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浙江人学硕士学位论文 竖向荷载作用下现浇混凝士薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁筒桩 的工作性状研究 摘要 现浇混凝土薄壁筒桩作为一种新的桩型，具有良好的应用前景。以前，人们 把主要的精力放在了改善筒桩的施工工艺方面，而在理论及试验研究方面倾注的 热情较少。设计者也因为对筒桩的工作性状了解不足，容易产生这样或那样的失 误，有的造成工程上的巨大浪费，有的甚至留下严重的安全隐患。为此本文开展 了有关筒桩的理论研究。 一、介绍筒桩，并对目前桩基沉降计算理论研究现状进行总结回顾； 二、根据筒桩在海洋工程和路基工程中的工作特点，将筒桩分为无盖和有盖 两种情况。利用荷载传递法，考虑桩内土芯，分别建立起桩体和土芯的基本微分 方程，并推导了求解的控制方程组； 三、根据无盖筒桩的推导过程，编制了相应计算程序，并利用所编程序进行 算例分析，绘制o - s 曲线； 四、推导了筒桩工作各阶段的桩外侧摩阻力、内侧摩阻力及桩身轴力的表达 式，并通过算例进行分析，初步揭示了筒桩工作性状； 五、对影响筒桩承载性状的主要因素分析表明，桩长、桩径、桩侧土的抗剪 刚度系数及桩端士的抗压刚度系数等是影响筒桩工作性状的主要因素； 六、结合规范要求，提出筒桩极限承载力的估算办法，以方便工程应用； 七、概要介绍了温州半岛工程筒桩试验研究方案，以指导下一步即将开 展的筒桩试验研究工作； 算例分析表明运用本文推导的计算理论来分析筒桩的工作性状是可行的，且 与实测结果吻合较好，可用于工程实际。 关键词：现浇混凝土薄壁筒桩；荷载传递；承载力；摩阻力；沉降；临界荷载 浙江人学硕十学位论文竖向荷载作用下现浇混凝e 薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 s t u d yo nb e h a v l 0 ro ft h i n w a l lp i p ep i l eu s l n g c a s t - ln - sit uc o n c r e t eu n d e ra xia ll o a d a b s tr a c t a san e w t y p eo f p i l e ，t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n g c a s t i n s i t uc o n c r e t e ( p c c ) i so f g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s h o w e v e r , p e o p l e h a v e p l a c e d t o om u c he n e r g yo n s t u d y i n g t h e i rc o n s t r u c t i o nc r a f t s ，a n dh a sn e g l e c t e di t st h e o r ya n dr e s e a r c ho ft e s t i n g t h er e s p e c t t h ed e s i g n e rd o e sn o to f t e nk n o wt h er e a lw o r k i n gp r o p e r t i e so fp i l ei n t h ed e s i g nw o r k ，r e s u l ti nt h i so rt h a tf a u l ta n dc a u s ee n o r m o u st ow a s t e ，s o m e t i m e e v e nl e a v et h es e r i o u sp o t e n t i a ls a f e t yh a z a r d t h ep a p e rh a sp r o m o t e dt h er e s e a r c ho f t h e o r ya b o u t t h ep c c f i r s t ，p c ci si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y , a n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o u t p i l es e d i m e n t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dr e v i e w e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ow o r k i n g c h a r a c t e r i s t i co f t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n gc a s t i n s i t uc o n c r e t ei no c e a n e n g i n e e r i n ga n d r o a d b e d e n g i n e e r i n g ， w ed i v i d ep i l