a湿陷性黄土地区桩基设计方法.docx

1、a湿陷性黄土地区桩基设计方法湿陷性黄土地区桩基设计方法 研 究 报 告 陕西省公路勘察设计院 2003年10月 1 目 录 第一章 课题研究背景.1 第二章 现行设计计算方法评价.8 第三章 设计计算方法25 1设计计算参数.25 2 中性点位置的确定33 3 设计计算方法.36 第四章 对比分析40 1与仿真成果对比.40 2 与实体工程对比.47 第五章 减小负摩阻力的措施.56 第六章 结论与建议.56 参考文献 2 第一章 综述 1 桩基设计历史与现状 一、桩基设计历史回顾 桩基础是最古老的基础形式之一。早在有文字记载之前，人类就懂得在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩来支撑房屋。公

2、元前206年到公元200年的汉朝，我们的祖先在桥梁建设上就有使用过木桩基础的悠久历史。1959年河南黄县利用打井锥具钻孔，创造了钻孔灌注桩。后来，随着社会主义建设的发展，又根据地质条件和施工工艺，发展了钻、挖、冲孔灌注桩和暴扩桩，桩型多样化，直径向大型化发展，桥梁和高层建筑已用到直径为3.0m和3.2m的灌注桩。就打入桩来说，我国30年代建造的钱塘江大桥，就采用过木桩和钢筋混凝土桩基础，桩型也多样化，有管桩、方桩、三角桩、锥形桩、上部为钢筋混凝土，下部为H型钢桩的组合桩；就桩的长度来说，有整根预制的，有分段预制拼接成的。为了解决钢管桩用钢量大、易锈蚀和造价高的缺点，在“六五”和“七五”期间，又

3、研制了直径1.2m和直径1m的后张法预应力大管桩，应用于码头和海洋工程。在我国，打入桩与灌注桩的应用同时并举，一般陆上的桩基工程，如工业与民用建筑以灌注桩为主，海上或内河港口工程和固定式海上平台的桩基工程以打入桩为主。 单桩轴向承载力的确定，50年代初期多采用自苏联规范。由静力公式计算单桩承载力时，多采用巴塔列夫经验公式；用动力公式时， 3 多采用格尔塞万诺夫公式。解放后，我国在天津、连云港、上海、湛江、镇海以及长江中下游的杨泗庙、裕溪口、马鞍山、镇江等地建造许多码头，这些工程中的桩基承载力，大都通过静载荷的试桩来确定。70年代末，80年代初，我国制定了第一部港口工程桩基规范，规范中推荐的桩侧

4、摩阻力和桩尖端阻力是根据120根钢筋混凝土打入桩试桩资料分析整理而得的。根据近年来桩基可靠度的分析核算，认为该规范桩基承载力的安全水准基本上是合理的。根据水上桩基工程受水文、气象等自然因素影响的特点，规范中第一次提出了应用快速维持荷载试验法进行试桩的规定。1990年冶金工业建设灌注桩基础设计与施工规程，对桩侧摩阻力和端阻力，在分析比较国内试桩的基础上，提出了建议值。1989年上海地基基础设计规范，根据该地区丰富的静力出探资料与静载试桩对比资料，在国内第一次把静力触探引入到地基规范。至于抗拔单桩承载力方面，1985年，在制定我国干船坞设计时，对抗拔桩的破坏机理、承载力和桩的优化入土深度都一一进行

5、了研究，并放入规范。对桩的轴向承载力的安全系数，在近年来对桩的轴向承载力进行可靠度分析的基础上，在国内首次采用了分项安全系数。 50年代以前，建筑物的水平力一般由斜桩来承受，直桩不考虑水平力的作用。50年代后，考虑了土的抗力，但是多采用苏联安格尔斯基的方法。60年代以后，由于采用了钻孔桩多为竖直的，考虑桩的水平承载力势在必行，铁路和公路桥梁首先采用了m法、C法，港工桩基规范也采用了m法和张有龄法。但上述方法均为单一参数 4 法，对桩在地面处的挠度、转角和桩身弯矩及其所在位置与试桩实测值只能凑合到较近似的程度而不能全部符合。80年代吴恒立教授提出了综合刚度原理的双参数法，改进了上述各法的缺陷和不

