r 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 馁g 日期：，呵年月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景与问题的提出 桩是一种古老的基础形式，也是迄今应用最广泛的建筑基础。所谓桩是指置 于土中的竖直或倾斜的基础构件或支护结构，它的截面尺寸比长度小的多。而桩 基一般是指当利用设置在地基中的桩来加固地基时桩和桩间土联合构成的一种 复合地基，而且主要是纵向增强体复合地基。桩是一种深基础，但不等同于桩基。 桩基础能较好的适应各种地质条件及各种荷载情况，通常具有承载力大、稳定性 好、沉降值小的特点。因此，桩基础在我国古代就得到了应用。 钻孔灌注桩属于桩的一种，它是指用钻孔机具在土中钻进，边破碎土体边 出土渣而成孔，然后在孔内放入钢筋骨架，灌注混凝土而形成的桩。我国的钻孔 灌注桩是1 9 6 3 年在河南省诞生的，当年冬天在河南安阳冯宿桥的两座桥台中首 先采用了钻孔灌注桩基础，之后得到了很快的推广。1 9 6 5 年交通部在河南举行 鉴定会之后，随即以交通部公路科学研究所为首，河南、吉林、湖南、陕西、四 川等省参加，并动员全国公路桥梁系统大协作，对钻孔桩的施工工艺、设计方法 进行全面系统的研究。专题组收集了全国1 0 5 根桩径最大达1 4 0 c m ，桩长最大长 4 7 m 的试桩资料进行分析整理，除了施工工艺外，最重要的是提出了钻孔灌注桩 的设计方法：单桩垂直承载力公式和水平承载力公式。所得成果纳入了1 9 7 5 年 交通部颁布的公路桥涵设计技术规范。 根据交通部公路司的统计，截止2 0 0 0 年我国已建特大桥9 3 4 座，总长8 8 4 公里；大桥11 7 8 5 座，总长1 9 4 1 公里；一般桥梁2 3 0 7 7 8 座，总长8 0 0 5 公里。 从这些数据可以看出，桥梁工程在我国交通建设中已经占有重要地位。在高等级 公路建设中，尤其是西部地区高等级公路建设，桥梁的比重将会大幅度增加。随 着我国特大桥梁的不断修建，机械设备性能日趋完善，其基础越来越多的采用施 工方便、承载力大的超长钻孔灌注桩。据有关资料统计，自从2 0 世纪9 0 年代以 来，灌注桩年使用量在1 0 0 万根以上，在现代大型土木工程建设中用于桩基工程 的费用往往达到工程总造价的1 4 至1 3 ，其中入土深度大于6 0 米的超长桩已占 相当大的比例。近1 0 年来，随着我国经济高速发展，大桥及特大桥梁不断修建， 超长钻孔灌注桩并不少见。虽然超长桩被大量使用，而对于超长钻孔灌注桩的研 究，无论是理论研究还是现场试验研究工作都还比较缺乏，而且理论研究落后于 实践。我们对其荷载传递机理还不是很清楚，其设计还是按照普通中短桩的设计 理论进行，并没有符合超长桩实际受力机理的设计理论。关于钻孔灌注桩桩基承 载性能，我国现行桥梁地基基础设计规范( 8 5 规范) 是采用6 0 年代至7 0 年代 所做的桩长为3 0 米左右的1 0 4 根桩的试验结果所得到的技术参数作为设计依据。 第一章绪论 这一状况已远远不能满足现代桥梁建设发展的需要，因此，确定桩基的承载能力 已势在必行。目前，由于搞不清楚超长桩的受力变形机理有些工程盲目的增加桩 长，造成了资金的大量浪费。因此，研究超长桩的荷载传递机理不仅是桩基理论 自身发展的需要，更是工程界的迫切要求。 1 2 超长桩研究现状 1 2 1 超长桩的定义 何谓超长桩? 我们要研究它就要首先搞清楚它的概念和定义。关于超长桩的 概念和定义至今尚未有明确的规定，现实的规范也没有具体的规定。不同的学者 也有着不同的提法。同济大学的赵锡宏于1 9 8 9 年提出超长桩是指桩长大于5 0 m 的各种类型的桩，随后的阳吉宝( 1 9 9 8 ) 、胡建华( 1 9 9 9 ) 池跃君( 2 0 0 0 ) 还有 不少其他学者也这样认为：而刘金励( 1 9 9 1 ) 认为桩长大于4 0 m 就是超长桩： 俞炯奇( 2 0 0 0 ) 把1 0 端阻分担比作为长短桩的分界点；以及其他的文献认为 u d 7 0 ，或者l 5 0 m 且l ，d 5 0 ，又或者l 5 0 m 且l d 1 0 0 。 