（岩土工程专业论文）软土地基静力压桩挤土效应问题的研究.pdf

摘要 静力压桩由于其诸多优点而在软土地基城市建设中获得日益广泛的应 用。然而，静压桩施工过程所产生的挤土效应会对周围的工程环境造成相当 严重的影响。学者们已从多方面对软土地基中静力压桩的挤土效应问题进行 了探索。从前人的探索中可以看到，这个问题涉及到多方面的理论，是非常 复杂的。目前，国内外的研究者对静力压桩的挤土效应及其对周围环境的影 响规律的研究仍然没有获得满意的结果。 在总结前人研究成果的基础上，本文采用新的思路和方法对软土地基中 静力压桩问题开展了进一步的研究i 、良要工作有： 首先，基于连续介质力学有限变形理论，首次尝试采用点和面接触的物 理模型模拟软土地基静力压桩过程中桩土的相互作用，用拉格朗日乘子法引 入桩土之间的约束条件，对桩体和土体作为一个整体的系统势能进行修正， 然后用变分原理建立适合静力压桩过程中桩土系统的控制方程。 其次，编制了能够动态模拟压桩过程的有限元程序e p l c p 。程序能够计 算出静压桩过程中桩压至任意深度时桩周土体的位移场( 包括径向位移和竖 直隆起) ，还能计算出土体的应力场以及桩土之间的相互作用力。程序对均质 土体和成层土、空心管桩和实心圆柱桩的挤土效应都能够进行有效计算。 用本文开发的程序e p l c p 计算了在均质地基中静力压入两种不同截面的 桩( 空心管桩和实心圆柱桩) 所产生的挤土效应并对这两种桩所产生的挤土 效应进行了对比分析。 然后，利用杭州火炬大厦地基软土层较厚、且每层层厚大致均匀这样一 个比较理想的地质条件做了单桩静压桩的现场实测试验。试验测量了静力压 桩过程中桩周土体径向位移场的动态变化。用本文编制的有限元程序e p l c p 进行计算，计算结果与试验实测结果基本吻合，较好地模拟出静压桩过程中 桩周土体位移场的真实变化规律。 最后，作为静力压桩挤土效应研究工作的一部分，本文对杭州凤起路某 公寓h 1 楼和h 2 楼的基础工程桩和基坑围护桩的静压桩施工挤土效应进行了 研究，分析了该项工程中静力压桩过程对周围环境产生严重不良影响的原因， 最后提出了一些合适的预防或减缓挤土效应对周围环境影响的措施。丫 a b s t r a c t s t a t i c p i l i n g i sn o ww i d e l yu s e di nt h ec i t i e si nw h i c hs o f t c l a yf o u n d a t i o n i s c o m m o nb e c a u s eo fi t sv a r i o u sa d v a n t a g e s h o w e v e r , s t a t i c p i l i n g i ns o f t c l a y f o u n d a t i o na l s oh a si t so w nd i s a d v a n t a g e s t h ep r o m i n e n tp r o b l e mi st h a td u r i n gt h e p e n e t r a t i o no ft h ep i l ei n t os o i l so b v i o u sc o m p a c t i n ge f f e c ti ns o i l sa r o u n dt h ep i l et a k e s p l a c ea n d t h i sa f f e c t st h ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t s e r i o u s l y m a n yr e s e a r c h e r ss t u d i e d t h ep r o b l e mb u tt h e yd i dn o tg e tc o m p l e t e l ys a t i s f i e dr e s u l t su pt on o w f r o mt h e i r r e s e a r c hi ti sf o u n dt h a tt h ep r o b l e mi sv e r yc o m p l i c a t e db e c a u s ei ti n v o l v e si nm u l t i p l e b a s i ct h e o r i e s o nt h eb a s i so ft h ew o r ka v a i l a b l e t h ea u t h o rh a sf u r t h e rs t u d i e dt h ep r o b l e mo f s o i lc o m p a c t i n ge f f e c tb ys t a t i cp i l i n gw i t ht o t a l l yn e w a p p r o a c h t h em a i no r i g i n a lw o r k i n c l u d e s ： f i r s t l y ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ff i n i t ed e f o r m a t i o no fm e c h a n i c so fc o n t i