6、足，但必须要有试桩资料。70年代美国石油协会广泛采用P-Y曲线来设计海上平台的桩基。挪威在海上平台的桩基设计中也采用了P-Y曲线；80年代我国也对P-Y曲线进行了研究，并引入到海上桩基工程的设计。P-Y曲线法保证了桩土之间的变形协调，适用于线性与非线性，静载与循环荷载，避免了现行单一参数法的缺陷，只要有土工指标，在不作试桩的情况下，均可获得与桩的实际受力相近的成果。 二、桩基设计现状 如今，桩型及施工工艺的不断推陈出新、千变万化，量变的结果导致了质变，无论是在桩基的有关理论概念上抑或是桩的效用上都产生了许多实质性的变化，桩的应用及成桩工艺比过去更为多样化和复杂化。特别是在桩基设计和施工领域中提

7、出了许多暂新的甚至是离经叛道的概念，例如疏桩理论，桩基逆作法，热加固成桩等等。在桩的应用上，除了承受竖直荷载外，还用以承受斜向的甚至是水平的荷载，而在有些情况下，桩仅用于改善桩周围土的承载力，而不是由桩直接承担结构物的荷载。 随着桩基技术的改良和发展，桩已不只是单独地被应用，在许多情况下，它与其他地基础形式或工艺联合应用，例如化学灌浆排桩联合护壁等，以适应上层建筑的超重载荷、深基坑开挖等的需要。此外桩的发展趋向表明，桩身的超高强度、大桩径、超长、无公害沉桩工 5 艺以及完美的施工控制技术等已成为未来桩基改良和发展的内容。 桩基设计及施工规范化已受到工程界的高度重视，有关各种桩系的规范正在陆续制

8、定和推出，规范的巨大作用和重要的工程意义已在现代的桩基工程中获得充分证明。桩基工程的施工监测和检测应工程的需要已形成一项相当丰富有效的技术，此外，还出现了一个新兴的建筑机械行业桩工机械行业，该行业方兴未艾，正进一步向大型化发展。 2 课题研究背景 尽管桩基设计及施工在世界范围内发展迅速，然而由于现在对桩的承载能力要求的不断提高，随之也出现了一些问题，比如较为严重的黄土湿陷，桥梁设计规范中一直没有明确的设计要求，而我国现在正在进行西部大开发，因此湿陷性黄土地区桩基的设计问题成为迫切需要解决的问题。 所谓的湿陷性是指黄土在自然状态下受到地表水的侵蚀，黄土中的易溶盐类（如碳酸盐等）溶解，颗粒间的胶合

9、作用力遭到破坏，土粒在水中悬浮。再次沉积过程中，土粒碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，土粒就停留在最初的位置上不再下沉，形成蜂窝状结构。该结构为水的进一步侵蚀创造了条件，使空隙之间连通、扩展，形成大孔隙、陷穴。在外荷载作用下，土体结构遭到破坏，发生大量而剧烈的变形，强度也随之降低。 湿陷性黄土不仅具有湿陷性，而且有直立性、膨缩性、崩解性、难压实、受含水量影响比较大等特点。在天然含水量状态下，湿陷性 6 黄土具有较高的强度和较小的压缩性，能支撑垂直边，天然陡壁多呈近90的边坡，即具有直立性。膨缩性是指湿陷性黄土遇水膨胀,干燥后收缩,多次反复形成裂纹并剥落,影响路基稳定。所谓崩

10、解性指湿陷性黄土浸入水中,很快就会崩解,进而影响路基强度和稳定。由于湿陷性黄土最大干密度、最佳含水量较高，较难达到规范要求的碾压密实条件。湿陷性黄土对含水量影响相当敏感，含水量小，则容易扬尘。含水量大于最佳含水量，则容易翻浆，适宜压实的含水量为最佳含水量的+0.5%-2%。 黄土湿陷又分在自重压力下发生的自重湿陷和在外荷载作用下发生的非自重湿陷。非自重湿陷比较普遍,对工程建筑的重要性也较大。黄土是否具有湿陷性,应按室内压缩试验判定,即在一定压力下测定其湿陷系数,当0.015时,认为该黄土为湿陷性黄土;当<0.015时,则为非湿陷性黄土。对湿陷性黄土,根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自

