桩基工程开题报告

南京工业大学研究生学位论文开题报告学号：研究生姓名：导师：教授研究方向：桩基工程论文题目：预应力混凝土抗拔方桩性能试验研究学院：交通学院入学时间：2010年9月15日开题时间：2012年12月2日2012年12月2日填报说明一、开题报告中必须采用计算机输入和打印。二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。三、开题报告要求摘要开题报告的内容应包括：1、课题的研究意义、国内外现状；2、与本课题有关的工作积累和已有的研究工作成绩；3、指出课题难点和拟解决的关键问题；拟采取的研究方法、技术线路、试验方案及其可行性。4、计划进度和预期成果；四、开题报告一式二份，研究生和学院各存档一份。一、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值1.课题来源课题来源于盐城市双强管桩有限公司科研项目《预应力混凝土空心内螺纹抗拔方桩》2.选题依据和背景情况随着我国城市化进程的步伐加快，地下空间的开发利用得到迅猛发展，具有抗拔要求的建（构）筑物日益增多，基础埋深亦越来越深，地下结构的抗浮问题日益突出，工程中经常会发生由于未考虑结构的抗浮措施或采取的抗浮措施不当而引起的工程事故[1]。目前工程的抗拔（浮）问题一般采用桩基的形式来解决，这种承受竖向上拔力的桩称为抗拔桩。传统上抗拔桩主要采用钻孔灌注桩、抗浮锚杆等型式，在此基础上又发展了扩底桩、挤扩支盘桩等变截面桩。抗拔桩在工作状态下，桩身混凝土呈拉伸状态，但混凝土抗拉强度低，抗拔桩破坏时一般是桩身混凝土先产生裂隙，混凝土开裂会导致桩身钢筋受水和化学有害物质的侵蚀，钢骨架逐渐被腐蚀破坏，桩身整体失效破坏。为防止抗拔桩桩身混凝土的开裂，科研人员曾尝试对灌注桩施加预应力[2,3]。但由于地下工程预应力的施工难度很大，目前为止，预应力灌注桩尚未形成成熟的施工工艺，无法大范围地推广应用。预制预应力混凝土桩具有桩身质量好、工程造价低、施工绿色环保、桩身检测方便、可工厂化生产等优点，在建筑工程桩基领域的使用越来越广泛，已成为桩基首选桩型。其用于抗拔桩时在有效预压应力范围内桩身不会出现裂缝，预应力钢筋保护较好，能较好的发挥桩身强度，提高桩身抗拔承载力。预应力混凝土空心方桩（简称方桩）是一种新型的预应力混凝土桩，它是在预应力混凝土空心管桩的生产工艺基础上结合混凝土预制方桩的一些特点而产生的一种新型桩。近年来，随着我国基础设施建设的大力推进，沿海省市对新型基桩产品——空心方桩的需求量较大。该产品与现有的同规格管桩、普通方桩相比，在使用过程中具有以下特点：（1）空心方桩为外方内圆形结构，运输中容易绑扎、固定；（2）由于空心方桩结构截面为方形，外表面平整，采用抱压施工时出现桩身抱碎事故率较低；（3）空心方桩在软土地基施工后，当基坑开挖时，出现桩位倾斜的情况比管桩少；（4）布桩系数高；（5）空心方桩基础的承台尺寸较管桩小，减小了承台砼、钢筋用量和基础深度，可以降低基础工程量和工程成本等[4]。预应力混凝土方桩在早期应用阶段主要作为承压桩使用，近年来随着城市建设对地下空间的开发和利用增多，承压桩除了竖向抗压外，在施工期间或特定环境条件下，由于水浮力的作用桩基还要承受较大的上拔荷载；在高层建筑裙房地下室、地下停车库、室外下沉式广场等工程中，当受较大的水浮力时，预应力方桩主要以承受上拔荷载为主。传统用于抗压桩的预应力混凝土方桩作为抗拔桩在基础工程中已得到应用，但由于桩身抗拉、接头抗拔、桩与承台连接等技术问题在实际应用中没有得到有效地解决，目前，对其用于抗拔桩的安全性存在质疑，因此以下几个方面的关键问题亟待解决：（1）接头质量。接桩时多采用桩顶端板的直接焊接连接，由于施工水平和质量不能保证，连接焊缝经常失效，造成下节桩失去抗拔作用，上节桩被拔出。抗拔桩的接头质量问题直接会导致断桩而失效。（2）桩与承台的连接。目前桩与承台连接主要是通过混凝土填芯插筋的方法。