以上关于超长桩的提法可以大概分为两类：l 、根据桩长确定，主要是考虑 施工因素。2 、以桩长和长径比综合确定，主要是考虑到施工和桩的荷载传递特 性。现有的研究表明l d 对荷载传递的影响较大。在均匀土中的钢筋混凝土桩， 其荷载传递性状主要受l d 的影响。当u d 1 0 0 时桩端土的性质对荷载传递不 再有任何影响。人工挖孔嵌岩灌注桩当长径比较小( l d 8 1 0 ) 且桩底支撑与 完整基岩时，竖向荷载下的位移很小，覆盖土层的侧阻力不能发挥，其侧阻潜在 值相对较小。当l d 4 0 ，嵌岩桩端的承载作用很小。对l d 1 5 - 2 0 的泥浆护壁 钻孔嵌岩桩，其荷载传递具有一般摩擦桩的特性，即桩侧阻力先于桩端阻力发挥 出来，桩端分担的荷载较小。综上所述，在定义超长桩的概念时应当同时考虑桩 长和l d ，因其对桩的荷载传递特性影响很大，至于究竟是l d 5 0 ，还是l d 1 0 0 属于超长桩，本文认为因其差别较大，应当做进一步的研究再做决定。 1 2 2 超长桩的荷载传递研究状况 桩基的荷载传递是桩基工作性能的核心内容，从广义的意义来讲，指的是桩 基在外荷载作用下桩- 土体系的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、发挥过程和分布规律。 工程中常采用超长钻孔灌注桩作基础由于桩的受力机理受到成桩的工艺， 土的特性，桩的材料性能、几何特征及荷载等众多因素影响，即使桩基工程中应 用最广的竖向荷载作用下的单桩，由其向周围土体传递应力的机理，至今尚未完 全弄清而影响超长桩的因素就更为复杂，对超长桩的荷载传递机理的研究运落 第一章绪论 后于超长桩的工程实际应用，因而需对超长桩的受力机理进行理论研究。 从桩的超长对桩的工作性能影响的角度来看，超长桩的荷载传递机理有其 独有的特点。概述如下： 1 、超长桩端在承受正常工作荷载时提供的承载力占整个桩承载力的比例很 小，属于纯摩擦桩或端承摩擦桩。在l ) l 。( l 。为有效桩长) 时，桩端土与桩周 土的刚度比对承载力的影响甚微，也就是说，有效桩长以下部分桩身对承载的贡 献可以忽略不记；而且桩长超过有效桩长时，桩的刚度几乎不发生变化，此时， 桩顶沉降不再随桩长的增加而减小。 2 、单桩的荷载传递和变形规律主要受以下因素控制：桩端土与桩周土刚 度比；桩土刚度比；桩的长径比。后两个因素对超长桩的工作性能影响较大。 在均匀软土地基中，当桩的截面和桩身材料一定时，随桩长的变化，桩侧摩阻力 也随之发生变化，当桩长增加时，产生桩侧摩阻力所需的桩身截面位移增值由大 变小，当桩长达到有效桩长时，此增值几乎为零。 3 、在均匀土层内的钢筋混凝土桩，其荷载传递性状主要受l d 的影响，但 桩的长径比与桩土刚度比又能对桩的工作性能起综合的影响，例如当e d e s 1 0 时，即使是中长桩( l d 。2 5 ) ，其桩端阻力已接近于零。 4 、在正常工作荷载下，超长桩处于弹性状态。由于超长桩一般为纯摩擦桩， 因此单桩承载力的极限状态一般是由桩侧摩阻力的破坏或桩身材料强度的破坏。 1 2 3 理论研究方法 目前研究桩基的主要理论方法有：荷载传递法；弹性理论法；剪切位移法； 有限单元法；边界单元法。随着现代科学技术的不断发展，桩基工程中新的研究 手段和方法也不断出现，除了传统的、常规的研究手段外，灰色系统理论、神经 网络理论、最优化理论等也被广泛的应用于桩基工程的研究中。 1 、荷载传递法 荷载传递法也称为传递函数法。首先是由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 提出的，用 于分析桩的荷载传递规律和沉降计算。该方法的基本思想是把桩离散成很多弹性 单元，这些桩单元和土体之间用非线性弹簧连接，以模拟桩一土间的荷载传递关 系。这些非线性弹簧的应力应变关系我们称之为传递函数，它的基本微分方程为： 参= 老ae 北) 出2 p1 5 7 式中u 为桩截面周长，彳。、占。为桩的截面积和弹性模量。