（岩土工程专业论文）现浇混凝土薄壁管桩水平受力特性试验研究与分析.pdf

摘要 摘要 大直径现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程科学研究所研 制的一种新型桩基技术，该桩型具有造价低、施工速度快、操作简单等特点，目前 已经在江苏、上海、浙江等地得到推广使用，取得较好的效果。但作为一种新桩型， p c c 桩理论研究还落后于实践，且现有的理论研究主要集中在桩的竖向承载性方 面，关于桩水平受力特性方面的研究还很少，这在一定程度上限制了该桩的进一步 推广使用，因此，对p c c 的水平受力特性进行研究是非常必要的。此外，就桩基水 平承载性研究本身而言，由于问题的复杂性，现有的理论也存在许多不足之处，也 有待于进一步完善。 基于上述存在的问题，本文主要从试验研究和理论分析两个方面对p c c 桩的水 平受力特性进行研究。本文主要研究内容如下： 1 ) 回顾总结了国内外有关桩基水平承载特性方面的研究现状，对现有主要理论 方法进行比较，分析了他们的优缺点，提出本文研究的目的和意义； 2 ) 根据p c c 桩的成桩特点，在均质砂土中，开展了p c c 桩室内模型试验，探 讨分析了p c c 桩桩身水平位移、桩身弯矩以及桩前土抗力分布等水平受力特性，定 性地分析桩径、桩长以及分层土体对受力特性的影响； 3 ) 基于杭千高速公路软基处理工程，对p c c 桩进行现场试验研究，分析了原型 桩的水平承载性，对单桩的极限承载力、不同加载方式的影响进行分析； 4 ) 考虑土体的弹塑性变形性质以及桩土作用的非线性特性，建立一个静荷载下 水平承载桩的弹塑性简化分析方法，并利用格利塞有限差分法进行数值解答，通过 与试验结果、数值计算以及传统弹性m 法进行比较，证明了该法的合理性。 5 ) 利用上述弹塑性方法对影响p c c 桩水平受力特性的桩体结构、桩周土体特性 等主要影响因素进行分析，探讨了各因素对f c c 桩水平受力特性影响大小及规律。 6 ) 通过模型试验和理论计算，对相同条件下，具有相同截面积的p c c 桩、实心 圆桩和实心方桩的水平受力特性进行比较，分析了p c c 桩抗水平变形的优越性。 关键词：现浇混凝土薄壁管桩、水平荷载、试验研究、弹塑性分析、有限差分、影 响因素分析 m 河海大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee a s t - i n - s i t uc o n c 瞅et h i n - w a l lp i p ep i l e ( s i m p l en a m e dp c c ) i sai l c wp i l e t e c h n o l o g yd e v e l o p e db yt h er e s e a r c hi n s t i t u t eo fg e o t e e l a n i c a le n g i n e e r i n go fh o h a i u n i v e r s i t y , u s e d t ot h es o i lg r o u n dl i e a t m e n t c o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so f p i l e ，t h ep c c p i l eh a ss o m l ep r e f e r a b l em e r i t s ，s u c h 鸥s h o r tc o n s t r u c t i o nt i m e , l o wc o n s t r u c t i o nc o s t a n de a s yo p e r a t i o ne t e c u r r e n t l y , t h i sn e wt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yi n j i a n g s u , s h a n g h a ia n dz h e j i a n ge t e b u ta san e wp i l et e c h n o l o g y , t h et h e o r ys t u d yi s d r o p p e db