（岩土工程专业论文）预应力管桩竖向承载力模糊可靠性分析研究.pdf

摘要 摘要 预应力管桩是预制混凝土桩体和岩土体共同作用的系统，影响其工作性能的 因素很多，破坏模式复杂，进行桩基概率极限状态设计与模糊概率极限状态设计 方法的研究是一项具有重要意义而较艰巨的任务和工作。 本文分析了预应力管桩的特点、适用的地质条件，并对现行规范在计算预应 力管桩的竖向承载力所采用的安全系数法的特点与不足进行了讨论分析。在此基 础上，采用数理统计的方法，结合桩的荷载传递机理，应用高应变法测桩的大量 数据作为统计的基础，对现行预应力管桩桩规范中有关预制桩的竖向荷载的计算 方法及公式进行分析和改进。 一方面，本文应用了可靠性理论分析的方法，确定了预应力管桩的可靠度指 标口，并提出了预应力管桩竖向承载力的总抗力分项系数，侧摩阻力分项系数和 桩端阻力分项系数。另一方面，本文将模糊可靠性分析方法引入及应用于该类问 题，确定了预应力管桩的模糊可靠度指标口，并在此基础上提出了预应力管桩竖 向承载力的总抗力分项系数，侧摩阻力分项系数和桩端阻力分项系数。同时建立 了预应力管桩的竖向承载力的计算表达式，为今后规范的修正和同类型桩的单桩 竖向承载力的设计提供了参考。最后，本文利用具有代表性的数根混凝土预应力 管桩的静荷载试验结果，与本文基于可靠性理论建立的预应力管桩竖向承载力理 论公式、基于模糊可靠性理论建立的竖向承载力理论公式、规范公式的结果进行 了比较、检验；结果表明，本文的理论结果与实测结果较为接近。 关键词：预应力管桩竖向承载力模糊随机可靠度分项系数比较分析 广东t 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o b a b i l i s t i cm o d e l sa n df u z z ys e tm o d e l sd e s c r i b ed i f f e r e n ta s p e c t so fu n c e r t a i n t y p r o b a b i l i s t i cr r l o d e l s p r i m a r i l y d e s c r i b er a n d o mv a r i a b i l i ty fi ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gs y s t e ms a f e t yo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e s ，u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y o f p i l e si sv a r i a b i l i t yw i t hs o i ll a y e r sa n dp a r a m e t e r so fs o i ll a y e r s ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ， g e o m e t r i c a ld i m e n s i o n s ，a n dl o a d s i no t h e rh a n d ，f u z z ys e tm o d e l so fu n c e r t a i n t y p r i n l a r i l yd e s c r i b ev a g u e n e s s ，s u c ha sv a g u e n e s si 1 1t h ed e f i n j t i o no fs a f e t y f i r s t l y ，r e v i e w i n gt h ec o d e sw eu s en o w a d a y st oc a l c u l a t et h eu n i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo fp r e s t l e s s e dt u b ep i l e ，t h o u g hr e l a t i v es i n l p l ea n dc o n v e n i e n t ，m a n yf l a w s a r ei i l c l u d e da n dt h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt h ec o d e sa r es or o u 曲c o m p a r e dt ot h el o a d t e s tr e s u l t s t h em a j o ro b j e c to ft h i sp a p e ri st oa n a l y z et h ei n f l u e n c ei m p a c t i n gt h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yb ya n a l y z i n gt h ed a t ac o l l e c t e d 行o me x p e r i m e n t so fh i g h s t r a i nd y n a m i ct e s t