（岩土工程专业论文）静压桩连续贯入的模拟与承载力全过程研究.pdf

c k 塔s i f i e di n d e x ：t u 4 7 3 u d c ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e 野e ei ne n g i n e e r i n g 一 一v s i m u l a t i o no nc o n t i n u o u si n s t a l l a t i o n a n dw h o l ep r o c e s ss t u d yo nb e a r i n g c a p a c i t yo fo fj a c k e dp i l e c a n d i d a t e ： s u p e r 、，i s o r ： k o uh a i l e i p r o z h a n gm i n g y i a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a i t ) ，： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i 够： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g j u n e2 0 1 0 q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 静压桩连续贯入的模拟与承载力全过程研究 学位论文答辩日期： 垒亟! 厶= 塑 指导教师签字：尘壁塑遗 答辩委员会成员签字： 鱼q 垒盗 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 沉桩过程研究2 1 2 2 桩残余应力的确定6 1 2 3 成桩后的时效性分析7 1 2 4 静压桩连续贯入数值模拟8 1 3 问题的提出9 1 4 本文研究的主要内容。l l 第2 章静压桩残余应力对桩承载性状影响分析1 3 2 1 引言。1 3 2 2 残余应力机理分析1 3 2 2 1 残余应力产生的原因1 6 2 2 2 残余应力的影响因素1 8 2 2 3 参与应力对桩承载性状的影响1 9 2 3 试验研究1 9 2 4 残余应力测试方法建议。2 l 2 4 1 现有的残余应力预测方法2 2 2 4 2 建议残余应力的预测方法2 2 2 5 本章小结2 3 第3 章静压桩承载力的时间效应分析2 4 3 1 引言2 4 3 2 承载力时效性的估算方法2 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 3 静压桩承载力时效性机理分析2 6 3 4 试验研究2 9 3 4 1 静压桩在粘性土中时效性试验研究2 9 3 4 2 静压桩在砂土中时效性试验研究3 0 3 5 低应变法对桩承载力的时效分析3 3 3 5 1 引言3 3 3 5 2 低应变法3 4 3 5 3 试验研究3 6 3 6 本章小结3 9 第4 章静压桩连续贯入的数值模拟4 1 4 1 概j 苤4 l 4 2 a b a q u s 软件介绍4 2 4 2 1 基本原理4 2 4 2 2 a b a q u s 软件特点4 3 4 3 静压桩连续贯入的数值模拟4 3 4 3 1 引言4 3 4 3 2 贯入过程中几个问题在a b a q u s 中的实现4 6 4 3 3 a b a q u s 模拟过程中的基本假定以及参数设计4 8 4 3 4 模拟过程及结果4 8 4 4 本章小结5 8 第5 章结论与建议6 0 5 1 研究结果总结6 0 5 2 进一步研究的建议6 l 参考文献6 3 攻读学位期间学术论文发表及科研情况6 7 致谢6 8 u 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着大型复杂建筑和城市高层建筑的大规模发展，以及人们环保意识的逐 渐增强，静力压桩技术以其成本低、环境污染小等优点在我国尤其是南方地区 得到了空前的发展和广泛应用。本文在理论分析的基础上，结合试验研究并运 用大型有限元软件a b a q u s 进行数值模拟，对静力压入桩的残余应力、承载力 时效性以及数值模拟等问题进行了研究，为工程应用和以后更深入的分析提供 充分的基础和依据。本文主要包括以下内容： ( 1 ) 试验研究发现，残余应力的存在不影响桩总的承载力，但对桩身以及 桩端荷载分担比有重要影响，并且已经意识到桩顶的松桩回弹现象是其残余应 力的外在表现，回弹幅度随桩长、桩入土深度以及打桩频率的变化而变化，提 出了利用全站仪测回弹幅度预测残余应力的设想。 ( 2 ) 土的固结作用、触变恢复以及“水膜一土壳 效应是静压桩承载力提 高的主要影响因素。