e h i n di t sa p p f i e a t i o n , a n dm o s ta t t e n t i o n sn o wh a v eb e e ng i v e nt ot h e 、e r t i e a l l o a dc a r r y i n gp r o p e r t i e s , t h es t u d y0 1 1i t sl a t e r a ll o a dc a r r y i n gp r o p e r t i e si sf e w , s oi ti s n e c e s s a r yt oc a r r yo u ts o n i cs t u d i e s0 1 1t h el a t e r a ll o a dc a r r y i n gp r o p e r t i e s i na d d i t i o n , t h e o r i e sw eh a v en o wo np i l el a t e r a ll o a dc a r r y i n gp r o p e r t ya r ed e f i c i e n t t h e ya l ea l s o n e e d e dt ob ep e r f e c t e d b e c a u s eo f t h e s ep r o b l e m sg i v e i ll l b o v e , s o m et e s ts t l i d i e sa n dt h e o r e t i ca n a l y s i sw c r e c a r r i e do u tt or e s e a r c ht h el a t e r a ll o a dc a r r y i n gp r o p e r t i e so fp c c p i l ea n ds o m eh e l p f u l c o n c l u s i o n sw e r ed r a w n , a n da l le l a s t o p l a s t i ea n a l y s i sm o d e la n di t ss o l u t i o nw c l cg i v e l l t h em a i nc o n t e n t so f t h ec u r r e n tr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 ) s t a t u so ft h er e s e a r c ho f p i l el a t e r a ll o a dc a r r y i n gp r o p e r t i e sw a sr e v i e w e d , a n d s o m cm a i ne x i s t i n gt h e o r e t i cm e t h o d sw e r ea l s oc o m p a r e da n da n a l y z e d a tl a s t , s o m e q u e s t i o n st h a tn e e d e dt ob es o l v e dw e f ed i s c u s s e d 2 ) i no r d e rt op r i m a r ya n a l y z et h el a t e r a lb e h a v i o r so fp c cs i n g l ep i l e ，s o m em o d e l t e s tw e r ec a r r i e do u t , t h r o u g ht h e s et e s t , t h eh y p e r b o l i cr e l a t i o n s h i pb e t 、 嘲t h el a t e r a l d i s p l a c e m e n to f p i l ea tt h eg r o u n ds l l l f a c ca n dt h el a t e r a ll o a di sa n a l y z e du s i n gt h el e a s t s q u a r e st