超长大直径钢管桩承载力性状试验研究

广东水利电力职业技术学院学报2019年 第17卷 第2期

Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2019，Vol.17， No.2

1-4

超长大直径钢管桩承载力性状试验研究

吴胤斌，刘祚秋

（中山大学，广东 广州 510275）

摘 要：通过对海南儋州区域某水工工程钢管桩的竖向静载试验及桩侧摩阻力试验数据进行研究，分析超长大直径钢管桩在该区域深厚沉积层的竖向承载性状和荷载传递机理，积累该区域的深厚沉积层土层侧阻力系数样本数量， 为该区域后续工程或相似区域工程提供经验与参考。关键词：超长大直径钢管桩；承载力性状；荷载传递

中图分类号：TU473.12 文献标识码：A 文章编号：1672-2841（2019）02-0001-04

大直径钢管桩具有基桩承载力高、施工便捷的特点，在我国水工工程中的应用越来越广泛，尤其对于基础承载力要求较高的的港口、水利、海上风电等建筑物，大直径钢管桩是一种适用范围广泛的基础形式。近年来，我国建设工程行业技术人员对超长大直径桩的承载力性状与荷载传递机理做了大量的研究和总结[1-4]，但由于不同地区土层尤其是深厚沉积层的不同特性，对超长大直径桩的计算模式及不同土层的取值，尚需更多地区性试验数据样本来验证并进行经验积累。

表１　工程地质概况

序号12345

层底高程（m）-26.20 -27.20 -35.70 -42.80 -75.70

分层厚度（m）2.50 1.00 8.50 7.10 32.90

标贯击数1\\2-56-910-20

描述

淤泥混砂：灰色、流塑、滑腻、有粘性粗砂：灰色，松散、土质不均

粘土：灰色为主、硬塑、土质较均匀，切面光滑，局部夹少量粉细砂粘土混砂：灰色、硬塑，土质不均，混细砂粘土：灰色、硬塑、土质较均匀，切面光滑，局部夹少量粉细砂

1 工程地质概况与试验方法1.1 工程地质概况

根据地质勘查结果，得出试桩所在区域的土层状况，如表1所示。

1.2 试验方法

本次试验共进行了两根桩的试验，本工程桩基承载力设计值为8450kN，根据规范将试验最大荷载设定为16900kN，分为10级加载。

试验采用锚桩法，利用试验桩周围的四根钢管桩作锚桩并和试验大梁联接组成反力系统；试验时，利用置于试验桩顶的多台同型号千斤顶和油泵组成加载系统进行加载；在基准桩上安装基准梁，在基准梁上安装百分表，与油泵上安装的油压表组成量测系统，以量测桩顶位移及荷载

大小。

各锚桩和试验桩位置布置如图1所示，试验桩的沉桩参数如表2所示。

为了研究桩身轴力变化，分析桩侧阻力分布及荷载在深厚粘土层中的传递性状。本次试验在两根试验桩身均预先埋入15组应变式钢筋计。钢筋计的布置原则是：根据设计沉桩深度，在两个不同性质的土层界面处布置一个测点断面，同一土层，当层厚较大时，在该土层适当增加测点断面数量，同时，桩端附近适当加密测点断面。同一测点断面对称布置两个钢筋计。在地面处（或以上）设置一个标准断面作为钢筋计标定断面，每个测试截面对称布置2个钢筋计，桩身传感器位置如图2所示（以S1桩为例，S2桩相似）。

在竖向荷载作用下，通过桩身预埋钢筋上埋

收稿日期：2019-02-15作者简介：吴胤斌，男，工程师，主要从事公路水运工程试验检测工作。

2广东水利电力职业技术学院学报2019，17（2）表２　试验桩参数试桩壁厚桩径 泥面桩尖入土最终贯编号（mm）（mm)标高 标高 深度 入度 （m）（m）（m）（mm）S1281500-23.70 -63.40 39.70 10S2

28

1500

-23.70 -63.20 39.50

10

F1F2F3F5E1S1E3S2E5D1D3D5图１　桩位布置设的测试元件测定桩身应变。由材料力学可知，变形与应力之间有如下关系： (1)式中，为桩身应力；为桩身应变；为桩身的弹性模量。桩身轴力N与桩身应力有如下关系： (2)式中，为桩身横截面积。选取相邻两个钢筋计i和i+1之间的桩段作为隔离体，根据力的平衡，可以得到： 则桩身每两个相邻的测试截面i，i＋1间的土层侧阻力为： (3)式中，为计算段以上桩体施加的力；为计算段以下桩体的反作用力；为计算段的桩身自重。根据试验实测得出的桩身各个测试截面在各级荷载作用下的应变，通过式(1)可得出相应的应力，然后用式(2)求出截面轴力，最后采用式(3)求出桩侧摩阻力。 2 试验结果及数据分析2.1 荷载与沉降关系曲线（Q-s）