n u a ， t h ea u t h o rh a st r i e dt oa d o p tt h ep h y s i c a lm o d e lo fn o d e sc o n t a c t i n gw i t hp l a n et o s i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i l sa n dt oa d o p tl a g r a n g em u l t i p l i e ra p p r o a c ht o e n f o r c ed i s p l a c e m e n t st ob ec o m p a t i b l eb e t w e e np i l ea n ds o i l sa f t e rt h ep o t e n t i a lo f t h es y s t e mc o n s i s t e do fp i l ea n ds o i l sw a sm o d i f i e d ，t h ev a r i a t i o n a im e t h o dh a sb e e n u s e dt oo b t a i n e dt h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o n so ft h ep r o b l e m s e c o n d l y , t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e daf i n i t ee l e m e n tp r o g r a me p l c p w h i c hc a n s i m u l a t ed y n a m i c a l l yt h ep r o c e s so ft h ep e n e t r a t i o no fp i l ei n t os o i l s t h ep r o g r a mc a n c a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s e so ft h es o i l sw h e n p i l ed e n e t r a t e si n t ot h es o i l s f o ra n yd e d t h t h ep r o g r a mc a np r o p e r l yd e a lw i t hs u c hc a s e sa sp i p ep i l eo rs o l i dp i l e p e n e t r a t i n gi n t oh o m o g e n e o u s f o u n d a t i o no rl a y e r e ds o i lf o u n d a t i o n t h i r d l y , u s i n gt h ep r o g r a me p l c p , t h ea u t h o rh a sc a l c u l a t e dt h es o i lc o m p a c t i n g e f f e c ta ss o l i d p i l ea n dp i p ep i l e a r es e p a r a t e l yd r i v e ni n t o h o m o g e n e o u ss o f tc l a y f o u n d a t i o n t h ea u t h o rh a sa l s oa n a l y s e dt h ed i f f e r e n c e so ft h es o l lc o m p a c t i n ge f f e c t c a u s e db yt h et w od i f f e r e n tp i l e sa n do b t a i n e ds e v e r a iv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa b o u tt h e p r i n c i p l eo fs o i lc o m p a c t i n ge f f e c tb ys t a t i cp i l i n g f o u r t h l y ，t h ea u t h o rh a sc a r d e d o u taf i e l d e x p e r i m e n to nt h ef o u n d a t i o n o f h a n g z h o ut o r c hm a n s i o nw h i c hh a sd e e pa n dr o u g h l ye q u a ll a y e r so fs o f tc l a y t h e t e s td a t ah a v ec o n f i r m e dt h ee s t i m a t e dr e s u l t sb yp r o g r a me p l cp f i n a l l y , a sp a r to fr e s e a r c hw o r k ，t h ea u t h o rh a