e c h n i q u e s ，a n dt h ep o w e rf u a e t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en 埔x i m 岫m o m e n t o fp i l ea n dt h el a t e r a ll o a di sa l s op r e s e n t e d m e a n w h i l e , s o m ef a c t o l t 8 ，s u c h 鹊p i l e d i a m e t e r , p i l el e n g t h , a n dt h el a y e r e ds o i l ，t h a ti n f l u e n c et h ep i l ed e f o r m a t i o np r o p e r t y w e r ea l s oa n a l y z e d , a n ds o m l 。v a l u a b l ec o n c l u s i o n sw c r ep r e s e n t e d 3 ) b a s e do nh a n g q i a nh i g h w a ye n g i n e e r i n g , s o m ef i e l dt e s t so f p c cs i n g l ep i l ew e i e c a r r i e do u t , a z l dt h r o u g ht h e s et e s t s ，t h ep i l ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r s , l a t e r a lb e a r i n g c a p a c i t ya n dt h ee f f e c to f d i f f e r e n tl o a dp a t t e r nw e r ea n a l y z e d 舢a c c o r d i n gt ot h ee l a s t o p l a s t i c i t yo fs o i la n dn o n - l i n e a r i t yo f p i l es o i li n t e r a c t i o n , 锄e l a s t o p l a s t i em e t h o df o rl a t e r a ll o a d e dp i l ea n di t sn u m e r i c a ls o l u t i o nb a s e do ng l e s e r f i n i t ed i t 蕾e r e l l _ c ew e r ep r e s e n t e d , a n dt h ee l a s t i c - p l a s t i cr e s u l t sw e l ec o m p a r e dw i t ht e s t r e s u l t sa n dt r a d i t i o n a le l a s t i cr e s u l t sc a l c u l a t e d b ymm e t h o d , r e s u l t ss h o wt h a tt h e i v a b s t r a c t e l a s t o p l a s t i cm e t h o di sr e a s o n a b l e 5 ) u s i n gt h ee l a s t o p l a s t i cm e t h o d , f a c t o r st h a te f f e c tp i l el a t e r a lb e h a v i o r s ，s u c ha s p i l es t r u c t u r e ，s o i lc h a r a c t e rw e r ea n a l y z e dg e n e r a l l y , a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sf o r p r a c t i c ew e r ec o n c l u d e