（岩土工程专业论文）竖向荷载作用下钻孔灌注长桩单桩承载变形特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 钻孔灌注桩具有施工简便、对环境影响小、承载力巨大等优点，是高层建 筑和桥梁的主要基础形式，如在建的京津城际轨道交通：- 程桥梁- ! i 线路长度达 剑8 0 以上，桥梁地段大部分均采川钻孔灌丑i ：桩。 由于桩周岩土的复杂性、不确定性、区域性等特点，目f j 玎对一袱普通单桩 的承载力计算，都还没有找到一种精确的方法。虽然目前桩牲方面的研究较为 活跃，但总体来说，理论落后于实践。故研究桩基础的承载乘l 变形特性具有重 要的意义。 奉论文基于京津城际轨道交通试验段d k 9 3 + 6 5 0 基桩静载试验，研究竖向 受j 一孓单桩的荷载传递性状，分析桩基侧阻的特性及影i j 向侧阻的主要因素。 在已有的几种单桩沉降计算方法中，荷载传递法概念明确、计算简单、实 用性强，在单桩沉降计算中应片】最广，各个研究者提出了多种倚载传递函数， 对。j ：传递函数r 一万关系为理想弹塑性关系的佐腾悟法，可用水分析多种桩型、 均质土或成层土的荷载传递。但它在公式的推导过程中同样也存在着一些问题， 比如末将桩土的相对位移与桩身& 缩沉降区分等。本论文在已有理论研究的基 础上，对佐腾悟法进行修币，并考虑沉渣的影响以及侧阻深度效应，提出合理 的 ! l i 基础的荷载一沉降的计算方法。并通过实例进行验证本义提出的解析解。 另外，对于现常川的长超k 钻孔灌注桩，泥皮的性状对桩的承载力有卉较 大的影响，桩侧压浆技术f 是增) j r l t 贝, 0 阻力，削减泥皮影响的有效方法之一。因 此，本沦文也研究了泥皮的影响以及压浆的效果对桩承载变形特性的影l l 向。 关键词：承载变形特性；桩侧摩阻力；荷载传递函数；泥皮 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r ac t t h ea d v a n t a g eo f b o r e dp i l ei ss i m p l ec o n s t r u c t i o n ，s m a l li m p a c to ne n v i r o n m e n t ， l a r g eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds oo n i ti st h em a i nf o u n d a t i o no fh i g h r i s eb u i l d i n g sa n d b r i d g e s f o re x a m p l e ，t h ef o u n d a t i o no fb r i d g e , o nj i n g j i nd e d i c a t e dp a s s e n g e r l i n e st r a f f i ci sm o s t l ym a d eu po f b o r e dp i l e sa n dt h eb r i d g e sl e n g t hi sl o n g e rt h a n 8 0 o f t h e1 i n e b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t y , u n c e r t a i n t y a n d r e g i o n a l i t y o fr o c ka n ds o i l s u r r o u n d i n gp i l e ，n o wt h e r ei sn oa c c u r a t em e t h o dt oc a l c u l a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f s i n g l ep i l e r e s e a r c ho np i l ef o u n d a t i o nt o d a yi sa c t i v e ，b u ti ng e n e r a l ，t h et h e o r yi s b e h i n dt h ep r a c t i c e s or e s e a r c ho nb e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si so f g r e a ts ig n if i c a n c e t h i st h e s i si sb a s e do nt h es t a t i cl o a dt e s t i n go ff o u n d a t i o np i l eo i lj i n g j i n d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e st r a f f i ct e s ts e c t i o nd k 9 3 + 6 5 0 i tr e s e a r c h e so nl o a d t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep i l eu n d e rv e r t i c a ll o a d i n ga n da n a l y z et h em a i n