本文在阐述了承载力提高影响因素的基础上，应用“隔时 复压试验”并结合工程实例对粘性土和砂土中桩承载力增长进行了论述，指出 粘性土中承载力增长的主要原因是孔隙水压力的消散和土的触变时效，论证了 砂性土中桩承载力随时间的变化而增长，指出后者承载力增长迅速的原因是砂 土中孔隙水的消散速度远远大于前者。 ( 3 ) 本文在大型有限元软件a b a q u s 平台的基础上利用位移贯入法，考 虑大变形、大位移和桩一土接触等问题，对静力压入桩连续贯入的全过程进行 了数值模拟，并通过改变桩土摩擦系数分析桩土摩擦对桩周土体的位移场和应 力场的影响，为深入研究贯入过程中沉桩性状提供了一种实用的模拟分析方法， 同时，模拟结果可直接为静压桩设计提 供依据。 关键词：静压桩；残余应力；时间 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t m c t i o no fl a 唱ea n dc o m p l e xu r b a i lh i 曲一r i s eb u i l d i n ga n dt h e d e v e l o p m e n to fl a 唱e s c a l e ，锄dg r a d u a l l yi n c r e a s ea w a r e n e s so fe n v i r o n i n e n t a l p r o t e c t i o n ， s t a t i c p i l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n ta n d e x t e n s i v e 印p l i c a t i o ne s p e c i a l l yi ns o u t hc h i n a 、7 r i t li t sl o wc o s t ，e n v i r o 啪e n t a l p o l l u t i o n ，e t c i nt h i sp a p e r ，i t i ss t u d i e dt h ej a c k e dp i l eo nt h e r e s i d u a l s t r e s s ， t i m e - e n 、e c t ，a n dc a p a c i t ys i m u l a t i o nb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m b i n e d 州t h e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h eu s eo fn n i t ee l e m e n ts o m v a r ea b a q u st og i v et h e f o u n d a t i o na 1 1 db a s i sf o rt h ep r o v i s i o no fa d e q u a t ef o re n 百n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa i l d t l l e 如t u r em o r ei n d e p t h 柚a l y s i s 1 1 1 i sa r t i c l ei n c l u d e st l l ef o l l o w i n g ： ( 1 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yf o u n dt h a tt h ep r e s e n c eo fr e s i d u a ls t r e s sd o e sn o ta f r e c t t h eo v e r a l lc a p a c 时o fp i l e s ，b u tp i l el o a dd i s t r i b u t i o - nr a t i o ，a n dh a sb e e na w a r eo f t h ep i l er e b o u n dp h e n o m e n o ni sr e s i d u a ls t r e s si nt h ee x t e m a lm a n i f e s t a t i o n s t h e r e b o u i l dm a g i l i t u d ev a r i e sw i t ht h el e n g t ho fp i l e ，e m b e d d e dd 印t h 锄dt h e 讹q u e n c yv 撕e sp i l i n g ，a n dh a sb e e np r o p o s e dt h ei d e ao fr a t ep r e d i c t i o nu s i n gt o t a l s t a t i o nm e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s