i n go fp i l e s a n o t h e rm a i no b j e c ti st oe s t a b l i s hf o r m u l a t i o n s ，w h i c h d i s c r i b et h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fp r e - s t r e s s e dt u b ep i l e sm o r ea c c u r a t ea n d a c c e s s i b l eo np r a c t i c a lc o n d i t i o n st h a l lt h ec o d eu s e dn o w 甜a y s s e c o n d l y ， at y p i c a lp r a c t i c a lp r o j e c ti nw h i c hal a r g en u m b e ro fp r e s t r e s s e d c o n c r e t et u b ep i l e sw e r eu s ea sam a i nf o u n d a t i o ni si n t r o d u c e di nd e t a i l f u n h e r m o r e ， s p e c i f i cd a t ac 0 1 1 e c t e df o mt h ep r o j e c ti sa n a l y z e dt od e d u c et h er e l i a b i l i t yi n d e xa n d f u z z yr e l i a b i l i t yi n d e x e sw h i c ha r eu s e dt oc a l c u l a t et h ep a r t i a ii n d e xi na nu l t i m a t e b e a r 访gc a p a c i t yf l o r n m l a t i o n f u r t h e r m o r e ，as e to fp a r t i a li n d e xd e p e n d e do nt h e p r o b a b i l i t yt h e o r ya n das e to fp a n i a li n d e xd e p e n d e do nt h ef u z z yp r o b a b i l “yt h e o r y a r es u c c e s s m l l yd e d u c e d t h e r e f o r e ，t w of o r m u l a t i o n sb a s e do nt h et w on e ws e t so f p a r t i a lm d e xa r ee s t a b l i s h e di i lt l l i st h e s i s f i n a l l y i no r d e rt oe v a l u a t et h et 、on e we s t a b l i s h e df o r m u l a t i o n s ，t 1 1 r e et y p i c a l p i l e sa r ec h o s e nt oj u s t i 匆t h e m t h er e s u l t si st h a tt h ef o r m u l a t i o ne s t a b l i s h e db yt h e f u z z yp r o b a b i l i t yi st h em o s ta c c e s s i b l et ot h er e s u l to f t h el o a dt e s to ft h et h r e e ，a n d t h ef o r m u l a t i o ne s t a b l i s h e db yt h ep r o b a b i l i t yt a k e st h es e c o n dp l a c e ，t h et h r e ep l a c ei s t h em e 制h o dr e c o i n m e n d e db yt h ec o d e t h e s et w of o r m u l a t i o n sr e f e r r e da b o v ew i l ie n a b i et h es i g n i n c a n c eo fc a i c u i a t i n g t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e s ，w h i c hw i l l1 e a dt o e c o n o i l l i c a lm e r i t sa n do a e rr e f e r e n c et ot h ee s t a b l i s h r n e n to fn e wc o d e s k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e ，b e a r i n gc a p a c i t y ；r e l i a b i l i t yi n d e x ， m z z yr e l i a b i l i t y ，c o m p a r a t i o na n a l y s i s 第一章绪论 1 1 桩基础简介 1 1 1 桩基础简介 第一章绪论 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其 作用是将上部结构的荷载，通过桩身传递到底部较坚硬的，压缩性较小的土层或 岩层。 