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挤扩支盘桩优化设计研究

  • 发布日期:2017-04-01
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第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景 
桩基础是人类在承载力不足的地基上建造建筑物的一种创造性的举措。它不仅是一种最古老,最基础的基础类型,还是一种应用范围广,发展速度快的基础形式。桩基础由桩和连接于桩顶的承台共同组成,而桩作为基础的主要承力构件,一般深埋于土层之中,其作用是将上部荷载传递到深层土层之中。因此,桩基础拥有单桩承载力高,能有效控制不均匀沉降和抗倾覆稳定性好的优点[1-5]。根据对全国桩基工程的不完全统计,我国每年的用桩量超过 100 万根。自此可看出桩基工程在建筑工程领域的地位是多么重要。但随着建筑行业的不断发展,高层建筑的逐渐兴起、地质条件的日趋复杂和市场经济的严苛要求又迫使桩基技术面临着前所未有的新挑战。面临这样的严峻形势,上个世纪九十年代张俊生先生发明出了挤扩支盘桩这样一种新型桩基技术。挤扩支盘桩技术源于传统的灌注桩工艺,但不同于传统灌注桩的是增加了一项挤扩工序。即利用特有的设备,在桩身不同深度的地方,设置分支或承力盘。挤扩支盘桩利用支盘类似于扩地桩的端承性质,将所受到的荷载逐一传递。是在传统灌注桩工艺中增加了一道挤扩工序,利用专用设备,沿桩身不同深度设置一些分支或承力盘[6]。并且,由于承力盘由上到下分布在桩身上,对荷载形成了分层承载的有利承载模式,有效的减小了桩底所承受的荷载和沉降量,使得桩具有了良好的稳定性以及较高的承载力,在实际工程中具有巨大的应用前景[7]。挤扩支盘桩发展至今,经过大量的理论研究及实际工程应用,被证明存在许多其他桩型不可超越的优势,具有巨大的工程潜质,它的出现使得桩基技术得到了更进一步的发展。  
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1.2 桩基技术的历史与发展 
桩基础是一种古老的基础形式。早在新石器时期,人类就曾在湖泊或沼泽地中搭建木桩修筑平台作为居住点,以防止野兽的袭击。据考古工作者对陕西半坡遗址和浙江余姚河姆渡遗址的考察表明,在我国,先人们早在 7000 年前就开始采用木桩,利用其支承的特性,对房屋进行支承。除此之外,我国现存的古建筑也有许多以桩基础作为基础形式,如秦代的渭桥、隋唐的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、西安的灞桥、上海的龙华寺等,都是我国古代桩基的典范。在水泥未问世以前,桩基多为木桩,一般为防虫、耐火性和耐腐蚀性均较差。19 世纪中叶水泥工业的出现,此后,随着水泥工业的发展,钢筋混凝土被逐步应用于建筑工程中,于是混凝土桩与钢筋混凝土桩开始出现并被广泛应用。在其发展初期,混凝土与钢筋这两种材料的强度都比较低,钢筋混凝土这种新型材料的工作特性还研究不够深入,其计算理论也还没有建立,因此,那个时期的钢筋混凝土桩,大部分都是直线型桩。在 20 世纪 20 年代,特别是第二次世界大战以后,随着桥梁、铁路和公路的大规模建设,推动了桩基基础理论和施工方法的发展。现在,它已变成了高层建筑、大桥、码头以及石油海洋平台等最常用的基础形式[8-10]。
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第 2 章 挤扩支盘桩的施工工艺与作用机理 
 
