砂土地基大直径混凝土灌注长桩受力性状试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 3 期 (总 第2 4 5 期) Nu mb e r 3i n2 0 1 0 ( T o f a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOL oGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 4 1 砂土地基大直径混凝土灌注长桩受力性状试验研究 韩冰 ，乔登攀 ， ，汪智慧 z ( 1 昆明理工大学，云南 昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 中国建筑东北设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ) 摘要： 通过对砂土地基中灌注桩竖向静载试验资料分析， 确定了单桩承载力、 研究了持力层为卵石层的长桩轴力的传递规律、 沉降量 与桩身压缩量的关 系及桩侧阻力发挥机理 。 关键词： 砂土地基；钻孔灌注桩； 桩身轴力；桩侧阻力；桩端阻力；沉降 中凰分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 3 0 0 4 St ud y on be ha vi or o f s t r es s o f l ar ge di ame t e r a nd con c r ete bor ed l ong pi l e i n s a nd s oi l s HA NB j 噌 ， Q I AODe n g -p a n ， WAN GZ h i - h u i ( 1 K u n mi n g Un i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， K u n mi n g6 5 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 Chi n aNo r t h e a s t Ar c h i t e c t u r a l De s i g n& Re s e a r c hI n s t i t u t eCo ， Lt d ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6， Ch i n a) Abs t r ac t ： Th i s a r t i c l e a n a l y z e dt h e v e r t i c l ebe a r i n g c a p a c i t o fc o n c r e t e b o r e dpi l e， d e t e r mi nethe b e a r i n g c a pa c i t yo f s i n g l epi l e， s t ua ythel o a d t r a n s f e r of l o n gpi l ei n s a n d s o i l swi t hb e a r i n g s t r a tao f p e b b l e ， the s e d i me n t a ti o nandt h e c o mp r e s s i o no f t h ep i l e， a n d s i d efr i c tio nof p i l e Ke ywor ds ： s a n d s o i l f o u n d a t i o n； d r i l l b o r e dp i l e； pi l e e n d o g e n e fic ； s i d ef r i c t i o no fp i l e； bo t t o m r e s i s t a n c eo f p i l e ； s e d i me n tat i o n 0 引言 现代高层建筑中， 由于建筑物荷载大， 地质条件复杂， 大直 径桩基凭借着许多优良性能而被大量使用。然而其荷载传递机 理 目前还不是十分清楚， 再加上地区的不同、 地层的差异等条 件的影响， 根据现行规范规定的设计施工常与实际结果有较大 差别， 在设计和施工中也出现越来越保守的趋势。