f a c t o r so fs i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c eo f p il e i nt h ee x i s t i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d so fs i n g l ep i l e ss e t t l e m e n t ，l o a dt r a n s f e r f u n c t i o nm e t h o dh a sc l e a rc o n c e p t ，s i m p l ec a l c u l a t i o n ，g r e a tp r a c t i c a b i l i t y t h e r e f o r e ， i ti sm o s tw i d e l yu s e d r e s e a r c h e r sh a v em a d eav a r i e t yo fl o a dt r a n s f e rf u n c t i o n s s a t o u t a k e s im e t h o dw h o s et r a n s f e rf u n c t i o ni sf 一万a n dc o n s t i t u t i v em o d e l si s e l a s t i cp e r f e c t l y p l a s t i cb e h a v i o rc a nb eu s e dt oa n a l y z ed i f f e r e n tt y p e so fp i l ea n d l o a dt r a n s f e ro fh o m o g e n e o u ss o i la n dn o n h o m o g e n e o u ss o i l b u tt h e r ei ss t i l ls o m e m i s t a k e si nt h ed e r i v a t i o no ff o r m u l a ，f o r e x a m p l e ，p i l e a n ds i o i sr e l a t i v e d i s p l a c e m e n ta n dp i l e sc o m p r e s s i o ns e t t l e m e n ti sc o n f u s e d o nt h eb a s i so fe x i s t i n g t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h i st h e s i sm o d i f i e ss a t o u t a k e s im e t h o d ，c o n s i d e r ss e d i m e n t a n dd e p t he f f e c to fs i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dm a k e sr e a s o n a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o d o fl o a d s e t t l e m e n to fp i l ef o u n d a t i o n a tl a s t ，u s i n ga n e x a m p l ev a l i d a t et h e a n a l y t i c a ls o l u t i o ns u g g e s t e db yt h i st h e s i s i na d d i t i o n ，m u ds k i no fb o r e dp i l ec h a r a c t e r sh a v ea ni m p a c to nb e a r i n gc a p a c i t y f o rc o m m o nl o n g u l t r a - l o n gb o r e dp i l e s g r o u t i n go nt h es i d eo fp i l ei sa ne f f e c t i v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | l 页 w a y t oi n c r e a s es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dr e d u c et h ei m p a c to fm u ds k i no fb o r e d p i l e t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h em u ds k i no fb o r e dp i l ea n dg r o u t i n g s i m p a c to nb e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d ：b e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s s