（地质工程专业论文）phc管桩沉桩引起的超孔隙水压力研究.pdf

摘要 p h c 管桩以其单桩承载力高、抗弯性能好、质量稳定可靠、应用范围广、施工 速度快等优点，成为工业与民用建筑中重要的基础形式。由于桩身挤土作用，会在 桩侧土中产生较大的超孔隙水压力，周围的砂土和粉土产生液化，影响到桩基础的 施工质量和使用功能，对旌工现场周围的地下管线及建筑物产生不利的影响，甚至 发生工程事故。因此，如何合理地确定沉桩引起的超孔隙水压力的大小和分布规 律，评价其对周围环境的影响程度己成为学术界研究的重要课题和工程界迫切需要 解决的实际问题。 本文在深入讨论目前研究软土地基中沉桩引起的超孔隙水压力的理论方法后， 在前人研究工作的基础上，采用弹塑性接触非线形有限元法，对沉桩引起的超孔隙 水压力的分布规律和形成机理做了进一步研究。研究了材料非线性和接触非线性有 限元的求解理论和轴对称b i o t 固结理论，结合工程实例，基于a d i n a 建立了有限 元的计算模型，分析了桩距、桩径、沉桩速度、土塞闭合率等对超孔隙水压力的分 布捌律的影响。 通过计算方法的应用和有限元计算结果的分析，并与工程实测值进行对比，提 出了一些规律性的结论和建议，为合理的安排施工次序、控制最佳的施工进度、选 择必要的排水条件和减少沉桩施工的危害提供了依据。 关键词：p h c 管桩沉桩超孔隙水压力有限元法 a b s t r a c t p h cp i l eh a ss o m em e r i t s ：h i g h b e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e ， g o o d a n t i b e n d c a p a b i l i t y ， s t a b i l eq u a l i t y ，w i d e a p p l i c a t i o n ， f a s tp i l e d r i v i n gp a c e s oi t i sa d o p t e di nm o r ea n dm o r ei n d u s t r i a la n dc i v i l i a n p r o j e c t s b e c a u s et h ec o m p a c t i o ne f f e c t ，t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e i s p r o d u c e d i nt h es h a f ts o i lm a s st h es u r r o u n d i n gs a n da n dc l a yf 【l a y l i 啡l e f y ， t h ej a c k i n gq u a l i t ya n du s i n gf u n c t i o 九o fp i1 ef o u n d a t i o nm a y b ea f f e c t e d，t h ep i l ea n dl i n ea n d t h eb u i l d i n gb e s i d et h ec o n s t r u c t l o c a l 【f l a vb ea f f e c t e da 1s o t h e r e f o r e ， h o wt oc o n f i r mt h em a g n i t u d ea n d t h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h ep r o c e s so f p i l e j a c k i n gi nr e a s o n ， t oe s t i m a t ea f f e c t i n gd e g r e eo ft h ee x c e s sp o r e w a t e rd r e s s u r eh a sb e c a m ei m d o r t a n tr e s e a r c ht a s ko ft h ea c a d e m i ca n d p r a c t i c a lp r