ei n t ot w ok i n d so fs i t u a t i o n sn a m e dp i l ew i t hc o v e ra n d p i l ew i t h o u tc o v e q b a s i c d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa r er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e df o rs o i lc o r ea n dp i l eb o d yu s i n gt h et h e o r yo f l o a dt r a n s f e r t h i r d ，c o m p u t a t i o n a lp r o g r a m m eo ft h en e w p i l eh a v eh a sm a d e i nt h i sp a p e r o n e e x a m p l eh a sa t m l y z e da n di n t e r r e l a t e dq sc a l v eh a sd r a w nb yu s i n g t h ep r o g r a m m e f o u r t h ，t h e e x p r e s s i o n so f f o r c eo ff r i c t i o ni n s i d e ，f o r c eo ff r i c t i o no u t s i d e ，a x i a lf o r c eo fp i l eh a v em a d ei n t h i sp a p e r a n dt h ew o r k i n g p r o p e n i e sh a sb a s i c a l l yp r o c l a i m e d f i f t h ，p i l el e n g t h ，p i l ed i a m e t e r , c u tr i g i d i t yc o e f f i c i e n to fs i d es o i l ，a n dr i g i d i t yc o e f f i c i e n to fb o t t o ms o i la r em a i nf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c ew o r k i n gp r o p e r t i e so ft h i n w a l lp i p ep i l eu s i n gc a s t i n s i t uc o n c r e t e s i x t h ， c o m b i n i n gt h ec a n o n i c a lr e q u i r e ，aw a yt or o u g he s t i m a t e t h eu l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t yh a s p r o p o u n d e d “e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hp r o j e c to f p c c i nt h ep e n i n s u l ao f w e n z h o u ”i si n t r o d u c e d ， t h a ti sh e l p f u lt oc a r r yo u tt h en e x tw o r k t h ec a l c u l a t i o nt h e o r ym a d ei nt h i s p a p e r h a sa g o o dv e r a c i t y t os i m u l a t e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n g c a s t i n - s i t uc o n c r e t e ；l o a dt r a n s f e r ；u l t i m a t ec a r r y i n g c a p a c i t y ；f o r c eo ff r i c t i o n ；s e d i m e n t a t i o n ；c r i t i c a ll o a d 浙江大学硕士学位论文竖向荷载作用下现浇混凝士薄壁倚桩的i ：作性状研究 龚迪快2 0 0 5 年2 月 1 1 前言 第一章绪论 沿海等地区特别是长江、珠江三角洲存在着许多复杂的软土地基，在施工建设 过程中必须进行加固处理，以增加地基的稳定性，减少沉降。软基处理的方法对工 程质量、工期和经济效益均有重要的影响。 目前软基处理中使用的方法主要有桩基、搅拌( 粉、浆) 桩、散体材料桩、强 夯法和真空预压、超载预压等。每种加固方法都有它的适用性和局限性。搅拌( 粉、 浆) 桩、散体材料桩加固方法造价低廉，但施工质量难以控制，检测繁琐、费用高， 且加固深度有限；超载预压法由于软基土的强度较低，存在地基的稳定性问题，不 能加速加载，制约工程的进度，因此旌工工期很长，影响了工程投资的经济性。