i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c eo f p i l e ： l o a dt r a n s f e rf u n c t i o n ；、m u ds k i no f b o r e dp i l e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 刚意学校保宦f 并向国家有关部门或机构送交论文的复印4 i ，| ：和电子版， 允许沦文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将小论文的全部 或部分内容编入有关数捌库进行检索，可以采用影印、缩印或手1 描等 复印手段保存和汇编木学位沦文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适川本授权书； 2 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：徐丽夯 f i 期：瑚，f ，8 指导老师签名： _ r | 期：20 09 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑噩声明：所呈交的学位论文，足在导州j 指导下独：进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对使j 1 佐腾悟传递函数推导啦桩荷载一沉降的解析解进行了 修讵，提出了具有理论依据，且相对简单的均质土和成层土的计算公 式。 2 在推导单桩荷载一沉降解析解的过程中，根据实际施j 1 ：情况， 考虑了沉渣的影l 们，提出了桩底仅沉渣发挥作用和桩底清渣较干净， 地基土丌始发挥作用的情况。将沉渣作为一薄压缩层处理，地堪土采 用文克尔地基假定。 3 利川抗翦姒度公式，同时考虑桩侧阻深度效应，作为桩与桩 侧上之i u j 的摩i ! l t j j 。 4 采用有限元方法计算不同土层中泥皮对桩的影响。泥皮对单 桩承载力影响明显，考虑泥皮后，最大桩侧摩阻力均大火降低。 5 通过分析泥浆物理性质对桩的承载性能的影n i 匈，结果表明， 通过桩侧后压浆技术加固处理，桩基承载力和桩侧摩阻力都得到了明 显的提高。 学位论文作者签名：徐雨努 f i 期：处c 1 、l 、8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 今天，桩基础已成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海上石油平台等采 刚的主要基础形式，而且随着工程的需要，人们在桩的施工技术、桩型的丌发 应川和设计理论方面又不断研究探索，使桩基技术得到蓬勃发展。近些年来， 我州缚年设桩数量超过一千万根。 尤其足近儿年高速铁路的修建和成桩技术的发展，桥梁丛础采f j 桩躺越米 越多。高速铁路一般要跨越多条河流及其它公路、铁路，需要桥梁解决跨河跨 路问题。另外，为了解决高速铁路沉降控制问题，也往往采用桥梁代替路基。 以往深埋桥梁基础采用沉井、沉箱较多，施工条件差，工期长，造价高。随着 成桩技术的发展，特别是大直径超长灌注桩成桩技术的发展，桩撼础成为了桥 梁l f l 一种常用的深基础形式。 1 1 选题背景及意义 桩基础足最古老的基础形式之一。钻孔灌注桩是众多桩型中的一种，属于 非挤土桩，具有施工简便、对环境影向小、承载力巨大等优点，是高层建筑和 桥梁的主要基础形式，如在建的京津城际轨道交通工程桥梁占线路长度达到8 0 以上，且大部分地段均采用钻孔灌注桩。 由于桩周岩土的复杂性、不确定性、区域性等特点，目f j ，j 对一根普通单桩 的乐载力计算，都还没有找到一种精确的方法。虽然日日，j 桩基方而的研究较为 活跃，但总体来说，理论落后于实践。故研究桩基础的承载和变形特性具有重 要的意义。 建筑工程采用桩基础的目的，一是控制建筑物的沉降和不均匀沉降，二是 提高地基的承载力。对于软土地区大量存在的摩擦桩和端承摩擦桐：而言，前者 往往足控制条件。单桩的沉降汁算是进行桩基沉降计算分析的基础和重要组成 鄢分，因此对单桩的承载特性和沉降汁算方法进行研究是非常有工程实际意义 的。单桩的沉降通常采用有限元法进行分析，有限元法可以考虑复杂的本构模 型及边界条件，但是计算工作景很大必须使用计算机才能完成，p o u l o s ( 1 9 6 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 捉 n 的基于m i n d l i n 课题的弹性理论解计算公式就相当复杂。m f r a n d o l p h 等 提出的分析桩基荷载传递的剪切位移法是一种理论基础比较，矿密、计算公式简 单、便于工程应川的单桩移c 降计算方法，但是，他们提出的剪切位移法只适合 均匀土层。 荷载传递法在这个领域发挥了很大的作用，各个研究者提出了多种筒载传 递函数，对于传递函数z - 3 关系为理想弹塑性关系的佐腾悟法，可用来分析多 种桩型、均质土或成层土的荷载传递。但它在公式的推导过程中同样也存在着 ，4 些问题，比如未将桩土的村i 对位移与桩身压缩沉降区分等。 这就要求我们基于合理的理论依据，提出合适的桩基础的承载特性和沉降 的计算方法，研究竖向受压单桩的荷载传递性状，分析桩基侧1 5 h 的特性及影响 侧| 5 j 【的- f - 要冈素。 