现浇混凝土筒桩简介及试验分析

2005年10月COALGEOLOGY&EXPLORATIONOct.2005　　文章编号:100121986(2005)0520041204

现浇混凝土筒桩简介及试验分析

朱向荣,朱明双

(1.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州　310027;2.浙江大学宁波理工学院,浙江宁波　315100)

摘要:介绍了现浇薄壁筒桩技术,并以实测资料为基础分析了单桩及复合地基受力特性。现场试验

研究表明:沉管灌注筒桩竖向承载性能突出;同时,(由于大直径所产生的薄壳效应)能够提供较大横向抗力。筒桩复合地基在沉降和承载方面均能够很好地满足工程需要,更具有质量可靠,造价低廉等优点。关　键　词:筒桩;承载力;桩顶盖板;变形中图分类号:TU473　　文献标识码:A

1,2

1

Introductionandexperimentalanalysisofcast2in2placetubularpile

ZHUXiang2rong

1,2

,ZHUMing2shuang

1

(1.GeotechnicalInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.NingboInstituteofTechnology,ZhejiangUniversity,Ningbo315100,China)

Abstract:Cast2in2placetubularpiletechnologywasintroducedinthispaper.Basedonthein2situtestdata,theengineeringprop2ertyofsinglepileandcompositefoundationwerespeciallyanalyzed.Itwasfoundthatthecast2in2placetubularpilegivespromi2nencetoitsverticalbearingcapacity.Atthesametime,thepilecanhavelargediameterwhichinducedthin2shelleffectthaten2ablethepilewithhighhorizontalresistance.Atlasttubularcompositepilefoundationtestindicatethatitnotonlywellmeetengi2neeringrequirementinsettlementandbearingcapacity,butalsowiththefollowingadvantagesgoodquality,lowcostetc.Keywords:tubularpile;bearingcapacity;pilecapdecking;deformation

1　引言

我国地域辽阔,地质条件极为复杂,特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区,存在着许多复杂的软土地基。在这些地质条件下修建高等级公路及建筑物都要进行软基处理,以增加地基的稳定性,减小沉降。目前,各类工程中使用的主导桩型主要有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、预应力管桩、人工挖孔桩以及用于软基处理的各种柔性、半柔性桩(如搅拌桩、粉喷桩、散体材料桩等)。实践中发现,这些桩型都有很大的局限性,如:沉管灌注桩设备简单,施工方便,但其致命弱点是在饱和土中挤土常导致桩身缩颈、离析和断裂,且桩径过小(一般不超过500mm),了单桩承载力;钻孔灌注桩桩径大,桩长可调节,单桩承载力大,但工艺复杂,施工时间较长,固体废弃量大,环境污染严重,泥浆护壁的泥皮减弱了侧摩阻力,桩端的沉渣减弱了桩端承载力;预应力管桩虽有单位面积承载力高、质量易于控制、桩身混凝土密度大、施工功效高等优点,但其却存在单价较高、

存在挤土截桩、受起吊设备、单节桩不能过长等

问题。鉴于以上各桩型的局限性,使施工方便、成桩质量可靠、造价低、承载力高、混凝土用量少,且地基稳定性较强的新桩型沉管灌注筒桩(简称筒桩)便脱颖而出。2　筒桩简介

筒桩是在沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的一种新桩型,该技术是谢庆道先生自主研制开

[1]

发的一项专利技术,专利号为ZL98233440.0。筒桩属弱挤土桩,它改变了普通沉管灌注桩的施工工法,采用双钢管筒加环形桩尖结构,套管上部与振动锤连接,下部与桩靴上的内、外支承面相接触,应用高频振动头将桩筒沉入土中,外管和内管形成排土体积向内心挤密并部分排出地面,外侧土体基本不受挤压,这既避免了沉管灌注桩易产生的质量缺陷(即离析、缩径、断桩),又克服了沉管灌注桩挤土效应强(易对邻周环境造成不良影响)、桩径小和承载力低等缺点。图1为成桩后筒桩配筋图。