因此研究砂 土地基中大直径桩的荷载传递性状， 既是桩基理论 自身发展的 需要， 也是工程界的迫切要求。 本文根据某工程静载试桩的实际测试结果来分析砂土中 大直径桩的受力性状和荷载传递机理， 得出一些结论， 以期能 对大直径桩的设计施工有一定的借鉴作用。 1 工程地质概 况 某工程规划 8 0 层， 3 7 0m。项目总占地面积 1 9 6万 m。 ， 地 上建筑面积约 1 0 0万 m2 ， 集会议展览中心、 酒店 、 办公楼、 商场 及娱乐设施等于一体。场地地貌类型属浑河高漫滩及古河道。 试桩的地质柱状图如图 1 所示。 根据勘察报告提供的极限侧摩阻力标准值和极限端阻力 标准值 ， 桩基础设计采用旋挖钻孔灌注桩 ， 桩径 O 8 5 m， 桩长 5 2 0 m。 桩身采用 C 4 5 混凝土。 持力层为圆砾层， 桩端进入持力 层深度大于 1 m， 设计要求单桩竖向承载力特征值为 7 3 0 0 k N。 为了评价其实际承载力， 按照设计要求本工程先做静载试验 桩， 在每级加载时记录桩顶的沉降， 而最终的竖向加载力达到 1 6 0 0 0 k N。试桩参数见表 l 。 本工程试桩静载荷试验选用的是锚桩一 反力架系统， 采用慢 速维持荷载法加载。在每级加载时记录桩顶的沉降。 当达到规 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 - l 1 1 30 土层名称 描述 地面标匿4 5 4 4 m 桩头标高4 5 7 9 m 杂填土 松散 一， 2 91 ( 4 2 5 3 ) ( 细 砂 松散 稍密 4 8 l ( 4 0 6 3 ) 粉质黏 土 可塑 二 7 5 1 ( 3 7 9 3 1 中砂 松散一 中密 9 0 1 ( 3 6 4 3 ) 砾砂 稍密 1 1 8 1 ( 3 3 6 3 ) 圆砾 中密 2 0 5 1 ( 2 4 9 3 ) 圆砾 中密 2 9 9 l ( 1 5 5 3 ) 圆砾 中密 3 6 7 1 ( 8 7 3 ) 中砂 密实 3 8 6 1 ( 6 8 3 ) 圆砾 中密 4 7 7 1 ( - 2 2 7 ) 圆砾 密实 5 1 6 5 ( 一 6 2 1 ) L J 0 8 5 图 1 T1地质柱状图 表 1 试 桩参数表 定的终止试验条件时便停止加荷， 再分级卸荷至零。在每级加 载时观测桩顶沉降， 同时观测桩身应力计读数 ， 计算桩身轴力， 进行桩的荷载传递性状和承载性能分析。 2 大直径桩荷载受力性状分析 2 1 桩身断面轴力计算 桩身预埋钢筋计 ， 钢筋计实测数值为钢弦振动频率， 可由 式( 1 ) 计算荷载作用下横断面的， 再由式( 2 ) 计算此断面钢筋的： K( 砰一 ) ( 1 ) 式中： i 横断面钢筋轴力， k N； 卜钢筋计标定系数， k N H z 2 ； 卜加第级荷载后钢弦的振动频率， Hz ； 卜加荷前钢弦振动频率， H z ； 8 一计算修正值( k N， 由仪器标定书提供) 。 钢筋和混凝土浇灌在一起 ， 二者变形一致 ， 共同承受外部 荷载【 l 】 。因此， 任一断面钢筋和混凝土的应变相同， 即： p 8 产 ( 2) 。 凸 式中： s 厂钢筋应变； s 一 桩身混凝土应变； A 一 钢筋面积， m m2 ； 钢筋弹性模量， MP a 。 由此可以得到某断面处的桩内力为： D 尸( A 厨 ) ( 3 ) A s 式中： 混凝土弹性模量 ， MP a ； A 。 一桩身截面面积 ， i n r n 2 。 计算在各级荷载作用下， 不同深度断面处混凝土轴向应力 值， 得到计算的桩身轴力图， 如图2所示为桩 T 1 桩身轴力图。 -2 0 2 5 3 O 一 3 5 越 一 40 - 4 5 5 0 55 -,O - 1 6 0 0 卜 -3 2 0 0 一 4 8 0 0 - 6 4 0 0 一 8 0 0 0 卜 -9 6 0 0 +_ 1 l 2 0 0 日_ l 2 8 0 0 卜 1 44 0 0 _ l 6 0 0 0 U l 2 3 4 5 桩 身轴 力 1 0 k N 图 2 T1桩身轴力曲线 可见， 桩身的轴力随深度的增加而减小， 桩顶截面的轴力最大。 