（岩土工程专业论文）集中或路堤荷载下带承台桩工作机理分析.pdf

摘要 摘要 以带承台单桩作为路堤下的地基加固方式在国外得到了广泛的应用，然而在 国内尚处于起步阶段。对带承台单桩的研究亦不能满足工程需要。本论文的研究 内容主要是带承台单桩的工作机理和性状。工作主要包括带承台单桩和单桩在竖 向荷载、大面积堆载和路堤荷载三种工况下工作机理和性状的有限元分析，土拱 效应的计算方法。 作为“柔性荷载下减少沉降桩的现场测试与分析 课题的一部分，本文建立 了单桩和带承台单桩的有限元计算模型，描述了在不同性质荷载下单桩与带承台 单桩的工作机理和性状；对荷载性质，桩基性质和土体参数等影响其荷载传递规 律和沉降规律的各种因素进行了分析：也对各种工况下的不同规律进行了对比。 l 、在竖向荷载下着重分析了承台对单桩的承载力的提高、沉降的减少以及 承台下土的荷载分担比的变化。 2 、在大面积堆载情况下主要考虑了土拱效应随桩体参数、桩的布置变化的 规律；承台对单桩的侧摩阻力的影响。 3 、在路堤荷载情况下侧重于单桩与带承台单桩在调节地基差异沉降上的能 力、桩的位置对土拱效应的影响以及桩或承台所承受的水平力的分析。 将现有的土拱效应影响计算式与有限元模拟结果做对比，证实有限元模拟能 更好的反映土拱效应随各种因素变化的规律。 关键词：带承台单桩，有限元，路堤荷载，土拱效应 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es i n g l ep i l ec a ph a sb e e nu s e dw i d e l ya sag r o u n dt r e a t m e n tm e t h o di nm a n y c o u n l r i e s ，h o w e v e rt h i sm e t h o do n l yn o t i c e db yf e wp e o p l ei no u rc o u n t r y a n dt h e s t u d yo ft h es i n g l ep i l ec a pc a n n o tm e e tt h ed e m a n do fe n g i n e e r i n g t h i sp a p e ri sd e a l w i t ht h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e ro ft h ep i l ec a p i ti n c l u d e st h ea n a l y s i so f p i l ec a p 埘t l lf i n i t ee l e m e n tm e t h o di nv e r t i c a ll o a d , l a r g e - a r e al o a d ，e m b a n k m e ml o a d ，a n dt h e c a l c u l a t i o no f a r c h i n ge f f e c t a sap a r to ft h es u b j e c t t h et e s ta n da n a l y s i so fp i l eu s e da si n d u c e dt h e s e t t l e m e n tu n d e rf l e x i b l el o a d ”，t h i sp a p e rb u i l dt h ef e mm o d e lo fs i n g l ep i l ea n d s i n g l ep i l ec a p t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e ro fs i n g l ep i l ea n ds i n g l ep i l ec a pu n d e r d i f f e r e n tl o a da r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r m o r e o v e r , s o m ef a c t o r s ，i n c l u d i n gl o a d ，p i l e p a r a m e t e r sa n ds o i l ，c o n n e c t e dw i t hs e t t l e m e n ta n dl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma l e a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t su n d e rd i f f e r e n tc a s e sa r ec o n t r a s t e d 1 i nv e r t i c a ll o a dp a r t , t h ee f f e c to fc a po i ll o a dc a p a c i t ya n ds e a l e m e n t ，t h e c h a n g eo fs o i l ss t r e s sr a t i oa r ed i s