浅谈锚杆静压桩在房屋改造加固工程中的应用研究

'南京工业大学硕士学位论文锚杆静压桩在房屋改造加固工程中的应用研究姓名：朱连勇申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：李延和；任亚平20070609 摘要摘要锚杆静压桩是一种具有新加体系与原有结构共同工作特点的地基托换加固技术，其适用范围已从以前的单一的地基基础托换加固作用发展成可用于地基基础补强加固、既有房屋纠偏以及新建工程逆作法桩基施工等方面。尽管经历了二十多年的工程使用，但锚杆静压桩技术的理论及试验研究明显落后于工程应用。本文主要研究锚杆静压桩加固机理、压桩力与承载力之间的关系以及其静载试验方法，这对锚杆静压桩沉桩可能性、压桩力控制和承载力确定等问题具有重要工程应用价值。本文的主要工作有以下几点：(1)对锚杆静压桩的发展史、自身优点、适用工程对象、研究现状作了系统综述。(2)对锚杆静压桩加固机理、用于锚杆静压桩沉桩机理分析的一些理论、锚杆静压桩桩土作用、承载力的影响因素进行分析，通过分析，重点给出了考虑锚杆静压预制方桩时间效应、角点效应的承载力经验公式，并介绍此公式在某具体工程中的应用。(3)提出锚杆静压桩压桩力定义及研究意义，对压桩力的影响因素、终压力与承载力的相关性进行分析，通过总结工程实例给出设计压桩力取值建议，并提出终压力控制标准，最后提出终压力与承载力的经验公式并结合南京某工程进行分析，具有一定的工程意义。(4)用有限元软件Plaxis对锚杆静压桩进行数值分析，结果表明：锚杆静压桩在有附加应力的情况下沉降小于无附加应力的情况，而且可以判断在有附加应力情况下的单桩极限承载力大于无附加应力情况下的极限承载力；锚杆静压桩单桩桩身侧摩阻力的分布与单桩的桩长、长径比和桩土模量具有密切的关系。(5)提出锚杆静压桩静载试验的目的和意义；介绍静载试验使用的试验装置、仪表、测试元件和静载试验方法，最后归纳整理出静载试验中存在的问题并提出了建议。本文课题对锚杆静压桩的推广使用具有很大的意义和实用价值，但本文对该课题的研究仍处于初级阶段，今后需要做更多的工作去完善它，使它能够对工程真正具有指导意义。关键词：锚杆静压桩；加固机理；承载力；压桩力；荷载一沉降关系；有限单元法 ABSTRACTAnchorjackedpileisabuildingreinforcerIlenttechniquewllichhasmecharacteristicOfinteraCtionbetweennewsystem锄dpreviousstmcture．Thistechniqueiswidelyappliedinfoundationstrengming，buildingcorrection，pilefoundation’stop—downconstlllctioninnewlybuiltbuildingandsoon．hlspiteoftwentyyears’usageinengineering，itstheo巧aIldteststudylagbehindits印plicationinengineering．ThereinforCeInentmechanism，merelationshipbetweenpressureforceaJldbearingcapacity，thestaticloadingtestarediscussedinthistext，itwillbeusefultopilepenetration、pressurefbrceconⅡDlaIldbe碰ngcapacitydecision．Thispaperworksprim撕1yinthefollowingaspects：(1)hltllisp印erwesumsystematicallyupanchorjaCkedpileaboutitsmstoⅨstrongpoint，suita_bleengineeringtarget，researchpresentsituationandfuturestudy．(2)Accordingtome锄alysisofreinforCementmechallism、sometheorieswhicharcusedtoanalyzereinforcementmech锄ism、inteLactionbetWeenpileaIldsoilaIldfactors舒fectingthebe撕ngcapacity"weproposeaIlexperientialfb册ulaofbe撕ngcapacitymatconsidersthetimee能ct锄dcomereffect，thenintroduceitsuseinanengineering．(3)Thede6nitionandresearchsignmcaIlceofpressureforcewereputfonⅣard，thenfactorsaf诧ctingthepressureforceandrelationshipbetweenpressureforceandbearingcapacitywere趾aJyzed，Valuesuggestionofpressurefbrceaccordingtosomeengineeringex锄plesandmeconditionofstopping10adingweregiVen．AtlastweproposeanexperientiaJf6nnulaofbe撕ngcapacityandpressuref6rce．(4)W色usePlaXisFEMsoftwaretoaIlalyzeanchorjackedpile，theresultshowsthesettlementonconditionofhaVingaddition砒stressissmallerthanonconditionofnothaVingadditionaJstress、tIleultimatebe撕ngcapacityonconditionofhaVingadditionalstressislaurgermanonconditionofnothaVingadditionmstress、mesideresistanceisconcemedwiththelengthofpile，thelength—to—di锄eterratioandmemodulusratioofpileversussoil．(5)Tllepu叩osea11dresearchsignmcaIlceofstaticloadtestwereputfonⅣ删，theⅡ ABSTRACTexperimentdeVice、appearaIlce、testingelementandmeInemodofstaticloadtestwereiIltroduced，atlastwesumupmeexistingproblemsinstaticloadtestaIldgiVesomeadvice．Thismesisintllepaperwillplayagreatroleinpopul撕zinga11chorjackedpile．IIlthisp印er，tlleresearchofanchorjackedpileisstillinitselementaryphase，moreworkshouldbedonetoimproveitinmefutureso硒toguidethepracticalengineering．KEYWORDS：Anchorjackedpile；ReinforcementMechanism；Bearingc印acity；Pressureforce：Load．settlernent；FiniteelementmethodIlI 硕士学位论文第一章绪论1．1地基基础托换加固技术分类与发展1．1．1概述地基基础托换加固技术(Unde删nning)是指对既有建筑物的地基及基础的加固或改建、增层与纠偏；或解决对既有建筑物基础下需要修建地下工程(包括地下铁道要穿越既有建筑物)；或解决因临近需要建造新建工程而影响到既有建筑物的安全等问题的技术总称【1】【2儿31。静压桩托换技术是创造性的成果，它是人类充满技巧与智慧的结晶，在建筑物地基加固补强、房屋纠偏以及加层改造中都有着重要作用。托换技术的起源可追溯到古代，但是托换技术直到本世纪30年代美国纽约市兴建地下铁道时才得到迅速的发展。由于在早期地下铁道的穿越工程中，需要托换加固的工程是大量的、多种类型的和规模很大的。目前世界上古建筑的基础加固数量繁多，许多大城市逐步向地下和空中发展，因而促使大型和深埋的结构物和地下铁道的大量施工。由于既有建筑物的改建、增层和功能升级日益增多，国内外的托换技术的发展也突飞猛进，例如德国在第二次世界大战后，大量地采用综合托换技术，积累了丰富的经验，取得了显著的成绩，并已将该技术编入了德国工业标准‘11。1．1．2地基基础托换技术分类地基基础托换技术可根据托换的原理、方法、性质和时间进行分类【1儿41。一、按托换原理分类①补救性托换凡既有建筑物基础下地基土不能满足地基承载力和变形要求而需要进行托换者，称为补救性托换(RemedialUnde印inning)【3】【51。当前国内对各城市很多采用旧房增层改建的方法来扩大使用面积，如增层后地基承载力和变形不满足设计要求时，需采取补救性托换。②预防性托换既有建筑物的地基土是能满足地基承载力要求的，但由于邻近要修建较深的新建建筑物基础、深基础的开挖、地下铁道的穿越而需要进行托换者，称为预防性托换‘3】(PI优autiona叮Unde叩inning)。③维持性托换 第一章绪论有时在新建的建筑物基础上预先设计预留有桩孔和可顶升的措施，以适应事后预估不容许出现的地基差异沉降值者，称为维持性托换‘51(MaintenallceUnde叩inning)。二、按托换的方法分类按托换方法可分为基础扩大托换、坑式托换、桩基托换(包括石灰桩、石灰砂桩、压入托换或混凝土预制桩、打入桩或钢桩、树根桩、锚杆静压桩、灌注桩等)、基础加压纠偏法托换、基础减压和加强刚度法托换(包括加压纠偏、掏土纠偏、降水掏土纠偏、压桩掏土纠偏、浸水纠偏、顶升纠偏等)、振冲法托换、碱液加固法、硅化加固法等。三、按托换的性质分类①既有建筑物地基设计不符合要求；②既有建筑物增层；③既有建筑物纠偏；④邻近深基坑开挖或地下铁道穿越；⑤结构物整体迁移。四、按托换的时间分类①临时性托换；②永久性托换。1．1．3地基基础托换技术的现状与发展地基基础托换技术是一种建筑技术难度较大、建筑费用较贵、工期较长和责任性较强的特殊施工方法。要清楚地认识到，对建筑物托换技术实施，需要丰富的实践经验，因为它可能危及生命和财产‘31。值得注意的是，由于大型建筑物的托换工程规模较大，～名设计人员光具备结构知识或光具备岩土知识是远远不够的，他不能胜任这种特殊的托换技术，而施工工程师在托换工程中占有一个十分重要的地位，他们都比较认真负责和小心。相反，对小型托换工程可能存在草率从事的疏忽，而在托换工程的失败事例中，大多正是由于这个原因所引起的。鉴于托换工程是一项高度综合性技术，因此最好同时具备丰富的勘察、设计、施工和科研方面一体化专业单位来承担这一项业务，这样可以积累托换工程的经验和便于发展提高，国外多数由托换工程的专业公司来承包。2 硕士学位论文托换技术主要运用于地基基础处理技术，因而国内外都将托换技术列入“地基处理’’的内容范畴‘6】【71。同时，一个优秀的托换工程也是一个善于巧妙和灵活地综合选用各种地基处理方法的工程。我国的托换技术的数量和规模，随着建设的发展在不断地增长，如锚桩加压纠偏、锚杆静压桩、基础减压和加强刚度法、掏土纠偏、千斤顶整体顶升等多种托换方法都有很大的创新和特色。我国的托换技术虽然起步较晚，但随着大规模建设事业的发展，托换法正处于方兴未艾和蓬勃发展的时期。1．2锚杆静压桩基本概念及研究展望1．2．1锚杆静压桩的概念及发展史锚杆静压桩是锚杆和静压桩二项技术巧妙结合而形成的一种桩基加固处理技术，其工艺是对需要进行地基基础加固的既有建筑物基础上按设计开凿压桩孔和锚杆孔，用粘结剂埋好锚杆，然后安装压桩架与建筑物基础连为一体，并利用既有建筑物自重作反力，用千斤顶将预制桩段压入土中，桩段间用硫磺胶泥或焊接连接。当压桩力或压入深度达到设计要求后，将桩与基础用微膨胀混凝土浇注在一起，桩即可受力，从而达到提高地基承载力和控制沉降的目的。锚杆静压桩沉桩示意图见图1．1：o、卜一一压桩鬃o＼倒链葫芦千斤顶横集一、0冉一销子Iu|于斤璜oj型Lo油管_／k、、—擅置严坦lo硼I油压泵VI归L，—————一咿删厂锚杆I卜?。o。：肛＼-彤’^J。‘·{f。。。^蠢。。。。属生一一f图1一l锚杆静压桩沉桩不恿图Fig．1-1AnchOrJackedPile锚杆静压桩最早在美国是用于托换基础，20世纪80年代由我国冶金建筑研究院从国外引进研究开发，1983年首次在国内地基加固工程中应用并获得成功。其后在马鞍山，芜湖，南京，南昌等多项工程中推广使用，都取得了良好的技术和经济效果。该项技术已于1985年在南京通过冶金部部级技术成果鉴定，经过二十多年的深入研究，从经验总结到规程、规范的编制，目前己经成为技术安全可靠、加固后行之有效的新 第一章绪论型加固方法。1989年由冶金工业部建筑研究总院编制的“锚杆静压桩技术规程”通过了冶金工业部专业技术审定，并于1991年10月1日开始向全国发行《锚杆静压桩技术规程》(YBJ227-91)。经建设部批准，锚杆静压桩施工方法定为1991年度土木建筑一级(国家级)工法，并于1992年2月的建施【1992】58号文向全国公布。1992年锚杆静压桩技术被成功运用于建筑物桩基逆作法技术，通过上海市建委科学技术委员会的成果鉴定。1994年编入上海市标准《地基处理技术规范》(DBJ08—40一94)，1995年4月1日起实施【11。1．2．2锚杆静压桩的优点经查阅大量文献以及参与的工程实践，锚杆静压桩的优点总结如下：①设备轻便、简单、移动灵活，操作方便，可在狭小的空间1．5m×2m×(2～4．5m)进行压桩作业，特别适用于大型地基加固机械无法进入施工现场的地基加固工程；②采用静压的方法，在压桩施工过程中无噪音、无污染，真正对周围的环境无影响，做到文明施工，因此，适用于密集的居民区内的地基加固施工，尤其适用于老城区的改造，或者在密集建筑群内新建多层建筑时不允许污染环境的地基加固工程；③对于新建的工程，施工时可以采用逆作法，即改变常规先打桩后建房的施工顺序，先建房后压桩，且压桩时可与上部结构同步施工，进行立体交叉作业；④在处理J下在使用的建筑物时，可在厂房车间不停产、居民楼用户不搬迁的情况下进行基础的托换加固处理，特别适用于老厂房技术改造、已建建筑物的加层、由于承载力不足或不均匀沉降造成的建筑物倾斜和开裂情况下的托换加固、缺陷桩的补桩加固工程；⑤锚杆静压桩配合掏土或冲水，可成功地应用于倾斜的建筑物的纠偏工程中；⑥采用锚杆静压桩施工，荷载的传递过程和受力性能非常明确，可以直接测得每根桩的实际压桩力和桩的入土深度，对施工质量检验有可靠的保证；⑦使用锚杆静压桩设备投资少，能耗低，材料消耗少，所以加固费用低，具有明显的技术经济效果；⑧锚杆静压桩处理方案比对基础梁、承台加大截面、增加配筋及人工挖孔、钻孔桩更简便更经济。4 硕士学位论文由于该方法质量的可靠性和技术的优越性，使该项技术大量的推行，特别在完成难度很大的已建和新建工程的地基加固任务中，显示了无比的优越性。1．2．3锚杆静压桩适用工程对象大量的工程实践已经证明了锚杆静压桩可以适用于以下工程对象：①当新建工程不能设计为天然地基时，采用锚杆静压桩逆作法施工工艺，所谓逆作法是先建房后压桩，而且压桩可以与上部建筑同步施工成为立体交叉作业，因此桩基施工就可以不占工期，时间就是金钱，经济效果也就可想而知了。②当新建的工程中采用了其它的桩基方案，如打入桩或水泥土搅拌桩、注浆等加固技术，而在实施过程中经动测检测后，发现有缩颈、断桩、偏斜、桩端接头脱开等的缺陷桩或地基承载力不足，此时基坑已经暴露，围护变形增大，大型桩基施工机具已无法投入场地进行补桩，而采用锚杆静压桩可以顺利补桩。③当已建工程由于种种原因，比如：建筑物周围进行深基坑开挖，造成建筑物发生较大的不稳定沉降，甚至开裂，可以采用锚杆静压桩进行基础托换加固。④当工程由于勘测不详、设计有误、造成建筑物不均匀沉降而发生严重倾斜，但由于上部结构刚度大、整体性好，只发生整体倾斜，上部结构没有或少量裂缝，可以采用锚杆静压桩辅以掏土、冲水，对建筑物进行纠偏加固。⑤原有建筑物需要增加层数，地基土上荷载增大而地基承载力又不适应时，锚杆静压桩也是最理想的托换加固方法，其优越性是其他地基加固方法无可比拟的。1．2．4锚杆静压桩研究现状及研究展望在这二十多年中，锚杆静压桩已在很多工程中成功得到应用，取得巨大的技术经济效果，使事故工程化险为夷，积累了一定的工程经验，初步建立了锚杆静压桩技术的理论。一、锚杆静压桩研究现状①目前国内关于锚杆静压桩桩理论分析研究主要有：刘力．兴【8】根据锚杆静压桩沉桩时桩周土体的实际受力状态，提出了两种不同的计算方法：静力学方法和机动法。静力学方法是以小孔扩张理论为基础，考虑了竖向荷载的影响，提出了一种计算桩周塑性区的实用计算方法；机动法是考虑了桩周土体的塑性流动，假定速度场，根据能量守恒的原理推导出桩周塑性区半径的计算公式。