（岩土工程专业论文）真空负压静力试桩方法有限元分析.pdf

真空负压静力试桩方法有限元分析 摘要 首先，本文分析了已有的三种械基竖向静力裁荷试验方淡( 堆载法、锚桩反力架法 和自平衡法) 存在的种种缺陷：堆裁法费时、费力；锚桩法需增加锚桩费用且不适用于 桩饕j 摩嫩力较小豹精援；螽平衡法不适耀予薅墩摭，不爱实骥獭裣，且受力情况与实舔 不符等。指出研发真空负压静力试械方法的必爱性。 然后，针对真空受压试桩方法可能产生的关键问题进行分析，并就在天然地基上进 行试柱瓣粪空区遗基稳定往送行有戳元分季厅，缭暴表绢，著不对遣基透露楚淫( 瑟在天 然地基上谶行试桩) ，常规渗透系数的饱和土体都不能承受8 0 k p a 真空度谳导致失稳。 随后在用砂井处理真空区下方地基条件下，对其进行重新分析。通过变化上部土层 渗透系数、砂著享丁设深度、上部主体孔踩比、弹髅模量( 泊桧魄) 秘秸聚力( 内摩擦角) 等五种参数，进行大量有限元计算，得出以下结论： ( 1 ) 土体中渗流产生的水力梯度大予层临界水力梯度是土体破坏的首要原因； ( 2 ) 搴中最大永力梯度随渗透系数减，j 、面增大，执水力梯度角度讲真空受压试桩法 更适合于渗透系数较大( 七1 1 0 1 m ，s ) 的地基土体； ( 3 ) 鼷渗透性好，砂劳抒设深发较浅裁戆瀵是求力梯度骢要求；羞浅灏主层渗透系 数较小( 七茎1 1 0 4 m s ) 盛不是很深，建议将砂井打穿此浅部土层，到达渗透系 数较大的土层； ( 4 巍黻晓对试援遥程影响不大，毽宅通过影嫡钵其谴参数闯接发挥穆溺；弹瞧穰 量( 泊松比) 对试桩过程桩体和土体的沉降影响较大，但对孔隙水愿力没有影响。 本文最后对堆载法釉真空试桩法进幸亍了有限元对比分析，主要得出以下结论： ( 1 ) 囊空试棱法q s 藏线较臻载法平缓，繇瀚级蘅载下，囊v 空受压试援法流降魄堆载 法略小，这是真警法进行部分深度地基处理增大了浅部桩周摩阻力的原因； ( 2 ) 堆鼗法弓 起的地寝沉降可以忽略不计；真察法对真空区及真空区外一定宽度范豳 逸农沉降影响较大，不麓忽麓。 关键词：单桩竖向静载荷试验；真空负压力；有限单元法；本力梯度；负愿渗流场； 蘅载一流簿裁线；遗表沉降； f i n i t ee l e m e n ta n a l v s i so nan e wm e t h o df o r p i l es t a t i cl o a d i n gt e s tu s i n gv a c u u m n e g a t i v ep r e s s u r e a b s t r a c t f i r s t ly ，t h i sp a p e ra j l a l y z e st 1 1 r e et y p e so fs t a t i c1 0 a d i n gt e s to fp i l e p i l i n g u pw e i 曲t s m e t h o d ，a n c h o r _ p i l el o a d i i l gt e s tm e t l l o da i l ds e l f - b a l a l l c e dl o a d i n gp i l et e s tm e t l l o d p i l i n g - u p w e i 曲t sm e t l l o dt a l c e sm u c ht i m ea n dg r e a te 怕r t ；a n c h o r - p i l el o a d i gt e s tm e t l l o dn e e d se x 蛔 e x p e n s e so fa n c h o rp i l e sa n dc o l l l d n tu s e di nt 1 1 ec o n d i t i o nt h a tp i l es h a f t 衔c t i o ni ss m a l l ； s e l f b a l a l l c e dl o a d i n gp i l et e s tm e t h o di sd i 伍c u ht or e a l i z em er a n d o mi n s p e c t i o na i l dn o t s “t 曲l et od e t e c ta 1 1e n db e a r i n gp i l e a d d i t i o n a l l y ，t l l ew o r k i n g b e h a v i o ri nt h i sm e t h o dd i 位r s f b mt l l er e a lc o n d i t i o n s ，e t c t h ep 印e ra l s op o i n t so u tm en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gan e w m e t l l o df o rp i l es t a t i cl o a d i n gt e s tb yu s i n gv a c u u mn e g a t i v ep r e s s u r e s e c o n d l y ，t h ep a p e ra 1 1 a l y z e st 1 1 ek e yp r o b l