另 外超载预压需要额外土方，将会多占用耕地，破坏环境；强夯法对透水性较强的软 加固效果明显，而对沿海地区透水性差的粘土及淤泥质土来说，该法的使用就受到 了很大的限制。 在加固软土地基中使用桩基，由于施工速度快，可大大缩短工期，加固处理深 度不受限制，适宜各种地质条件，可明显增加地基的稳定性，提高地基的承载力和 减小变形，长期以来，无论在建筑工程，还是在道路工程中，都得到普遍采用。这 其中主要包括实心预制桩和现场灌注混凝土桩，以及预制混凝土管桩等。预制实心 桩较现场灌注桩造价要高：现场浇筑混凝土桩单方造价较低，但也不能节省混凝土 材料，从根本上看，现场浇筑混凝土实心桩的造价并未得到明显的降低。为此，又 发展了预制混凝土管桩，该桩型的单方混凝土提高承载力较实心混凝土桩有了较大 的提高。但预制混凝土管桩需要在工厂预制，其从形式上是节省了材料，但考虑到 运输和打入施工等因素，又必须加入大量的钢筋以增加强度抵抗施工可能带来的破 坏，从而增加了造价，故地基加固成本较高。因此，寻求使用较少的混凝土方量， 以实现造价低、承载力高，并且能明显增加地基稳定性的新桩型成为岩土工程界迫 浙江大学硕士学位论文竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁筒桩的： 作性状研究龚迪陕2 0 0 5 年2 月 切需要解决的问题。正是考虑到实心桩及预制锈桩的不足，我们的科技工作者研制 出了一种新的桩型现浇混凝土薄壁筒桩( t h i n w a l lp i p ep i l et l s i n g c a s t - i n s i t uc o n c r e t e ) ( 以下简称筒桩) 。 现浇混凝土薄壁筒桩作为一种新的桩型，具有良好的应用前景。以前，人们把 主要的精力放在了改善筒桩的施工工艺方面，而在理论及试验研究方面倾注的热情 较少。设计者也因为对筒桩的工作性状了解不足，容易产生这样或那样的失误，有 的造成工程上的巨大浪费，有的甚至留下严重的安全隐患。 本章将首先对筒桩作概括介绍，然后对目前桩基特别是针对筒桩的理论研究 现状进行总结分析，最后简要介绍本文所做的主要研究工作。 1 2 筒桩简介 1 2 1 概述 谢庆道教授根据浙江沿海软土地区和海洋工程的特点，对成桩工艺做了深入细 致的研究，按照省材、优质、高效、环境效益好的原则，对工艺进行了不断改进， 于1 9 9 8 年初，发明研制成“埋于软土地基的混凝土简体的施工方法及压入式一次成 孔器”( 该技术己获国家专利，专利号为c n l 2 2 1 0 5 6 a ) ，由此出现的桩基技术称为现 浇混凝土薄壁筒桩技术。筒桩目前最大施工深度已经达至1 j 4 8 5 m ，桩径最大已经做到 1 ，5 m ，并且向着更大的桩径发展。筒壁厚度1 0 0 2 5 0 m m 。目前工程上使用的筒桩主 要有素混凝土筒桩和钢筋混凝土筒桩两种( 见图1 1 和图1 2 ) 。 1 2 2 旌工设备及施工工艺 1 旋工设备 筒桩施工设备主要包括：底盘( 含卷扬机等) ；龙门支架；振动头；钢 质内外套管空腔结构；活瓣桩靴结构；成模造浆器：混凝土分流器。如图1 3 所示。 浙大学硕士学位论文 蛀向荷载作用下现浇混凝士薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 图1 _ l 素混凝土筒桩 图1 2 钢筋混凝土筒桩 i z 翮 l 11 立面困 侧面田 圈1 3 现浇薄壁筒桩的设备 2 施工流程 施工进场一现场装配一桩机就位一振动沉管一浇注混凝土一振动拔管一移 机。施工流程示意图见图14 。 浙江大学硕十学位论文竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁筒桩的：作性状研究羹迪快2 0 0 5 年2 f e | 1 2 3 技术特点 牲帆冀位 擐萌沉智 浇蛀麓凝生i l l l o t a t 黛挂 图1 4 现浇薄壁筒桩的施工工艺 1 一次成孑l 灌注成桩，施工快捷。 2 能使被桩靴挤出的多余软土通过内套管内侧抬升而自动排出，构成了t l 动排土技 术，因而大大减少地面隆起、桩体被拉长、拉裂等问题，施工质量易于控制。 3 采用环形桩靴，施工时贯入阻力小，口径可根据工程需要或承载力要求进行调节。 4 专用的振动压入式一次成孔器结构简单，对设备要求不高，易于安装；施工时对 材料要求低，材料运输工作量小，散体运输，随意性好：施工速度快，节省大量的 建筑材料。 5 施工时无需造浆，无废土运进运出的问题，环境效益好。 6 无桩侧泥皮与桩底沉渣，相同条件下的承载力较高；如果成桩后将顶部振捣密实 并浇上混凝土盖板，承载效果更好。 7 在传统桩型无法施工的工程地质条件或施工难度较大的工程，如地基施工中遇到 流沙，亦会因现浇薄壁简桩技术的采用而易于解决，起到事半功倍的效果。 8 水下成桩可实施一次性成桩，可大大节约工时，有效地降低工程费用。 1 2 4 筒桩方案与其他桩基方案的比较 1 9 9 9 年2 月，温州建筑设计院在温州银策大厦设计过程中，为了选择桩型，在 浙江大学硕士学位论文竖向荷载作用卜现浇混凝士薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 _ j 桩基工程论证中，根据勘测部门提供的初勘资料，以同一钻孔进行单桩承载力分析 比较，然后以薄壁筒桩承载力为基础，计算各桩混凝土量进行造价分析，对现浇薄 壁筒桩与目前我国使用频率较高的4 种传统桩型振动灌注桩、钻孔灌注桩、预 制方桩、预应力管桩作出技术和经济指标的初步对比，见表1 1 。 