竖向荷载下桩身压缩和桩基沉降变形研究

随着我国建设规模的扩大,桩基础领域发展迅速,长桩基础被越来越多的工程所采用.工程实测表明,桩侧土模量较高的非软土地区,长桩静力试桩的荷载传递和桩身压缩性状与软土地区超长桩性状相似,长桩的桩身压缩量相当可观,计算中应予以考虑.目前的桩身压缩测试结果大都基于工程试桩所得,通过现场大型单、群桩模型试验,深入研究群桩基础承载力、桩身压缩和土体压缩沉降性状.主要研究内容如下:(1) 通过系统模型试验,研究单、群桩基础的承载力性状.群桩中基桩桩身轴力、侧阻力的分布形式因位置的不同而不同.群桩端阻表现出明显的沉降硬化效应,即随着群桩基础沉降的增大,端阻力都会有不同程度的提高,且在较小桩距条件下提高程度较大,在较大桩距条件下提高程度较小.(2) 工程实测表明,桩身压缩产生的沉降始于加载初期,并伴随加载全过程.桩侧土压缩模量较高的非软土地区,长桩静力试桩的荷载传递和桩身压缩性状与软土地区超长桩性状相似,长桩的桩身压缩量相当可观,计算中应予以考虑.(3) 群桩试验表明,桩间土的竖向变形在桩顶处最大,随着深度的增加,桩间土的竖向变形逐渐变小.桩间土除了产生剪切变形(桩、土相对位移)外,还出现压缩变形.(4) 同一荷载水平下,桩端以下土层的沉降值随深度的增加而减小,整体压缩主要产生在距桩端一定厚度的土层范围内,即土层距桩端越近,单位厚度土层的整体压缩量越大;同一深度处,土体整体压缩沉降值随荷载的增大而增大.(5) 当复合基桩分担荷载值一定时,大桩距群桩桩端整体压缩沉降值较小桩距群桩小;桩数多的群桩桩端整体压缩沉降值较桩数少的群桩大,这是由于群桩效应增强所致,即桩距一定时,随着桩数的增多,桩与桩之间的增沉效应增强.(6) 群桩桩端平面以下地基土,其整体压缩变形及压缩层深度因桩距的不同差异很大,即在P=Pu/2(其中,P为群桩承载力特征值,Pu为群桩极限承载力)荷载条件下,大桩距群桩基础地基土整体压缩变形及压缩层深度较小桩距小,这与粉土、软土中群桩试验的结果一致.(7) 研究了桩侧阻力分布模式对桩身压缩沉降的影响机制,给出了考虑不同侧阻分布模式时,桩身压缩系数的3个计算公式:ξe正三角=0.33α+0.67,ξe矩形=0.50α+0.50,ξe倒三角=0.67α+0.33其中zξe正三角,ξe矩形,ξe倒三角,为不同侧阻力分布模式下的桩身压缩系数,α为端阻比例.(8) 给出了小桩距群桩基础的沉降计算公式:s=ψn∑(i=1)σgzi-Esi△zi+se 其中,s为计算沉降值;ψ为沉降计算经验系数;σgzi为群桩各基桩对应力计算点桩端平面以下第i层土1/2厚度处产生的平均附加应力之和;Esi为第i计算土层的压缩模量,采用土的自重压力至土自重加附加压力作用段的压缩模量;.zi为第i计算土层的厚度;se为计算桩身压缩量.该公式可考虑桩身的压缩、桩数、群桩的几何特征、侧阻力分布模式、端阻比例等因素对桩基沉降的影响.(9) 基于目前规范中给出的压缩层厚度确定方法,通过压缩层厚度计算方案的比较,确定了压缩层厚度计算公式.(10) 在已有的考虑桩径影响Mindlin解竖向应力系数的研究成果上,给出了小桩距群桩基础的平均竖向应力系数的数值解,制作相应的数据表格,该表格可供相关的工程设计人员手算沉降量时使用.     