o b l e mt h a tc r yf o rs e t t li n go ft h ep r o j e c tg r o u p t h e r e f o r e ， i nt h i s p a p e r ， a f t e r d e e p l ys t u d y i n g t h e p r e s e n t c a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h ee x p r e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h ep r o c e s so f t h ep h cd i l ec o n s t r u c t i o ni nt h es o f t s o i lf o u n d a t i o n b a s e do nt h eoc h e r r e s e a r c hw o r k s ， t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t j o nt e c h n o l o g yjs a d o p t e dt os t u d yt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t ya n dm e c h a n i s mo fe x c e s sp o r e w a t e rp r e s s u r ei nt h ep r o c e s so fp i l e j a c k i n g t h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo f t h en o n l i n e a rm a t e r i a la n dn o n l i n e a rc o n t a c tf i n it ee l e m e n tm e t h o da n d s p a c ea x j a ls y m m e t r yb i o t sc o n s 0 1 i d a t i o n isr e s e a r c h e d ，w i t hap r o j e c t e x a m p l e ， t h es i m u l a t i o nm o d e lh a v e b e e nf o u n d e db yt h ea d i n a t h ep i l e s p a c i n g 、 t h ed i a m e t e ro ft h ep i l e 、 p i l e j a c k i n gp a c e a n dp l u g g i n g e f f e c th o wt oa f f e c tt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo fe x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r e isa n a ly z e d b a s e do nt h ea d 口l i c a t i o no ft h ea b o v ec a l c u l a t i o nm e t h o da n d t h e r e s u l to ft h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dc o n t r a s tw i t ht h e f i e l dd a t e ，s o m ec o n c l u s l o n sa n ds u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e d s o m eg i s ta r e o f f e r e di no r d e rt oa r r a n g et h ej a c k i n go r d e rr a t i o n a l l y ，a n