另外，对于现常j 仃的长超k 钻孑l 灌注桩，泥皮的性状对桩的承载力有着较 大的影响，桩侧压浆技术j f 是增加侧阻力，削减泥皮影响的有效方法之一。因 此研究泥皮的影响以及压浆的效果对于分析桩的特性是有意义的。 1 2 单桩承载特性研究现状 近5 0 年来，桩基础一直是地基准础或岩土工程中研究的热点问题之一，经 过幽内外专家学者的努力，在单桩承载特性和沉降计算理论方面已取得了长足 的进步。 目时，关于单桩沉降计算的理沦方法主要有以下几种：荷载传递法、弹性 础沦法、剪切位移法及其它方法。 1 荷载传递法 荷载传递法由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 。q 提出，这种方法的基本概念是把桩 划分为许多弹性单元，每一单元与二f ：体之j 日j ，j 非线性弹簧联系，以模拟桩一上 f h j 的荷载传递关系。桩端处土也j 玎非线性弹簧与桩端联系，这些非线性弹簧的 应力一应变关系，即表示桩侧摩阻力( 或桩端阻力) 与剪切位移| 日j 的关系，这 一关系称为传递函数。 荷载传递法的关键在于确定传递函数z - 一万，传递函数的形式有好多种， k e z d i ( 1 9 5 7 ) 假定传递函数为指数曲线，佐滕悟( 1 9 6 5 ) “假定传递函数是 线弹性全塑性函数，a n n a l e h ( 1 9 8 7 ) 、k r a f t ( 1 9 8 1 ) “、g a r d n e r ( 1 9 7 5 ) h 1 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 考虑了土的应力一j 娩，变的：啦线性特祉，j j 舣l l | 线函数表j 传递函数， v ij a y v e r g i g a ( 1 9 7 7 ) 1f i 叟定传递函数为抛物线。s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 捉f | 了位移协调法，将桩划分成许多单元体，考虑每个单元的内力和位移协调关系， 求解桩的荷载传递及沉降量。曹汉志( 1 9 8 6 ) n 1 提出了桩尖位移等值法，利用 简化的传递函数来计算桩的荷载一沉降曲线。要使荷载传递法在实际应用上取 得比较满意的结果，关键是取得符合实际情况的传递函数。比较理想的方法是 在枉l ! 的静荷载试验时，在桩身内埋设量测元件，实测桩身轴力分布及沉降，由 此得到实测的传递函数火系。 潘时声( 1 9 9 1 ) ”假定传递函数是双曲线函数、指数函数和其它一些函数 的组合，利用分层积分法计算桩的位移、轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力和其它 静力受荷性能。推导出了一个运用简单积分的具体计算方法，使得较多复杂因 素，像上的非线性、分层土中各层土的不同特性、土参数随深度的变化、桩砼 弹性模量在不同荷载下的变化，甚至不等截面桩，都能方便的考虑和计算。 朱金颖( 1 9 9 8 ) 1 1 1 ) 陈龙珠等( 1 9 9 4 ) 姐、m o t t a ( 1 9 9 4 ) 采用线弹性一塑 陀乖玎载传递函数，导出均质地丛和成层地基中桩的轴向荷载一沉降i | i l 线的解析 递推公式，通过拟合实测q s 曲线，得到桩土系统的工程力学参数，山此计算 得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲线，力学概念明确，计算简便，只要土参数选 取适当，计算精度令人满意。 g u ow e i d o n g ( 1 9 9 8 ，1 9 9 7 ，1 9 9 6 ) 门哺“门利用三维f l a c 程序对荷载传递 法分析单桩沉降合理性进行了重新评价，认为荷载传递法的核心问题主要足桩 端一l ：和桩侧土弹簧的刚度。认为土体泊松比对计算结果影响很大。g u ow e i d o n g ( 19 9 9 ) 7 1 在g ib s o n 土中利用倚载传递法对单桩和群桩进行了分析，把 r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 3 1 提出的桩的影响半径进行了修正。 传递函数法由于假定桩侧f t 意一点的位移只与该点的摩阻力有关，而与其 它点的应力情况无关，也即忽视了土的连续性，因此在理沦上具有一定的局限 陆。其实，传递函数法足以桩体为研究对象，传递函数中的位移是桩身位移， 不考虑七体的的连续性就不能考虑由于桩侧摩阻力向下传递而引起的桩端土体 胍缩所产尘的桩端沉降。这样就不能准确的分析桩端及桩身下部受力状况与位 移。阳吉宝( 1 9 9 8 ) 通过引入g e d d e s 解来考虑桩侧摩阻力在桩端处产生的桩 端位移，用荷载传递法和g e d d e s 解相结合，提出改进的荷载传递法，考虑了由 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 桩侧摩l ；| 1 力引起的桩“ j f i “j ；o l 降，分析超k 桩的荷载传递机理具有一定的合理性。 2 弹性理论法 弹性理论法以弹性连续介质模拟桩周土体的响应，使用在半无限体内施加 1 ：玎拽的m in d iin 方程求解。m in d lin 给出了在均匀、各向同。陀的弹性半互- - r u j 内 作川单位竖向荷载的情况下，半无限空间内任一点处的应力、位移的秋分形式。 弹性理论法把土体看作线弹性体，片! j 弹性模量e 。