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1、 单位代码:10359学 号:201117350339密级:公开分类号:TU473.1Hefei University of Technology 硕士学位论文MASTERS DISSERTATION 论文题目:预应力混凝土空心方桩竖向承载特性研究专业硕士学位类别:专业名称:作者姓名:导师姓名:完成时间:地质工程徐子龙杨成斌教授级高工2014年 4月 合 肥 工 业 大 学专业硕士学位论文预应力混凝土空心方桩竖向承载特性研究作者姓名:指导教师:徐子龙杨成斌教授级高工地质工程桩土动力学专业名称:研究方向:2014年 4月 A Dissertation Submitted for the Degr
2、ee of MasterResearches on the Vertical Load-bearingCharacteristics of Pre-stressed Spun Concrete SquaredPileBy Xu Zilong Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China April,2014 致谢硕士研究生的学习生活转瞬即逝,回首走过的岁月,曾经的欢歌笑语和彷徨奋斗依然历历在目。首先感谢合肥工业大学给了我继续读书学习的机会,不仅使我的专业知识得到加强,也使我的眼界得到开阔。本篇毕业论文是在我的导师杨成斌教授的悉心指
3、导下完成的,无论从论文选题还是论文提纲的确定,到最后论文内容的修改,杨老师都给予了我最大的帮助。杨老师活跃的思维方式,一丝不苟的工作态度,严谨务实的治学精神,以及豁达的心胸都为我树立了学习的榜样。杨老师不仅授我以文,更教我做人,虽然是短短的三年,却给我以终身受益之道。在此论文完成之际,我向杨老师致以衷心的感谢,祝您生活幸福,工作顺利。感谢我的诸位师兄师姐耿鹤良、张大超、马乾、李自祥、于景操、黄飞、徐梁、章秀芝,特别是张炜师兄对我毕业论文的帮助,你们在学习上和生活中用先行的脚步指引和支持着我。感谢我的同门程驭、朱新安,以及诸位师弟师妹何文军、马俊超、武丹丹、张能钦和施卫力,在我论文写作过程中的热
4、情帮助,祝你们前程似锦、马到功成。最后,我要把我深深的感激之情献给我的双亲,二十多个春夏秋冬,他们用汗水和辛劳把我养大,让我能够茁壮成长,得以顺利完成学业。在这里我祝愿二老身体康健,笑口常开。作者:徐子龙2014年 3月 31日I 摘要近年来,随着土木建筑行业的飞速发展,高层数、大规模已成为当今建筑类型的发展趋势,建筑物的基础工程也变得越来越重要。其中,桩基础已成为一种重要的基础形式,并得到了广泛的应用。预应力混凝土空心方桩凭借诸多优点,如单桩承载力高,施工工艺简单,成桩速度快,桩身质量可靠,搬运、堆放安全,施工环保无污染等,已经越来越多的应用于工程建设领域。为了分析竖向荷载作用下预应力混凝土
5、空心方桩的承载特性,本文的主要研究内容如下:(1)预应力混凝土空心方桩的桩型特点、制桩工艺流程及其优缺点分析。(2)总结现有桩基承载力确定方法,并分析预应力混凝土空心方桩桩侧摩阻力与桩端阻力的影响因素。(3)对桩基荷载传递规律及其影响因素进行分析,推导单桩荷载传递方程,并对桩基沉降特性和桩基荷载沉降规律进行研究。(4)选取两种不同桩径的预应力混凝土空心方桩进行静载荷试验,利用预埋应变片元件测量钢筋应变,结合理论分析,从而得到桩身轴向应力、桩身侧摩阻力和桩端阻力分布规律以及桩土临界位移的讨论,并进行归纳总结。本文通过现场试验,确定了一种针对预应力混凝土空心方桩的静荷载试验新方法,为预应力混凝土空
6、心方桩在安徽地区的推广提供借鉴。关键词:空心方桩;承载特性;荷载传递机理;桩侧摩阻力;桩端阻力II ABSTRACTIn recent years,with the development of civil construction industry,thehigh-number and large-scale building types has become a trend of progressive. And thestudy of the corresponding foundation engineering was more and more important. For aki