2 2回归分析 采用回归分析的方法 ， 回归出每级荷载作用下桩身轴力与 深度的公式为： Y = A ( 4) 实测数据与拟合曲线如图 3 、 4所示( 在此只列出施加荷载 为 4 8 0 0 、 9 6 0 0 k N时桩身轴力与深度的拟合曲线) 。 表 2 拟合曲线 A、 B取值表 这样我们又得到了 、 曰与桩顶荷载之间的一组关系， 再次 利用回归分析可得式( 5 ) ： j鹫 至 、 暴 亦 誊 至 、 _ R 撂 盘 靼 A = C + D L B = C + D L ( 5 ) 崩 度 ， m ( a ) 4 8 0 0 k N 桩身轴力 深度 m ( b ) 9 6 0 0 k N 桩身轴力 劢 载载荷 k N 图 4 桩顶荷载与 、 曰值拟合 曲线 表 3 拟合曲线 c 、 D取值 通过以上的分析可知， 在本地区的砂土地基中虽然土层随着 深度存在变化， 但是可以近似的把土层看成是同一介质的地基， 并且可以利用回归分析得出两个非常简单的公式， 只有四个待 定系数。在类似的地层条件下可以直接使用本试验回归出的公 式 ， 先根据桩顶荷载代入式( 5 ) 求得 A、 B再将 A、 代回式( 4 ) 就可以知道桩顶荷载传递的深度， 从而判断最大荷载以上荷载 的桩侧 、 桩端阻力发挥的状况。若在桩中预埋应力计也可以将 。 】 31 。 军 墨 兰 墨 现场试验的数据代入公式中来重新标定待定系数。 2 3 荷载一 沉降曲线分析 桩受力与荷载传递特征是通过桩顶荷载一 沉降( Q s ) 曲线 来宏观反映的。研究桩在各级荷载作用下的桩沉降更能揭示桩 之受力机理。 重 ： 2 荷载Q k N 图 5 试桩 O- - S曲线对比图 由图5中可以知道， 前期加荷过程甚至可以到 1 2 5 0 0 k N之 前几根试桩的 Q S曲线几乎一致， 而这样所加的荷载还在工作 荷载之上 ， 也就是说当桩在工作荷载的作用下， 桩的长度变化 并没有引起桩的 Q S曲线发生太大的波动， 也可以说增加桩的 长度不能有效改善砂土地基中桩的沉降。 对砂土地基的长桩， 在工作荷载下其工作性质主要表现为 摩擦桩。所以增加桩径可以提高桩基承载力， 而桩径的增加必 然伴随着混凝土用的增多， 经济效益就会变差， 那么就应该综 合考虑桩长、 桩径， 选择合适的长径比。 由表 4 可知， 最大沉降量对应着图中荷载为 1 6 0 0 0 k N的沉 降量， 而最终沉降量对应卸荷后的沉降量。 最大沉降量同最终沉降 量之差是桩在承受荷载时所生的弹生 形变。障生 形变量平均值与 最大沉降量平均值的比为 0 8 3 6 ， 可见桩身形变占桩顶沉降的 8 0 以上， 而较长的桩受荷后桩身的弹生 形变量比较大。 增加桩长 的同时也增加了桩身弹性形变量， 对沉降控制并没有明显的改善。 表 4 试 验桩沉 降表 2 4 桩侧摩 阻力发挥性状分析 根据两断面间实测内力差确定桩侧各土层摩阻力为： 口 ( Wc - W + I ) ( 6 ) a O J a r Dh f 式中： 口 一 桩侧平均摩阻力， k P a ； 断面处桩内力， k N； 与 1 断面间距离， m； 桩直径 ， m。 由前面的分析可知桩上部轴力先于下部轴力发挥。并且根 据作用力与反作用力的原理可以知道， 上部桩周土摩阻力也先 于下部桩周土摩阻力发挥作用。荷载不断增加， 下部桩周土摩 阻力逐渐发挥。从图 6中可见， 竖向荷载施加于桩顶时， 桩身上 部首先受力压缩， 产生桩土位移， 于是桩土界面上产生向上的 摩阻力。 荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服摩阻力并通 过它向土中扩散的过程。当施加最大荷载时， 下部桩周土摩阻 力发挥的还是很不充分， 上部桩周土摩阻力总体上也呈上升趋 】 32 0 3 2 0 0 64 0 0 9 6 0 0 1 2 8 0 0 1 6 0 0 0 图 6 侧 阻与桩顶荷载关 系曲线 势， 仍然有一定的发挥空间， 桩基还远未达到极限状态。桩周土摩 阻力的发挥与桩土相对位移的大小有关， 桩上部变形较大桩周土 摩阻力发挥较充分， 下部变形较小桩周土摩阻力较不充分。 2 5 桩端阻力发挥性状分析 桩端阻力的发挥是关系到桩基承载力的关键问题。 分析得 到， 在工作荷载作用下， 桩顶荷载大部分由桩侧摩阻力承担。桩 端阻力占所加最大荷载的比为9 0 3 ， 此时并未达到勘察报告提 供的当桩端进入圆砾层时可以提供 3 0 6 2 k N的桩端阻力。 