c u s s e d 2 i nl a r g e a r e al o a dp a r t , s o i la r c h i n ga n dt h o s ef a c t o r sc o n n e c t e d 、析t l li ta r e a n a l y z e d ；t h ee f f e c to fc a po np i l ef r i c t i o nh a sb e e ne x a m i n e dt o o 3 i ne m b a n k m e ml o a dp a r t , t h ee f f e c t so fp i l ea n dp i l ec a po nd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n ta r ed i s c u s s e d , a tt h es a m et i m e ；i ti sp r o v e dt h a tt h el o c a t i o no f p i l e h a se f f e c to ns o i la r c h i n g i td e s c r i b e st h ee x i s to fh o r i z o n t a ll o a do n p i l ea n d c a p t h ei s u l to fs o i la r c h i n gb ye x i s t i n gm e a n sa n dt h er e s u l to ff e mf i r e c o n t r a s t e di nt h i sp a p e r i tp r o v e st h a tf e mc a nd e s c r i b es o i la r c i n gu n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o nb e t t e r k e yw o r d ：t h es i n g l ep i l ec a p ，f e m ，e m b a n k m e n t ，s o i la r c h i n g i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：砌唧 胁年乡月弓日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：孩如了 矽多年多月多日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：穆刍叩学位论文作者签名：瑚姻刁 秒厂年歹月厂日 己呜年多月乡 e t 第1 章绪论 1 1 课题的提出 第1 章绪论 上海国际赛车场位于上海市安亭镇东面，占地5 3 k i n 2 ，其中主赛道总长为 5 4 5 1 2 4 m ，宽度介于1 3 至2 0 m 之间，它在平面上呈“上一字形，拥有1 4 个不 同转弯半径的弯道和9 个不同长度的直道，赛道路面高程高低起伏，最大落差 将近8 m 。整个场区均位于上海地区河浜交错的软土地基上。据统计，赛车场内 宽度1 5 - - 3 2 m 左右的河流就达到2 0 多条，河流总长为1 0 6 0 k m ，面积约 2 3 8 0 0 m 2 ，河底淤泥标高与自然地面高度差约3 m 左右。地质条件可谓恶劣。另 外由于f l 大奖赛赛车速度大大高于一般高速公路的标准，其设计最高时速达到 了4 5 0 k m h ( 上海浦东国际机场飞机跑道的设计时速仅为3 5 0 k m h ) 。因此对赛 车场平整度要求极高，相当于国内高速公路平整度的2 倍。而赛道路面平整度 又与赛道地基工后不均匀沉降有着密切关系，因此从设计角度，对主赛道及缓 冲区的地基工后沉降量提出应控制在1 0 1 5 c m 的要求。与此同时，为了保证上 海能在2 0 0 4 年9 月如期举办f l 大奖赛，对赛道提出了必须在一年半时间内全 部建成的要求，这就给原已难度很大的f l 赛道工程增加了新的难度。排水固结 法、强夯法、水泥土桩复合地基、碎石桩复合地基等传统的地基处理方法显然 不能完全满足工程要求。 为了满足比赛需要，除了采取e p s 轻质材料填筑等方法外，对于填筑高度 较高的地段采用路堤桩加固方式。路堤桩长度分为8 0 一- 2 5 m 九种规格。每根桩 还设置有承台，边长分别为1 2 5 m 、1 5 0 m 、1 7 5 m 三种规格，按照不同桩长分 别采用。工程总计设置了3 9 5 7 0 根这种带承台单桩。 早在上个世纪6 0 年代北欧地区就已经开始使用带承台单桩作为路堤加固 方式，到9 0 年代多个国家都有了这种地基处理方式的工程实际应用。而且除了 普通的路堤加固外，还推广到了减少挡土墙的位移、道路拓宽、储油罐的建设 和桥头跳车的防治上。然而在国内这种地基加固方法还处于起步阶段。对上海 国际赛车场的工程情况进行分析，有助于这种很具发展前景的地基处理方式的 推广应用。 图1 1 是r e i d ( 1 9 9 3 ) 绘制的带承台单桩用于桥头跳车的防治的示意图。 