2.1 挤扩支盘桩的构造 
挤扩支盘桩也被称为挤扩多支盘灌注桩、多支盘钻孔灌注桩、多节挤扩灌注桩或简称为 DX 桩。但不同于传统灌注桩的是增加了一项挤扩工序。即利用特有的设备,在桩身不同深度的地方,设置分支或承力盘。这种技术突破了传统钻孔灌注桩的诸多缺陷,使挤扩支盘桩成为了一个由桩身与承力盘(承力分支)双重承载的新型桩型。挤扩支盘桩由桩身与承力盘(或承力分支)两部分组成,如图 2.1 所示。其由于承力盘的可调节性与灵活性,更好的挖掘了地基土中承载力好的土层的承载力潜力也正是由于承力盘的存在将其变普通摩擦桩为变截面多支点端承摩擦桩,端承能力的也因支盘的存在而大幅度增强。因此,挤扩支盘桩在承受竖向荷载(包括竖直向下的荷载和竖直向上的荷载)方面都有出众的表现。 挤扩支盘桩技术的不断成熟,使得桩基在承载力方面承载力有了较大幅度的提升。经比较发现,在桩的既定承载力相同时,支盘桩较普通桩,所需要的原材料、施工工期、工程费用都大大减少。也就是说,挤扩支盘桩技术能在保证质量的同时,节约了工程造价,缩短了工程工期,具有良好的经济性[52](比较如图2.2)。 
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2.2 挤扩支盘桩的施工工艺
挤扩支盘桩成桩过程中会用到许多器械设备,其根据工序的不同,包括桩身成孔设备、支盘的专用成型设备、灌注桩体设备等。挤扩支盘桩具体所需常用设备器械及其相对应的功能如表 2.1 所示。对于挤扩支盘桩而言,支盘为整个桩的主要承力构件。因此,成盘挤扩工序是整个桩体形成过程中的重要步骤,而挤扩成盘设备也成为了挤扩支盘桩施工中最关键的器械设备之一。纵观挤扩支盘桩技术发展至今,不仅该桩型的各方面理论在不断完善,其挤扩成桩设备也是不断的更新进步。在该技术出现初期,ZKY-100 型扩孔器被首先应用于成盘工作中,它是由国家建筑机械研究所为主要研发单位研发而成。这种扩孔机械的出现大大方便了挤扩工序的进行,同时该设备还可以进行钻孔和清土工作。减少了因机械的更换而导致的工程偏差。到了上个世纪 90 年代,到 20 世纪 90 年代,北京俊华地基基础工程技术集团的研发人员一同研制出了支盘成型专用设备:第一代锤击式挤扩装置。随后,又研制出了更高效的第二代 YZJ 型液压挤扩支盘成型机。高效器械的出现使得挤扩支盘桩技术被迅速应用到许多实际工程中。后来更先进、准确、高效的三岔双缸双向液压挤扩支盘装置被研发出,其不仅使得支盘在成型时对土体的挤密效应发挥的更加完全,还拥有了与设备匹配的专用承载力计算公式。随着支盘成型设备不断更新换代,使得挤扩支盘桩技术更加精良,更加高效,运用更加广泛。 
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第 3 章  挤扩支盘桩荷载传递规律研究 ..... 27 
3.1 常见的荷载传递理论研究方法 ......... 27 
3.2 Midas GTS 软件简介 .......... 28 
3.2.1Midas GTS 背景介绍 ........... 29 
3.2.2 Midas GTS 功能介绍 ....... 29 
3.3 有限元模型的建立 ........... 29 
3.4  不同位置支盘承担荷载情况 ...... 36 
3.5  挤扩支盘桩荷载传递规律 ........... 37 
3.6 本章小结 ............ 38 
第 4 章  挤扩支盘桩设计优化的研究 ...... 39 
4.1 挤扩支盘桩的单桩竖向承载力计算方法 ........ 39
4.2  挤扩支盘桩的承载力确定原则 ..... 47
4.3  挤扩支盘桩正交分析设计 ........... 48 
4.3.1  正交分析优点 .......... 48 
4.3.1  正交分析设计 .......... 48 
4.4  数值模拟结果 ............. 49 
4.5  挤扩支盘桩的优化分析结果 ...... 52
4.6 本章小结 ............ 53 
 