dc o n t r o lt h e j a c k i n gp a c eo p t i m a 】 y ， a n dc h o o s en e c e s s a r yd r a i n，a n dr e d u c et h eh a r m o ft h ej a c k i n g k e yw o r d s ： p l l cp i l e j a c k i n gp i l e e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ef e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交韵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) ：6 鑫壶皇 堡一年6 月彳日 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) ：么玺壶坠l 旦移6 年6 月 占日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1沉桩引起的超孔隙水压力的研究历史与现状 1 1 1 引言 预制桩具有施工速度快、造价低、对环境污染小、质量容易保证、承载性能稳 定等特点，已经成为工业与民用建筑中重要的基础形式之一。工程中桩基础的大规 模运用，为桩基础的科学研究提供了丰富的资料，也为研究者提出了不少新的课 题。 最近几十年中，由于工程建设和工业技术的发展，桩的类型和成桩工艺、桩的 承载力与桩体的完整性的检测、桩的设计计算水平等都有很大的提高【l 】。然而由于 施工过程中的非排土等因素，使得在成桩过程中桩对桩周土体的挤压扰动会引起很 大的挤压应力和超孔隙水压力。当产生的超孔隙水压力增大到一定的程度，会使周 围的砂土和粉土产生液化，接着再沉入邻桩时，先沉入的桩在液化上浮力作用下会 发生桩身上抬、桩身出现裂缝、桩头错位、甚至断裂。会影响到桩基础的施工质量 和使用功能，对施： 现场周围的建筑物环境产生重要的不利影响，严重时甚至发生 工程事故。 沉桩施工对周围土体的影响问题已经引起广泛的重视，经过前人的努力，也已 经取得不少极有价值的研究成果。 1 1 2 研究历史与现状 早在半世纪前，国外的学者就注意到沉桩对粘土性能的影响及承载力的时效现 象。s e e d r e e s e ( 1 9 5 9 ) 和e i d e e t a l ( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，桩打入粘性土后，桩的承 载力随着时间而增加。如图1 1 。他们认为承载力的增长，主要是由超孔隙水压力随 时间消散，桩周土含水量减少而引起的，国内早在5 0 年代末，也积累了一些桩的承 载力随时间变化的资牡 。 1 9 4 5 年，用于研究金属压痕的圆孔扩张理论被首次提出。随后，这种理论被用 来解决岩土力学问题，如用以解释旁压实验。在以后二、三十年里，该理论得到了 很快的发展。1 9 6 1 年g i b s o n 和a n d e r s o n 【2 】首次将圆柱空腔体扩张法应用于岩土工 程。c o o k e 和p r i c e 【3 于1 9 7 3 年经过试验得出了超孔隙水压力的分布规律。1 9 7 9 年 r a n d o l p h 、c a n e r 和w o n h 【4 提出，打桩过程可看作是圆柱形空腔体的扩张过程，扩 第一章绪论 张的终径与桩径相同。他们采用平面应变条件，假设打桩引起的超静孔压消散遵循 d a r c y 定律土体模型采用理想弹塑性和工作硬化弹塑性模型用数值方法分析了打桩 产生的影响。1 9 7 9 年，有限元分析法首次应用到沉桩的模拟，它可以解决沉桩过程 中的几何非线性和材料非线性双重非线性问题。当土体本构关系复杂，求其解析解 困难时，有限元可以解决这个问题。 02 0 04 0 06 0 08 0 0 沉桩后间歇期小时 图1 1 桩基承载力随时i 司的增长 c a n e r 【5 】和y e u n g 及y u 和h o u l s b y 【6 都采用了有限元法来解决剪胀土中大应变扩 孔问题。