张德吲9】系统阐述了土的应力历史原理，并与锚杆静压桩技术的融合应用，对软5 第一章绪论土地基地区相似的增建或改建工程具有理论和实际意义。陈文、施建勇‘101对饱和粘性土中静压桩的沉桩机理及挤土效应进行了空间分析，他们提出的在平面圆孔扩张理论基础上发展空间轴对称解析方程，并结合有限元分析和静压桩离心模拟试验相互论证考虑空间性的方法，相对于平面分析更具现实意义。李永盛【l”假定桩周土体是理想的弹性体，并符合摩尔一库仑准则，推导得到一个计算锚杆静压桩桩周土体塑性区半径的实用公式，并得出求解桩的径向挤土力计算公式。以小孑L扩张理论为基础，考虑了竖向荷载的影响，提出了一种计算桩周塑性区的实用计算方法。李月健、陈云敏【12】用圆孔扩张模型和影像的手段求解在基桩贯入过程中周围土体内产生位移场的理论表达式，求解在沉桩过程中周围土体内产生的应力场，超静孔隙水压力分布与消散，地基土在沉桩前后强度变化等问题。陈刚‘13】把锚杆静压桩压桩过程桩周土体的本构关系看作是水平面的平面应变小孔扩张问题，利用小孔扩张原理，结合弹性力学和塑性力学的知识，对压桩后土体的性状作出分析，得出桩对土的挤扩作用力、桩周土体塑性半径、弹性区的位移，压桩完成瞬时桩周土体弹性区和塑性区的超孔隙水压力以及桩端球形孑L扩张的扩张力。艾剑峰【14l考虑了桩周土体塑性区的体积应变，对锚杆静压桩压桩后土体的性状进行分析；用解析的方式研究了当土体存在附加应力时，静力压桩对桩周土体的影响，得出压桩后桩周土体与桩的相互作用力以及桩周土体的塑性区范围，并通过实际工程计算不同土层、不同土体参数对桩土作用力以及桩周土体塑性半径的影响，为锚杆静压桩的使用及推广在理论上做了一定的铺垫。顾尧章【l5】本文从土力学的观点，对锚杆静压桩的压桩力与单桩承载力、锚杆桩与旧的基础的荷载分担、施工的工后沉降、锚杆桩的长径比、桩身接头、桩位的布置等问题进行了比较深入的讨论，并提出了设计和施工方面的具体建议。②锚杆静压桩终压力的确定韩选江教授【l6】提出了利用静力触探的p。来预估压桩力。根据两根试桩的实测数据，建议采用下式估算压桩力P=眠+矽p∑Z‘，式中R，Z根据静力触探确定。刘俊龙m1用静力法将静压桩承载力理论公式进行修证P=膨∑19。强+田础AP式中倥，∥分别为静压桩沉桩时桩端、桩侧阻力系数。6 硕士学位论文郑刚、顾晓鲁f181认为在软土地基上静力压桩的压桩力与桩周灵敏度有关，提出按下式估算在软土中沉桩时的桩侧摩阻力：Q=up∑堕警矗，式中&为桩身第f层土的灵敏度；矾为考虑桩侧涂抹作用影响系数碾=O．8一O．9。朱晓林、袁相瑞(1988)详尽地分析了压桩机理，把桩周土随着桩的压入分为三个区段，并按下式计算沉桩阻力尸=肼∥砀“‘+口P锋，式中鸟∥qp根据静力触探e换算，鲳为桩入土深度的折减系数，∥，=塑尘铲。’张明义‘191将球孔扩张理论应用于桩端土，结合桩侧土的滑动摩擦，建立了球孔扩张一滑动摩擦计算模式，成功地用于模拟计算压桩力。另外，黎志中【捌，武汉静力压桩协会‘2¨，储王应、王能民‘211，朱小林‘221，谢树彬‘231等也提出了不少理论的或经验的压桩力计算公式。③工程叙述在很多关于锚杆静压桩的文章中，只是叙述了锚杆静压桩在工程中的实际应用，比如锚杆静压桩在托换加固中的应用、锚杆静压桩在纠偏工程中的应用、锚杆静压桩在新建工程中的应用等。在这类的文章中，只是将锚杆静压桩的工程应用实例叙述出来，并没有结合理论性的东西进行分析。二、锚杆静压桩研究的展望锚杆静压桩才经历了二十多年的发展历史，在很多方面都还不完善，需要深入的研究：①锚杆静压桩技术应用于新建或已建工程的设计计算理论研究，特别是桩承载力确定及其时效性研究；各种形式的补桩加固的合理桩数确定和沉降计算。②锚杆静压桩承载力检测方法的研究。目前很多静载试验只适用于大直径桩，对象该技术的小直径桩很少有人进行研究。③先建房后压桩对地基土的物理力学性能改变的研究，为单桩承载力确定和沉降计算提供重大依据，大量工程实践表明，锚杆静压桩桩基工程实际沉降量远远小于常规计算沉降量。④建筑物二边外侧布桩，取消满堂和中间布桩，其桩基受荷机理的研究，对新建和已建建于天然地基上的超标建筑物，通过对建筑物二侧外挑基础补桩加固后，建7 第一章绪论筑物沉降速率明显减小，总沉降量得到有效控制，建筑物的倾斜得到及时制止；如果今后在新建工程中采用二侧补桩方案，对节省工程造价，降低建房成本，加快建房工期都具有重大的工程经济意义【13】。⑤锚杆静压桩施工方面的研究。例如当基础宽度不够或毛石基础时锚杆的埋置方法研究等。⑥设计新型压桩设备，配备自控电脑，在压桩施工中，通过实时监控直接提供压桩力、桩长等有关指示，做到智能化压桩施工。1．2．5锚杆静压桩研究的重要性改革开放以来，随着我国经济建设的迅猛发展，为适应城市建设的发展，锚杆静压桩作为集锚杆和静力压桩两项技术于一体的桩基施工新工艺，其适用范围非常广泛，既用于建筑物的托换加固又用于建筑物的纠倾加固，不仅可以对危旧房屋的基础进行托换加固，对施工不良的桩基工程补充承载力，还可以对场地比较狭窄、环境条件复杂的新建工程实行逆作法桩基础施工，其适用范围不仅仅局限于以前的单一的托换加固作用。根据我国情况，因锚杆静压桩如下几个方面的因素，致使对锚杆静压桩托换技术的研究在建筑业中占有重要的地位‘241：①由于勘察、设计、施工或使用不当，造成既有建筑开裂、倾斜或损坏，而需要进行地基基础加固。这在软土地基、湿陷性黄土地基、人工填土地基、膨胀土地基和土岩组合地基上较为常见。②改变原建筑物使用要求或使用功能，而需要进行地基基础加固。其中以扩大建筑使用面积为目的的增层较为常见，尤其以不改变原有结构传力体系的直接增层为主。增层荷载按原结构的梁、柱、基础传递。公用建筑或单层或多层工业厂房等因增加使用面积、改善使用功能或对原生产工艺进行改造而进行增层、改建或扩建改造等，这种改造势必引起荷载的增加，造成原有结构和地基基础承载力的不足等等。③周围环境改变，如地下工程施工、周围工程施工、深基坑开挖对既有建筑产生影啊而需进行地基基础加固。④我国建国初期至20世纪70年代末建造的大量工业建筑、公共建筑和住宅建筑，已接近或超过设计基准期，需要根据现状逐步进行加固改造，以延长其使用年限。⑤因遭受人为或自然灾害(如水灾、火灾、地震等)造成建筑物的损坏，需要进8 硕士学位论文行加固改造，以恢复房屋的安全度。1．3本课题研究的内容及意义1．3．1本文研究的内容本文通过对锚杆静压桩应用情况调研以及典型工程地质勘察资料、设计资料、静载试验资料等的收集分析和整理，结合桩基承载理论和静压桩的普遍研究方法，主要在以下几个方面对锚杆静压桩进行分析研究：(1)分析了锚杆静压桩加固机理，阐述了用于锚杆静压桩沉桩机理分析的一些理论，对锚杆静压桩桩土作用进行分析，整理归纳出承载力的影响因素，针对影响锚杆静压桩承载力的因素，提出锚杆静压桩承载力计算公式，并介绍其在某工程中的应用。(2)提出锚杆静压桩压桩力定义及研究意义，整理归纳出压桩力的影响因素，对于终压力与承载力关系进行分析，通过总结工程实例给出设计压桩力取值建议，对锚杆静压桩终压力控制标准进行了分析，并提出了终压力控制标准方法，最后提出终压力与承载力的经验公式并结合南京某工程进行分析，具有一定的工程应用价值。(3)对锚杆静压桩在桩周土有无附加应力两种情况下的沉降及承载力情况进行了有限元模拟；对锚杆静压桩在不同桩长、不同长径比以及桩土模量比情况下桩侧摩阻力进行有限元模拟，得出一些有用的结论。(4)对锚杆静压桩提出自己的静载试验方法，总结出试验中的不足并提出建议。1．3．2本课题研究的意义目前我国运用锚杆静压桩技术对既有建筑地基基础加固技术的研究虽然还处于方兴未艾的阶段，需加强对其试验与理论研究，多积累资料，现已取得了一些成果，且发展迅速，已经引起了业内人士的关注。近年来全国各地需要进行地基基础加固的既有建筑迅速增加，而且已经完成了一批风险高、难度大的工程项目，取得了较好的经济效益和社会效益。在规范编制方面，新编了国家行业标准《既有建筑地基基础加固技术规范》(JGJl23．2000)，经建设部审查，批准为强制性行业标准。土木工程各专业学会也多次举办学术活动，进行技术交流和研讨，这些都将有力地推动锚杆静压桩技术在既有建筑地基基础加固领域技术进步和发展，更好地将锚杆静压桩托换技术运用于工程实践。可以讲：锚杆静压桩的运用为岩土工程治理提供了一个有效的方法。9 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析大量文献对锚杆静压桩的承载力与施工时的压桩力方面研究较多，关于锚杆静压桩的加固机理研究较少，而且要研究锚杆静压桩的承载力以及沉桩阻力，首先要从分析其加固机理开始，研究锚杆静压桩加固机理也是研究其他问题的重要基础。2．1锚杆静压桩加固机理锚杆静压桩加固机理是利用锚杆将上部结构的部分荷载通过桩身和桩尖传入地基较深的持力层，减轻基础持力层的负载，从而达到控制建筑物过大沉降以及不均匀沉降的目的。(1)桩可提供承载能力锚杆静压桩虽断面较小，但在静压力作用下贯入土层中也对周围土体进行排挤，当然其挤土效应要远小于断面尺寸较大的静压桩。桩贯入土层时桩尖首先直接使土产生冲剪破坏，孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生急剧上升的超孔隙水压力，扰动了土体结构，土的抗剪强度降低，侧摩阻力也明显减小，桩周一定范围内的土体形成塑性区(见图2．1)，锚杆静压桩就是利用这个特性用较小的压桩力把桩压入深层土中。沉桩完成后，随着时间的推移，桩周土体中孔隙水压力逐渐消散，土体发生固结，土的抗剪强度及侧摩阻力逐步恢复和提高，从而使工程桩获得较大的承载力，也就是说锚杆静压桩承载力的发挥主要是由桩侧土体摩阻力的恢复来贡献的。一般而言，越是软土地基，锚杆静压桩获得的后期单桩极限承载力相对越高。—lj7、耐口岛————P_．、采I，蚶+／1、—～、乳、，r-、‘—l≮了图2—1桩周塑性区剖面示意图Fi92一lThesectionaldrawingofplasticalreaarOundpile(2)桩与原基础共同工作将桩段从压桩孔处压入地基土中，将桩与基础底板或桩基承台连接形成整体，使新桩基与原建筑物基础共同承担荷载，提高加桩区域的承载力，达到减少沉降的目的。lO 硕士学位论文经过锚杆静压桩处理的地基基础，其受力模式可看作是地基基础一桩一桩间土共同承担荷载的群桩基础。就锚杆静压桩而言，其特点之一是先做基础后压桩，而且在压桩前基础承载力已经得到充分发挥；特点之二是锚杆静压桩直径较小，其截面远比基础底面小；特点之三是锚杆静压桩的长径比较大，桩的性质属于摩擦端承桩。用作危房加固的锚杆静压桩，其所提供的承载力对危旧房屋基础仅仅起到补充承载力、控制沉降的作用。抑止危险房屋的基础沉降是锚杆静压桩进行托换加固的主要目的。因此，锚杆静压桩对危险房屋进行托换加固，是比较理想的变形协调的原基础一桩一桩间土共同作用的理想模式。(3)荷载分担比的概念及设计要点锚杆静压桩与原基础的荷载分担比，就是建筑物地基基础经锚杆静压桩加固后，锚杆静压桩所承担的荷载与原基础承担的荷载的比值，它取决于桩顶基础的沉降是否与地基的变形相协调。如果基础下土面下沉，而桩顶基础不随之下沉，则就会出现上述基础底面与土面脱开的情况，在这种情况下，桩与基础土就无共同作用可言。要是桩项与基础底面土层协调一致地变形(沉降)，则可以分别按比例计算浅基础承载力和桩的承载力。当群桩基础承担上部荷载时，压入的桩与原地基基础的受力可以是不均衡的，其各自的荷载分担值随着荷载的变化而发生转移，例如，在锚杆静压桩加固建筑物加层的地基工程中，新荷载未施加之前，建筑物荷载基本上是直接作用在原有地基基础土层上的，当新增加的荷载作用时，地基基础土层在新增加荷载的作用下，土体产生弹塑性变形，变形的土体逐渐将荷载传递至桩上，达到一个稳定的荷载分担值，形成新的平衡体系。在实际操作上，往往根据被加固基础的实际荷载的需要，确定锚杆静压桩应补充的承载力额度，一般情况下取三七开的居多，即原来的基础承担70％的荷载，锚杆静压桩承担原有建筑物荷载的30％，必要时可以提高到50％，甚至更大些，其分担比往往取决于建筑物对变形的要求。2．2锚杆静压桩承载力定义及现有理论2．2．1锚杆静压桩承载力定义结构极限承载力与结构的破坏状态相关。结构的破坏通常是按照应力状态为标准的。现有的强度理论都以应力状态理论[251为基础，具体概念为以主应力的组合并且换算成相当应力，将换算成的相当应力与某单向应力强度试验值比较。 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析在土力学中，土的破坏理论通常是指土的剪切破坏，当土体的剪应力等于土的抗剪强度时的临界状态称为“极限平衡状态”，用的较多的是摩尔一库仑理论，摩尔认为材料受荷载时，发生破坏的是剪切破坏，并且在破坏面上的剪应力是法向应力的函数。库仑通过一系列土的强度试验，于1776年总结出土的抗剪强度规律：砂土：0=仃‘增矽(2一1)粘性土：f，=万’增矽+c(2—2)土的抗剪强度指标趴矽分别称为内聚力和摩擦角，有专门的仪器进行试验后确定，测定土的抗剪强度的常用仪器有：直接剪切、三轴压缩仪、无侧限压缩仪和十字板剪切仪。《建筑桩基技术规范》给出的桩基极限承载力定义：单桩竖向极限承载力一单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或者出现不适合于继续承载的变形时对应的最大荷载，也就是沉桩过程结束后，桩周土体产生固结并且强度得到恢复后，桩所能承受的最大荷载。对于摩擦桩，根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力。锚杆静压桩属于摩擦端承桩，同样适合上述定义。2．2．2锚杆静压桩加固机理分析的一些理论除了靠试验现象解释锚杆静压桩加固机理，还可以用理论或数值方法来研究锚杆静压桩沉桩阻力、桩基承载力及沉桩挤土形式及其引起的土中孔压的产生以及消散过程、桩周土体强度变化、土体的垂直隆起及水平位移和桩的极限承载力的变化等问题，它是对试验方法的补充完善和理论升华。20世纪70年代起用于分析压桩问题的理论方法主要为圆孔扩张法，如Randolph‘拘、Ganer等人【271、及Chow&The【28J，都采用此法分析压桩过程，求出了不同的桩周土有效应力、超孔隙水压力及位移场的计算表达式，国内也有不少人也用此法进行大量的研究【291。在八十年代前后则有应变路径法【删，但该法忽略土单元的旋转，也忽略了有如地面隆起的基础表面效应。随着计算机技术的发展，有限单元法越来越多地被用来分析压桩问题，也有人用大变形有限元来分析，但都存在着土体本构模型的局限性及参数选取的问题。现归纳一下常用的几种理论：(1)圆孔扩张理论圆孔扩张理论包括柱形孔扩张及球形孔扩张。经典的圆孔扩张法假设土体是理想12 硕士学位论文弹塑性体，材料服从1沁sca或Mohr-Coulomb屈服准则，根据弹塑性理论给出无限土体内具有初始半径的柱形孔或球形孔，被均匀分布的内压力所扩张的一般解。圆孔扩张法提出之后，经过Vesic，C矾er，Randolph等人的发展，已经成为解决沉桩挤土效应的一种最常用方法，这与圆孔扩张法形式简单、易于求解是密不可分的。圆孔扩张理论被广泛应用于静压桩沉桩挤土的分析，其基本思想就是将静压桩的压桩过程看作是在半无限体中扩张出一个与桩同直径尺的圆形小孔(若为锚杆静压预制方桩，需要转换为等面积的圆形桩来分析)，扩孔完成后，在孔的周围将形成塑性区，设其半径为尼，如图2．2：(．④■＼＼塑性区／／‘、、～一一一／弹性区图2．2圆孔扩张示意图图2—3圆孔扩张的微元体示意图Fi92—2Pile-holeexpansionFi92·3RepresentativeelementaJVolumcofp融holeexpansion圆孔扩张课题是平面应变轴对称问题，采用极坐标描述，见图2—3，取一微元体，可以建立问题的平衡微分方程为：几何微分方程为：堕+堡二鱼：odrr一．dU，‘=言。一U，岛2』(2—3)(2_4)(2—5)在求解过程中，需要假设沉桩问题是轴对称或球对称的，严格限定各变量如位移场、应变场、孔压场等仅仅依赖于径向坐标，并且依赖于土体的弹塑性模型。虽然圆孔扩张理论能很好地给出轴对称或球对称情况下的应力场、应变场，但对于竖向的孔隙水压力及位移场的变化不能给出具体的表达式。这一点与静压桩的实际情况不相符合。(2)应变路径法Bali曲(1986年)认为用圆孔和球形孔扩张理论来分析静压桩的贯入过程至少有两方面的问题：土体中的位移和孔压是径向的，对深度方向没有考虑，不能模拟稳态贯入过程。为克服圆孔法的缺点，Baligh等人经过近10年的研究，提出了应变路径13 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析法。他分析了光滑的圆头桩贯入土体的过程，得到独立于土体本构关系的应变场。这个方法的特点在于，桩在贯入土体的过程中，不考虑土的本构关系就可以比较准确地确定土体的位移场，然后通过微分求出应变。将贯入过程模拟为单个以速度v扩大的球形孔沿竖向的匀速运动，通过对应变路径，即3个偏应变￡(江l，2，3)的分析，从而得出桩体贯入过程中的土体位移和应变情况。应变路径法有以下两方面优点：一方面可以考虑静压桩在贯入过程中，土体变形与竖向坐标之间的关系；另一方面，可以考虑桩身贯入的连续性。