浅论成层土中灌注桩桩-土相互作用理论与试验研究

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1、同济大学土木工程学院博士学位论文成层土中灌注桩桩-土相互作用理论与试验研究姓名：王学知申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵春风20090901摘要随着经济的快速发展，基础设施和公共服务设施建设投入的不断加大，桩基工程得到了广泛应用。其中钻孔灌注桩以其施工无挤土、环境噪音小、对地层适应强及承载力高等优点，不仅应用于工业建筑、高层楼宇、重型仓储基础等方面，而且还广泛应用于江海大桥、城市高架道路、高等级公路、铁路、码头及地质灾害治理等领域。目前，我国钻孔灌注桩最大直径超过4m，最大深度超过lOOm，每年用量达到100万根以上。然而，由于工程地质条件的复杂性与多样性，灌注桩桩．土相互作用研究远

2、落后于工程实践的需要，如何保证灌注桩安全、高效地发挥其承载及减沉性能仍然桩基工程中的热点与难点问题。本文在前人研究基础上，采用理论分析、现场实测和室内试验相结合的方法，对成层土中钻孔灌注桩桩．土相互作用机理进行分析，研究内容主要分以下几个部分：(1)钻孔灌注桩桩周土压力分布特点分析。由于钻孔灌注桩特殊的成桩工艺，其桩周土压力分布规律与预制桩有很大差异。混凝土浇筑过程中由于混凝土骨料的“自立”特性，其侧向力具有独特的分布规律，不同深度土体中，桩土作用规律有很大差别，在浅部土体浇筑混凝土过程中产生的侧压力大于桩周静止土压力，成桩过程中土体收到挤压作用，处于被动土压力状态，而在深部土体中，其产生的侧

3、压力小于桩周土压力，土体仍处于主动土压力状态，但分界面的具体深度受混凝土浇筑速度、初凝时间等诸多因素影响。在灌注桩浇筑完成后浅部存在一定的弱挤土作用，而深部土体在一定时间内仍处于松弛状态，但随着时间推移桩周土压力都将趋于静止土压力状态。(2)成层土中深长灌注桩荷载传递规律试验研究。结合常州高架道路工程(一期)某承台中两根长径比相近试桩的静载荷试验和桩身应力测试分析结果，对成层土中深长灌注桩荷载传递规律和承载性状进行探讨，并对桩侧穿越土层的荷载传递规律进行分别拟合分析，选择各土层的荷载传递函数；此外，对桩端土阻力与桩端土位移间关系也通过拟合方法选择合理的传递函数，为后文建立单桩非线性沉降方程奠定

4、基础。(3)基于分层荷载传递规律单桩非线性沉降分析。以弹性理论法为基础，修正传统弹性理论假设条件，考虑桩周土体软化效应与桩端土体的非线性变形特征，结合拟合得到的桩侧各分层土体和桩端土体荷载传递函数，分别选取桩摘要周与桩端的桩．土作用模型，建立基于桩侧桩端桩．土间的位移协调广义弹性理论方程，并采用迭代方法对协调方程求解。应用该方法分别计算单一土体和地区成层土体中单桩的沉降，并与实测结果比较检验，该方法可靠性较高。(4)考虑土体流变单桩长期沉降分析。桩端土体的流变性对单桩的长期沉降有重要影响，以Merchant流变模型为例，通过将柔度函数导入单向压缩分层总和法中，提出单桩的长期沉降简单分析方法：在

5、附加应力作用下，桩端土体内部应力分布为复杂的三维应力状态，在单层均质地基长期沉降分析基础上，基于分层总和法思路，提出桩端以下土层为层状地基情况下单桩的长期沉降分析方法，即通过对桩端以下各土层长期沉降量叠加，得到单桩的长期沉降量。最后，对桩端下卧软弱层的流变特性给单桩工后长期沉降带来的影响进行了探讨。(5)钻孔灌注桩桩端与桩侧土体相互作用规律研究。钻孔灌注桩在成孔过程中，不可避免地在桩周和桩端分别产生泥皮与沉渣，这些因素都对灌注桩的承载性能造成了一定削减作用。针对灌注桩施工工艺对桩侧与桩端土体造成的影响，通过分别控制桩侧与桩端土体承载条件，考察桩侧土体性质变化对桩端阻力的影响规律以及桩端土体性质

6、改变时桩侧摩阻力的变化特征，研究结果对于优化灌注桩成桩工艺、改善灌注桩承载性能具有重要意义。关键词：钻孔灌注桩；桩．土相互作用；桩周土压力；单桩非线性沉降；单桩长期沉降；桩端与桩侧土体相互强化IIAbstractWiththerapiddevelopmentofeconomy,theinvestmentininfrastructurerehabilitationandPublicservicefacilitiescontinuetogrow,andthepilefoundationhasbeenwidelyapplied．Specially,thedrivencast—in-placepile

7、withnosqueezing，smallambientnoise，goodstratumadaptabilityandhighbearingcapacityiswidelyusednotonlyinindustrialarchitecture，high-risebuildings，heavy．dutystoragebase，etc·，butalsoinbridge，cityelevatedhig