m e y e r h o f 【7 】根据现场实测资料得出，超孔隙水压力一般随粘性土抗剪强度 的增加而增加，随桩距的减小而增加。h e n k e l 和w a d e 【8 】在考虑中主应力影响情况下 利用应力不变量提出了适用于完全饱和土的超孔隙水压力的表达式，朱泓和殷宗泽 采用空间轴对称有限元对打桩过程进行模拟，土体本构关系采用d 蚰c a n 双曲线e v 模型，取得了一些初步成果。同时1 9 8 3 年施鸣升1 9 】，探讨了粘土中沉桩桩侧所产生 的较大初始孔隙水压力。1 9 9 0 年唐世栋【l ，通过研究沉桩所引起的超孔隙水压力及 其消散过程，分析了桩基承载力的变化过程。1 9 9 6 年朱泓】、殷宗泽，用空间轴对 称b i o t 固结有限元法对打桩过程进行模拟，通过对各种计算结果分析及与实测值的 比较，验证其模拟方法的有效性。1 9 9 7 年姚笑青“2 1 、胡中雄，分析了小孔扩张理论 的不足，提出用土压力理论来估算沉桩引起的超孔隙水压力。其分别讨论了单桩和 群桩的情况下超孔隙水压力的计算，并与实测资料做了对比。1 9 9 9 年陈文【13 1 ，系统 分析了沉桩过程中对周围土体环境的影响，并分析了桩周作用力的分布规律。2 0 0 0 年徐永福【l4 1 、傅德明，根据结构性土体的变形特征和屈服准则，建立打桩力学模 型，用柱孔扩张理论，分析了超孔隙水压力的分布规律，得出了随着深度增大，孔 隙水压力增大等一系列的结论。2 0 0 0 年白冰【l5 1 、徐建平等，从弹塑性理论出发推导 0 0 o o 0 0 0 0 o 6 7 8 9 3 2 l 偎十、d珊坩盛岛霉 河海大学硕士学位论文 出沉桩过程中桩周土体挤压应力及超孔隙水压力的计算公式，给出了考虑挤压应力 和超孑l 隙水压力等影响因素的合理打桩间距的确定方法。2 0 0 1 年刘尔烈、黄饶 军，在综合分析国内外对沉桩问题研究成果的基础上，应用圆柱形空腔体扩张理论 模拟沉桩过程，考虑土体的本构关系采用较适合粘土地基的修正剑桥模型，编制了 考虑固结效应的空间轴对称有限元程序，对几种不同直径的桩贯入时，桩周围土体 的应力场、位移场和桩周超静孔压分布进行分析研究。2 0 0 2 年王旭东【1 7 】、王伟等， 引入时间、深度参数分析在饱和软粘土中沉桩时引起的超静孔隙水压力，给出了考 虑固结效应的超静孔隙水压力的三维解析解：分析了超静孔隙水压力的消散过程中 桩周土发生曼德尔效应的时间和区域，提出了在群桩施工过程中土体中的超静孔隙 水压力是消散与累加的综合过程，施工完毕后则变为单一的消散的计算模型，并给 出计算公式，通过算例，分析了桩群不同桩距、不同入桩顺序对超静孔隙水压力的 影响。2 0 0 2 年唐世栋f j ”、何连生等，通过对桩基施工过程中实测资料的分析，探讨 了沉桩时单桩周围土中产生的超孔隙水压力的大小、分布、及影响范围，并于理论 解对比，还对桩一土界面处的超孔隙水压力进行了讨论。2 0 0 3 年唐世栋、王永兴 等，通过对挤土桩桩基施工过程中实测资料的分析和理论研究，认为群桩施工时的 超孔隙水压力与单桩情况不同。并对饱和软土中桩群影响内超孔隙水压力的产生、 分布和变化趋势进行了探讨，对桩群外超孔隙水压力的分布规律和影响范围进行了 讨论。2 0 0 4 年王育才【”j 、孙钧等，运用无限介质中圆柱形小孔和球形小孔扩张理论 分别模拟饱和粘性土中打入桩的沉桩过程，求出沉桩过程中桩周土体的应力分布， 分析沉桩引起桩周土体土性的变化及其对土体应力的影响。运用水力压裂理论推导 出沉桩产生的超孔隙水压力在沉桩后瞬时沿桩身径向和竖向的分布。 1 2 p h c 管桩的特点与工程应用 1 2 1 简介 预应力高强混凝土管桩( 简称p h c 桩) 【2 ”，是在近代高性能混凝土( h p c ) 和 预应力技术的基础上发展起来的混凝土预制构件，它是建设部科技成果重点推广项 目。p h c 桩是专业工厂里采用先张法预应力和离心成型工艺，经过蒸压养护而制成 的一种空心圆筒体的等截面构件，运往施工现场后，通过锤击或静压的方法沉入地 下作为建( 构) 筑物的基础。