但是，应变路径法忽略了桩土间的接触面效应，应变路径法也是一种近似方法。(3)有限单元法通过理论方法得到的解析解答只能从有限的角度对桩土进行分析，而应用有限元法可以模拟桩体贯入的复杂过程，可以解决沉桩过程中的几何非线性和材料非线性双重非线性问题，其模拟结果还可以用图形方式直观显示。通常，静压桩贯入土体的有限元分析采用小变形或大变形两种模型。小应变模型：在小应变模型中，桩体预先置入钻好的土孔中，周围土体仍处于初始应力状态，然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯入阻力。该过程并不完全正确，因为按小应变模型计算的桩侧应力非常小。实际上，静压桩在贯入土体过程中，桩体将产生很大的侧向应力。大应变模型：为弥补小应变分析的缺馅，大应变模型则通过考虑材料非线性和几何非线性来模拟沉桩过程，由于桩与土之间有较大的滑动，对于桩土界面的处理，常采用滑动面算法。但是，有限元法模拟桩的贯入过程还存在许多实际问题‘31】：a．贯入的过程是桩、土相互作用的过程，因此对桩土之间的接触面的分析十分重要，但目前有限元对这方面的问题没有解决好；b．贯入过程是一个连续的三维扩张过程，有限元方法无法精确的模拟，虽然Chopra、Mabsout等人做了努力地尝试，但由于实际压桩问题的复杂性，不得不采用一定的简化措施，从而使贯入过程得不到很好模拟；c．有限元的计算精度严重依赖于本构模型的选择，以及相应参数的确定；而现阶段，土工试验中试样制备的难度大，模型参数的精确确定有很大难度，因此有限元的最终结果可能有较大误差。14 硕士学位论文2．3锚杆静压桩桩土作用及承载力影响因素分析2．3．1桩土体系的荷载传递锚杆静压桩的荷载传递机理如图24：根据静力平衡条件，有：Q：=Q胛+Q_。一w；(2—6)式中G一桩的极限荷载；g。一桩的极限侧阻力；岛。一桩的极限端阻力；％一桩体自重，一般忽略不计。在竖向荷载作用下，桩受的荷载通过桩侧阻力以及桩端阻力传递到桩周土层中去，其荷载传递关系如图2．4所示。图24桩土体系荷载传递分析Fig．2_4Theloadtransfer卸alysisOfpile粕dsoil从图可得出任一深度z处桩身截面的荷载为：竖向位移为：微分段比的平衡方程：得桩侧阻留(z)为Q(z)=蜴一uf吼(z)比毗鳓一去胁)比[Q(z)+坦(z)]一Q(z)=一留(z)ד×比g(z)：一三掣式中“一桩身截面周长；Q(z)一桩身轴向力。微分桩段的压缩变形出(z)与轴向力Q(z)之间的简单关系D渤缈∞∽㈤㈣圳，L 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析Q(z)：一AE掣口Z式中A、E一桩身截面积和弹性模量故得比)=一等掣(2—11)(2—12)这就是桩的荷载传递的基本微分方程‘291，借助于实测的方法，测得桩身的位移曲线s(z)，于是由式(2—11)和式(2．10)可得桩身轴向力和桩侧阻力分布曲线。也可测得桩身钢筋的应变或应力，从而算得桩身轴向力，再由式(2—10)求得桩侧阻力。2．3．2桩侧阻力的性状本节首先考虑圆桩的侧阻性状，对于方桩后面将着重介绍其角点效应。桩身受荷向下位移时，由于桩土问的摩阻力带动桩周土位移，相应地，在桩周环形土体中产生剪应变和剪应力。该剪应变、剪应力一环一环地向外扩散(如图2-5)，在离桩轴以(，l=8—15，d为桩的直径，，l随桩顶竖向荷载水平、土性而言)处剪应变减小到零。离桩中心任一点r处的剪应变为：，．：丝=坐：王(2-13)，．=——=一=oIZ。IjJ。dr6rG、。式中：G一土的剪切模量，G=毛／2(1+以)；毛一土的变形模量；以一土的泊松比。图2—5桩侧十变形、剪应变和剪应力示意图Fig．2-51’hedrawing0fsoildefbnnedaroundpile、shearstrajnandshears仃ess相应的剪应力，可根据半径为厂的单位高度圆环上的剪应力总和与相应的桩侧阻力吼总和相等的条件求得：2刀r■=砌，(2·14)16 硕士学位论文剪应力为t=导吼(2—15)将桩侧剪切变形区(，．=耐)内各圆环的竖向剪切变形加起来就等于该截面桩的沉降量Ⅳ，将式(2—15)代入式(2—13)并积分：得F撕2F争亿峋w：毕吼执(2，z)Eo”‘。设达到极限桩侧阻力g。所对应的沉降为w：I，则(2—17)睨=毕‰执(2，z)(2-18)CO由式(2．18)可见，发挥极限侧阻所需位移帆与桩径成正比增大。桩侧阻力的性状是随桩径、土性、土层相对位置而变化的。不过，大量的测试结果表明，发挥侧阻力所需相对位移一般不超过10mm，即先于端阻力发挥出来。2．3．3锚杆静压桩单桩破坏模式锚杆静压桩在竖向荷载作用下的破坏包括：桩周地基土的强度破坏和桩身截面强度的破坏。单桩的破坏模式主要取决于桩周与桩端下土的性质及桩的类型。图2—6为典型的Q—J曲线(荷载一沉降曲线)示意图。图2-6典型的Q—s曲线示意图Fig．2—6nedrawingoft”icalQ一占curVe(a)软弱十层摩擦桩；(b)端承于硬土层中的摩擦桩；(c)嵌入坚硬岩石的端承桩；(d)孔底有虚士的摩擦桩；(e)桩身有缺陷的桩 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析2．3．4承载力的影响因素①土的性质与土层分布桩侧土的强度与变形性质影响桩侧阻力的发挥性状与大小，从而影响单桩承载力的性状与大小，桩侧土的某些特性，如湿陷性、胀缩性、可液化性、欠固结等，将在一定条件下引起桩侧阻力降低，甚至出现负摩阻力，从而使单桩承载力显著降低。桩侧土层的分布不仅影响桩侧阻力沿桩身的分布，而且影响单桩的承载力，如湿陷性土、可液化性土、欠固结土层分布于桩身下部，则会使因这些土层的沉降而产生的负摩阻力的中性点深度大于这些土层分布于桩身上部的情况，从而使单桩所受下拉荷载增加，承载力降幅增大。软硬土层、粘性土与非粘性土层分布的相对位置也会影响桩侧阻力的发挥特性。桩端持力层的类别与性质直接影响桩端阻力的大小和沉降量，低压缩性、高强度的砂、砾、岩层是理想的具有高端阻力的持力层，特别是桩端进入砂、砾层中的挤土桩，可获得很高的端阻力。高压缩性、低强度的软土几乎不能提供桩端阻力。②桩身强度桩身结构对承载力的影响，即核定桩身最大轴向抗压强度是否超过桩的设计承载力。一般情况下，桩周土的侧向约束足以阻止桩的侧向变形与失稳，可不考虑纵向弯曲问题，但桩周为液化土或极软土等特殊情况时，侧向约束可能丧失或极其微弱，因此必须计入桩的纵向弯曲的影响。考虑桩身纵向弯曲时，其对桩身结构强度的影响以稳定系数矽来反映。缈是桩的长径比的函数，对于钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩，在进行强度计算时考虑不同的稳定系数∥321，即可获得相应的桩身纵向弯曲强度值。对于不考虑纵向弯曲的桩身结构强度计算，《上海地基基础设计规范》(DBJ08．11．89)【331对长期荷载作用下的预制桩、预应力混凝土桩分别作了相应的规定，也可供其他软土地区参考。在锚杆静压桩设计中，若知道混凝土等级及配筋情况，则可由混凝土强度及钢筋强度等级及配筋情况来按桩的强度计算单桩极限承载力标准值：尺t=导(尺。A+尺；A；)(2—19)式中：R一锚杆静压桩承载力标准值；K一建筑物设计安全等级；R一混凝土强度标准值；A一混凝土面积；尺：，—钥筋强度标准值；A，一钢筋面积。 硕士学位论文③时间效应锚杆静压桩压入土中，经过一段时间歇期，其极限承载力么会变化，这就是其极限承载力的时间效应。锚杆静压桩单桩承载力的时间效应与土的类别以及土的性质有关。在一般情况下，砂性土层中的时间效应与粘性土层中的时间效应会有显著差别。在粘性土层中承载力增加主要是因为：1)土的触变时效。施工初期，桩周土经沉桩挤压，土体产生裂缝，土中的部分吸附水变成自由水，强度降低。而在施工完成以后，土粒、离子和水分子体系，随时间推移而逐渐趋于新的平衡、土体建立新的结构，使损失的强度随时间的推移逐步恢复。2)固结时效。压桩完成以后，沉桩引起的超孔隙水压力逐渐消散，同时桩侧土在自重应力和沉桩扩张应力的共同作用下固结，土的有效应力和密实度逐渐增大，强度逐渐恢复甚至超过其原始强度。3)桩周一小部分土体由于受竖向剪切和径向挤压而完全重塑。这使桩在贯入时阻力变小，但随时间推移，这部分土体的剪切强度会慢慢提高，最终大于外围的土体剪切强度，形成了附着于桩表面的一层“硬壳”，相当于增加了桩体产生摩擦承载力的表面积、从而使桩侧摩阻力显著增长。表2—1是南京某锚杆静压桩工程(黏性土中)承载力增长情况。锚杆静压桩承载力增K情况表2．1Thebearingcapacityaccelerationofanchorjackedpile7rab．2—1桩设计桩设计单桩极施』终压力静载试验最大加最大沉承载力增长系数号长(m)限承载力(kN)只(kN)载Q。(1(N)降量C=QHfP。(mm)15群13．540055018．7>1．37536#12．538053014>1．3962#12．538058015>1．528l#’144lO41055016．8>1．34在砂性土层中压桩可以分为两种情况：第一种是在松散砂层中压桩的情况，压桩扰动使原来比较脆弱的砂层结构遭到破坏，原来比较松散的砂层结构很快重新组合成比较密实的新结构，形成了比原土体较大的抗剪强度。在这种情况下，压桩终止时的静摩阻会比压桩时的动摩阻增长好多。第二种是密实度较大的砂性土压桩的情况，在密实砂层中压桩时砂粒之间会产生相互挤压、咬合和摩擦，在桩身四周局部范围内的砂层会应力集中而处于紧张状态。这种暂时的紧张状态会随着时问延长而慢慢松弛，局部的集中应力会随着时间的延长而弥散，这种现象称为应力松弛(stress19 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析relaxation)【州。压桩终止、桩顶压桩力卸除后，桩周局部范围内的砂粒会发生因卸载而引起的相对滑动，颗粒重新排列，桩周的应力会不同程度地释放，桩端和桩侧的阻力就会降低，在这种情况下单桩承载力会显著下降。但锚杆静压桩承载力时间效应主要表现在桩侧摩阻力的时间效应上，端阻力的时间效应表现很小。1948年Terzai曲i与Peck报导了压入夹有薄层粉砂的软粘土地基中，断面300mm×300mm、长26m的试桩，经过一个月时间，侧摩阻力增长约3倍(如图2—7)。∞乱jC＼R蛊憋晷辑④桩的几何特征桩压入天数／da．长径比盹2骂三竺墨拦耋‰桩的总侧阻力与其表面积成正比，因此为提高桩的承载力，可采用较大比表面积(表面积与桩身体积之比A，y)的桩。桩的直径、长度及其比值(长径比L，d)是影响总侧阻力、单桩承载力的主要因素之一。相同的土层，采用不同的桩径、桩长，可获得明显不同的单桩承载力。这将着重在第四章进行有限元模拟。b．角点效应现阶段，锚杆静压桩的承载力一般按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)或《建筑地基基础设计规范》(GBJ7．89)规定计算，但误差较大。规范计算的时候认为在同一土层处的桩周侧摩阻力相等对方桩和圆桩都适用，作者经过分析，认为规范所提供的公式较适用于圆桩，对方桩则有较大偏差。锚杆静压桩普遍用的是小截面预制方桩，由于桩周土体对桩的约束不均匀，侧摩阻力的不均匀，桩周中心处与角点处的侧摩阻力并不一样，不能直接采用圆桩的计算公式，而是在角部小，在边长的中点大。就方桩而言，如果是大直径桩，其角点效应的影响小，如果是小直径桩，其角点效应的影响大。锚杆静压桩考虑角点效应时的承载力计算见本章2．4．2节。⑤深度效应的影响理论研究和工程实践已经发现，单桩承载力有比较显著的深度效应，桩的入土深度愈大，有利于单桩承载力提高的深度效应愈显著。这是土的天然固结压力对桩端阻 硕士学位论文力和桩侧力摩阻影响所致。有的地基基础设计规范在确定预制单桩承载力端阻和侧壁阻时已经有所体现，在确定单桩承载力时应按桩的入土深度进行修正。2002年以前的国家标准《建筑地基基础设计规范》均附有具体的修正表格，表格中桩的入土深度以20m为界。在其他指标相同的条件下，入土深度超过20m的桩，承载力取值提高了一个级别。显然，桩的入土深度愈大，深度效应也愈显著。锚杆静压桩的入土深度与承载力的关系详细研究过程见第4章有限元模拟。2．4锚杆静压桩承载力计算公式2．4．1承载力随时间增长的估算有效地确定单桩承载力随时间的变化是桩基工程中的一个重要课题。目前定量考虑静压桩承载力时间效应的计算公式还不多。在理论公式方面，国外的剑桥大学等机构(1978)提出了“有效应力法”的研究；A．G．Heydinheretal(1989)结合小孔扩张理论和荷载传递法计算出了不同时间的桩基承载力；D．w．Hohmeyer(1989)考虑了土体不排水强度随时间增大而引起的承载力变化。这些借助模型试验和科学理论提出的公式在模拟现场时有很多不足之处，故应用不大。通过以上的分析，可得出结论：①锚杆静压桩的承载力呈双曲线增长；②单桩承载力的增长主要来源于桩侧摩阻力的增长，桩端阻力对承载力时效的影响较小。另外，试验表明，桩侧土与桩的摩擦力，或者说土的强度也随时间呈双曲线规律增长。考虑到锚杆静压桩一般用于粘性土中，其极限承载力随时间的变化可用式(2．20)表示：Q。，=Q。o(1+％)(2—20)式中Q。。一桩的初始承载力(f=0时)，l【N；q一在时间f桩的极限承载力QⅢ和对于Q。。的增长率。％：挚：÷(2-21)‘Q。o讲+6、。口，易为桩径、桩长和土质有关的经验系数，可根据不同休止时间f对应的Q甜回归确定。桩基承载力的最大增长率为：‰=lim熹=昙(2-22)口f十D口2l 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承栽力分析最大承载力为：Q懈=Qo(1+‰)(2-23)有学者研究可塑偏硬的粘性土桩侧摩阻力的时间效应问题，并提出以下经验回归公式：‰=‰o+1．8×35(1m3577)×f删(2—24)式中‰。一初始扰动土侧阻力(kPa)；f一固结时间，自桩入土后算(d)。式(2．24)的条件直接与土有关，与特定的土层和桩参数无联系，设计时直接采用。根据有关试验和分析，静压桩的承载力随时间呈双曲线增长，如果以终压力值作为零时刻的极限承载力，则式(2．20)变为：玩=￡(1+嘭)(2—25)式中只一静压桩施工时终压力值，l(N；其余符号意义同上述几个关系式。在实际工程设计中考虑桩基承载力时效性时，应首先对一定地基条件上常用尺寸桩的承载力进行不同休止时间的试验，在此基础上，统计确定式(2—21)和(2—22)中的经验系数口，扫，进而确定％。应用时再根据终压力值￡和静压桩设置后休止时间f，利用公式(2．25)便可推算出工程完工时的极限承载力线，据此进行设计。2．4．2考虑角点效应方桩承载力确定图2．8和图2．9分别为规范计算模型和修J下计算模型。顶{刚方相E图2—8规范计算模型图2．9修正计算模型Fig．2—8CalculatiOnmOdelOfcodeFi92—9Themodifiedcalculationmodel考虑到圆桩桩周受力的均匀性，对于预制方桩则对四个角点进行打磨处理，设打 硕士学位论文磨半径为兄，即方桩四个角点由四段倒角圆弧组成，如图2．10，建立这个模型的目的是让方桩的受力模式更接近于圆桩。因而在圆形截面计算公式的基础上，考虑方桩的截面特征对公式进行修正，现引入一个形状系数七。来进行折减，即：吼‘=(1一虹)吼(2-26)式中：吼’一修正后计算模型的侧摩阻力；吼一规范计算模型的侧摩阻力。对于红的取值，作者建议取：屯：譬(2—27)D式中：R一倒角半径，即此时不考虑角点效应；易一方桩的边长。图2一10带倒角的方形截面Fig．2—10Squ骶crosssecti伽witIlcomerradius由于桩周四角点受到内部钢筋的限制，倒角半径足一般都比较小，本文建议取R=(0．05一O．07)易。所以考虑角点效应时锚杆静压预制方桩的极限承载力公式为：Q=Q，。+Q。=留|口～+(1一颤)u∑吼Z(2—28)f=l2．4．3锚杆静压桩承载力综合计算法前面所述：锚杆静压桩承载力时间效应主要表现在桩侧摩阻力的时问效应上，端阻力的时间效应表现很小，同时锚杆静压预制方桩在桩侧摩阻力上也表现出尺寸效可J10 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析应，下面推荐的综合计算法着重考虑锚杆静压桩的侧摩阻力。同时考虑时间效应和尺寸效应，锚杆静压方桩的极限承载力为：Q=鳞。+Q。式中万一时间效应系数；恕一形状修正系数。=鸟p～+万(1一七，)u∑姒(2·29)对于万的取值，可以参考2．4．1节的内容，即：万：l+—L口f+易此时式(2—29)变为：Q鸹Ap+(-+熹)(1-w喜毗∞3。，在具体工程中，先对一部分锚杆静压桩进行静载荷试验，根据不同休止时间f对应的Q埘回归确定参数口，易，然后再根据式(2．30)可求出每根桩的极限承载力，它无须对每根桩进行静载荷试验，就可以了解桩的实际极限承载力，对工程有一定的指导意义。本章2．6节将具体介绍式(2—30)在某工程中的应用。2．