e mw h i c hm a yo c c l l ri nt h i sn e wm 砒o d ，a n d d o e sp i l o tc a i c u i a t i o no nn a 慨jg m l h l dw 浊f e m t h e n ，t 1 1 eg r o u n ds 诅b i i i t yi sa i l a i y z e d ni s s h o w nt h a tn a t i l r a ls a t u r a t e ds o i lw i t hg e n e m lp e 咖e a b i l i t yc o u l dn o tb e a rt h ep o r ep r e s s l l r eo f - 8 0 k p a t h i r d l y ，也ep a p e ra n a l y z e st h en e wm e t h o du n d e rt l l ec o n d i t i o nt 1 1 a tt h eg r o u n du n d e r v a c u l l l l la r e ai s i m p m v e db ys a n dd r a i n n l r o u 曲v a r ) r m gt l l ep e 珊e a b i l i t yc o e m c i e n t ，t h e b u r i e dd e p t ho fs a l l dd r a i n ，v o i d r a t i o ， m o d l l l u so fd e f o m a t i o n ( p o i s s o n sr a t i o )a i l d c o h e s i o n ( a n 舀eo fj n t e m a l 蜘c t j o n ) ，m a n yn u m 翻c a lc a j c 珂a t i o n sa r em a d ea 1 1 d 南l l o 谢n g c o n c i u s i o n sa r ed “l 、v 1 1 ： i ) i kk e yo f t h en e wm e t l l o di sk e c p i n gh y d r a u l i c 日a d i e n ti 1 1t h eg r o l l l l ds m a l l e rm a nm e 翻t e r i ah y 洲i c 铲a d i e n tt l l e r e ； i i ) t h em a ) ( i n m mh y d r a u l i cg r a d i e mi n c r e a s e sa st h ec o e m c i e n to f p e 瑚e a b i l i t yd e c r e a s e s i nt e n so ft l i eh y d r a u l i c g r a d i e n t ，t l l i sn e wm e t h o di sm o r es u i t a b l et ot l l e s o i lw h i c h p e 蛐e a b i l i t yi sg r e a t e f 血a n1 e - 8 m s ； i i i ) w 油t h es o i l sp e r n l e a b i l i t yb e i n gg r e a t e r ，t h eh y 出a u l i cg r a d i e n ti sm u c he a s i e rt ob e s m a l l e r 也a nt h ec r i t 谢ah y d r a u l i cg r a d i e n t 也e r e t h ep a p e rs u g g e s t s 嘶l l i n gt h m u 曲t h el a y e r o f s o i lu s i n gs a l l dd m i ni f t h ep e m l e a b i l 时o f s u p e r f i c i a ls o i l i ss m a l l e r t l l a n1 e - 8 州s ； i v ) v o i dm t i oh a v el i t n ee 艉c to nt l l ep i l et e s t ，w h i l em o d u l u so fd e f o 舯a t i o n ( p o i s s o n s r a t i o ) i n f l u e l l c e st l l es e t t l e m e n to f t h ep i l ea n dg r o u n dg r e a t l y f i n a l l y ，t 1 1 ep 印e rc o n l p a r e sm ep i l i n g 川pw e 蟾h t sm e t l l o d 州t ht l l en e wm e m o d ，a n d f e a e h e st 瓣f 稿l 瘌魏gc o 熟e 璐i o l 搭： i ) i nl o a d i n g s e 坩e m e n tc u r v e ：d u et og m u n db e i n gi m p r o v e db y s a n dd r a i n ，m es e t t l e m e n t c a l c u l a t c db yt h en e wm e t l l o di ss m a l l e rt h a nm et i a d i t i o n a lm e t l l o di nt h es a m el o a ds t 印； 主主) 羝s 雒l e 强e n lo f 謦。