这是一种新型的基础，p h c 桩管桩按外径分为3 0 0 、 第一章绪论 3 5 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、8 0 0 和1 0 0 0 等规格：按抗裂弯矩的大小分为a 型b 型和c 型；目前较为常用的有3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 这几种外径【2 2 1 。 1 2 2p h c 桩特点纠 1 、单桩承载力高。单位承载力价格便桩身混凝土强度等级为c8 0 ，具有高强性 能，口6 0 0 的p h c 桩的单桩允许承载力达到2 5 0 0 3 2 0 0 k n 。其单位承载力的造价比 预制混凝土方桩和钻孔灌注桩低，且仅为钢桩的l 3 2 3 ，并节省钢材。 2 、抗弯性能好。p h c 桩选用高强度、低松弛的螺纹钢筋作为预应力主筋，使 桩身具有较高的预压应力，p h c 桩有卓绝的贯入性能，能穿透密实的砂层，能适应 复杂的环境与地质条件。 3 、质量稳定可靠。由于采用工厂预制的生产方式，产品质量容易保证，且成桩 质量检测方便。 4 、应用范围广。桩身耐防腐性能好，规格长度容易调整，容易布桩，对桩端持 力层起伏变化大的地质条件适应性强。 5 、施工速度快，工期短。p h c 桩在工厂商品化生产，一般能缩短工期1 2 月。 6 、施工现场文明。施工现场无砂石、水泥，无泥浆污染，对施工现场狭窄的工 程特别有利。 12 3 p h c 桩的发展态势【2 4 】 由于管桩具有应用范围广、单桩承载力高、工程造价低等鲜明特点，所以在我 国发展迅速。目前东南沿海地区处于领先地位，设计人员将管桩作为首选基础之 一，具有丰富的设计、施工经验，还编制了预应力混凝土管桩基础技术规程6 1 5 2 2 9 8 标准。 随着我国城市化建设的高速发展，建筑己从多层向高层过渡，特别是近十年 来，大中城市的建筑均以十层以上为主，建筑的基础形式8 0 是桩基，经调查分 析，管桩在桩基中的比例不到8 ，这说明管桩基础在我国发展极不平衡，具有极大 的发展空间。 1 3 沉桩引起超孔隙水压力的机理 1 3 1 超子l 隙水压力的形成 河海大学硕士学位论文 地基土中某点的超孔隙水压力，是指该点的水压力值超过了其相应的静水压力 值2 5 1 。由于地基中的饱和砂土或粉土等，其孔隙中的水不易及时排出，土孔隙的减 少难以同振实同步减小，土粒骨架被水所衬托呈现出松弛状态，粒间压力转移到水 体，而形成超孔隙水压力。 由于局促强烈的振动，而有压水从土中渗出需经相当长的路径和时间，超孔隙 水压力不能形成以后马上就消散，而是随着振动越积累越高。当地基中的超静孔隙 水压力达到上覆土压力时，土粒问的有效应力完全丧失，土粒称悬浮状而液化，产 生喷水、冒砂和地基失效等现象。 1 3 2 沉桩对周围土体影响的机理 当桩沉入土中时，由于是非排土因素，桩的沉入使周围土体向外挤，其体积被 桩的体积填充。有关课题资料的模型试验发现，桩身和桩端周围一定范围内的土将 会发生不同程度的扰动和重塑。桩与桩之间的土受沉入桩挤压后向着原来压力较小 的方向产生位移。上覆土压力较小的浅层土向上隆起，使得其体积增大，其中的应 力释放比原状土更为松散，因而其桩周摩阻力较小。随着深度的增加，上覆土压力 也越来越大，最后足以抵御挤压产生的向上顶力，其桩周摩阻力也相应增大。而在 桩端发生的土体移动是以桩端为中心的球形径向移动。由于桩的打入，土体受到急 速的挤压，在桩周围产生很高的超孔隙水压力。 沉桩过程中，桩周围土体形成4 个区【2 6 】，如图1 2 。a 区紧靠桩身，受到的挤压 力也最大，瞬时形成极高的超孔隙水压力使土体产生许多水平或竖向裂缝，同时土 骨架受到激烈的挤压，土体结构完全破坏。随着休止时间的增长，土体发生固结， 超孔隙水压力逐渐消散，此区土体的抗剪强度逐渐恢复，达到甚至超过其原始强 度。对于软粘土，经上述固结后将与桩身牢固地粘结在一起。b 区在a 区的外面， 受沉桩挤压的影响严重，土体发生较大的位移和塑性变形及较高的超孔隙水压力， 此区的范围较大，一般是考虑孔隙水压力的主要的分析对象。b 区与a 区的交界处 形成一强度软弱面。对桩的有关观察表明，此软弱面往往是桩破坏时的剪切滑动 面，其面积大于桩身的侧面积，所以桩的极限摩阻力取决于b 区逐渐增长着的抗剪 强度。