sm o n i t o r e dt h ep r o c e s so ft h es t a t i c p i l i n go naf o u n d a t i o no ft h eb u i l d i n gh 1a n dh 2 w h i c hl o c a t eo nt h ef e n g q ir o a di n h a n g z h o u t h e a u t h o rh a s a n a l y s e d t h es e r i o u s d a m a g e st o t h e s u r r o u n d i n g e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n tc a u s e db ys t a t i cp i l i n go nt h ef o u n d a t i o no fb u i l d i n gh 1 a n d t h e nt h ea u t h o rh a sp u tf o r w a r ds o m ee f f e c t i v em e a s u r e st op r e v e n to rr e d u c et h e d a m a g e s t ot h ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n ti nt h ev i c i n i t y i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e m e a s u r e sa r ep r o p e rf o rt h es t a t i cp i l i n go nt h ef o u n d a t i o no fb u i l d i n gh 2 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤十效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 第一章绪论 1 1 引言 在城市基本建设过程中，一些工程活动对工程环境所产生的不良影响引起 了人们越来越多的关注。这些影响包括深大基坑开挖引起的坑周土体的沉降和 基坑自身的稳定，桩基施工的挤土效应，城市隧道掘进导致周近地表隆起和土 层塌陷，等等。本文主要研究饱和软土地基中静力压桩施工对工程环境的影响， 这项研究是国家自然科学基金委员会重点资助的研究项目( n o 5 9 7 3 8 1 6 0 ) 的 一部分。 静压桩施工由于其噪音小、无泥浆污染、沉桩速度快等优点而在东南沿海 软土地基城市建设中获得日益广泛的应用。然而，静压桩施工过程所产生的挤 土效应会对周围的工程环境造成相当严重的影响。近年来，仅在杭州一地就发 生了多起因静压桩施工挤土所产生的工程事故。结合本文的研究工作，作者亲 自参加了两个实际工程中与静力压桩有关的基坑围护设计与监测项目，这两个 工程一个是杭州风起路上的某公寓h 1 楼和h 2 楼，另一个是杭州文三路上的火 炬大厦。 杭州火炬大厦位于杭州市文三路3 8 号自动化技术研究院北侧，大厦主体 1 8 层，基础采用静压预应力管桩基础。在进行静力压桩施工过程中，地基周 围的工程环境受到了严重的影响。如场地南侧的自动化技术研究院大楼墙上产 生了大量裂纹，大楼第一层中的一些房间的门窗无法正常打开或关闭，等等。 在这项工程中，本文没有着重观测整个静压桩施工对周围工程环境的宏观影响 过程，而是利用火炬大厦地基进行了单桩的静压桩实测试验。根据工程地质勘 测报告，火炬大厦地基地表下软粘土层较厚，约2 5 米，其中表层为杂填土， 杂填土层之下有四个厚度大致均匀的软土层，这是比较理想的试验场地。本文 的研究工作中用单桩静力压桩试验对静压桩挤土效应进行了动态测量。 杭州凤起路某公寓h 1 楼和h 2 楼的基础工程桩和基坑围护桩均采用预应力 混凝土管桩。本文对整个压桩过程进行了监测，不仅记录了测点的位移或竖直 隆起值随时间的动态变化，还仔细观察了场地周围环境的宏观变化。在对h 1 楼的地基进行静压桩施工时，挤土效应对周围环境产生了比较严重的影响，具 浙江大学博士学位论文 软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 体表现在以下几个方面：( 1 ) 紧邻压桩施工场地外侧的人行道表面明显隆起， 路边水泥立块已严重歪斜( 图1 1 ) 。( 2 ) 场地外侧的风起路水泥路面被抬高接 近8 公分。( 3 ) 路面下的自来水管破裂，大量自来水渗出路面。( 4 ) 凤起路整 体向北移动致使凤起路另- n 的一幢楼房的门口水泥地面的严重开裂和人行道 上的水泥垫快翘起( 图1 2 ) 。( 5 ) 与施工场地相对的凤起路另一侧( 即凤起路 北侧) 的楼房以及一所小学的部分校舍的墙面出现大量大小不等的裂纹。 图1 1 场地外侧的人行道面的隆起 图1 2 风起路北侧的人行道垫块翘起 显然，在软土地基中进行静力压桩时压桩挤土效应对周围环境的影响是不 容忽视的，有时甚至是很严重的，而且这种影响是多方面的。总结起来，沉桩 ( 包括打桩和静力压桩) 过程桩周环境产生的影响包括： ( 1 ) 桩周土体被压密或挤开，从而使土体产生垂直隆起和水平移动，并 可能进一步使邻近已压入的桩产生上浮、桩位偏移和桩身翘曲，严重时甚至造 成桩的折断。