收稿日期:2005201207

),男,浙江义乌人,浙江大学岩土工程研究所教授,博士生导师。主要从事软粘土力学、作者简介:朱向荣(1961—桩基工程、

地基处理和环境岩土工程等方面的研究1

・42・煤田地质与勘探　　　　　　　　　　　　　　　第33卷

表1　旭阳路的土性指标表

Table1　SoilparametersofsoilintheXuyangroad层号土名

状态

厚度Πm

快剪含水量压缩系数压缩模量

-1

Π%ΠMPa)ΠMPaCΠkPaφΠ(°

44.6.057.3

1.051.701.45

2.191.651.85

18.05.27.5

3.42.23.5

　　目前就沉桩能力而言,筒桩适用于饱和软土、

一般粘土、粉土和松至中密砂,最大施工深度为48.5m。现已应用的桩径为600～1600mm,壁厚为100～250mm。现场试验测试表明,筒桩的单桩承载力与同直径的钻孔灌注桩相同,由于筒桩可以将土从内心中排出,使得需灌入砼的空间所排出的土大部分从内心排出,不形成应力场,故而其挤土效应弱,远小于普通沉管灌注桩和实心预制桩。正是由于其诸多优点,该技术在温州鹿西岛已成功采用大直径(Φ1500)薄壁筒桩结构防波堤,堤长270m,建成后经2002年16号台风的正面袭击仍安然无恙;在杭宁长兴三标段高速公路以及乐清市环城公路,因采用素砼筒桩用作复合地基,降低了50%以上的地基处理造价,并提高1Π3以上的工效,乐清旭杨路工程用筒桩技术进行路桥结合段的变刚度设计,有效解决了路桥结合段的不均匀沉降问题。

本文主要通过筒桩现场单、群桩静载试验,对筒桩的承载特性进行了分析归纳,以总结经验供工程设计人员参考,更好地掌握其承载机理。3　试验概况

①粘土可-软塑0.5

②-1淤泥流塑21.5②-2淤泥流-软塑10

K16+678～728。试桩直径均为1000mm,壁厚120mm,混凝土强度等级C25,桩长有两种:一种为16m,桩端持力层为②-1淤泥质粘土;一种为18m,以④-1层粉质粘土为持力层。共做了8根

单桩和一组四桩复合地基竖向静载荷试验,其中C-19F是试桩C-19静载后进行复测,加载到破坏而命名的桩(实为同一桩)。试桩R-12被挖去土心7m,试桩A2-16的土心18m全部挖去,以便进行对比试验。4　试验结果分析4.1　竖向静载试验

试验采用慢速法加载法

[2]

,试桩结果见图2、3

选取两处试验数据进行分析,其一:乐清市旭阳

路路桥结合段公程。场地路基为典型的海相沉积地层,见表1。

从表1中可见:场地土质很差,含水量高,强度低,压缩性大。采用筒桩对全程11个桥台延伸段进行变刚度地基处理,设计筒桩均为外径1000mm,壁厚120mm,混凝土为C25,试桩S1、S3和S6的桩长为20m,桩端持力层②-1淤泥;试桩S2、S4和S5的桩长为25m,桩端持力层②-2。其中S1、S2、S3和S4为竖向载荷试验,S5和S6为水平载荷试验。

其二:试验路段位于杭宁高速公路二期(长兴段)第3合同段K16+612白溪港桥南端桥头,场地各土层物理力学参数见表2。试验路段里程桩号为

及表3。从图2旭阳路试桩曲线可见:试桩曲线平

缓光滑,无明显的第2拐点,说明筒桩在力学性质较差的土层中亦能表现出良好的受力特性。由图3可知,长兴段筒桩的初始刚度大,荷载-沉降性状多数为缓变型,少数为陡降型,垂直承载力大。除Q-2、U-2两桩有明显的第2拐点,曲线呈陡降型外,其

余曲线均呈缓变型。18m桩的荷载-沉降性状均呈缓变型,除A2-16桩外,单桩极限承载力均大于1000kN,可取1440kN。16m桩的荷载-沉降性状呈缓变型、陡降型各占一半,单桩极限承载力均大于800kN,取800kN。