在一般房屋基础工程中，桩主要承受垂直轴向荷载，但在河港、桥梁、高耸 塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑、以及抗震等工程中桩还需要承受来自侧 向的风力、波浪力、土压力和地震力等水平荷载。 桩基础通过作用于桩尖( 或称桩端、桩底) 的地层阻力和桩周土层的摩阻力来 支承轴向荷载，依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载。 随着我国建设事业的发展，基础工程的投资越来越大，尤其是深基础，其技 术复杂，建筑成本高。有的建筑物，其基础造价往往占去整个建筑造价的一半以 上。为了降低成本，缩短工期，应采用比较合理的结构形式，对深基础来说，最 可靠、施工最简便的结构是桩基础。对桩基础进行深入的分析，可发现在经济和 技术上都有很大潜力。 1 1 2 桩的分类 桩的分类，根据不同目的可以有不同的分类法，现扼要分述如下【1 l ： ( 1 ) 按成桩方法对土层的影响分类 不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，将影响到桩基础承载能力的发挥 和计算参数的选用。一般可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类。 ( 2 1 按桩材分类 根据桩的材料，可分为木桩、混凝土桩( 含钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土 桩1 、钢桩和组合桩。 ( 3 ) 按桩的功能分类 广东工业大学工学硕士学位论文 桩在基础工程中，可能主要承受轴向垂直荷载，或主要承受横向水平荷载， 或两种荷载都有，有时还要承受往复拉和压的荷载。按功能分类桩可分为抗轴向 压的桩，抗横向压的桩和抗拔桩。其中抗轴向压力的桩，进一步从桩的荷载传递 机理又划分为摩擦桩、端承桩和端承摩擦桩。 ( 4 ) 按成桩方法分类 按常用的成桩方法可分为打入桩、就地灌注桩、静压桩和螺旋桩。其中就地 灌注桩按成孔的工艺，又可进一步分为沉管灌注桩和钻孔灌注桩。 1 1 3 桩基础的应用范围和特点 在工程实践中，桩基础通常用于下列情况： ( 1 ) 建筑物荷载较大，地基软弱，地下水位较高，而采用其它基础沉降又过大， 建筑物不允许有较大沉降时。 ( 2 ) 当建筑物内外的地面有大面积堆载，将使软弱地基产生过大的变形，或当 基础可能有不均匀沉降对建筑物造成危害时。 ( 3 ) 当高层建筑物承受较大竖向荷载和水平向荷载且对侧移有特殊要求时。 ( 4 ) 当精密设备的基础对地基沉降有严格要求时。 ( 5 ) 当地表软土层较厚不宜用作基础的持力层，或地基中局部有暗沟、深坑、 古河道等情况时。 ( 6 ) 当地震区建筑物场地的地基中存在有可能液化的土层时。 ( 7 ) 当湿陷性黄土和膨胀土地区内地基土的湿陷量和膨胀量较大时。 ( 8 ) 在滨海地区修建结构物时。 桩基础作为深基础的一种形式，有如下的一些主要特点： ( 1 ) 承载力高。它可以穿过覆盖层把荷载传递到基岩上，更好地利用深部良好 地层的承载力。 ( 2 ) 使用范围广。桩基础能使用于各种地形和环境，特别是钻孔灌注桩，能穿 越各种地层，入土深度可达上百米。 ( 3 ) 便于机械化施工，可提高经济效益。 正是由于桩基础的上述优点，使得桩基础的应用日益广泛。 2 第一章绪论 1 2 桩基础定值法设计简介与不足 传统的安全度是用安全系数来表示的，传统的桩基设计中容许应力法和破坏 阶段设计法的设计原则时抗力r 不能小于荷载效应s ，将荷载、承载力( 抗力) 和土 性参数等视为定值的设计法。这种设计方法的特点是不考虑桩基设计中各参数的 变异性，而以总安全系数k 来度量桩基的安全度一一可靠度。例如，把土视为具 有某种均匀性质的材料，荷载和计算方法是确定的，各种设计参数也是确定的， 甚至为考虑种种不确定性而引入的安全系数也是确定的，采用这种方法得到的结 果比较明确，易被人们接受。例如：用平均值表达单一平均安全系数k 可以定义 为： 肛糕= 嚣 其相应的设计表达式为： ”r 砌s ( 1 2 ) 其中，k 为安全系数。 然而，在桩基设计中需要考虑勘察、设计和施工过程中存在大量的不确定性。 对于不同地质条件、不同性质荷载的桩基，尽管取相同的安全系数，但并不能认 为它们的可靠性相同，因为桩基设计参数、施工过程、加荷性质等环节存在大量 的随机性，荷载效应s 和抗力r 都是随机变量，用定值设计法设计桩基础虽然简 单易用：并在过去很长一段时间里和现在一部分单位或部门发挥重要作用，但从 可靠性设计的角度来看，它是存在较大缺陷的，主要表现为1 2 l ： 1 没有将抗力和荷载效应的随机变量异化，对不同材料( 如钢筋和混凝土) ， 不同荷载( 如恒载和活载) ，不区分土性，桩型以及其他影响结构安全度的因素， 不能区别对待，细致分析，往往依赖于经验或工程判断方法取值，因此，不可避 免地包含较多的人为的因素，甚至主观臆断的成分，有可能造成设计上要么安全 储备过高，要么过低，导致桩基造价的不必要增加或桩基设计不安全。 