sr e s i l i e n c e ( 2 ) t h er o l eo fs o i lc o n s 0 1 i d a t i o n ，t l l i x o t r o p i cr e c o v e r y ，a i l d ”w a t e rf i l m - e a n l l s h e l l f e f f e c ti st h em a i nf a c t o r so ft l l ec 印a c i t yo f ja c k e d p i l e t h i sp 印e rd i s c u s st l l e c a p a c i 够i n c r e a s m e mw i t l lt 1 1 ep r a c t i c a lp r o j e c to nt h ec l a y 觚ds a n d 、历t ht l l e a p p l i c a t i o n ”w h e ne v e 巧o t h e rc o m p l e xp r e s s u r et e s t ”a n dp o i mo u t t h a tt h e c a p a c i t y i n c r e a s ei nc l a yi sm a i l l l yd u et om ed i s s i p a t i o no fp o r ew a t e rp r e s s u r ea i l ds o i l a g i n gt h i x o t l o p i c ，a i l dd e m o n s t r a t et h a tt h ec 印a c 时i n c r e a s m e n to fp i l ei ns a l l d ys o i l 蜥t l lt i m ec h a n g e i ti sp o i n t e dt h a tt l l er e a s o no f r a p i dg r o w t l lc a p a c 时l a n e ri sd u et o t h ed i s s i p a t i o no fp o r ew a t e rm u c hf 瓠t e ri ns a l l dt h a nf 0 咖e r ( 3 ) i nt h i sp a p e r ，i ti ss i m u l a t e do ft l l ej a c k e dp i l ei n t ot l l ec o n t i 肌o u sp e n e t r a t i o n o ft h ew h o l ep r o c e s si nt h ef i n i t ee l e m e n ts o 触a r ea b a q u sp l a t f 0 咖b a s e do nt h e u s eo fd i s p l a c e m e n tp e n e t r a t i o nm e t l l o d ，c o n s i d e r i n gt h el a 唱ed e f o 舯a t i o n ，l a 培e d i s p l a c e m e n ta i l dt h ep i l e - s o i l i n t e r f a c e 锄do t l l e ri s s u e s ，a i l da j l a l y s i st l l ep i l e s o i l i l 青岛理t 人学t 学硕f ：学位论文 衔c t i o n0 nt h ep i l eo fs o i ld i s p l a c e m e m 锄ds 仃e s sf i e l db yc h a n g i n gm ec o e 衢c 渤l t o ff h c t i o no fp i l e - s o i l 衔c t i o no nt h ep i l e t h a tp r o v i d e sap r a c t i c a la n a l y s i sm e t h o d i no r d e rt os t u d yt i l ep r o c e s so fp i l ep e n e t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft l es i m u l a t i o n m e a n “l e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a i lp r o v i d ear e f i e r e n c ed e s i g nf o rt h es t a t i cp i l e a n d 如r t h e r p r o v i d et h eb a s i sf o rv i s u