由表3可见旭阳路段两种长度的桩型均表现出良好的承载性能,桩长25m筒桩的极限承载力1200kN,桩长20m的筒桩极限承载力已达900kN;而长兴段桩长18m的筒桩其极限承载力已在1400

图1　成桩后的配筋筒桩图Fig.1　Thecompletedtubularpilewith

reinforcingbars

图2　旭阳路试桩的Q-S曲线

Fig.2　Q-ScurvesoftestpilesinXuyangroad

a———桩长20m;b———桩长25m

第5期　　　　　　　　　朱向荣,朱明双:现浇混凝土筒桩简介及试验分析

表2　长兴段的土性指标表

Table2　SoilparametersofsoilintheChangxingsection

层号①-2

①-3②-1④-1⑤-1⑤-2⑦-1⑦-2⑧⑨-1

土名粘土粉砂淤泥质粘土粉质粘土粉质粘土粉砂粉质粘土粘土粉质粘土中砂

厚度/m

1.32.713.52.23.110.610.57.22.6

30.332.418.420.3

1.921.1.961.99

0.8550.9290.7930.624・43・

含水量/%

35.434.746.123.021.5

密度/g・cm-3

1.81.861.752.042.04

孔隙比塑性指数

1.0610.9561.2740.6310.614

6.9613.2018.5013.5710.9515.2

压缩模量/MPa

3.267.811.945.858.136.527.938.7811.6

快剪

C/kPa21.016.842.038.333.139.148.017.0

Φ/(°)

6.04.3816.717.612.916.215.030.8

图3　长兴段试桩的Q-S曲线图

Fig.3　Q-Scurvesoftestpilesinchangxingsection

a———桩长18m;b———桩长16m;1———A19桩;2———C19桩;3———C19F桩;4———A2-16桩;

5———Q2桩;6———S2桩;7———U-2桩;8———R12桩

表3　竖向静载试验成果表

Table3　Resultsofverticalstaticloadtest

试验

编号

S1S2S3S4A-19C-19C-19FA2-16R-12S-2U-2

一块正方形钢筋混凝土板体。由于盖板的封顶加压作用,土心底部受到同样荷载的反力作用,加大了桩端阻力,从而明显地提高单桩承载力值。从表3可以证实,筒桩桩长16m、18m封盖以后,单桩极限承载力均有明显增加,提高8%～10%;对应桩顶沉降量却下降约50%。故而,实际工程中在桩顶加盖板,并且适当加大盖板面积可以增加筒桩受力面积,相对应地减少了桩间土受力面积,提高了桩土受荷载应力比。4.2　复合地基试验

桩长最大试验最大极限

桩身情况Πm荷载ΠkN沉降量Πmm承载力ΠkN

2025202518181818161616

封盖实体

封盖实体封盖实体封盖实体封盖实体封盖实体封盖实体未封盖(全桩空心)未封盖(7m空心)封盖实体封盖实体

9001200900130010001000144010008001000900

30.9432.8331.9433.374.774.0118.7829.057.3227.3560.24

90012009001200>1000>1000144010008001000800

长兴段4桩复合地基试验,桩长均为18m,桩间距2.5m,以④-1层粉质粘土为持力层,主要是通过承台试验,了解群桩效应对承载力的影响和桩土应力分担比,并在桩顶土体不同位置埋设了土压力计

[4]

～1500kN之间,桩长16m却只有800kN。这说明:桩周土力学特性较差时,桩长对桩竖向承载力的影响不很明显;而当桩周土力学性质较好,适当加长筒桩长度可获得较大的承载力。测试表明:空心桩的单桩承载力值比实体桩要低,约低20%～30%左右。由此可证明,内侧摩阻力确实存在,提高量值一般在20%～30%。内侧摩阻力的计算与常规计算

[3]