2 由式( 1 一1 ) 可知，安全系数足只与抗力r 和荷载s 的平均值的比值有关， 参见图1 1 ；因此，这种系数是不能反映结构的真实失效情况的。例如，图1 1 ( a ) 和( b ) 中，墨：竺生和k ，：兰生，这说明它们的安全系数的值相等，但实际上它们 。 m s ， 广东工业大学上学硕士学位论文 的失效概率( 与图中阴影面积有关) 却相差很多。由阴影部分的面积可以看出， 图( b ) 极限状态对应的失效概率远大于图( a ) 极限状态对应的失效概率。 正( x ) ? 0 六( x ) 0 一一一一r f 1 佩， f b ) 图1 1 相同安全系数不同失效概率比较图 f i g 1 一ld i f f e r e n tf a i l u r ep r o b a b i l i t yw i t l lt h es a m es a f ec o e 伍c i e n t 1 3 国内外岩土工程可靠性理论发展概况 1 3 1 国外岩土工程可靠性研究历史回顾与研究现状 可靠性理论在岩土工程中的应用始于二十世纪六十年代。一九五六年，卡萨 格兰特( c a s a g r a n d e a ) 【3 】提出了土工和基础工程中的计算风险问题，从此开始了岩 土工程领域中的可靠性研究。一九七二年开始，就每四年一届，召开统计学和概 率论在土工和结构工程方面应用的国际会议，在这个会议上也发表了不少的研究 成果。在历届的国际土力学和基础工程学术会议上，都有一些有关概率论和统计 学在岩土工程中应用的文章发表。在第十一届国际土力学会议和基础工程学术会 议上有一个小组专门讨论这一课题。由国际标准化组织岩土工程技术委员会 ( i s 0 t c1 8 2 ) 主持编制的国际标准( 草案) 中规定采用极限状态设计原则和分项系数 方法，并对各级岩土工程提出了可靠性指标的建议值。 围绕土性参数的不确定性，土层的概率模型所进行的研究是岩土工程可靠性 分析的基础，历来是人们所关注的焦点之一，许多学者在这方面作出了巨大的努 力。 4 第一章绪论 v a n m a r k ( 1 9 7 7 ) 【4 l 建立了土体的各向同性随机场模型，并提出了“相关距离”的 概念及其计算方法。 m a t s u o a s a o k af 1 9 7 7 ) 【5 】研究了饱和粘土的不排水强度的概率模型，提出了 其变异性来源于取样扰动和土的内在变异性。并用两种变异性的卷积来描述不排 水强度的概率模型。 a s a o k a & g r i v a sf 1 9 8 2 ) 1 6 i 用一阶自回归游动平均模型来描述不排水强度随深 度的变异性。并建议了一种去除数据中的非平稳分量的方法。 b e a c h e r f l 9 8 3 1 1 7 1 针对岩土勘察中数据的离散和不确定性提出了相对直接的简 化分析程序，为合理的参数估计和安全系数的设计进行了有益的探索。 r o n o l dr 1 9 9 0 ) 【8 】比较了地基破坏问题的两种不同可靠度分析模型，一种只考虑 土强度的平均特性，另一种则还按随机场考虑了随机分量的变异性。其土强度的 空间变异结构是用克立格( 心i g e ) 方法估计的。 s o u l i e ，m o n t e s & s i l v e s t r i ( 1 9 9 0 ) 【9 l 用地质统计学中的半变异函数法和克立格估 计( 融i g i i l g ) 理论来模拟粘性土不排水强度的空间变异性。 s o u l i e ，m e t c ( 1 9 9 0 ) 1 1 0 j 通过对一个工程实例的分析表明岩土统计学可以帮助 确定粘土中不排水强度的空间方差结构。 i 沁“1 9 9 2 ) 】采用自回归游动平均模型研究不排水强度的空间变异性。 d e g r 0 0 t & b a e c h e r ( 1 9 9 3 ) 用极大似然法来估算土性趋势分量和随机分量，以 及随机分量的自相关特性。并认为这种技术比传统的矩法估计有较好的统计特性。 f e n t o ng a ( 1 9 9 9 ) 【1 3 】通过对某一地区较大范围的土相关距离进行研究认为土 体的参数在谱域进行回归分析可取得更好的效果。 对土的性质的概率统计结果首先被应用于土坡稳定的可靠度分析中。w u & 心a f i ( 1 9 7 0 ) 【1 4 l 研究了处于均匀粘性土地基上的土坡稳定安全度，计算出失效概率， 并把它应用于优化设计。 a l o n s o ( 1 9 7 6 ) 1 1 5 1 根据条分法结合一次概率分析对各种不确定性因素作了估计， 并作了初步的敏感性分析，表明凝聚力参数及分析方法的不确定性是决定土坡安 全度的主要因素。 v a n m a r c k “1 9 7 7 b 1 第一次用随机场的概率方法考虑三维效应研究土坡的极 限平衡稳定性，求得了在很长的土坡中最可能发生破坏的坡段长度。g r i v a s ( 1 9 8 3 ) 【1 7 】研究了不排水条件下应变软化土中渐进性破坏的概率稳定分析方法。 