异型桩的分析与计算方法

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
产生的振动， 一般在求解速度量时， 可采用下述简化的较为 实用的公式： Sij = aij r
!
打桩过程进行可靠的监测， 采取有效地防护措施， 即可确保 周围既有建筑物的安全。
（5）
参考文献
［1］ 孙 铁东等 . 打桩影响场及震 动 衰 减规 律 ［ M］ . 现 代 力 学与 工 程 . 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 1999. ［2］ 孙义 . 打桩引起的地面振动 ［M］ . 全国建筑振动学术会议论文 集 . 北京： 中国建筑工业出版社， 1997. ［3］ 动力机器基础设计手册 ［S］ 中国建筑工业出版社， . 北京： 1993. ［收稿日期］ 2002 - 08 - 28 ［第一作者简介］ 沈旭杰， 女， 黑龙江牡丹江人， 1965 年 4 月生， 高级工程师， 从事建筑工程监测工作。
!p =
（3）
式中， （KN） ， H 为桩顶水平力的设计值 a 1 为综合系数见表 1， （M） ， d 为桩的设计直径 N G 为桩顶永久荷载产生的轴向力的 设计值 （ kN） ， （ Kpa） ， f t 为混凝土的轴心抗拉强度设计值 rm 为桩身截面模量的塑性系数 （圆截面为 2， 矩形截面为 1.75） ， （M） 。 A 为桩身的截面积 !"# 问题的提出 沿海冲积平原和三角洲地带， 常有 20 ~ 60m 厚的淤泥或 淤泥质土， 端承土层不易找到， 或端承桩的比细比不易满足， 或满足时会造成很大的浪费。在这种情况下的摩擦桩， 要求 满足桩身压、 弯强度的条件下， 寻找单位体积混凝土提供最 大承载力的桩型， 并使 Pk $ Pk （2） 按照式 （2） 可知， 当场地和桩的长度、 面积确定时， !p 为 最大时， 桩截面若 P k 为最大。分形几何给予我们某种启示， 采用如下的雪花型， 可得到很大的周长。 雪花分形的线维数为 D = lIN / lI （ l / r ）= 1.262， 周长为
式中： ! = - 1.5 对于垂向； ! = - 1.9 对于切向。 4 结语
! = - 0.17 对于径向；
aij —由振源振动强度确定。 按国际 GB6722 的规定， 由于振动产生的影响场波及房 屋建筑， 为避免对周围既有建筑物造成损伤， 以速度为标准， 规定： 土窑洞、 土坯房、 毛石房屋 1.0cm/S； 一般砖房、 非抗震 的大型砌块建筑 2 - 3cm/S； 钢筋混凝土框架房屋 5cm/S。 按上述对速度的规定， 在打桩施工前进行理论估算， 对
应用 MAEHCAD， 可以求出异型桩截面的弱轴惯性矩， EI 为 2.56 X 1010 kg - cm2 。异型桩 （等效为直径为 0.48m 的圆截 面） 水平承载力的设计值为： （1 + H = 55 X 0.482 X 0.5 X 0.8 X 1570 ） （1.5 X 0.482 X 1.65 X 1100 X 0.1963
72
低
温
建
筑
技
术
（总第 9.1
按桩身结构强度确定
采用一级非 1/3 雪花分形， 裁掉其尖锐部分， 变成一齿轮型。 由于沉管和拔管过程中， 桩身存在扭转振动， 其尖端部分不 裁， 桩的截面也是磨角的齿轮型。
通常桩同时受轴力、 剪力和弯矩的联合作用， 桩作为传 力构件， 首先必须有足够的强度和刚度。对于低承台， 当单 桩上的剪力和弯矩较小时 （ GBJ7 - 89） ， 桩身结构满足轴压验 算即可。对完全埋入土中的桩， 一般可以不考虑桩身的纵向 屈曲 （穿越软弱土的端承桩除外） 。由于灌注桩的混凝土质 量难以保证， 一般地， 按桩身确定单桩承载力时， 应对混凝土 的强度等级进行折减。 1.2.2 按地基土的指标确定 （GBJ7 - 89） 竖向承载力 （1） P k = !p ! g Si l i + g p A p 桩端承力 式中， g Si ， g p 分别为土层的桩周摩擦力的标准值、 的标准值。每一土的类别值域是根据其物理力学指标， 由大 量的静载荷试验成果统计分析得到的。具体到可以采用规 范的推荐值； 也可以按地区经验确定； 也可根据土的物理力 学指标。对于一级结构物， 要求按静压试验确定桩的承载 力， 其他级别的结构可按规范选用。 桩顶水平力