鞠ds w 翁i c ed h e 协臻嚣彝1 抽争孽w 醯巍捻拯e 盎o de o 瀵db ei 登o f 。d ， b u tt 1 1 en e wm e t h o d si sm u c hg r e a t e ra i l dc o u l d n tb ei g n o r e d x 程w o 砖s ：s 隧至cl o a d 重e 蛙。f 委l e ；v 鑫e 毪珏m 珏e g a 耄i v e 爹r e s s 强f e ；萎越i 证采e 掰e n l 魁e 重h o d ；t h y d r a u l i cg r a d i e n t ；s e e p a g ef i e l d o fn e g a t i v ep o r ep r e s s u r e ；1 0 a d i n g 。s e t t l e m e n tc u r v e ； s e t t l e m e n to fg r 0 吼ds u 娃沁e 浙江大学硕士学位论文真空负压静力试桩方法有限元分析 陈再谦2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1引言 随着我国工程建设事业的蓬勃发展，公路、铁路、港口、码头及城市建设 等都得到了迅速发展；在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口码头、海上采油平 台以至核电站等工程中，桩基础己成为应用最为广泛的基础型式。据保守估计， 目前我国每年的桩基使用量己达数百万根，而桩基的造价又较高，一般占工程 总造价的1 4 以上。因此如何合理地对基桩承载力进行检测，在保证工程质量 的前提下充分发挥基桩承载能力，具有重要的经济意义；另一方面，如果桩的 实际承载力达不到设计要求而又未被发现，将给工程带来重大隐患。因此，用 什么方法确定基桩承载力，以满足桩基使用的需要，一直都是工程界十分关心 的问题，也是长期以来国内外许多研究人员和工程技术人员所热心的一个研究 方向，他们以不同的途径进行探索和实践，取得了很多成果，提出并发展了很 多基桩承载力检测方法，且在不同程度和范围得到了应用。 目前桩基检测方法主要分为两大类：即静力载荷试验法( 主要测试基桩承 载能力) 和动力测试方法( 主要检测基桩完整性) ，这两类方法在工程实际中 都得到了普遍应用。由于单桩竖向静荷载试验的受力条件比较接近桩基础的实 际受力状态，并且直观、可靠，易于被接收，因此我国现行规范都规定：单桩 竖向静荷载试验是确定单桩竖向承载力的基本方法。 1 2 单桩抗压静载试验原理 1 2 1 竖向荷载作用下桩基荷载传递机理 当竖向荷载逐级施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生向下的位移， 同时桩侧表面受到土的向上的摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力 传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。随着荷载增 加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力逐渐被调动起来，桩底土层 也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使 桩身摩阻力进一步发挥。当桩身摩阻力全部发挥出来并达到极限后，若继续增 加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。当桩底荷载达到桩端持力层的极 限承载力时，桩端持力层大量压缩和塑性挤出，位移增长速度显著加大，使桩 浙江大学硕士学位论文真空负胍静力试桩方法有限元分析 陈再谦2 0 0 6 年5 月 发生急剧的、不停滞的下沉而破坏，此时桩所承受荷载就是桩的极限承载力。 m s m a t t e s 和h g p o u l o s 采用线弹性理论对基桩的荷载传递机理进行了 理论分析，结合试验研究和理论分析结果，桩的荷载传递规律可概括如下： ( 1 ) 桩端土与桩周土的刚度比色e 愈小，桩身轴力随深度衰减愈快，即传递 到桩端的荷载愈小。当桩的长径比三d = 2 5 ，乜，e = 1 时，即均匀土层 中，桩端阻力仅占总荷载仅约5 ，接近于纯摩擦桩：当毛巨增大到1 0 0 时，桩端阻力占总荷载约6 0 ，则属端承桩，桩身下部侧阻力的发挥值相 应降低：此时毛e 再继续增大，对端阻力分担荷载比影响不大。 ( 2 ) 随桩土刚度比e 。e ( 桩身刚度与桩侧土刚度之比) 的增大，传递到桩端 的荷载增大，侧阻发挥值也相应增大；但当e 。e l o o o 后，端阻分担 的荷载比变化不明显。 ( 3 ) 随桩长径比三d 增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力发挥值 相应降低。当三d 4 0 时，在均质土中，其端阻分担的荷载比趋于零； 当三d 1 0 0 时，不论桩端土刚度多大，其端阻分担荷载值均可忽略不计。 ( 4 ) 随桩端扩径比d d 增大，桩端分担荷载比增加。对于均质土层中的中长 桩( 三d = 2 5 ) ，其桩端分担荷载比，等直径桩仅约5 ，而d d = 3 的扩 底桩可增大至约3 5 。 上述荷载传递分析结果表明，单桩极限承载力所对应的某特定土层的极限 侧阻力g 。和极限端阻力g 。都会由于桩长、桩径比变化，或桩端、桩周土刚度 比变化，丽使其发挥值不同。为有效发挥桩的承载性能和取得最佳经济效果， 设计中运用桩土体系荷载传递特性，根据土层的分布与性质，合理确定桩径、 桩长、桩端持力层等是十分必要的。 1 2 2 竖向荷载作用下桩顶沉降机理 由于桩身的荷载分布随着时间推移有向桩端转移的趋势，如果忽略时间对 桩顶沉降的影响，竖向荷载作用下桩顶的沉降主要由以下三部分组成： 浙江大学顾士学位论文真空负压静力试桩方法有限元分析 陈再谦2 0 0 6 年5 月 ( 1 ) 桩身本身的压缩量。包括桩身本身的弹性压缩量s ，桩身本身的塑性压缩 量s 2 与桩身缺陷( 如夹泥、空隙) 引起的压缩量邑； ( 2 ) 桩侧摩阻力向下传递引起桩端下土体的压缩量& ，其特点是桩端与桩端 土问无相对移动，两者整体下沉； ( 3 ) 桩端荷载引起的桩端下土体的压缩量。当桩端荷载水平较低时，桩端与桩 端土间无相对滑移，此时桩端下土体的压缩量文可用弹性变形近似表示； 当桩端荷载水平较高时，桩端下土体产生明显的塑性变形，桩端与桩端土 之间产生相对移动而形成刺入破坏所产生的刺入量为& 。 因此竖向荷载作用下桩顶的沉降量可表示为： s 2 置+ + 岛+ & + 岛+ & ( 1 1 ) 1 2 3 竖向荷载作用下桩土体系破坏模式 ( 1 ) 桩身材料强度( 桩身结构) 破坏 当桩支承在坚硬的岩层或压缩性很小的土层上时，桩的承载力出桩身材料 强度控制，随着桩顶受到竖向荷载的增加，桩身被压碎；或者由于桩身存在缺 陷( 如缩颈、夹泥、空隙或离析) ，随着桩顶受到竖向荷载的增加，在桩身缺陷 部位被压碎。此时，桩的承载力由桩身强度控制。 ( 2 ) 地基土强度破坏 大多数情况下，随桩项荷载增加和桩身沉降不断加大，桩侧土、桩端土强 度先后得到发挥并迸入极限状态；若再增加荷载，桩侧、桩端土将发生破坏， 而桩身未出现破坏。这种情况下，桩的承载力由土体强度控制。 1 3 竖向静力试桩方法研究应用现状 1 3 1 现有静力试桩方法概述及分析 众所周知，传统的桩基静力载荷试验方法有两种，一是堆载法，二是锚桩 反力架法。两种方法都是采用油压千斤项在桩顶施加荷载。而千斤顶的反力， 前者是通过反力架上的堆重与之平衡，后者是通过反力架将反力传给锚桩，与 锚桩的抗拔力平衡( 本文没有将锚桩联合堆载静力试桩法单独视为一种试桩方 浙江人学硕士学位论文真空负压静力试桩方法有限7 亡分析 陈再谦2 0 0 6 年5 月 法) 。其存在的主要问题是：前者必须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆 放及运输问题，后者必须设置多根锚桩及反力大粱，不仅所需费用昂贵，时间 较长，而且易受吨位和场地条件的限制。以致许多大吨位桩和特殊场地的桩( 如 山地、桥桩) 的承载力往往得不到准确试验数据，基桩的潜力不能合理发挥，这 是桩基础领域面临的一大难题。 除了传统的堆载法和锚桩反力架法之外，近十年左右，“自平衡”试桩方 法( 图1 1 ) 成为基桩静力载荷试验的一个研究热点，其原理采用的是0 s t e r b e r g 试桩法原理。 ts 下 图1 1“自平衡”试桩方法测试机理示意图 该方法是在桩施工过程中将一种特制的液压千斤顶式荷载箱( 主要由活塞、 顶盖、底盖及箱壁四部分组成，它需要按照桩的类型、截面尺寸和荷载等级分 别设计制作) 和钢筋笼焊接放在桩身指定位置，并有输压管和位移棒伸出桩顶。 测试时，从桩项通过输压管对荷载箱加压，随着压力的增加，箱盖和箱底被推 开，从而调动桩侧土向下和桩底土向上的阻力，两者互为反力；压力继续增加， 桩侧阻力和桩端阻力发挥直至破坏。若其中某一阻力有所不足时，则需采取一 定的补充措施。这样能反映荷载箱上、下两段桩各自的承载力，将上段桩侧阻 力经一定处理后与下段桩承载力相加即为基桩极限承载力。根据加载及向上、 下位移的唯一对应关系，可以绘出向上、向下q s 曲线，进而推断桩基的承载 能力。 4 浙江大学顾士学位论文真空负压静力试桩方法有限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 月 在简要介绍了现有三种静力试桩方法后，下面着重对其优缺点进行分析。 一、堆载法 堆载法是一种较为原始的静力试桩技术，该方法是通过压重平台及堆放于 其上的配重重量给试桩施加反力。其优点是能较真实地模拟基桩的受力状况， 可实现随机抽检，且适应性较强。 其主要缺点如下： ( 1 ) 费用高，占用场地较大 堆载试桩法常常需要大量的堆载重物，特别对于大吨位的试桩，所需的重 物是客观的。如要进行极限荷载为1 0 0 0 吨的静载荷试验，就需要大约1 2 0 0 吨 的重物，如此大的荷载，仅其进出场地的运输、起吊费用就是一笔不小的开支。 