7、nd of foundation forms,pile foundation has been widely applied at present. As a newkind of precast pile,Pre-stressed Spun Concrete Squared has the advantage of highercarrying,simple construction process,the rapid construction,reliable quality of pile,storage and handing in safely,construction withou
8、t pollution and so on,it has used inthe area of pile foundation widely.In order to discuss the vertical load-bearing Characteristics of Pre-stressed SpunConcrete Squared Pile , this paper studies were as follows:(1)The characteristics of pile,the process of pile made,the advantages anddisadvantages
9、of pile has been studied.(2)Method to determine the bearing capacity of pile,and the side resistance andthe tip resistance of Pre-stressed Spun Concrete Squared Pile has been studied.(3)The rule of pile load-bearing has been analyzed,and the transfer equation ofsingle pile load-bearing has been calc
10、ulated,the load-settlement relationship has beenresearched.(4)In order to measure the deformation of steel, two Pre-stressed SpunConcrete Squared Pile were studied through static load tests in different pilediameters,by using of pasting hollow square in the pile. Though the theoreticalanalysis,the a
11、xial stress of pile,the distribution of pile side and tip resistance, thecritical displacement of pile-soil has been calculated and studied.A new static load test which for the Pre-stressed Spun Concrete Squared Pile hasbeen invention in this paper,and the useful reference has been provided for the
12、spreadof Pre-stressed Spun Concrete Squared Pile in Anhui Province.Keywords:Squared pile;Load-bearing characteristics;Load-transferring mechanism;side resistance;tip resistanceIII 目录第一章绪论 . 11.1概述 . 11.1.1桩基础简介 . 11.1.2桩基础特点 . 21.2预应力混凝土空心方桩简介 . 41.2.1预应力混凝土空心方桩生产工艺简介 . 41.2.2空心方桩优缺点简介 . 51.3空心方桩国内外
13、发展概况 . 71.4本文主要研究内容 . 7第二章桩基承载力特性研究 . 92.1桩基竖向承载力确定方法 . 92.1.1静载荷试验法 . 92.1.2原位测试法 . 102.1.3规范公式法 . 122.1.4高应变动力试桩法 . 142.2桩侧摩阻力特性及其影响因素分析 . 142.3桩端阻力特性及其影响因素分析 . 18第三章竖向荷载作用下桩基受力与沉降分析 . 213.1桩基荷载传递理论分析 . 213.1.1桩基荷载传递机理 . 213.1.2影响桩基荷载传递因素 . 213.1.3预应力混凝土空心方桩荷载传递方程 . 223.2桩基沉降特性研究 . 243.2.1荷载传递法 .