传递函数的获取 主要有两个途径：一是通过现场量测知道，但是耗费大量的人力物力很难推广； 另一类是根据一定的经验机理分析来探求具有广泛适用性的理论传递函数，此法 第一章绪论 是目前主要采用的方法。 传递函数法的优点是概念性强，能很好的反映桩土间的非线性性状和成层 问题并且计算简便，由于这些优点所以在实际工程中得到了广泛的应用。用荷载 传递法进行分析的关键在于能否建立一种真实反映桩土界面的应力位移关系的 传递函数。关于传递函数的具体形式，国内外的学者提出了各种不同的假设。常 用的具有代表性的传递函数模型有：佐腾悟的线弹性全塑l 生模型、陈龙珠的双折 线硬化模型、房卫民的三折线模型、k e z d i 的指数曲线模型，还有g a r d n e r 的双 曲线模型和k r a f t 提出的理想荷载传递曲线。 荷载传递法在理论上有两个缺陷：一是利用桩身某点的荷载传递曲线时只 考虑了点剪应力的影响，未考虑桩身各单元间的影响：二是未考虑土体的连续性。 未考虑土体的连续性。因而。荷载传递法不适用于群桩的荷载沉降特性。 阳吉宝运用位移协调的荷载传递法对超长桩的荷载传递机理进行了研究【引。 为了简便真实的反映传递函数未考虑土体连续性引起的误差，作者通过分析大量 超长桩、中短桩和短桩实测荷载传递曲线基础上提出用下式表示因土体连续性所 产生的位移s 。 曾友金【9 1 也运用同样的方法对指数函数形式的传递函数进行修正来分析超长桩 进行分析，取得了较好的效果【9 j 。对于长桩荷载传递机理研究来说是个重大的突 破。 2 、弹性理论法 弹性理论法现已被理论界广泛采用，它的基本假定是：桩被插入一个理想的、 各向同性的弹性半空间体内；土的弹性模量和泊松比不因桩的存在而发生变化； 桩的周边粗糙而桩底平滑。弹性理论法的优点是考虑了实际土体的连续性，能进 行比较精细的分析，可以用于群桩的分析。由于实际地基土层往往是非均匀性和 各向异性，而弹性理论法以m i n d l i n 位移解为基础，这就需要以均质的各向同性 的半无限弹性体为前提，因此，该方法的适用性受到限制。后来经过不少学者的 努力，将它推广到层状弹性体有限层地基、端承桩、非均质土、土的非线性以及 桩土间的滑移等问题。 近几年，采用弹性理论法计算单桩沉降的可靠性已得到广大工程技术界的 重视，目前波兰和前苏联己将用该法分析单桩沉降列入桩基础规范中。在国内亦 有一些学者从事于弹性理论法的改进和发展。刘金励等【2 3 】通过粘土和软土中的 原型和模型桩的单、双、群桩在竖向荷载下的变形试验研究，对弹性理论法中的 相互影响系数和沉降比的理论值提出了修正方案。汤永净等f 2 4 】以弹性理论法为 第一章绪论 基础，对地下连续墙和中间支承桩的沉降进行计算，其解答能比较接近地反映结 构物实际的位移状况。宋和平等1 2 引假定桩土之间有一层无限薄的非线性接触面， 以传递桩土之间的剪力，并认为接触面的剪力和剪切位移之间的关系是非线性 的。 弹性理论法的缺陷在于把地基土看作是理想的弹性体和它计算的复杂性， 并且只通过b 和儿两个土性参数来描述土的特征。其中胁的大小对分析结果影 响不大，昂则是影响分析的关键指标，然而其很难从室内土工试验中精确测定， 在工程上大都需要根据单桩静载试验结果来进行求解，实际上，大多数土的非线 性和弹塑性等特性与应力状态、应力路径、时间效应等因素相关。另外，弹性理 论法也没有考虑桩设置后的加筋效应对土性参数的影响以及如何正确选择土性 参数。对于这些问题都没有很好的解决。 3 、剪切位移法 该方法最初是由c o o k e 于1 9 7 4 年在试验和理论分析基础上提出来的，用于 分析均质、弹性地基中纯摩擦刚性桩问题。该方法假定，桩受荷时桩身周围土体 以承受剪切变形为主，剪应力从桩佣表面通过环型单元沿径向向四周传递并且假 定桩侧上下土层之间没有相互作用，离开桩侧距离相等处的剪应力是相等的，且 剪应力的大小与其距离成反比。因此，桩侧周围土体的变形可视为同心的圆柱体。 这些假定被c o o k e 等用单桩和群桩试验成果证实。 剪切变形传递法计算简单，但忽略的影响因素较多，例如地基的三向应力 状态、地基的成层性、土参数随深度的变化以及桩端沉降等。因此在桩基础设计 中该法的应用相对较少。