试验得到的Q-s曲线如图3、图4所示。S1试桩最大沉降量为38.27mm，残余沉降量为2.28mm；S2桩最大沉降量为34.58mm，残余沉降量为2.37mm；两根试桩的Q-s曲线均未出现明显的转折点，总沉降量未超规范要求。试验结果表明，两根试验桩的单桩竖向极限抗压承载力均不小于16900kN。2.2 各级荷载下桩身轴力两根试验桩在各级荷载下的桩身轴力分布如图5、图6所示。从图中可知：（1）从试验极限荷载桩身轴力图可看出，受桩侧土体性质的影响，曲线沿着深度的斜率有所变化，主要表现该段桩身轴力变化差越大，轴力曲线的斜率越小，桩侧土层侧阻力越大。（2）各级荷载作用下的桩身轴力直线斜率，随着试验荷载增大逐渐减小，表明桩身各个区域的轴力的增长速率并不一致，上部增长比下部快。这说明了桩侧不同深度的摩阻力并非随着桩顶荷载的增加而以相同速率增加，而是靠近桩顶的土说明：图上尺寸单位为mm，标高单位为m。图２　桩身钢筋计布置吴胤斌，刘祚秋：超长大直径钢管桩承载力性状试验研究3图３　Ｓ１试验桩Ｑ－ｓ曲线图４　Ｓ２试验桩Ｑ－ｓ曲线

图５　Ｓ１试验桩桩身轴力分布图６　Ｓ２试验桩桩身轴力分布

层的摩阻力增长较快，靠近桩尖的侧摩阻力增长较慢。段土层的增长速率直到第五级荷载（8450kN）后才开始降低。

2.3 桩侧摩阻力

根据桩身轴力对桩侧各深度的阻力进行计算，各级荷载下的侧摩阻力随深度分布曲线，放在同一张图上比较。两根桩不同荷载下桩侧摩阻力与深度关系曲线如图7、图8所示。在最大荷载下，桩侧土层摩阻力测试值见表3。从表3及图6、图7可看出：（1）两根桩在最大试验荷载下的侧摩阻力实测值接近，分布曲线形状相似，表明桩土共同作用下，桩侧摩阻力系数为土层的固有特性。（2）在桩顶荷载的增加过程中，侧摩阻力基本是同步发挥，但增长速率并不一致。在第一级荷载阶段，上段土层侧摩阻力增长较快，下段土层侧摩阻力增长较慢。在随后的荷载增加过程中，上段土层的增长速率逐步降低直到接近极限，下2.4 桩端阻力

由于1-1截面已经接近桩尖，所以桩端阻力可认为约等于以1-1截面测得的桩身轴力。将两根桩的桩端阻力占试验荷载值的百分比绘制于图9中，从该图可看出，两根桩的桩端阻力增长趋势基本相同，在试验荷载小于桩承载力设计值（8450kN）之前，桩顶荷载基本由桩侧摩阻力承担；在试验荷载大于桩承载力设计值后，桩端阻力所占比例开始以接近线性的方式增大，并随着试验荷载增大的同时增长变缓。3 结论根据对本次试验数据的研究分析，对于在该区域深厚沉积层中大直径钢管桩的竖向承载力性状与荷载传递机理，可得到以下结论：4广东水利电力职业技术学院学报2019，17（2）