第1 章绪论 图1 1 带承台单桩用于防治桥头跳车的示意图( r e i d e ta 1 ，1 9 9 3 ) 1 2 研究现状 承台对于单桩的影响应视荷载性质而定，在不同的荷载作用下，承台对单 桩承载力和沉降上的影响是不同的，下面对带承台单桩在不同性质荷载下的工 作机理和性状的研究现状进行了简要回顾。 1 2 1 带承台单桩在竖向荷载下的工作机理和性状 陈强华( 1 9 9 2 ) 通过试验研究指出承台对于单桩的承载力有增强和削弱两方 面的作用，视承台板的大小、土的性质的不同增加和削弱作用的发挥有相应的 变化。并指出软土地基中带承台的短桩，承台的分担比一般在2 0 以上。张雁 ( 1 9 9 0 ) 将桩土视为杆单元，承台视为梁单元，通过平面有限元模拟计算，认为 低承台短桩基础的桩侧阻力是由桩尖开始发挥，向桩顶发展。要充分利用承台 的承载能力，则应选用较短、较细的摩擦桩。段继伟( 1 9 9 4 ) 采用有限元方法， 以承台上承受填土荷载的柔性单桩圆台为计算模型，分析了带承台单桩的桩土 应力比与其影响因素的关系，以及沉降和荷载传递特性。认为带承台柔性桩存 在着临界桩长，超过临界桩长后，桩土应力比不在随着桩长的增加而显著增大。 桩身的变形和轴力主要集中在临界桩长深度内，桩端占桩顶荷载的比例很小。 承台的出现使得靠近桩顶的摩阻力减小，但其作用随着深度的增大而显著减小。 王成华( 1 9 8 7 ) 采用二维弹塑性有限元程序分析，结果表明承台提高了桩基承载 能力，改善了荷载沉降关系，使该曲线变化平缓化。 2 第1 章绪论 1 2 2 单桩和带承台单桩在大面积堆载和路堤荷载情况下的工作机理和 性状 带承台单桩在大面积填土荷载的作用下，由于桩和承台的刚度要远大于土 的刚度，在承台顶面上土的沉降要大于承台或是桩的沉降。土体之间的这种相 互运动受到了承台顼面土体与承台间土体之间的抗剪强度的抵抗。抵抗的作用 导致了承台间土的压力减少，而承台上的土压力增大，这种土之间由于相互位 移而引起的传递作用通常叫做拱作用。在填土内部某一截面以上同一水平面的 填土位移均相等，拱作用消失，这一填土截面称为等沉面。土拱效应是人们最 早研究的土力学现象之一，早在1 8 8 2 年恩格塞就研究过砂土中的拱效应。太沙 基( 1 9 4 3 ) 根据砂土的试验给出了土拱效应的计算式。他假设等沉面为平面， 而不是实际的拱。 h e w l e t t 和r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 曾通过模型试验，研究砂土填料下方形布置的 带承台单桩的土拱效应。他们将土拱假设为空间内的半球形，根据土拱上力的 平衡，推出了土拱效应对承台间土的影响计算式。 h e w l e t t 和r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 同时还讨论了填土内摩擦角对承台间填土竖向 应力折减系数的影响，即内摩擦角越大，折减系数越小，承台的分担比也就越 大。图1 2 为h e w l e t t 和r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 给出的土拱效应模型计算示意图。 图1 2 土拱效应模型示意 o t e w l e t te ta 1 ，1 9 8 8 ) 英国规范根据j o n e s ( 1 9 9 0 ) 等人的工作，给出了土拱效应的计算式。j o n e s 假设承台间土承担了1 4 的承台间上方填土的重量。 g u i d o ( 1 9 8 7 ) 认为承台间土仅仅承受一个矩形底的金字塔形的土体重量，并 据此计算出土拱效应的影响。 l o w ( 1 9 9 3 ) 等人通过桩、承台梁和土工织物在砂土堆载下的共同作用的模型 试验，认为在没有水平加筋体的情况下，拱的形状近于半圆柱状，而存在土工 织物的情况下，由于土工织物的兜提作用，可以将拱看成是一个平面。通过拱 上的极限平衡推出了拱效应的影响。 3 第1 章绪论 t t a n ( 2 0 0 2 ) 采用轴对称有限元程序，填土和地基采用邓肯一张模型，桩和土 工织物使用弹性模型，对大面积堆载下的单桩进行分析。考察了路堤高度、桩 身模量和水平加筋体抗拉刚度变化对于土拱效应、沉降和差异沉降的影响。认 为水平加筋体能够有效提高桩承担的荷载比率，减小填土表面和桩项平面上的 差异沉降。 国内学者在这方面做的研究侧重于桩土应力比的计算，因其能更直观的反 映桩所承担的荷载。刘吉福( 2 0 0 3 ) 将土的等沉面假设为平面，根据土体的竖向 平衡条件推出了桩土应力比的计算式。其计算结果表明桩土应力比受等沉面高 度和置换率的影响较大，而填土高度、填土的内摩擦角和填土的弹性模量对桩 土应力比的影响较小。熊巨华( 2 0 0 4 ) 通过类似方法计算桩土应力比，在填土高 度小于等沉面高度时，桩土应力比随着填土高度而增加，当填土高度大于等沉 面高度时，桩土应力比随填土厚度的增高而减小，但减小幅度非常小。 许峰( 2 0 0 4 ) 对路堤荷载下的带承台单桩做了如下假设： l 、路堤填料为均质各向同性的散体材料，桩间土为均质各向同性的理想弹性 体： 2 、忽略水平加筋体的兜提作用、承台下土的承载力和群桩效应； 3 、在同一水平面上，桩间土的应力相等： 4 、桩侧阻力和桩端阻力的发挥符合理想弹塑性模型； 5 、等沉面假设为平面。 结合边界条件分别得到了桩侧阻力处于弹性阶段和桩侧阻力处于弹塑性阶 段的解答。