b 区的外侧是弹性压缩区c 区，它受到沉桩一定程度的影响，但土体的压缩 变形是弹性的，超孔隙水压力较小直至忽略不计。d 区为非扰动区，属现场原状 土。上述分析同样适用于桩端的情况。 第一章绪论 对于各区的大致范围，不同的研究人员有不同认识，迄今为止的研究没能取得 一致的结论，但较为统一的结果是a 区约为o 1 2 5 d 0 2 0 0 d ，b ，c 区分别为3 d 和 1 0 d ( 均从桩面算起，d 为桩的直径) 。沉桩施工还能引起地面土体的隆起。地面隆起 是由于桩周围地面下一定范围的土体受桩的挤压而产生向上移动，其结果是这部分 土体结构变得松散，客重变小，土体内的超孔隙水压力消散变快，士的抗剪强度也 很快恢复。 槛体 ，_ 医 时区【区，) e 图1 2 沉桩对桩周土体的影响范围 1 4 本文的主要工作 1 、了解沉桩引起的超孔隙水压力的研究成果和目前的研究现状，以及有限元求 解理论的研究和应用现状。 2 、探讨沉桩引起的超孔隙水压力的研究理论和研究方法，分析各种方法的有效 性和应用局限性。 3 、学习探讨弹塑性接触有限元的基本和求解理论，尤其是材料非线性、接触非 线性问题的求解理论。 4 、研究p h c 管桩沉桩过程中的土塞效应，并在计算分析沉桩引起的超孔隙水 压力时考虑它的影响。 5 、结合工程实例，基于a n d 认，建立有限元分析模型，并用其进行计算分 析。 6 、掌握沉桩引起的孔隙水压力的现场监测的方案制定、仪器埋设、数据采集和 数据处理的原则和方法。 河海大学硕士学位论文 7 、在前人研究沉桩施工引起的超孔隙水压力的规律成果的基础上，综合实际监 测的资料所反映的超孔隙水压力分布规律，然后与已经有的、通过计算软件所取得 的理论解对比分析，得出两者的相互关系，分析其具有的规律性。 8 、用所做出的结果作为资料，为进一步的理论研究和机理探索积累资料和经 验，并为合理的安排施工次序、控制最佳的施工进度、选择必要的排水条件和减少 沉桩施工的危害提供依据。 河海大学硕士学位论文 第二章研究沉桩引起的超孔隙水压力的主要方法 2 1沉桩引起的超孔隙水压力的理论研究 2 1 1 概述 用理论方法来研究沉桩引起的土中孔隙水压力的产生和消散过程的现象已经有 较长的历史，从六、七十年代起，国外学者就在这方面做了不少的研究工作，也取 得了不少有用成果。把所使用的方法归纳起来，对沉桩引起超孔隙水压力的计算主 要有以下几种：圆孔扩张理论、应变路径法和有限元法。 2 1 2 圆孔扩张理论 1 9 4 5 年，用来研究金属压痕的圃孔扩张理论被首次提出【2 7 1 。随后，这种理论用 来解决岩土力学问题，如用来解释旁压实验。在以后二、三十年里，这个理论得到 了很快的发展和应用。1 9 6 1 年圆柱空腔体扩张法首次被应用于岩土工程。随后，在 此基础上又发展了许多方法。 2 1 2 1 力学方法。 为了有利于用用弹塑性力学求解问题，v e s i c 【2 8 1 对圆孔扩张问题做如下一般性假 定( 图2 1 ) 图2 1 小孔扩张模型 其初始状态是：土体为均匀、各向同性的理想弹塑性材料；土体内存在一个半 径为的圆孔；土体处于均一应力状态；土体满足摩尔一库仑准则。 加荷方式和性状：内扩张压在扩张过程中保持不变；在r p 范围之外，土体仍处 于弹性状态。圆孔周围一定范围的土体进入塑性状态：在特定扩张压下，圆孔有特 定的扩张半径r 。和塑性区边界半径r p ；在r p 范围之外，土体仍处于弹性状态。解 第二章研究沉桩引起的超孔隙水压力的主要方法 决问题时，可以忽略地表与桩尖的影响，简化成轴对称平面应变问题。把桩沉入土 中看作为土中扩张出一个与桩径相同的圆柱形小孔，扩张过程中，内应力不断增 大，直到扩张形成塑性区与弹性区。然后利用力学平衡方程和假定的土体本构关 系，进行总应力分析，从而求出塑性区的增量、孔隙水压力增量等。 b u n e r f i e l d 【2 卅和b 柚e l j e e 【3 0 】首次提出用平面应变条件下零初始半径的柱状孔扩张 来模拟沉桩的挤土过程，通过对总应力分析，根据光滑和粗糙的桩土界面这两种情 况，分别推导出了小应变和大应变的公式，并把它们应用h o n k e l 孔隙水压力公式， 得出了土中的孔隙水压力和桩土界面上的径向有效应力。 2 1 2 2 数值方法。 