自锚试桩Q-s曲线转换试验研究及转换式的构建_马海龙.pdf

通过室内模型试验，研究了“顶拉桩”“顶压无土桩”“顶压有土桩”和“自锚试桩”的荷载传递及位移变化规律。研究表明：“顶拉桩”呈现突然破坏，“顶压无土桩”呈现延时破坏；“顶压有土桩”的 曲线由线性、非线性两个阶段构成；“自锚试桩”上段桩 曲线具有“顶拉桩”的属性，下段桩具有“顶压有土桩”的属性。对比“顶压无土桩”与“顶压有土桩”的荷载传递规律，发现桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥。对“顶压有土桩”来说，单桩承载力经过两个发挥阶段：第一阶段为桩侧摩阻力发挥阶段，近似对应 曲线上的线性阶段；第二阶段为桩端阻力发挥阶段，近似对应 曲线上的非线性阶段。据此提出“自锚试桩”曲线向“顶压有土桩”曲线的两段转换法。经与模型桩静载荷试验以及原位桩静载荷试验对比，经两段转换法转换后，转换的自锚试桩的 曲线高度吻合“顶压有土桩”的 曲线，为“自锚试桩”的工程应用，提供了可靠的 曲线转换方法。关键词：自锚试桩；荷载位移曲线；荷载传递；桩侧摩阻力；桩端阻力 ：.（，；，）：，：；国家自然科学基金项目（）。第一作者：马海龙，男，年出生，博士，教授。电子信箱：收稿日期：作为重型或高层建构筑物的基础形式，桩基础广泛应用于土木工程中，单桩竖向承载力可通过单桩竖向抗压静载荷试验方法获得。根据反力提供方式，静载荷试验可分为堆载法、锚桩法或者堆载锚桩法。以上试验方法统称为传统静载荷自锚试桩 曲线转换试验研究及转换式的构建 马海龙，等 试验方法（或称为“顶压有土桩”试验方法），目前认为，传统试验方法试桩结果最为可靠。随着超重型建筑结构、大跨度跨海大桥的兴建，要求的单桩承载力往往达到数万千牛，此时采用传统静载荷试桩方法进行试桩会面临诸多问题。朱晓伟的计算表明：堆载量为 时，堆载物平台面积为 ，堆载物高度达.（相当于 层建筑物高度），须要对堆载材料、堆载物平台主梁及次梁大小、支座地基处理、支座搭设、桩头处理等方面制定特殊试验方案，并要考虑防倾覆措施。李翔宇等进行单桩堆载量为 静载荷试验时，堆载物平台占地面积 ，堆载物高度达.（相当于 层建筑物高度），堆载平台搭设及堆载稳定性受到严重挑战。安康等进行最大加载值为 静载荷试验时，采用 根直径为 、长度为.的钻孔灌注桩作锚桩，使用 层钢箱梁、根主梁、根过渡梁和 根次梁等搭设堆载物反力平台，才能满足试桩要求。叶建辉等采用锚桩联合堆载的方法进行试验，根锚桩提供 反力，另需堆载提供 反力。可见，对于大荷载的桩基础，传统的堆载试验法、锚桩试验法等受到挑战，尤其是试验占地面积大、堆载物高度大、堆载物平台稳定性要求高、试验费用大等问题突出。为了应对上述问题，发展了自平衡试桩的试验方法。自平衡试桩荷载箱在桩身力的平衡点处，通常情况下，荷载箱埋置在桩身的中下部。根据荷载作用方向，在荷载箱以上的桩段为底托桩（荷载由桩底向上），在荷载箱以下的桩段为顶压桩。试验时可同时获得上段底托桩和下段顶压桩的荷载位移曲线（曲线），再转换为传统静载荷试验的 曲线。自平衡试桩试验时，要根据桩直径、荷载大小等情况定制荷载箱，试验完成后荷载箱就留在桩体内，荷载箱较难重复使用。另外，由于荷载箱埋设在地面以下的桩身内，荷载箱一旦失效，补救较为困难。因此，提出一种新的试桩方法 “自锚试桩”方法。“自锚试桩”不须要堆载、锚桩提供反力，试验用千斤顶不须要定制、可以重复使用，利用上段桩的抗拉力作为下段桩的顶压力进行试桩。试桩过程中分别获得上段桩的 曲线和下段桩的 曲线，通过一定的科学转换方法，将上段桩和下段桩曲线转换为整桩的 曲线，从而获得整桩的荷载变形行为。