根据其计算结果，等沉面高度一般不超过2 5 m 。随着桩土之间差异 沉降的增大，等沉面高度和桩土应力比也增大。而中性点的深度与桩土间的差 异沉降没有显著关系。 张建勋( 2 0 0 4 ) 采用平面有限元方法，对被动桩的桩间土拱效应进行了研究。 对桩间距、土的内摩擦角和粘聚力等因素对土拱效应的影响进行了研究。并指 出了采用二维计算时存在的一些问题。 饶为国( 2 0 0 2 ) 通过求解水平加筋体圆弧面上的平衡，得出了路堤荷载下桩 与水平加筋体共同作用时的桩土应力比计算式。饶为国( 2 0 0 2 ) 还将水平加筋体 看成是路堤荷载下的薄板，应用薄板理论求解出路堤的工后沉降。张忠苗( 2 0 0 4 ) 将柔性垫层看作是设置于桩顶的柔性承台，考虑桩对承台的刺入作用。将桩侧 阻力和桩端阻力引起土中任意一点的应力变化用m i n d l i n 解求解，而桩间土所 受均布荷载引起土中任意一点的应力变化用b o u s s i n e s q 解求解，得到了路堤荷 载下沉降计算式。 国内学者在复合地基的沉降上做了很多工作。杨涛( 1 9 9 8 ) 采用复合本构有 4 第l 章绪论 限元法，将桩和土视为两相组成的均质各向同性复合材料，对柔性桩加固地基进 行了分析。计算结果表面复合地基下卧层的沉降要比相应的天然地基要大，其 增加幅度是非常小的。 池跃君( 2 0 0 3 ) 通过带垫层的刚性桩复合地基试验，认为垫层的存在使桩土 共同起作用，土能够充分的发挥其承载作用。试验中桩中性点位置出现在距桩 项1 4 1 3 桩长处。垫层的存在使桩发生了上下刺入，使桩侧摩阻力、桩身轴 力发生改变，并使桩土先后共同参与作用。池跃君( 2 0 0 2 ) 对带垫层的刚性桩复 合地基做了如下假设l 、土体为弹性体、垫层符合w i n k l e r 地基模型：2 、桩问 土沉降取该水平面上的平均值，桩土间错动为桩体沉降与土沉降平均值之差：3 、 桩侧摩阻力与桩土之间相互位移符合理想弹塑性关系。推导出了其解析解。 刘一林( 1 9 9 1 ) 等将水泥搅拌桩复合地基当作“双层地基 和“群桩 两种 完全不同的模型进行有限元分析。在“双层地基 中加固区作为均质的复合层， 若进行非线性分析，其应力一应变关系采用由水泥一土复合体三轴固结不排水 试验结果归一化的双曲线应力一应变模型。计算结果表明，复合地基的沉降随 加固区深度和弹性模量的增大而减少，但存在临界的加固区深度和弹性模量， 当加固区深度和弹性模量超过相应的临界值时，并不能有效减小复合地基的沉 降。 陆贻杰( 1 9 8 9 ) 等曾采用三维有限元法分析了水泥搅拌桩复合地基承台下群 桩问题。水泥土和地基土的应力一应变关系采用邓肯一张非线性弹性模型。这种 完全三维有限元计算由于桩、土、承台必须单独剖分单元，在桩数量很多时，计 算量太大以至于无法求解。 张捷等( 1 9 9 4 ) 利用线弹性轴对称比奥固结有限元法分析了刚性基础下水泥 土桩复合地基的固结特性。计算表明，尽管水泥土渗透系数一般要小于软粘土一 个数量级，但由于复合压缩模量大于天然地基，水泥土桩复合地基的固结速率要 大于天然地基。 对于刚性基础和柔性基础下桩的不同工作机理，吴慧明( 2 0 0 1 ) 通过刚性基础 与柔性基础模型对比试验，提出无论是荷载集中系数、桩土荷载比还是桩土应力 比，两者之间都存在着较大的差异。在刚性基础下，桩土应力比呈山峰状发展趋 势，在柔性基础下，桩土应力比呈先递减后上升的趋势。另外由于柔性基础下复 合地基破坏时桩体承载力未能得到很好发挥，因此复合地基承载力要小于刚性基 础下复合地基。这说明柔性基础下复合地基承载力不能简单套用刚性基础下的计 算公式，柔性基础下复合地基的沉降也要大于刚性基础下复合地基。 马时冬( 2 0 0 2 ) 对泉厦高速公路试验段水泥搅拌桩复合地基桩土应力比n 进行 了测试，认为n 值随荷载的增大而增大，基本呈线性关系，桥台和通道基础下n 5 第1 章绪论 值大于路堤下。 龚晓南( 2 0 0 2 ) 对柔性基础下复合地基的性状进行了初步探讨，分析了基础刚 度变化对复合地基性状的影响，并指出柔性基础下复合地基垫层与刚性基础下复 合地基的垫层应有不同：前者要求刚度较大，以提高桩体承担荷载，而后者则相 反。 h l a m g i r ( 1 9 9 6 ) 等通过假定变形模式，提出了“单位元”的概念，获得了柔 性基础下端承桩复合地基沉降计算的解析式。杨涛( 2 0 0 0 ) 在此基础上进行了改 进，引入了“中性点 的概念，推导了柔性基础下悬桩复合地基的沉降公式。施 建勇等采用m i n d l i n 解答，利用现场试验和有限元计算分析所得的桩侧摩阻力分 布规律，推导出深层搅拌桩复合地基单位元沉降的计算公式。 邱钰( 2 0 0 1 ) 等根据实测桩土应力比，采用m i n d li n 解和b o u s s i n e s q 解联合求 解了柔性基础下粉喷桩复合地基的附加应力和沉降。窦远明( 2 0 0 1 ) 对柔性基础下 水泥土桩复合地基的承载力与沉降特性进行了探讨，认为桩土应力比随时间延长 而减小。 曾开华( 2 0 0 3 ) 通过平面应变有限元研究认为，垫层的刚度变化会对复合地基 的性状产生重要的影响，刚性垫层下的复合地基和柔性垫层下的复合地基，不仅 附加应力场和位移场的分布有所不同，其桩土应力比和变形沉降也存在着较大的 差异。 