和泊松比两个变形指标表示 _ k v , j 性能，其中的大小对分析结果影响不大，e 。是关键的指标。但是e ，很难 从室内土工试验取得精确的数值，在工程上大都需要从单桩试验结果反求其值， 这使得弹性理论法的应用受到限制。尽管这样，近几年采用该法计算瞥桩沉降 的l ，j 靠性己得到工程技术界的重视。 这一方法杰出代表足p o u l o s 。p o u l o s ( 1 9 8 9 ，1 9 6 8 ) “姐lz l l 、p o u l o s & d a v i s ( 1 9 8 0 ，1 9 6 8 ) “们和p o u l o s r a n d o l p h ( 1 9 8 3 ) “胡由m 1 n d l i n 基本解推导出积 分形式的竖向位移影响系数，引入桩身微分方程，从而得到桩周剪应力和桩端 阻力的大小及分布形式。为了把均质土中的分析方法应用到成层土中，p o u l o s ( 1 9 8 8 ，1 9 7 9 ) n 建议根据土层厚度加权平均来计算弹性参数，同时也考虑了 桩一土之i u j n x , t 滑移的影响。p o u l o s 通过采用近似位移影l j 向系数及“镜像法” 进 r 汁算有限厚度二e 体、端承桩及扩底桩等情况。b u t t e f f i e d & b a n e r j e e ( 1 9 7 1 ) “q 等人在这方面也做了人量的工作，其理沦比p o u l o s 法严格，对桩底单元进 j ：了细分，直接对桩单元进行计算。 g e d d e s ( 1 9 6 9 ，1 9 6 6 ) “0 1 从b t i n d l i n 的应力基本解出发，并假定桩端阻 力为均命、桩侧摩阻力为梯形分仃，考虑与桩问应力重叠效应，利用叠加原理 求f 群桩在荷载作用下地基中应力及变形。在求解土中应力时，g e d d e s 将 m in d ii n 公式推广，导出了由于桩端阻力及侧摩阻力所产生的土中应力计算公 式。黄绍铭( 1 9 9 1 ) “”1 应用上述( ；e d d e s 解，考虑桩与桩周接触土体沉降柑等， 确定桩侧摩阻力的分前i ，再用分层总和法求得桩的沉降。 杨敏等( 2 0 0 1 ，1 9 9 9 ) 。“门认为实际工程中的天然地基并非是均匀的弹性体， 其组成往往是成层状构造，因此采用m i n d li n 课题的解答来求解实际桩罐础的 应力与变形问题，可能会产生较火的误差。根据弹性层状理论运用矩阵递推方 法讨论分析了多层地基内部作用一一集中荷载时的广义m i n d l i n 课题解。从譬l ! 论 上米说，采用多层地基内部作用一集中荷载时的应力与位移解答( 广义m in d lin 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 解答) 米进行实际桩基础的分析与计算足一种史合理的选择。同时运川广义 m i n d l l n 解对轴向荷载作用下分层地基中单桩进行分析，发现在均质地璀中的 结果与p o u l o s 的弹性理论法的结果相当吻合：对于分层地基中的单桩与p o u l o s 弹。陀理论法的结果有较大的差异。 弹性理论法也有其理论上的缺陷，在应用m in d ii n 公式时忽视桩的存在产 生的影响，认为荷载是作用于未设桩时的理想均质、各向同性弹性半空i 日j 体内； 其次，群桩计算中采用“共同作用系数”法，不能充分考虑第三根桩以外桩的 存住，也不能得到桩荷载和位移沿桩身传递规律，而直接群桩分析法不可避免 地会增加单元数，计算量惊人；第三，在考虑土非均质时，不得不采用一些近 似的假设；最后，山于假设土体应力应变关系为线弹性，分析桩的非线性受力 特竹：存在困难。此外，弹性理论法认为桩处在半无限空间，而对于一些实际情 况，桩的端部往往处于岩层当中，岩层可以当作桩的固定端，进行分析时，桩 并非存在于m in d lln 假设的半无限空i 日j 中，这样m in d li n 解在这种情况下其应 用合理性就存在问题。 3 剪切位移法 剪切位移法是c o o k e ( 1 9 7 4 ) 提出的摩擦桩的荷载传递物理模挺，认为桩 沉降时周i 翻土体随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散剑周 l = | ；| i ：体中，假定桩侧上下土层之1 1 = l j 没有相互作用，离刀：桩身距离相等处的剪应 力足相等的，而且剪应力的大小与其距离成反比的假定。这些假定被c o o k e ( 1 9 7 9 ) | ”1 等用单桩和群桩试验成果n i l e 实。 r a n d o l p h 等( 1 9 7 9 ，1 9 7 8 ) 进一步发展了该方法，使之可以考虑桩身的压 缩以及桩长范围内的轴向位移与荷载的分布情形。宰会铭( 1 9 9 6 ，1 9 9 3 ) l 1 推 广了c o o k e 提出的剪切位移法，c o o k e 认为桩周土体处于弹性状态，仅给出了 弹性解，并认为桩周土的剪切模鞋g 。为常数。宰会铭认为桩周土分别处于弹性 状态和塑性状态，并认为土的剪切模量并非为一常数，从而形成桩周土非线性 剪切位移场的广义剪切位移法。同时通过实例和计算结果表明，把广义剪切位 移法和层状半空间的有限层法根结合的半解析半数值方法建立的群桩与土和承 台非线性共同作用模式是合理可行的。 