大量的土体运动会损坏邻近的建( 构) 筑物； ( 2 ) 桩周土体中的应力状态发生改变。桩入土过程中桩周土体中尤其在 靠近桩表面处将产生很高的孔隙水压力； ( 3 ) 桩周土体的重塑和扰动、土的原始结构遭到破坏，土的工程性质与 沉桩前相比有很大的改变； ( 4 ) 桩周土体中孑l 隙水压力的消散和触变效应，土的强度逐渐恢复。 静力压桩挤土效应的机理非常复杂，其中一些问题人们至今尚没有完全 弄清楚。为了掌握静压桩挤土效应对周围环境的影响规律并以此为基础提出 有效的防治措施并指导工程实践，很有必要对这个问题展开进一步的研究。 1 2 软土地基中静压桩问题的研究现状 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 实际上，打桩和静力压桩过程中的挤土效应问题早已受到人们的关注，许 多岩土工程技术人员对此进行了探索。以前的研究在探索打桩过程中桩周土体 中的应力状态的变化规律和土体强度的变化规律方面，尤其在桩的承载力的估 算以及承载力随时间的变化规律方面进行了较多的研究，有关这方面的文献也 较多。近年来，国内外的研究者对静力压桩的挤土效应及其对周围环境的影响 规律进行了较多的研究但还没有获得令人满意的结果。以前的研究工作主要是 从现场实验观测和理论分析两个方面展开的。最初的研究工作大约始于五十年 代，由于当时的计算手段、计算方法以及人们对这一问题的认识水平等因素的 限制，早期的研究工作主要是对压桩过程的进行现场量测，从大量的实测资料 中总结规律，以及在此基础上提出一些经验公式等。大约在七十年代，开始有 人对这一问题进行理论探索，主要的分析方法包括圆孔扩张法、应力路径法、 有限单元法。 1 2 1 静压桩问题的现场实测研究 人们通过现场实测，对桩周土体在沉桩后的变化进行了广泛的研究，研究 的内容包括桩周土的剪切强度和桩的承载力、孔隙水压力的产生和消散、土体 位移等。这一阶段的研究工作得出了很多有价值的结论，主要有： 1 对土体的剪切强度的影响 h o u s e l 和b u r k e y ( 1 9 4 8 ) ，c u m m i n g sk e r h o f f 和p e c k ( 1 9 5 0 ) 研究了打桩 对粘土性能的影响。根据在沉桩后不同时刻对桩进行的加载到桩失效的实验结 果，他推断出粘土的不排水强度由于打桩的影响在打桩的初始阶段减小很多， 但随后会随时间的消逝而显著恢复。一般来说，沉桩瞬时由于桩周土在含水量 为常量( 由于粘土的排水速度较低，沉桩过程中桩周土体的含水量近似地当作 常量) 的条件下严重重塑，桩周土的不排水剪切强度有相当大的下降。随后， 强度将会增长，这是因为两个因素产生的：( 1 ) 随着因重塑而破坏的土结构的 逐渐恢复，土的不排水强度触变性地恢复；( 2 ) 由于桩周土的中孔隙水压力的 消散而产生的局部固结产生强度恢复。还存在这样一种情况，固结是负向进行 的，即土体随时间而膨胀，因此，除了重塑产生强度下降之外，这种负向固结 也产生强度下降。 o r r j e 和b r o m s ( 1 9 6 7 ) 研究了灵敏土中沉入混凝土桩对桩周土体中强度的 影响时间长短，土的不排水强度在沉桩九个月之后几乎恢复了其原有的值( 指 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 未受扰动之前的c u 值) 。他们还发现 随时间的消逝，强度恢复程度很低。 下降。 当群桩中桩的间距小于四倍的桩径时， 在有些情况下强度甚至会随时间进一步 d em e l l o ( 1 9 6 9 ) 研究了打桩对桩周土体的影响范围的大小，他认为沉桩后 瞬时，桩一土界面处土的重塑量为百分之百，而距离桩表面1 5 2 0 倍直径处， 土的重塑量几乎为零。 2 打桩过程中产生的孔隙水压力 很多学者测量了打桩过程中桩周土体中的孔压值，如b j e r r u m ( 1 9 5 8 ) ， m i l l i a n ( 1 9 6 2 ) ，l a m b e 和h o r n ( 1 9 6 5 ) ，o r r j e 和b r o m s ( 1 9 6 7 ) ，d a p p 0 1 0 n i a 和l a m b e ( 1 9 7 1 ) ，等等。测量的结果显示：超孔隙水压力等于甚至大于附加有 效应力。然而，产生的超孔隙水压力随着离桩距离的增加而急剧降低且随着这 个距离的增大孔压也消散得非常快。 图1 3 显示：( 1 ) 孔压的大 小与土的灵敏度有关。( 2 ) 桩 附近产生了较高的孔压，有些 情况中，孔压是现场竖直方向 有效应力的1 5 2 0 倍：桩尖 附近，产生的孔隙水压力更大， 为竖直方向有效应力的3 4 倍 ( a i r h a r t1 9 6 9 ) 。( 3 ) 对于正 常粘土r a 4 ( a 为桩的半 径) ，对于灵敏性土r a 8 时， 孔压会迅速下降；当r a 3 0 时，孔压已非常小了，可以忽 略不计。 图1 3 孔压与灵敏度的关系 ( 引自p o u l o s 等，1 9 8 0 3 压桩过程中产生的土体位移 有多位研究者对桩周土体的隆起进行了观测，但观测结果却有较大的差 异。