由于桩身内壁光滑，填芯混凝土与桩内壁粘结力不强，在上拔荷载作用下，填芯有时被直接拔出，桩顶与承台之间连接失效，锚固失效直接危及建筑物的安全。填芯的长度和施工质量直接影响抗拔承载力。针对上述问题，南京工业大学与盐城双强管桩有限公司共同合作研制了“预应力混凝土空心内螺纹抗拔方桩”(简写NKBZ)，其桩节之间连接方式采用内扣式机械连接，桩顶与承台的连接方式采用内螺纹技术。(a)(b)图1预应力混凝土空心内螺纹方桩(a)(b)图2空心方桩内扣式机械连接这种新型抗拔方桩力学性能如何，接头是否可靠，内螺纹对抗拔承载力提高有多大作用，通过试验开展研究就显得尤为重要。3.课题研究目的或工程应用价值开展新型预应力混凝土抗拔方桩性能试验研究，主要目的是验证预应力混凝土空心内螺纹抗拔方桩对于设计预期的符合性，为方桩的技术研究、生产制作及工程应用提供具有参考价值的相关技术指标。通过本课题的研究，对引导工程实践正确合理使用这一新的桩型，为工程设计提供借签方法，为修订和完善预应力混凝土方桩标准设计提供依据，确保建筑工程安全意义重大，同时也是发展绿色建筑的必然要求。二、文献综述国内外研究现状、发展动态预应力混凝土方桩与管桩在生产工艺、桩身结构、连接方式等方面相近，用作抗拔桩时大多参考管桩。针对抗拔方桩试验研究开展较少，公开的文献主要是针对预应力混凝土方桩的力学性能的研究。潘琦等(2006)[5]通过实验室试验和大量工程实例论述了单桩承载力和变形特性，提出了空心方桩极限承载力的计算公式。刘永超等(2012)[6]分析研究了先张法离心成型预应力高强混凝土方桩与管桩的结构性能，结果表明，二者具有同样的受力特性，在竖向承载力、抗弯、抗剪、抗拉及水平承载力、耐久性指标等方面存在一定的差异。陈彦等(2007)[7]通过预应力离心方桩桩身抗弯试验，研究了这种新型桩的抗弯性能，为制定吊桩方案提供依据，同时提出可以将预应力离心方桩用作基坑支护桩。周文苑等(2011)[8]针对预应力混凝土预制桩在基坑支护中的应用，开发新型的预应力高强混凝土矩形支护桩。刘芙蓉等(2008)[9]通过对预应力混凝土空心方桩焊接接头抗弯试验，研究空心方桩受弯作用下桩身变形、裂缝分布情况，分析其承载能力及破坏特征。随着预制混凝土管桩生产的标准化和生产及施工技术的不断发展，基础工程对管桩产品得到广泛的认可。管桩相对方桩开展时间较长，对管桩抗弯性能的研究也相对较多。管品武(2006)[10]通过对预应力管桩抗弯试验，研究管桩在受弯作用下桩身裂缝开展情况及变形特征，分析其承载能力及破坏特征。试验研究表明：桩身出现裂缝后截面刚度损失较大，对抗弯性能较为不利。俞能兰等(2007)[11]针对大直径管桩在基础工程中的广泛应用，对大直径预应力混凝土管桩(Φ1400)进行抗弯试验，研究其是否满足设计要求。林国宏(2010)[12]通过软土地基中预应力管桩在水平荷载作用下的抗弯性能试验，计算出不同荷载作用下桩身最大弯矩及其出现的位置，通过对比计算和实测结果，分析了水平荷载作用下桩基的抗弯性能。由于普通预应力混凝土管桩在水平荷载作用下抗弯（剪）能力较差，宋寅等(2007)[13]提出设置填芯混凝土可以大幅度提高其抗弯承载力和延性性能。并通过实验，推导出填芯混凝土抗裂弯矩和抗弯承载力的计算公式。盛昌等(2012)[14]提出在预应力混凝土管桩中添加钢筋混凝土横隔能提高管桩的抗弯和变形能力。张忠苗等(2011)[15]，王新玲等(2012)[16]提出在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋，以提高预应力管桩的抗弯承载力和延性。并对这种新型混合配筋预应力混凝土管桩进行抗弯及抗剪性能方面的原型试验研究。试验结果说明：此创新型管桩在抗弯及抗剪性能方面的优势是明显的。PHC管桩应用于深基坑支护以承受水平荷载，对这种基坑支护方式开展支护效果和施工技术研究，无疑具有重要意义。赵祥(2008)[17]就PHC管桩应用于基坑支护的可行性作分析研究，并结合工程实际对PHC管桩应用于基坑支护的受力特性、抗弯性能、经济效益、施工工期、环保优势等进行了研究和分析总结，探讨了PHC管桩应用于基坑支护的适用条件。