d 6 ) t h r o u g hm o d e lt e s t sa n dt h e o r e t i cc a l c u l a t i o n s ，t h el a t e r a lb e h a v i o r so fp c cp i l e a n do t h e rc i r c l es o l i da n ds q u a r es o l i dp i l et h a tw i t hs a m ec r o s sa r e aw e r ec o m p a r e d , r e s u l t ss h o wt h a tt h ec a p a b i l i t yo f p c cp i l er e s i s t i n gl a t e r a ld e f o r m a t i o ni sb e t t e rt h a nt h e s o l i dp i l e s k e yw o r d s ：c a s t i n - s i t uc o n c r e t et h i n - w a l lp i p ep i l e ，l a t e r a ll o a d ，t e s ts t u d y , e l a s t o p l a s t i c a n a l y s i s ，f i n i t ed i f f e r e n c e ，e f f e c tf a c t o r sa n a l y s i s v 前言 前言 桩基作为一种软基加固处理技术，与其他软基处理方法相比，具有适用范围广、 施工速度快、加固效果好等优点，因此，在土木工程中得到广泛地应用。目前，桩 基的种类较多，常用的桩基主要灌注桩、预制桩等，然而，目前大多数桩基都存在 着造价高、施工周期长等缺点，因此，寻求一种更为经济实用的新桩型是岩土工程 界普遍关心的一个问题。 大直径现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 是由河海大学岩土工程科学研究所自 主研制，并已获得国家发明专利的新型软基加固技术，该桩型综合吸收了实心灌注 桩和预制混凝土管桩的一些优点，具有施工速度快、造价低、加固效果较好等特点。 目前，该桩型已在江苏、上海、浙江等地得到推广使用，尤其在高速公路软基处理 工程中应用较多，取得了很好的加固效果。然而，作为一种新桩型，p c c 桩虽然被 成功地推广使用，但其理论研究还有待于进一步完善。目前，关于p c c 桩的研究主 要集中于桩的竖向承载特性方面，而水平承载性方面的理论还很少，还有待于补充 完善。 此外，由于早期桩技术的落后，桩径一般较小，桩身质量较差，人们往往只考 虑桩的竖向承载性，而忽略了桩的水平承载性。直到上世纪6 0 年代，随桩基技术的 发展，大直径桩越来越多，人们才开始考虑直桩的水平承载性。因此，与桩基的竖 向承载性相比，桩基水平承载性的研究起步较晚。多年以来，国内外众多学者对桩 基的水平承载性进行研究，也给出了许多理论分析方法，如极限地基反力法、弹性 理论法、弹性地基反力法、 曲线法等，但由于问题的复杂性，这些理论本身都存 在许多的不足，需要进一步完善，所以，进一步加强对水平承载桩理论本身的研究 也是非常必要的。 针对上述问题，本文主要通过室内模型试验、现场试验以及理论分析等方法对 p c c 桩在水平荷载下的受力变形特性及其影响因素进行详细探讨分析，为p c c 桩的相 关工程应用提供理论依据。 本文主要的创新性成果简述： ( 1 ) 研制一套室内模型试验装置，通过模型试验和现场试验，得到了p c c 单桩桩 身水平位移及弯矩的变形特征，以及桩顶最大水平位移和桩身最大弯矩随荷载的变 化规律，并根据桩顶位移与荷载双曲线关系，得到一个预估单桩水平极限承载力的 方法。此外，现场试验还表明：p c c 桩的薄壳结构，增大了桩土接触面积，能提供较 河海大学博士学位论文 高的水平承载力。 ( 2 ) 根据水平承载桩桩土作用非线性特性，在传统线弹性地基反力m 法和土体水 平极限抗力分析的基础上，充分考虑桩周土体塑性变形特性以及桩头约束条件的影 响，建立了一个水平承载桩简化弹塑性分析方法，该法既适合位移较小的情况，也 适合位移较大的情况，且计算较为简便。 ( 3 ) 通过试验和理论分析，得到了桩头约束条件、桩身抗弯刚度、桩径和桩长以 及土体特性等因素对p c c 桩水平变形特性的影响规律；比较了p c c 桩与相同截面实心 圆桩和方桩的变形特性，发现相同条件下，p c c 桩的水平位移仅为实心圆桩和方桩的 3 0 左右，表明相同混凝土用量时，p c c 桩抗水平变形的能力更好。 河海大学博士学位论文 本文采用主要符号 只作用于桩头水平荷载 厶作用于桩头的弯矩 p ( x ，力 桩侧计算点处单位长度土反力 田桩抗弯刚度 ，桩水平位移 口泥面处桩的转角 _ j ( z )桩侧土体水平反力系数 占，以，t桩身弯曲应变 6 0桩体同一断面两侧应变片间的距离 m 一 桩身最大弯矩 s桩体剪切力 l桩入土深度 日( z )桩背侧作用的分布荷载 m桩侧土体水平抗力系数的比例系数 见桩侧单位长度土体极限水平抗力 y 与见对应的桩临界水平位移 c 誓粘性土体不排水抗剪强度 ，土体有效容重 土体内摩擦角 x 。土体被动土压力系数 h桩体划分单元长度 d桩径 见弹性状态时的土反力 p 。 塑性状态时的土反力 4 、正计算常数 b 1 c l ，d t ，e t 请鼻絮数 王0 临界水平荷载 ) 0 临界水平位移 v 。桩顶位移系数 v i 学位论文独仓i 性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ：竖趁2 7 年，月j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：竖查 2 0 0 7 争月1 日 第一章绪论 1 1 桩基概述 第一章绪论 桩是一种深入土中的柱型构件，桩与连接桩顶承台所组成的深基础就称为桩基， 其作用是将上部结构的荷载，通过较弱的土层或水传递到深部较硬的、压缩性较小 的土层或岩层，是一种很古老的处理不良地基的有效方法0 1 。 桩基作为最为古老的基础形式之一，对促进人类文明的发展做出重要贡献，正 如文献饼所指出：早在有文字记载之前，人类就懂得在地基条件不良的河谷和洪积 地带采用木桩来支承房屋。如1 9 8 2 年考古学家在太平洋东南沿岸智利的蒙特维尔德 附近的杉树林内发现了一所支承于木桩上的木屋，距今已有一万二千至一万四千多 年的历史，这可能是全球迄今所发现的人类最古老的建筑物和木桩遗存；还有我国 浙江东部余姚市河姆渡村也出士了木桩结构，甚至还包括了简单的打桩工具；重建 于宋太平兴国二年的上海的龙华塔塔基采用矩形木桩，截面宽度为1 8 0 m ，至今仅 略有倾斜。在英国也保存有一些罗马时代修建有木桩基础的桥和居民点嘲。桩基础 应用于桥梁，历史也极为悠久。根据水经注记载，公元前5 3 2 年在今山西汾水 上建成的三十墩柱木柱梁桥，即为桩柱式桥墩。秦代所建渭桥( 公元前2 2 1 年公 元前2 0 6 年) ，经分析亦为木桩基础2 。 1 1 1 桩基发展历史嘲 桩基的发展和使用经历了一个漫长的历史年代，在没有出现水泥材料以前，最 早人们只能使用天然材料的木桩或石桩，1 9 世纪2 0 年代，人们己开始寻找木桩的 代用品，开始使用铸铁、熟铁制成板桩、管桩或棒桩以修筑围堰码头及其它构筑物， 但由于铸铁性脆，熟铁不耐打击，未取得满意的结果。到2 0 世纪初，美国出现了各 种形式的型钢，特别是h 型的钢桩受到营造商的重视，美国密西西比河上的钢桥大 量采用了钢桩基础，到3 0 年代在欧洲也被广泛使用，二次大战后，随着冶炼技术的 发展，各种直径的无缝钢管也被作为桩材用于基础工程。上海宝钢工程中，曾使用 直径为9 0 c m ，长约6 0 m 的钢管桩基础。钢桩可根据荷载特征制作成各种有利于提高 承载力的断面，管形和h 形是现在常用的断面形式。1 9 世纪中叶以后，由于水泥工 业的出现和发展，钢筋混凝土结构在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和 钢筋混凝土桩。但在初期阶段，所采用的混凝土强度和钢筋强度都比较低，施工技 术也较为落后，钢筋混凝土计算理论也尚未建立，那时的钢筋混凝土桩无论从桩型 河海大学博士学位论文 或施工技术上看，都还是比较落后的。只是在2 0 世纪2 0 年代特别是第二次世界大 战以后，桩基技术和理论才有了较大的发展，桩基的形式和使用范围才得到扩大。 桩基技术的发展历史简要概括如表1 1 嘲所示。 表1 - 1 桩基技术发展历史 阶段 年代一主要桩型特点 1 有天然材料做成。