以桩周土体的隆起量与桩在土体内的总体积之比作为度量，a d a m s 和 h a n n a ( 1 9 7 0 ) 发现，h 型钢桩压入较硬的土体中时，这一比值为1 0 0 ：h a g e r t y 和p e c k ( 1 9 7 1 ) 发现在粘土中该比值为5 0 ，a v e r y 和w 订s o n ( 1 9 5 0 ) 测得该 比值为6 0 ；o r r j e 和b r o m s ( 1 9 6 7 ) 发现钢筋混凝土预制桩在灵敏的软粘性土 4 浙江大学博士学位论文软土地基静力压枷挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 中的排土量为3 0 。这些数据上的差异大多数是由于在各自的观测中土的类型 的差异产生的。 h a g e r t y 和p e c k ( 1 9 7 1 ) 对灵敏度不同的粘土中压桩产生的位移进行测量 发现，压桩时灵敏性土中土的位移比非灵敏性土中的位移小。 1 2 2 静压桩问题的理论分析 一圆孔扩张法( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ) 圆孔扩张法是个曾经被广泛用于分析沉桩效应的方法。这个方法最初被 用于金属加工方面( b i s h o p1 9 4 5 ) ，后来被推广用于岩土工程中的压力测试分 析、深基础的承载力分析以及由于沉桩而产生的土体扰动分析( b a g u e l i n ， 1 9 7 2 ；v e s i c ，1 9 7 2 ；c a r t e r ，1 9 7 8 ) 。 r a n d o l p h ( 1 9 7 9 ) 用圆柱孔扩张方法模拟沉桩过程，求出了沉桩后桩周土体 中的有效应力和孔隙水压力。c a r t e r ( 1 9 7 9 ) 也进行了类似的分析。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 应用圆孔扩张法模拟了沉桩过程并推导出地面隆起量的计 算表达式。c h o w 和t e h ( 1 9 9 0 ) 利用圆孔扩张法把沉桩过程当作一个准静态过 程，求出了桩周土体的位移场。 胡中雄，侯学渊( 1 9 8 7 ) ；李雄，刘金励( 1 9 9 2 ) 将饱和土中压桩的挤土 效应问题视为半无限土体中柱形小孔的扩张问题，应用弹塑性理论求出了沉桩 时的桩周土体的应力和变形。 由于圆孔扩张法中假设沉桩问题是轴对称或球对称的，严格限定各变量场 如位移场、应变场、孔压场等仅仅依赖于径向坐标。这与实际情况并不相符。 b a l i g h ( 1 9 8 5 ) 认为圆孔扩张法在旁压测试中的应用是正确的，但将其应用于深 基础问题的分析是不合适的。 二应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ) 经过多年的研究，麻省理工学院m o h s e nm b a l i g h 等总结出一种主要用 于分析深基础问题的方法一应变路径法( b a l i g h ，1 9 8 5 ) 。这个方法基于这样 的假设，即在沉桩过程中不必考虑土的本构关系就可以比较准确地确定土体的 位移场，这就使问题的求解过程大大地简化了。具体说来，这种方法利用一个 点源和一个均匀的竖直方向的流场相结合，模拟出一个光滑的、圆头桩的沉入 过程，得到了准确的、表达式简洁、且独立于本构关系的位移场。 应变路径法被b a l i g h 等人( 1 9 8 5 ) 提出之后，多次被用来分析与深基坑 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 有关的问题，这个方法至今仍然有生命力。t i t i ( 1 9 9 7 ) 对饱和软粘土中的承载 力随时间增加的问题进行了分析。在分析的过程中用应变路径法模拟沉桩过 程，用h i s s 模型( h i e r a r c h i c a ls i n g l es u r f a c em o d e l ) 表征桩土界面处土 的行为，采用非线性多孔介质的有限单元方法模拟沉桩后固结过程和桩的承载 力试验。最后得到的数值与实测结果吻合得相当好。然而，应变路径法忽略了 土单元的旋转，也忽略了基础表面的效应，用这种方法不能求出压桩时土体在 垂直方向的隆起量。 三有限单元法( f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ) c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 指出，用经典有限单元法分析荷载作用下的土的行为时，假 定土体中只产生小变形，这对于大圆柱形物体贯入土中的问题是不适当的。这 时桩周土体的变形不再是小变形了，该区域内的应变也不再与位移梯度成线性 关系，必须考虑构形的变化修改平衡方程。c h o p r a 采用有限单元法分析了沉 桩过程，将土看成两相的、临界状态的弹塑性材料。c h o p r a 用修正的拉格朗 同方法描述在桩的贯入过程中桩周土体中发生的大增量的塑性变形和有限旋 转，沉桩过程被模拟成桩尖土的逐渐劈裂过程。土体的应力应变关系服从修正 的剑桥模型，土中水的流动服从达西定律，最后采用有效应力原理求出沉桩瞬 时和固结后的孔隙水压力场和有效应力场。c h o p r a 还比较了桩周土体中粗细 不同的两种网格划分对计算结果的影响，但没有计算出位移场。c h o p r a 采用 的模拟沉桩过程的方法比较简单，容易在程序上实现。