第 4 章 挤扩支盘桩设计优化的研究 
 
4.1 挤扩支盘桩的单桩竖向承载力计算方法
经过第 2 章的介绍,发现挤扩支盘桩的单桩承载力除了由与直杆桩相同的桩周摩阻力与桩底端阻力提供,还包括由于支盘的存在而提供的盘端阻力。但是,由于支盘的存在,一部分桩周围的摩阻力被支盘的端阻力所替代。与一般的桩型的承载力确定方法相同,挤扩支盘桩的单桩竖向抗压承载力的确定方法一般分为两大类,包括直接法与间接法。 常见的直接法包括静载试验法以及高应变动测法。众所周知,静载试验是测定桩基承载力最常用的方法之一,即在被测对象的桩顶逐级施加竖向压力,在加载的同时对桩顶的沉降进行观测,以确定其承载力的大小。高应变动测法的主要测试用具是重锤,利用重锤冲击桩顶,使桩与土体产生足够大的的相对位移,使得桩各部分的承受能力发挥至极限,利用分布于桩身桩底等部位的信号采集器,对各部位速度和力信息进行采集,通过通过波动理论来对单桩竖向承载力进行确定。此外,这种动测法还可以对桩基整体的完整性进行试验判定。 常见的间接法也包括两类,分别为理论公式法与经验公式法。理论公式法显然是基于理论研究,这里就是基于已有的桩基研究成果,对影响挤扩支盘桩承载力因素进行分析,确定出挤扩支盘桩单桩竖向抗压承载力的公式;而经验公式则是根据大量室内试验实验数据与实际工程中所得到的实测数据,并考虑不同地质条件、土层情况以及支盘的特有性状等因素,对其所测结果进行分析与总结,得出挤扩支盘桩单桩竖向抗压承载力的经验公式。 由此看出,直接法就是利用试验对单桩竖向抗压承载力直接进行测定,而间接法则是通过公式,基于所知的各项参数通过计算对单桩竖向抗压承载力进行确定。通过两种方法各自的特点比较来看,采用直接法比较耗费人工、材料与时间,不仅试验数量有所限制,试验也有一定的偶然性。因此,在设计阶段一般采用间接法对挤扩支盘桩进行计算,在反复计算中,对挤扩支盘桩的各部件尺寸进行确定;在施工阶段,一般先按规定确定试桩数量,并采用直接法对设计的正确性进行检验。 
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结论 
 
本文基于国内外已有的关于挤扩支盘桩的研究,运用 Midas  GTS 有限元分析软件,对该桩的单桩竖向承载性能进行了数值模拟。通过对挤扩支盘桩各个支盘周围土体的受压情况以及盘直径与盘间距正交分析,对其荷载传递规律以及盘间距和盘直径对承载性能的影响进行了研究,并在此基础上对挤扩支盘桩设计优化进行了分析与探讨,得到了以下几点结论: 
(1)挤扩支盘桩其盘体由上而下依次发挥承力性能,在整个桩体承受荷载较小时,支盘位置较深的支盘并不承受荷载。并且,受荷时,首个支盘所承担的荷载最大,其他支盘随支盘位置自上而下其所承受的荷载依次减小。因此,对于挤扩支盘桩而言,每个支盘均会承受荷载,证明其具有多支点端部受荷载的特点。此外,首个支盘所处的土层性质若良好,整个桩体的受荷能力将有较大提高; 
(2)当盘间距一定时,桩的承载力随支盘直径的增大,先增大后减小。因盘厚一定,直径过大削弱了盘体边缘的强度,有可能导致支盘自身被强大的剪切作用力破坏;而支盘直径太小,导致支盘外伸面积不足以支撑剪切面,在桩土的相互作用下剪切面受到作用力被贯穿成为滑移面,使得挤扩支盘桩中盘端阻力不能发挥。当盘直径一定时,桩的承载力多数随支盘间距增大,也是先增大后减小。支盘间距过小,盘之间的土层将有可能被剪坏,同时还有可能由于间距过小造成剪切面贯穿成滑移面,导致承载力降低;盘间距过大,致使支盘的数量过少,挤扩支盘桩的多支点端承特性不能够充分发挥,也会造成承载力不理想; 
(3)在进行挤扩支盘桩设计时,对支盘直径进行初选可优先选择桩径的两倍为盘径,这样选择可以控制盘直径不会出现过大过小的情况,直接避免了因支盘的大小而导致的整根桩承载力不良的现象;初选支盘间距时,在支盘的厚度是定值的情况下,可首选支盘间距为其厚度的 2~3 倍,这样大大减少了因支盘相聚过近而导致桩周土体被剪切破坏现象,以及盘数量不足而导致的承载力不足的现象。  
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