从表1 1 可知，对比中选用的现浇薄壁筒桩的外径1 2 0 0 m m ，内径8 0 0 m m ，筒桩 壁厚0 2 m ，纵然如此它亦较4 种对比桩型造价低。经计算，简桩壁厚0 1 5 m 即可保 证质量和工程要求，造价则更低。此外，还应指出，温州建筑设计院所做的桩基础 对比并末考虑现浇薄壁简桩的内侧摩阻力及桩靴的桩底反力。因此，现浇薄壁筒桩 实际的单桩承载力明显超过2 9 9 0 k n 。 表1 1 温州银策大厦桩基础方案比较 桩壁舡方法 桩径 桩长( m )薏凝土 单桩承载 单桩混登造价( 元) 技术说明 c r a m ) 标号力( i 一)土量( m 3 ) 浙江大学硕士学位论文竖向荷载作用f 现浇混凝土薄壁简桩的一 作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 质量难保 预应力管外5 0 0 静压施一l 3 6 桩内3 0 0 价格适 中，施工 方便，质 量保证， 但布桩 密，挤土 总之，筒桩是软土地区的优质高效桩，具有较大的应用推广价值。 1 3 单桩研究的现状 众所周知，单桩的竖向承载力和沉降计算是单桩设计计算中最基本也是最重要 的两个方面，有关这两方面的研究成果相对来说也比较成熟，在此对其研究现状作 简要介绍。 1 3 1 单桩竖向承载力计算理论 单桩的竖向承载力的确定主要有原位测试法、静力法、经验法、动测法等。 1 原位测试法 ( 1 ) 现场单桩垂直静荷载试验 桩的静载试验是目前确定单桩承载力的最科学和最广泛使用的一种方法，但它 的费用昂贵，费时费工，只限于重要的一级建筑物才采用。其确定单桩承载力的主 要计算方法有：q j 曲线明显转折法、q s 曲线交会法、5 一l g q 曲线判别法、 l g q l g s 曲线折点法、s l g f 曲线判别法等、沉降值控制判别法等。 ( 2 )建筑桩基技术规范法 采用静探试验测得的桩侧极限侧阻力标准值q 。和桩底处土的极限端阻力标准 值q 。，用公式计算竖向承载力。 ( 3 ) 铁路系统“综合修正法” 即用静探试验测定土的静探端阻和局部侧摩阻力后用公式计算竖向承载力。其 他原位测试法还有法国的l p c 法、m e y e r h o f 法、法国1 9 8 5 年规程中的建议方法等。 浙江大学硕士学位论文 竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁简桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 2 静力法 对于极限端阻力的计算主要有以下两种方法： ( 1 ) 极限平衡理论公式 以刚塑性理论为基础，假定不同的滑动破坏形式，导得不同的极限端阻力理论 表达式。其中t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) ，m e y e r h o f ( 1 9 5 1 ) ，v e s i c ( 1 9 3 6 ) 公式为具有代表性的 端阻力极限平衡理论公式。 ( 2 ) 考虑土的压缩性的极限平衡理论公式 v e s i c 于7 0 年代提出了考虑土的压缩性的极限平衡理论公式，其极限端阻力的计 算值随土的压缩体变增大而减小，比按刚塑性理论求得的与土的压缩性无关的极限 端阻力公式相比有所改进。 静力法对桩侧阻力的计算通常是取桩身范围内各土层的极限侧阻力与对应桩侧 表面积乘积之和，有总应力法和有效应力法两类，又可归纳为a 法、口法、a 法、 f l a a t e 法、l 艋界状态法等。其中口法属总应力法，口法、f l a a t e 法和l 腼界状态法属 有效应力法，a 法适用于粘性土。 3 经验法 这种方法被用于桩基的初步设计和非重要工程的设计，或作为多种方法综合确 定单桩承载力的依据之一，也有的规定在无条件进行静载试验的条件下应用这种方 法确定单桩承载力。经验法主要有建筑桩基技术规范中的方法、铁路桥涵设计规范 中的方法、前苏联建筑规范法等。 4 动测法 根据作用在桩顶上动荷载的能量能否使桩土之间产生一定的塑性位移或弹性位 移，可把动测法分为高、低应变两种方法。高应变法可以较可靠地确定单桩承载力， 而低应变从原理上并不能直接得到承载力，其估算值并不是实测值，而是带有很大 的地区经验和人为因素的推断值。高应变动测法主要有动力打桩公式法、锤击贯入 法、s m i t h 波动方程法、c a s e 法、波形拟合法、静一动试桩法等。 浙江犬学硕士学位论文蛏向荷载作用下现浇混凝土薄壁倚桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 1 3 2 单桩沉降计算理论 对于一柱一桩的情况，单桩的沉降计算就是一个实际的工程问题。另一方面， 某些群桩的沉降计算方法，是以单桩沉降为基础，通过经验关系或迭加原理而得到 的。故对桩基的沉降，有必要先分析单桩的沉降。 在竖向工作荷载作用下的单桩沉降由以下三部分组成： ( 1 ) 桩身本身的弹性压缩s 。； ( 2 ) 桩侧摩阻力向下传递，引起桩端以下土体压缩所产生的桩端沉降j 。： ( 3 ) 桩端阻力引起的桩端以下土体所产牛的桩端沉降s 。； 单桩桩项沉降s 可表达为： s 2s c + s 9 s 口 觋s 3 s tq - s 口 式中s p 桩端以下土体的压缩。 