其不足之处在于没有考 虑桩与土之间可能发生的滑动。此外，c h o p r a 对桩头锥面上土颗粒的运动方 向的确定也是不合理的。 m a b s o u t ( 1 9 9 4 ) 对用有限单元法分析研究打桩问题的可行性进行了详细的 分析。问题的描述如下：一个圆截面混凝土桩被打入不排水粘土之中，混凝土 桩的直径为0 5 0 m ，桩长2 0 m ，桩头形状为抛物面，桩身和桩头的连接处光滑过 渡。分析过程中，考虑了不排水粘性土的非线性行为，采用了k a l i a k i n 和 d a f a l i a s ( 1 9 8 9 ) 提出的边界面模型，用一个周期函数表示锤对桩的作用。桩 的入土过程用模擦接触滑移线算法( af i c t i o n a l c o n t a c ts l i d e i i n e a l g o r i t h m ) 模拟。分析过程中考虑了大变形，用修正的拉格朗日方法描述。 这项工作的研究者的最初意图是模拟桩入土的整个过程。然而，由于完成整个 桩入土过程分析的计算时间相当长( 在c r a yy - m p 8 8 6 4 机上计算时，计算一 次锤击效果所花费的机时依据桩入土中深度的不同在4 1 6 小时之间) 。因此， 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 研究者后来改变了研究计划，决定预先钻一组不同深度的孔，再把桩放入不同 深度的孔中。这样可以对已放入不同深度的孔中的桩进行锤击效果的研究，计 算出每次锤击与桩的入土深度之间的关系。m a b s o u t 采用的滑动面算法是由接 触准则或变分不等式建立起数学模型并通过二次规化或惩罚算方法来求出解答 的。这种方法允许土与桩之间的相对滑动，当在桩土接触面上有拉应力时，容 许桩土相互分离。用这种方法模拟桩的入土过程能够模拟出桩土界面的相互作 用，但该算法花费机时太多。这项工作的研究者自己认为，这种方法是进行理 论研究的强有力的工具，但不宜应用于实际工程。m a b s o u t ( 1 9 9 5 ) 还对打桩 问题进行了定量分析。研究的方法是在不同深度的孔中放入桩，然后进行锤击。 每桩只锤击一次，计算土对桩的阻力以及阻力沿桩身和桩尖的分布。追踪土中 应力状态的变化过程和土体中的孔隙水压的变化规律，还探索土体的强度对打 桩的影响，比较了计算结果对不同的有限单元网格划分的灵敏性。 鲁祖统( 1 9 9 8 ) 对静力压桩问题进行了初步的探索，他参照c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 所采用的方法也对静压桩挤土效应进行了数值模拟尝试。 陈文( 1 9 9 9 ) 用离心模型试验对压桩问题进行了有意义的研究，对压桩时 的土体位移和超孔压进行了测量。他还采用d e s a i 接触面单元和基于圆孔扩张 理论的空间轴对称有限元对静压桩过程进行了模拟。 1 2 3 静压桩问题的性质及其研究方法 总结已有的研究成果可以看到，打桩和静力压桩的挤土效应问题是一个非 常复杂的问题，涉及到多方面的理论，如有限变形理论、摩擦接触理论、本构 关系理论、固结理论等。现就这个问题的复杂性的主要方面以及现有文献中的 研究方法分述如下： ( 1 ) 有限变形问题桩压入土体后引起桩周围土体产生严重拉裂和剪 切，桩周附近部分土体中的应力值很高，部分土体进入塑性破坏状态。桩周土 体中会产生大位移、大转动、大应变，土体中的应变与位移梯度不成线性关系， 小变形假设对这个问题是不适合的。因此，应该采用有限变形理论描述和分析 压桩问题。 ( 2 ) 接触问题在压桩过程中，作为研究对象的桩周土体的边界条件 随着桩的不断压入而发生变化，桩与土之间发生带摩擦的滑动，也可能发生部 分土体与桩体的局部分离。采用何种方法描述静压桩过程中桩与土的相互关系 浙江大学博j 二学位论文软土地基静力压桩挤十效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 是研究静压桩挤土效应问题的关键。有很多研究者对此进行了探索。r a n d o l p h ( 1 9 7 9 ) 用圆孔扩张法对沉桩进行过程模拟，这种作法与实际情况有较大的差 别。b a li g h ( 1 9 8 5 ) 、t i t i ( 1 9 9 7 ) 等用应变路径法模拟了桩的沉入过程。c h o p r a 和d a r g u s h ( 1 9 9 2 ) 用桩尖土的逐渐裂开的过程模拟沉桩过程，这个方法比较 容易编程实现。但使用这个方法时应该合理地确定桩头锥面上土颗粒的运动方 向。m a b s o u t 和t a s o u l a s ( 1 9 9 4 ) 应用滑动面算法模拟沉桩过程。这种方法可 以模拟桩土界面，但算法花费机时太多。 ( 3 ) 土体本构关系在以前的文献中有采用m o h r c o u l o m b 屈服准则 的，有采用修正剑桥模型的，也有采用边界面模型的。现有的大多数本构模型 在小应变( 4 2 0 ) 的情况下能较好地反映应力应变之间的关系，在大应力大应 变的情况下有些本构模型的使用并不理想( p d k i o u s i s1 9 8 5 ) 。压桩过程中 桩表面附近的土层已进入塑性破坏状态，应变值很大，应力值也很大，已达到 材料的破坏应力了。