这种方法原理简单，基本假设合理，但只适用于摩擦桩，而且在分析群桩 时存在一定的凼难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 4 其它方法 c h o w ( 1 9 8 9 ，1 9 8 7 ) ：川1 提出采用离散桩体单元的迭代法系统研究桩基沉 降特性、土体模量随深度变化的影响，土体各向异性的影响等问题，其迭代法 足单桩迭代，每次迭代初始值都采用f j 仃两轮迭代值的加权组合值。 r a j a p a k s e ( 1 9 9 0 ，1 9 8 8 ) l 峙3 把单桩离散，利g r e e n 函数把桩周的应力 刚桩的位移表示，采用能量法列出变分方程求解单桩在不可压缩性均质土、 g i b s o n 土中的倚载和位移传递。利用桩单元g r e e n 函数采用非直接的边界积分 法捩得其应力表达式非常复杂，其数值方法实现过程也很繁冗。 t e h ( 1 9 9 7 ) 。、王建华( 1 9 9 6 ) l “1 等利用神经网络法建立了用k 径比( l d ) 预估工作荷载下单桩的沉降模型。 会波等( 1 9 9 7 ) = 脚1 对轴对称弹性力学方程进行h a n k e 变换，并利用传递矩 阵方法得出层状地丛在内部轴对称荷载作用下的位移解，g jj = l j 此解析解建立了 求解层状地基中单桩沉降的计算方法。 曹志远( 1 9 9 6 ) o 提出一种分区耦合的方法，将整个基础系统划分为承台、 桩一 ：地基( 近区) 和远区两部分，针对每个区域的几何、材料和载倚的4 ：同特 性分别采用半解析有限元和半解析边界元进行模拟，然后通过交界而的连续条 件建立总体方程组统一求解。 蒋镇华( 1 9 9 6 ) 门应用能量法，提出了考虑桩长范围内土体非线性弹性的 单桩有限元罩兹单元分析法，用以求解单桩变形问题：在现有迭代法基础上，建 立了循环法群桩分析框架，提出了基于有限罩兹单元法单桩分析的群桩循环法 分析公式。在循环法群桩分析方法的基础上，提出了一种承台一桩一土共同作 川的分析方法，该法可以考虑土的成层性，并可以得到位移和倚绒的传递特性。 王建华( 1 9 9 6 ) 以神经网络法结合信息扩散方法建立了用长径比d 预估 ：【作荷裁下单桩沉降模型。 刚吉宝( 1 9 9 5 ) h ，周困林( 1 9 9 1 ) 3 运用狄色系统理论，建立了单桩的q s 曲线的狄色模型，对试桩曲线拟合，可以对未压到破坏的单桩的极限承载力进 行预测。郭大兵( 1 9 9 6 ) 运朋灰色系统理论，对桩的不完全静载荷试验q s 曲线进行预测并获得单桩极限承载力，为估算单桩极限承载力提供了一种新方 法。 袁建新等( 1 9 9 1 ) 朝结合理论的r s 曲线和试验的f s 曲线的分析，提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 一种桩衍找与变位的数值力法，认为选墩非线性模型比线性模型史为删慰。在 计算中充分考虑到地基土的成层特性，能较好的反映桩基位移与荷载的实际关 系。 随着计算机的发展和数值方法的改进，有限元作为一种强有力的数学工具， 是进行数值分析的有力于段。它本身只是将连续体离散化以后进行计算，并未 对分析模型的物理条件进行明确的限定。 d e s a i ( 1 9 7 4 ) 建立有限元模型对桩基进行了研究，用火量现场实测数据 验证有限元模型的有效性，通过有限元模型对影响桩基工作性状的各种因素进 行了分析。 t r o c h a n i s ( 1 9 9 1 ) 考虑土服从d r u c k e r p r a g e r 模型，利用a b a q u s 火型有限元程序讨论了单桩和群桩的三维、非线性特性，用有厚度接触单元来 模拟桩土间的滑移，特别讨论了桩土之间的滑移对桩承载性状的影响，并据此 捉| i _ ；了单桩和两袱桩的近似计算方法。认为叠加原理只适用于桩土无滑移和t 体为弹性状态时，不然则会过商f - 与计两桩的相互影响：若考虑桩土相对j 亍移和 土介质的塑性，则叠3 j h 历t 理就不适用。 倪新华( 1 9 9 0 ) 1 岫采用有限元一无限元耦合的方法，在应力梯度较大的区 域采用有限元离散，在应力梯度较小的地方采用无限元离散方案，计算量有所 减小。 l e e ( 1 9 9 0 ) ”认为有限层法比有限元法更经济、更有效，分别考虑了各向 同陀和横观各向同性土体的情况，得出各向同性模型过高估计了桩顶沉降，横 观符向同性模型证好克服了这个缺点。 张忠苗( 1 9 9 9 ) o 用a 1 9 0 t 有限元程序分析了嵌岩钻孔灌注桩的特性，研 究了桩土模最比、桩端土桩周土模量比，嵌岩深度、桩长和桩径等桩承载。f k 状 的影响，考虑了泥皮和沉渣的影响。 池跃君( 2 0 0 0 ) d 采用轴对称有限元法编制了有限元法程序。土体模，型采 t t j ：i i j 线性弹性d u n c a n c h a n g 模型，桩土界而采用g o o d m a n 接触而单元，详细 讨论了均质土和有峰硬下卧层的软土中超长桩的受力特性。 俞炯奇( 2 0 0 0 ) ”妇t l l 牟l h x , j - 称有限元法洋细分析了非挤土长桩衙裁传递舰律， 假设土体为弹性体，运用桩基的荷载一沉降曲线、桩侧摩阻力、轴力传递特性、 堋。i i i 阻力分担比、桩周土体位移场及桩体沉降特性等进行了分析，就桩土模量比、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 桩长、桩径等凶素对单桩承载性状进行了探讨，提出了有效桩长的概念。 