层号 土的类别 1 2 3 4 5 6 7 杂填土 粉质粘土
土
颜色 杂填土 褐黄
层
特
征
埋深 （m） 层厚 （m） 1.70 - 3.30
塑性状态
可塑
7.10 - 7.60 4.30 - 5.40
粉质粘土 黄褐 - 褐黄色 硬 - 可塑 9.40 - 10.80 1.80 - 3.20 粉质粘土 粉砂 粉质粘土 粉质粘土 褐黄色 金黄 - 浅黄色 褐 - 深褐色 浅黄褐色 可塑 12.30 - 13.10 2.10 - 3.40 13.80 - 14.80 0.70 - 2.00 可 - 软塑 16.80 - 17.50 2.2 - 3.00 硬 - 可塑 -
1- D （1/ r ） 。但是， 雪花型桩截面使沉管加工和成 = !p0 p 1/r） !（ 桩工艺出现困难， 即使困难可以克服， 混凝土的本身特性也
Pk 当不考虑端承力时， !p = !g i l i i $ 异型桩的竖向与水平承载力计算与分析 以某一工程地质堪探报告为例， 报告中的缺省项采用已 有的物理力学性质对应 《工程地质手册》 中的值， 分别采用规 范方法进行了计算与分析。 $"! 工程地质勘探报告 场地地势较平坦， 孔口间高差为 0.58m， 地貌单元为冰水 沉积地带。地层与岩性特征如下： 表1
各层土的物理力学指标
Ip 14.1 13.9 13.1 13.6 12.5 I1 0.31 0.31 0.67 0.78 0.30 （ a Mpa - 1 ） 0.22 0.16 0.30 0.35 0.15 E（ S Kpa） 8.7 11.6 12.2 5.5 11.7 f（ k Kpa） 180 220 160 150 135 220 （ Kpa） gSk 72 73 52 50 46 73 （ Kpa） gpk
汤建南等： 异型桩的分析与计算方法
71
异型桩的分析与计算方法
汤建南1
（1. 温州市建筑设计研究院
郭正崔2
325000）
325000； 2. 温州市大工联房地产开发公司
【摘
要】 讨论在无坚硬桩端持力层时， 异型桩截面形式的确定方法及桩身材料的选择， 并在桩土传力分析
的基础上， 对异型桩在外力作用下桩土系统的受力 - 变形过程及桩的承载能力进行了有限分析。 【关键词】 异型桩； 基础； 承载力 【中图分类号】 TU473.1 0 引言 早在文字记载以前， 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承房屋。如 1982 年智利发掘文化 遗址所见到的桩距今已有一万二千年， 中国浙江余姚河姆渡 原始社会遗址出土的桩距今也有六、 七千年的历史。然而直 到 1893 年， 《桩与打桩》 之后， Wellington 编辑出版的工程信息 工程技术人员才在经验和实测的基础上， 提出了一系列的打 桩公式。近年来， 利用成熟的弹、 粘、 塑性理论分析和积累的 丰富试验数据， 来分析设计桩的承载能力， 并对桩—土相互 作用进行了多方面的研究， 形成了经验和理论并重的观点来 解释桩的工作行为。 随着桩身材料、 构造形式和施工技术的发展， 使桩的种 类繁多。上世纪 80 年代以来， 又出现了很多新的桩型， 如有 效利用桩端承力的钻孔扩底桩、 串珠式钻扩桩、 大直径钻孔 桩， 成桩速度很快且侧阻力和端阻力均有改善的内扩式、 端 夯式、 复打式、 冲扩式等形式的沉管灌注桩， 加大桩表摩擦面 积的三角形桩及相应的改善桩端阻力和桩侧阻力的注浆措 施。 但是， 上述桩型对软弱土区域改善效果不一。本文讨论 在无坚硬桩端持力层时， 异型桩截面形式的确定方法及桩身 材料的选择， 并在桩土传力分析的基础上， 对异型桩在外力 作用下桩土系统的受力 - 变形过程及桩的承载能力进行了 有限分析。 