“自锚试桩”上段桩为抗拉桩，抗拉桩的荷载位移特性区别于抗压桩。“自锚试桩”也不同于自平衡试桩，自平衡试桩中的上段桩为底托桩，底托桩桩身受压，抗拉桩桩身受拉，两者呈现不同的泊松效应。因此，应该对“自锚试桩”上段桩、下段桩的荷载位移进行研究，才能找到“自锚试桩”曲线转换的正确途径。为此，基于室内模型试验，对比研究抗拉桩和抗压桩的荷载传递特性、位移发展特性等，探讨“自锚试桩”曲线向传统试桩 曲线转换的关键问题，构建了“自锚试桩”曲线向传统试桩 曲线转换方法，并经工程桩试验验证，证明该转换方法的可靠性。“自锚试桩”原理按上段桩抗拉荷载等于下段桩抗压荷载的原理，确定力的平衡点（图 中的桩身平衡点）位置。在力的平衡点处，将整根桩分为上段承拉桩（简称“上段桩”）、下段承压桩（简称“下段桩”）。因此，千斤顶加载量仅是传统静载荷试验加载量的一半左右。千斤顶在地面处加载时，通过传力杆，“上段桩”承受拉力（其作用相当于锚桩提供反力），“下段桩”承受压力，两者互为反力，故称“自锚试桩”。试桩过程中分别获得“上段桩”的抗拉 曲线和“下段桩”的抗压 曲线。“自锚试桩”原理如图 所示。图 “自锚试桩”原理 该试桩方法适合混凝土管桩、钢管桩及现浇时留有通孔的钢筋混凝土钻孔灌注桩。模型试验研究.试验内容简介模型箱长为 、宽为 、深为 ，用钢板焊接而成。模型箱内土体采用粉土制作，试验完成后采用环刀法取土做土工试验，土体的物理力学参数见表。采用有机玻璃管制作模 工业建筑 年第 卷第 期型桩，模型桩外径为 、壁厚为 ，经试验测定，模型桩的弹性模量为.。模型试验共分两次进行，每次含 组试验，为避免两组试验桩之间的干扰，两组桩的桩间距约为（为模型桩直径）。第一次试验完成后，挖出模型箱内的土，制作第二次试验土体及桩体，采用埋设法设置模型桩，即一边制作土体，一边埋设模型桩。表 粉土物理力学指标 密度（）含水率 压缩模量 内摩擦角（）黏聚力.第一次试验含第、组桩，桩长均为.；第 组桩桩顶部作用抗压荷载，但桩底悬空设置，简称“顶压无土桩”，可测得纯粹的正摩阻力；第 组桩桩顶部作用抗拉荷载，简称“顶拉桩”，可获得桩的负摩阻力；第二次试验含第、组桩，第 组桩长为.，桩顶部作用抗压荷载，为传统静载荷试桩，简称“顶压有土桩”（区别于第 组顶压无土桩）；第 组为“自锚试桩”，由“上段桩”和“下段桩”构成，根据“上段桩”承拉荷载等于“下段桩”承压荷载的原则，确定“上段桩”桩长为.、“下段桩”桩长为.，在“上段桩”桩顶部作用抗拉荷载的同时，亦在“下段桩”桩顶部作用抗压荷载，互为反力，大小相等。沿桩身向下每隔 粘贴应变片，用于测量轴向应变。组试桩的加载示意如图 所示，图 是“顶压桩”“顶拉桩”加载装置，采用液压加载仪加载。液压加载仪自带位移传感器，通过计算机采集位移。图 是“自锚试桩”加载装置，由于模型桩直径较小，抗拉荷载通过滑轮传递到上反力盘。由于“顶拉桩”向上移动，为区别于“顶压桩”向下移动产生的正摩阻力，顶拉桩摩阻力用负值表示，称为负摩阻力。图 模型试验加载示意 .负摩阻力向正摩阻力转换系数图、图 是“顶拉桩”和“顶压无土桩”的 图 模型试验装置 曲线和 曲线。联合图、图 可以判定：“顶拉桩”的极限承载力为.，“顶压无土桩”的极限承载力为.。“顶拉桩”和“顶压无土桩”均为纯摩擦桩，“顶拉桩”桩侧产生了.负摩阻力，“顶压无土桩”桩侧产生了.正摩阻力，正摩阻力大于负摩阻力，如果将负摩阻力转换为正摩阻力，则负摩阻力向正摩阻力转换时，要乘以.的系数，用 表示，这里称 为摩阻力转换系数。“顶拉桩”；“顶压无土桩”。图 “顶拉桩”和“顶压无土桩”的 曲线 由图 的 曲线可见：“顶拉桩”呈突然破坏状，“顶压无土桩”则呈现延时破坏状。.