a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：j a c k e dp i l e ；r e s i d u a ls t r e s s ；t i m e - e 舵c t ；b e a r i n gc 印a c i t yc h a r a c t e r ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i u 青岛理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 桩基础是建筑工程中最为常见的基础形式，主要适用于高层建筑、重型厂房 以及在深厚的软土层、不均匀土层场地上建造的各种建筑物。桩基础历史悠久， 从我国最早发现的木桩到现在已有7 0 0 0 多年的历史。桩的种类及其施工方法因 上部建筑物或载荷情况不同而多种多样。其中，将预制桩完全利用静载平稳、 安静地压入软弱地基，是一种新型的桩基础施工方法一静压桩工法。此工法借 助专用桩架的自重和配重作为反力，以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式将压 力作用于预制桩，分节将桩身压入地基土中。 静压桩在广东珠江三角洲一带兴起，而后在全国得到了广泛应用，与锤击 式打桩等其他桩基施工工艺相比，静压桩具有以下明显优点： ( 1 ) 静压桩施工时具有无震动、无噪声、无油污飞溅等环境污染的特点， 具有明显的环保性。施工质量好、费用低，是具有中国特色的环保型施工机械。 ( 2 ) 施工方便，施工速度快，并且质量有保证。静压桩按照压桩位置可 分为中压式和前压式，按照压桩方式的不同可分为抱压式和顶压式，能更好地 适用于各种施工环境，提高了施工效率。在沉桩过程中使用静压力，减少了对 方桩以及管桩等预制桩桩身的破坏。 ( 3 ) 在沉桩过程中可显示压桩力，为定量观察以及研究整个压桩过程提供 便利，为设计提供参数，并可对整个压桩过程进行控制和监督。 ( 4 ) 随着静压桩机的吨位增大，静力压入桩已经实现将预应力管桩部分压 入( 嵌入) 强风化岩，相比打入桩更适用于对周围环境高的城市和居民住宅区。 ( 5 ) 静压桩施工工地文明，场地清洁，机械化施工程度高，安全性好，并 且静压桩接桩方便，效率高，更适合于深厚软土地区。 青岛理t 大学t 1 2 国内外研究现状 对静压桩性状的研究开始于2 0 世纪7 0 1 2 1 沉桩过程研究 ( 1 ) 承载力理论( 滑移线理论) ( u l m a y e r h o f 等学者提出将桩的贯入问 来解决。这种方法将桩的贯入过程视为 土体视为刚塑性无体应变的材料，然后根据边界受力条件求出滑移线场并假定 滑动面，求出极限承载力。事实上，在理论上也不能解释稳定贯入的许多特性， 并且当探头( 或桩尖) 在贯入土层一定深度后，观察不到土体在破坏阶段运动 轨迹的完整滑动面，故本法的依据不充足。下图为m a y e r h o f 等进行推导时假设 滑动面的形式。 ( 口一一，( 吩一口l 蘸 、 籼 m a y e r h o f ( 1 9 5 3 ) ( 2 ) 圆孔扩张理论( c a v 埘e x p a i l s i o nm e t h o d ) 圆孔扩张理论包括球形孔扩张及柱形孔扩张。b i s h o p e ta l ( 1 9 4 5 ) 【2 j 于1 9 4 5 年通过试验发现孔穴扩张与静力触探有很大相似性，并首次将圆孔扩张理论应 用于静力触探的研究，拉开了圆孔扩张理论在静力触探方面研究的帷幕。经典 的圆孔扩张法假设土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s c a 或m o l l r c o u l o m b 屈 服准则，根据弹塑性理论给出无限土体内具有初始半径的柱形孔或球形孔、被 2 青岛理工人学工学硕t ：学位论文 均匀分布的内压力p 所扩张的一般解。在桩贯入的过程中，一定深度处的土体 逐渐出现半径为桩径的孔洞，周围一定范围土体进入塑性状态。因此，一般采 用柱形孔扩张来模拟除去靠近桩尖以外的土体的变形情况。 b u t t e r f i l e de ta 1 ( 1 9 6 8 ) 【3 1 提出了利用柱形孔扩张来解决桩体的贯入问题，但 此柱形孔扩张必须在平面应变条件下给出。 v e s i c ( 1 9 7 2 ) 【4 】采用相关流动法则的m o h r - c o u f o m b 屈服准则，求出了理想 弹塑性圆孔扩张问题的基本解，并将其用于了深基础承载力方面的研究。 c a t e “1 9 8 6 ) 1 5 】采用非相关流动法则的m o l l r c o u l o m b 屈服准则，考虑了塑性 区的大变形，得到了圆孔从零半径扩张到有限半径的极限应力解。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 6 】利用源与汇的相互作用得到了地表面的位移解，解决了地 表面无约束的情况。 