尽管在计算单桩沉降方面已取得了一定的成果，但任务仍然很艰巨。由于 柄：川羽岩土介质的复杂性和不确定性，使桩基础变得复杂，至今都没有找到一 种较为精确的计算单桩杉c 降的方法。 1 3 本文的研究内容 本论文在佐腾悟1 ；f 载传递函数的基础上，对以下几个方面的内容进行研究： 1 结合京津城际轨道交通试验段d k 9 3 + 6 5 0 基桩静载试验，研究竖向受压 单桩的荷绒传递性状，分析桩基侧阻的特性及影响侧f j 的主要凶素。 2 对佐腾悟荷载传递函数进行修讵，提出单桩荷载一沉降的计算方法。 3 对修正了的佐腾悟荷载传递函数中的各参数在充分调研的基础上进行一 定的讨论，并加以确定。 4 以京津城际轨道交通试验段d k 9 3 + 6 5 0 基桩作为实例，通过与静载试验 结果比较，验证修币解析解的正确和合理性。 5 利用有限元软件p l a x i s ，着重研究了不同土性中的泥皮对长超长钻孔 灌注桩的承载力的影响，针对桃侧压浆技术，分析了不同水泥含量对其承载力 的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章单桩荷载传递机理 桩的作用是将上部荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到土层中去，使应 力得到扩激。作用在桩顶的荷载山l _ i - ( 1 l 摩阻力和桩端阻力共同承受。桩侧摩阻 力将荷载以剪应力形式传递给桩周土体，桩端持力层受桩端荷载和桩侧荷载( 由 - j ：桩侧摩阻力向下传递，引起桩端以下土体压缩) 共同作用j n j 产生妪缩变形导 致桩基产生沉降，同时在竖向荷载作用下由于桩身的压缩也使桩项产生沉降。 因此，币确评价单桩在竖向荷载作用下的承载力和沉降，必须研究单桩在竖向 荷载作用下的荷载传递机理。 单桩受力机理分析的基本课题在予要确定： 1 桩在不同深度截l 面处的竖向位移与深度的关系； 2 荷载随深度如何变化，即桩身轴力是如何沿桩身向下传递的； 3 桩侧摩阻力沿桩深度如何分布。 目前，在满足承载力的d ，j 提下，桩基设计往往以变形作为控制条件；同样， 桩艇现场静简载试验中对桩的承载力评估也是以变形作为依据的。因此，桩在 衙绒作用下的沉降是桩基础研究领域的一大热点。 2 1 单桩荷载传递机理 2 1 1 桩土间的静力平衡 单桩承载力一般取决于桩周岩士对桩的阻力，土对桩的阻力 两部分组成， 其一为桩侧阻力，其二为桩端阻力。根据静力平衡条件，桩顶荷载q 与桩侧阻 力q 和桩端阻力q 之问的关系为 q = q + q 2 1 2 桩土体系荷载传递的过程 桩顶在轴向压力作用下，桩身将发生轴向弹性压缩，桩身的压缩变形使桩 二 ：之间产生相对位移( 或相对位移趋势) ，从而导致桩侧土体对桩产生向上的摩 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 | 5 上【力。由于桩侧摩1 5 且力的作用，桩身轴力和桩身压缩变形随深度衰减。随着荷 载的增加，桩身压缩量和位移量不断增大，桩身下部的摩阻力逐步发挥出来， 桩底土层也受到压缩而产生端阻力，桩端土层的j j i 缩加大了桩上相对位移，从 而使桩侧摩阻力进一步发挥出来。当桩侧摩阻力达到极限值后，若继续加载， 其衙载增最将全部由桩端| 5 h 力分担。最后由于桩端持力层的不断压缩，桩顶位 移增长速率明显增加，直至桩端阻力达到极限，桩项位移急剧增大而破坏，此 时桩所受的倚载就是桩的极限承载力。通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将卜部 结构的荷载扩散传给了桩侧和桩端的土中。桩侧阻力和桩端阻力的发挥过程就 是桩土体系荷载传递的过程。 2 1 3 桩身荷载传递的基本微分方程 图2 一l 表示长度为，的竖直，币桩在桩顶轴向力n o = q 作用下，于桩身任一 深度z 处横截面上所引起的轴力( z ) 将使截面下桩身压缩、桩端下沉，致使该 截而向下位移了。在某一深度z 处取一微桩段沈，其竖向受力平衡方程为( 忽 略桩体自重) ( z ) + d ( z ) + u r ( z x z z 一( z ) = 0 整理上式，可得r ( z ) ：一一1 d n _ ( z ) ( 2 1 ) “a z 式巾， u ( z ) 一一z 深度处桩身轴力，州； 一。 “一一桩身断丽周长，朋； f ( z ) 一一桩侧分布摩擦力，k p a 。 假定桩身材料相对于土体的受倚变形小得 多，故对其一般按弹性材料计算，其推导均皋 于弹性条件。则微桩段出的轴向压缩变形幽( z ) 及n ( z ) 的关系可按下式确定 ( z ) ：一e ad , ( z ) 、 比 式中，s ( z ) 一一桩身压缩沉降，小： e 一一桩身弹性模量，k p a ； a 一一桩身断【自i 积，朋2 。 图2 - 1 桩身衍载传递微分图 ( 2 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 将式( 2 - 1 ) 代入式( 22 ) 得 r ( z ) = 譬掣 c z - 。， 式( 2 - 3 ) 是单桩轴向荷载传递的基本微分方程。 2 2 桩身轴力传递特征 京津城际轨道交通试验段d k 9 3 + 6 5 0 试桩桩径1 0 m ，桩长5 2 m 。