11、重湿陷量的大小等因素,又分为级(轻微)、级(中等)、级(严重)和级(很严重)。湿陷等级愈高,对结构的负面影响愈大。天然条件下,黄土被浸湿有两种情况,一是地表水下渗,另一是地下水位升高,一般前者引起的湿陷性要强些。黄土湿陷量的大小与黄土的地质年代、成因、矿物(包括粘土矿物)成分、粘度结构、受水浸湿程度、湿陷性黄土厚度有关。通常,黄土的天然含水量愈小,所含可溶盐特别是易溶盐愈多,孔隙比愈大,干容重愈小,则湿陷性愈强。 我国是世界上黄土分布面积最大的国家,在黄土地区修筑铁路、公路或进行其它工程建筑,经常会遇到黄土的湿陷性问题,建筑在湿陷 7 性黄土地基上的桥涵,尤其是部分小桥涵,由于种种原因导致基底

12、进水,触发了黄土湿陷,从而导致桥涵不均匀沉陷以致结构破坏是屡见不鲜的。因此,必须查清建筑地区黄土是否具有湿陷性及湿陷性的强弱,以便有针对性地采取相应措施。 我国黄土分布面积约64万k2,广泛分布于西北、华北、山东、内蒙及东北等地区,主要分布于黄河中游的陕、甘、青及山西、河南等地,这些地区黄土分布面积广,厚度大,地层发育全面而连续,有黄土高原之称。各地区黄土厚度不同,以黄土高原厚度最大,陕甘地区黄土厚达100200,其它地区黄土厚度一般从几米到数十米,很少超过30。并非所有黄土都具有湿陷性,我国湿陷性黄土一般分布在中更新世(2)上部、晚更新世(3)及全新世(4)等地层中。一般老黄土(午城黄土及离

13、石黄土大部)无湿陷性,而新黄土(马兰黄土及新近堆积黄土)及离石黄土上部有湿陷性。因此,湿陷性黄土多位于地表以下数米至十余米,很少超过20厚,在这一带地区及土层中修建工程建筑物,就应充分考虑湿陷性的影响，尤其是湿陷性黄土作为桥涵建筑物地基,严重影响工程建筑物的正常使用和安全,能使建筑物开裂甚至破坏。 3 主要研究内容 随着西部大开发战略的实施,该地区正陆续修筑一大批高速公路,不少工程在实施过程中出现了不同程度的湿陷破坏事故。高速公路路基及其构造物对沉降变形和差异沉降均具有较高的要求,因此在湿陷性黄土地区的高速公路建设中,为确保公路路基及其构造物的安全和正常使用,黄土地基的湿陷性必须引起高度重视,

14、并在结构物设计时 8 给以科学考虑。目前,公路部门没有专用的有关湿陷性黄土地基处理方面的设计规范,国标湿陷性黄土地区建筑规范(25-90)也因公路的地基特性、结构特点、构造物使用要求等和工业民用建筑之间存在很大的差异而无法直接应用,公路湿陷性黄土地基的设计与施工基本上处于无章可循的状态。参照国内外有关湿陷性黄土地基的有关规范、规程要求,借鉴黄土地区已建或在建公路项目在湿陷性黄土地基设计与施工方面取得的经验,对高速公路湿陷性黄土地基的结构物设计进行详细的陈述。 本课题首先着重分析建造在湿陷性黄土地基上的二连浩特河口国道主干线禹门口阎良高速公路的芝川河特大桥桩的现场试验数据，并将其与理论计算进行比

15、较，从理论上得出因黄土湿陷性引起的桩的负摩阻力对桩设计长度的影响，并较准确地推导出较为适用的负摩阻力的理论计算公式及负摩阻力作用下桩的极限承载力。从而得出一套更接近实际的理论计算公式，为今后的计算提供理论依据。 9 第二章 黄土地区桩基试验分析 这里主要依托处于湿陷性黄土地区的芝川河特大桥，通过该地区的黄土湿陷性对桩的影响详细讨论负摩阻力及其相关计算公式。 一、工程概况及地质情况 芝川河特大桥是二连浩特河口国道主干线（GZ40）禹门口阎良高速公路上的一座特大桥梁，该桥起点桩号K27+081.00，终点桩号左半幅为K30+115.190，右半幅为K30+120.843，桥梁总长：左半幅3034.