【文献标识码】 A 1 【文章编号】 1001-6864 （2002） 04 - 0071 - 03 异型桩截面的确定 异型桩截面尺寸确定的原则是桩身结构的承载力与桩 周土的提供能力的匹配。建筑结构的桩基是以抗压为主、 以 抗弯剪为辅的受力构件。一般认为， 桩的竖向承载力以极限 荷载表示， 桩的水平承载力以桩头位移控制。 1.1 桩的破坏准则 桩基出现下述之一即可认为破坏， 如单桩或群桩周围土 剪切破坏、 桩基础丧失整体稳定性、 桩身结构破坏、 桩基沉降 及不均匀沉降导致结构物破坏或影响建筑物的正常使用。 也就是说， 桩承载力的含义包括了地基土对桩的支承能力和 桩结构的本身的承载力， 它涉及到桩土两部分材料的性质、 受力状态和破坏准则。通常情况下， 桩承载力是由地基土的 承载力所制约的， 土的本构理论已有很多假说， 其中一部分 已成功地应用于岩土工程的某个领域。针对具体的问题， 都 需要对场地土进行室内外实验， 一个实用的土的本构模型， 它的参数应尽量少， 但应能反应问题的主要方面， 其参数又 可方便的确定。竖向分析时本文采用邓肯 - 张非线性模型。 对于建筑结构来讲， 桩基的水平位移不能太大， 按照横山幸 福的观点， 可采用除水平极限地基反力法以外的另一种方 法， 本文采用了我国规范中的 m 法， 鉴于采用梁柱原理分析 异型截面的桩， 异型截面的细节问题得不到充分体现， 采用 了 m 法与有限元对桩的水平抗力进行了分析。 1.2 单桩竖向承载力的规范确定方法
（MN/m ） m
8.667 11.066
设异型桩的面积等效圆形桩的直径为 0.5m， 截面积为 弹 性 模 量 为 2.55 X 0.1963m2 。混凝 土 的 强 度 等 级 为 C20， 105 kg/cm2 。桩长为 10.9m。 表4
土层 1
正六边形的对形心的惯性矩为 0.06 i4 。三角形对截面形心 的惯性矩， 当" # 时为：
1630 807 1800 900 1900
汤建南等： 异型桩的分析与计算方法
73
表3
土层
4
土层的地基水平抗力系数的比例系数 m 值
1 2 3 4 6.000 5 15.000 6 5.500 7 9.860
i 1 边长为： ・ ・ = 1.912 !p = 12 4 cos " 解方程得： i = 0.43 m ， " = 47.54 。那么： 竖向承载力的标准值为 （ t） pI = pI = 157 异型桩截面是由一个正六边形和六个等腰三角形组成，
不能保证充填其形状， 并且桩土之间的摩擦面并不等于桩的 外表面积。除此之外， 桩截面必须满足桩基规范中保证混凝 土的灌注质量的最小截面积。因此， 完全的雪花桩截面是没 必要的， 采用其一级或二级分形已可满足。在此基础上， 表2
层号 1 2 3 4 5 6 7 W% 21.2 21.1 24.9 27.4 20.7 （ r kg/cm3 ） 1.84 1.936 1.89 1.87 1.96 e 0.8 0.71 0.8 中密 0.85 0.65
2 H " a 1 d（ 1+
图1
雪花分形曲线图
合理的异型桩截面为， 内接圆面积在大于规范规定的保 证混凝土质量的最小面积的基础上， 与地基土提供的桩基承 载力匹配的截面积及截面周长， 即： Pk - g p Ap gi li ! i
0.5 N G 5 ） 1.5 d2 + 0.5 d rm f t A #
（ + ） y0 + 2 " sin cos " " # y0 +" sin #
I =
y0 +" sin # y0
（ xAB - xAC ） iy・y 2 +
（ xBC
第三号钻孔各土层厚度
2 5.0 5.0 3 3.0 3.0 4 2.4 2.4 5 1.2 0.5 6 3.0 7 -
- xAC ） iy・y 2
厚度 （m） 2.2 桩长 （m）
!"!
规范 # 梁柱原理方法 桩身的抗压承载力为： ・ （0.8 X 100 X 1963） （ t） Pk = 1 = 157 异型桩的周长为： 157 - 17.667 （ m） = 1.912 !p = 72.88