c h o w 、t e h ( 1 9 9 0 ) 利用圆孔扩张法成功求得了沉桩过程中的位移场，在 此过程中其将沉桩过程看作一个准静态过程。 经过v e s i c 、c a r t e r 和r a n d 0 1 p h 等学者的发展，圆孔扩张法得到进一步 发展，并已经成为解决沉桩对周围土体影响问题的应用最为广泛的一种方法， 这与圆孔扩张法形式简单、易于求解是密不可分的。 随着圆孔扩张法的完善以及发展，国内学者于2 0 世纪8 0 年代开始了这方 面的研究。 攀良本( 1 9 8 1 ) 【7 1 应用桩模型实验对圆孔扩张理论进行了验证。 王启铜( 1 9 9 2 ) 等提出了考虑土体拉、压模量不同时的柱形孔扩张解答。 张季如( 1 9 9 4 ) 结合砂性土内球孔扩张的能量平衡条件和应力平衡条件， 给出球形孔扩张最终压力的解答。 蒋明镜( 1 9 9 5 ) 等还将损伤概念引入沉桩研究中，将传统的塑性区看作损 伤区研究。 陈文( 1 9 9 9 ) 【8 1 引入体积变化率，假设桩侧摩阻力随深度线性变化，求出 了同时考虑土体自重和侧摩阻力的柱型孔扩张理论解。 潘有林( 1 9 9 9 ) 利用圆孔扩张理论进行了静压桩挤土方面研究。 黄院雄( 2 0 0 0 ) 等吲在s a g a s e t a 理论的基础上推导出了饱和土中桩周任意 点的水平和垂直位移。 青岛理工人学- t 学硕上学位论文 李月健( 2 0 0 1 ) 【i o 】用圆孔扩张模型和源汇理论的手段求解在基桩贯入过程 中周围土体内产生位移场的理论表达式，求得在沉桩过程中周围土体内产生的 应力场，超静孔隙水压力分布与消散，地基土在沉桩前后强度变化的解答。 张明义( 2 0 0 3 ) 【1 1 l 针对静力压桩的特点，将沉桩过程中的侧阻力和端阻力分 开计算，建立了球孔扩张一滑动摩擦模式这一新的计算模式。 经典的圆孔扩张法将平面应变轴对称的圆孔扩张解应用于触探这样一个三 维轴对称问题，忽略了各变量在竖向上的变化，忽略了连续稳态贯入过程，与 事实不符，也很难考虑土体分层对贯入的影响。在经过了一些学者对圆孔扩张 基本理论上的改进，更加符合桩的贯入特征，此理论在此后不断修正的过程中 应用会更加广泛。 ( 3 ) 应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d s ) 1 9 8 0 年前后，美国麻省理工学院的b a l i 曲教授等人经过了近1 0 年的研究 提出了应变路径法，克服了圆孔扩张法的缺点：用圆筒形孔和球形孔扩张理论 来分析深基础( 如桩) 和取样器的贯入时，采用平面轴对称或球对称假定，土 体中的位移和孔压只能是径向的，对深度方向的分布没有考虑，不能模拟稳态 贯入过程等问题。他利用一个点源和它的匀速下沉，分析了一个光滑、圆头的 桩贯入土体的过程，得到了独立于本构关系的应变场。其特点为在贯入过程中 不必考虑土的本构关系就可比较准确地确定土体的位移场，并且通过微分可以 求出应变。 应变路径法将贯入模拟为单个边界以速度v 扩大的球形孔沿竖向匀速运 动，通过对应变路径的描述，从而得出桩体贯入过程中土体位移和应变的变化 情况。同圆孔扩张法相比，应变路径法一方面可以考虑竖向贯入过程中，土体 变形与竖向坐标的关系；另一方面可以考虑匀速贯入的连续性，克服了圆孔扩 张法的缺点。但是，应变路径法也有不足之处，它忽略了桩土的接触面效应和 土单元的旋转，且计算烦琐，也属于一种近似的方法，建议与有限单元法配合 使用。 ( 4 ) 有限单元法( f i n i t ee l e m e mm e t l l o d ) 有限单元法应用广泛，是十分有力的计算工具，已经被广泛地应用于桩基 工程中。随着计算机的发展，许多学者已将有限单元法引入桩体贯入过程分析 4 青岛理t 人学t 学硕i ：学位论文 中。桩体贯入的有限单元分析采用小变形或者大变形模型两种方式。 小变形分析。在小应变分析中，将桩体置入预先钻好的孔中，周围土体 仍处于初始应力状态，然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯 入阻力。在静力贯入中，桩侧将产生很大的侧向应力，小应变计算出的桩侧应 力比实际阻力要小。 大变形分析。在应用圆孔扩张法来分析静压桩贯入问题时，一般是基于 小变形假设，但实际上，在桩体贯入过程中桩周土应变很大，靠近桩周的土体 中应变可达l o 2 0 ，呈现出材料与几何双重非线性，小变形假设显然是不 合理的，如果采用大变形有限元来分析则有可能克服上述缺陷。 在小应变研究方面：鲁祖统( 1 9 9 8 ) 【1 2 】在小应变分析原理的基础上对静压 桩的挤土效应进行了数值模拟。 周健等( 2 0 0 0 ) 【1 3 1 采用有限元方法，把桩的压入过程分成段，再自上而下 分段扩张到桩径来模拟桩的贯入，得到了一些关于沉桩挤土效应和超孔压分布 的成果。 