5锚杆静压桩承载力其它测试方法桩基设计的最终目的是使桩基能满足上部结构在承载力和允许变形方面的要求，目前确定锚杆静压桩承载力还有以下几种：(一)按规程经验公式《建筑桩基技术规范》中认为单桩的轴向荷载是通过桩侧摩阻力和极端阻力来支承的，因此，单桩的极限承载力Q也由这两部分提供，即：Q=Q。+Q朋(2-31)式中Q。二桩端总极限承载力；Q。。一桩侧总极限摩阻力。为了便于计算，假定同一土层中的摩阻力是均匀分布的。于是得到Q的经验公 硕士学位论文式如下：Q=∑互A+呸A式中互一桩侧单位面积上土的极限摩阻力；(2-32)矿—桩端上的极限承载力；A—各土层中的桩周表面积；A一桩端横截面面积。桩侧总摩擦力和桩端总极限承载力的极限值，可查阅《地基基础设计规范》或通过静力触探试验确定。(二)静载荷试验法承载力最直接最可靠的检测方法是静载荷试验。我国与许多国家现行地基基础规范和工程实践均将静载荷试验置于优先地位，作为工程中的标准试验方法，并是其它检测方法的比较依据。由现场实测，得出每级荷载p下的桩项沉降量s，作出p—s曲线，再由曲线上近似直线段的终点所对应的荷载p，即可视为单桩承载力‰。由于一般静载试验费时费钱，试桩占用施工场地，影响了其它施工工序的进行，这是许多业主感到难以接受的问题，故不可能在每项工程中都采用。对于重要的建筑工程以及新型桩，则宜进行静载试验。锚杆静压桩静载试验是利用原压桩设备进行静载试验，设备简单，成本低，其具体试验方法将在第五章介绍。(三)动力测桩法【35】【36】【37】【38】【39】桩基础的质量和承载力的确定，目前工程界除了使用静载试验方法外，还常用动力测桩法。动力测桩法一般是在桩项作用一动荷载，如瞬态竖向作用力或简谐振动力等，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应。在桩侧安装力、速度、加速度或位移传感器，以量测桩土系统的振动响应，用波动理论分析和研究应力波沿桩土系统的传递和反射，并对所采集的信号进行分析和处理，从而判断桩身阻抗变化和确定桩承载力。按测试时土的动应变大小，动测法又可分为低应变动测法和高应变动测法两类。目前，国际上多采用高应变法测定桩的极限承载力，而应用低应变法检测桩的质量和完整性。高应变动力检测主要是采用凯司法测定单桩竖向极限承钱力。低应变动力检测包括反射波法、声波透射法、动力参数法和机械阻抗法等，在我国应用极为广泛， 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析约有90％的检测单位采用低应变法。由于低应变法具有软硬件价格便宜，设备轻巧，测试过程简单等优点，在目前高应变设备还比较少，不能满足用户要求的情况下，低应变法作为评价桩承载力的一种补充手段，仍可继续加以利用。+(四)原位测试法对地基上进行原位测试，利用桩的静载试验与原位测试参数间的经验关系确定侧阻力和端阻力。常用的原位测试法有下列几种：1)静力触探(CPT)；2)标准贯入试验法(S门)；3)旁压试验法(PMT)。锚杆静压桩对工程地质勘察除常规要求外，静力触探是极为重要的一种勘察手段。锚杆静压桩在施工过程中受力特点与静力触探非常相似。锚杆静压桩压桩施工受到设备能力、锚杆直径、桩身强度的限制，对几(比贯入阻力)>7MPa的砂性土层不易压入穿透，故静力触探配合常规勘察可提供适宜持力层，同时还可提供沿深度各土层摩阻力和持力土层的承载力，从而可预估单桩极限承载力。为锚杆静压桩桩基设计提供较为可靠的设计依据，这是锚杆静压桩技术设计和施工必不可少的资料。这三种原位测试法具体方法相关规范有详细介绍，这里不做论述。(五)理论计算法【13】利用小孔扩张原理，结合弹性力学以及塑性力学的知识，对压桩后土体的性状作出分析，得出桩对土的挤扩作用力、桩周土体塑性半径、弹性区的位移，压桩完成瞬时桩周土体弹性区和塑性区的超孔隙水压力以及桩端球形孔扩张的扩张力，从而求出．单桩极限承载力。根据公式(2—31)计算：其中一Q刖=J：∥(z)。玩(z)+s(z)’疵．(2-33)或Qp。=∑“·墨·艺f-1瓯=曰：·A式中∥(z)，从一深度为z或第f层土，桩之间的摩擦系数；s(z)，墨一深度为z或第f层土处桩周长；(2—34)(2—35) 硕士学位论文玩，Z一分别为桩周、桩端扩张力。桩周扩张力其中桩端扩张力其中矾2％‘Ql+C‘c屹’=(1+sin纠(0‘sec缈)1+甜婶nn口E‘=(％’一1)·cot伊L=志卜面瓦毛丽蠢=巳·Q1+C·c吃：等等．[L．]嵩u3一sin矽L”J疋=(巳一1)‘cot矽。=忐以上式中尼’，E’一为桩侧小孔扩张系数，无量纲；屹，C一为桩端小孔扩张系数，无量纲；(2—36)(2—37)(2-38)(2—39)J，，，，，，，。’一分别为刚度指标、桩周修正刚度指标、桩端修正刚度指标。理论计算法计算的是锚杆静压桩的最终承载力，即考虑桩周土体的重固结已经完成，桩周超孔隙水压力完全消散，而且桩并未伸至地下水位以下。如果桩周存在水压力，那么计算时需用有效应力进行计算，理论法具体计算过程见文献【13】。(六)综合学科法应用计算模型对桩基承载力进行分析时，必须定量研究三种不确定性因素，即土性参数不确定性、几何参数不确定性和计算模型不确定性【40"411。许多岩土科技工作者独辟蹊径，抛开纯力学方面的研究，借鉴并应用跨学科领域知识，提出了确定单桩承载力的新方法。文献【42】考虑了三种不确定性因素，通过计算机随机模拟试验的方法提出了确定桩基承载力的概率分布方法。考虑到桩一土之间的关系很难全面准确地确)》)加讲轮，㈣㈣，凹渊啡凹州 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析定，文献【43】利用灰色理论中GM(1，1)模型预测桩基极限承载力。由于通过残差辩识总可以使预测值与试验值很好地接近，这样可根据荷载试验中的压力与沉降曲线前部分试验数据，用灰色理论预测曲线的后半部分，达到较高的预测精度。人工神经网络(NN)尤其是BP神经网络可以模拟任意复杂的映射，并具有非线性优化功能，文献【44】用BP神经网络建立确定单桩承载力的预测模型。以上各种方法用于锚杆静压桩的承载力预测或检测有一定的优越性，但也具有难以克服的缺点。其中用有限元分析的一个缺点是模型参数不易准确确定，而静载试验的优点在于原位试验的可靠性好‘451。利用静载试验确定参数用于有限元模型分析，则可使两种方法得到互补。2．6实例分析(1)工程概况本工程为南京江宁某住宅小区开发工程，楼层设计高度为6层住宅楼，其基础采用沉管灌注桩，由于在桩上堆土，沉管灌注桩发生大位移偏移，后用锚杆静压预制方桩250咖×250mm进行加固。(2)场地土质情况1．1层杂填土：灰色，主要由碎砖石、建筑垃圾、粉质粘土等组成，碎石含量20％～30％，底板埋深O．20～1．90m，层厚O，20～1．90m，场地普遍分布。1—2层素填土：灰色，主要由粉质粘土组成，结构松散，欠均质，底板埋深O．50～4．oom，层厚O．20～3．50m，场地普遍分布。2．1层粘土：灰黄色，可塑状态，欠均质，光滑，韧性，干强度中等。底板埋深1．oo～5．20m，层厚O．50～3．50m，场地普遍分布。2．2层淤泥质粉质粘土：灰色，流塑状态，稍有光滑，韧性，干强度中等，偶夹粉土。底板埋深3．90～18．40m，层厚1．oo～15．70m，场地大部分分布。3—1层粉土粘土：深灰色，灰绿色，可塑，光滑，干强度中等，韧性中等，底板埋深3．oo～17．30m，层厚O．20～4．60m，场地大部分分布。3．2层粉土粘土：灰黄色，可塑，夹粉土。稍有光滑，韧性，干强度中等，底板埋深5．oo～18．30m，层厚O．60～7．10m，场地大部分分布。4．1层强风化粉砂岩：紫红色，呈密实砂土状，岩芯采取率70～95％，遇水极易软化，崩解，底板埋深6．80～20．oom，层厚O．20～3．60m。 硕士学位论文4—2层中风化粉砂岩：紫红色，裂隙较发育，呈闭合状，岩芯呈柱状、短柱状，岩芯采取率90～95％，大于10cm岩芯长度与回次进尺比为70～80％，最大控制深度大于28．30米，最大控制层厚度10．30米。4．2A层中风化泥岩：紫红色，节理，裂隙较发育，呈闭合状，岩芯呈柱状，岩芯采取率95％，大于lOcm岩芯长度与回次进尺比为80～90％，遇水极易软化，崩解，最大控制深度为27．00米，最大控制层厚度9．30米，场地局部分布。4—2B层中风化泥岩(破碎带)：紫红色，节理，风化裂隙发育，岩芯呈柱状、块状，局部裂隙中夹粘土性矿物，岩芯采取率65％～95％，遇水易软化，崩解，最大控制深度为27．oo米，底板埋深14．70～16．50m，层厚1．50～4．90m米。(3)各试验桩的计算值及静载试验结果本工程取勘察报告中给出的勘探点处的桩进行分析，共选取了14根桩进行分析，其中对33#、18#、5l静、2矿、32#五根桩做了静载试验，其余试验桩按照公式(2．30)进行计算，结果见表2．2。试桩参数表Theparameteroftestedpiles表2．2Fig．2—2休止时间静载试验勘探孔号桩号桩长(米)端阻力(kN)侧阻力(kN)(天)结果(kN)JC3233#6．7150万×O．93×175．512360JK3218#7．2150万×O．93×173．513360JC3l51#9．7150万×O．93×228．316440C2l2矿15．1150万×O．93×331．514560JK2232#l1．5150万×0．93×266．725520(4)经验公式预估结果采用统计分析软件sTATISTICA对做了静载试验的五根桩进行统计分析，分析结果为：口=O．701868易=33．1392l即时问效应系数万=l+二=1+—————二——一口f+D0．‘701868×f+33．1392l上述参数代入式(2—30)，可解出其余九根桩的极限承载力，如表2．3： 第二章锚杆静压桩加固机理及单桩承载力分析承载力经验值TheexperientialValueofbearingcapac时表2．3Tab．2—3休止时间承载力经勘探孔号桩号桩长(米)端阻力(kN)侧阻力(kN)(天)验值(kN)J1813#8．5150万×O．93×201．910384．5C301∥10．5150万×O．93×252．712452．8JC33l矿8．1150万×O．93×207．116412．1JNl21静10．5150万×O．93×244．319470J1726#15．1150万×O．93×338．712555．9C1915群12．1150万×O．93×277．514492．1JK21埘16．1150艿×O．93×356．316600．8JN9讲15150万×O．93×317．518561．4C2058#15．5150艿×O．93×334．720593工程中只需对一部分桩做静载试验，然后根据每根桩的休止时间，可统计出公式(2．30)中的参数口，易，然后根据其余桩的休止时间可求出其极限承载力值，用公式(2—30)确定极限承载力对粘性土的小直径桩承载力具有一定参考价值。公式(2—30)可能对某个具体工程、某种桩型适用，而对其它地区却只是起到借鉴的作用，并不适用。但它研究的思路是确定的，得出的函数是千变万化的，因此重在不断总结本地区经验。2．7本章小结本章首先从三个方面介绍锚杆静压桩加固机理：1)桩可提供承载能力；2)桩与原基础共同工作；3)荷载分担比及设计要点。接着阐述了用于锚杆静压桩沉桩机理分析的一些理论：圆孔扩张理论、应变路径法、有限单元法。对锚杆静压桩桩土作用进行分析，重点介绍以下几个方面：沉桩机理、桩土问的静力平衡、桩土问的荷载传递、单桩的破坏模式。整理归纳出承载力的影响因素：1)土的性质与土层分布；2)桩的几何特征及桩身强度；3)时问效应；4)角点效应；5)深度效应。然后针对影响锚杆静压桩承载力的因素，提出锚杆静压桩承载力经验公式并介绍了其它承载力确定方法，最后介绍该经验公式在某工程中的应用。 硕士学位论文第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究3．1压桩力定义及确定的意义静压桩的压桩力是沉桩过程中压桩机械为克服桩尖土层的冲剪阻力和桩周土摩擦力所施加给桩的“准静压力”。说它是准静压力，是因为这种静压力是相对于动力打桩而言的，该压桩力没有冲击。实际上，压桩时桩身一直在做着较低速度的运动。终压力￡是桩尖达到持力层终止压桩时出现的最终静压力。终压力过大容易把桩压坏，而终压力过小，桩无法达到合适的持力层，单桩承载力达不到设计要求。对于同一种型号(截面、长度、砼强度)的桩，只要选用～个适当提高的终压力，即可以获得更高的承载力，从而大幅度降低基桩工程造价，确定终压力有以下两方面意义：(1)在设计初步或开工前试桩阶段估算单桩竖向承载力特征值(作为辅助方法和补充手段)：已知桩的终压力(心)、桩的入土深度及桩周土地质情况，可很快估算出该桩的竖向极限承载力(Q)，从而可求得该桩的竖向承载力特征值(耽)，对设计和施工的技术人员甚至操作人员都有很好的指导作用。(2)选择施工用的千斤顶、反力架、确定终压控制标准(一种简便的初估手段)：已知桩的入土深度(根据工程地质资料预估)、土质情况及桩的竖向承载力特征值，可很快求得需要的终压力，从而可合理地选择适合施工用的压桩架及千斤顶，确定终压控制标准，保证压桩质量，降低工程造价。3．2影响压桩力的因素分析压桩阻力的大小和分布规律的影响因素主要是压桩速度及时间间隔、土质情况、土层分布、桩尖锐角、硬土层厚度、埋入持力层深度、桩数、桩距、施工顺序、施工设备等，下面就几个重要的影响因素进行分析：一、滞留时间(时间效应)压桩过程中如发生停顿，随着间隔时间的推移，对于粘性土，一部分孔隙水压力会消失，桩周土会发生径向固结，使土体密实度增加，土的抗剪强度及桩身侧壁摩阻力也趋于增长，尤其是扰动重塑的桩端土体的强度得到恢复，致使压桩阻力随时间增长而增大较大，间歇时间的长短对继续下沉的桩尖阻力无明显影响，主要对桩侧摩阻力的增加影响较大，最后导致压桩困难，造成桩段压不下去、桩头压碎或压桩架被抬 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究起等质量事故。对于诸如砂性土等透水性较强的桩周土，则由于超孔隙水压力消散很快，从而使压桩阻力会有一定幅度的降低。因此，锚杆静压桩施工应连续作业。作者对南通某工程选取r、5静两根试桩进行不同滞留时间的复压试验，试验结果见表3一l、3．2和图3．1、3—2，从图表中不难看出复压所需的压桩力也是随时间的增长而增加，初期增加较快，随时间的延长而趋于平稳。因此预制桩在接桩时应尽可能快，否则会因压桩阻力的增加导致重新压桩时桩身的破损以致该桩被迫停止。试桩压桩力与滞留时间关系表3—1PressureforceandresidencetimeOftestedpilesFig．3-1桩滞留时间滞留后压桩力压桩力增量压桩力增长率压桩力增量／滞留时间号(min)(kN)(％)(kN／h)2467153．324505482296．43482#10497449．71264305267316．111466059914030．514030526449．1388605557315．15735#9058510221．126872061413127．12lO．92200400滞留时『口J缸n)罟耀赡备鬻测莨e压桩速度甘褥嬲主各僦号压桩速度洲)率(％)(1【N)率(％)图3．128试桩压桩力与滞留时间关系曲线Fig．3-lTherelationcurveOfpressureforceand1．esidencetimeofNo．2pile32图3．25。试桩压桩力与滞留时间关系曲线Fig．3—2Therelationcurveofprcssu佗forceandresjdencetimeofNo．5pile谜艘半磬，静半轷，■靼R辑目 硕士学位论文二、土质情况及土层分布在黏性土中沉桩时，压桩阻力主要来自桩尖向下穿越时冲剪土体产生的阻力，而此时的桩侧阻力比较小。当桩尖穿越不同土层时，压桩阻力会发生突变。桩尖处在某一土层中时，压桩阻力基本保持不变或略有波动。压桩后随时间推移，单桩承载力显著提高。桩尖由上层土进入软硬程度不同的下土层时，因为桩身进入下层土的长度很小，故桩侧阻力变化很小，可以认为压桩力的变化主要是因为桩端力变化引起的。桩尖上的土阻力反映桩尖处附近范围土体的综合强度特性，这一范围的大小决定于桩的尺寸和桩尖处土体的破坏机理，它与桩尖处附近土层的天然结构强度和密度、土层的分层厚度和排列情况、桩尖进入土层的深度等多种因素有关。压桩工程实践表明，影响桩端阻力的范围为桩端上下各2．5倍桩径(或边长)左右是合适的。若桩端阻力影响范围内存在强度差异较大的土层时，根据一些静压桩试验和一些文献的成果，总结出软硬不同的双层或三层地基上静压桩贯入时的沉桩阻力变化情况(图3—3)共分为四种：(1)当桩尖处为硬土层，桩尖以上2．5倍桩径范围内存在软土层时，软土层的存在会明显降低桩端阻力，压桩阻力决定于桩尖以上2．5倍桩径范围内上层强度的平均值，见图3—3(a)。(2)当桩尖处为硬土层，桩尖最大截面以下2．5倍桩径范围内存在软土层时，压桩阻力取决于桩尖最大截面以下2．5倍桩径范围内土层强度的平均值，见图3—3(b)。(3)三层地基，中间为硬土层，且硬土层厚度小于3．5d，当桩尖处于硬土层中，桩尖以上2．5d和桩尖最大截面以下2．5d范围内均存在软土层时，压桩力取决于桩尖以上2．5d范围和桩尖最大截面以下2．