因此，选择怎样的塑性本构模型来描述压桩过程土体的应 力应变关系是一个不能轻视的问题。从文献上看，现在广泛使用的模型有修正 的剑桥模型和m o h r c o u l o m b 模型。 ( 4 ) 固结问题压桩过程中，当桩挤开其周围土体时，土体中的总应 力在增加。同时，桩周土体由于剪切和重塑，其有效应力在增大或减小( 这 依赖于剪切时土体是趋于膨胀或收缩的) 。正常固结粘土不排水剪切时趋于收 缩，故其有效应力减小。根据有效应力原理可知，超孔隙水压力等于总应力 与有效应力之差。因此，正常固结粘土中孔隙水压力在增加。沉桩完成后， 孔隙水压力将从较高的孔压区向较低的孔压力区消散，这将使桩周土体产生 固结。因此，在研究静力压桩的挤土效应问题时要考虑土体的固结的影响。 固结过程中土体骨架的压缩性应该是非线性非弹性的，为反映土体固结的非 线性性状，应采用大变形固结理论，如建立在大变形基础上的b i o t 固结理论， 可以求出沉桩过程中的土体位移分布l u l l 隙水压力分布。 1 3 本文所作的主要工作 本文在广泛查阅、收集和整理中外文文献的基础上，采用了新的思路和方 法研究了饱和软粘土地基中静力压桩问题，主要工作有： 1 ) 基于连续介质力学有限变形理论，首次尝试采用点和面接触的物理模 型模拟软土地基中静力压桩过程中桩土的相互作用，用拉格朗日乘子法引入桩 浙江人学博上学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究 2 0 0 0 年6 月 土之间的约束条件，对桩体和土体作为一个整体的系统势能进行修正，然后用 约束变分原理建立适合静力压桩挤土效应问题的控制方程。 2 ) 编制了能够动态模拟压桩过程的有限元程序e p l c p 。该程序能够计算出 静压桩过程中桩压至任意深度时桩周土体的位移场( 包括径向位移和竖直隆 起) 、桩周土体的应力场以及桩土之间的相互作用力。程序对均质土体和成层 土、空心管桩和实心圆柱桩的挤土效应都能够进行有效计算。 3 ) 用本文开发的程序e p l c p 计算了在均质地基中静力压入两种不同的桩型 ( 空心管桩和实心圆柱桩) 的挤土效应。通过对这两种桩型所产生的挤土效应 的对比分析得出了几个有价值的结论。 4 ) 对杭州凤起路某公寓h l 楼和h 2 楼的基础工程桩和基坑围护桩的静压桩 施工的全过程进行了监测，结合单桩挤土效应的规律对群桩的挤土效应进行了 定性分析。本文针对该工程分析了压桩过程对周围环境产生严重不良影响的原 因，提出了一些适合的预防或减缓挤土效应对环境影响的措施。 5 ) 利用杭州火炬大厦地基软土层较厚、且每层层厚大致均匀这样一个比较 理想的地质条件进行了单桩静压桩的现场实测试验。试验中测量了静力压桩过 程中桩周土体径向位移场的动态变化。根据该场地地质勘测报告提供的土层物 理力学性质参数，用本文编制的有限元程序e p l c p 进行计算，计算结果与试验 实测结果基本吻合，较好地模拟出静压桩过程中桩周土体位移场的真实变化规 律。 6 ) 本文在以上工作的基础上提出进一步开展本领域内研究工作的建议。 浙江大学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 第二章有限变形理论 2 1 有限变形分析 2 1 1 变形体的运动描述 变形体的运动描述通常有两种方式：物质描述和空间描述。 ( 一) 物质描述 选定一个固定的空间坐标系之后，运动物体中每一点的空间位置可用一 组坐标表示。设在初始时刻，“= 0 ，质点的坐标是x ，( f = 1 ，2 ，3 ) 。 x ，同时作为这个质点的标记。该质点随时间运动，在任意时刻，的位罨用x ， 表示。这个质点的运动可用如下的方程表示 x 。= x ，( x ，r ) ，f = 1 ，2 ，3 ( 2 1 1 ) 确定了物体内所有的质点的这样的方程之后，整个物体的运动和变形也 就确定了。对于一个指定的时刻t ，关于组成物体的所有质点的这样一个完 全的刻划，称为物体在时刻f 的构形。于是，物体运动和变形的过程也就是 构形随时间连续变化的过程。在度量物体的运动和变形时需要选取一个特定 的构形作为基准，称为参考构形。在式( 2 1 1 ) 中取r _ “= 0 时刻的坐标x ， 作为质点的标记，这是取初始构形为参考构形。这种借助于运动着的具体物 质质点( 它以基准状态的位置坐标为标记) 来考察运动和变形的方法称为拉 格朗日描述或物质描述。其中，z ，称为物质坐标。 设物体的的运动和变形是 单值连续的，即对任意指定的 时刻f ，对每一个质点x ，有 一个和仅有一个x ，与之对应； 反之也一样。从几何观点看， 方程( 2 1 1 ) 表示一个从物体 初始时刻占据的区域v o ( 初始 构形) 到现时所占据的区域矿 ( 现时构形) 的映射( 图2 1 ) 。 这个映射是一一对应的， 韧始构形 图2 1 初始构形到现时构形的映射 酗凡 浙江大学博士学位论文软土地基静力盖桩挤土效应问题的研究 即在区域v o 内处处有 l ，= 苏1 o x l 文2 翁 融3 a x 0 ( 2 1 2 ) 物体的现时坐标x 。相对于物质坐标x ，的偏导数o x 。o x ，称为变形梯度。 它是一个非对称的二阶张量，相当于一个线性变换，把参考构形中质点z 的 邻域映射到现时构形x 。的一个邻域，或者说，把初始的线元d x ，变换到现时 的线元出，。所以巩，o x ，刻划了整个变形，它既包含了线元的伸缩，又包含 了线元的转动。