c h o p r a 【1 4 】认为利用有限单元法进行荷载作用下的土的行为分析时，认为土 体中只产生小变形的假设对于压桩问题不合适，此时桩周土体的变形不是小变 形，该区域内的应变与位移梯度不成线性关系，必须考虑变形的变化修改平衡 方程，并在此基础上，将沉桩过程模拟成桩尖土的逐渐裂开过程，求出了沉桩 瞬时和固结后的孔隙水压力场和有效应力场，拉开了利用大应变分析桩贯入问 题模拟的序幕。但是c h o p r a 采用的模拟沉桩过程的方法不足之处在于没有考 虑桩与土之间可能发生的滑动，此外，对桩头锥面上土颗粒的运动方向的确定 不合理。 m a b s o u t 【1 5 1 采用应力贯入来模拟沉桩过程，利用摩擦接触滑移线法模拟，并 考虑了土体的非线性问题，采用了边界面模型，分析过程采用了u p d a t e l a g r a g i a i l 方法描述大变形。 张明义( 2 0 0 3 ) 【1 6 j 提出了位移贯入法，在a n s y s 有限元平台上采用有限元 法模拟静压桩连续贯入的整个过程，结合非线性大变形、弹塑性、接触面等计 算技术，在不同深度上分段贯入，很好的模拟计算了静压桩的沉桩阻力。 ( 5 ) 模型试验研究 5 青岛理工人学t 学硕 ：学位论文 静压桩贯入机理的模型研究主要是借助于模型槽或离心机。 d a v ew h i t e 博士在平面应变试验箱以及离心机上进行了静压桩模型试验， 动态地观测到了模型桩沉桩时的位移场等，并研究了土的种类及初始密度对其 的影响，提出了桩端和桩侧摩阻力分布的预测理论一“竖向拱线理论 ，对砂 土中的静压桩机理进行了探讨。随后陈文利用离心模型试验对桩的贯入进行了 研究。 许建平、周健等( 2 0 0 0 ) 【 】对在软粘土中静力压入单桩与双桩进行了半模型 试验，对沉桩挤土效应进行了研究，获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度 方向的变化规律，并对压入单桩和双桩的试验结果进行了比较分析。 陈文、施建勇( 1 9 9 9 ) 通过不同粘土中静压桩贯入的离心模型试验，对桩体 贯入饱和粘土时的土体位移和初始超孔隙水压力的空间分布情况进行了研究。 由于模型试验中模型尺寸是按比例缩小和边界类型等原因，虽然模型试验 可以较好的模拟实际的工程情况，可以直观的反映贯入后土体变形情况，但所 测的结果和现场实测值之间的差别仍然是十分显著的，应该根据实际情况对试 验数据进行修正。 1 2 2 桩残余应力的确定 桩残余应力对静压桩承载力性状有重要影响，国内外很多学者对此进行 了相关方面的研究： ( 1 ) 触g e r s e n e t a l ( 1 9 7 3 ) 1 8 1 通过事先在预制桩桩顶和桩端埋设压力盒来量 测桩顶和桩端的轴向荷载，在桩长不同断面处埋设钢弦式应变计测量出四根钢 筋混凝土预制桩在松砂土中静载荷试验的过程中钢筋和混凝土的应变。试验结 果证明了残余应力的存在，并对桩承载力性状有一定的影响。 ( 2 ) d a r r ，a a ，佘成学( 1 9 9 2 ) 在分析了现有预测残余应力方法的基础 上，提出了利用波动方程建立打入非粘土中桩残余应力的简化方法，为非粘土 中桩的残余应力的研究提供了依据。 非粘性土中桩残余应力的大小用残余应力百分率a ，表示 a ，：坠1 0 0 7 q p 6 青岛理t 大学t 学硕l 学位论文 其中q p r 表示桩尖残余荷载；q p 表示桩尖承载力。预估值a ，与实测值之 间的对比结果表明该方法有一定的可信度。 ( 3 ) 刘利民，李增选( 2 0 0 0 ) 【2 0 1 分析了残余应力对桩承载力的影响，指出 正确认识残余应力可以加强对桩基承载力的认识，对优化桩基设计有一定的指 导意义。 ( 4 ) 郑刚，张文超( 2 0 0 7 ) 【2 1 1 利用自适应网络技术建立了符合压桩实际的 有限元模型，通过设置桩土界面接触和施加位移荷载等分析了压桩过程残余应 力对桩承载性状的影响，得出了桩体卸载回弹后侧摩阻力以及桩身轴力变化曲 线。 1 2 3 成桩后时效性分析 国外对预制桩承载力时间效应的试验研究开始于1 9 世纪4 0 年代，并在工程实 践中积累了一些宝贵资料和试验数据，而国内对这方面的研究大约开始于上世纪 5 0 年代，并最早在天津塘沽和上海f 1 晖港进行了最早的时效性试验，研究发现一 定休止期后钢筋混凝土方桩承载力显著提高，并为我国预制桩承载力时间效应的 研究拉开了序幕。 ( 1 ) 6 0 年代初，交通部第三航务局在上海地区的码头建设时，进行了桩的 承载力时间效应的研究，并积累了大量的宝贵资料。试验研究发现桩的承载力初 期增长较快，后期逐渐趋于稳定，增加倍数为1 5 8 8 2 6 9 ； ( 2 ) 8 0 年代初，熊大阅教授对上海市“沪办大楼 桩基工程进行了打桩前 后静力触探对比实验，经过对比得出的结论为：桩群中粘质粉土层的p s 值，打桩 前为4 m p a ，打桩后2 8 d 增加到l0 m p a ，增长近2 5 倍。