桩端以下土体的压缩包括：土的主固结变形和次固结变形。除了土的固结变形 外，有时桩端还可能发生刺入变形( 土体发生塑性变形) 。对固结变形可用土力学中 的固结理论进行计算，固结变形产生的沉降，是随时间而发展的，具有时间效应的 特征。当桩端以下土体的压缩与荷载关系近似为直线关系时，也可以把土体视作线 弹性介质，运用弹性理论进行近似计算。对刺入变形目前的研究还不够，无法很好 地进行预测。 在工程上可根据荷载特点、土层条件、桩的类型，选择合适的桩基沉降计算模 式及相应的计算参数。沉降计算是否符合实际，在很大程度上取决于计算参数的正 确确定。 目前单桩沉降的计算方法主要有以下几种： ( 1 ) 弹性理论法； ( 2 ) 剪切变形法； ( 3 ) 荷载传递法： ( 4 ) 有限单元法。 浙江人学硕士学位论文蛏向荷载作用下现浇混凝七薄壁筒桩的f 作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 1 弹性理论法 弹性理论法的基础是m i n d l i n 课题。m i n d l jn 给出了在均匀、各向同性的弹性半 空间内作用单位竖向荷载的情况下，弹性半空问内任一点处应力、位移的积分形式 的解析解。弹性理论法是以p o u l o s ( 1 9 6 9 ，1 9 8 9 ) 为代表的，p o u l o s 和d a y i s ( 1 9 6 8 ， 1 9 8 0 ) 等人从弹性理论中的m i n d l i n 公式出发，系统地导出了单桩和群桩的计算理论 以及计算表格。为了把均质土中已有的分析公式应用到非均质土的情况，p o u l o s 的 一种处理方法是近似地假定土体内的应力与原均质土体中分布情况相同，而计算土 体位移时所用到的土的模量与该点的位置有关。对于桩端以上有若干土层的情况， p o u l o s 建议也可取加权平均模量来代替。桩一土共同分析的难度在于如何确定桩周 摩阻力与桩端阻力的大小和分布形式。g e d d e s ( 1 9 6 9 ) 从m i n d li n 的应力基本解出发， 并假定桩端阻力为均布，桩周摩阻力为梯形分布，其中梯形可分解为矩形分布和三 角形分布之和。g e d d e s 将上述三种荷载分别积分，并给出了它们在半空间内任一点 处的表达式，根据应力解，然后再求得沉降表达式。 综上所述，弹性理论方法能考虑土的连续性，在一定程度上能考虑桩与土的相 互作用。但这类方法也有其理论上的缺陷，首先是应用m i n d l i n 公式时忽视桩的存在 所产生的影响，认为荷载作用于未加桩时的理想均质、各向同性弹性半空间体内； 其次在考虑土的非均质时，不得不采用一些近似的假设：第三，由于假设土体应力 应变关系为线弹性，分析桩、土的非线性受力特征存在困难；最后，土的变形指标 很难从室内土工试验中精确测定，一般需要从单桩静载试验结果反求其值。尽管如 此弹性理论法的单桩和群桩分析在今天已发展成种能实际使用的、较完善的理论 体系。 2 荷载传递法 该方法s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 首先提出，其基本概念是把桩离散为一系列等长的 桩段( 单元) ，每一桩段与土之间的联系用非线性弹簧来模拟，弹簧的应力应变关系 即侧阻力与位移之间的关系t s ，端阻力与位移之间的关系q s 。利用已知的桩 侧、桩底荷载的传递函数( f s 、q s 。关系) ，求解桩顶荷载与沉降曲线( q s ) ， 桩身荷载沿桩身的传递曲线( q z ) 以及侧阻力沿桩身分布曲线( f z ) 等，这就是 浙江人学硕士学位论文竖向荷载作用f 现浇混凝士薄壁筒桩的工作扎状研究舞造快2 0 0 5 年2h 所谓的荷载传递法。按求解微分方程的不同途径，荷载传递法可分成荷载传递解析 法、位移协调法以及其他一些方法。荷载传递解析法由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 和佐腾悟( 1 9 6 5 ) 等先后提出，在通过试验实测并按一定模型建立的传递函数形式不太复杂时，便可 直接求得解析解。关于此法的传递函数的确定，对桩身荷载传递函数，一般系由桩 静载试验资料导得荷载传递关系，并以此为基础再导出现场数据曲线拟合的荷载传 递关系，或使荷载传递曲线与土性或桩的参数相关的表达式。常用的有代表性的桩 身传递函数模型有指数曲线( k e z d i ，1 9 5 7 ) 、双曲线( g a r d n e r ，1 9 7 5 ) 、和理想弹塑 性关系( 佐腾悟，1 9 6 5 ) 、何思明( 1 9 9 5 ) 模型等。桩端的荷载传递函数主要有v i j a y e r g i y a 模型、r e e s e 和w r i g h t ( 1 9 7 7 ) 模型、何思明( 1 9 9 5 ) 模型等。荷载传递法在理论 上存在这样两个缺陷：一是利用桩身某点的荷载传递曲线( r s ) 时，只考虑了该点 剪应力的影响，未考虑桩身各单元间的相互影响：二是由于未考虑土体的连续性， 因而荷载传递法不适于分析群桩的荷载一沉降特性。但总的来说，荷载传递法是一 种比较实用，效果较好的方法。 3 剪切位移法 剪切位移法最初是由c o o k e ( 1 9 7 4 ) 等在试验和理论分析的基础上提出来的，用于 分析均质弹性地基中纯摩擦剐性桩问题。c o o k e 认为摩擦桩的沉降主要是由桩周土的 剪切变形引起的。