极限荷载下桩身压缩综合系数ξ研究

竖向荷载作用下桩顶沉降由桩身压缩量和桩端土沉降组成,且长桩桩身压缩量所占比重很大。而桩身压缩量包括桩身弹性压缩和塑性压缩,它受到许多因素的影响。对桩身压缩量进行理论分析,可以得到桩身压缩量的解析表达式。在实际工程中用综合系数ξ来表示,s_s=ξ(P_0L/E_pA_p)。本文通过对498根钻孔灌注桩静载试验实测数据统计分析表明:综合系数ξ随着桩的长径比的增大而减小,并存在着简单的线性关系,同时ξ随混凝土强度的提高而增大。本文揭示的桩身压缩综合系数ξ的规律对桩设计具有指导意义。     

后注浆超长灌注桩竖向承载特性载荷试验研究

现场载荷试验是确定单桩竖向承载力常用方法之一,基于现场试桩静载试验和桩身轴力测试试验,分析了后注浆超长灌注桩的竖向极限承载力性状、桩身轴力传递特性及桩侧阻力,桩端阻力发挥特性。研究结果表明:在竖向荷载作用下,桩身轴力随着深度的增加而增量减小,且随荷载的增加而逐渐增大;超长灌注桩表现出摩擦桩特性,荷载-沉降曲线没有明显破坏点,其竖向荷载主要靠侧摩阻力进行传递;桩侧阻力和桩端阻力非同步发挥并且相互影响。根据实测数据对计算单桩承载力的侧摩阻力和桩端阻力的系数进行修正,修正后为类似桩基础工程设计提供技术参考。     

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

通过分析抗拔桩与抗压桩桩周土在桩身部位及桩端部位应力路径的不同,阐述了抗拔桩和抗压桩不同的荷载传递机理,在计算黏土地基中钻孔灌注桩的抗拔承载力时,针对抗压桩和抗拔桩侧阻在桩身部位和桩端部位土体应力的不同,引入了两个侧阻折减系数,并通过实例验证了公式的可行性。     

常州地区大直径钻孔灌注桩承载性状及尺寸效应试验研究

基于常州高架一期工程2根大直径钻孔灌注桩静载荷试验及桩身力学测试结果,研究常州地区大直径钻孔灌注桩加载过程中侧摩阻力和端阻力的发挥特点及荷载传递规律,得到极限状态下桩侧摩阻力和桩端阻力尺寸效应系数,对成孔卸载造成桩承载力降低及其他影响桩承载力的因素进行分析。试验研究结果表明:试桩的荷载-沉降(Q-s)曲线为陡降型,极限承载状态下,2根大直径钻孔灌注桩(长径比为36～43)端阻力分担总荷载的比例较小,分别为11.4%和18.1%,属于摩擦型桩;极限荷载时浅层黏性土发生侧阻软化,桩-土位移为3～7mm,砂土中为4～7mm;桩侧摩阻力与端阻力尺寸效应明显,大直径钻孔灌注桩侧摩阻力及端阻力尺寸效应系数与土的种类有很大关系,较《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)计算值偏小,侧阻尺寸效应系数平均值大约为0.85(砂土)和0.88(黏性土),且具有沿深度减小的趋势,砂土和黏性土中桩端阻力尺寸效应系数分别为0.74和0.75。     

基于沉降控制的组合后压浆灌注桩承载力计算研究

以沉降控制标准为原则来确定后压浆灌注桩的承载力有着重要的实际意义。基于石首长江公路大桥工程开展的6根大直径钻孔灌注桩现场静载试验,通过对比分析桩端桩侧组合压浆桩压浆前后的试验结果,研究了组合后压浆对深厚细砂层钻孔灌注桩承载变形性状的影响,在此基础上通过统计得出了在不同桩顶沉降条件下桩端阻力增强系数、桩侧阻力增强系数的取值范围,并给出了一种基于沉降控制标准的组合后压浆桩承载力设计方法,最后通过工程实例验证了该设计方法的合理性。结果表明,组合后压浆条件下的深厚细砂层钻孔灌注桩承载变形性能显著提升,且承载力提高幅度随着桩顶沉降的增加逐渐增大;组合后压浆桩加载至极限状态时,其极限承载力至少提高66%,且能有效地控制桩基沉降量;同时组合压浆后能有效地改善桩端支承性能与桩侧受力特性,显著提高桩端阻力和桩侧摩阻力,并对桩基的荷载传递特性产生明显影响。此外,设计计算方法能较好地给出组合后压浆桩荷载沉降关系的范围,可保守地将计算结果的下限作为工程设计使用。     