此外，大量的堆载重物还需要较大的堆放场地，这些都增加了检测费用。因此 堆载法静载试验的检测费用往往是很高的，特别对于吨位较大而附近又没有可 供使用的现成重物时，试验费用是非常昂贵的。有资料表明，浙江省采用堆载 法进行静载荷试验的单桩最高费用已达到二十万元以上。 ( 2 ) 试验周期长，影响工期 由于试验前需要将重物通过人工或者机械起吊的方式堆放在压重平台上； 试验结束后还要将其卸回原处( 有时还需要将其运回原来堆放的地点) ，这过 程不但需要相当的费用，而且所需的时间也是比较长的。大吨位的堆载试桩， 每根桩试验的时间可长达半个月之久。如此长的时间常常会严重影响工程进度。 二、锚桩法 锚桩反力架静力试桩法也是常用的一种静力试桩方法，该方法是通常在试桩 周围打设多根锚桩( 通常为4 、6 或8 根) 或者直接利用加强后的工程桩的抗拔力 给试桩提供加载所需的反力。其优点主要有：加载周期短，不需额外的荷重作为 反力装置，试验费用较堆载法低；因而目前在大吨位桩基静载试验中锚桩反力法 应用较为普遍。该方法的主要缺陷如下： ( 1 ) 打设锚桩，增加工程费用 若通过打设锚桩的方式提供反力，则通常需要在试桩周边打设至少4 根锚 桩( 当工程桩距较大，位置不合适或者桩数较少的情况下，完全依靠借用工程 桩作为锚桩是不现实的，特别是对于桥梁桩基) ，这样必然增加施工费用和材 浙江大学硕士学位论文真警负压静力试桩方法有限元分析踩并谦2 0 0 6 年5 月 料费用。 ( 2 ) 一些王疆条俘不适纛经建链蕴撬珙笈力 对于桩长较擞而承载力又较高的端承桩( 例如山区和琏陵使用较雾的人工 挖孔檄) ，由于桩侧提供的摩隰力较小，锚桩无法提供试桩所需的加裁反力。 医鼗这耱壤嚣下嘏零就无法采翅锤蕴法逶嚣试验。 ( 3 ) 不能实现随机抽检 由于需要事先打好锚桩，因此不能实现工程桩的随机抽检，检测结果可能 不鬟有代表瞧。 三、自平衡法 国平衡试桩法避近十年左右才从国外引进的一种试摭方法。相对前两种传 统豹试桩方法，怒耱较薪静羧术。垂平簿试桩法美育下期优点： ( 1 ) 经济能较好 一般为转统静载荷试验费用的l 3 2 3 。荷载越大，经济性越好。 ( 2 ) 场途要求不高 凼于没有桩顶上部的荷载，不需构筑艇力架，因此对于桩顶上部和两侧 所要求豹工作空闽酃比传统静载旖试验小褥移，它十分适含子水上试援、坡地 试梭黻及城市中场魄试桩。 ( 3 ) 能测试较高的荷载水平 美国佛罗里达州阿巴拉契可乐河的试桩，试验总承载力为1 3 3 0 0 0 k n ，国内 漏扬大桥南塔试糠恩承载力大1 2 0 0 0 0 k n ，函戴它适合予桥梁大吨位纂皴试桩。 ( 4 ) 试验厝试桩仍可作为工程桩使用 只嚣对桩进行艇力注浆，试摭还可以作为工程桩使耀。 从上可弼，蠢平衡试桩爨裔蠢好的应用前景。它已农江苏、河南、浙江、 云南等省得到一魑应用。 然薅，自平衡试桩法存在的翅题也较多，主要有： ( 1 ) 与桩纂实际工作时受力情况不相祷 自平衡试桩法试桩时桩体上部所受侧阻力向下，下部所受侧阻力向上，这 与摭鏊实际工传辩豹受力情况怒不一致的，体嚣破坏模式也有较大隧别，这 样就需要相当的经验与传统静裁试验进行对眈。在目前积累的经验不怒缀充分 8 浙江大学硕士学位论文真窄负压静力试桩方法有限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 月 的情况下将其用于实际工程检测得到的结果有可能不准确。 ( 2 ) 预设压力箱的位置难以确定 由于试验前无法准确得知桩侧摩阻力系数和桩端阻力参数( 否则也没有必 要做静力载荷试验) ，因此预设压力箱的位置难以保证其上部桩身受到的向下 的侧摩阻力和其下部桩身受到的向上的摩阻力及端阻力之和基本平衡。由此导 致的结果是上部土层或下部土层有一个率先破坏，而另一个未达到破坏状态。 因此大多数情况下得不到桩的极限承载力，因而该方法一般适合于作为工程桩 容许承载力的验证性应用。此外，即使压力箱上、下部的土体同时达到破坏， 也不能简单取压力值的2 倍做为桩基的实际承载力，有学者建议将上部桩体侧 摩阻力乘以一个系数再与下部阻力相加，然而这样需要相当的实际工程经验。 ( 3 ) 不能用于端承桩检测 对于桩侧摩阻力小于或远小于端承力的摩擦端承桩与端承桩，由于上部桩 身摩阻力较小，不能平衡桩端阻力，因此该方法不能使用。 ( 4 ) 不能实现随机抽检 由于需要事先埋设压力箱，因此不能实现工程桩的随机抽检，检测结果也 可能不具有代表性。 鉴于上述三种现有静载试验方法存在的种种缺陷，迫切需要一种新的测试 方法以解决或改善这些问题。 1 3 2 真空负压静力试桩方法简介与分析 真空负压静力试桩方法( 图1 2 ) 是王奎华教授等人最近提出的一种新的 静力载荷试验方法。该方法的基本思路是利用上覆软质密封层( 可采用密封性 能好的土工布) 的刚性平台及裙边在试桩的上部构成一个密封的空间，试验时 利用真空抽气机或射流泵抽去密封空间内的空气使之形成真空，则外部大气压 将在平台上产生巨大的压力，这一压力可以作为试桩加载所需要的反力。根据 真空预压处理地基的经验，目前的抽真空设备可以使得密封区内的真空度轻易 达到8 0 k p a 以上，因此平台及裙边上每平方米面积上将产生8 吨以上的压力， 如果采用1 0 m 1 0 m 大小的平台，总压力将达到8 0 0 吨( 尚不包括裙边所受的大 气压力) ，这将可以满足大多数桩基静力载荷试验的需求。