黄广龙等(2011)[18]对当前承受水平荷载预应力管桩的理论研究、试验研究及应用现状等方面进行详细分析的基础上，提出水平荷载下预应力混凝土管桩受力特性中有待研究的问题。预制预应力混凝土管桩在基坑支护中由于其抗弯能力小而受到一定的限制。城市深基坑支护已从单一的支护方式发展到综合各种支护方式优点的综合治理方式或复合支护方式。李静(2007)[19]提出“复合型预应力管桩”的概念，并针对“复合型预应力管桩”本身的力学性能进行研究。“复合型预应力管桩”是采用高压喷射搅拌桩或深层搅拌桩作桩芯，插入等直径预应力混凝土管桩，使水泥土与预应力混凝土管桩共同工作。复合型预应力管桩的抗弯、剪能力很高，因此用于深基坑支护可得到很好的抗侧能力。张仕等(2011)[20]研究了PHC500预应力混凝土管桩增强技术及增强后弯矩计算方法、介绍了桩锚及喷锚网复合支护技术的应用。通过工程实例，探讨了管桩在深基坑工程综合治理中应用的方法和可行性。张勇等(2007)[21]针对施工实践中焊接接头、碗形接头的缺点，介绍了新型U型管桩接头，并且从理论上计算得出接头各附件的最佳技术参数，同时通过工程实践，证实了新型接头的技术优势。吴水根等[22]对先张预制抗拔方桩和钢筋混凝土抗拔桩的受力性能和抗裂性能进行比较分析，阐明了先张预制方桩作为抗拔桩在技术上的可行性和经济上的优越性，这是涉及预应力混凝土抗拔方桩问题研究的唯一文献报道。预应力混凝土桩用作抗拔桩，相关的研究工作开展较少，没有检索到国外预应力混凝土桩抗拔研究的文献。预应力混凝土方桩与传统的钻孔灌注桩同属于等截面桩。上世纪六十年代以来，国外对等截面抗拔桩的研究取得了一定的进展，所做工作主要集中在桩土共同作用下抗拔桩破坏形态研究[23-28]、抗拔桩和抗压桩侧阻力发挥对比研究[29-32]、抗拔桩承载力发挥机理及影响因素研究[33-39]、抗拔桩承载力计算方法研究[40-46]等方面，研究方法主要有模型试验、原位试验和理论计算分析。目前国内预应力混凝土抗拔桩研究工作主要是结合工程应用开展的一些抗拔管桩的试验及理论研究。（1）试验研究预应力混凝土管桩作为抗拔桩应用时间不到十年，国内主要集中在对工程应用中遇到的实际问题或结合工程设计开展的试验研究。许国平(2005)[47]、苏振明等(2006)[48]分别通过PHC管桩的单桩竖向抗拔静载试验，研究了预应力管桩抗拔性能，分析计算了影响管桩抗拔承载力的多种因素，并提出各土层抗拔系数λ的取值范围，建议内芯插筋锚固深度应根据内芯混凝土摩阻力计算提出。郑秀娟等(2010)[49]通过对预应力混凝土管桩进行现场抗拔静载试验和室内足尺寸试验，研究端板、墩头、焊缝及桩身的抗拔性能、破坏形式和薄弱部位。汪加蔚(2004)[50]通过室内试验对预应力混凝土管桩桩身的抗拉强度、接头焊缝的抗拉强度及填芯混凝土的抗拉强度进行了研究，通过对三种试验结果的分析，提出管桩抗拉承载力设计值的计算公式。韦宏等(2001)[51]、虞林军(2006)[52]、沈晓梅等(2008)[53]分别结合工程实例介绍了预应力混凝土管桩作为抗拔桩的设计要点、计算方法及相应的构造措施。对桩的承载力计算，桩身抗拉强度、接桩焊缝强度、管桩与承台的连接强度的验算方法等提出了一些设计建议。陈岱杰等(2007)[54]针对上海地区使用情况，对预应力混凝土管桩作抗拔桩的桩身结构强度、焊缝强度、端板孔口抗剪强度、钢棒墩头进行验算，并对管桩和承台连接方式进行了探讨，提出了填芯连接方式的计算公式。（2）理论研究目前预应力混凝土管桩抗拔受荷性状的理论研究工作主要集中在以下几个方面：（1）对桩土共同作用下抗拔管桩承载力发挥机理的研究。林宏剑(2010)[55]通过数值模拟研究了桩长、桩径、土质条件等对管桩抗拔承载力特性及桩侧摩阻力的影响。阎怀先、赵文勇(2011)[56]以某工程预应力混凝土管桩预埋钢筋应力计进行抗拔试验为例，分析了预应力混凝土抗拔管桩在桩土共同作用下的受荷机理及轴力