桩身较短，桩径较小； 人类有历史记 木桩2 采用竖直桩，主要用于传递结构的竖向荷载； 初期阶段录以前至1 9 世 石头桩3 多设置于地质条件不利的河谷及洪积地带； 纪 4 采用简单的人工锤击下沉的施工方法； 1 桩型较少，机械趋工方法开始使用； 1 9 世纪中叶至 除天然材料桩外， 2 土力学理论的建立为桩技术发展奠定初步理论基 发展阶段主要是砼桩和钢 础： 2 0 世纪2 0 年代3 桩的设计理论和施工技术比较简单； 筋砼桩 4 桩的尺寸有所增大，直径约3 0 e m ，桩长9 0 0 1 5 0 0 c m ： 除钢筋砼桩井，发 1 多种桩型的出现与发展，形成现今桩基的各种不同 第二次世界大 展一系列桩系，如 体系： 现代阶段钢桩系列，特殊桩 2 桩技术与理论得到较大的发展； 战后至今3 人工成桩被复杂的机械和专门化工艺代替； ( 高强度、大直 4 新桩型的出现使桩的承载力得到极大提高； 径) 等 5 公路桥梁桩基础普遍采用大直径砼灌注桩； 1 1 2 桩基分类“1 桩可以按不同的方法进行分类，不同类型的桩具有不同的承载性能。按承载状 况，桩可以分为摩擦桩和端承桩；按桩的使用功能，桩可以分为竖向抗压桩、竖向 抗拔桩、水平受荷桩以及复合受荷桩；按桩身材料，桩可以分为混凝土桩、钢桩以 及组合材料桩等；按桩对环境影响，可以分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩；此 外，按成桩方法，桩可以分为预制桩和灌注桩。桩的综合分类情况如表1 2 所示。 表1 2 桩的综合分类 桩基础分类方法 桩的类型 按桩的制作工艺划分预制桩灌注桩 按成桩或成孔工艺划分打入桩静压桩沉管桩钻孔桩人工挖孔桩 按挤土效应划分 挤土挤土挤土 非挤土 非挤土 按桩身材料划分 钢，钢筋混凝土 钢筋混凝土、素混凝土 2 第一章绪论 1 1 3 桩基发展趋势及面临的挑战嘲 随着公路、桥梁等基础工程的大量开展以及高质量要求，桩基技术的发展动向 主要有以下几个方面： ( 1 ) 向大直径长桩方向发展：基于大型桥梁、大吨位港口码头等工程基础承载 性大的特点，桩径越来越大，桩长也越来越长。如欧美及日本等国的钢管桩桩径超 过2 5 米，桩长也达到百米以上；我国河南省郑州的黄河大桥，采用桩径2 2 米，桩 长7 0 米的摩擦桩；我国最大的江阴大桥和南京长江二桥主塔墩基础都采用直径为 3 0 米的灌注桩，后者的桩长更达1 5 0 米，等等。 ( 2 ) 向高强度桩方向发展：为了满足高承载性的要求，桩基对本身强度要也越 来越高，普通的钢筋混凝土桩已很难满足某些工程的需要，而高强度的预应力钢筋 混凝土桩使用越来越多。 ( 3 ) 向复合式桩施工工艺方向发展：由于桩承载力的要求、环境保护的要求及 工程地质与水文地质条件的限制等，采用单一工艺的桩型往往满足不了工程要求， 工程中采用了复合式施土工艺桩。如：对于桩径超过3 0 米的桩基础，施工中常采用 一次、两次甚至多次扩孔进行成孔，成桩采用灌注硅与放置预制桩两种工艺；桩端 压力注浆有成孔成桩与成桩后给桩端压力注浆两种工艺；桩侧注浆有成桩后注浆与 桩侧回填粗集料后再注浆两种工艺；钻孔扩底灌注桩有直接成孔和扩孔两种工艺等。 ( 4 ) 向降低公害的成桩工艺发展：我国公路桥梁桩基础以灌注桩为主，对干钻 孔灌注桩采用的是泥浆护壁的成孔方法。钻孔灌注桩中的泥浆在成桩后目前仍未能 采取有效的方法进行处理，造成环境污染，且泥浆在使用中会造成施工现场的不文 明；而沉管灌注桩又具有振动大，噪音大等缺点。因此，如何改进施工工艺，减小 成桩对周围环境的影响，也桩的一个重要发展方向。 从桩基技术的发展趋势上可以看出，桩基技术在进入现代化阶段后获得了迅速的 发展，但也面临着以下几方面的挑战。 ( 1 ) 由于工程造价、工程进度和工程质量的要求越来越高，使得桩基技术显得 越来越重要，要求我们必须发展承载能力大、工期短、造价低且能确保工程质量的 桩型。 ( 2 ) 随着人们环保意识的提高，如何较小成桩对周围环境的影响，是现今有 待解决的重要问题。 ( 3 ) 随着新型桩基技术的不断推出，相应的桩基技术、施工工艺都暴露出很 多缺陷，这就要求加速桩基施工机械的研究、开发和改进，确保新技术的推广和应 用。 河海大学博士学位论文 1 2 水平荷载下桩基研究现状 1 2 1 水平承载桩工作性状 在港口码头、基坑以及边坡支护等工程中，桩基往往以承受水平荷载为主。