当然对于吨位更大 的基桩，只需增大真空区平台面积即可解决。 辩汪大学磺士学位论文真空敷摧静力试桩方法有蔽，分析陈再谦2 0 。6 年5 月 为使真空度能传递到较深的土层，以防止浅部土层由予土体有效应力不足 戳抵撬缝下隶囊上豹渗淀力瑟产生渗流酸琢，试桩之蔻霹戳在设诗接囊黧送下 方打设一些竖向排水体( 砂井或勰料排水带，如图1 2 ) 。 图1 2 真黛负压静力试桩方法示意图 真空负压静力试槛方法的主鼗优点如下： ( 1 ) 经济性嵇 由于抽真空设备以及真空区的刚性平台和软质密封层都是可重复使用的材 料，因戴能大大减少试验开支。 ( 2 ) 髓较真实邃模损基禳的受力状况 由于加载位置是在桩顶部，因此能较真实地模拟桩基的髓力状况。 ( 3 ) 能实现髓机撼检 南予不需要事兔堙设压力籍，因诧能实醺辩工程桩静随税拯检。 ( 4 ) 适用范嗣广泛 对予吨位较大，不适合打设镳桩殴及端承桩都适用。 尽管真空负压静力试桩方法鼷有很多潜在优势，但目髓该方法刚提斑不久， 要使其进入实际应用阶段，尚有很多关键理论和技术问题辩凄解决，例如真空 送下方层豹处理与麓固露题；钵中真空负攫渗滚场的露在会不会弓 越体 破坏、会不会对试摭产生影响以殿影响多大；铺真空会不会弓f 起地表沉降或者 隆起，其量值又会魑多少等等问题都迫切需襄对其进行研究。 总之，要想将这一裂技戒果转化藏现实黪生产力，仍套诲多薅题嚣要艇决。 本文饼做的研究工佟就是为了分析和解决上述闷题。 8 浙江火举颈上学位论文真空负压静力试桩方法有限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 胃 1 4 本文主要研究工作 ( 1 ) 通过两个算辆：条形萄载下圭盘基中酶骚向应力系数髑一维西结问邀对 a b a q u s 有限元程序在岩土工程中的适用性进行验证。 ( 2 ) 建立真空负压势力试桩分橱轴对称摸型。在较为详缎介绍模型中各几簿 参数、物理力学参数的选用后，对模型进行试算，得出若不对地基进行簸理， 地基土可能会产生渗流破坏的结论。 ( 3 ) 在真空医下方逑基中打设妙井麴瑕定条件下，进行了大量数值计算。分 析了释主要参数；上部土体渗诱系数、砂并打设深度、一匕部土体孔隙陡、弹性 模量( 泊松比) 和粘聚力( 内摩擦角) 等对试桩时土体稳定性的影响，得到一 些援梅稠建议。 ( 4 ) 对真空负雁静力试桩方法和传统堆载静力试桩方法遴行对比分析，结果 表明两者具有一定的差异性。 9 浙汪大学硕士学位论文 真空负觚静力试棱方法离难元分析陈再谦2 6 年5 月 第二章岩土工程有限元理论与a b a q u s 程序简介 2 。1葶l 言 有限单元法基本思想提出可追溯到2 0 世纪4 0 年代( r c o u r a n t ) 。】9 5 6 年，赫。j t u n e r 等懿次瘟曩舂袋元分摄飞瓿终橡获褥成功，这是有殴元法第一 个成功应用的范例。1 9 6 0 年“f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ( 有限单元法) ”这一 名词被笳一次提出。1 9 6 7 年第一本有限元专著发表。从此，随着计算机的快速 菱曩，糍羧单元法缀浚藏残隽求瓣秘学蠲题_ 秘工程运蓬最露效夔方法之一。 程众多的数值分析方法中，有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称 f e m ) 媳有适用性强，处理非线性、非均质、复杂边界问题方便等突出优点而成 受秘学及工程数整分褥孛最有效戆遽露工具。经过半个多蕊纪豹疆究与发展， 有限单元法已在各个领域的科学和工程分析中得到广泛应用。 许多岩土工程问题要得到弹性力学解析解是很困难的。然而随着计算机和 毒疆元技术戆获速笈壤，霞褥嚣黪买嘉复杂壤溪条箨、瘦力历史、边器条咎等 得不到理想解析解的岩土工程问趟得到数值模拟成为现实。有限元法的优点主 要有：( 1 ) 可以分析形状十分复杂和非均质、各向异性材料的各种实际工程结 牵晕；( 2 ) 可臻在谤算孛模裂各秘篾象懿耪辩本褥关系、黎裁条箨蟊透爨条俘， 例如w 以模拟岩土体中的渗流和牵刀始地应力场、混凝土不均匀温度场等，这些 因素在物理模型中往往是难以模拟的；( 3 ) 可以进行结构渤力分析；( 4 ) 由 于蘸楚遴帮螽楚理技零豹发曩，掰苏逢毒亍丈豢方案豹 l 鞍分氍，著逶逮章箨缝采 用可视化的图形表示出来，从而谢利于对工穰方案进行优化。由于具有匕述优 点，裔艰元在工程设计和科学研究中得到了广泛的应用。 簸攀褥有限元滚癍蠲予土王谤髯翡是e l o u 馥窝酌o d w a 羽( 1 9 舔) 疲熊总 应力法对土坝的应力应变进行分析：s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 ) 结合b i o t 二维 固结理论用有限元法对土体二维髑结问题进行分析，开创了土工问题有限元有 效痤力法翡先霹；b e w i se ta l ( 1 9 7 s ) 最警遴露了菲线瞧瓣结有陵元分褥。在 国内，沈珠江( 1 9 7 7 ) 采用有效成力法对软土地基变形进行了有限元分柝，之 后殷宗泽、龚晓南、谢康和等用不同盼方法建立了有限元方程。在这之飚的3 0 年量，莛海外大羲乏学卷采露各耱摸鳖进幸亍了霞络有限元分轿。 