文献【3 1 ，3 2 】在应用圆孔扩张理论的基础上，采用剑桥本构模型初步考虑土体 的非线性，用一维有限元分析了沉桩对桩周土体的影响。为了避免计算过程中初始 扩张半径为0 而造成环向应变无穷大的问题，假设桩孔扩张前土体中已经存在一个 半径为i 3 r 限为桩半径) 的柱孔，用来保持扩张体积等于桩的入土体积，即从0 到r 的实际扩张用i 3 r 到2 3 r 的扩张代替。在固结过程，假定使静孔隙水压 力消散的渗流仅沿径向发生，用t e r z a g l i 固结理论求解，这样可以对沉桩过程进行 比较全面的研究。若将二维问题简化为一维问题，虽然便于结合其它因素诸如有限 应变和土的非线性一起求解，但这种方法忽略了地表和桩尖对土体垂直变形和剪切 作用的影响，更无法模拟沉桩挤土过程的连续变形特征。 b a t l e r j e e 和f a t h a l l 射3 3 】最早提出了按准静力求解沉桩挤土效应的二维欧拉方 法。他们假定土、桩体为刚体且表面光滑，忽略桩土之间的相互作用，运用非线性 有限元求解。c i v i d i n i ag i o d a g 3 4 】也发展了此方法，利用修正拉格朗同公式，在分 析中用g o o d m a n 接触p r a g e r 准则考虑土的弹塑性，按准静力三维轴对称问题求解。 王育兴、孙钧f 2 5 则分析了造成孔穴扩张与沉桩产生的超孔隙水压力的差别在 于：( 1 ) 孔穴扩张理论假定孔穴是在无限土体中进行的扩张，其中圆柱孔穴假定为无 限长。扩张前的初始应力为各向相等的围压；而沉桩是在半无限土体中进行的，桩 长有限，沉桩前的初始应力场是随深度变化的，同一位置的初始应力分量也不相 同：( 2 ) 孔穴扩张假定是在弹塑性土体介质中进行的，孔穴扩张后周l 习土体产生塑性 区和弹性区；而实际土体并非理想的弹塑性体，沉桩后最靠近桩身或桩端的土体结 河海大学硕士学位论文 构完全破坏，形成破坏区，其外侧的土体形成塑性区和弹性区。为此，作者利用水 力压裂理论结合孔穴扩张理论推导沉桩产生的初始超孔隙水压力。 2 1 3 应变路径法 为了克服圆孔扩张理论未考虑深度影响的缺点，美国麻省理工学院的 b a l 磷l m m 吲19 8 5 年代提出了应变路径法，并得到了a z z o u zas m o r r i s o n mj 【3 叼的 应用和发展。他在研究深层贯入( 桩、触探) 问题时，发现了深层土体变形的一些特 征，单桩贯入土中时土体单元的变形路径和应变路径。该方法利用一个点光源的匀 速下沉，分析一个光滑、圆头的桩沉入土体的过程，获得了独立于本构关系的应变 场，从而求得土体中的应力。其核心是：在径向，土体的变形是单调向外侧挤而不 回复转向；在竖向，土体的变形是先沿贯入方向向下发展，而后再经过桩( 锥) 尖底 部后转向朝上，且这种变形折返的发生范围较大。在此基础上，将地基看作是一种 特殊的流体将沉桩想象成一个刚体，以一定的速度贯八均匀流场，采用流函数及应 变路径法，对桩周士的应力应变及孔隙水压力进行分析，得到较好的结果【3 7 】。 2 1 4 有限元法 1 9 7 9 年，有限元分析法首次被应用到沉桩的模拟，它可以解决沉桩过程中的几 何非线性和材料非线性双重非线性问题。当土体本构关系复杂，求其解析解比较困 难时，有限元可以解决这个问题。采用的有限元分析法主要有小变形和大变形两种 类型。 2 14 1 小变形有限元 在有限元分析法首次应用于沉桩模拟时，研究中采用的土体模型有修整剑桥模 型和理想弹塑性，土被视为两相物质，应用b i o t 理论分析其固结的过程，如果小孔 半径从o 扩张就会在计算中出现变形无穷大，因此小孔半径从a o 扩大到2a ( ) 。由于 只考虑平面问题，其有限元采用环行单元。这个方法可以求解排水或不排水条件 下，沉桩过程中及沉桩后任一时刻的土压力和孔隙水压力。但这种方法把研究的问 题看作简单平面应变问题，只考虑一维分析，所以不能全面考虑竖向影响和体力的 影响。 1 9 9 6 年朱泓、殷宗泽，用空间轴对称b i o t 固结有限元法对打桩过程进行模 拟，把沉桩过程看作半径从a o 的圆柱形空腔体扩大到2 a o 的过程，可以从一定程度 第二章研究沉桩引起的超孔隙水压力的主要方法 上考虑方向的影响。