填海地区大直径灌注桩的静载试验研究

福建属于沿海吹填砂造陆码头地区,文章通过对该地区某工地旋挖成孔灌注桩基础3根未注浆桩和3根后注浆桩的单桩竖向抗压静载试验研究,得到了大吨位静载试验中未注浆桩和后注浆桩的荷载-沉降关系、桩身压缩占桩顶沉降的百分比,并基此探讨了后注浆技术、桩身压缩对桩基承载力及沉降的影响。     

一种新型多节旋挖挤扩桩荷载传递机理现场试验研究及在铁路桥基的首次工程应用

通过对5根不同长度的新型旋挖挤扩灌注桩与1根直孔桩的承载力及其荷载传递机理的现场静载试验,分析不同桩长单桩单盘、单桩三盘情况下桩侧摩阻力、承力盘阻及桩端阻力共同协调工作的受力特点,确立新型旋挖挤扩成孔工艺下桩基的荷载传递规律。结果表明,当桩身产生不足1.5mm位移时,承力盘阻发挥较大承载力。当桩身承载达到极限时,盘阻承担了45%的总荷载,极大地改善了普通摩擦桩承载力主要依靠侧摩阻力发挥其承载特性的受力特点。此外,同样桩长4m的三盘旋挖挤扩桩承载能力达到144kN,累计沉降值仅为4.27mm,远大于桩长4m的直孔桩承载力,累计沉降变形亦小于直孔桩累计沉降值5.56mm。当两者沉降相同时,旋挖挤扩灌注桩提供承载力为直孔桩的1.78倍。当旋挖挤扩灌注桩和直孔桩具有相同承载力时,前者比直孔桩所需桩长大幅减小,同时控制沉降效果更好。基于试验成果,首次成功将旋挖挤扩灌注桩应用于铁路桥梁桩基——津保铁路京九联左线跨京九铁路特大桥项目,对其中6个墩台36根基桩每桩减短10m桩长,在达到设计要求承载力前提下,沉降值仅5mm,满足铁路桥梁高速行车对沉降的严格要求。同时大大降低超长桩的施工难度,节约了工期,节约成本造价达20%,经济效益十分显著。     

单桩横向承载力试验研究

本文通过现场4根不同桩长、桩径和配筋率的冲吸式钻孔灌注桩横向荷载试验,分析了单桩的横向承载力问题。并探讨了单桩临界开裂荷载的确定方法,其中3根试桩通过钢筋应力计量测了桩身弯矩,与国内外常用计算方法所得的理论值进行比较;根据桩顶实测位移反算了地基系数随位移变化的规律;并将实测桩顶转角值与理论计算值作了比较;还初步探讨了不同桩径、桩长和配筋率等对单桩横向承载力的影响。     

超长钻孔灌注桩沉降计算经验系数取值探讨

文章通过工程实例,对2008版《建筑桩基技术规范》等效作用分层总和法沉降计算经验系数取值方法进行验证,总结出天津软土地区超长钻孔灌注桩沉降计算中,按桩端下压缩模量当量值确定经验系数适宜性较差,按桩入土深度确定经验系数适宜性较好的结论。给出了按桩入土深度确定经验系数表和注浆折减系数值。并提出对于超长钻孔灌注桩桩身压缩量不容忽视,沉降计算方法中考虑桩身压缩量是必要的,应进一步总结适宜的沉降计算方法。     