士工有限元分析可以分为有效应力法( e f f e c t i v es t r e s sm e t h o d ) 和总应 l o 浙江大学硕士学位论文 真窄负压静力试桩方法有限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 月 力法( t o t a ls t r e s sm e t h o d ) 两种。有效应力法严格区分土体中的有效应力与 孔隙水压力，将土体骨架变形与孔隙水的渗流同步考虑，因而比总应力法更加 真实地反映了土体的自身特性，能更合理地计算土体对荷载的响应，应用的范 围也更加广泛。但有效应力法较总应力法复杂，计算量大。例如有效应力法有 两种未知量：土骨架的节点变形和孔隙水压力，对非饱和土还需要加上孔隙气 压力这个变量；但总应力法的未知量只有节点位移。土体的总应力有限元法实 际上与一般固体力学有限元法在计算原理上没有太大区别，主要在材料本构模 型的选择上不同，其实质认为土体是一种由土颗粒和孔隙水组成的连续介质， 计算中不考虑土颗粒和孔隙水之间的相互关系，将其视为一个整体，共同研究 这个整体的应力应变状态。从应用上来说，总应力法一般用于不考虑渗流、固 结的情况。 本章将介绍以b i o t 动力固结方程为基础的饱和土体有限元基本理论，然后 简要介绍本文使用的a b a q u s 程序并就其在岩土工程领域的适用性进行验证。 2 2 饱和土有限元基础 饱和土体是由土颗粒( 固相) 和孔隙水( 液相) 组成的两相体，土颗粒相 互胶结和接触形成土骨架，水则存在于土骨架内的孔隙中。在荷载作用下，土 体中将产生应力，土骨架将发生位移或运动，孔隙水在伴随土颗粒运动的同时 还做相对于土颗粒的渗流运动。 本节主要介绍饱和土b i o t 动力固结方程( 总控制方程) ，然后介绍轴对称 四节点等参元及有限元求解基本步骤。 2 2 1 b i o t 动力固结方程 任何土工问题的计算分析都是从基本方程出发的。研究表明，对大多数岩 土工程问题，无论是进行有效应力分析还是总应力分析，均可归结为对b i o t 动力固结方程的求解。因此，一般可将b i o t 动力固结方程作为岩土工程问题的 总控制方程。 一、b i o t 动力固结方程基本假设 ( 1 ) 土体是完全饱和的横观各向同性弹性体； ( 2 ) 土体为小变形； ( 3 ) 土颗粒和孔隙水均不可压缩； 浙江大学硕士学位论文 真空受压静力试桩方法肖跟元分橱陈博谦2 0 0 6 年5 月 ( 4 ) 孔隙水渗流符合d a r c y 定律； ( ) 瘟力瘟交歪受号与弹瞧力学摇反。 二、土体静力平衡方程 不计惯性力的条件下，土体静力平衡方程为： 彗+ 坠+ 焦：o( 2 + 1 ) 蕊咖o z 堡+ 整+ 堡：o( 2 2 ) 旁 晚蠢 冬+ 冬+ 孥嗍：o ( 2 - 3 ) a z融铷 j 三、体本秘方程 土体的本构方程( 物理方程) 用于描述士体有效应力与应变之间的关系， 其一般式可表示为： 涉 = 厂( 占 ) ( 2 4 ) 式中：p 2 【盯：盯，：勺r ，土体有效应力矢量： s 2 【0 丘岛强r ，土钵藏交矢量。 其矩阵形式可以写为： 和= 【翻 s 式中【纠为弹性矩阵，对于横观静向同性体， 【蚤】= 揣 l瓣 l 1 l 一掣 oo 垃 2 ( 1 一) ooo 称 l 一2 “ 2 ( 1 一) o 竺 2 ( 1 一) ，一叫卢一叫 o o l 一1 浙江大学硕士学位论文真窄负压静力试桩方法有限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 月 式中：e 表示土体的弹性模量，表示土体的泊松比。 四、土体几何方程 几何方程用于描述应变分量与位移分量之间的关系，根据小应变假设和应 变以压为正的约定，可得土体几何方程： 豢岛 考+ 亲j c z s ， 2 一瓦岛2 一【瓦+ 瓦j 皑- ” 尹雾一茅j 汜。， 勺2 一瓦2 一l 面+ 瓦j 吲 t 一芸一( 芸+ 老) c z ， t 一瓦一【面+ 瓦j 式中：u 、v 、w 分别为下x 、y 、z 方向的位移分量。 五、土体有效应力原理 有效应力原理最先由t e r z a 曲i 提出，用于描述土体中的总应力、孔隙水压 力及孔隙气压力之间的关系。对于饱和土体，其表达式如下： l 吒= 盯，+ p q = 盯0 + p ( 2 8 ) 【吒= 盯= + p 式中p 为土体中的孔隙水压力，简称孔压。 六、孔隙流体( 水) 平衡方程 根据流体力学中的渗流模型，忽略渗透惯性力和土体运动惯性力可得流体 平衡方程如下： ( 2 9 ) 式中：u 、q 、匕分别为x 、nz 方向上的渗流速度，k 、毛分别为土体水平 方向和竖直方向上的渗透系数。 七、渗流连续方程 1 3 0 o o | | = = 兰b b一吒兰氏 g g g “ n n 望融望钞印石 浙江人学硕士学位论文真空负压静力试桩方法有限元分析 陈冉谦2 0 0 6 年5 月 渗流连续方程是由同一时间内流出土微元体的水量等于该微元体体积变化 量这一连续条件建立的，方程如下： 竺+ 盟+ 盟：一旦f 丝+ 塑+ 丝1( 2 1 0 ) 瓠 。y a z a t a ) c 。y 8 zj 八、总控制方程 将物理方程、几何方程、有效应力原理代入平衡方程，可以得到用位移分 量u 、v 、w 和孔压表示的控制方程如下： 雹害+ 以( 雾+ 窘 + c 攻+ 以，( 意+ 塞 一罢= 。 