广东工业大学工学硕士学位论文 l i & l u m b ( 19 8 7 ) 【1 8 】采用m o r g e n s t e m p r i n c e 方法分析土坡可靠度，该方法能适 应于一般的滑裂面。y u c e m e n & a l h o m o u d ( 1 9 9 0 ) 1 9 】以考虑了土性空间变异性和 相关性，不确定性的条件下，研究了土坡的三维长期稳定性及渐进破坏。o k a & w u ( 1 9 9 0 1 【2 0 1 考虑不同滑动面之间的相关性，计算得到土坡失效概率的上限解大约是 只考虑临界滑动面的两倍，这表明按单一临界滑动面求得的失效概率偏小。 c h r i s t i a n ，l a d d ，& b a e c h e r ( 1 9 9 4 ) 【2 1 】讨论了如何通过现场和试验数据来描述土性的 概率特性，并采用较简明的均值点一次二阶知方法分析土坡可靠度。l o w & t a n g ( 1 9 9 7 ) f 2 2 】用圆弧滑动法研究了软基上加筋土堤的可靠度其模型考虑了地基不排水 强度随深度的线性增加。 近海工程由于不确定因素多、风险程度高、投资大、使用期短而成为可靠性 理论应用研究较多且较为成熟的领域。 w ue t c ( 1 9 8 4 ) 【2 3 】对e k o f i s k 油罐进行了可靠性分析，表明了可靠性分析可以帮 助工程师在设计过程中进行决策。 w ue t c ( 1 9 8 9 ) 【2 4 】作了近海结构物基础可靠度的研究现状的报告，评价了近海 基础力学性状预测时的各种不确定性可靠度研究的一般方法。 r o n 0 1 d ( 1 9 9 1 ) 应用随机场理论对三桩腿海洋平台进行了可靠性分析。 r o n o l d ( 1 9 9 9 1 【2 6 】对海洋平台抗拔桩的设计规范的优化问题进行了研究，分析 结果表明设计表达式对参数的影响非常大。 对地基和基础承载力和变形的可靠度分析正处在发展阶段。b a e c h e r & i n g r a ( 1 9 8 1 ) 1 2 7 1 运用随机有限元方法预测基础差异沉降的可靠性，认为一维和二维 沉降分析所得的结果差别较大。 c h a l l g ( 1 9 8 5 ) 1 2 8 】进行了单层和多层地基的一维固结概率分析。 p h o o ne t c ( 1 9 9 0 ) 1 29 1 ，q u e ke t c ( 1 9 9 2 ) 1 3 0 1 假设土体为线弹性体的均匀随机场，用 一阶摄动随机有限元法研究了桩体沉降的可靠度，在计算桩基沉降可靠度时，考 虑了杨氏模量的不确定性和剪切强度的不确定性。 b a s m a ( 1 9 9 4 1 【3 1 1 用极值型分布来拟和极限承载力的概率分布，认为由于承载 力的随机性，应该给浅基础承载力乘上一个风险折减系数，用来修正基础设计中 的承载力安全系数。 关于桩的沉降变形的可靠性分析，以往的研究涉及的不多。只有p h o o n ( 1 9 9 0 ) 【3 2 】 采用一次二阶矩随机有限元法研究了单桩的沉降，给出了在不考虑荷载不确定的 第一章绪论 情况下通过查表计算单桩沉降可靠度的方法，q u e k & c h o we t c ( 1 9 9 21 1 3 3 l 通过二 次二阶矩法来验证一次二阶矩法的精度。 o c h i a ie t c ( 1 9 9 4 ) 【3 4 1 用标贯击数确定桩周摩阻系数和桩端承载力，研究了钻孔 摩擦桩的承载力的可靠度。 k s l i & s c r l o ( 1 9 9 1 ) ”“提出了按照概率极限状态方法对桩基工程进行设计 的初步思想。 总之，岩土工程的可靠性研究在国外发展的速度是较快的，并且已经有许多 有关的专题讨论会，国际土力学与基础工程会议也设过专题分会。由国际标准化 组织岩土工程技术委员会( i s o t c l8 2 ) 主持编制的国际标准中规定采用极限状态 设计原则和分项系数的方法，并对各级岩土工程提出了可靠性指标的建议值。 1 3 2 我国的岩土工程可靠性研究发展历史回顾与研究现状 我国七十年代末才开始土力学中可靠性的研究。美国的w u ，t h 教授和澳大 利亚的i n 9 1 e s ，0 g 教授先后到同济大学讲学，介绍了国际上的研究动态，引起 了我国学者的注意。1 9 8 3 年初在同济大学召开的“概率学与统计学在岩土工程中 的应用”专题学术座谈会起到了积极的推进作用。国内的研究最初是侧重于土工 数据的统计处理、经验方程的建立和回归分析等方面，后来渐渐的开始对土层的 概率分布模型、土性参数的不确定性等有了较广泛的研究。另外也有一些可靠性 理论的应用研究，比如土坡稳定性、基础承载力、基础沉降等，下面列出的是一 些较典型的成果。 高大钊等人( 1 9 8 2 ，1 9 8 5 ，1 9 8 6 ) ”“3 7 研究了土参数的变异特性及其分布规 律，针对上海软土对土的抗剪强度指标的统计提出了一种全回归的分析方法，并 建议用分布来拟和c 、伊的联合分布曲线，还提出了用经验公式估计参数时分析 可靠性的方法。 包承纲，吴天行( 1 9 8 5 ) ”对多层地基的沉降进行了概率分析。以t e r z a 曲i 一 维固结理论为基础对最终沉降的进行估算，并把压缩比、再压缩比、先期固结压 力和土层的厚度作为随机变量处理，得出压缩层厚度的不确定性构成了估算沉降 方差的主要部分的结论。 