5d范围内上层强度的平均值中的较小值，见3．3(c)。(4)三层地基，中间为软土层，且软土层厚度小于桩尖长度，当桩尖处于软土层中，压桩阻力取决于桩尖以上2．5d范围或桩尖最大截面以下2．5d范围内土层强度的平均值中的较小值，见图3．3(d)阻力Pj／l(N(a)33 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究耋一乓l硬十层／暑_十刮》∥珥Ilffll图3．3桩端沉桩阻力变化图Fjg．3—3、，a—ationofpiling1．esist胁ceatpilel)oint表3．3记录了南京江宁某工地的实测压桩力。从记录的数据看，压桩力的大小随土层变化而波动变化。南京江宁某工程实测压桩力数据Pressureforcedatesofsomeenginee^nginNanjingJiangning表3．31’ab．3．3深度压桩力删)1#1扩14#15#3旷31#34群35群232403240243．548564024564564064486．588725672568864888728871889．512088120881201118415214410416814412．52331681841681431320023222423220025615．528l2653052652492801728128l29832936l26531318．5328360328312328三、桩尖锐角为了研究桩尖锐角对压桩力的影响，作者就选取尖、平桩底两种桩来对比分析。在图34中，桩尖土锐角么ACB的大小对压桩时楔入土层的影响作用明显，一般在桩的制作时，取450～550。在粘性土中沉桩时，尖、平桩底锚杆静压桩的终压力差异不大；在非粘性土中沉桩时，桩尖锐角愈小，则桩尖剪切区图34桩尖下假设的破坏图Fig．3_4Supposeddamage—graphofpilepoint 硕士学位论文对土层产生的冲剪作用愈显著，并使压桩阻力有所减小。使桩尖锐角变小后，对单桩承载力影响不大，但平桩对后期沉降量略为有利。3．3终压力与承载力的关系及终压力控制3．3．1压桩力与承载力的相关性第一点，终压力与单桩承载力是两个不同的概念‘铜。终压力是终止压桩前的施加的荷载，每次持续的时间通常仅有数秒钟或几十秒钟，而单桩竖向承载力是桩能抵抗由上部结构传来的长期荷载的能力。土层分布与土质情况、桩的类型及截面尺寸、桩长、排水条件等因素将导致终压力与单桩承载力之间的关系是个变数。对于锚杆静压桩，大多桩身长，其承载力的发挥主要不是取决于桩端土层的支撑力，而是取决于桩侧土层的摩阻力，此时桩周土体抗剪强度恢复充分，桩侧表面的侧摩阻力远大于滑动摩擦力，其极限承载力将大于施工终压力值：第二点，终压力与单桩承载力又是密切相关的。承载力是在终压力的基础上，经过触变恢复和固结时效发展的，在桩周土未达到充分固结恢复之前的承载力，称为广义承载力。从这个意义上说，终压力是零时刻的广义承载力，而不同时刻的广义承载力都收敛于桩的真实极限承载力。对于锚杆静压桩压桩时最终压桩力与单桩承载力的这种内在关系，国内有关规范已经作了相应的规定，但不同的规范对两者关系的取值不尽一致。1994年颁发的上海《地基处理技术规范》规定：对于粘性土，设计最终压桩力为设计单桩容许承载力的1．2～1．3倍；对于填土和砂土，设计最终压桩力为设计单桩容许承载力的2倍。2000年的国家行业标准《既有建筑地基基础技术规范》规定：压桩力应达到单桩竖向承载力标准值的1．5倍。该技术规范没有区分粘性土还是砂性土，一律取1．5倍的规定值。2003年颁布的浙江省标准《建筑地基基础设计规范》吸取了国内有关规范的合理部分，提出了相应的规定：对于粘性土，压桩力宜大于单桩承载力特征值的1．2倍；对其他类土则宜大于单桩承载力特征值的1．5倍。比较国内这三个与锚杆静压桩有关的规范可以看出：上海规范和浙江规范对粘性土和砂性土分别规定了各类土的压桩力设计值取值标准，而既有建筑规范规定的压桩力设计值则比较笼统。3．3．2由终压力推算极限承载力的方法国内不少文献对静压预制桩的承载力与压桩力的关系进行了一些研究，而这些研35 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究究大都基于300×300mm2以上的预制桩或高强预应力管桩，对于300×300mm2以下的小截面静压预制桩的研究很少，因此对这一方面的研究很有必要。锚杆静压桩作为一种挤土桩，可以用常规的确定承载力的方法，如用土的物理指标与承载力参数之间的关系确定，也可用静力触探指标计算等。但锚杆静压桩能够显示压桩力，这是它不同于其他桩型的地方，完全可以用来推算承载力。尽管直接寻求压桩力与单桩极限承载力间的普遍关系目前还难以实现，因为靠简单的两、三个参数并不能反映出桩长、桩截面尺寸、桩侧桩端和下卧土层的组成情况及土性特征等复杂因素。但压桩力与单桩极限承载力之间的内在联系是存在的。可以用以下两种方法寻求终压力与极限承载力的关系H7】：方法一：回归区域性的经验公式，这种方法最为常用，公式往往是结合某种具体的土层特定条件提出，使用这些区域性的经验公式，有时可以达到满足工程精度要求的结果；方法二：通过分析桩的承载力的固结特性、时效性等提出的计算方法，即所谓的理论方法。比如，首先把终压力作为广义极限承载力，通过复压试验求得桩在不同时刻的广义极限承载力，作出承载力提高的全程曲线，最后推得承载力。本章主要介绍第一种方法，具体内容将在下面介绍。3．3．3设计压桩力的取值建议及终压力控制目前国内规范对确定锚杆静压桩有关设计压力的规定还没有统一，这在一定程度上给锚杆静压桩的设计与施工带来了一定的困难。为了便于工程实际应用，经查阅大量文献，并根据南京地区收集到的几个进行过静载试验的锚杆静压桩工程，进行归纳总结，得出锚杆静压桩压桩力与承载力之间的关系，工程数据见表34：锚杆静压桩工程资料Theengineeringdateofanchorjackedpile表34Fig．3．4承载力特征值吃终压力￡工程序号试桩编号桩长(m)桩径(mm)Pu}R，(kN)1并13．3200×200168．72531．499工程一42静13．1200×200166267．51．6ll(粘十)84苷12．1200×200158．082911．8411彬13．5200×2001553031．955 硕士学位论文3#21．2200×200322．54581．42工程二1矿23．5200×200339．84521．33(粘士)29#16．5200×200263．1410．41．568桴32．1250×2504815821．21工程三17軎27．5250×250390557．61．43(粘士)22#26．3250×250373．45191．39磷33250×250409503．11．2312撵24200x20027l383．51．42工程四16#18．6200×200220354．21．6l(粘土)2矿2l。3200×200253336．491．3329弗17．5200×200213．4324．41．526#34250×250488624．61．28工程五13静30．5250×250466587．21．26(粘十)26#27．8250×250431564．61．3l13#16．5250×250230432．41．88工程六55#18．2250×250260501．81．93(砂土)83襻15．6250×250212415．521．96ll。18．6250×250267488．61．83工程七33静19250×250280537．61．92(砂土)6矿23．3250×250310471．21．521矽22．6250×250301484．61．6l工程八5扩20．2250×250275489．51．78(砂土)57#16．7250×2502394421．859l静21．3250×250292490．561．68根据表3．4的工程统计资料，本文提出如下确定设计压桩力的取值建议：(1)在粘性土层压桩：当压桩深度小于20m时，设计压桩力取单桩承载力特征值的1．5—2倍；当压桩深度为20～30m时，设计压桩力取单桩承载力特征值的1．3一1．5倍；当压桩深度大于30m时，设计压桩力取单桩承载力特征值的1．2—1．3倍。(2)在砂性土层压桩：当压桩深度小于20m时，设计压桩力取单桩承载力特征值37 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究的1．8—2倍；当压桩深度大于20m时，设计压桩力取单桩承载力特征值的1．5—1．8倍。(3)对于设计等级较高的重要建筑物，锚杆静压桩的设计压桩力可参考国家现行规范通过单桩静载荷试验确定。综合锚杆静压桩施工的特点和各地、各部门的规定，本文提出紧密结合以下两种方法来控制终压力。方法一：见≤顾4厶+如￡)(3—1)式中，厶为混凝土轴心抗压强度标准值(kPa)；A，为桩身截面积(m2)；‘’为纵向钢筋的抗压设计强度标准值(kPa)；色为全部纵向钢筋的截面积(m2)；驴为稳定系数，见2．3．4节；尸为锚杆静压桩安全工作系数，7=0．8—1．0。方法二：作者在几个工程设计和施工中，根据工程的性质和地质条件，采用以下方法控制：{≥篓dp2，气Ij—Z●【以≥吼、。式中￡为实际终压力；吃为设计终压力；也为实际桩长；以为设计桩长。终压可按压桩力、设计桩长，单项或两项同时控制，一般以终压力控制为主、桩长控制为辅，各地区都有一些经验。在工程实际应用中，应根据地基土质状况和桩的工作特性来灵活地确定终压力。作者参与的工程实践表明采用以上两种控制条件可行，工程取得满意效果。3．4压桩力与承载力的经验关系式目前，还没有一种完全成熟的理论方法来确定施工终压力与单桩竖向极限承载力的关系，现有的一些经验公式主要是根据当地地质情况并结合实际工程求出的，例如文献【17】[49】[50】[51】[52】分别提出了适合本地区的静压桩承载力经验公式，用这些公式推算出来的承载力虽具有一定的误差，但完全可以用于实际工程。大量的文献提出单桩极限承载力与终压力的关系可用式(3—3)来表示：Q=圮(3—3)38 硕士学位论文式中姨一静压桩的单桩极限承载力；乞一静压桩的终压力值；七一效应系数。但在做锚杆静压桩设计时，一般利用《锚杆静压桩技术规程》(YBJ227．91)中式2．2．4来计算单桩承载力：己(￡)=砟。艺1=去‘砟·级(3-4)^r—M、’二式中￡(D一设计最终压桩力；￡一单桩承载力特征值；砟一压桩力系数：式(3—3)、式(3-4)分别考虑了单桩实际极限承载力幺、终压力值￡、设计极限承载力线三者之间的两两关系。综合考虑以上三个参数并结合试点工程试验，本文提出按下式来估算锚杆静压桩单桩极限承载力：Q=口￡+崩如(3—5)式中￡一静压桩终压力值；玩一设计单桩极限承载力；口，∥一分别为上面两项的分担系数。本文考虑到一般的工程地质勘察报告都要提供出拟建场地上许多勘探点的静力触探试验资料，以全面反映该场地的地质剖面图，作者就选取这些勘探点附近处的桩进行分析，以保证计算结果的准确性。在用式(3．5)估算锚杆静压桩竖向承载力时，可先通过两根试桩的终压力、静载试验得出的极限承载力、结合地质勘察报告和规范计算的极限承载力，推算出口，∥，再根据工程中其它桩的终压力、设计极限承载力，来估算各桩的实际极限承载力，如果地层土质分布比较均匀，采用以上经验公式得出的极限承载力与静载试验结果相比，误差较小。39 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究3．5工程实例为了验证式(3—5)的准确性，作者结合南京江宁某工程进行分析。(1)工程概况本工程为南京市江宁某住宅小区开发工程，楼层设计高度为11层住宅楼，其基础采用预应力管桩，由于土质较差，桩基施工后发生大位移偏移，后用锚杆静压桩进行加固。锚杆静压桩设计桩长14m，桩径200mm×200mm，单桩竖向极限承载力330l(N。(2)场地土质情况①层素填土：褐灰色，灰色，软塑或可塑状态，主要由粘土组成，上部见碎砖、垃圾等杂物，下部见植物根茎等，该层局部为杂填土。场区普遍分布，该层层厚：O．70～3．50m，层底埋深：O．7～3．50m。②一1层粉质粘土：黄灰一灰色，软塑或可塑状态，无摇震反应，土切面稍有光滑，干强度低一中，韧性低一中，该层土质不均匀，局部地段该层下面见少量粉土团块。场区普遍分布，该层层厚：O．40～2．50m，层底埋深：2．00～4．00m。②一2层淤泥质粉质粘土：灰色，饱和，流塑状态，摇震反应中等，切面无光泽，干强度低一中，韧性低，该层局部见腐殖质。场区普遍分布，该层层厚：1．70～10．20m，层底埋深：5．oo～12．oom。②一3层淤泥质粉土：灰色，青灰色，稍密状态，很湿，含有云母碎片，局部见腐木片，该层摇震反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，该层分布不均匀，局部为流塑状态的淤泥质粉质粘土。场区普遍分布，该层层厚：1．80～9．40m，层底埋深：11．50～16．00m。③一1层粉土：青灰色，稍一中密状态，很湿，含云母碎片，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，局部夹薄层粉质粘土，层状，厚度l～5cm，有水平层理。场区普遍分布，该层层厚：2．40～】o．40m，层底埋深：16．50～24．40m。③一2层粉质粘土：青灰色，软塑状态为主，局部为流塑或可塑状态，该层有轻微摇震反应，无光泽反应，干强度低，韧性低，该层不均匀，局部混有粉土，无层理，从空间上看，该层分布不均匀，局部缺失此层。该层层厚：3．oo～17．50m，层底埋深：29．50～34．oom。⑤层强风化砂岩，紫红色，组织结构基本破坏，矿物成分已经发生显著变化，岩石已风化成块状，碎块状，呈密实状态。场区仅部分钻孔揭露此层。 硕士学位论文(3)静载试验桩的选择本幢建筑物共给出了8个勘探点，作者选取这8个勘探点附近的8根桩进行试验，桩号分别为1#、矿、4矿、48#、77#、84#、133#、14矿，勘探点及试验桩的位置如图3—5：J2◎C5◎J2—1C：口]口◎f《Z133Z77口Z42Z1．．．．．．．．．．．．．．—JLl——JL．．．．，JJLJ一LI．一—_JL一广——1厂。●●-。。_________——_______●-_●_一口口口[。。。’●。●_‘‘——]口=二][J___________——_’_________———]厂—]型曲刮口口曲刮口固U叫z7旦—]厂]厂]厂]厂习厂]厂]厂]固厂]厂]_______-__。。。。___—●◎一勘探孔口——试验桩图3．5勘探点及试验桩的平面布置Fig．3—5Theplanean．angeofexplOrepointsandtestedpiles(4)试验桩的终压力及静载试验结果由于8根试验桩处的土层情况明确，可算出各试桩的设计承载力。在施工的过程中，严格控制桩长，桩长以进入③一1持力层O．5m计算，各试验桩的参数(桩长、设计极限承载力、终压力、静载试验结果)如表3．5：各试验桩参数Theparamcteroftestedpiles表3．5Tab．3—5勘探孔号桩号桩长(米)设计极限承载力(kN)特征值(kN)终压力(kN)静载试验结果(1(N)C31#13．3330168．7253363J47静14．27339166．08251．6363J2—142群13．07332166267．5429J4．148并12．8327．84163．92292．2396C277撑12．8326163275．6396C68矿12．06316．16158．08291429J2133#14．8360180308．4396C51彬13．5310155303429(5)经验公式预估结果先选取1#、7#桩，代入公式(3．5)：1363=口×253+∥×330I363=∥×251．6+∥×339解得：O82■们蚴叭饥=盯∥r●●，‘●【 第三章锚杆静压桩压桩力控制方法研究把口，∥和表3-5代入式(3—5)，可求得其余各桩的承载力经验值，结果如表3-6：承载力经验值表3-6TheexperientialValueofbeafingcapacit)，Tab．3·6桩号42舟48#77#84#133#140#经验承载力(kN)380．76409．65389．4406．11434．88419．4(6)经验值与静载试验结果的比较经验值与静载试验结果的比较表3．7’111ecomparisOnbetweenexperientialValuesandresults0fstaticlOadtestsTab．3—7桩号经验承载力(kN)静载试验结果(kN)偏差42梓380．76429一12．6％48#409．653963．33％77弗389．43961．70％84舟406．1l429—5．64％133#434．883968．94％140#419．4429—2．29％由表3．7可知，用公式计算的承载力经验值，与静载试验结果相比，其误差较小，用公式(3．5)也可计算出其余桩的极限承载力，用它确定承载力和判断沉桩的可能性具有一定参考价值，它省去了繁琐的静载试验，节约了资金。3．6本章小结本章首先提出锚杆静压桩压桩力定义及研究意义，整理归纳出压桩力的影响因素：1)滞留时间；2)土质情况及土层分布；3)桩尖锐角。