后注浆灌注桩在湿陷性黄土中的试验研究

在自重湿陷性黄土地区,通过现场试验及监测对比了普通灌注桩和桩端后注浆灌注桩在设计荷载作用下的桩身轴力和桩侧阻力的变化情况,并通过桩基(竖向)静荷载试验对各试验桩进行了承载力检测。结果表明,位于该湿陷性黄土场地的干作业钻孔灌注桩在后注浆后承载力明显提高,桩身中性点位置下降,同时提供了桩端后注浆灌注桩承载力估算时桩侧阻力增大系数的取值。     

桩侧桩端后注浆灌注桩水平静载特性研究

通过分析某地区冲孔灌注桩水平静载试验结果,对桩侧、桩端后注浆技术在冲孔灌注桩承受水平荷载工况下的应用效果进行了试验研究,结果表明:(1)冲孔灌注桩水平承载力特征值、临界值以及极限值主要取决于桩土之间的相互作用力;(2)通过比较单桩与后注浆单桩试验结果,后注浆桩基水平临界荷载提高了25%,极限荷载提高了14.3%;(3)后注浆单桩桩侧土水平抗力系数的比例系数提高了57%;(4)对于双桩承台,后注浆承台实测值相对比于未注浆承台的计算值,其水平临界荷载值提高了33.7%;(5)基于各种土层变形模量与桩侧地基土水平抗力系数的比例系数m值的关系,建立了土层变形模量与m值的直线型关系式,并推导出了后注浆桩周土层的复合压缩模量表达式,给出了计算后注浆桩周土的m值计算方法。试验与计算均表明:采用桩侧桩端后注浆技术,可较显著的提高冲孔灌注桩的水平承载力。     

上海软土地区超长桩竖向承载特性试验研究

根据上海地区某工程超长灌注桩的现场静载荷试验和桩身应力测试结果,分析该地区超长灌注桩的竖向承载特性。实测结果表明,两根试桩的桩端阻力与桩顶荷载之比约为10%,超长桩的竖向承载力主要由桩侧摩阻力来提供的。通过对桩身轴力和侧阻分布曲线的分析,发现超长灌注桩侧摩阻力的发挥与桩顶荷载、桩周土性质等因素密切相关,而成孔质量在满足规范要求后对土体侧摩阻力发挥影响并不显著。根据桩身侧阻分布特点,建议在工程设计时应充分利用深层的密实粉砂层来提高桩身竖向承载力,研究结论可供同类地区的超长桩设计和理论分析提供参考。     

桩端后注浆大直径超长钻孔灌注桩现场试验研究

通过对3根端后注浆大直径超长灌注桩的现场试验,采用双循环法进行加载,采用沉降杆法测试工程桩顶、桩底的沉降,同时通过应力计测试桩身不同断面的轴力。为研究软土地区大直径超长灌注桩提供有价值的数据。试验表明:桩底沉降较小,最大加载时约为3mm,试桩顶的累计沉降几乎全部由桩身压缩量产生;桩端后注浆处理后,由于桩底沉降较小,桩身桩土相对位移减小,使桩侧土层摩阻力相对于不考虑后注浆时有明显提高,提高比例约为40%~50%,桩端阻力约占总承载力的24%。     

长群桩基础沉降性状的大比例尺模型试验研究

随着高层超高层建筑的兴建和快速发展,长桩超长桩的使用随之增多,设计中长桩、超长桩桩基的沉降计算成为一个新的关注焦点。工程单桩静力试桩结果表明,桩身压缩占桩基沉降的比率较大。目前有关长桩基础沉降机理的分析大都基于工程试验的单桩获得,有关长群桩基础的沉降变形性状的机理研究较少,亟需深入研究。为此,以长群桩基础为对象,对其沉降性状进行较为系统的研究。研究表明:1单桩基础在小荷载水平下,桩顶的沉降大都由桩身压缩量所引起;2工作荷载条件下,群桩基础中基桩的桩身压缩比例要小于单桩基础的试验结果,这是由群桩效应导致桩端下土体压缩量比例较大引起;3桩距小、桩数多,土的压缩层厚度大,压缩变形量大,但桩间土的压缩量相对较小;4桩距大、桩数相同情况下,桩端以下的压缩层深度和压缩量将相应减小。研究的相关结果对今后长桩的理论研究和工程设计应用具有一定的借鉴价值。     