深度2 0 m 以上粉砂土层的p s 值，由打桩前的5 5 m p a 增加到打桩后6 5 m p a ，增长了一倍多； ( 3 ) 李雄，刘金砺结合天津大港电厂桩基工程，对饱和软土中打入桩的 时间效应进行了试验，研究了尺寸、加荷顺序对承载力提高的影响，确定桩侧阻 力和端阻力的时效规律； ( 4 ) 张心奎【2 3 】等通过粉细砂中预制桩时间效应试验发现，经过一定时间休 止后，4 种不同桩长预制方桩的桩侧阻力时间效应系数为1 5 4 1 8 5 ，桩端阻力 7 青岛理1 = 人学工学硕i j 学位论文 时间效应系数为1 1 1 2 ，桩侧阻力时间效应系数远大于桩端阻力时间效应系 数； ( 5 ) 张明义【2 4 1 等通过隔时复压试验和静载试验发现，静压桩极限承载力随 时间呈双曲线增长，承载力的提高主要因为桩侧摩阻力的提高而桩端阻力的贡献 很小； ( 6 ) 王戍平【2 5 】对p h c 开口桩在深厚软土中承载力时效性研究，2 5d 休止期 时的单桩竖向极限承载力只占其最终单桩竖向极限承载力的7 0 左右，休止期为 1 8 0d 时单桩竖向极限承载力才基本趋于稳定。 静压桩承载力时问效应的研究主要集中在粘性土中，而砂土中的时间效应则 研究的较少。在我国软土地区积累了不少挤土桩承载力随时间增长的试验资料， 例如： ( 1 ) 上海张家浜，5 0 0 x5o o m m 钢筋混凝土预制桩，入土2 l m 深，沉桩后2 1 0 天的承载力比1 4 大的高9 3 ；入土2 7 m 深者，沉桩后2 7 6 大的承载力比1 0 天的高 5 2 。根据不同土质、不同桩型、不同尺寸的挤土桩的承载力时效的试验结果， 其最终单桩极限承载力比初始值增长约4 0 4 0 0 ，达到承载力稳定值所需要时 间有几十天到数百天不等。 ( 2 ) 天津新港，4 5 0 x45 0 i i u l l 钢筋棍凝土预制桩，入土1 0 m 深，沉桩后2 l o 天的承载力比1 4 天的高4 2 ，2 4 0 天的承载力比4 2 天的高3 7 。 1 2 4 静压桩连续贯入数值分析 在桩的贯入数值模拟方面，澳大利亚的d a i c h a 0s h e n g 等( 2 0 0 5 【2 6 1 、2 0 0 6 【2 7 1 ) 用改进的具有摩擦接触且允许滑动的大变形有限元法模拟桩的贯入，但不能考虑 平头桩。国内对静压桩数值模拟方面的研究主要有： ( 1 ) 张明义等( 2 0 0 3 ) 【2 8 】基于a n s y s 平台，利用位移贯入法分析了一定深度预 钻孔的桩体压入土体一小段( 1 5 2 0c m ) 时土体中产生的应力场和位移场，但未能 实现对桩从地表面到设计深度的整个压桩过程的模拟。 ( 2 ) 汪鹏程( 2 0 0 5 ) f 2 9 1 应用大型有限元软件a b a q u s ，通过设置剪胀角来考虑 土体剪胀性，对静压桩挤土效应进行了有限元模拟分析。但汪鹏程采用的是圆孔 3 青岛理丁大学t 学硕l ：学位论文 扩张法，并且没有考虑土体初始自重应力场的作用，因此结论略显粗糙。 ( 3 ) 鹿群( 2 0 0 7 年) 【3 0 】借鉴位移贯入法的思路，建立二维轴对称有限元数值 计算模型，实现了对单桩连续压入土体的模拟。 ( 4 ) 李镜培等( 2 0 0 7 年) 【3 l 】使用有限元法，对静压桩桩尖的作用机理研究。 结果表明尖角能够明显地减小端阻力。 ( 5 ) 叶建忠、周健等( 2 0 0 7 年) 1 3 2 】通过改进的二维颗粒流程序对静压沉桩过 程进行模拟，从细观层面上解释沉桩过程。 ( 6 ) 鹿群，龚晓南( 2 0 0 8 ) 【3 3 】在a n s y s 平台上，应用位移贯入法实现了 静力压桩在成层土中连续贯入的全过程的有限元模拟。 1 3 问题的提出 静压桩虽然具有施工时无震动、无噪声、无油污飞溅等明显的环保性，并且 施工质量好，使用费用低等优点。但其作为挤土桩，在沉桩过程中桩周围土体被 挤开和扰动，使桩周围土体产生水平移动和垂直隆起，使邻近已压入的桩产生上 抬，偏位以及桩身弯曲，产生裂缝，严重时甚至造成桩的折断等危害。 目前对静压桩的研究大多集中在静压桩的挤土效应方面，对沉桩过程的连 续贯入模拟等方面研究的较少。在以下方面有必要迸一步开展对静压桩的研究： ( 1 ) 静力压桩机理 在理论研究方面：静压桩的贯入过程属稳态贯入。b a l i 幽( 1 9 8 5 年) 【3 4 】 认为桩贯入过程可以用应变路径法来模拟，不考虑土体的应力应变本构关系， 利用速度场得出沉桩过程中对土体产生的径向及竖向位移。该法假定桩作用于 无限体中，但实际沉桩是在半无限体中，因此得到的地表位移与实际有较大的 差别。v e s i c ( 1 9 7 2 年) 1 3 5 】球孔扩张理论也有同样的问题。对此，s a g a s e t a ( 1 9 9 7 年) 【3 6 】、罗战友( 2 0 0 4 年) 【3 7 1 等根据源( 能量扩散) 和汇( 能量吸收) 理论来 消除在无限体情况下产生的虚拟边界条件，使其变为半无限体问题。