雹孑+ 吃( 雾+ 窘 + c 吐+ 如) ( 杀+ 翥 _ 多= 。c z 4 窘+ 也( 多+ 窘 地+ 吃篆+ 茜 _ 老= 。 同理将渗流平衡方程带入连续方程，可得以位移分量和孔压表示的控制方 程如下： 嘉 屯( 窘+ 窘 + 窘 _ 鲁( 罢+ 考+ 芸 c z z ， 方程2 1 1 和2 1 2 即为横观各向同性饱和土的b i o t 动力固结方程，也是 大多数岩土工程问题的总控制方程。 2 2 2 轴对称四节点等参元简介 进行有限元分析必须将所分析问题的求解域离散成有限个适当的单元。等 参元是有限元分析中最常用的一种单元，这种单元用同一种参数( 形函数n ) 来表示其几何特性和力学特性。对于二维轴对称问题，应用较为广泛的有环形 四节点等参元和环形八节点等参元，下面简要介绍环形四节点等参元。 形函数如下： j = ( 1 + 印矾) ( 1 + 吆 ( 2 1 3 ) 式中：聃、为结点局部坐标。 形函数满足：在结点自身处m = 1 ；在其他结点处m = o 。轴对称四结点等 参元整体坐标与局部坐标变换式为： 浙江人拳磺上学位论文真空负箍静力试柱方法寄限元分析陈再谦2 0 0 6 年5 胃 ( 2 1 4 ) 利魇上忒可以将任意豹四边形单元映射成边长为2 的正方形单元( 图2 1 ) 。 ( ) 4 2 ( a ) ( a ) 实体单元 3 4 一l2 ( b ) ( b ) 变换后单元 圈2 。l 辘黯髂圈结点等参元 根据复合函数求导法则，可得形函数对局部坐标的导数如下： 可 ! 寻形溺数对整体坐标的导数如下： 式中： p 】为二阶雅克比矩阵： f 盟1 圊书】 l & j 嚣者发者捆阉。理 已被法国达索系统公司( d a s s a u l ts y s t e m e s ) 收购。是能够弓l 导研究人员增加 用户单元和材料模型的早期有限元程序之一。a b a q u s 具备十分丰富的单元库， 可以横镶任意实际形状；也具纛稳当丰富的糕籽摸型瘁，埘殴摸熬大多数工程 材料的性能，包赫鑫属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可雁缩的弹 性泡沫、以及复杂的地质材料( 土和岩石) 等。a b a q u s 不仪能够解决结构分析 ( 疲力应变) 超鼷，霖旦缝够攘羧翔磅究霞瑟热传导、矮豢扩数、电予元器 孛 的热控制( 热一电藕合分析) 、声学和岩土力学( 渗流一应力耦合分析) 领域中 的问题。除此之外，a b a q u s 还能很好的解决各类非线性问题( 材料、几何及边 雾条终粪线槛) ；对鍪魏不弱奉孝瓣、复杂趣载邋程戳及交他羧齄条 孛的嚣线性组 合问题都能得到令人满意的结栗。岩土介质怒除了具有非均质、非线性性状外 还具有几何形状的任意性、不逶续性等因素的特殊介质。涵盖以上种种优点的 矗8 矗镣u s 基藏为嚣终装工程爨傻翅褥最簧遮瓣骞限元分攒获终。 本文研究的“真空负压静力试桩”是典型的渗流一应变稻合问题，除此之外 还包含了桩一土、上部土层一下部土层之间的接触，虽然桩体材料模烈可以简 纯受麓萃羲线弹魏壤鳌，程垂予主箨变形较大，必矮菠蘧l # 线洼麓辩缓整逡嚣 模拟，这使得整个分析过程变樗较为复杂。为了能够较好地模拟“真空负压静 力试桩”过程，综合比较目前应用较为广泛的目e 线性有限元软件选择了a b a q u s ， 下瑟麓要分绥荬蘩本模夔霸主娶特点。 2 3 1a b a q i l s 主要模块 a b a q u s 主要鸯以下一些模块： s t a n d a r d ( 隐式分孝斤求解箍) ：遴餍的分耩模块，它能够求解领域广泛的线 性和j 线性问题，包括静力、动力、构件的热和电响应问题。 浙江大学硕士学位论文真空负箍静力试桩方法宵限兀分析陈再谦2 0 年5 月 e x p l i c i t ( 显示分折求解器) ：具有专门用途的分析模块，采用显示动态有 限元穰式，它逶爱予模掇短暂、辩辩静动态事佟，魏摔壹秘缫簿阕题，改交接 触条件的高度非线性问题，如模拟成型问题。 d e s i g n ：参数娥模模块。 姻u ：模狻近海结构，舞海上石淫键著予台，模叛滚滚、风载稆浮力等。 c a e ：图形用户交互界面；集成的a b a q u s 工作环境，它包括了a b a 0 u s 模型 的建模、交互提交作业和监控运算过程，以及结果评结( 聪处理) 等能力。 v i 滞e r ：可视纯螽处理模块。 s a f e ：疲劳分析后处理分析模块。 a d a 惦：a b a q u s 与a d a i l s f l e x 的接口。 c 艚：a b a q u s 与c a t i a 的接丽。 c m o l d ：a b a q u s 与c m o l d 自q 接口。 m o l 转f l o w ：m o l d f l o w8 要翻。 2 3 ，2 使耀a b a 鲫s c a e 建模简奔 上一小节中提到的a b a q u s s t m d a r d 和a b a 洲s e x p l i c i t 模块是a b a q u s 诗算分糖豹主要模块，它翻支持矮户攘据鲳a q u s 耋己定义豹埝入语法编霹蕊 掌。i n p 数据文件。编写i n p 数据文件的前提最对节点进行编号，然后再幽节点 编号组合单元；然而对不规则的几何形状进行节点编号是一项非常繁琐的工作， 困魏急港顼链鑫魂生成节熹编号秘单元豹功越寒豫毒 手