方法不一样,其受力条件机理有待进一步研究。

桩顶盖板:指筒桩施工结束后,在桩顶上方浇灌

,测试结果见图4、5。结果表明,在试验加荷结

束时仍无明显第2拐点出现,说明群桩仍未破坏。

由图5可看出,桩间土中心点处平均应力与桩侧平均应力大致相同且分担的应力较小,随荷载的增加变化不明显,但桩土应力比随着荷载的增大而增大,荷载越高,应力比增大的也相对较快,对于沉降到9.57mm时,承载力主要由筒桩承担,约占总承载力的70%～80%。同时可看出,由于群桩效应,

・44・煤田地质与勘探　　　　　　　　　　　　　　　第33卷

表4　横向静载试验成果表

Table4　Resultsofhorizontalloadtest

试验编号

S5S6

桩长Πm

2520

最大试验最大变形

荷载ΠkN量Πmm

125175

40.1930.93

极限承

(°)相应转角Π

载力ΠkN

125150

0.9950.5

加大,在0.5～4.0m范围变化最明显,桩身应力值

图4　复合地基Q-S曲线

Fig.4　Q-Scurveofcompositefoundation

迅速增大,在桩身4m处达到最大值。

水平试验完成后,对两根桩进行低应变测试和浅部开挖均未发现异常断裂。从场地土性描述中可以看出,这主要是由于场地中埋藏有较厚的淤泥质软粘土,地基土的横向抗力系数较小,而在较大的桩顶荷载下,桩周土抗力发挥到极至,土体发生破坏,桩体位移量的增大主要是由于试桩出现整体位移产生的结果。可见,实际对于此种在桩长范围内具有较厚淤泥质软土的场地中,在其它条件相同的条件下,一定范围内桩长对筒桩横向承载力的影响不大。

图5　桩土应力随荷载变化曲线Fig.5　Thestressofpileandsoilvs.load

5　结语

承载力衰减百分量小于10%,这是因为到5000kN时,群桩荷载仍未达到极限,由单桩竖向承载试验可

知4根桩最大荷载5600kN,故可以分析桩间距2.5m时,筒桩承载力富余量大,桩间土压缩变形小,群桩效应不是特别明显。4.3　横向静载试验筒桩采用薄壳混凝土结构,承载力高,属刚性桩,在薄壁情况下,桩的水平抗推力和最大弯矩是研究筒桩的重要参数。旭阳路段水平单桩载荷试验,采用多循环加卸载法,每级循环加载5次得到H0-t-X0曲线图(图6)。在桩身不同深度处埋设钢筋

筒桩吸收了预应力管桩和振动沉管桩等技术的优点,施工方便,可操作性强,便于质量控制,监督,造价较低。试验表明,筒桩竖向承载力高且总沉降量小,在土质较差的情况下主要以摩擦桩为主。同时由于其采用了薄壳技术亦能够提供较高的水平抗力。筒桩为刚性桩,混凝土环体与内外土体共同构成复合地基,极大地提高了地基的承载力,地基受力以筒桩为主,约占总承载力的70%～85%,沉降以桩间土为主,而且混凝土桩体壁为一较好的排水通道,有利于桩间土的排水固结,提高地基的强度和稳定性。参考文献

[1]　谢庆道.一种用于软土地基的混凝土筒桩施工的压入式一次

成孔器[P].中国专利:98222440.0,1999-11-20.[2]　JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].北京:建筑工业出版社,

1995.[3]　徐松林,吴玉山.桩土荷载传递的测试分析和模型研究[J].岩

土力学,1996,17(2):27-29.[4]　朱向荣,叶俊能,姜贤放,谢庆道.沉管灌注筒桩荷载-沉降曲

线的拟合分析[J].科技通报,2003,19(6):481-484.

计,计算并绘出其水平应力变化图(图7),两桩试验结果见表4。

图6表明,两试桩曲线未出现过大变形,说明成桩质量良好。对于S6号试验桩,当试验荷载加到175kN时,实测曲线呈陡降变形,表明此时桩体水平变形急剧加大,已达到极限水平荷载。由图7可以看出:随着水平荷载的增加,桩身不同位置的变形

图6　横向荷载试验曲线Fig.6　Thecurvesofhorizontalloadtest

图7　桩身不同深度水平应力分布曲线

Fig.7　Distributionofhorizontalstressalongpile