假定桩产生竖向位移时，桩侧摩阻力通过环形土体单元向四周传 递，根据任意两环面上剪力相等的条件，得出桩壁土剪切位移缈与f 和环面半径r 的 关系。由于不考虑桩的压缩和桩土滑移及桩端阻力的作用，故此法只适用于小荷载 下的纯摩擦桩的分析。为了弥补这些不足，r a n d l o p h 和w r o t h ( 1 9 7 9 ) 将桩承受的荷 载分为桩侧摩阻力与桩端阻力，桩端平面以上的土体变形( r ) 只由桩周摩阻力产 生，按c o o k e 的剪切位移法求得，桩端下的变形w ( b ) 由桩端阻力产生，按b o u s s i n e s q 公式求得。然后采用无量纲法得出非均质土体单桩的桩顶沉降矽，与荷载q 的关系， 运用同样方法，采用位移场叠加原理，r a n d l o p h 和w r o t h ( 1 9 7 9 ) 又分析了群桩体系 的荷载位移矩阵按变形条件不同求出群桩的沉降特性。 4 有限单元法 1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将有限元引入土力学，6 0 年代后期，开始将有 浙人学硕七学位论文 竖向荷载作用f 现浇混凝土薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 限元应用于桩体分析，并迅速成为桩基分车斤中一个应用广泛且相当有效的工具。它 本身只是将连续体离散后进行计算，并未对分析模型的物理条件进行明确的限定。 从理论上来说，它考虑影响桩基性能的许多因素，如土的菲线性、固结效应以及 动力效应、桩的特殊边界约束条件等。它远比传统的数值分析方法、弹性理论法、 荷载传递法和剪切变形传递法优越。有限元方法可以考虑实际的三维效应，并可以 计算桩和沿桩周地基土的应力和应变。它可以模拟导致破坏区和楔形体分界的应力 和变形的逐渐发展过程，而且还可以包含本构性状的真正意义上的三维描述，也可 考虑应力历程，应力释放和相互作用效应等因素。但其实际应用中也有缺点，一方 面如考虑桩的影响因素多，问题就比较复杂；另一方面计算费用比较昂贵，特别是 对于大型群桩问题的计算分析，往往建模相当复杂。在桩基分析中应用有限单元法， 可用来揭示桩的受力特性，并与实测结果验证，以指导桩的设计和施工。 1 。4 筒桩研究的现状及存在的问题 辨证唯物主义认为，要获得对一个事物的正确认识总是要经历实践理论一 一再实践的过程，这种认识方法对土木工程领域同样适用。筒桩作为一种新型桩， 具有良好的应用前景，在实际工程中也已有所推广。然而，对筒桩的试验研究、理 论分析、计算方法等都还有待分析和探讨。理论研究的落后对于筒桩的推广应用是 非常不利的，温州半岛工程海堤原打算采用筒桩方案，后因有关部门考虑到采用新 型结构的风险性，最后只同意建设一试验段，待试验研究成功后再进一步推广。相 信随着对筒桩研究的不断深入，人们会对该新型桩越来越信任。 迄今为止，关于筒桩报道大多集中在施工工艺及工程应用方面，但在筒桩的工 作性状研究方面成果非常有限。主要研究成果有： 谢庆道( 1 9 9 8 ) 提出了现浇混凝土薄壁筒桩的一次成孔器的专利； 河海大学刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 较详细地阐述了振动沉模大直径现浇薄壁管桩的旌 工技术及应用： 汪鹏程( 2 0 0 4 ) 根据圆孔扩张理论推导并比较了筒桩与普通沉管灌注桩的挤土 效应： 浙江大学硕士学位论文竖向荷载作用卜现浇灌凝十薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 叶俊能( 2 0 0 3 ) 考虑桩内土芯，用荷载传递法推导了有盖板情况下筒桩沉降的 弹塑性半解析解，并应用有限元程序对影响筒桩工作性状的主要因素进行了分析； 费康( 2 0 0 4 ) 应用s m i t h 提出的弹塑性模型在分析静载试验时忽略阻尼作用， 桩体和土芯均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟，从而针对筒桩沉降提出了 一套简化分析方法。 另外，实际工程中，对筒桩做了不少基本的试验，如静力载荷试验等，这有助 于我们初步了解筒桩的工作性状。 作为一种新型桩，筒桩具有良好的应用前景。虽然近些年来对这一问题在理论 分析、试验研究及工程实测等方面进行了一些探索，并取得了一些成果，在工程设 计中也得到了应用，但是总体说来，到目前为止，人们对筒桩的工作性状的认识还 停留在初级阶段，也未形成比较完善的设计理论和计算方法，许多问题有待于更进 一步的研究。 1 5 本文的主要工作 根据工程实践的需要和目前对筒桩工作性状的研究现状，本文主要做了以下几 个方面的工作。 1 介绍筒桩，并对目前桩基沉降计算理论研究现状作了总结回顾； 2 根据筒桩在海洋工程和路基工程中的工作特点，将筒桩分为无盖和有盖两种情 况。利用荷载传递法，考虑桩内土芯，分别建立起桩体和土芯的基本微分方程，并 推导了求解的控制方程组，给出了竖向荷载作用下单桩沉降的半解析解： 3 编制筒桩沉降计算程序，并应用程序进行算例分析； 4 提出比较符合实际的简桩承载力确定方法； 5 概要介绍温州半岛工程筒桩试验研究方案，以指导下一步即将开展的筒桩试 验研究工作。 浙江大学硕。 