图７　Ｓ１桩身侧摩阻力分布图８　Ｓ２桩身侧摩阻力分布

表３　最大荷载（１６９００ｋＮ）下桩侧摩阻力实测值

对应表1

中序号5截面区段1-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-1212-1313-1414-15对应土层名称硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土混砂硬塑粘土混砂硬塑粘土混砂硬塑粘土硬塑粘土硬塑粘土松散粗砂淤泥混砂S1桩实测摩S2桩实测摩阻力（kPa）阻力（kPa）80788079838378827675737070676552514977761675947743步发挥，但发挥程度与荷载大小有关。在小荷载情况下，接近桩顶的土层先于接近桩底的土层将侧摩阻力的作用发挥至极值，承担了总承载力的大部分，随着荷载值的增大，桩土之间相对位移的增长，下部接近桩底的土层侧摩阻力逐步增加，在总承载力中的占比逐渐超越了上层土层。（3）大直径摩擦型桩在深厚沉积层中，小荷载情况下，承载力主要由桩侧摩阻力承担，端阻力占比极小。在荷载增长到一定程度后，端阻力所占比例逐渐增大。参考文献：[1]吕黄，李君，李耕.大直径PHC桩竖向承载力分布的试验研究[J].水运工程，2009(08):58-61. [2]贾德庆，陈锋，吕黄.大直径开口钢管桩承载力特性的分析[J].水运工程，2004(10):22-24+31. [3]律文田，王永和，冷伍明.PHC管桩荷载传递的试验研究和数值分析[J].岩土力学，2006(03):466-470.[4]蔡健，周万清，林奕禧，等.深厚软土超长预应力高强混凝土管桩轴向受力性状的试验研究[J].土木工程学报，2006(10):102-106+116. 21图９　桩端阻力占桩顶荷载百分比

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（1）两根桩侧摩阻力曲线形态接近，表明桩土共同作用下，桩侧摩阻力系数为土层的固有特性，在最大试验荷载情况下，标贯击数越高的土层，桩侧摩阻力系数越高。

（2）各土层桩侧摩阻力虽然在荷载下基本同

（下转第16页）

16对于全启式安全阀：广东水利电力职业技术学院学报[J].水电与抽水蓄能，2010(01):31-33.2019，17（2）[3] 廖波.锦屏一级、二级及官地水电站调速器及其附属设备配置[J].水电厂自动化，2009(02):18-20.[4] GB/T 9652.1-2007.水轮机控制系统技术条件[S].北京：中国标准出版社，2008.[5] GB150-2011.压力容器[S].北京：标准出版社，2011.[6] JB/T 4712.3-2007.耳式支座[S].北京：新华出版社，2007.[7] JB/T 4712.3-2007.容器支座[M].北京：新华出版社，2007.[8] GB/T 9652.2-2007.水轮机控制系统试验[S].北京：中国标准出版社，2008.[9] 李玲，徐之文，黄少先.基于网络仪表及潜入式液位计的水电站水位监测系统[J].广东水利电力职业技术学院学报，2008(01):76-79.

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业技术学院学报，2015(01):27-29.

时，满足安全阀泄放面积要为安全阀通径，由以上计算可得，当安全求。阀的公称通径大于DN10就能满足压力容器超压泄放要求。因此本容器设计时选用全启式空气安全阀A42Y-100，通径为DN15。当5 结论潼南水电站调速器油压装置自2017年4月正式投运以来，已经安全运行了两年多时间。压力容器各项参数满足机组各种试验和正常运行要求，容器各自动化和阀门附件工作正常，有力地保障了机组的安全运行。

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Design of Pressure Vessel for Tongnan Hydropower Station

WANG Zhi-li, JIA Xiao-ping(Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co., Ltd., Deyang 618000, China)

Abstract: Based on the design of pressure vessel for the speed control system of Tongnan Hydropower Station, and according to relevant national standards, the paper calculates and analyzes the key points in the design of pressure vessel, including the volume determination of the vessel, and the calculation of the thickness of the cylinder and its head. Further, vessel test pressure and bearing calculations are studied. The main functions and related automation accessories of pressure vessels in the speed control system of the hydropower station are introduced. Through the safety operation of the Tongnan unit in the past two years, the correctness of the design and calculation of the pressure vessel are proved, which can be reference to the design of the pressure vessel of the hydropower station.Key words: pressure vessel; design calculation; air safety valve; vessel accessories（上接第4页）An Experimental Study on Bearing Capacity of Super-length and Large-diameter Steel Pipe Piles

WU Yin-bin, LIU Zuo-qiu(Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract: Based on the test data of vertical static load test and pile side friction resistance test, the authors analyze the characteristics of vertical bearing capacity and load transfer mechanism of the super-length and large-diameter steel pipe piles in the deep sediments, at an area which in a Hainan port, and collect sample numbers of friction coefficients in the deep sediments of the area, in hope to provide reference for projects in similar situation.

Key words: super-length and large-diameter steel pipe piles; characteristics of vertical bearing capacity; load transfer mechanism