“顶压桩”的荷载传递规律图 为“顶压桩”的轴力传递曲线。由图 可见：“顶压无土桩”的桩底沿竖向自由，没有桩底土对其进行竖向约束，桩顶荷载传递不到桩端，仅有桩侧摩阻力抵抗桩顶荷载。图 中，荷载在.以前，传递到桩端的力比较小，可近似认为在此荷载前，表现为摩擦桩性质，荷载超过.以后，增加的荷载大部分传递到了桩端，表现为端承摩擦桩性质。图 为“顶压桩”的桩侧平均摩阻力与荷载关系。可见：“顶压无土桩”桩侧摩阻力与荷载表现为自锚试桩 曲线转换试验研究及转换式的构建 马海龙，等“顶拉桩”；“顶压无土桩”。图 “顶拉桩”和“顶压无土桩”的 曲线 “顶压无土桩”；“顶压有土桩”。.；.；.；.；.；.；.。图 “顶压桩”轴力曲线 线性关系，“顶压有土桩”桩侧摩阻力在前段亦呈现出较好的线性关系，随着荷载的增大，曲线进入缓慢上升阶段，桩侧摩阻力增大不明显，但大于“顶压无土桩”的桩侧摩阻力。“顶压无土桩”；“顶压有土桩”。图 “顶压桩”的摩阻力与荷载关系 进一步分析可见：“顶压无土桩”极限荷载为.，对应的桩侧平均极限摩阻力为.，“顶压有土桩”极限荷载为.，对应的桩侧平均极限摩阻力为.。对于“顶压有土桩”来说，尽管荷载从.增加到.，但桩侧摩阻力仅增加了，绝大部分荷载传递给了桩端土。可见，桩端土对桩侧摩阻力有加强作用，对于粉土，桩侧摩阻力提高了。从桩的荷载传递表现看，桩侧摩阻力先发挥，然后桩端阻力再发挥。也就是说，单桩承载力经过前后两个发挥阶段，第一阶段是桩侧摩阻力发挥阶段，第二阶段为桩端阻力发挥阶段。.“自锚试桩”的“上段桩”与“下段桩”的荷载位移特性图 是“自锚试桩”的 曲线，由“上段桩”与“下段桩”两条曲线构成，“自锚试桩”的“上段桩”为“顶拉桩”，因此具有“顶拉桩”的特性，“下段桩”则具有“顶压有土桩”的特性。可见：在荷载为.时，“上段桩”和“下段桩”同时破坏，则“上段桩”的抗拉极限荷载和“下段桩”的抗压极限荷载均为.。“上段桩”；“下段桩”。图 “自锚试桩”曲线 观察“自锚试桩”的“上段桩”和“下段桩”的位移可以发现：在线性段时，相同荷载等级下，“上段桩”的位移小于“下段桩”的位移。令“下段桩”线性段斜率为、“上段桩”线性段斜率为，则，称为位移转换系数。在第 级荷载作用下，工业建筑 年第 卷第 期“上段桩”的位移为，“下段桩”的位移为，则有关系成立，由图 得.。“自锚试桩”曲线转换式的构建如图 所示，“自锚试桩”静载试验可分别获得“上段桩”和“下段桩”的 曲线，但须要将“上段顶”拉桩的荷载及位移转换为“顶压桩”的荷载及位移，而“下段桩”本身就是“顶压有土桩”，则仅做位移转换即可。.荷载转换.“上段桩”荷载转换因“上段桩”为“顶拉桩”，桩侧为负摩阻力，根据前文的分析可知，要将其转换为向下的正摩阻力，才能获得等效“顶压桩”的承载力。转换时，“上段桩”上的重力要计入抗拉力。“上段桩”抗拉荷载转换为等效“顶压桩”荷载按式（）计算：（）（）式中：为“自锚试桩”“上段桩”第 级荷载转换为“顶压桩”的第 级等效荷载；为负摩阻力转换为正摩阻力的转换系数，简称“摩阻力转换系数”；为第 级“自锚试桩”荷载；为上段桩上的重力。.“自锚试桩”转换为完整桩荷载“自锚试桩”第 级荷载 同时作用在“上段桩”的桩顶和“下段桩”的桩顶，完整桩则由“上段桩”与“下段桩”构成，因此完整桩荷载亦由“上段桩”“下段桩”的荷载构成。由于“自锚试桩”的“下段桩”为“顶压有土桩”，“下段桩”无须进行荷载转换，这样，“自锚试桩”转换为“顶压完整桩”荷载按式（）计算：（）（）（）.位移转换.