基于单桩轴力实测的桩身压缩变形计算与分析

通过对软粘土地层中的钻孔灌注桩进行静载荷试验 ,测试并分析了桩顶的荷载～沉降特性以及桩身轴力的发挥过程 ,并结合测试数据就桩身压缩变形与桩顶沉降的关系、规范法中综合系数 ξ的取值以及桩身压缩变形分布规律等方面进行了计算与探讨 ,获得了一些有益的结论     

长短桩组合桩基宏细观工作性状研究

利用基于数字图像的变形测量系统,结合室内模型试验,研究了长短桩组合桩基的荷载沉降特性、土体变形渐进发展规律;建立了长短桩组合桩基的颗粒流数值分析模型,对桩周土体细观结构变化情况进行了分析。研究结果表明:承台下土体在加载初期即有相当量的荷载分担,长桩的侧摩阻力在加载后期基本保持不变,而短桩的侧摩阻力仍有一定的增长,长桩和短桩的承载力有一定程度的削弱,尤以短桩削弱较多;长短桩组合桩基中土体竖向位移的影响区域扩展到长桩桩端附近,基础剪切滑动面位于承台边缘及桩端以下局部范围土体中;短桩桩端土体竖向应力较早达到极限,而长桩桩端土体竖向应力在加载后期超过短桩,长桩和短桩桩端土体竖向应力与孔隙率变化规律具有良好的一致性。研究结果为长短桩组合桩基础设计及其工程应用提供理论依据。     

后注浆超长灌注桩水平承载特性现场试验研究

后注浆技术作为灌注桩补强技术,已在工程中得以应用,但有关后注浆桩体水平承载特性的研究较少。针对深厚土层中后注浆超长灌注桩的水平承载问题,结合工程实例,研究了后注浆单桩水平承载规律。通过现场水平静载试验,实测得到了试桩桩顶位移、转角、残余变形与水平荷载的关系,分析了后注浆桩身内力及桩侧土抗力分布特点,比较了有无后注浆情况下的单桩临界水平承载力大小。结果表明:已有规范方法可以对后注浆单桩临界水平承载力、极限水平承载力给出合理的判定,水平加载条件下后注浆桩侧土体抗力比例系数与桩顶位移呈非线性关系,桩侧桩端后注浆技术可显著提高灌注桩单桩临界水平承载力,较无后注浆桩体提高约20%。     

滨海软土中超长后注浆灌注桩承载性能研究

依托天津某主塔楼桩基工程,通过双循环静载试验及试验数据的分析,研究了滨海软土中超长后注浆桩的承载性能。结果表明,超长后注浆桩的荷载-沉降曲线呈缓变型;回弹时桩侧摩阻力反向,使得在第二次循环开始时,部分桩段的桩身轴力大于桩顶荷载;桩身弹性压缩是桩顶产生沉降的主要原因;桩的承载力主要靠桩侧摩阻力承担,有效桩长段上部的侧摩阻力充分发挥。试验桩的端阻比还不足3%,更多表现出摩擦桩的特性。此外,对现有的几种单桩承载力计算方法及结果进行了对比分析,并对单桩承载力计算方法适用性进行了讨论,提出了在滨海软土单桩极限承载力计算时的桩侧摩阻力增强系数优化值,可为今后类似工程的设计施工提供参考。     

确定嵌岩灌注桩竖向承载力的荷载传递法

以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递性状，并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况，建立了各种土体与岩层的衙载传递统一模型。对于桩端荷载传递机理，考虑嵌岩灌注桩桩端沉渣的影响，采用桩端阻三折线模型。在此基础上，充分考虑桩侧土(岩)与桩端岩层阻力的发挥程度，导出了桩顶沉降量与桩顶荷载之间的关系式，由此可通过控制桩顶沉降量来确定嵌岩灌注桩的桩顶竖向承载力。最后，以试桩结果检验了该方法的可行性。