16、190m，右半幅3039.843m。主桥为12联主跨50m预应力混凝土T梁，跨径分割为12（450）m，引桥为四联跨径30m预应力连续箱梁，跨径为3（530）+630m。桥梁下部结构采用桩基础，每幅承台下布置9根60余米、直径1.5m的桩基。 芝川河特大桥位于韩城市芝川镇东少梁，居河自北向南由芝川河特大桥下通过，于下游1km处汇入黄河。总体地势，东西两侧高，中间低平，两端黄土梁标高分布为464.0m和421.0m，中间滩地标高359.0m，相对高差达百余米。 K27+00027+210黄土台塬段分布于居河东岸，塬面开阔而平坦，地形稍有起伏，标高464.0m。与高漫滩呈陡坎或陡坡相接，高差约10

17、0m，上部地层为黄土，层厚约29.4m，下部地层为冲积细砂、粉土，层厚30m，坎前分布有坡积物；k27+455k30+160高漫滩段分布于居河两侧，呈带状，宽约2245m，标高360.7359.7m，滩面平坦，由粉土、砂类土组成，夹有淤泥质土和粉质粘土，厚16.033.6m，居河分布有卵石、砾石，厚度达10余米，其下为细砂、粉质粘土，厚 10 约25m，底部为细砂，夹有薄层粘性土和卵石；k27+210k29+455黄土台塬段分布于居河右岸，由于沟谷切割，塬面破碎，呈不规则的条带状或块状分布，与高漫滩的高差约2862m，上部为黄土，层厚约35m，下部为粉质粘土和砂土。 二、试验方案设计 本试验是

18、对5合同段桩基的承载性状进行分析，其里程范围为k29+45530+160范围，该地属湿陷性黄土，层厚约为15m，下部为粉质粘土和细砂。 实验中拟做两根试桩,两根桩均采用旋转钻孔，桩径为1.2m，孔径为1.26m。桩径均为1.2米，桩长35米。实验中用三根锚桩。锚桩的直径为1.2米，桩长35米。试桩中钢筋的布置同工程桩。所不同的是：自桩底1.0米起，每一米需在对称方向上布置两个钢筋应力计。（钢筋应力计沿桩长方向布置于主筋上。）另外，在桩头以下120cm这段桩身所用混凝土强度不低于40号。为加强桩顶的混凝土抗压能力，在桩顶面以下5cm处开始布设三层间距为10cm的钢筋网。 根据岩土工程勘察报告，由

19、经验公式初步估算出试桩的极限承载力，约800吨。两锚桩的设计抗拉拔力为500吨。 三、试验目的 湿陷性黄土地区的桩基研究是我国现如今在进行西部大开发迫切需要解决的问题。分析黄土层在各级荷载作用下桩土之间的作用机理、湿陷地区干燥状态及浸水状态单桩竖向承载力变化情况，判明各种情况下工程用桩的桩侧摩阻力、桩底反力，验证考虑黄土湿陷桩的 11 合理加长参数，进一步优化桩基础设计，获得在设计荷载作用下桩基产生的沉降变形，为桥梁上部结构的施工控制提供合理的控制指标，确保芝川河大桥的设计、施工的合理性。同时研究湿陷性黄土湿陷范围及负摩阻力的大小与分布，为陕西等省桥梁桩基设计与施工提供一套合理的设计技术指标，

20、确定黄土地区的合理桩深，为设计部门提供在同类地质条件下更为可靠的基础计算参数。 四、试验测试内容 试验测试内容包括桩顶沉降、桩身截面应力应变及钢筋应力。 桩顶沉降测试是测读每级荷载作用下桩顶的沉降变形量。试验中以两根工字钢作为基准梁，上置磁性表架以固定百分表，并为每个百分表设置一个摄像镜头，采用远程读数系统，通过切换器上直接采集百分表读数形成桩顶位移测试系统，试桩顶上共设置4只百分表；锚桩顶面位移可采用精密水准仪进行检测。 在测试过程中先直接在桩顶加荷载，使桩承受荷载，进行一次测读，接着将桩浸水，当达到一定试验要求时再加载进行一次测读，并将试验数据记录整理。 12 五、试验数据 表 2-1 5