文献即j 将剪切位移法推广到分析在承台基底压力作用 下桩周土的非线性变形原理，建立起分析桩土承台非线性共同作用的数值方 法。 4 、有限元法 有限元法现已广泛的应用于包括桩基在内的工程计算分析中，该方法克服了 以上方法在理论上的局限性。从理论上讲，有限元法能同时考虑影响桩基工作性 能的所有主要因素，如土的非线性性质、固结时间效应、动力效应以及桩的特殊 边界约束条件等，它远比传统的数值分析方法、荷载传递分析法、弹性理论法和 剪切变形传递法等优越得多。有文献指出：“应用有限元法有很多优点。与有限 差分方法和p y 曲线的概念相比，有限元法可以考虑实际的三维效应，并可计算 桩中和沿桩周的应力和变形。它也有可能研究导致破坏区和楔形体的分界的应力 和变形的逐渐发展过程。而且还可包含本构性状的一般化的描述，也可考虑应力 历史、应变软化、应力释放和互相作用效应等因素。但是，该方法的工程实用性 差，因为在桩基分析中涉及到的因素很多，比较复杂，在计算过程中需要考虑很 第一章绪论 多土工参数，而这些计算参数又难以求解。这些因素在计算机编程过程中的实现 有一定的困难，并且需要庞大的计算机容量。因此，在桩基尤其是群桩分析中很 少应用。但是，用有限元法分析桩基础的主要作用机理，以此来指导实际工程以 及探索和校核工程中的简化计算方法，有着重要的意义。 5 、灰色系统理论、神经网络理论和最优化理论 灰色预测理论是二十世纪八十年代初随着灰色系统理论发展而发展起来的 一种新型预测理论，它利用连续的灰色微分方程模型，对系统的发展变化进行全 面的观察分析，并做出长期预测。在处理方法上，灰色系统理论首先将杂乱无章 的原始数据通过累加或累减整理成规律性较强的生成数，然后再进行进一步研 究，从而使寻找数据内在规律的过程变得非常简单明了。我们知道，桩土体系 是一个由桩和桩周围的岩土介质组成的复杂系统，用系统理论的观点来看，桩一 土体系是个灰色系统，因此，完全可以把桩基工程的有关问题作为灰色系统来看 待，用灰色系统理论加以预测。目前灰色系统理论在桩基工程中的应用主要包括 对单桩承载力、沉降的预测以及用灰色关联分析研究单桩的承载性能，所采用的 模型大多为g m ( 1 ，1 ) 模型。用灰色系统理论进行单桩极限承载力的估算，只 需对单桩静载荷试验中各级荷载下桩的沉降观测值进行累加或累减使之呈现一 定的规律性，再用特定的函数去逼近拟合建立灰色微分模型和响应函数，跟踪桩 顶沉降随荷载增加的发展趋势，就可以推测预定沉降对应的荷载值或预定荷载的 沉降值。用灰色系统理论预测单桩承载力和沉降还有不受样本数量限制的优点。 时间证明用灰色预测方法预测的单桩极限承载力值同实测值十分接近。 人工神经网络( a n n ) 是由大量而简单的处理单元以某种拓扑结构广泛的 互相连接而形成的复杂网络系统。神经网络具有自适应性强、非线性、容错性强 等特点，特别适用于处理各种非线性问题。在桩基工程中，神经网络方法更多的 被用于预测单桩的承载力、沉降和分析单桩的承载性能等方面。 所谓最优化，就是研究在一定限制条件下，如何寻找并选取某种方案以达到 最优目的的一门科学。对桩基进行优化设计，在保证安全的前提下，减小桩数或 减小桩径，最大限度的发挥地基土和桩的承载潜力，降低桩基造价，以达到技术 效益和经济效益的高度统一应该是桩基础发展的方向。不少专家学者已经在这方 面展开了积极的探索并取得了阶段性成果。 1 2 4 试验研究方法 桩基础的试验分为模型试验、现场静载试验和原型观测。模型试验是根据 桩基的实际工作状态，进行合理全面地构思，建立与原型具有相似规律的模型， 借助科学仪器和设备，人为地控制试验条件，研究桩基在某一或某些情况时的受 力变形特性的试验。它不仅为桩基础的理论研究提供试验数据和试验论证，而且 第一章绪论 为工程设计提供依据进而指导工程实践。它所研究的问题大致可以分为桩基变 形、稳定性问题和设计参数等问题。静载试验是以实测桩的荷载沉降关系为实质， 测定桩的承载能力和观测桩的破坏形式为试验目的的具体表现形式。静载试验可 以为设计提供合理的单桩承载力：揭示或探讨单桩垂宜承载力的某些理论问题如 桩的荷载传递机理：为桩基新工法、新工艺和新桩型的使用提供有充分说服力的 数据；为动力试桩法等提供对比的依据等。