包承纲，于丽( 1 9 8 7 ) “”对土坡受地震荷载作用时，用概率方法校核其稳定性， 并讨论了随机变量的相关性及校正系数的问题。 7 广东工业大学工学硕十学位论文 闰澎旺，陈环 1 9 8 8 ) “根据汉森公式，按一次二阶矩方法进行了倾斜荷载作 用下地基承载力的可靠性分析。 冯铭璋( 1 9 8 9 ) “2 1 对我国东部沿海土性指标进行了统计分析，认为我国东部沿 海软上的各项物理力学指标的变异系数一般在0 1 o 1 5 之间。 张维秀，盛崇文( 1 9 9 2 ) “”提出了地基土抗剪强度指标统计的方差分离法，将 试验误差引起的变异和抗剪强度指标的真实变异分离出来。他们的分析表明，扣 除试验误差的影响后，粘聚力c 的变异系数减小了o 0 l 0 1 6 ，辔妒的变异系数 减小了o o l o 0 7 。 彭大鹏( 1 9 9 4 ) “4 1 通过e d g e w o n h 公式，在随机变量的四阶以下矩为已知的条 件下，近似地给出了一系列土压力系数的概率密度函数、数学期望和方差的公式。 李彰明( 1 9 9 7 ) ”通过某一大型露天矿边坡地质条件调查与物理力学性质测 试研究，应用模糊综合评价模型，对边坡的稳定性进行了评价。 熊启东( 1 9 9 8 ) “”对天然地基承载力进行了可靠度分析。 陈晓平( 1 9 9 8 ) “”对复合桩基承载力的可靠度进行了研究。 熊启东，高大钊( 1 9 9 8 ) “7 1 用汉森公式对天然地基承载力进行了较为全面的可 靠度分析，并对抗剪强度指标的敏感性以及可靠度指标和安全系数之间的关系作 了探讨。 陈晓平( 1 9 9 8 ) “”在研究了天然地基承载力以及单桩承载力可靠度的基础上， 对复合桩基承载力的可靠度进行了分析，并对复合桩基承载力的分项系数进行了 研究。 黄广龙( 1 9 9 8 ) ”采用简化分析方法研究了柔性桩沉降的可靠度。在其所采用 的方法中虽然强调了岩土工程性状取决于土性空间定范围内的平均特性，但没 有考虑变形在空间的分布特性的影响，因此具有一定的局限性，在某些情况下的 误差可能较大。 马克生【5 0 1 对黄广龙( 1 9 9 8 ) “”所采用的柔性桩沉降可靠度简化计算模型进行改 进，提出了精度更为理想的计算模型，并采用随机有限元和蒙特卡罗模拟法全面 分析了该简化公式的精度。并利用所研制的随机有限元程序对单桩、单桩带承台 和复合地基沉降可靠度进行了对比分析，还对复合地基与天然地基的位移和应力 的均值和方差等值线进行了对比分析。 李镜培等( 2 0 0 3 ) 【5 1 1 在提出沉降控制复合桩基安全度计算方法的基础上，运用 第一章绪论 可靠度理论建立了相应的可靠性指标计算方法。结合工程实例，对现行沉降控制 复合桩基设计方法的安全度进行了校核，对各随机变量在复合桩基可靠度计算中 的敏感性进行了分析，明确了各随机变量变异性对可靠性指标的影响程度。 赵春风等( 2 0 0 3 ) “2 1 结合上海市标准，利用随机场理论和可靠度理论，研究了 获得统计比贯入阻力只、侧摩阻力疋、桩端附近静力触探比贯入阻力只统计特性 的统计原则，对相关距离、桩截面尺寸、端阻力计算范围等在程序编制中的协调 问题进行了讨论和实用化处理。并对上海地区1 9 个预应力管桩场地和1 7 个灌注 桩场地获得的参数的统计特性进行了分析计算，进而分别求出了由静力触探法确 定预应力管桩和灌注桩单桩极限承载力的可靠度指标的统计特性。 毛金萍，徐伟“”对嵌岩桩竖向承载力的可靠度分析，运用一次二阶矩和m o n t o c a r l o 法对嵌岩桩竖向承载力进行了可靠性分析研究。 邓志勇等( 2 0 0 3 ) “采用无量纲随机变量的极限状态方程，结合天津市钻孔 灌注桩试桩资料进行可靠度分析。采用了j c 法和m o n t ec a r l o 法两种方法进行可 靠指标的计算，并对影响可靠指标的各种因素进行了分析。 w h i t m a n ( 1 9 8 4 ) ”5 1 在第十七次t e r z a g h i 讲座中，以“岩土工程中的计算风险 评价”为题对岩土工程中的概率分析及可靠性理论作了详细介绍和总结。总的来 说，经过三十多年的发展岩土工程可靠性研究取得了很大的进展，但距离实际应 用还有一段距离。造成这种状况的原因，一方面是许多工程师对概率理论和可靠 度分析方法不熟悉；另一方面则是由于方法本身仍较复杂，需要较多的土性测试 数据，不便于实际应用。对于较大的工程，各方面的条件比较容易满足，应用可 靠性方法进行设计，将安全性与经济性结合起来，是非常合适有用的。但对于一 般的较小工程，如果要求提供较多的数据资料并进行较为复杂的可靠性分析，则 经常难以满足。岩土工程发展可靠度分析方法是国际国内的大趋势。随着可靠度 分析方法的逐步完善和研究的不断深入，必将发挥越来越大的作用。 1 4 本论文的主要内容和特点 1 4 1 当前预应力管桩竖向承载力确定方法存在的问题 实践证明，现行的预应力混凝土管桩竖向承载力的计算方法比较简单而且在 一定的条件下比较实用，但也存在着不少的缺陷。桩植于土层或岩层中，是和土 9 广东工业大学工学硕士学位硷文 层或岩层一起形成复合地基，共同承受建筑物或构筑物的荷载。所以，在计算桩 的竖向承载力的时候，仅仅利用桩身的结构强度来计算单桩的竖向承载力是远远 不够的而且是有偏差的。预应力管桩单桩的竖向承载力的确定主要存在以下的问 题： ( 1 ) 管桩的竖向承载力按现行规范公式计算普遍偏低。