21、标2号桩浸水状态侧摩阻力成果表 埋深(m) 800kN 3200 kN 4000 kN 4800 kN 6400 kN 7200 kN l.00 1.66 5.56 7.80 8.39 12.88 8.54 2.99 1.74 6.61 1.52 4.70 2.00 1.66 5.56 7.80 8.39 12.88 8.54 2.99 1.74 6.61 1.52 4.70 2.00 9.30 24.13 7.37 54.36 43.18 39.53 35.45 29.14 19.62 23.32 3.00 9.30 24.13 7.37 54.36 43.18 39.53 35.45 29

22、.14 19.62 23.32 3.00 -18.13 16.20 8.93 38.82 23.10 9.64 4.45 1.34 2.62 6.61 19.85 4.00 -18.13 16.20 8.93 38.82 23.10 9.64 4.45 1.34 2.62 6.61 19.85 4.00 28.89 43.46 55.75 66.91 13.22 8.01 1.79 3.59 7.25 17.11 16.93 5.00 28.89 43.46 55.75 66.91 13.22 8.01 1.79 3.59 7.25 17.11 16.93 5.00 0.51 11.35 37

23、.06 12.10 15.40 30.89 26.21 37.59 44.99 48.40 20.38 6.00 0.51 11.35 37.06 12.10 15.40 30.89 26.21 37.59 44.99 48.40 20.38 6.00 -0.11 -6.15 -20.97 -7.20 -26.10 -2.18 45.47 50.39 54.67 52.44 28.26 7.00 -0.11 -6.15 -20.97 -7.20 -26.10 -2.18 45.47 50.39 54.67 52.44 28.26 7.00 13.03 15.96 30.47 4.30 0.96

24、 0.96 5.69 1.50 1.18 3.14 2.03 8.00 13.03 15.96 30.47 4.30 0.96 0.96 5.69 1.50 1.1 3.14 2.03 8.00 0.24 0.33 2.33 5.16 16.53 1.11 6.94 5.36 3.12 3.95 13.54 9.00 0.24 0.33 2.33 5.16 16.53 1.11 6.94 5.36 3.12 3.95 13.54 9.00 10.21 21.52 2.15 9.16 10.92 11.82 10.12 19.57 23.43 6.87 5.17 10.00 10.21 21.5

25、2 2.15 9.16 10.92 11.82 10.12 19.57 23.43 6.87 5.17 10.00 15.79 23.51 19.52 34.09 48.16 35.63 39.87 45.97 49.56 71.04 78.89 11.00 15.79 23.51 19.52 34.09 48.16 35.63 39.87 45.97 49.56 71.04 78.89 11.00 -2.18 -11.78 -20.25 -31.11 -13.37 -9.46 -5.04 -21.56 -25.49 -8.01 -6.58 12.00 -2.18 -11.78 -20.25

26、-31.11 -13.37 -9.46 -5.04 -21.59 -25.49 -8.01 -6.58 12.00 -0.24 -2.93 28.80 35.27 19.07 10.53 14.13 20.37 22.52 9.92 13.00 -0.24 -2.93 28.80 35.27 19.07 10.53 14.13 20.37 22.52 9.92 18.32 13.00 2.63 2.49 7.78 0.81 8.78 21.26 14.22 12.72 14.82 2.26 5.38 14.00 2.63 2.49 7.78 0.81 8.78 21.26 14.22 12.7

27、2 14.82 2.26 5.38 14.00 16.21 15.50 21.89 55.76 33.85 24.98 35.87 38.92 38.77 39.87 14.84 15.00 16.21 15.50 21.89 55.76 33.85 24.98 35.87 38.92 38.77 39.87 14.84 15.00 -1.04 -6.28 -8.67 -20.31 13.20 9.78 3.05 0.63 2.49 0.69 6.84 16.00 -1.04 -6.28 -8.67 -20.31 13.20 9.78 3.05 0.63 2.49 0.69 6.84 16.00 -4.86 13.13 9.71 17.48 18.22 17.09 29.97 32.04 38.29 30.67 17.00 -4.86 13.13 9.71