对于终压力与承载力关系进行分析，通过总结工程实例给出设计压桩力取值建议，对锚杆静压桩终压力控制标准进行了分析，指出承载力与压桩力并不是单纯的几倍关系，并提出了自己的控制标准方法。最后提出终压力与承载力的经验公式并结合南京某工程进行分析，对于本工程具有一定的意义，但该经验公式中有些参数只能代表该场地情况，并不具有普遍性。42 硕士学位论文第四章锚杆静压桩的有限元分析本章运用PlaXis软件对锚杆静压桩的沉降及承载力进行模拟，对模拟结果进行了分析，并对锚杆静压桩不同桩长、长径比、桩土模量比与桩侧摩阻力之间的关系进行了有限元模拟且进行了分析。首先对有限元软件Plaxis进行介绍。4．1有限元程序简介近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值计算已被学术界和工程界广泛的采用，大大促进了岩土工程的发展，使复杂的岩土工程分析和设计简单化和直观化。本论文所采用的Plaxis程序是由荷兰的Delft瞰hnicaluniversity研制的著名的岩土工程有限元软件。P1axis能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适用于岩土工程变形和稳定分析。Pla)【is程序能够计算三类工程问题，即平面应变问题、轴对称问题和三维轴对称问题。对于非线性有限元和土与结构物的接触面的研究也都有较好的效果。该软件能够模拟各种常见结构、各种元素和土体的接触面、锚杆、土工织物、隧道和桩基础等元素，解决其数值分析的问题，同时考虑了工程中岩土体与结构物之间存在的分界面的影响，它能够用不同的计算单元分别模拟桩身、土体各自的性状及其相互作用关系。4．2有限元程序的功能及特点(1)图形和参数的输入土层、结构、荷载等条件的输入是基于便捷的图形输入方式，类似一个画图过程，并且可以对模型局部进行细化，用户可以方便的为要计算的问题建模，选择网格剖分的精度，并可以进行网格的自动剖分和优化。接下来根据需要计算水压力和初始土压力。为了获得较高的精度，在建模过程中，有必要取足够大的计算范围，并使假定的边界条件尽可能接近真实状态。有限元程序在处理边界时，对于下边界采用以=O、仉=O的约束边界；当左右边界垂直于下边界时，采用了水平位移以=O的约束边界，否则，采用自由边界；上边界为自由边界。对于渗流和固结问题，还应根据实际情况确定边界的透水性问题。也可根据实际情况自己重新定义边界条件。(2)网格划分PlaXis具有全自动有限元网格生成功能，并可对整体和局部网格进行细化。Plaxis在进行网格划分时，采用6节点三角形单元和15节点三角形单元两种单元形式。一43 第四章锚杆静压桩的有限元分析般情况下6节点三角形单元就可以满足精度要求，对于精度要求较高的特殊问题，可采用15节点三角形单元，单元土体如图4．1。6结点三角形土单元15结点三角形土单元图图4_l土体单元结点图Fig．4-1NodesofsOilunit(3)本构模型土体的本构关系是在分析整理试验结果的基础上提出的，反映了土体变形的特性。但试验总是在某种简化的条件下进行的，不能完全反映实际情况，因此有必要在试验基础上提出某种数学模型，把特定条件下的试验结果推广到一般情况，这种数学模型就叫做本构模型【53J。Plaxis提供了可供选择的本构模型一共有五种，分别是：线弹性模型、摩尔一库仑模型、硬土模型(双曲线模型)、软土模型(剑桥模型)、软土流变模型。线弹性模型的应用范围十分有限，仅用来模拟挡土墙、桩、锚杆等结构，其参数一共7个，分别为容重扎渗透系数七、杨氏模量E、泊松比p、内聚力厶内摩擦角缈、剪胀角y。摩尔一库仑模型在有限元是弹性一完全塑性模型，其屈服面完全由模型参数决定，而不会受应变的影响。硬土模型是一种双曲线模型，用来模拟砂土、碎石土和超固结土的性状。软土模型(剑桥模型)可用来模拟正常固结的粘性土和泥炭土。软土流变模型用来模拟与时间有关的软土性状。同时该程序还提供了用户自定义土模型的功能。(4)接触面单元的设置在PlaXis程序中，为了模拟其它材料(如桩、土工织物等)与土的相互作用，引入了接触面单元。接触面问可以传递压力，但不能承受拉力，其性质用弹塑性模型来描述。在模拟土与其它材料的相互作用时，引入参数尺毗，反映两者相互作用的程度。土与其它材料变形一致，没有相对滑动时，尺缸。，=1．O。在接触面上，剪应力用下式表示：H<吒tan仍+q件1) 硕士学位论文其中饩和q分别为接触面单元的内摩擦角和凝聚力。吒和f是作用在接触单元上的正应力和剪应力，此时，接触面处于弹性状态。当接触面处于塑性状态时，式(禾1)变为I叫=吒tall够+q(4_2)接触面的强度参数由相应的土体的强度参数乘上折减系数尺洫。，后得到：‰。，=‰。，c硎；tan纪m。，=‰。，tan织胡ckFr=尺intfrc阳ff；tan纪mP，2月i址Pr【an呼Z硎％=O。(尺int。<1时)；％=虮on(其他情况)件3)尺洫。，的取值与接触面处的材料相关，对于土与结构的相互接触问题而言，接触处土体的强度和刚度性质一般总是比连续处的土体稍差。因此，尺衄。的取值常小于1。在缺少详细资料的情况下，R衄。，的取值可按如下取值：混凝土刚性桩与砂土的接触组合，取‰，=2／3；混凝土刚性桩与粘性土的接触组合，取％。=1／2；而对于浆液加固后的水泥土接触问题，Rm，的取值往往会更高一点。(5)Plaxis计算过程在计算过程中，可以选择所需的计算类型，确定计算所需参数(如计算步骤、旋工、固结时间等)，对计算过程进行定义。Plaxis的计算类型分三类：塑性计算、固结计算、优化的网格计算(有限元网格发生了变形)。塑性计算主要是处理开挖、填筑、加载、卸载、渗流、稳定性分析等问题；固结计算主要是处理固结问题；优化的网格计算主要是处理一些有限元网格发生了变形的问题，如均布荷载作用下混凝土悬臂梁的变形等。计算过程中，有限元程序动态显示提示信息，可以直观了解主要参数的变化。计算完成后，即可进行成果输出。(6)计算结果输出在计算成果输出过程中，可以直观地了解所计算对象变形后的位移、应力、应变、塑性区、最危险滑动面(稳定问题)、渗流场(渗流问题)等。一般有三种输出形式，即矢量图、等值线图、阴影图。在输出时，可根据需要来进行选择。还有一些结构物的内力图，都可以方便直观地输出，对所计算的问题可有形象直观的认识。P1axis曲线形式的输出可以直观了解某点的应力、应变、位移、孔隙水压力等随 第四章锚杆静压桩的有限元分析时间的变化情况。这样就可以对一些重要的点进行深入研究，对危险区进行适当处理。4．3单桩沉降的有限元分析。4．3．1本构模型的选取a．土体本构模型本文有限元计算过程中，采用的是莫尔一库仑理想弹塑性模型。土工试验表明，莫尔一库仑强度理论比较符合岩土材料，同时莫尔～库仑强度理论的本构模型概念清晰，采用的7个参数中容重y、渗透系数七、内聚力c、内摩擦角缈四个参数易确定，杨氏模量E、泊松比∥、剪胀角y不易确定。在工程数据中，弹性模量E一般为压缩模量最的34倍；土的泊松比∥变化范围不大，一般在O．3～O．4之间，饱和黏性土在不排水条件下可能接近O．5；一般黏性土不考虑剪胀角，在实际应用中，可用杪=缈一够进行转化(仍为介质的内摩擦角)。该强度理论在岩土工程理论与实践中广为采用，是一个对土工计算分析而言较理想的本构模型。莫尔一库仑强度理论认为土的破坏是剪切破坏，剪切强度与土的粘聚力和法向应力有关，一旦土体内任一平面上的剪应力达到了土的抗剪强度，土就发生破坏。当采用总应力表示时，可简化表示为线性方程丁，=c+仃·增矿(式中，f和缈称为总应力强度参数，仃为剪破面上的法向总应力)；当用有效应力表示时为f，=c’+仃’留缈’(c’，缈’称为有效应力强度参数，矿’为剪破面上的法向有效应力)。b．桩本构模型由于桩的刚度比周围土体大得多，且桩在工作状态下处于弹性阶段，所以桩可假设为线弹性体。线弹性模型涉及到弹性模量E和泊松比∥这两个参数。线弹性模型本构方程如下：纠=【D№】(“)式中，陋】为弹性矩阵，表达式为：【D】=揣1∥l一∥0(4—5)称丝叫粥君 硕士学位论文式中，E、∥分别为弹性模量和泊松比。4．3．2计算模型的建立1)材料参数的设定有限元计算参数来自于勘测数据、室内实验数据、常规计算结果和经验取值。桩型采用南京地区应用较多的预制钢筋混凝土桩，桩截面200mm×200mm，在计算以及有限元模拟中，把它视作半径为113mm的桩(与方桩同等截面)，模拟桩的入土深度为14m。在桩压土之前，地基表面存在大小为40kPa的垂直向表面力，设其作用范围为半径为20m的圆形区域，计算以及模拟所建的模型宽度为30m，竖向为40m的土体，认为桩端以下土体与桩端处土体性质相同。在用有限元方法进行分析时，桩周土体的受力以及变形均为轴对称问题，将其视为平面应变问题。计算模型的地下水位元为1m，材料的参数见表4．1。2)土体单元Pla)【is在垂直于计算平面的方向是取单位厚度来进行计算分析的，对于土体采用6结点或15结点三角形平面单元，用几何线段分隔成各个实际土层，本文采用15结点三角形平面单元，在自动生成网格时对桩周网格进行局部加密以提高计算精度。有限元模型材料参数表Materialparametersofthefiniteelementmodel表4一lTab．4-1J}lEC西7砖‰材料模型∥足脚(m)(Mpa)(Kpa)(度)(1(N／(kN／m2)桩线弹性350000．16250．65摩尔一粉质粘土211．85O．31512．416．318．5O．65库仑淤泥质粉质摩尔一粘七库仑513．98O．3318．9lO15．918．40．65摩尔一淤泥质粉土5．810．170．48．87．416．217．90．65库仑摩尔一粉土27．222．020．67338．315．317．819．60．65库仑注：^一土层厚；E一弹性模量；p一泊松比；C一黏聚力；痧一内摩擦角；锄、r。一千容重、湿容重；‰，一接触比。3)梁单元梁单元可以用来模拟桩身和底板等结构物。相应于6结点和15结点三角形单元，分别采用3结点和5结点梁单元。47 第四章锚杆静压桩的有限元分析41界面单元为了模拟桩土之间的相对滑动，在桩土接触处设界面单元，界面单元用来描述两种不同材料的界面性质。土体单元厚度可以设定，默认值为O．1。它的两列结点分别属于不同的材料，其距离在变形前为零。界面单元采用理想弹塑性模型，服从摩尔准则，其与临近土层的性质有关，为该层土体的强度乘以折减系数民Ⅲ，本文中桩土接触面的尺int。，均取为O．65。5)边界条件设定计算区域底面取至坚硬岩土层，设定为完全固定支座，两边取至桩的影响区域之外，设定为水平固定支座。竖向分级荷载下单桩有限元计算模型及其网格划分(桩周及桩底网格局部加密)如图4．2、图4—3所示：图4—2桩土模型Fig．4—2T11emodelofpileandsoil4．3．3单桩荷载一沉降特性分析图4．3单桩有限元计算网格划分Fig．4—3Finiteelementmeshofthesinglepile锚杆静压桩具体静载试验方法见第五章。计算加载过程根据实际试桩加载过程分步加压，以加载增量为一个加载单位，不同加载时段单桩有限元计算结果分别如下：由图4—4所示，当加载到66Ⅲ时，桩顶荷载由桩和土共同承担。桩顶相对沉降1．23mm，桩体本身未发生变形，单桩处于线性工作阶段。48 硕士学位论文网格变形图沉降云图塑性区分布图图“加载至66kN时的单桩沉降图Fig．4_4S眦le脒Intofthesinglepilewhenload—on66kN由图4—5所示，当荷载加载到165kN时，桩顶沉降3．78mm，桩土之间的沉降差值变大，桩土局部出现塑性区，单桩开始进入非线性工作阶段。网格变形图沉降云图塑性区分布图图牟5加载至165kN时的单桩沉降图Fig．4—5Settlen硷ntofthesinglepilewhenlOad-on165kN当荷载加载到363kN，如图4—6所示，桩顶沉降10．86咖，此时绝大部分的桩顶荷载均由单桩承担，桩体开始进入塑性破坏阶段，土的抗剪强度明显降低，桩侧摩阻力也明显减小。49啕㈣蝴耋|㈣瑚㈣栅|萎删jtⅢ■日日Ⅸ&日Hid，j口0 第四章锚杆静压桩的有限元分析网格变形图沉降云图塑性区分布图图4—6加载至363kN时的单桩沉降图Fig．4—6Senlementofthesinglepilewhenload—on363kN图4—7为有限元模拟及现场静载试验两种情况下单桩桩顶荷载与沉降的关系曲线。从整个加载过程来看，沉降随荷载的增加不断增加，单桩的非线性特性逐步显示出来。由图中可以看出，该桩的单桩极限承载力约为363l(N，有限元模拟结果与静载试验结果较为接近且总体变化趋势一致：加荷初期，模拟结果与实测结果非常接近，当荷载逐渐加大时，模拟结果较静载试验结果略有增大。这说明本实例对桩土建模分析得到较好的结果。穗荆0∞仰伽200卸锄锄40D锄～划’1b奄+静勰K⋯}·有糯扫I粥捌、i二融≮、．r‘⋯V⋯-图4—7桩顶荷载一沉降曲线图图4．8桩侧摩阻力分布曲线Fig．4-7Theload—settlementcunreonthetopofpileFig．4—8Thesideresistancecurveofpile图4．8给出了363kN荷载下单桩的侧摩阻力分布，从侧摩阻力图可以判断：桩周侧摩阻力与土层有关；桩身轴力线并不是一条直线或曲线，它随土层而波动。纵观各荷载作用下的桩身轴力图可见，到了接近桩底时桩身轴力都不大，桩的承载力主要由㈣蝴蛐|耋㈣删姗珊榭M脚惭脚㈣㈣姗椭n舞嚣翻疆弼嬲湖¨H二=H¨“H鼢粥■嬲盥翻蜘砑妊翻期翻翻—■■l 硕士学位论文桩侧阻力承担，通过桩身逐渐将荷载传到桩底，说明本例中的锚杆静压桩完全是一根摩擦桩，端阻力可以不计。荷靶俐O∞1∞1∞卸卸鲫湖仰蝴’’Ⅵ’～。’：。l+郁肋【p^|力I‘～邋卜．．．r删{力【心沩l弋蚤＼17＼tq图4．9荷载一沉降曲线Fig．4—9Load—settlementcur、，e图4．9给出了锚杆静压桩在桩周土体有附加应力和无附加应力两种情况下的荷载一沉降曲线。由图可见：桩在有附加应力的情况下沉降小于无附加应力的情况，而且可以判断在附加应力情况下的单桩极限承载力大于无附加应力情况下的极限承载力。这主要是由于桩周土体在附加应力的作用下发生固结，土体参数提高，土体对桩侧的压力增大，即相当于桩周土体对桩的“握裹力”提高了，所以在附加应力作用下，锚杆静压桩将产生小的沉降并具有较大的承载力。4．4影响单桩承载力因素的有限元分析影响单桩承载力的因素很多，主要有：桩长、桩径、桩身弹性模量、桩土模量比E√E等。为了弄清各种因素对单桩承载特性的影响，现对以下几个设计参数的变化作有限元计算分析：单桩的桩长L、长径比L／D、桩土模量比B／E的影响。本节在某一假想土层条件下，考虑锚杆静压桩的承载力影响因素。4．4．1不同桩长L下单桩侧摩阻力成果分析设计桩的时候，一般根据工程的要求选取合适的持力层。设计者需要设定合适的桩长，使之满足承载力的要求。在下面的计算中，作者选取同一土层，仅仅考虑桩长L的变化对桩侧摩阻力的影响。图4．10～图4．13为四种加载情况下的桩身侧摩阻力随桩身高程的变化曲线。图中忍为桩身的高程，T为桩周的侧摩阻力，p为桩顶荷载。5l 第四章锚杆静压桩的有限元分析在桩顶荷载较小的情况下，桩长较短的桩侧摩阻力发挥的程度较大，且桩侧摩阻力随着桩深度的增加基本呈增加式分布；而对于桩长较长的桩，其侧摩阻力没有充分发挥出来，桩侧摩阻力沿着桩身的分布形态为桩顶处先增加，然后沿着深度的增加逐渐减小，而在靠近桩端附近又有少量的增加，其曲线基本呈驼峰状。桩哪9阳力T腑OT2345d图4．10不同桩长单桩侧摩阻力曲线(萨20kN)Fig．4—10SideresistaJlceofdifferentpilelength◇=20kN)扭IRt冁H匀T／I晚图禾11不同桩长单桩侧摩阻力曲线◇=40l(N)Rg．4-1lSide陀sistaIlceofdifferelltpilelengtll①卅Ol州)桶M4冁叻T／"晚15∞为图4—12不同桩长单桩侧摩阻力曲线p=60kN)图牟13不同桩长单桩侧摩阻力曲线p=80kN)Fig．4一12SideresistanceOfdiff色rentpilelengthFig．4-13SideresistanceOfdiff．crentpilelength．p=60kN)忙80kN)随着荷载的增大，桩长较长的单桩侧摩阻力被逐步调动起来，靠近桩身上部的侧摩阻力得到较好的发挥。对于桩长短的桩，桩身侧摩阻力达到极限时加载的桩顶衙载越小，而桩长越长达到极限时需加载的荷载就越大，这说明在其它条件相同时，短桩桩身侧摩阻力优先发挥了，而长桩随着荷载的进一步增加才逐渐得到发挥。图4．14～图4。17分别为3m、6m、9m、12m长单桩在不同的加载级别下桩周的52 硕士学位论文侧摩阻力分布。图中J}l为桩身的高程，f为桩周的侧摩阻力，Z为桩长。擒哪冁叻叨两图4．14不同荷载情况下桩侧摩阻力曲线(f-3m)Fig．4—14Sideresistanceofdiffc-rentloads(扛3m)轫I刚孵协”盹棚卿孵协f肥2468101214图4-15不同荷载情况下桩侧摩阻力曲线(f-6m)Fig．4_15Sideresistanceofdif艳rentloads(Z=6m)扭触韩肋t／I晚O12345678图4．