试验在潋计 的1 3 个断面( 自地面往下依次为1 7 m 、6 4 m 、1 04 m 、1 47 r n 、1 7 1 m 、2 22 m 、 2 j 3 m 、2 8 9 m 、3 1 7 m 、3 6 3 m ，4 2 4 m 、4 6 9 m 、5 1 4 m ) 内每个断面安装5 个钢 筋应变感应器，用于测量桩的应变，以此来计算桩侧摩阻力，另外在试验桩底 端沿半径方向前渭3 个压力盒。测定桩端阻力，根据桩侧摩阻力和桩端阻力， 求取桩身各截面轴力值，绘制桩身截面轴力沿深度分布图如下： 山上图可知桩身截面轴力随深度增加逐渐减小，在不同的土层和刁i 同的 加荷阶段有不同的递减速率。其表现为轴力曲线的斜率存在差异，轴力曲线的 斜率反映了桩侧阻力的大小。人直径长桩在较大荷载下其桩身下部的轴力要远 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 小于桩身上部的轴力。 在加载切期，桩身轴力随深度的衰减较慢，但到桩端时儿于衰减为零， 兑 判衍载较小时，长桩的端日i 力基本不起作用，其桩顶荷载几乎伞部i l i 桩侧摩 力承担，同时从另一个侧面也醴明了桩侧阻力先于桩端阻力发挥：髓着荷载的 增加，桩身上部的轴力随深度变化曲线接近平行，蜕明桩身一j ：部分的摩阻力已 经充分发挥而不再增加，从而| 兑明了桩身上部分侧阻力先于下部发挥，桩身上 部侧阻力先行达到极限状态。随着桩侧摩阻力逐渐发挥出来，轴力沿深度的衰 减j l ! | j 逐渐增快。 23 桩侧阻力的分析研究 2 31 桩侧阻力的发挥特性 长桩桩侧摩阻力发挥，随着加载过程，首先是桩身上部桩侧摩阻力最先发 挥；接着是中部侧摩阻力逐步发挥；但是，桩下部摩阻力发挥未必能充分发挥。 硅然，桩身下部的侧摩阻力发挥与桩结构特征和边界条件有关。此外，桩侧摩 m 力分抽不仅与荷载水平有关，土层性质对其也有直接影响，尤其是桩侧极限 摩阻力的大小。在总体趋势上，桩侧摩阻力沿桩身分布具有如下特征： 0 5 1 0 1 5 2 0 s2 5 蓑3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 桩身摩阻力分布图 侧雕阻( k p a ) 02 04 06 08 01 0 01 2 0l4 0 面23 京瘴砭谅萌l 递交通匠骚赢d 而磊磊i 试瓤面胯e 百芬布甜z 西 6 3 0 0 7 0 0 0 7 7 0 0 8 4 0 0 9 1 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 实测桩侧摩阻力不同于理想状态f 的摩1 5 上i 力分布 不同位置桩侧摩| ；儿力的分布趋势是相同的，呈抛物线型分前j 。同时不同二匕 层的桩侧摩i j h 力的变化趋势也足棚同的。长桩山于其长度大，穿过的岩土的厚 度人，层数多，所以有必要对特性各异的岩土层分别分析，弄清楚各岩土层对 桩承载力贡献的人小，为做到这一点，先划分出层组，再在层组中找出优辨层 ( 持力优势层、敏感优辨层) 。持力优辨层一一指力学性质好、承载力火、厚度 稳定且深度适宜可作为持力层的地层( 即硬层) ；敏感优势层一一指力：学性质软 弱、易液化、承载力小、厚度稳定的地层( 即软土层、液化土层) 。文献 5 5 中划分优势层之后通过有限元计算所得的桩侧摩阻力曲线同京津城际轨道交通 试验段桩侧摩阻力，如下图： 桩 一lo i 一3o i 一4o n i - 6 7 m 幽2 4 优势层对桩侧脖阻力影响图怖 2 桩身摩1 5 且力出现退化现象 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 桩侧摩l 虹力沿桩身一定深度范围内，随着深度呈非线性增长，这一趋势直 至深度为2 5 m 左右，再往下，桩侧摩阻力不再增加。 3 桩端附近局部区域的侧摩阻力的分佰呈典型的“r ”形 从理论上讲，桩的侧摩阻4 “ u ”。“1 5 上【均是桩土相对位移的函数。当位移较小时， 侧摩阻力沿桩身的分和曲线呈典型的上大下小的倒葫芦形。但是，由上图町知， 桩阻抗的发挥和实际分伽要复杂得多。当倚载较大时，桩端附近局部区域的侧 摩阻力的分和呈典型的“r ”形。这是因为桩的侧摩阻和端阻f u j 一般存在着柑互 影l 棚和十甘互制约的关系，当桩的荷载较大时，则位移较大，桩的端阻就会在桩 的总阻抗中占据相当重要的地位并且明显地增强桩的侧摩阻。 在外荷载作用下，桩身向下运动使桩端土 层产生压缩，桩的端阻得以产生和发挥，桩端 土的压缩超过一定限度后会在地基中形成剪切 滑动面。由于桩基础埋置较深，故滑动面不会 延伸到地面，又因为桩的对称性，所以滑动面 应是轴对称的。通过桩轴线的任一截面所截得 的图形可以取为梅耶霍夫在求解深基础的极限 承载力时所取用的破坏图式，如图2 - 5 。 由图可知，当桩端处的i 区受压向下运动 时，将通过i i 区和i i i 区的土体向i v 区的土体施 加压力和剪力，最终迫使各区的上体压密并增加图2 - 5 桩端附近一l ：体的破坏模式 桩：t - f b j 的法向压力。又由摩尔一库仑抗剪强度理论得知，法向应力的加大将导致 桩二l = ：j 日j 摩阻力的加大：显然，这种摩阻力的加大随着桩的位移而强化，而且仅 发生在桩的下部脚。 2 3 2 桩侧阻力的影响因素 影响桩侧阻力的因素很多，并且比较复杂，包括桩的设置方法、桩周土性 质、桩土相对位移、桩径、桩土界面条件、桩端条件、桩身刚度、施工工艺等 等。笔者结合已有资料，着重从以下几个方面加以分析。 1 桩周土的性质 桩周土的性质是影响桩侧摩阻力最直接的决定性因素。一般而吉，桩周土 西南交通大学硕士