[01211628]开口PHC管桩桩土体系工作机理及竖向承载力设计方法研究

(1)研制了开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置及实验方法。模拟实验装置包括模型箱、模型桩、立柱组件、横梁组件,还包括打桩组件或静荷载组件;模型箱包括外筒、内筒、半圆钢板、导杆圆柱,内筒和外筒筒壁上设有轴向和径向传感器,立柱组件包括与所述模型箱的四周刚性连接的四根立柱,所述横梁组件包括下横梁组件和上横梁组件,滑轮组连接在所述上横梁组件之间。与现有技术相比,具有可模拟土体真实应力场、可分别测得开口管桩桩壁内、外侧摩阻力等优势,克服了现有技术中无法测得开口混凝土管桩真实荷载传递过程的缺陷。 （2）研制了一种开口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验方法：恒刚度大尺寸桩土界面剪切试验仪。先将制备的试验土样进行重塑和击实得到重塑试验土样;再对试验装置进行安装和调试,然后启动数控电机进行桩土界面剪切试验,横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器分别测定并记录上剪切盒与下剪切盒的相对位移、可拆卸弹簧下固定板的竖向位移和上剪切盒和下剪切盒之间的剪力,并通过上剪切盒正面对桩土界面土颗粒位移、旋转和破碎以及桩壁磨损进行观测,完成桩土界面剪切试验。 （3）本研究在充分考虑挤土效应、土塞效应和侧阻退化效应的基础上,提出了适用于开口混凝土管桩的基于静力触探试验的承载力设计方法。方法中提出了桩侧摩阻力通用表达式,纳入应力折减系数、挤土敏感系数、侧阻退化系数三个参数,并给出了不同种类土的参数建议值。将敞口管桩的桩端承载力分为桩壁端阻和土塞承载力两部分分别进行计算,以此为基础提出了基于土塞增长率指标的桩端承载力通用表达式,并分别给出了桩壁端阻和土塞承载力与锥尖阻力的比例系数,以及桩端影响区域的建议值。通过对比现场试验结果,验证了设计方法的合理性和精确度。由于土塞效应的存在,开口预制桩的挤土效应不同于闭口桩,对其进行模拟计算具有现实的工程意义。将桩体的贯入过程模拟为一系列球孔的扩张,其中球孔的数量依据体积相等原则计算得出。模拟计算方法采用源汇法和源源法解答得出半无限体中一系列球孔扩张产生的应力场和位移场。同时,计算模型纳入了沉桩过程中桩侧摩阻力和土塞效应对解答的影响,并通过现场试验对模型计算的精确度进行评价。 （4）采用孔扩张理论对静压桩挤土效应进行模拟计算,假定地基土符合修正剑桥模型,推导得出单桩压入过程中土体位移和孔隙水压力的解析表达式。以此为基础,通过叠加得到群桩压入过程中桩周土体挤土效应的理论解答。同时,在杭州地区进行了群桩静力压入的现场试验,发现桩周土体的水平位移随离排桩的距离呈指数衰减。解析计算值与试验结果较接近,证明了该模拟计算方法的有效性。 （5）基于土塞效应,建立敞口混凝土管桩“桩中桩”荷载传递解析计算模型。桩壁外侧采用三折线荷载传递函数并将桩土界面分为5 种状态考虑;桩壁内侧采用刚塑性模型并建立土塞平衡方程,土塞侧向压力则采用三折线分布假设;桩端采用双折线模型并区分土塞端阻和管壁端阻。解析计算结果显示,开口管桩的端阻多数由管壁承担,且随着桩顶荷载的增大其所占比例逐渐增大;土塞摩擦力集中在桩端以上2 倍桩内径范围内,桩端处的土塞摩阻力为桩壁外侧摩阻力的3.4 倍;开口管桩的承载力略小于相同条件下的闭口桩。