张忠坤( 1 9 9 9 ) 采用平面有限元方法，对单桩在竖向荷载、大面积堆载和路 堤荷载三种工况下进行分析比较。结果显示单桩的临界桩长随着这三种工况的 变化顺序有从小到大的增长趋势。荷载分布不同，桩土模量比对临界桩长的影 响也不同。 与轴向荷载下的桩不同的是，大面积堆载下的桩所承受的负摩阻力要大的 多，而且中性点的深度通常较深。l e e ( 2 0 0 2 ) 采用三维理想弹塑性有限元程序， 对群桩中的负摩阻力进行了研究。认为负摩阻力与桩距、桩在群桩中的位置、 桩的种类，填土荷载、和土的刚度等各种因素有关。 路堤荷载作用下的路堤桩与大面积荷载作用下的桩不同在于路堤桩尤其是 位于路堤边缘的桩受到了明显的水平力作用。带承台单桩同样可以用于减小路 堤的水平位移。a t c g 0 h ( 1 9 9 7 ) 通过数值方法，对路堤荷载作用下的桩土水平 位移以及位移对桩刚度的影响进行了分析，并与实测结果和离心机试验结果进 行了比较。 6 第1 章绪论 1 3 本文研究内容 本文试图通过有限元方法比较完整的揭示带承台单桩在各种不同性质的 荷载下的工作机理和性状。并通过与单桩的比较将承台对单桩的影响做出比较 直观的描述。并通过与上海国际赛车场试验的实测结果对比来确认结果的正确 性。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 对竖向荷载下单桩与带承台单桩的工作机理和性状进行有限元模拟， 并与实际的静载荷试验做比较。揭示承台如何提高单桩的承载力以及承台下土 的荷载分担比。以及在桩体模量、桩长、桩径和承台宽度等影响因素变化情况 下荷载传递规律和沉降规律的变化趋势。 ( 2 ) 对大面积堆载下单桩与带承台单桩的工作机理和性状进行有限元模 拟，描述二者在土拱效应、荷载传递规律、减少沉降上的差异。重点讨论了桩 体性质、桩的布置和荷载大小对带承台单桩所产生的土拱效应上的影响。另外 还将有限元模拟得到的桩身轴力和桩侧摩阻力与实测结果进行了比较。 ( 3 ) 对路堤荷载下桩与带承台桩的工作机理和性状进行了有限元模拟。除 了与大面积堆载的情况进行比较外，还描述了路堤荷载下桩和带承台桩对路堤 差异沉降的调节能力，承台和桩顶所受的水平力。 ( 4 ) 将土拱效应的有限元计算结果与前人的计算方法所得到的结果进行 比较。 7 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载r 卜的j ：作机理有限元分析 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元 分析 2 1 工程概况和试验内容 2 1 。1 场地土的概况 上海国际赛车场工程路基途径农田、池塘、河流、荒滩等，均为软土地基， 填筑高度为4 m - 1 2 m ，工程总工期为1 2 个月。地质情况复杂，主要工程特性为： l 、场地浅部遍布褐黄色( 灰黄色) 粘性土、粉土，其强度较高，中等压缩 性，可选择浅基础的持力层。 2 、场地地层中，浅部的层淤泥质粘土、层灰色粘土，土质软弱、强度 低、压缩性高，渗透性系数小，固结速率缓慢。厚度分别为1 5 8 5 m 、2 2 3 o m 。 在荷载作用下将产生较大的沉降变形，是地基处理的主要对象。 3 、场地浅部的2 层灰色砂质粉土厚度约3 0 5 o m ，强度较高，压缩性较 小，渗透性较大，可加快下卧软土层的周结沉降。 4 、场地层暗绿草黄色粘性缺失，分布厚层灰色砂质粉土，强度高， 压缩性小，层顶埋深3 1 o m ，是合适的桩基持力层。 2 1 2 设计概况 针对上海国际赛车场不同的填筑高度和使用功能要求，将场地划分为两个 区，采用两种不同的地基处理方式，填筑高度低于2 m 的为堆载预压区；填筑 高度大于2 m 的为减少沉降桩处理区。 2 1 2 1 堆载预压区( 填筑高度低于2 m ) 原地面清除表面根植土，压实，对清除后的地表3 0 c m 内的土层掺石灰， 用路拌法进行地基固结，填筑3 0 c m 砾石砂排水层，铺设土工布隔离层，填筑 石灰层至路床顶，根据填筑高度的不同采用2 3 m 高的土方堆载预压，预压期 不少于6 个月，之后土方卸载再进行路面施工。 2 1 2 2 减少沉降桩处理区( 填筑高度大于2 s ) ( 1 ) 填筑高度大于2 m 而小于4 m 8 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的1 ：作机理有限元分析 原地面清除表面根植土，压实，填筑3 0 c m 砾石砂排水层，铺设土工布， 素土或石灰填筑，填筑3 0 e r a 砾石砂排水层，打入预制混凝土方桩并制作桩 承台，补充回填5 0 c m 砾石砂排水层，填筑二灰至路床项，在进行路面施工。 ( 2 ) 填筑高度大于4 m 原地面清除表面根植土，压实，填筑3 0 e r a 砾石砂排水层，铺设土工布， 素土或石灰填筑，填筑3 0 e r a 砾石砂排水层，打入预制混凝土方桩，并制作桩 承台，补充回填5 0 c m 砾石砂排水层，填筑二灰至6 m ，再铺设5 c m 厚中粗砂找 平层，铺设e p s 块体，在e p s 上铺设3 0 e r a 厚黄砂保护层，在黄砂保护层上填 筑二灰( 道路区域) 或素土( 造型区域) 至设计标高，然后进行路面施工。 ( 3 ) 减少沉降桩的布置 本工程减少沉降桩采用端面为2 5 c m x 2 5 c m 的预制钢筋混凝土方桩，桩间 距为3 m x3 m ，桩长从8 m - 2 5 m 不等，大部分桩桩长为2 5 m ，仅在堆载预压区 交界处为避免地基突然变化而设置了8 m 2 3 m 的桩过渡。在每根桩的顶部设置 1 7 5 m x1 7 5 m 的桩顶承台，厚度均为2 6 c m 左右。 2 1 3 试验内容 2 1 3 1 桩的垂直静载试验 ( 1 ) 试验加载装置 采用堆重平台反力装置。采用该方案时，压重量不得少于最大加载量的1 2 倍，压重应力在试验前加上，并均匀稳固放置在平台上。本次试验堆重采用了 袋装砂。采用袋装砂作为堆重物时，在安装过程中尚需作技术处理，以防鼓凸 倒塌。高吨位试桩时，要注意大量堆载将引起的地面下沉，对基准桩应进行沉 降观测。除了对钢梁进行强度和刚度计算外，还应对堆载的支撑面进行验算， 以防堆载平台出现较大不均匀沉降。试验的反力装置是一台2 0 0 0 k n 千斤顶加 载装置，使用油压表控制荷载，试桩桩顶用4 只百分表进行沉降读数。 ( 2 ) 试验方法 试验方法按照上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 11 1 9 9 9 ) 第十三章第二节单桩垂直荷载试验规定，采用慢速维持荷载法。 1 ) 荷载分级。按桩的最大试验荷载的十分之一作为加载级差，逐级等量加 载，第一级荷载则取两倍加载；卸载级差为桩的最大试验荷载的五分之。 2 ) 沉降观测。每级加载后第- 4 , 时内每隔5 ，1 5 ，3 0 ，4 5 ，6 0 分钟测读试 桩沉降量，以后每隔半小时测读一次，直到沉降速率达到相对稳定标准。 3 ) 沉降稳定标准。对于慢速法：- 4 , 时沉降量不超过0 1 m m ，并连续出现 两次，已达到稳定标准，可施加下一级荷载：对于快速法：一小时施加一级荷 9 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元分析 载。 4 ) 终止加载条件。当出现下列条件之一时，试桩即可终止加载： 氖试桩在某级荷载作用下的沉降量大于前一级荷载沉降量的5 倍： b 试桩在某级荷载作用下的沉降量大于前一级的2 倍，且经2 4 小时尚稳 定： c 试桩加载达到预计的最大加载量。 5 ) 卸载测读时间。对于慢速法，每卸一级荷载测读- d , 时，按第1 5 ，3 0 ， 6 0 分钟测读四次，卸载至零，应测读稳定的残余沉降量，般为3 小时左右。 对于快速法，每卸一级荷载测读1 5 分钟，卸载至零时，测读3 小时。 2 1 。3 2 柔性荷载下的原位测试试验 ( 1 ) 原测试方案 1 ) 原位测试 l o m 桩：3 根 每根桩：土压力盒6 个，钢筋应力计1 0 个，合计土压力盒1 8 个，钢筋应 力计3 0 个 桩间土：土压力盒9 个 沉降观测点：6 个 深层观测点：1 个 1 7 m 桩：3 根 每根桩：土压力盒6 个，钢筋应力计l o 个，合计土压力盒1 8 个，钢筋应 力计3 0 个 桩间土：土压力盒9 个 沉降观测点：6 个 深层观测点：1 个 2 5 m 桩：3 根 每根桩：土压力盒6 个，钢筋应力计1 0 个，合计土压力盒1 8 个，钢筋应 力计3 0 个 桩间土：土压力盒9 个 沉降观测点：6 个 深层观测点：1 个 2 ) 单桩试验 l o m 桩一根，1 7 m 桩一根，2 5 m 桩一根，利用原位测试桩进行。 总计：土压力盒8 7 个，钢筋应力计1 2 0 个，沉降观测点1 8 个，深层沉降点 3 个，2 5 米桩的土压力盒埋设位置见图2 1 。观测时间到2 0 0 3 年底。 1 0 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的l ：作机理有限元分析 产一1 7 5 0o _ 广一一1s 5 0 o 1 一：一0 _ r 7 7 5 叫 i 图2 12 5 米桩的土压力盒埋设位置示意图 ( 2 ) 测试执行情况 1 ) 方案执行情况 基本按照测试方案实施，主要变动情况有：为了增加对比，增加了2 组2 5 米单桩静载试验；由于测试位置位于施工主通道，适当减小了位移观测点；由 于测试区域垫层厚度较薄，而l o m 桩承台上的垫层最薄，为此将l o m 桩承台上 的土压力盒移至垫层较厚的造型区。 2 ) 各时间段的主要工作 2 0 0 3 3 月主要在预制厂埋设钢筋应力计；2 0 0 3 4 月预制桩沉桩配合；2 0 0 3 5 月预制桩单桩静载试验，土拱原位测试；2 0 0 3 6 月带承台单桩静载试验，承台 上、承台间土压力盒埋设，导线接长，沉降标埋设：随后进行了不定期观测， 准备数据处理方法等。 3 ) 现场量测仪器工作情况 打桩前，量测仪器全部完好；打桩后，有部分应力计损坏，以l o m 桩损坏 的最多，2 5 m 桩损坏的最少；其余传感器测试期间，只有少量损坏：末期在挖 沟时导线大部分被挖断，重新接好1 0 天后继续失效，只有造型区得到保存。 ( 3 ) 测试方法 1 ) 桩身轴向力测试分析 在本次试验中桩身的轴向力计算采用钢弦式钢筋计，因为它埋设数量多， 成活率高，适合长期观察使用，量测数据的规律较好。 1 1 。