按加载方向可分为坚向抗压、坚向抗 拔和水平静载试验。其中，室内模型试验简单易行，曾经做过的室内模型试验很 多。国内外有关单桩、桩基的典型模型试验资料如下： 1 9 5 5 年，苏联的a a j i y r a 用直径0 3 、0 + 6 5 、1 0 、1 6 c m 的钢桩，打入深 度为5 0 c m 的细砂中，做桩基模型试验。结果表明：当桩数增加、间距减小时， 群桩效率将减小。并且认为，在砂性土中桩间距以3 如3 5 d ( d 为桩径) 最合宣。 1 9 6 0 年，t w h i t a k e r 用直径o 3 c m ，长1 2 d - 4 8 d ( d 为桩径) 的黄铜棒做成 的模型桩基在重塑粘土中进行试验。试验结果：在给定桩长和桩数的条件下，变 化桩间距，所有情况下，群桩效率均小于l 。一般随桩数的增加，群桩效率减小。 1 9 6 1 年，在中国的浦口进行了亚粘土中模型群桩的试验。模型群桩有两组， 每组3 x 2 根桩，呈矩形排列，桩为2 0 c m x 2 0 c m 木桩，入土深度3 8 m 。一组桩 间距为3 d ( d 为桩径) ，另一组为4 5 d 。当沉降为5 c m 时，桩距为3 d 的桩基承 载力为2 3 0 k n ，桩距为4 5 d 的桩基承载力为3 4 0 k n 。 1 9 6 1 年，苏联水利科学研究院用3 、5 、9 、1 3 根等4 种型式桩基，在砂中 进行桩基模型试验。模型桩为直径9 c m 的钢管，配有桩尖，沉入土中1 2 m 。结 果表明：仅承受竖向荷载的单桩，其承载力要低于在竖向荷载和弯矩共同作用下 的桩；群桩中各桩的工作能力有别于单桩。 1 9 6 3 年，t h h a m a 用直径0 8 - 1 0 c m ，长3 0 e m 的钢管、玻璃棒和小木棒 在砂箱中进行试验。认为砂性土中群桩的沉降效率都 l ，且随着桩数增加、间距 减小而增大。 1 9 6 4 年，印度的v n sm u r t h y 进行了斜单桩横向荷载试验，模型桩采用铝 合金管制作，外径1 9 c m ，壁厚0 9 c m ，长为7 6 厘米，桩上贴有应变片测点。模 型桩在砂箱中的埋置斜度为0 。、1 5 。、4 5 。，箱中装有压实的干燥标准砂，横 向荷载在砂层表面处垂直于桩轴线沿斜度方向或斜度相反方向。由实测应变读数 换算出弯矩，然后由弯矩换算出位移、转角以及土抗力。 1 9 7 1 年，苏联的b b j i o b c h c t a m 进行了单桩水平荷载试验，采用三根如下尺 寸的木质模型桩：1 2 c m x1 8 e m ，长2 2 0 c m ；2 4 c m x1 8 c m ，长1 8 0 e m ：3 6 c m 1 8 c m ， 长1 8 0 e m 。模型桩埋入平面尺寸为2 m x 2 5 m ，深为2 m 的地槽中。总共进行3 1 次试验。其中2 6 次在砂土中进行，5 次在亚粘土中进行。试验中采用压力传感 第一章绪论 器实测桩侧土抗力。试验结果表明：无论是在砂土还是在亚粘土中，各级荷载的 土抗力均为曲线型分布；当桩的埋入深度一定时，松散砂前部最大土抗力的位置 比中密砂和亚粘土之最大土抗力的位置低。 1 9 7 4 年，日本的唇见雅进行了桩基模型水平荷载试验。桩横截面分别为4 c m x o 8 e m 和2 c m x o 8 e m 两种，桩长均为4 2 5 c m 。桩由树脂制成。承台坐板有3 c m 2 0 e m l o c m 和3 e m 2 5 e m xl o e m 两种，砂箱为高5 0 c m ，平面尺寸为8 0 c m l o o c m 的木箱，用震捣器分5 层填入干砂，每层震捣1 0 m i n 。用砝码通过滑轮 施加水平荷载。通过试验认为，桩基计算应考虑地基土的非线性性质。斜桩的斜 度变大时，水平位移有变小的趋势。在斜度日= 0 5 。之间存在着承台底转角为 零的一个斜度。斜度超过此值承台转角为负值，而转角的绝对值随斜度的增大而 增大。 1 9 7 7 年，山东省黄河河务局在黄河下游的粉土层中做模型小桩试验。