按现行规范提供的设 计参数计算，对于长度超过4 0 m 的超长桩，其结果比较符合实际情况。但对于1 0 2 0 m 的中短桩，计算结果只有实际试验值的一半左右。 ( 2 ) 桩间距的大小对桩的竖向承载力有影响。 ( 3 ) 预应力管桩在打入施工过程中，对周边的软土地基产生扰动，并产生挤 土效应。 ( 4 ) 管桩在施工过程中，桩身的垂直度也会对其竖向承载力产生影响。 除此之外，桩基中土的物理力学性质对桩基的竖向承载力也起到很重要的作 用。但由于土的物理力学性质比较复杂，而且土性参数的统计也会带来不确定性， 包括随机误差、测试模型误差及测试统计误差所引起的不确定性。而工程技术技 术人员不可能在设计中完全准确地预知所有的不确定因素和由此所带来的后果， 因此在工程设计计算中采用了简化的安全系数法。而安全系数法忽略了各种不确 定性因素的影响，将土的物理力学性质指标、作用荷载以及所采用的计算模式等 都作为确定性的因素，所以现行的预应力管桩的竖向承载力的计算方法并不能真 实地反映实际情况。故尚需更多的试验数据，来对规范公式进行修正，以使其更 接近实际情况。 1 4 2 本文研究的主要内容 对预应力管桩的各项研究工作，最终都是为了应用于设计及工程实践中。在进 行预应力管桩的设计中，我们需要确定预应力管桩的竖向承载力。在工程实践中， 通常都是以单桩的静荷载试验确定预应力管桩的竖向极限承载力。然而由于静荷 载试验的费用高、持续时间长、人力消耗比较大，大量应用和推广是不现实和不 经济的。因此，本文尝试用预应力管桩的高应变试验法来预测单桩的极限承载力。 由于本文能够得到的高应变测试单桩的资料比较丰富，根据中华人民共和国行业 规范建筑桩基技术规程( j g j9 4 9 4 ) 的规定“，可用基桩的动测法对单桩的极 限承载力进行辅助性的检测，当动测法的资料足够多时，可利用动测法对其极限 1 0 第一章绪论 承载力进行预测。本文的动测法测桩的资料共有1 5 6 根，均取于同一个工程，桩 径相同，桩的施工方法相同，土质条件差别不是特别大，因此可看成影响桩的各 因素的变异性都相对来说比较小。尽管如此，本文仍对试桩的资料进行了严格的 整理和分析，剔除了检测过程中原始数据不全( 缺少相应的土层参数) 的1 2 根试 桩的资料后，本文对剩下的1 4 4 根桩的资料采用数理统计的方法对其进行了统计 分析。 针对以上的问题，本文进行了如下工作： 1 根据工程实际对试桩资料进行分析，剔除检测过程中原始数据不全( 缺少 相应的土层参数) 的桩的数据。 2 对试桩资料利用数理统计的方法进行数据分析。 3 编写有关程序利用j c 法计算桩的可靠度指标。 4 对试桩资料进行可靠性分析，推导预应力管桩的总抗力分项系数，端阻力 分项系数和侧阻力分项系数公式，并利用m a t l a b 对桩的可靠度指标进行最小二乘 法进行处理，得到误差相对较小的可靠度指标，并根据对应的可靠度指标和动测法 试验数据分析的结果，计算出预应力管桩的总抗力分项系数和侧阻力分项系数以 及端阻力分项系数。 5 建立预应力管桩的模糊可靠度分析方法，并对其进行模糊可靠度分析，计 算出适用的桩的模糊可靠度指标，并与基于可靠性理论计算出的可靠度指标进行 比较。 6 通过同一实际工程中的预应力管桩的静荷载试验对本文建立的桩的极限承 载力的计算公式进行检验。 第二章预应力管桩单桩竖向承载力的确定 第二章预应力管桩单桩竖向承载力的确定 2 1 预应力管桩的概述 预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心体细长混 凝土预制构件，它具有单桩承载力高、设计选用范围广、适应性强、造价便宜、 施工及检测方便等优点，因而被广泛应用于工程建设中。 2 1 1 预应力管桩的特点 与传统的桩型相比，预应力管桩具有以下的优点“7 ： 1 单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 c 8 0 之间，桩身强 度高，并一般打入强风化岩层中，桩端持力层经过强大的挤压而极大地改变受力 性能。因而可以获得较大的单桩设计承载力。 2 设计应用范围广。由于管桩的规格多，常见直径为3 0 0 唧6 0 0 咖，单桩极 限承载大，既适用于多层建筑，也适用于高层建筑。而且在统一建筑物基础中， 可根据荷载的具体大小要求采用不同的桩径。既容易解决设计布桩的问题，也可 发挥每根桩的最大承载力，并使地基沉降均匀。 3 适用地质条件能力强。由于管桩节长可调节，接桩方便，可根据施工现场 持力层深度的变化来调整桩长，减少截桩，节约用桩量。 4 单位承载力造价便宜。一般情况下，相同地质条件下管桩的单位承载力造 价比钻孔灌注桩、人工挖孔桩均便宜。 5 施工方便快捷，施工周期短。 6 成桩长度不受机械的限制。 7 预应力管桩具有较好的抗震性能。 8 预应力管桩的桩身耐打，穿透力强。 9 施工监理，监测简单。 另外，管桩在使用过程中，也有如下的缺点： 1 所需的生产、施工设备投资较大。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 用锤击法施工时，震动剧烈，噪音大，不能在人口密集的地区内用锤击法 施工：同时，管桩施工时会引起周围土体拱起，对周围建筑物有一定的影响。如 要避免因锤击法施工带来的噪音，可选用静压桩法，当然静压桩的成本要比锤击 法施工的成本大。 