一| i 一苌， i l 一 一 一 匿蛩盼n睦一 r；if-1“一il 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的：i ：作机理有限元分析 2 ) 受压构件弹性模量确定 将埋设有传感器、同时浇筑的桩段放在万能试验机上试压，可得到受压构 件的应力应变关系，从而可测得受压构件的弹性模量。 桩基原位测试时，通常在桩顶露出地面段设置了一个钢筋应力计计量端面 称为标定断面。在标定断面处桩身轴力等于桩顶作用的荷载，根据应力计的实 测数据r 计算应力计钢筋的应变值，也就是桩身的应变值，据此也可以确定弹 性模量。 3 ) 侧摩阻力分布 根据桩的荷载传递研究知道，桩侧摩阻力的分布不仅和土的性质有关，还 与桩的刚度，桩的位移以及桩端持力层等因素有关。 在求得桩身轴向力分布后，可根据桩内测点的布置和土层情况，将桩分为 若干段，计算可得到各桩段范围内的桩侧平均摩阻力值。 4 ) 桩的荷载传递函数t - - 墨关系 在研究桩的荷载传递规律时，很重要的一个问题就是要知道桩侧摩阻力f 与桩位移墨之间的关系，也即桩的荷载传递规律。目前桩的荷载传递规律理论 分析方法对确定荷载传递函数的方法有把荷载函数简化为某种曲线方程，或通 过实测或室内方法得到传递函数。在本次试验中，是通过埋设量测元件实测桩 的传递函数。 2 2 集中荷载下有限元计算模型 2 2 1m a r c 有限元程序简介 本文的有限元模拟计算均采用m a r c 2 0 0 3 有限元程序。m a r c 是基于位移法 的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能。程序按模块化编程，工作空间 可根据计算机内存的大小自动进行运算。当单元数、节点数太多，内存不能满 足需要时，程序能够自动利用硬盘空间进行分析。在分析过程中，利用网格自 适应和重划分技术，能够变更单元的划分和节点数目。 m a r c 对于非线性问题采用增量解法，在各增量步内对非线性代数方程进行 迭代以满足收敛判定条件。根据具体分析的问题可采用不同的分析方法，如对 于弹塑性分析及大变形分析可采用切线刚度法，对于蠕变分析或热应力分析可 采用初应变法。 单元刚度矩阵采用数值积分生成。连续体单元及梁、板、壳单元的面内区 域采用高斯积分法，而梁、板、壳单元厚度方向则采用任意奇数个点的s i m p s o n 1 2 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元分析 积分法。应交一位移函数根据高斯点来评价。程序计算、存储单元所有积分点 或单元中心点的应力、应变、温度等。总刚度矩阵、总质量矩阵等采用轮廓或 稀疏存储法存储。 输入数据可借助于m e n t a t 界面生成，由用户卡也可生成。输入数据文件由 4 部分组成，其中分析功能的指示由参数选项组确定，分析模型的内容由模型 定义选项组确定，增量步数据由历程定义选项组确定，图形输出由绘图定义选 项确定。 m a r c 程序拥有许多对用户开放的子程序即用户子程序，用户可以根据各自 需要用f o r t r a n 语言编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的 定义、载荷条件、边界条件、约束条件的变更，甚至扩展m a r c 程序的功能。本 文中对重力场的计算即采用了用户子程序。 m a r e 程序拥有以下4 个库：单元库、功能库、分析库、材料库。用m a r c 软件分析的每一个实际问题，都采用了这4 种库的一种以上的元素。 2 2 2 地基土层物理力学指标 结合试验场地的土层情况，在竖向荷载下有限元计算模型中使用的土体物理 力学指标见下表。 表2 1 地基土层主要物理力学指标 土土层名称层含水重度弹性模泊松内摩擦粘聚 层 厚量( k n m 3 )量比角力 编 ( m )( )( m p a )( o )( k p a ) 号 砾石砂i 2 01 8 0 3 0 o 34 3 0 黄色素填土 o 82 5 11 9 75 5 2o 3 52 3 42 3 褐黄色粉质粘 22 9 51 9 25 2 7o 3 52 6 12 0 土 灰色砂质粉土 32 9 3 1 8 91 6 1 l 0 34 3 o 灰色淤泥质粘 24 3 8 1 9 3 3 4 l0 41 5 61 5 土 灰色粘土1 23 3 1 1 8 5 3 8o - 3 51 21 3 6 灰色粉质粘土 2 93 1 71 8 46 4 7o 3 52 8 41 9 1 3 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的 ：作机理有限元分析 2 2 3 有限元计算模型 采用轴对称有限元模型计算，桩边长0 2 5 m , 桩长2 5 m 。承台宽度为1 7 5 m x1 7 5 m ，承台厚度取0 2 5 m 。桩的影响宽度取2 0 m ，桩的影响深度取5 0 m 。桩 顶荷载同静载荷试验的加载情况。土体的本构模型采用莫尔库仑模型，计算参 数见表2 1 。带承台单桩的有限元网格划分图见图3 2 。桩采用弹性模型，弹性 模量取3 1x1 0 4 m p a ，泊松比取0 2 5 ，密度2 7 0 0 k g m j 。为了简化计算，地下水 面取桩顼平面。