变形梯度在有限变形问题的分析中起着重要的作用，它可以 用来表示变形期间体元的体积变化和面元的的大小和方位的变化。 ( 二) 空间描述 在物质描述中，质点在某一时刻的坐标x ，是时间f 和物质坐标x ，的函数 这种描述有限变形的方法不总是方 便的。例如，对于某些工程实际问 题，不需要知道每一质点的整个运 动历史，只需要描绘出各个时刻位 于指定的空间各点处的那些质点的 运动，而不管这些质点来自何处。 这时需要将空间坐标x ，和时间f 作 j f z , x 为彼此独立的变量来处理。这种描 述方法称为空间描述或欧拉描述。 在空间描述中物体的瞬时运动 是用速度场 壹形舯 变膨嗣 图2 2 应变描述示意图 v ，= v ，( x ，f ) 给出的。v ，是物质点的速度，该物质点的加速度的表达式是 i ：坐+ v 堕 西7 缸 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 堕一一堕一吗屯一 上 浙江大学博士学位论文 软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 上式定义的加速度是与运动着的物质质点相关联的，因此也称为速度的物质 导数。 2 1 2 有限变形的应变张量 如图2 2 所示，在初始构形中的一个物质三角形，它的顶点为尸，p 和 j d ”。由于变形，它在现时构形中为由点q ，9 ”和q ”构成的三角形。变形前 物质线元即和p p ”的分量用栅，和5 7 ( ，表示，在变形后它们是q 9 和q q ”， 其分量用出，和蠡，表示。这个小的物质三角形在现时构形和初始构形之间的 差别可表示为 啦瓯一趔，8 x ，2 i 詈参。，l 硝，吗 ( 2 1 5 ) 上式中右端栅，耐，前的因子可作为应变的度量，于是定义格林应变张量如下 毛= 1 2 f 【, 盟o x , 堕o x s 一西 ( 2 1 6 ) 格林应变张量是以初始构形为参考构形的。 形，可定义阿耳曼西应变张量如下 铲卜筹筹 类似地，若以现时构形为参考构 ( 2 1 7 ) 格林应变张量和阿耳曼西应变张量都是二阶对称张量。对于位移矢量“，相 对于初始构形和现时构形，它们的定义分别是 ，= x ，( x ，f ) 一x “，= x 。一，( x ，f ) 相应的变形梯度为 o x ，o u 。 茜2 茸” 等= 毛一等 咖j 。 出， ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 1 1 0 ) ( 2 1 1 1 ) 浙江大学博十学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究 2 0 0 0 年6 月 其中要和昙生分别是相对于初始构形和现时构形度量的位移梯度。引入变 0 4哦 形梯度( 位移梯度) 后，格林应变张量和阿耳曼西应变张量可以表示为 毛2 f l 丝o x , 2 + 每o x + 等o x 券j c z 川z ， j | a x | 1 圹； 筹+ 考一警筹 c z 川s ， 由于格林应变是相对于初始构形定义的，所以在计算格林应变时，“被看作 是未变形的初始构形内质点位最的函数。同理，在计算阿耳曼西应变时，“ 被看作是变形后的构形内质点位置的函数。 在讨论小变形时，位移梯度的分量与单位值相比是很小的，即 堕 1 ，塑 孝 孝 孝 善 + 一 一 + ( 一4一4一4，一4 i | = = i i 眠 m m m 浙江人学博士学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 钣：了a a u r + 1 2 阿l 0 ) ，求 a = a ( a ) 。设a 是对应于参数a 的解，而a + a a 是对应于参数五十4 旯的解( a 2 是五的一个小的改变量或增量) 。于是有 i ：p ( n ) = 甲( n + a a + a a ) = 0 对上式泰勒展开， r + 加，a + 血) ：( n ，五) + 警4 4 + 警肌+ d 口d 引用记号 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 浙江大学博j ：学位论文软土地基静力压桩挤土效应问题的研究2 0 0 0 年6 月 k t ( 仃，五) ：挲 d a ( 2 4 1 0 ) 考虑到罢：一面以及式( 2 4 2 ) ，在式( 2 4 _ 3 ) 中略去高阶项，可以得到 叭 k ，( ，2 ) a a 一豆4 兄= o 或 a a = ( 岛( ，五) ) 。1 k a 2 ( 2 4 1 1 ) 设0 = 4 0 a ： 钆= 1 ，将 分解成如下的m 个增量 4 2 m = 九“一九 相应的载荷可以记为 r 。= 九豆 4 九= 1 ( 2 4 1 2 ) 刎= 矗卅+ l 一吒= a 2 , 矗 ( 2 4 ，1 3 ) 由式( 2 4 5 ) ，可以得到由a 。计算a 卅+ 1 的公式如下 j 4 4 m 2 ( k r ( ，九) ) 。1 置4 九( 2 4 1 4 ) 【a 。+ l = a 。+ a a m 在推导公式( 2 4 5 ) 时，曾假定a ，是问题的解，即 p ( n 。，九) = 0 实际上是用增量法求解的过程中，a 。一般不是问题的精确解，即 r ( 盯。，厶) 0 考虑到这一点，应该在式( 2 4