“上段桩”位移转换“自锚试桩”的“上段桩”为“顶拉桩”，由前文分析可知：“上段桩”的位移小于“顶压有土桩”位移，此处要将“自锚试桩”的“上段桩”位移转换为“顶压有土桩”位移，转换后的等效位移按式（）计算：（）式中：为“自锚试桩”“上段桩”第 级荷载时的位移转换为“顶压桩”的第 级等效位移；为“自锚试桩”第 级荷载时“上段桩”的位移；为“上段桩”位移转换为“顶压有土桩”位移的转换系数，可简称“位移转换系数”，由“自锚试桩”的“上段桩”的曲线、“下段桩”的 曲线线性段的斜率确定。.“自锚试桩”位移转换为完整桩位移研究表明：桩侧摩阻力的发挥与桩长、桩径关系不大，主要与土层有关。这样可以不考虑“自锚试桩”“上段桩”桩长对发挥桩侧摩阻力所需位移的影响。根据前文荷载传递规律，“顶压有土桩”分为摩阻力发挥阶段和端阻力发挥阶段，那么完整桩（“顶压有土桩”）的 曲线则可以按下述方法构建：曲线上的线性段位移采用自锚“上段桩”转换后的等效位移，曲线上的线性段后的位移，则是“自锚试桩”的“下段桩”的位移与“上段桩”的等效位移之和。这样“自锚试桩”转换为“顶压完整桩”位移 可按式（）计算：线性段 （）非线性段（）式中：为“自锚试桩”第 级荷载时“下段桩”的位移。由式（）知：线性段位移是指“上段桩”线性段转换后的位移，实质上是发挥桩侧摩阻力的位移。由于桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，桩侧摩阻力发挥后，桩端阻力继续引起沉降，计入摩阻力引起的沉降后，整桩非线性段位移按式（）计算。通常情况下，桩身压缩量的数量级很小，正如传统静载荷试验不考虑桩身压缩量一样（超长桩可适当考虑压缩量），“自锚试桩”加载量仅为传统静载荷试验的一半，“自锚试桩”的桩身压缩量比传统静载荷试验的更小，因此，式（）亦不考虑桩身压缩量的影响。“自锚试桩”曲线转换为顶压完整桩 曲线的式为式（）、式（）。“自锚试桩”曲线转换验证.模型试验转换验证按照式（）、式（）、式（），可将图“自锚试桩”曲线转换为“顶压有土完整桩”竖向抗压曲线，其中：，.，.。“自锚试桩”转换后的 曲线见图，“顶压有土桩”的 曲线亦列于图。为了更清楚地判断“顶压有土桩”的极限承载力，“顶压有土桩”的 曲线列于图。自锚 转 换 曲 线 判 断 的 极 限 抗 压 承 载 力 为.，传统静载荷试验曲线结合 曲线判断的极限抗压承载力为.。自锚转换曲线判断的对应极限承载力的位移为.，传统静载荷试验曲线判断的位移为.。自平衡试桩亦有转换式，利用自平衡试桩中自锚试桩 曲线转换试验研究及转换式的构建 马海龙，等“顶压有土桩”；“自锚试桩”；“自平衡法”。图 桩的转换曲线与传统静载荷曲线 .；.；.；.；.；.；.；.。图 “顶压有土桩”曲线 的转换式，也可将“自锚试桩”“上段桩”曲线、“下段桩”曲线转换为传统试桩 曲线，经自平衡试桩转换法转换后的 曲线亦列于图。由自平衡法转换的 曲线可见：整个线型偏离传统静载荷试验曲线较多，转换后的位移偏小，特别是到了曲线的后半段，偏离越来越大，自平衡试桩 曲线转换方法不适合“自锚试桩”曲线的转换。.原位试验转换验证由于“自锚试桩”法是一种新方法，可供验证的大型工程桩的自锚测试尚未开展，选取的原位试验桩为采用锚杆静压桩施工的加固工程桩，加固桩施工完成后，进行了单桩抗拉静载荷试验、单桩“顶压无土”（桩底无土）静载荷试验、单桩“顶压有土”（传统静载荷）静载荷试验以及“自锚试桩”试验。桩身材料为钢管，钢管外径为 ，壁厚为，桩长为.，其中“自锚试桩”“上段桩”为.，“下段桩”为.。.，.，.（限于篇幅，不给出 .，.的具体确定过程，其确定方法见前文所述）。地层参数见表，“自锚试桩”试验现场照片见图。