带承台单桩的有限元网格划分图见图2 2 ，共7 4 6 个节点和6 7 9 个4 节点单元。单桩的有限元网格共7 4 2 个节点和6 7 6 个4 节点单元。图中的 左右边界均设为侧向约束，底边界设为竖向和侧向约束，上边界为自由边界。 图2 2 带承台单桩的有限元网格划分图 2 3 静载荷试验有限元模拟 2 3 1q - s 曲线模拟结果 单桩和带承台单桩静载荷试验有限元模拟中荷载采用与试验完全相同的分 级加载，单桩的最大荷载为6 0 0 k n ，带承台单桩的最大荷载为1 2 0 0 k n 其结果 见图2 3 和图2 4 。 1 4 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的1 ：作机理有限元分析 图2 3 单桩静载荷试验模拟曲线 图2 4 单桩静载荷试验模拟曲线 从静载试验结果可以看出承台大幅度的提高了单桩的承载能力，在荷载增 加一倍的情况下，带承台单桩的沉降值还略小于单桩的沉降。q s 曲线的性状 也发生了很大改变，带承台单桩的曲线相当平缓，沉降随荷载的增长近于线性。 这与王成华的模拟结果也是一致的。从两根曲线的发展来看，桩的承载力还未 得到充分发挥，尤其是带承台单桩的承载力应该远大于试验的最大荷载 1 2 0 0 k n 。 从模拟结果来看，轴对称有限元模拟较好的符合了静载荷试验的实际情况。 带承台单桩的误差较单桩大，是因为有限元模拟未能充分考虑到承台对桩侧土 承载力的加强作用。 图2 5 、2 6 表示了单桩和带承台单桩在各自最大荷载作用下的位移示意图。 1 5 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载f 的i 作机理有限元分析 = h l ：_ ： l 刚2 5 单桩位移曲线 酗2 6 带承台争桩位移曲线 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的：】：作机理有限元分析 从这两个图的对比可以清晰的见到承台对位移的影响，承台使得土体位移 曲线显著的向背离桩的方向移动，也证实了承台的确更好的利用了土的承载能 力。 2 3 2 桩身轴力与桩侧摩阻力的模拟结果 通过有限元模拟，得到了桩身轴力和桩侧的摩阻力的分布。图2 7 、2 8 分 别为单桩在6 0 0 k n 下的轴力和桩侧摩阻力分布示意图。图2 9 、2 1 0 分别为带 承台单桩在1 2 0 0 k n 下的轴力和桩侧摩阻力分布示意图。 图2 7 单桩轴力模拟曲线 摩阻力蜘 图2 8 单桩摩阻力模拟曲线 1 7 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元分析 单桩摩阻力图中，摩阻力较大的两处即o 1 2 米深度范围和5 7 米深度范 围即为承载力较好的砾石砂和灰色砂质粉土土层范围。而在桩身1 5 m 以下轴力 已经小于6 0 k n ，桩下段的摩阻力未得到充分发挥。 图2 9 带承台单桩轴力模拟曲线 图2 1 0 单桩摩阻力模拟曲线 与单桩相比，带承台单桩的摩阻力变化较大。在桩身1 2 m 以内出现了负摩 阻力。而轴力在1 5 m 以下依然接近1 0 0 k n ，即带承台单桩桩身的下段轴力显著 增强。 为了更好的描述承台对单桩承载力的影响，将带承台单桩和单桩轴力和摩 1 8 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元分析 阻力放在一起做比较。图2 1 1 描述的是桩身轴力与桩顶轴力的比值随深度变化 的情况。图2 1 2 描述的是桩侧摩阻力与平均摩阻力的比值随深度变化的情况。 图2 1 l 单桩与带承台单桩轴力比较图 图2 1 2 单桩与带承台单桩摩阻力比较图 从图2 1 l ，图2 1 2 中可以看出，承台大大削弱了桩顶附近的摩阻力，甚至 出现了负摩阻力。但加强了桩中部的摩阻力，桩端的摩阻力也有所提高。这与 陈强华的试验结果基本相符。 2 4 影响沉降因素的分析 为了分析桩长、桩径、模量等因素对沉降的影响。计算了不同桩长、桩径、 1 9 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的丁作机理有限元分析 模量下单桩与带承台单桩的沉降值。 图2 1 3 单桩s - i d 曲线 图2 1 4 带承台单桩s - l b 曲线 图2 1 3 和图2 1 4 每种情况下比较的桩长均为5 m ，1 0 m ，1 5 m ，2 5 m ，3 0 m ， 3 5 m 。单桩的计算荷载为6 0 0 k n ，带承台单桩的计算荷载为1 2 0 0 k n 。桩体模量 为3 1x1 0 4 m p a 。从图2 1 3 看单桩桩径较小时，增加桩长的作用即不再明显， 临界桩长较早即出现。带承台单桩当承台宽度较大时，沉降随着桩长的增加不 再显著减小，证实在承台宽度只有在一定值以下，增加桩长才能有效的减少沉 降。另外，图2 1 4 的4 条曲线几乎平行，带承台单桩的承台宽度对沉降有显著 影响。 图2 1 5 和图2 1 6 描述了桩体模量对单桩和带承台单桩沉降的影响。其中桩 第2 章单桩与带承台单桩在集中荷载下的工作机理有限元分析 边长保持为0 2 5 m ，桩长为2 5 米。承台宽度为1 7 5 m x1 7 5 m ，承台厚度取0 2 5 m 。 e e 逝 嚣 图2