而且 随着长径比的增加， 桩端阻力减小。桩端阻力未能充分发挥， 可 以减小桩的长径比来提高桩端阻力占桩顶荷载的比例。 本工程试验采用钻孔灌注方法施工， 施工过程中不可避免的会 在孔底产生沉渣、 施工桩孑 L 时桩端持力层受到扰动。 为了有效的加 固或压密持力层， 进而提高桩的承载力， 本试验采用了后压浆技术。 另外桩顶施加荷载在桩体中的传递还与桩的弹性模量有 很大的关系， 所以当桩端阻力发挥不足时可以考虑提高桩身混 凝土强度等级， 而本试验中的混凝土已经用到了C 4 5所以并未 在实际工程中采用该方法。 2 6桩的破 坏性试 验 由于试验试桩较大， 造价高且试桩均为实际工程工作用桩 不适于进行破坏试验。现通过 F L AC 一 3 D模拟破坏性试验来确 定桩的极限承载 力。 本次分析中， 过桩轴线的一个垂直面是对称面。模型的坐标 原点位于桩顶， 设在土体表面模型中心， Z方向长度为 6 0 m模型 ，王 ， 方向长度均设为 8m。桩体模型先设置在 方向 1 0n l 坐 标处， 通过对桩体 坐标加上一 1 0 m的值将桩体设人土体中( 如 图7 ) 。土体计算使用Mo h r - C o u l o mb 模型， 桩体计算使用E l a s t i c 模型， 数值模拟主要对桩土共同作用的位移场和应变进行模拟。 图 7 桩模型 2 6 1 在 1 6 0 0 0 k N加载下条件下的模拟 1 6 0 0 0 k N的轴向力加载是通过在桩顶施加 1 个 2 8 MP a 的 轴向应力来实现的， 在此加载下平衡后。得到桩顶位移为 2 0 m m ( 见图8 ) ， 实测的桩顶沉降分别为1 2 ram到 1 8 mm； 桩端的位移约为 0 4 2 mm， 试验中实测结果表明桩端阻力未完全发挥， 模拟结果很接 近试验实测， 可见参数的选择与实际相符， 可以用于下一步汁算。 2 6 2 桩的极 限承载力 通过在桩顶施加一个垂直速度来计算桩的轴向极限承载 图 8 1 6 0 0 0 k N桩顶位移 曲线 力。速度通过“ 逐步加载” ， 即边界条件从零线性增加到所需值 的方式施加。因为混凝土和土之间的刚性差别很大， 该差别使 模型的自然周期产生很大的差异。对模型施加一个荷载需要数 千个时步， 因为临界时步是由混凝土的较高刚度控制的。如果 突然施加速度， 惯性作用在初期将占优势 ， 并使得更难于识别 系统 的稳定影 响状态。 F I S H函数 fi n d a d d 用来找出这些网格顶点的位置并储存在 链接表中， 以供使用。 函数 r a mp 用对桩顶由fi n d a d d 识别的网格 节点施加速度。函数 Z S 用来计算桩顶的轴向应力并将其作为 _t o p 历史保存。桩顶的轴向应力对应图如图9 。图中表明， 桩顶加载经 过了上万时步计算以后， 得到了的本试验桩的极限承载力大约为 2 0 6 0 0 k N， 比实测试验中所加的最大荷载仍多出4 0 0 0 多 k N。 3结语 ( 1 ) 可以近似的将该地区的砂土地基视为同一介质的地基， 并回归出两个简单的公式来描述该近似介质， 对本地区或类似 的地基有一定的借鉴作用。 ( 2 ) 砂土地基的长桩， 在工作荷载下主要表现为摩擦桩。应 该综合考虑桩长 桩径， 选择合适的长径 比。在沉降控制条件 下， 可适当缩短桩长改变长径比以利经济效益。 图 9 桩的极 限承载 力 ( 3 ) 静载试验最大加荷条件下， 桩身弹性形变量占桩顶沉 降的 8 0 以上 ， 桩长越长桩身弹性形变占的密度越大。 ( 4 ) 侧阻先于端阻发挥 ， 上部桩侧阻先于下部桩侧阻发挥。 提高桩端阻力占桩顶荷载的比例可以通过减小长径比、 加固或 压密持力层、 提高桩身混凝土强度等级来实现。 ( 5 ) 桩 的极 限承 载力为 2 0 6 0 0 k N， 远大于试验 最大荷 载 ， 桩仍有一定的荷载储备。 