模型 单桩1 9 根，群桩2 l 组，桩数有2 、9 、1 8 三种，直径有4 2 、8 9 、1 2 5 和1 7 四 种。试验结论：l 、垂直荷载试验结果：群桩沉降比单桩沉降大很多，所以按单 桩沉降限制群桩是不适宜的。2 、水平荷载试验结果：桩距和群桩效率之间存在 线性关系。 1 9 7 9 年，中国建筑科学研究院在亚粘土层中进行模型单桩和群桩试验。单 桩有两种：3 3 1 6 0 c m ( 入土1 4 4 c m ) 和3 3 x 1 2 0 c m ( 入土1 0 8 c m ) 。桩基 分桩数为4 、9 、1 3 、1 6 、2 1 、2 5 共6 种型式群桩桩基。通过试验做如下分析：l 、 群桩中单桩的承载能力；2 、群桩的承载能力和效率系数；3 、群桩对单桩的沉降 比；4 、群桩的变形特性。 2 0 0 1 年，吴鸣等做了大变形条件下桩一土共同作用的研究，其试验选取截面 尺寸为1 6m n l ( 外径) 2c m ( 内径) 的合金铝管做模型桩，桩长分别为8 0 0c m 、 9 0 0c m 、1 0 0 0c m 、11 0 0c m ，相应的长径比为5 0 、5 6 2 5 、6 2 5 、6 8 7 5 。采用木 质模型箱。 2 0 0 2 年，谢涛等做了超大群桩竖向承载群桩效应的模型试验，分析了群桩 的承载性状和群桩效应。模型桩采用外径2 5m i l l 壁厚2m n l ，长1 3 3 0m n l 的铝 管，模型槽采用西南交通大学岩土实验中心的3n i x3m 3m 的模槽。 由上述所列的模型试验可看出，这些模型试验的规模比较小，基本上是针 对普通长度的桩所做的模型试验，目前还没有具体针对超长桩的模型试验。因而 很有必要做一些针对超长桩的模型试验。 1 2 5 国内学者有关超长桩的研究 近几年国内不少学者利用不同方法对超长桩进行了分析，现简述如下： 赵锡宏等首先根据试验资料，提出了预估沉降和承载力的经验公式。石明生 第一章绪论 等根据实测证明了超长桩在工作荷载条件下的性能为纯摩擦桩。他们的研究主要 是为了解决两个问题：( l ) 端阻所占的比例；( 2 ) 沉降如何计算。 韦华1 3 1 通过对下关电厂4 # 试桩和宝山钢厂v l 试桩试验数据的分析，认为超 长桩的受力特性属于摩擦桩。并结合超长桩的受力特性对影响超长桩摩阻力发挥 的各种因素做了定性分析，提出了桩端持力层的力学性质对摩阻力的发挥有较大 的影响的观点。 池跃君l7 1 等( 2 0 0 0 ) 为了分析超长单桩的荷载传递性状，采用轴对称有限元 法编制了单桩非线性有限元分析程序对超长桩的荷载一沉降特性进行了详细的计 算分析。为了解决工程实践中超长桩极限承载力一般难以确定，且在利用有限元 对其分析的过程中土体参数难以选择的问题，编制了桩基础反分析程序对实际工 程进行了数值拟合求出计算参数，同时又进行了正分析。反分析采用直接分析法 并用复合形法求解目标函数方程。正分析程序中土体模型采用非线性弹性 d u n c a n - c h a n g 模型，桩土界面采用g o o d m a n 接触面单元。计算所得的桩顶位移、 桩身阻力、侧摩阻力与实测结果能较好的吻合，表明该方法是切实可行的。 曾友金等f 9 1 提出了用指数函数作为荷载传递函数对超长单桩的荷载传递进 行了分析。考虑了桩侧摩阻力引起的桩端土沉降作用，对指数函数进行了修正。 用优化方法对单桩静载试验结果进行反演分析，优化出桩周各土层和桩端土荷载 传递函数的岩土参数，并用3 根静载试验超长单桩的试验结果与计算结果进行比 较，结果相差不多，说明修正后的荷载传递函数可用于超长单桩的荷载传递。 费鸿庆等( 1o l 通过对黄土地基中超长钻孔灌注桩竖向承载力静载试验，桩身 轴力传递和桩侧阻力发挥的测试，探讨了高结构黄土地基中超长钻孔灌注桩的承 载力性状，受施工质量影响的桩身轴力传递规律和侧阻力发挥性状。 张苗忠f 1 2 j 根据现场静载实验结果，详细研究分析了软土地基中的超长嵌岩 桩的受力特性。张苗忠等【”j 还根据一个在桩身埋设受力元件的现场实测资料， 分析了软土地基持力层为粘土层、卵石层的超长桩受力性状和荷载传递机理，为 今后超长桩的理论研究和工程设计应用提供了一定的借鉴作用。 