但这种模 拟仅仅是对位移而言的，不涉及应力，只能用于挤土效应的研究上，因此有必 要对静力压桩理论方面进行进一步的研究。在应用实践方面：虽然静力压桩机 在压桩的过程中可以观测到压桩过程的压桩力，但对静力压桩的机理还是不是 很清楚，比如压桩过程中桩侧土以及桩端土的力学性状，侧摩阻力以及端阻力 9 青岛理工人学t 学硕l ：学位论文 在沉桩过程中的分担比例，承载力时效，压桩时和压桩结束后加载的动静过程 的区别和联系等。 ( 2 ) 残余应力研究 静压桩在压入完一个“行程 后，桩顶有回弹的现象发生，并且回弹的幅 度随桩土刚度，桩入土的深度以及打桩频率等因素的变化而变化。研究表明静 压桩在贯入之前，桩身存在的残余应力对静压桩沉桩机理等各个方面的研究有 重要影响，因此结合残余应力的外在表现研究残余应力对沉桩过程中桩侧摩阻 力以及桩端摩阻力的影响有重要的工程实践意义。 ( 3 ) 桩承载力的时效性 静力压入桩的承载力是工程中最为关注的问题，合理地推算桩的长期承载 力、充分发挥静压桩的优势，具有重要的工程实用价值。目前，根据静压桩成 桩以后的静载试验确定承载力仍是常用的方法，但静载试验费钱耗时。而采用 经验方法求出的承载力缺少中间环节的测试分析，往往过于笼统。研究表明， 静压桩入土后其承载力不是固定不变的，而是随着时间的变化有增大的趋势， 但变化的幅度随地基土类别的不同而有所不同，即静压桩承载力具有时间效应。 静压桩承载力的时间效应不仅存在于粘性土中，在砂性土中桩基承载力也有提 高的现象。对粘性土时效性研究一般认为在孔隙水压力消散和土的触变性等因 素引起的，而对砂性土中时效机理分析还比较模糊。随着时间的推移，超孔隙 水压力逐渐消散，桩周土的有效应力增加，土的强度也随之增加，受沉桩扰动 而损失的土的强度逐渐恢复，桩承载力提高。但是如何计算任意时刻桩基础具 有的承载力，特别是最终极限承载力仍没有明确的计算公式。因此如何估算 桩的广义极限承载力仍然是桩基础研究中有实用意义的课题之一。 ( 4 ) 静压桩贯入模拟方面 静压桩的数值仿真已有较多的研究应用，如沉桩模拟的“位移贯入法 ， 挤土效应模拟的圆孔扩张法等。在可视化仿真方面，黄雨等( 2 0 0 4 年) 【3 8 】对竖 向荷载作用下的普通单桩进行了探讨，用v b 作为主要开发语言编制了可视化 仿真软件，将大量的计算结果以静态或动态的图形图像手段表达。静压桩的可 视化仿真尚未进行。而静压桩数据繁多，又特别需要了解连续变化，单从某一 个时间剖面上不足以反映问题的全貌，可视化仿真就显得尤其重要。并且静压 l o 青岛理1 = 人学工学硕l j 学位论文 管桩的可视化仿真尚未进行，缺少一种对于研究和应用都有价值的连续直观的 表达方式。 静压桩贯入过程本身是一个比较复杂的问题，涉及到土力学中土体的工程 性质，土体固结，土中孔隙水压力消散，桩土相互作用等各个方面，并且影响 因素众多。所以，在前人研究的基础上对静压桩的有关问题进行深入的研究是 必要的。 1 4 本文研究的主要内容 在充分分析残余应力产生机理的基础上指出桩身刚度，桩周土体的固结是 影响残余应力的重要因素，并且随着桩长，桩入土深度以及打桩频率的变化回 弹幅度有所变化，指出残余应力的存在不影响桩总的承载力，但其对桩身以及 桩端荷载分担比有重要影响，已经意识到在桩贯入的过程中桩顶回弹现象是桩 残余应力的外在表现，提出了利用全站仪测回弹幅度预测残余应力的设想。 从土的固结作用、土的触变恢复、“水膜一土壳 效应三个方面对静压桩 承载力的时间效应机理进行研究。从理论分析和试验研究两个角度阐述了应用 “隔时复压试验”进行承载力增长定量分析的可行性，并结合工程实例对粘性 土和砂土中桩承载力增长进行了论述，指出粘性土中承载力增长的主要原因是 孔隙水压力的消散和土的触变时效，论证了砂性土中桩承载力随时间的变化而 增长，指出后者承载力增长迅速的原因是沙土中孔隙水的消散速度远远大于前 者。 随着计算机技术的发展，数值模拟在岩土工程中的应用越来越广泛。大型 有限元软件a b a q u s 适用于大应变模式、非线形和不稳定问题，相比其它有限 元分析软件更适合于岩土工程的数值模拟分析，能更好地模拟实际工程的各种 工况。本文利用位移贯入法，考虑大变形和桩一土接触面等问题，对静力压入 桩连续贯入的全过程进行了数值模拟，得出了在桩贯入过程中桩周土体的位移 场和应力场。通过改变桩土摩擦系数分析了桩土摩擦系数对桩周土的变形以及 桩侧摩阻力的影响。为深入研究贯入过程中沉桩性状提供了一种实用的模拟分 析方法，同时，模拟结果可直接为静压桩设计提供参考，为下一步静压桩可视 青岛理t 大学t 学硕_ f 学位论文 化仿真提供依据。 1 2 青岛理t 人学工学硕j ：学位论文 第2 章静压桩残余应力对桩承载性状影响分析 2 1 引言 试验发现，静压桩在压入完一个“行程”后，桩顶有回弹的现象发生，回 弹幅度在2 3 c m 之间，回弹幅度的大小随桩长、桩入土深度以及打桩频率的变 化而变化。笔者认