14、243.2.2弹性理论法 . 273.2.3剪切位移法 . 293.2.4数值分析法 . 323.3单桩荷载沉降特性 . 32第四章预应力混凝土空心方桩承载特性的试验研究 . 374.1工程概况 . 374.2预应力混凝土空心方桩静载荷试验方法概述 . 414.2.1加载方法及荷载分级 . 41IV 4.2.2终止加荷条件及量测方法 . 414.2.3极限承载力确定方法 . 414.3预应力混凝土空心方桩内力测试试验简介 . 424.3.1试验目的 . 424.3.2试验原理 . 424.3.3试验注意事项 . 424.3.4试验材料 . 444.3.5试验步骤 . 44第五章预应力混凝土空心
15、方桩试验结果分析 . 485.1空心方桩荷载 -沉降特性 . 485.2空心方桩桩身轴力分布特性 . 515.3空心方桩桩侧摩阻力分布特性 . 555.4空心方桩临界位移分析 . 59第六章结论与展望 . 626.1结论 . 626.2发展展望 . 62参考文献 . 64V 插图清单图 1.1桩基础分类示意图 . 3图 1.2空心方桩生产工艺流程图 . 4图 1.3堆放的空心方桩 . 5图 1.4空心方桩与管桩截面示意图 . 6图 2.1土体单元临界位移分析示意图 . 16图 2.2桩端土体挤密作用示意图 . 18图 2.3端阻临界深度示意图 . 20图 3.1桩土荷载传递示意图 . 23图
16、3.2荷载传递法桩身微段单元分析示意图 . 25图 3.3常见荷载传递函数形式 . 27图 3.4弹性理论法桩身分析示意图 . 28图 3.5剪切位移法桩体受荷模型示意图 . 30图 4.1场地工程地质剖面图 . 39图 4.2静载试验预埋件及安装示意图 . 43图 4.3桩身应变片粘贴位置示意图 . 45图 5.1 SZ1桩顶荷载、桩侧阻力、桩端阻力与沉降关系图 . 49图 5.2 SZ2桩顶荷载、桩侧阻力、桩端阻力与沉降关系图 . 50图 5.3各级荷载下 SZ1桩身轴力分布图 . 53图 5.4各级荷载下 SZ2桩身轴力分布图 . 54图 5.5各级荷载下 SZ1桩侧摩阻力分布图 . 5
17、6图 5.6各级荷载下 SZ1桩侧平均摩阻力分布图 . 57图 5.7各级荷载下 SZ2的桩侧摩阻力分布图 . 57图 5.8各级荷载下 SZ2的桩侧平均摩阻力分布图 . 58图 5.9 SZ1极限侧摩阻力与桩土极限位移曲线图 . 60图 5.10 SZ2极限侧摩阻力与桩土极限位移曲线图 . 60VI 表格清单表 1.1桩型分类表 . 2表 2.1单桩竖向承载力的确定方法 . 9表 2.2静载荷试验加载方法 . 10表 2.3桩侧阻、端阻力尺寸效应系数fsi、f p . 13表 2.4桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数z r . 14表 3.1荷载传递法传递函数表 . 26表 4.1地层土性质描述 .
18、 37续表 4.1地层土性质描述 . 38表 4.2物理力学性质统计表 . 40表 4.3单桩竖向静荷载试验分级表 . 41表 5.1 SZ1各级荷载下桩侧阻力、桩端阻力与沉降关系表 . 48表 5.2 SZ2各级荷载下桩侧阻力、桩端阻力与沉降关系表 . 49续表 5.2 SZ2各级荷载下桩侧阻力、桩端阻力与沉降关系表 . 50表 5.3空心方桩极限承载力对比表 . 50表 5.4各级荷载下 SZ1桩身轴力分布表(kN). 52表 5.5各级荷载下 SZ2的桩身轴力(kN). 53续表 5.5各级荷载下 SZ2的桩身轴力(kN). 54表 5.6各级荷载下 SZ1的桩侧平均摩阻力( kN) .