学位论文怪向荷载作用下现浇混凝土薄壁简桩的下作性状研究龚迪认2 0 0 5 年2 月 第二章竖向荷载作用下无盖筒桩的沉降研究 2 1 引言 荷载传递法，首先由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年提出。其基本假定为：将桩分 成许多基本单元，每个单元与土的关系是用非线性弹簧联系。这些非线性弹簧表 示桩侧摩阻力与剪切位移的关系，通常统称为荷载传递函数或r s 曲线。当桩 顶施加荷载q o 时，随着桩身的压缩变形及桩尖变形的增长，桩侧摩阻力r 与桩 尖抗力q ，逐步得到发挥。因而f 与q 。和桩身沉降有着直接联系。 荷载传递法的基本微分方程为： a 2 su 0 z z2 a e 7 桩身竖向位移j 的求解取决于桩土之间的传递函数r s 。一旦桩土间的 传递函数确定后，就可求得在竖向荷载下桩侧摩阻力、桩身轴力分布以及桩身各 截面处的位移。 荷载传递法的优点是能很好的反映桩土之间非线性性状、界面特性及成层地 基问题，而且计算简便，易于为工程界接受。其缺点是桩上任意点的位移仅与该 点的剪应力有关，而与桩身其他点的应力无关，所以不能考虑土的连续性，不能 考虑桩与桩之间的相互影响，不能用于群桩分析。 荷载传递法的关键是能否建立一种真正反映桩、土界面应力和位移关系的传 递函数。传递函数的获得可以有两种方式。一是采用现场方法测量，在桩中埋设 传感元件，实测外荷载作用下不同深度桩的应变，以求得f s 关系，实测方法 可以得出较符合实际的r s 关系。但由于其费时费力，且具有一定的区域性， 故不能大范围推广。另一种方法是根据一定经验及机理分析探求具有广泛适用性 的理论传递函数，如左腾悟的线性全塑性模型。k e z d i 的指数模型等。 本文采用荷载传递法，分别建立桩身及桩内侧土芯的荷载传递基本微分方 程，分别求角军桩身沉降f 与深度z 的关系，从而求解桩身轴力、内侧与外侧摩阻 浙江火学硕l 学位论文竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁筒桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 力、荷载与沉降关系等。 海洋工程中，筒桩桩顶一般高出地表，桩顶荷载先传给筒桩，然后再由筒桩 传给地基。而路基工程中，筒桩桩顶一般现浇一盖板，桩项荷载除了传给筒桩之 外，一部分还直接传给地基。上述两种情况桩土的受力状况不尽相同，本文称前 者为无盖筒桩，后者为有盖筒桩。本章着重解决无盖筒桩的求解问题，有盖筒桩 的求鳃见第四章。 2 2 筒桩沉降微分方程的建立 2 2 1 受力模型 图2 1 及图2 2 表示无盖简桩的受力模型，其中g ，分别表示桩身端阻 力和土芯端阻力。r ，r ，分别表示桩身所受的外侧与内侧摩阻力，z t i 为土芯侧摩 阻力，由作用力与反作用力关系可知f ，= f ，。 q 。i 一! 一一 一一一一一一一| | ；s w r砭s 孑二 新江大学硕l 学位论文竖向倚载作用下现浇混凝_ 十薄壁筒桩的t 作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 2 桩外侧桩土的传递函数f s 关系为理想线弹塑性关系，如图2 3 所示，其表 达式为： 当s s 。时，r = 当s s 。时，f = r 。= 常数 3 桩内侧桩土的传递函数r s 关系为简单线性关系，如图2 4 所示，其表达式 为： f 2c s 4 桩端及士芯端部土体简化为弹性一硬化的弹簧模型，如图2 5 ，其表达式为： 当j p s ，) 阶段：当桩顶荷载继 续增大，桩端位移超过桩端土抗压弹性极限位移s 。，桩端土抗压刚度系数变为 k 2 。 2 2 4 推导过程 1 桩外侧土处于弹性剪切阶段 出i 爿出幽 o 。( z ) 坦，( z ) 图2 5 桩身微分单元 图2 - 6 土芯微分单元 取任一桩身微分段，如图2 5 ，由静力平衡可得： d q = 一 【，c s + u ，c ，( s j 。) 】d z ( 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文降向荷载作用下现浇混凝十薄壁筒桩的丁作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 式中，u 为筒桩外圆周长； u ，为筒桩的内圆周长。 桩身单元的弹性变形为： 出：一旦出 删。 式中，e 为桩身的弹性模量； a 。为筒桩圆环的面积，即混凝土桩身面积。 将式2 - 2 两边求导并代入式2 - 1 ，可得 6 。参= ( b , + b 3 卜卟， 同理，取任一土芯微分段，如图2 6 ，由静力平衡可得 d q , = u ，c ，0 一s t ) 出 式中，u 为筒桩内圆周长。 土芯单元的弹性变形为 蚺一最出 式中，e 为土芯的弹性模量： a 为土芯的截面面积。 将式2 - 5 两边求导并代入式2 4 ，可得 。：謦一軎m m 式中，b l = u ，c ，； b 2 = e ，a ，； b 3 = u c ； b 4 = a p e 。 由式2 - 3 可得 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 浙旺入学硕士学位论文努向茼载作用下现浇混凝卜薄壁简桩的工作性状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 d e s ，b l + b 3d 2 s b 4 d 4 s d z 2 b i d z 2 b t d z 4 式2 7 和式2 - ：3 代入式2 - 6 整理得微分方程 r 2 = ，3 = = c 。