俞亚男等【1 4 1 根据软土地基中超长钻空灌注桩静载试验资料，分析了软土地 区超长钻孔灌注桩的承载特性和荷载传递机理。 朱向荣等【怕】通过温州软土地基中超长钻孔灌注桩静载试验和桩身轴力的测 试，探讨了软土地基中超长钻孔灌注桩的承载力性状和荷载传递机理。 辛公锋【1 9 l 应用大銎惰限元程序，采用土的d r u c k e r p r a z e r 模型，建立了超 长桩分析计算的桩土模型，系统分析了超长桩在竖向荷载下承载机理和变形特 性。 方鹏飞【1 8 岍对超长桩的受力特性，利用荷载传递法对超长桩进行了非线性 第一章绪论 分析，利用轴对称有限元法对均质、成层土中超长桩的承载性状展开研究。针对 超长桩的荷载传递特性，指出了超长桩设计应该注意的一些问题；同时提出了变 形协调设计法，考虑了受力和变形的相互协调，在理论上更加合理。 冯世进等1 2 2 1 研究黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载性能、桩身轴力传递规 律、桩侧阻力和端阻力的发挥性状，对西安地区6 根超长钻孔灌注桩进行单桩静 载荷试验，采用滑动测微计测试每米范围内桩身轴力的变化。可以发现，黄土地 基中超长钻孑l 灌注桩的q s 曲线呈缓变型，在最大荷载时都末达到破坏状态； 桩身轴力传递规律和桩侧阻力的发挥与成孔工艺、桩长、桩周土层性质密切相关。 由于黄土地基中的粉质粘土和粉土具有强结构性，测试得到的极限侧阻力远比规 范值要大，使得黄土地基中超长钻孔灌注桩具有较大的承载能力，但桩端阻力和 桩侧阻力并非同时发挥，建议在设计时考虑端阻力的发挥度，桩侧摩阻力和桩端 阻力采用不同的分项系数。 总结以上各学者的研究成果我们可以得出以下几点结论： 1 、普遍认为超长桩的荷载一沉降( q s ) 曲线呈缓降型，但在软粘土中或 者在高应力水平下的超长桩也会出现桩端土的刺入破坏，即其q s 曲线呈陡降 型。 2 、超长桩的荷载传递性状为侧阻先于端阻发挥，二者是异步的，而且在工 作荷载下主要依靠侧阻的发挥来提供承载力。各层土桩侧摩阻力的发挥性状是不 致的。先上层，后下层，而且极限摩阻力小的土层及埋深浅的土层其摩阻力越 易发挥到极限。同时在最下层土阻力发挥时，桩身上部土层可能已达到极限摩阻 力而发生桩土相对滑移，再增加荷载会使其阻力由于滑移而下降。 3 、超长桩的桩顶沉降主要由桩身压缩引起，适当增加桩身刚度有利于桩顶 荷载向桩身下部传递，提高超长桩的承载效率。 4 、普遍认为：加大桩长能明显减小桩的沉降。但也有文献认为单纯增加桩 长并不能明显减小桩基础的沉降，尤其在工作荷载下，其效果并不明显。而随着 桩径的增大，桩在同一级荷载下的沉降减小比较明显，比单纯增加桩长要明显的 多。因此选择合适的桩径对减小桩基础的沉降是有意义的。对超长桩，因为在工 作荷载下其性质主要表现为摩擦桩性状，因此适当增加桩径，有利于减少沉降并 提高单桩承载力，但桩径的加大会明显增加混凝土用量。因此需要选择一个合适 的长径比三d ，以达到承载性能和经济的优化组合。 5 、传统的单桩承载力计算方法并不适用于超长桩，因为传统的计算方法认 为桩侧阻力与桩端阻力同时达到极限，而实际上二者是异步发挥。因此，对于超 长桩来说侧阻与端阻应采取不同的分项系数，这样才比较符合实际情况。 6 、超长桩承受的荷载比较大，因此，桩项沉降也比较大，在判断桩达到极 第章绪论 限状态时变形是主要的控制因素。 7 、超长桩存在有效桩长，在进行超长桩的设计时，不应超过这个有效桩长， 否则只会增加工程造价，造成资金的大量浪费。 8 、目前，对超长桩的研究主要是采用根据具体工程的静载试验数据来进行 分析，系统的理论方面的研究还比较少。在理论研究方面主要是采用荷载传递方 法和有限元法。 1 3 本文的研究目的及内容 1 3 1 研究目的 l 、研究超长桩在荷载作用下的荷载传递机理； 2 、测定超长荷载一沉降特性； 3 、测定超长钻孔灌注桩竖向承载力的各部分组成及其比例； 4 、确定超长钻孔灌注桩的有效桩长。 