16不同荷载情况下桩侧摩阻力曲线(f-9m)图4一17不同荷载情况下桩侧摩阻力曲线(仨12m)Fig．4-l6Sideresis啪ceofdifferentloads(扛9m)Fig．禾l7Side陀sistanceofdifferentloads(f_l2m)从图4．14～图4—17中可以得出下面一些规律：对于桩长较短的单桩，在小荷载的时候，桩周侧摩阻力不大，且从桩顶向桩端的变化幅度也不大，当荷载超过一定值时，桩的侧摩阻力分布几乎为一条直线，且从桩顶向桩端近似线性分布，变化的幅度较大；对于中等长度的桩，在小荷载的情况下桩周的侧摩阻力沿着桩身几乎为均匀分布，随着荷载的增加，侧摩阻力曲线开始倾斜，说明这时桩的侧摩阻力已经得到了一定的发挥；对于长的单桩，在小荷载情况下桩周的侧摩阻力沿着桩身为从桩顶向桩端递减分布，随着荷载的增加，侧摩阻力曲线弯曲，呈驼峰状，随着荷载的增大，侧摩阻力曲线在极值点处曲率越大。另外在桩侧摩阻力的分布图中，在桩顶附近均出现了突变转折现象，出现这种现象的原因是在模拟计算中考虑了地基土体的前期固结应力。53 第四章锚杆静压桩的有限元分析4．4．2不同长径比L／D下单桩侧摩阻力成果分析锚杆静压桩截面边长一般为180mm、200mm、220mm、250mm、300nml、350mm，作者选取边长为200mm、250mm、300mm的桩进行分析，桩长全为6m。图4-18～图4．21为在不同长径比下，桩顶荷载30kN、60kN、90kN、120kN时单桩桩身侧摩阻力沿桩身分布曲线。图中^为桩身的高程，t为桩周的侧摩阻力，p为桩顶荷载。图4_18不同长径比单桩侧摩阻力曲线◇=30kN)Fig．年18Side∞sistanceOfdiff．erelltlen薛h-to—diameterratiop=30kN)桩侧审叻T／In9101112131415图牛19不同长径比单桩侧摩阻力曲线㈣l(N)Fig．牛l9Sideresistanceofdiff色rentlen昏h—to—diameterratiop=6()l斟)桩删嘞T／l盹18∞挖24苟笛∞越甜图4_20不同长径比单桩侧摩阻力图禾21不同长径比单桩侧摩阻力曲线忙90Ⅲ)曲线忙120Ⅲ)Fig．4—20Sideresis切nceofdifferentFig．禾21Sideresis劬ceofdifferentlength—to—diameterratiop=90kN)len舒h—to—diameterratiop=120kN)在桩顶荷载较小时，长径比较大的单桩桩身侧摩阻力发挥的程度较大，且长径比较大的单桩桩身侧摩阻力随着桩深度的增加呈递减形式分布，长径比较小的单桩桩身侧摩阻力沿着桩身基本均匀分布。当荷载继续增加，桩侧摩阻力分布沿着桩身呈线性增加趋势，且长径比越大，曲舭蚕 硕士学位论文线倾斜的角度越大。从以上曲线的分布规律分析可见随着长径比L／D的增大，单桩的承载力几乎完全靠桩身的侧摩阻力发挥来实现的，这是因为桩长L相同时，随着L／D的增大，桩的刚度以／L减小了。而随着长径比的减小，桩的端阻力发挥程度增大，桩的侧摩阻力所占的比例相对减小。图4—22、图4．23分别为长径比为30、20的单桩在不同的加载级别下桩周的侧摩阻力分布。榔謦叻硼h栅峰叻T／1晚图4_22单桩不同加载情况下桩侧图年23单桩不同加载情况下桩侧摩阻力曲线(长径比30)摩阻力曲线(长径比20)Fjg．4—22Sideresis咖ceOfdifferentloadsFig．4—23Sideresis胁ceOfdifferentlOads(t11elen甜h-to-diameterratiois30)(thelength—to—diameterratiois20)从图中我们可以看出，对于长径比大的单桩，在小荷载的时候，桩周侧摩阻力不大，且从桩顶向桩端的变化幅度也不大，随着荷载的增加，桩的侧摩阻力分布曲线从桩项向桩端近似为均匀分布，变化的幅度较大。对长径比小的单桩，在小荷载的情况下桩周的侧摩阻力沿着桩身几乎为均匀分布，随着荷载的增大，侧摩阻力曲线开始倾斜，呈线性分布，荷载越大，曲线倾斜的角度越大。4．4．3桩土模量比Ep／E与单桩极限承载力关系为考察桩土弹性模量比对桩的承载力能力的影响，选取了四组不同材料的桩，分别是两组不同强度等级的砼桩和钢桩。他们的弹性模量有很大的区别。在考虑弹性模量变化时，不考虑其他因素变化，参数仍然取实际的参数，以期与实际的情况进行对比。具体的数据见表4—2和图4．24。从计算结果看，当桩的弹性模量增大，由砼桩变为钢桩，桩顶的位移减少，桩的极限承载力增大。如果定义既／巨(桩的模量／土的压缩模量)，那么可以知道当桩土55 第四章锚杆静压桩的有限元分析模量比增大的时候，桩的极限承载力会增加。也就是说，当桩土相对越能够压缩，桩的极限承载力会增大。总体来讲，土的压缩模量固定，桩的模量变化对单桩极限承载力以及桩项位移影响不是很大。不同桩土模量比对桩的极限承载力的影响表4．2Theef‰t0nlimitbearingcapacityofdifI’erentmOdulusrati0ofpileVersussoil7rab．4-2荷载(1洲)E，25GPaE／28．5GPaE¨160GPaE／220GPa0O1001．341．52O．7O．7215022．281．541．532002．663．032．222．2l2503．323．82．92．883004．034．713．583．553504．945．834．374．334006．327．515．45．354502223．37．47．35()04743．535．534．5荷榭Ⅻ图禾24不同桩土模量比下单桩的p．J曲线Fig．4-24T．hep心curveofdiffbrentmOduJusratioofp订eVersussoil4．5本章小结本章应用Plaxis程序模拟了锚杆静压桩在有无附加应力的情况下的沉降及承载力情况，对锚杆静压桩在不同桩长、不同长径比、不同桩土模量比情况下单桩的桩身侧摩阻力分布规律分析。通过本章有限元分析，可以得出以下结论：①锚杆静压桩在有附加应力的情况下沉降小于无附加应力的情况，而且在有附加应力情况下的单桩极限承载力大于无附加应力情况下的极限承载力；②锚杆静压桩单桩桩身侧摩阻力的分布与单桩的桩长、长径比和桩土模量比具 硕士学位论文有较密切的关系。当桩长较长或长径比较大的情况下，单桩的承载力主要依靠桩身的侧摩阻力的发挥，而桩端阻力作用比较小：③在土层相同、荷载相同的情况下，由于桩长的增加，外侧摩阻力逐渐减小；短桩桩身侧摩阻力优先发挥了，而长桩随着荷载的进一步增加才逐渐得到发挥；④在其它条件相同的情况下，随着长径比L／D的增大，单桩的承载力几乎完全靠桩身的侧摩阻力发挥来实现的，这是因为桩长工相同时，随着L／D的增大，桩的刚度EA／L减小了。而随着长径比的减小，桩的端阻力发挥程度增大，桩的侧摩阻力所占的比例相对减小；⑤当桩的弹性模量增大，由砼桩变为钢桩，桩顶的位移减少，桩的极限承载力增大。当桩土模量比增大的时候，桩的极限承载力会增加。也就是说，当桩土相对越能够压缩，桩的极限承载力会增大。总体来讲，土的压缩模量固定，桩的模量变化对单桩极限承载力以及桩顶位移影响不是很大。57 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究锚杆静压桩承载力尚缺乏系统的研究，国内规范也没有明确规定，那么桩基规范或地基规范中承载力计算公式对锚杆静压桩是否适用，是工程实践所关心的问题，本章结合作者参与的几个工程，对锚杆静压桩静载试验方法及试验中存在的一些问题进行了初步的探讨研究。5．1锚杆静压桩静载试验目的和意义所谓静载荷试验又称试桩，是在拟建建筑物现场，对桩体分级施加竖向荷载，并测量桩顶沉降等项目，直到对桩体的阻力达到极限状态，从而确定单桩竖向承载力特征值。采用竖向静载试验虽需要大量的人力和时间，并比较难获得完整的试桩结果，但这种方法到目前为止是确定单桩竖向承载力较为可靠的方法。在实际工程中，单桩竖向抗压静载试验的目的就是采用接近于竖向抗压的实际工作条件的试验方法，确定单桩竖向极限承载力。荷载作用于桩顶，桩将产生沉降，可得到每根桩的Q—S曲线，它是桩破坏机理和破坏模式的宏观反映。此外，静载试验过程，还可获得每级荷载下桩顶沉降随时间的变化曲线，它有助于对试验成果的分析。静载试验主要是进一步考察试验桩的承载力性能，从而反映出桩端土支撑、承载力与终压力的一些关系等。该试验主要有以下几方面的意义：(1)为设计提供合理的单桩承载能力，可进行单桩垂直承载能力的检验；(2)通过参与的具体静载试验，发现试验中的不足点，方便以后进一步改进静载试验方法；(3)为桩基新工艺、新工法和新桩型提供有充分说服力的依据；(4)为静力法计算承载力等提供对比的数据。5．2试验装置、仪表和测试元件为减少试验的成本和确保试验的准确性，本文试验设备主要采用原压桩设备，其中也对部分设备进行改进。(1)加载装置：试验加载装置采用手动油压千斤顶，千斤顶的大小根据预估的单桩极限承载力来选择，本文试验采用1000kN。原压桩采用的是电动油压千斤顶，但它不能控制好固定的压桩力，所以将其换成手动油压千斤顶，这是本次试验设备改进之一。 硕士学位论文(2)反力装置：反力。(3)量测装置：0．005mm。利用锚杆将压桩架锚固在建筑物上，从而利用建筑物的自重作为用机械百分表，百分表量程O～50mm，最小刻度O．01mm，估读主要仪器设备见下表5一l：试验仪器表Tbstapparatus表5．1T曲．5—1名称规格用途数量仪器编号千斤顶1000kN加载1ZX0316油压表O．4级、100Mpa控制荷载1FP0310百分表O～50mm测量沉降2LSll52磁性表座固定百分表2LSll53反力架600l(N提供反力1套注意：在对丁．厅顶和油压表进行标定时，宜用雎力机对t斤顶施压，这样做除，能较准确地控制和测读施加力外，还町避免油泵供油压强与千斤顶内部压强的时差现象。本试验的原理图如图5．1：图5-l静载试验原理图Fig．5—1Principlepictureofstaticloadtest5．3锚杆静压桩静载试验方法5．3．1试桩前准备工作选用工地上桩头未破损的预制桩作为试桩，避免有微小裂缝的桩，以防试桩时桩头破裂导致试桩被迫中止。为了便于安装百分表和千斤项，试桩桩头露出底板不宜太小也不宜太大，一般要在0．2m～0．5m之间。对于试桩间歇时间，在满足混凝土设计标号的情况下，一般静载试验规定在砂类 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究土中不应少于7d；在粉土和黏性土中不应少于15d；对于黏性和砂交互层地基可取中间值；对于淤泥或淤泥质土，不应少于25天；但对于锚杆静压桩，由于压桩对土体的扰动影响小，强度恢复时间短，一般可以采用7d。5．3．2仪器安装先安装千斤顶，再安装百分表。在桩头铺上一层较薄且均匀的细砂层，然后在砂层上平稳放置一块铁板，再在铁板上放置千斤顶，尽量使千斤顶中心跟桩头中心、铁板中心在同一直线上，避免加载时受力不均匀。千斤顶的出入油口朝向要跟油压系统的输出入油管便于连接，不得在安装百分表的基准梁上跨过，应该平行于基准梁，避免油压变动产生的冲击力对基准梁的影响，以免百分表数据失真。在桩的两侧放置基准梁，基准梁采用型钢，一般为槽钢或工字钢，要求基准梁的平面与桩截面平行。基准梁两头的地面应尽量凿平，铺垫细砂层，压实后再放置垫块，使两头的标高一致，避免基准梁倾斜。在桩顶两边对称选取2个点，各放置一块玻璃片以安放百分表，表座一端固定在基准梁上，一端夹紧百分表，可以调节表座上的可动装置，使百分表垂直放置在玻璃片上。百分表测针要压进去，预留足够的伸缩量。在把千斤顶的输出入油压管连接到油压装置时，注意管线不得相互交叉。静载试验现场见图5—2。图5．2静载试验现场图Fig．5-2Thesitepictureofstaticloadtest5．3．3静载试验方法采用慢速维持荷载法，具体试验方法如下：(1)加载分级 硕士学位论文试验桩5静、4酽、66#预估极限荷载为330l洲，取每级加载为预估极限荷载的1／10，为33l洲，第一级加载为66kN。(2)沉降观测试桩5#、4矿、66#在每级加载后间隔15、15、15、15、15、30、15min各测读一次，累计2h后再加下一级荷载，直至达到沉降相对稳定标准。(3)沉降相对稳定标准在每级荷载作用下，每小时的沉降增量小于O．1mm，认为已趋相对稳定，可加下一级荷载。在软土地区，这个标准可适当放宽。在上海地区的一些工程中，已采用了新的稳定标准，试桩沉降速率虽然还没有达到O．1mm／h，但在连续观测的半小时沉降量中，出现相邻三次平均沉降速率呈现衰减，即认为该级荷载下的沉降已趋于稳定‘铝1。(4)终止加载条件当出现下列情况之一时，即可终止加载：a)某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级沉降量的5倍；b)某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的2倍且经24h尚未达到相对稳定；c)已达到反力装置的最大重量，如压桩机被顶起荷载加不上去，也可终止加载；(5)卸载与卸载观测：每级卸载值为加载值的2～3倍，每级卸载后隔15min测读一次残余沉降，读两次，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3～4h再测读一次。5．4试验桩承载力的确定5．4．1试验结果整理以南京江宁某工程为例：静载试验数据记录表ThedatanotetableOfstaticloadtest表5．2Tab．5．2荷载累计时5#埘6∥加荷时间值间本级沉降累计沉降本级沉降累计沉降本级沉降累计沉降(min)(kN)(nlin)(mm)(舢)(mm)O0OO．000．0066120】20O．540．540．90O．900．80O．80991202400．521．06O．961．860．961．766l 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究132120360O．561．621．143．000．942．70165120480O．692．311．384．381．344．041981206000．763．071．415．791．525．562311207200．913．981．547．331．617．172641208401．075．051．939．261．668．832971209601．446．492．2711．53I．7410．5733012010801．477．962．4413．972．0912．663632．5416．5l3966．1222．63330．0．622．03264601140田．137．83-0．9321．1—O．2512．41198601200-0．677．16．1．619．5．0．87儿．54132601260．O．966．20．1．817．7—1．0810．4666601320．1．684．52．2．1415．56．1．249．22O1801500．1．952．574．0711．49—3．575．65伞部卸荷后，3根析桩项沉降同弹量分别为5．39mm，10．54n1IIl，7．01mm，同弹率分别为67．7％，46．6％，55．4％南京江宁某工程试验桩5#、46撑、66#静载试验数据见表5—2，试验加到预估极限荷载330kN后，试桩并没有破坏。为了进一步挖掘极限承载力，继续加载，但加载的过程中，螺帽出现滑移、试验反力架有松动现象，试验停止，但说明承载力还有提高的可能。逞∽M甜O∞1∞锄卸鲫∞、‘、：＼j八≮＼入入{l＼℃；＼j；＼；；l＼}i＼}}il一＼i{＼■‘；；11：＼_；图5．35。桩Q．S曲线Fig．5—3TheQ—ScurveofNo．5pile星窃】嚼缅lO∞∞1∞仞图545壤s—lgt曲线Fig．5_41"lleS一19tcurveOfNO．5pile 硕士学位论文一一————————_——————————————————————————————————————————————————一Q／Ⅲ0田1∞’鄹动锄鲫卸们柚I、k、⋯、＼lL、k＼、＼、-卜～1＼、L|j、kL～＼|卜、k图5．5彬桩Q．S曲线Fig．5—5neQ-ScurveofNo．46pileQ／Ⅲ0∞仰1∞卸锄卿＼。、＼L＼L＼＼．k‘气X5＼、、IP弋一≥、_目窃19嘶妇O∞旬∞∞1∞仞图5．646”桩S．19t曲线Fig．5—6TheS—lgtcun，eofNo．46pilel喀洳曲0∞旬∞∞1∞仞图5．766”桩Q．S曲线图5—86矿桩S—lgt曲线Fig．5．7111eQ—ScurveofNo．66p订eFig．5·8TheS—lgtcur、reofNo．66pile从荷载沉降关系Q—S曲线来看，曲线呈缓变型，3根桩的沉降量分别为7．96mm，22．63mm，12．66mm，均小于40mm，且小于规范容许桩顶沉降值。由上可知，46静桩出现了明显的陡降段，判断该桩的极限承载力为363l洲；其余两根桩静载试验并没有做到完全破坏，未出现明显的破坏特征，这样的试验相当于检验性试验，得到的承载力是保守的，实际上极限承载力还可以提高。从3根桩的时间沉降关系S．fgl?