窘蝎窘怕删。1 可竹2 矿札3 ” 压+ 压i 石 1 1 ；- 一 f 喝+ 压啄 一1 | f 瓦_ f 1 一压啄 1 f ；_ 一 医一压e i 12 c 】 则微分方程2 - 8 的解可表示为 s = a e r , 。+ 曰e 2 + l ：b 0 2 + d e 。 故孚= 3 + r 2 b e 。+ r 3 c e 2 + r 4 d e d l z 再d 2 s = 2 扩+ r 2 2 + 2 。+ _ 2 。e _ = 代入式2 - 3 可得 s r = d l a e l 7 + d 2 b e 2 + d 3 c e 2 + d 4 d e 。 其中： 8 ( 2 - - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 为根征特个四的呈方征特的 应 生反 对坟一执k屯以一玩掷 = = = 程 q 龟 q 方 中 分 其 微 浙江大学硕士学位论文 。陛向荷载作f f j t i r a 浇混凝土薄壁筒桩的工作眭状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 小竿 卜竿 p 辜b t + b 3 - b 4 r 3 z s = a e 2 + b e 0 2 + c e 2 + d e _ 2 j ，= d l a e l 。+ d 2 b e 2 + d ，c 色。2 + d 4 d e l 2 耋= 爿e + 屹眈+ 。c e v + _ 。e * ! = d l 爿e 甲+ d 2 ，2 b e 丘2 + d 3 c e 牛+ d 4 _ d e _ ： 韶 边界条件 删，割o q o = 。 割o q 叫。一l 。) = 。 乳“印i 。= 。 剐，乱懈刮。= 。 s ，s t 及竺，孚的表达式代入上式经整理可得线性方程组 北也 其中 9 ( 2 1 1 ) 1，ij 一旧限他限一 i i 1l，j 彳b c d riii。ij。jjii h 抖 甜 口 口 口 盯 砧 站 盯 以 口 口 n 堙 舱 弛 妮 口 口 口 口 口 d 盘 拉 p。l 浙江人学磺l 学位论文竖向荷线作用下现浇混凝士薄壁筒桩的工竹盹状研究龚迪快2 0 0 5 年2 月 a t i2 - a 1 22 a 1 3 2 r 3 以1 4 = r 4 a 2 l = b z d l + b l ( 1 一d 1 ) a 2 2 = b 2 d 2 r 2 + b 1 ( 1 一d 2 ) a 2 3 = b 2 d 3 r 3 + b l ( 1 一d 3 ) a 2 4 = b 2 d 4 r 4 + b l ( 1 一d 4 ) a 。= ( + k 1 ) 吐e 叫 a 4 2 = ( e f r 2 + k 1 ) d 2 e 。 a 4 3 = ( e t r 3 + k 1 ) d 3 e 叫 a 4 4 = ( e ，r 4 + k 1 ) d 4 e 叫 f 口，t = ( q + k 1 ) e 州 f d 3 2 = ( e r 2 + k 1 ) e 叫 i 口3 3 = ( e r 3 + k 1 ) e 叫 i n 3 4 = ( 占t + k t ) e 叫 由线性方程组可解得系数a ，b ，c ，d ，代入式2 - 9 和式2 - 1 0 可求得s 及s 的表达式。 2 桩外侧土处于弹塑性剪切阶段 设塑性区开展深度为h ，桩顶至h i 深度范围为塑性区，桩底以下h 2 范围为弹 性区。 对塑性区，根据土芯单元和桩身单元的静力平衡和压缩量表达式可得： l 警= w 叫) i 堕一型：一旦 j d zd z b 2 f 些：一旦 i d z 以 l 詈= 一【6 5 州“) 】 消去q t ，q 得 6 4 可d z s , = 6 5 + v 一“ 6 2 ( 警一呐“w 其中b 5 = u q o = u c s 。 q 。表示外侧土的极限摩阻力 消去s ：可得方程： 2 0 2 1 2 1 2 1 2 2 0 | | 钆鳊一瓦广 一 6 1 | j i 既 如 ，i，、l 浙江大学硕上学位论文 竖向荷载作用下现浇混凝土薄壁筒桩的工作性状研究龚迪帙2 0 0 5 年2 月 其中 ，可d 4 s t + ，：可d z s , + l = 。 卜鲁 ，2 ：一鲁 卜毒 另外5 = 一； z 2 是微分方程2 - 1 3 的一个特解 2 ， 故微分方程2 一1 3 的解可表示为： 其中： ， l 2 一瓦 由式2 1 4 可得 s = a + b 名+ c e 南2 + d e 。+ 2 s z 2 掣：+ 2 屯z + 2 ，c e 如+ 2 4 d 铲： o z 罢：2 也+ 也z c ，。扣+ 厶：d ，。如 代入2 - 1 2 - 1 可得： s ；= j i + 彳+ b z + 5 z2 + 厶c e 七。+ ，3 d e 山 其中 2 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 渐江大学硕一 学位论文氍南衙载作用下现浇混凝士薄壁筒枷的t 作能状研究 龚迪快2 0 0 5 年2 月 d ，= b 5 2 b 4 五5 厶：掣 执 整理可得 s = a + b z + c e 也2 + d e 1 # +