3 有些地质条件，如石灰岩地区岩溶地区作持力层时，是不宜采用管桩作 为基础形式的；又如含块石达一定量的地基也不适合采用管桩基础。 2 1 2 预应力管桩适宜的地质条件 根据对预应力管桩有缺点的分析，可知在一般情况下，软土、粘性土、砂土 以及风化基岩等地层条件可采用管桩。但对以下四类情况不宜采用预应力管桩： 1 障碍物、已有基础以及孤石较多的地层不宜采用。主要原因是容易产 生如下质量事故： ( 1 ) 管桩不能全部打入设计持力层，有的桩可以达到设计持力层，满足设 计承载力的要求；有的桩遇到上述障碍物打不下去，桩长相差较多，承载力不 能满足设计要求。 ( 2 ) 桩尖接触到孤石或地下障碍物时，会使桩身突然偏离原位产生大幅倾 斜，甚至会折断桩身，造成断桩想象。 ( 3 ) 管桩桩尖容易破损，桩头易打烂。 ( 4 ) 在坚硬夹层且不能作为持力层时不宜采用或慎用。有些地层中有一层 或多层密实状态的砂砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持 力层，桩基必须穿越坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩施工遇到这些夹 层时，容易使桩身破损，不能保证工程的质量。 2 石灰岩地区。由于石灰岩地区岩溶较发育，造成的石芽和石沟使基岩 起伏变化较大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩是水溶性岩石，不存在强风 化岩，基岩表明直接是新鲜的岩石，强度高。在石灰岩地区进行桩施工时，容 易发生断桩、斜桩、桩身跑位以及桩身稳定性羞的现象。 3 从软弱地层突变成坚硬地层。在上软下硬、软硬突变的地层中，采用 锤击法进行预应力管桩施工时，由于缺少缓冲层，桩尖突然遇到硬岩层，贯入 度就立刻变小或甚至变为零，使得桩身容易破损，移位，由于桩端进入持力层 深度浅，桩的稳定性差。当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤动 1 4 第二章预应力管桩单桩怪向承载力的确定 或上抬，桩基质量难以保证。 2 1 3 预应力管桩的分类 预应力管桩按以国标g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 为依据【l 】可按如下方法分类： 1 产品品种 管桩按混凝土强度等级分为预应力管桩( p c ) 和预应力高强混凝土管桩 ( p h c ) 。预应力混凝土管桩的离心混凝土强度等级不得低于c 5 0 级：预应力高强 混凝土管桩的离心混凝土强度不得低于c 8 0 级。因此，区分p c 与p h c 桩仅仅是 桩的离心混凝土强度。对于几何尺寸、抗弯等级相同时，p c 与p h c 桩仅反映承 载能力的大小。 2 产品规格 管桩按外径分为3 0 0 m m 、3 5 0 m m 、4 0 0 m m 、4 5 0 m m 、5 0 0 m m 、5 5 0 m m 、6 0 0 m m 、 8 0 0 m m 和1 0 0 0 i 啪。 3 型号 管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。其含义为管体上混 凝土有效预压应力的大小。日本工业标准j i s a 5 3 3 7 1 9 9 4 中规定：a 型：混凝土有 效预压应力为3 9 2 m p a ；b 型：混凝土有效预压应力7 8 5 m p a ；c 型：混凝土有效 预压应力9 8 1 m p a 。我国在a 型和b 型中插a b 型，据计算a b 型的混凝土有效 预压应力为5 8 8m p a 。 2 2 单桩竖向承载力的确定方法概述 2 2 1预应力混凝土管桩单桩受荷基本原理 单桩受到荷载作用，初始受荷时桩身产生垂直应力和弹性变形，并向桩身下部 传递，自上而下逐步建立摩阻力，桩身处于弹性压缩阶段。随着荷载增加，当桩 身垂直应力传递到桩端时，桩端土逐步压缩，桩土相对变形加大，桩侧摩阻力进 一步发挥。在加荷载最后阶段，随着桩端阻力的不断增加，桩顶部位侧阻力首先 达到极限( 摩阻力趋于定值) 并向下逐步扩大极限阻力的分布范围，在此过程中对应 于荷载增量，作为抗力的摩阻力增量所占比例愈来愈小，而桩端阻力增量所占的 比例则愈来愈大，最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展，桩因急剧下沉而失效， 广东工业大学工学硕士学位论文 桩向土的刺入破坏先于桩身强度破坏为其主要破坏特征5 引。 2 2 2 影响单桩承载力的因素 由于桩土之间是一个涉及多种因素的复杂体系，桩的类型、截面形状及尺寸、 桩长、成桩工艺、施工质量、地基土层的地质年代、沉积环境及历史、土层类别 及土的物理力学指标、土层层位、桩身质量、桩的垂直度、地下水位变换等因素 都会对桩的承载力产生影响“1 、”1 。 2 2 3 预应力管桩竖向承载力确定的一般方法 确定单桩承载力的方法是在桩基工程设计中，关系到设计是否安全和经济的 关键问题。单桩的承载力的确定通常有如下方法【6 3 i6 4 1 。 ( 1 ) 静力学计算法。根据桩侧阻力、桩端支承力的破坏机理，按照静力学原理 采用土的强度参数分别对桩侧阻力、端阻力进行计算。静力学计算法的可靠性依 赖于土的物性参数的取值。一般来说，这种