变截面桩的力学性能及工程意义

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1、万方数据2007年第3期胡培进等：变截而桩的力学性能及工程意义·27·变截面桩的力学性能及工程意义胡培进1汪中卫2李强1(1上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海200031)(2南京工业大学地下工程系，南京210009)擅薹通过对变截面桩的荷载传递性质及变形特性详细分析，指出其具有受力合理，沉降小等优点，并通过工程实例进行了验证。关键调扩底桩多级扩径桩阶梯形变截面桩荷载传递1概述相对于普通桩而言，变截面桩是指其横截面尺寸及形状沿着桩身轴向而变化的桩。事实上，桩基础从一开始就是以变截面桩的形式出现的。

2、众所周知，最早的桩——木桩，就是一根倒置的树干，上大下小的变截面桩。上海过去还对这种桩的承载力进行过分析。变截面桩是在水泥、混凝土问世以后出现的。带有波纹状钢壳的雷蒙德阶梯锥形桩可能是较早出现的变截面桩。随着桩工技术的发展，变截面桩无论是构造形式，或是施工方法，都有了很大的变化与进步。变截面桩按构造形式分类有：扩底桩、多级扩径桩、分段变截面(变径)桩和组合型桩等。按材料分类可分为砼桩和组合桩。按施工方法可分类为：沉管大头桩、钻}L削扩桩、钻孔挤扩桩、挖孔扩底桩、沉管夯扩桩、混合型桩等。2变截面桩荷载传递

3、与承载特性变截面桩由于它们各自的构造形式都与普通直身桩不一样，因此，它们的荷载传递规律亦各不相同。现就它们各自荷载传递特点简述如下：2．1扩底桩2．1．1扩底桩的荷载传递规律扩底桩荷载传递规律主要有以下特点：(1)荷载主要通过桩端底面传递。扩底短桩的桩端荷载传递率可达到70％以上。例如粘质粉土中的钻扩短桩，当D／d=3．I，I／d=10时，桩端荷载传递率Qp／Q=85％；而同样桩径和长度的直身短桩，其桩端荷载传递率只有50％。扩底长桩的摩阻力所占的比例可能较大，但桩端土仍承担着一定的荷载。其承载性能属于

4、摩擦端承桩。图1所示为支承于细砂土上的钻扩长桩(桩径1020ram，扩底直径1700toni，长27m)，桩端承担荷载27．5％。这比扩底短桩的低得多，但比普通直身桩仍高得多，后者的桩端荷载传递率只有5％左右。扩底桩的荷载传递率还与桩端土与桩周土的刚度比Eb／Es、扩底相对直径(D／d)与持力层相对厚度(I-I／D)有关，当以上数值越大时，其桩端所传递的荷载比例就越高。■自^h(翻、图1钻孔扩底长桩的荷载传递曲线Fig．1kadtransfercul'veofdrivencast—in—placepil

5、e(2)桩端荷载先于桩周摩阻力发挥。由于桩端的支承刚度很大，而桩周土又很软弱，摩阻力很小，因此，桩顶受力后，桩顶发生很小的沉降时，桩端阻力就开始发挥出来。而普通摩擦桩则要摩阻力发挥较多时桩端阻力才开始发挥。(3)桩端扩大头改变了摩阻力的分布特性。文献”1运用有限元分析了扩底桩桩周土的位移与应收稿日期：2005～09—05第一作者简介：：胡培进，男，1969年生，1991年毕业于中国地质大学(武汉)水文系，主要从事岩土工程勘察、设计、施工工作。万方数据·28-上海地质ShanghaiGeology总第10

6、3期力，分析结果表明，扩大端的斜面边界上，桩的位移(下沉)大于土，如图2所示。这一现象已经被工程实践所验证。由此可知，桩身下部的摩阻力难以充分发挥。根据该文的计算与分析结果，可以绘制扩底桩摩阻力与端承力的分布图，如图3所示。由图可见扩大头的存在影响了桩身下部摩阻力的发挥，甚至局部可能产生负摩阻力，特别是当扩径比D／d比较大时，这是扩底桩荷载传递的一个重要特点。(j)∞)国2扩大头斜面上的桩土位移a．竖向位移；b．水平位移Fig2Displacememofpileandsoilatskewsurfaceo

7、fextendedhead．(aJvenicaldisplacement．(b】horizontaldis-placement●阻力R．kP■珏图3扩底桩摩阻力与端承力计算结果Fig3NumericalresultsOilfrictionalresistaIlceandendresist-ance2．1．2扩底桩桩周土的应力场分布特性根据有限元分析，扩底桩的竖向应力场与普通直身桩的应力场相比，扩底桩桩周土的竖向应力场有以下特点：(1)桩周摩阻力较小，且竖向应力影响范围亦小，约为直身桩的1／10；这就是说

8、，由于桩周摩阻力的影响，在桩端平面引起的竖向应力，对扩底桩来说，几乎可以忽略不计。而直身桩则相反，桩周摩阻力的影响，是其桩端平面以下竖向应力的主要因素，以至于在桩端平面形成一个竖向应力扩散面；(2)桩端平面以下土中的竖向应力沿深度收敛较快。虽然在桩底面的竖向应力比直身桩高3～4倍．但深度超过2—3倍扩底直径后，竖向应力就减小大半，乃至可以忽略不计。2．2多级扩径桩多级扩径桩是在等截面混凝土灌注桩和扩底桩的基础上发展而来的。多级扩径桩又称为多