参考文献 ： 1张忠苗， 辛公锋 软土地基超长桩受力性状分析 工程勘察， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 0 1 3 【 2 】 G B 5 0 0 0 7 -2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范【 s 】 3 】 张丙吉， 戴武奎， 贺清云 混凝土灌注桩竖向承载试验研究 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 5 5 5 7 【 4 】陈凡 ， 徐天平， 陈久照， 等 基桩质量检测技术 J 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 3 【 5 张忠苗， 等 基于桩顶沉降和桩端沉降钻孔桩的受力性状研究 J J _岩 土工程学报， 1 9 9 7 ( 4 ) ： 8 8 9 3 6 】 刘波， 韩彦辉 F L A C 原理实例与应用指南 J - E 京： 人民交通出版社， 2 O O 5 2 6】 -2 7 4 作者简介： 韩冰( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 地下工程及施工。 单位地址： 云南省昆明市昆明理工大学莲华校区 6 - 6 0 6 ( 6 5 0 0 9 3 ) 联系电话 ： 1 5 2 8 7 1 0 1 2 3 2 履行协会职责促进行业发展 中国建筑业协会组织专家座谈并通过人 大代表积极向两会建言献策 为贯彻落实科学发展观， 促进建筑业发展方式转变， 使建筑业在国民经济发展中发挥更大作用， 3 月 3日， 在全国“ 两会” 召开之 际， 中国建筑业协会在京召开专题会议 ， 邀请建筑行业的全国人大代表与中国社会科学研究院、 中国建筑科学研究院、 清华大学、 同 济大学、 北京交通大学 、 哈尔滨工业大学、 山东科技大学、 西安建筑科技大学的有关专家学者一起共议产业发展大计， 共促行业健康 发展 。 建筑业作为国民经济的支柱产业， 在改革开放 3 0多年来， 为改善城乡面貌和人居环境 ， 加快城镇化进程 ， 缓解就业压力 ， 带动 相关产业发展， 建设和谐社会做出了巨大贡献。但是 ， 作为一个历史悠久的传统产业，在发展过程中也存在着一些问题， 制约着建筑 业的持续健康发展。 为了系统总结我国建筑业改革开放 3 0多年来的成就及目前存在的问题 ， 提出促进建筑业持续健康发展的政策及措施建议， 中 国建筑业协会于2 0 0 9年设立了“ 中国建筑业产业政策和建筑业发展 十二五 规划研究” 课题， 组织建筑业企业、 高等院校、 科研机 构等单位， 形成产、 学 、 研密切结合的课题组 ， 通过走访企业、 问卷调查 、 召开座谈会等多种方式分 8个子课题对行业进行了深入系 统的调查研究 ， 近期课题已形成初稿 。 在此次召开的专题会议上， 课题组成员结合课题研究成果 ， 提出了 关于尽快修订建筑法的议案 和 关于制订建筑产业发展规 划的建议 ， 并将通过建筑行业人大代表向“ 两会” 正式提交。 关于尽快修订建筑法的议案 是对 1 9 9 8 年 3 月 1日实施的 中华人民共和国建筑法 ( 以下简称建筑法) 提出的修订建议。 议案充 分肯定了建筑法的颁布和实施对促进我国建设领域法制化管理， 规范建筑市场秩序， 提高工程质量和安全水平具有的重要意义， 分析 了经过多年社会、 经济发展变化之后目前建筑法中存在的与之不相适应的问题， 并提出了具体的修改建议。 包括： 调整建筑法的适用范 围和管理监督体制； 从合同签订履约、 工程价款支付等方面加强对业主建设行为的规范； 区别对待政府投资的建设工程与非政府投资 的建设工程； 明确注册执业人员、 中介组织的权利、 义务和责任； 完善建设工程的发承包规则， 保证市场公平交易； 增设工程担保、 保险 制度； 增强法律责任的可操作性等。通过此次提案， 希望将 建筑法 修订列入全国人大常委会立法规划， 尽早启动法律的修改工作。 今年是国家“ 十一五” 规划的收官之年， 而“ 十二五” 规划正在紧锣密鼓的制定之中。中国建筑业协会此次向“ 两会” 提交的 关于 制订建筑产业发展规划的建议 中着重提出了目前建筑业产业地位相对弱化， 以及建筑市场不规范 、 建筑施工企业效益低下等问 题， 希望在 国民经济和社会发展“ 十二五” 规划纲要 中， 进一步明确建筑业的支柱产业地位， 充分肯定其作用。并建议由国务院组 织制订建筑业发展专项规划， 采取积极的政策措施巩固提高建筑业地位 ， 指导促进建筑业经济增长与发展方式的转变 ， 推动建筑业 产业合理分布和优化升级， 使建筑业在我国国民经济快速发展和社会不断进步中发挥更大的作用。 1 3 3