但 在过去的一个相当长的时期内，人们对桩承受竖向荷载的工作性能研究得比较多， 而对桩承受水平向荷载时的工作性能研究比较少。过去在设计高桩码头等港口水工 建筑物时，水平力一般由斜桩或叉桩承受，直桩只考虑用来承受垂直力。随着码头 吨位的增大和向外海的发展，加上地震力的考虑，水平力和桩长越来越大，要求直 桩承受一定的水平力。事实上，只要直桩有一定的入土深度，保证地基土对桩产生 一定的弹性抗力和嵌固作用，就能承受一定的水平力。国内外己建成了一批全部采 用直桩的码头，水平力全部由直桩承受。 水平荷载下桩的受力是桩土工同作用的结果。在水平荷载下，桩受力后产生水 平移动和弯曲，从而将部分力传递给桩侧的土体，使土体受到挤压，当水平荷载增 大到土体的极限强度时，地表土体便产生破坏，随荷载的增加，土体的破坏也由地 表向深处逐渐发展。因此，随桩入土深度的不同，桩的工作性状也不同，主要分两 种情况”： ( 1 ) 当桩径较大，桩的入土深度较小，或者桩周土质较差，桩土刚度比较大时， 在水平荷载下，桩体本身一般不发生弯曲，而是绕某点整体性的转动，这时桩一般 被视为刚性桩，桩变形如图1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 当桩径较小，桩的入土深度较大，桩周土质较密实，桩土刚度比相对较小 时，在水平荷载下，由于桩周土体的反力作用，桩的变形呈波浪状，且由桩顶向深 处逐渐消失，此时，桩一般被称为弹性桩或柔性桩，桩变形如图1 ( b ) 所示。 x ,i v x j ? ? n 力八 ， ， l 、 ， ( a ) 刚性桩( b ) 弹性桩 图1 水平荷载下桩的工作性状 第一章绪论 1 2 2 水平承载桩理论研究现状 自2 0 世纪以来，国内外众多学者卜1 力对横向荷载下桩的工作性能及其受力变形 进行探讨研究。到6 0 年代，由于大直径桩的兴起和普遍使用，促使该研究工作得以 广泛的开展。目前，国内外众多的学者就水平承载桩的作用机理及其受力特性分析 等提出了许多相关的理论和方法，为竖直桩在港口码头、海堤工程等以横向荷载为 控制荷载的工程中得以广泛应用奠定了理论基础。 长期以来人们对水平荷载下桩土相互作用机理进行了不断的研究和探讨，概括 起来主要有极限地基反力法、弹性地基反力法、弹性理论分析法、p - y 曲线法、数 值分析法，以及其他一些相关的分析方法等。 1 2 2 1 极限地基反力法 极限地基反力法主要是假定桩为刚性桩，事先对处于极限状态的地基土反力分 布形式进行假定，并根据作用在桩上的外力及其平衡条件来求桩侧土抗力。地基反 力分布只是桩入土深度的函数，与桩的挠曲没有关系”1 。根据所假定的极限地基反 力的不同分布形式的不同，此法有可分为土反力按二次抛物线分布法和土反力按直 线分布法。r a s e s ( 1 9 3 6 ) 1 ”、冈部三郎( 1 9 5 1 ) “”和b r o m s ( 1 9 6 4 ，1 9 6 5 ) n 叼n 岫等 分别利用假设反力直线分布法求解桩的横力，其中尤以b r o m s 法应用较为广泛，图 2 ( a ) 和( b ) 分别为b r o m s 对粘性土和砂土极限地基反力分布的假定图式。由于 极限地基反力法是事先假定地基反力的分布形式，且一旦给出分布形式后，极限地 基反力仅与桩的入土深度有关，而与桩的挠曲变形无关，因此该法不适宜于一般桩 基变形问题的研究，使用受到很大的限制，多用于埋入深度较小的刚性桩。 r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 瞬i - 习- i 圳 ( a ) 粘性土 砂性土 图2b r o m s ( 1 9 6 4 ) g t j 极限地基反力分布假定形式 河海大学博士学位论文 1 2 2 2 弹性地基反力法 弹性地基反力系数法主要是利用w i n l d e r 地基模型，把桩周土体看作线弹性体， 并离散为一个个单独作用的弹簧，某一弹簧受力时，仅该弹簧发生与作用力成正比 例的压缩而和其它弹簧无关。这种把地基土看作非连续弹性介质且水平地基反力系 数在整个位移过程中均为常数的假定与土体实际有很大差异，但和目前较复杂的一 些其他解析方法相比，计算较为简单，在荷载不大的情况下可得出接近实际的桩性 状，所以仍不失为目前较为广泛采用的一种方法。