曲线看，总的变化趋势从低荷载到高荷载曲线间距逐渐增大，46#桩最后一步的间距比上一步大很多，3根桩曲线尾部均未出现向下弯曲的陡变段，也是由于试验桩没能做到破坏，跟上述分析的结果相符合。5．4．2单桩竖向极限承载力标准值的确定单桩竖向极限承载力标准值应根据试桩位置、实际地质条件、施工情况等综合确定。当各试桩条件基本相同时，单桩竖向极限承载力标准值按下列步骤确定： 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究1)计算试桩结果统计特征值a．按5．4．1节确定咒根正常条件试桩的极限承载力实测值R；b．按下式计算，l根试桩实测极限承载力平均值心及小值平均值心’；如=丢喜R如’=学式中‰一实测值的最小值。c．按下式计算标准差：d．按下式计算试桩极限承载力变异系数：万：旦如2)按下式确定单桩竖向抗压极限承载力标准值R=砒1一f(万一o．17)]式中R一单桩竖向抗压极限承载力标准值(kN)；R一极限承载力实测值(1(N)；万一变异系数，当万<0-17时，取万=0．17；f一与试桩有关的系数，由表5—3查得。(5-1)(5—2)(5—3)(54)(5-5)系数f表5—3试桩数345毛1．671．2O．955．5锚杆静压桩静载试验中存在的问题及建议(一)执行规范问题‘541(1)桩的静载试验应执行国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》(简称规范1)，国家标准《建筑地基基础设计规范》(简称规范2)或国家行业标准《建筑基桩技术规 硕士学位论文范》(简称规范3)。现行规范标准对桩的竖向抗压载荷试验的规定不尽统一。对于桩的承载力的确定方法，3部规范也有一定的差别，规范2对大直径桩规定了采用相对沉降的方法确定桩的极限承载力，但规范1并无此规定。另外对于试验终止条件的判定也有不同的规定，如规范2有末级沉降大于前级沉降5倍的规定，而规范1则无，且每部规范都有其特点。鉴于各现行的标准规定有一定的差异，且国家未对锚杆静压桩静载试验进行统一规定，在试验时除结合具体的工程要求采用相应的标准外，也可将3部规范结合起来使用，使试验和分析过程更加合理。作者建议最好按规范1执行。(2)承载力概念不清楚，规范1和规范2使用单桩竖向抗压极限承载力和单桩竖向抗压承载力特征值，特征值表示正常使用极限状态计算时采用的单桩承载力的值，其涵义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值，它等于单桩竖向抗压极限承载力统计值除以安全系数2；规范3使用承载力设计值和极限承载力标准值，基桩的竖向承载力设计值等于单桩竖向极限承载力标准值除以抗力分项系数苁。(=1．6～1．7)，而单桩竖向极限承载力标准值是根据几根试桩的单桩竖向极限承载力按公式(5．5)求得的。(二)设备安装问题沉降观测仪表的安装位置应在桩顶平面以下20～50cm，仪表应对称排布并位于同一水平面。沉降观测仪表不能安装在桩顶平面以上的千斤顶或其他传力部件上。大家都知道在桩项施加荷载后桩顶平面及其上下两侧一定范围内是应力的主要集中区域，在该区域属于不稳定区域，桩身或传力部件的侧向位移甚至桩身的局部表面裂隙将对沉降观测结果产生明显影响，有时可导致试验结果的错误!这一点必须引起足够重视。(三)沉降观测问题现在做静载试验一般采用传统的人工加荷、人工观测的方法，这在观测人员责任心强、经验丰富的情况下也无可厚非。但是载荷试验的观测过程尤其是每级荷载的稳定过程需要按规定进行准确的记录，而采用人工的方法准确地完成这一过程是有一定困难的，即使能够完成记录，记录的真实性和准确性都存在一定疑问。为此，在桩的竖向抗压载荷试验中，应该提倡采用全自动电脑控制的加荷观测方式，实践证明，如此可大幅度提高试验成果的质量，尤其对于研究桩在荷载旖加过程中的性状，提供了最值得信赖的数据。我们提倡采用全自动试验装置进行单桩竖向抗压载荷试验。大家都知道，一般情况下每级荷载作用下，桩的变形主要发生在加载后的1～2小时内， 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究在稳荷过程中发生的沉降只占一小部分，因此在加荷后的第l小时内，稳荷精度很重要，本次试验采用手动油压千斤顶稳荷难度很大(稳荷速度慢，精度低)，而采用机器自动稳荷则很容易控制，所以在条件允许的情况下尽量采用全自动试验装置进行单桩竖向抗压载荷试验。(四)卸载观测的重要性所有规范中只提到了卸载方法，对于卸载资料如何利用却没有说明，有关卸载资料利用的文献相对也较少。许多单位在试验时认为卸载没有多大用处。事实上卸载资料对于正确判断桩在荷载作用下的工作性状非常重要，我们都知道桩的变形分三个阶段：近似弹性、弹塑性、塑性。在荷载作用下，桩的变形究竟处于哪个阶段，仅从沉降变形上观察是不完全的，因为从沉降变形上是很难发现桩的弹性变形的，桩的弹性变形只能从卸载回弹上进行观测，一根桩在某级荷载下引起的变形究竟是弹性变形占主要还是塑性变形占主要，实施卸载便可一目了然!缺少卸载资料及其分析的单桩竖向抗压载荷试验肯定是不完整的。桩在荷载下的变形性状需要一次完整的加、卸载过程才能掌握。卸载获得的直接参数是回弹率，卸载曲线的形态也可部分反映出桩的承载性状，因此通过卸载资料分析可使载荷试验结果更完整。(五)试验结果的可靠性及离散性对同一桩型和同一场地的桩其承载力也存在着差别，造成这种承载力差别的因素很多：各桩的实际入土深度(或进入持力层的深度)不同、场地内土层变化、各桩的实际桩径不等、各桩的垂直度偏差大小不同、各桩的具体位置不同等都会对桩的承载力有一定的影响。桩承载力的离散性是很难估计和计算的，但它却可反映施工技术水平和施工质量的优劣。在其他条件相同的情况下，承载力值离散性大的桩，往往在施工工艺、施工方法、施工机具以及施工管理等方面存在差异。一般来说，预制桩承载力值的离散性要比灌注桩的小。由于桩承载力的离散性，在试桩过程中，既要注意试桩的精度，又要注意试桩结果的代表性。为此，对于不利条件下的桩基，要求试验数目加大，这就是从概率统计的要求出发的。(六)现场试验存在的其它问题(1)桩压完后多长时f1叫对其进行检测。《建筑基桩检测技术规范》(JGJl06—2003) 硕士学位论文中规定，的开始试桩的时间为：预制桩在砂土中不少于7d，在粉土中一般不少于15d，对于饱和粘性土不得少于25d。可见，规范已经在一定程度上考虑了桩基承载力的时间效应。实际工程中，如为了工期原因提前或延时检测时，给出桩基承载力结论时必须考虑其时效性。(2)千斤顶、压力表、百分表(位移计)未按规定送计量部门检定，或千斤顶虽经过了检定，但未按检定给出的校准公式计算油压值，千斤顶油压表压力下降，未及时补压，造成荷载不准。本试验采用机械压力表，其缺点是读数精度低，低压强时的相对误差较大。(3)反力装置提供的作用力应与桩头的正中心重合。在本次试验中，特别要注意四根锚杆的对称性，只有对称地埋设锚杆才能尽可能地使反力作用在桩头的中心。如果反力的作用点偏离了桩头的中心位置，轻者使试验数据失真，重者则使试桩破坏。(4)节省时间，最后一级荷载的反力并未达到要求试验的最大荷载，有的甚至只有1／7～1／8最大试验荷载。未根据试验吨位合理选择设备，小吨位的试验荷载选用大吨位的千斤顶和大量程的压力表，严重影响试验的精度和准确度。(5)用10mm或20mm量程的百分表，量程太小，频繁调表加大累计误差，降低试验精度。百分表安装不对称，如桩倾斜时将不能消除沉降误差，或安装倾斜，不牢固。(6)架设百分表的基准梁没按规定设置，有的直接放在地面，有的用砖头或砂袋架设基准梁。基准梁的长度或刚度不够。作者建议基准梁尽量远离压桩架，一是防止试验时不小心被碰到，影响试验结果；二是试验时底板的应力集中区就在压桩孔附近，可能对试验结果产生影响。(7)检测人员操作马虎，不按规范要求检测。记录不准时，随意提前或滞后记录、随意编个数据；加载时压力过大，压力下降时又没及时补压；荷载分级过大，有的第2、3级也按2倍分级荷载加荷；没按沉降相对稳定标准加荷，沉降尚未稳定即加下一级荷载；卸载时不作回弹观测记录或一下子卸载到零，普遍未按规范要求时间间隔记录，连续卸载并连续记录。·(8)沉降测定平面应在千斤顶底座承压板以下的桩身位置，有的在承压板上或千斤项上设置沉降观测点，因承压板或千斤顶变形导致沉降量产生误差。(9)目前工程中常用的后成孔埋设法，采用光面直杆螺栓，在锚杆的静载试验经常在加压过程中出现锚杆被拔起，以致于试验被迫结束，这主要是由于施工单位未按67 第五章锚杆静压桩静载试验方法研究照规范要求施工，《锚杆静压桩技术规程》中明确规定：锚杆的埋设深度采用10一12倍螺栓直径，但大部分锚杆埋设深度都小于10倍直径，作者建议锚杆的埋设深度特别是后预埋锚杆不能低于12倍螺栓直径；试验中有时螺帽松动，反力架出现上抬现象，对试验结果很不利，试验时应拧上两个螺帽并套上垫片，上述现象彻底根除。5．6本章小结本章讨论了锚杆静压桩静载试验的目的、试验方法、试验结果的分析整理以及试验中存在的一些问题，得出了如下初步结论：桩的静载荷试验是确定单桩承载力的最可靠也是最有效的方法，在研究锚杆静压桩的荷载传递特性，分析影响承载力的因素等起到重要的作用，所以在做静载试验应考虑到多方面的因素，严格按规范操作，方能保证试验的成功。根据试验荷载一沉降曲线确定单桩承载力的方法很多，目前还没有统一解释的方法，实践当中单桩竖向极限承载力标准值应根据试桩位置、实际地质条件、施工情况等综合确定。桩静载荷试验属于科学试验，试验结果应该具备可比性，故加卸载的选择应以能较真实的模拟荷载对桩基作用的性质为准则。加载方式也会影响试验的结果，从工程应用观点来看，用堆载进行桩的静载试验更接近于实际加荷的情况。研究指出，一般情况下加荷速率对桩的承载力影响也很大，在同一荷载Q作用下，加荷速率愈慢，桩的沉降s愈大，承载力愈大。此外，试验结果还具有离散性，对于不利条件下的桩基，试验数目应加大，以满足概率统计的要求。 硕士学位论文第六章结论与展望锚杆静压桩已在我国得到一定的运用，它作为一种新型的地基托换加固技术，在设计与施工方面尚有许多值得深入探讨之处。本文在前人研究的基础上，用理论分析、试验现象和数值模拟等方法对该课题进行了进一步探讨。6．1结论(1)锚杆静压桩承载力时间效应在粘性土中主要表现在桩侧摩阻力上，端阻力的时间效应贡献很小；角点效应表现在桩周土体对预制方桩的约束不均匀，桩周中心处与角点处的侧摩阻力并不一样，在角部小，在边长的中点大，不能直接采用圆桩的计算公式，就方桩而言，如果是大直径桩，其角点效应的影响小，如果是小直径桩，其角点效应的影响大；最后综合考虑承载力影响因素提出锚杆静压桩承载力经验公式，该公式可能对某个具体工程、某种桩型适用，而对其它地区却只是起到借鉴的作用，并不适用。因此重在不断总结本地区经验。(2)分析了粘性土和砂土层中的沉桩特性，粘性土中，桩尖由上层土进入软硬程度不同的下层土时，压桩力的变化主要是由端阻力引起的，侧摩阻力变化复杂，后期承载力会随时间显著增加；砂土中的沉桩特性与粘性土不同，因为引起的超孔压小，并且消散速度快，沉桩的影响主要表现在桩侧土的强化效应和后期施工的松弛效应上。(3)通过总结工程实例给出设计压桩力取值建议，并指出承载力与压桩力并不是单纯的几倍关系，并提出了自己的控制标准方法。最后结合南京某工程，提出终压力与承载力的经验公式，对于本工程具有一定的意义，但该经验公式中有些参数只能代表该场地情况，并不具有普遍性。(4)用有限元软件Plaxis对锚杆静压桩的数值分析j结果表明：锚杆静压桩在有附加应力的情况下沉降小于无附加应力的情况，而单桩极限承载力大于无附加应力的情况；在土层相同、荷载相同的情况下，由于桩长的增加，外侧摩阻力逐渐减小，短桩桩身侧摩阻力优先发挥了，而长桩随着荷载的进一步增加才逐渐得到发挥；在其它条件相同的情况下，随着长径比L／D的增大，单桩的承载力几乎完全靠桩身的侧摩阻力发挥来实现的，这是因为桩长三相同时，随着￡／D的增大，桩的刚度EA／L减小了。而随着长径比的减小，桩的端阻力发挥程度增大，桩的侧摩阻力所占的比例相对减小；土的压缩模量固定时，桩的弹性模量增大，桩顶位移减少，桩 第六章结论与展望的极限承载力增大。总体来讲，桩的模量变化对单桩极限承载力以及桩顶位移影响不是很大。6．2本文存在的一些问题与不足(1)关于锚杆静压预制方桩角点效应本文简单介绍锚杆静压方桩角点效应，初步给出考虑角点效应的承载力公式，没有从桩土理论方面对其进行研究，以后可以根据桩周土对桩压应力等效的原则，将方桩等代出对应的圆桩，这样力学概念清楚，计算简洁。(2)关于锚杆静压桩压桩力与承载力的关系本文只是针对某具体工程提出了压桩力与承载力之间的经验公式，并不具有普遍性，以后可以通过收集大量的工程实测资料，来确定压桩力与承载力之间的关系。(3)其他问题在本文的分析中，仅仅对单桩进行分析，没有考虑其它因素的影响。在实际的工程中，由于桩间距小，桩与桩之间会产生一定的相互影响；桩与基础的底板浇筑在一起，底板相当于承台，对总的承载力也会产生一定的影响。6．3今后开展工作的设想对于锚杆静压桩单桩承载特性，由于时间和能力的限制，笔者只是做了一些初步的尝试和探讨。由于忽略许多因素，通过有限元计算揭示的单桩承载规律不一定具有普遍性。因而本文仍有许多不足之处有待改进，另外，从今后的研究方向、趋势、方法来看，总体说来，笔者认为以下几个方面可以改进和进一步的研究：(1)解决桩截面的问题桩的圆形截面假定不太适应工程实际，在工程中多用的是200lmm×200mm、250mm×250mm或300mm×300mm的方形截面桩，与我们分析的结果存在一定的差距。今后希望可以通过大量的实验数据，得出相同尺寸的圆形截面桩与方形截面桩(面积相同或半径与边长相同)，它们的压桩力与承载力之间的关系，从而可以得出～系列的修正系数，这样就可以得出更精确的解。(2)考虑群桩作用在锚杆静压桩应用于实际工程中时，它不是单一的存在，并且桩与桩之间的距离并不能大得忽略它们之问的相互影响。那么，想得到更精确的解答，就需要考虑锚杆静压桩的群桩作用。需要考虑的方面，一个是压桩时，桩周应力影响区的重叠，70 硕士学位论文以及桩的挤土作用的相互干扰；另一方面，桩的顶端与基础底板浇筑在一起，基础底板可以看作是承台，那么桩、桩周土以及承台会产生一个共同作用，也可以提高一定的承载力。(3)压桩后桩周土体中的超孔隙水压力消散过程的分析压桩时，由于小孔扩张作用，桩周土体的应力发生急剧变化，其必然导致孔隙水压力的变化，桩周将产生孔隙水压力。在粘性土中，压桩完毕后，孔隙水压力不可能马上消散，它需要一段时间。在这段过程中，桩的承载力是在持续增长的，但低于我们计算的单桩承载力设计值，其大小和桩周土体中的超孔隙水压力的消散程度有关。因此，分析压桩后桩周土体超孔隙水压力的消散过程对锚杆静压桩更广泛的推广能起到很大的帮助。(4)锚杆静压桩承载力影响因素分析本文分析了桩长、桩径、桩土刚度比对单桩承载特性的影响，实际上，影响单桩承载特性的因素很多，如桩端土刚度与桩侧土刚度比、土的性质、时间因素等都可以做深一步的研究。(5)改善有限元计算方法用平面模型模拟桩的挤土作用存在较大的误差。在今后的工作中，可以尝试建立三维模型，模拟桩的压入过程，并且可以考虑压入过程中桩土之问的摩擦力，更精确的分析桩周土体在压桩时的性状，得出更合理的结果。随着计算机科学的发展，桩土体系分析的解题规模将不再受到太多的限制，会有更多的方法来模拟土的性质。相信不久的将来，桩土体系的有限元法模拟分析能更精确的反映桩土作用的真实情况，这对锚杆静压桩理论的发展以及锚杆静压桩今后的推广都能起到积极的作用，而且具有较大的应用价值，对生产单位带来直接的经济效益。(6)其他设想锚杆静压桩能成功应用于既有建筑物地基加固处理中，其施工工艺有广阔的应用前景。工程实践的同时也为锚杆静压桩应用提出新的课题，诸如：压桩力的控制标准、压桩顺序、考虑时问效应的桩承载力确定、桩径与桩数的优化匹配等。对以上想法的深入研究，必然会进一步发展和完善相关规范，最终推动锚杆静压桩在建筑物加固中的广泛应用。71 第六章结论与展望6．4锚杆静压桩加固技术的前景展望锚杆静压桩施工设备轻便、简单、移动灵活、操作方便，可在狭小的空间进行压桩操作，采用静压的方式，在压桩施工过程中无振动、无噪音、无污染，真正对周围的环境无影响，对于新建的工程，施工时可以采用逆作法，既压桩的同时上部建筑同步施工，不另占用桩基施工工期，可以缩短工程的总工期，在处理正在使用的建筑物时，可在厂房车间不停产、居民楼用户不搬迁的情况下进行基础的托换加固处理，使用锚杆静压桩设备投资少，能耗低，材料消耗少，所以加固费用低，具有明显的技术经济效果。锚杆静压桩地基加固技术是我国自行研究开发成功的独特的创新技术，经过二十多年的深入研究、工程试点、大规模推广使用，经验总结到规程、规范的编制，目前已经成为技术安全可靠，加固后行之有效的新型加固方法。该项技术先后在南京、南昌、福州、厦门、上海等地得到有效的推广使用，取得了极大的技术经济和社会效益。目前，该项地基加固技术仍然处于推广阶段，而且在某些方面尚不成熟，因此，还须对此项技术进行不断的改进。另外，我们还需要加大宣传，让该项技术在工程中得到充分的利用以创造出更大的效益，为社会更好的服务。 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