传统静载荷试验 曲线、“自锚试桩”法转换 表 地基土物理力学指标 地层压缩模量 地基承载力特征值 桩侧摩阻力特征值 桩端阻力特征值 粉质黏土.淤泥质粉质黏土.粉质黏土.粉质黏土.图 “自锚试桩”原位试验 曲线、自平衡法转换 曲线列于图 中。“自锚试桩”法转换的 曲线与传统静载荷试验曲线吻合性好，自平衡法转换的 曲线与传统静载荷试验曲线相差较大，转换后的竖向位移难以代表传统静荷载试验位移。“顶压有土桩”；“自锚试桩”；“自平衡法”。图 转换曲线与传统静载荷曲线 传统静载荷试验获得的单桩承载力极限值为，自锚转换法获得的为.，自平衡转换法获得的为.，“自锚试桩”转换法及自平衡试桩转换法得到的承载力与传统静载荷试验几乎无差异。观察与极限承载力对应的变形，传统静载荷试验为.，自锚转换法为.，自平衡转换法为.，自平衡转换法得到的变形太小，用自平衡转换法获得的 曲线来分析单桩的变形，可能会低估桩基础的真实变形。可见，采用两段转换法转换的“自锚试桩”等效 工业建筑 年第 卷第 期 曲线与传统静载荷试验（顶压有土桩）获得的曲线，无论是承载力或者变形趋势，吻合性都很高，表明提出的“自锚试桩”曲线转换式具有较高的可靠度。结束语通过对“顶拉桩”“顶压无土桩”“顶压有土桩”（传统静载试验桩）、“自锚试桩”试验研究和分析，获得以下结论：）“顶拉桩”表现为突然破坏，“顶压无土桩”表现为延时破坏。“顶压有土桩”的桩侧摩阻力先发挥，桩端阻力后发挥，桩侧摩阻力发挥后，增加的荷载主要由桩端土承担，摩阻力增加不明显。）根据桩侧摩阻力与位移的线性关系，提出了由“自锚试桩”曲线转换为传统静载荷试桩 曲线的两段转换法，并构建了转换算式。）经原位试验桩验证，构建的两段转换算式转换的“自锚试桩”曲线与传统静载荷试桩 曲线吻合性高。参考文献 ，（）：，（）：.（）.田欣静载荷试验中压重平台引起的地表位移分析路基工程，（）：袁从华，章光大吨位堆载法对单桩承载力试验的影响岩土力学，（）：卢坤林，杨扬锚桩对静载荷试验成果的影响分析 合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，（）：，（）：叶建辉，郑韶鹏，谢志招，等 垂直静载荷试验设计方案及成果初探水文地质工程地质，（）：朱晓伟超大吨位静载试验的防倾覆措施铁道建筑技术，（）：李翔宇，盛志强，陈立根，等南京金茂广场二期超大吨位基桩静载荷试验研究建筑科学，（增刊）：安康，刘晔，臧明飞，等锚桩法在超高吨位钻孔灌注桩静载荷试验中的应用江苏建筑，（）：范燕红，刘泳钢，任鹏桩承载力自平衡法与桩传统静载试验法对比试验研究建筑科学，（）：，：.，（），（）：周俊鹏，黄雪峰，刘自龙，等黄土地基中微型抗压与抗拔桩对比试验研究水利与建筑工程学报，（）：王钦科，马建林，胡中波，等浅覆盖层软质岩中抗拔桩承载特性现场试验研究岩土力学，（）：华南理工大学，浙江大学，湖南大学基础工程北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑基桩自平衡静载试验技术规程：北京：中国建筑工业出版社，（上接第 页）傅剑平，张川，白绍良 钢筋混凝土抗震框架节点各机构传递剪力的定量分析 建筑结构学报，（）：郭子雄，朱奇云，刘 阳，等 装配式钢筋混凝土柱钢梁框架节点抗震性能试验研究 建筑结构学报，（）：戎贤，苏天姣，杨春晖，等 高强钢筋高韧性混凝土边节点抗震性能研究 工业建筑，（）：，张健新，戎贤，吴海超 配置 级钢筋混凝土框架边节点滞回性能试验研究 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