具体介绍如下： 假设桩为通长全埋桩，则弹性桩受力变形如图3 所示。 图3 弹性桩受力变形示意图 根据材料力学弹性梁弯曲微分方程，我们可以得到弹性地基反力法桩身挠曲的 基本微分方程为： 日孚+ d p ( z ，力= 0 ( 1 1 ) 式中：e i 一桩的抗弯刚度o n m 2 ) ； y 桩计算点的水平位移( m ) ； r 一计算点离泥面深度( m ) ； 扣桩径或桩宽( m ) ； p ( z ，y ) 桩计算点处单位面积上承受的土抗力( k p a ) 。 又根据文克尔假定，桩弯晦时桩侧产生的土抗力仅与土的深度和桩的挠度有关， 则单位土抗力可以表示为：p ( y 力= r ( z ) y ”，其中，置为由土的弹性性质决定的地基 第一章绪论 反力系数，与深度z 有关，y 为桩的挠度。根据n 的取值不同，弹性地基反力法又 可以分为：当n = l 时的线弹性地基反力法；和行1 时的非线性弹性地基反力法。由 于解答上的困难，非线性弹性反力法很少应用，常用的是线弹性地基反力法。根据 反力系数k 的不同假设，线弹性地基反力法又可以分为张氏法、c 法、k 法和m 法 等。 常数法：早在1 9 3 7 年，我国的张有龄n 1 就假定地基抗力系数沿深度为常数，进 行桩的横向抗力分析，即张氏法，也称为常数法。由于该法计算结果与实际有很大 不符，该法目前已被淘汰。 k 法：前苏联安盖尔斯基( 1 9 3 7 ) 伽“”则给出地基系数在第一弹性零点以上呈凹 形抛物线分布，弹性零点以下为常数的假定，即k 法。由于凹曲线图式的假设过低 估计了近地面的桩侧土抗力，所以由k 法算得的桩身弯矩偏大。同时当桩的入土深 度越大时，由k 法计算的桩顶位移和转角反而越大，这与桩的实际工作性状不符嘲， 现在很少使用。 m 法：该法是弹性地基反力法中使用较为广泛的一种方法，该法假定水平地基 反力系数随深度成线性增加用，即七= 犯。此时桩的挠曲微分方程化为： 日g + d , , a y ；0 ( 1 2 ) 根据已知桩头边界条件：b , l o = y o ， 期。 e 纠。= ， 日矧，l o = 磊，并利用r o w e 幂级数解法，即可对桩的挠曲方程进行求解眦】。 m 法克服了常数法地基反力系数为常数的缺点，能反应出地基反力系数随深度 的变化。由于m 法的计算图式简单，既可以用解析法求解也可以采用数值解法，使 用非常方便，在国内外得到广泛的应用，也是我国相关规范嘲推荐使用的方法之一。 m 法主要适用于正常固结的粘性土和一般砂土。 但m 法仍有其不足之处：对于m 法来说，地基反力系数的比例系数m 的取值 是对计算结果比较敏感的一个参数，m 值的正确与否直接关系到计算结果的正确性， 而影响m 的因素又很多，同一种土由于地质条件的不同，m 的取值也不同；即使地 质条件相同，由于水平荷载大小、桩刚度等的不同，m 的值也会不同。因此，对于 某一特定的桩基计算问题，如果在没有试桩的情况下，很难给出一个合适的1 1 1 值。 此外，m 法仅能反映出土的弹性性能，即在桩顶位移较小情况下，能较好地反映出 7 河海大学博士学位论文 桩的受力特性；但在桩身位移较大，桩侧土体进入非线性状态时，按m 法计算所得 到的泥面位移、桩身弯矩及其位置等与实测结果有一定的差异，且随荷载的增大， 差异也逐渐增大 2 3 l 。因此，如何给出一个合适的m 值仍是一个需要进一步研究的问 题。 此外，c 法也是在我国公路部门应用较多的一种弹性地基反力法，由陕西省交 通科学研究所于1 9 7 4 年提出。c 法假定的地基反力模式为：当桩入土深度：s 4 0 a ， j r = 齐 部分，_ j - - - - c w ”；桩入土深度z 4 0 2 部分，_ i = c ( 4 。0 , t ) 们= c o n s t 。其中a = 1 f 等 y 止 为桩的特征值；c 为水平地基反力系数随深度变化的比例系数。 土体作为一种弹塑性体，即使在小位移条件下，力与位移也很难满足线弹性的 关系。因此，国内外众多学者先后提出了许多非线性地基反力法。如日本的久保浩 一( 1 9 6 4 ) 2 4 1 提出了n = 0 5 的“久保法”，横山幸满( 1 9 7 7 ) 1 2 5 1 、王伯惠( 1 9 7 8 ) 9 1 以及交通部的科学研究院等采用不同的方法给出了桩身内力和位移的解答；竹下淳 ( 1 9 6 9 ) 【2 6 j 对指