1 3 2 研究的主要内容 l 、目前国内外的学者对超长桩的研究主要是通过理论方法和现场静载试验 方法，而在模型试验研究方面还是片空白。针对超长桩的模型试验研究方面还 是一片空白，本文通过检索大量的文献，在参阅前人所做桩模型试验的经验的基 础上，制定出科学、切实可行的室内模型试验方案。依据模型试验方案进行了模 型箱的浇注、模型桩的制作、应变片的粘贴以及数据线的连接等工作，最后加载 完成了数据的采集。通过分析、加工所采集的试验数据来分析超长桩的承载性状。 2 、理论上分析了超长桩的荷载传递性状，假设桩侧摩阻力为理想的弹塑性 模型，推导了超长桩荷载传递的弹塑性的解析解，介绍了变形协调的承载力计算 方法。并用此方法对模型桩进行计算。 3 、考虑超长桩实际工作状态下桩身上部摩阻力已经全部发挥，处于塑性阶 段，而桩身下段桩周土处于弹性阶段，桩端土也处于弹性阶段，利用荷载一沉降 理论曲线推导了超长桩有效桩长的计算方法，并用不同的方法对模型桩的有效桩 长进行计算，且用模型试验结果进行了验证。 第二章桩的模型实验设计与实施 第二章超长桩的模型试验设计与实施 2 1 概述 在桩基工程中，由于进行群桩或单桩的原型实验需要花费大量的人力、物力 和时间，或者因场地条件或其他因素的限制无法进行原型试验，在这种条件下， 模型试验成为研究、探索和解决问题的一种有效方法。 桩的模型试验是根据桩基的实际工作状态，进行全面合理的构造，建立与原 型具有相似性规律的模型，借助科学仪器和设备，人为地控制试验条件，研究桩 基在某一或某些情况时的受力变形特性的试验。它在桩基工程技术的研究应用、 设计以及施工阶段都占有重要的地位，它不仅为桩基础的理论研究提供试验数据 和试验论证，而且为工程设计提供依据进而指导工程实践。模型试验与原型试验 相比具有其特点。比如在研究桩基础的一般性规律的试验研究，需要进行不同条 件下的多项试验，模型试验可在有限的人力、物力和时间内，有目的地控制试验 条件进行多项试验，以满足要求。但是，相对而言模型试验的尺寸一般较小，无 法准确地反映桩周土层特别是深层土层在实际应力条件下的受力特性以及桩土 相互作用。随着现代高科技的发展，产生了各种高精度测试仪器和模拟技术特别 是离心模拟技术，使得模型试验成为桩基础的应用研究不可缺少的工具。 桩的模型试验主要有室内模型试验、现场小尺寸模型试验和离心模型试验。 在进行模型试验前，应精心、系统地构思试验的原理，明确模型试验的目的和主 要内容。 2 2 模型试验相似率口” 模型试验的基本原则是使模型与原型具有全面相似性，即模型试验的相似 率。它是将模型试验的各个物理量按一定的关系组合在一起，以全面代表实际原 型。主要有几何相似和力学相似。 一、几何相似 几何相似指模型和原型在形状、大小即尺度上的相似关系，以尺度模型比m ， 表示。这关系到模型大小和试验的规模，所以尺度模型比是模型试验中最主要的 一项模型比。 二、力学相似 力学相似主要有弹性相似、强度相似和应力相似。 l 、弹性相似 若模型材料和原型材料的弹性模量的模型比： 旷鲁 下标m 和p 分别表示模型和原型。 第二章桩的模型实验设计与实施 当模型试验材料与原型材料相同时，m ，= 1 。在小变形和小位移情况下，应 力d 、应变s 的模型比分别为： m 。：盟：孕：m e ：1 m 。= 盟= 1 s n 外加荷载p 的模型比： 小p = 罟m e 脚2 位移矽的模型比： 一甓砘 惯性矩，的模型比： m ，= 二堕= 脚j 。 ! p 2 、强度相似 模型试验假定试验个单元体的尺寸缩小或增大，在应力集度保持不变的前提 下，它们的平衡条件不受影响，并且在破坏之前，应力与应变关系不因单元尺寸 大小的变化受影响，也与应力分量的梯度大小无关，因此在破坏之前，应力模型 比m 。按材料的抗压或抗拉强度极限决定。 埘。2 等2 等，詈2 詈 式中r c p 、r 。广- 原型材料和模型材料抗压极限强度，相应的极限应变分别 f c p 和s ； r 。、r 。厂原型材料和模型材料抗拉强度极限，相应的极限应变分别为 s 和s 。 3 、应力相似 材料的应力应变关系为： 盯，= 厂g p ，x p ，y p ，z p ) 由应