19、 56表 5.7各级荷载下 SZ2的桩侧平均摩阻力( kN) .58VII 第一章绪论第一章绪论1.1概述1.1.1桩基础简介桩基础(以下简称桩基),一般指利用设置在岩土层中的刚性体来加固地基时,桩和桩周土以及连接于桩基顶端的承台联合构成的一种基础1。桩基础是最古老的基础形式之一,最初人类对桩基础的使用,是通过打入木桩和竹桩,在湖泊、沼泽地搭台作为水上住所。这种最初级的桩基础,在我国一些少数民族区域仍然可以见到。我国汉代时期,木桩已经被用于修桥。到了中国宋朝,桩基技术已经比较成熟,上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿等都是现存的宋朝年间修建的桩基建筑物。早期的桩基类型多为木桩,随着高层建筑、桥
20、梁、船坞和码头的出现,人类的发展对桩基的使用越来越广泛,要求也越来越高,传统的木桩逐渐被各种新型材料桩所替代。19世纪初期,铸铁板桩已经被用于修筑围堰、码头等其他建筑物;19世纪中叶以后,随着水泥工业的出现和发展,钢筋混凝土开始被广泛应用于工程建设的上部结构。随着钢筋混凝土预制构件的问世,钢筋混凝土开始被应用于工程建设的下部结构,从而出现了钢筋混凝土预制桩。19世纪末至 20世纪初,灌注桩的出现标志着人类对桩基础的发明和使用又登上了一个新的台阶。灌注桩发展至今先后主要分为沉管灌注桩、人工挖孔及扩底灌注桩、钻孔灌注桩以及全螺纹灌注桩。20世纪初,H型钢桩在美国得到广泛应用,随着制桩工艺的不断进步
21、,各种形式的预制桩被应用于桩基础工程中。20世纪中期,尤其在二战以后,无论是对桩基础的试验研究还是在理论数值模拟计算或桩基础施工技术上,都有了巨大的进步。桩基的应用范围不断扩大,新型桩型不断涌现,桩基础的形式也愈加多种多样。根据桩基础的多样性,可进行如下分类2:1 合肥工业大学专业硕士研究生学位论文表 1.1桩型分类表Tab 1.1 Classification table for pile type桩型划分依据按桩力学特性按桩土间特性按桩截面形式按桩径的大小按桩体的材料按桩承载特性按桩基的用途按桩使用功能按成桩的工艺桩型分类柔性桩、刚性桩挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩柱状、板状、楔形、圆形、方
22、形小直径桩、中等直径桩、大直径桩木桩、钢桩、混凝土桩摩擦桩、端承摩擦桩、端承桩、摩擦端承桩围护桩、抗滑桩、基础桩、试成孔桩、试锚桩竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩、复合受荷桩打入桩、灌注桩、静压桩、螺旋桩、水泥土搅拌桩、碎石桩由于我国地质条件复杂多变,不仅不同种类桩型的适用性各不相同,而且不同的制桩材料并存,不同的制桩工艺并存,不同的桩径截面并存3。现根据不同的施工方法和特点,将桩基础主要分为以下两类,如下图 1.1。1.1.2桩基础特点桩通过自身刚度,将上部荷载传递到桩周及桩端较高强度的土层或岩层中,以达到减小沉降、使建筑物满足正常的使用功能及抗震等要求。桩的作用主要表现为下列几点:(1)
23、桩身表面和土体相互接触,桩身在荷载作用下与土体接触面处产生桩侧摩阻力;桩端持力层在荷载作用下产生反力,即桩端阻力。桩侧摩阻力和桩端阻力在桩土体系中共同对上层建筑物起到承载作用。(2)桩基具有较高的竖向刚度,在上部荷载作用下,桩的沉降量较小,可以满足上部结构对地基基础沉降的要求;(3)对于地基中的较软弱土层,桩基可穿过较软弱土层,将上部荷载传递给稳定的高强度土层,以保证建筑物的安全;(4)桩基具有较强的抗拔能力,对于由较大风力引起的水平力、上拔力或强烈地震具有很强的抵御能力。2 第一章绪论人工挖孔及挖孔扩底灌注桩小直径干作业法钻孔灌注桩钻孔灌注桩中直径大直径套管护壁法法钻孔灌注桩注桩泥浆护壁法钻孔灌灌注桩锤击振动沉管灌注桩静压沉管夯扩实心方桩三角形桩管桩钢筋混凝土桩空心方桩预制桩传统尖底直接打入预应力混凝土桩预钻孔打入平底传统尖底平底钢管桩钢桩H型钢桩图 1.1桩基础分类示意图Fig 1.1 Diagram for the Classification of pile foundation3 合肥工业大学专业硕士研究生学位论文1.2预应力混凝土空心方桩简介1.2.1预应力混凝土空心方桩生产工艺简介预应力混凝土空心方桩(简称为空心方桩)是一种近年来才出现的新型桩。空心方桩是在预应力混凝土管桩(简称为管桩)的基础上,通过改变桩体的横截面形状演变而来的,其截面形状为内圆
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