在沉桩过程中，桩周土体发生了很大的应变及变形，因此分析 时材料非线性和几何非线性，均应该加以考虑。 2 1 4 2 大变形有限元 由于小变形有限元考虑沉桩过程中的材料非线性和几何非线性时存在不尽人意 的地方，有人开始采用大变形有限元进行分析。b a b e r i e epk e t a l ( 1 9 7 9 ) 发展了一 套欧拉方程，通过应力变化率和应变变化率间的关系，利用有限元计算出了沉桩过 程的应力和孔隙水压力。c h o p r a m b e t a l 例认为当桩沉入土体时，土体中的应变，尤 其桩周围的土体的应变，不再是小应变，而应该考虑为大应变，同时也应考虑土体 的塑性变形，从而建立了与时间相关的大变形固结分析方法。土体采用修正剑桥模 型，用b i o t 固结理论分析固结，推导出大变形有限元分析方程 阳足幽；l l 世三k 茹j 【d h ；j ( 2 1 ) 式中d u j n 为位移增量，d u p “孔隙水压力增量。 虽然仍考虑为平面应变，但用大应变分析，在桩沉入及固结过程分析问题中， 用轴对称的有限元网格分析。 大变形有限元考虑较多的沉桩过程中的材料非线性和几何非线性，相比小变形 有限元有一定的进步，但也存在问题，一方面大变形有限元的理论推导比较复杂， 计算程序编制也比较复杂，不方便工程中的实际应用；另一反面，其计算精度依赖 于本构模型的选用和参数的确定比较严重，由于有限元计算方法本身的问题，所用 参数的些许变化都可能引起结果的很大震荡，因此，分析过程中对采用大变形理论 应小心谨慎。 2 2 沉桩引起的超孑l 隙水压力的试验研究 实验研究是获得第一手资料的重要途径，从这个问题进入人们的视野那天起， 实验研究就一直起着重要的作用。它既是揭示一些难于用理论来解释的问题的有效 途径，也是对理论方法处理结果的有效验证。它的发展，为理论研究提供了基础， 至今为止，它仍还是研究这些问题的有效方法。实验研究主要分为原位实验研究和 模型实验研究。 2 2 1 原位试验研究 河海大学硕士学位论文 原位实验研究主要是在沉桩过程中，进行过程监测，取得由于沉桩所引起的土 体内应力和应变的情况，用以分析它们的的规律，总结经验，指导和控制施工。原 位实验研究的起步比较早，国内外很多学者都用这种方法。t e r z a 曲i 【4 0 1 曾报道了将 2 l m 长的木桩打入软粘土中，每锤一击，相邻的桩会升起1 0 1 2 c m ，这即是沉桩引 起的上覆土层隆起的问题。这是较早的实例，由于当时所研究水平的限制，这些实 验所研究的项目也比较少。m a r s s a c h 【4 l 】通过对实际沉桩工程中单桩周围土体的观 察，得到系列结论：桩身周围的土体主要向下运动然后从桩两侧挤出，近地表 的土体主要发生向上运动，深层土体主要发生水平向的运动。在沉桩过程中，桩尖 处土的变形类似一个球形孔的扩张，而在除桩尖和地表附近以外的绝大部分桩身周 围，土的变形类似于圆柱形孔的扩张。这也验证了圆柱形孔扩张理论的有效性。 国内学者也有不少的研究成果，杨德生，吴一伟1 4 2 】等通过对上海一工地预制桩 施工过程的监测，得到了一些对设计、施工和监理有意义的参考资料。唐世栋【1 8 】、 何连生等，通过对桩基施工过程中实测资料的分析，探讨了沉桩时单桩周围土中产 生的超孔隙水压力的大小、分布、及影响范围，并与理论解对比，还对桩土界面处 的超孔隙水压力进行了讨论。唐世栋【l 列、王永兴等，通过对宁波某工地挤土桩桩基 施工过程中实测资料的分析和理论研究，觉得群桩施工时的超孔隙水压力与单桩情 况有所不同。荠且对饱和软土中桩群影响内超孔隙水压力的产生、分布和变化趋势 进行了探讨，对桩群外超孔隙水压力的分布规律和影响范围进行了讨论。 22 2 模型实验研究 模型实验是为了研究沉桩对土体的影响，而特意做的模型进行的实验，这种方 法较原位实验晚，但也取得了一定的成果。 b a n e r e e 用模型固结试验箱做了粘土挤土效应试验，桩体上装有器件可以测 定轴力、侧向土压力和孔隙水压力，在离桩体一定范围的不同深度处，埋设4 只孔 压仪，将沉桩过程及桩周土固结过程中观测到的桩周土体中的应力孔隙水压力与大 应变有限元( 贯入分析) 计算结果及圆孔扩张结果相比较，所得结果都较为吻合。俞 季民在6 0 c m 6 0 c m 1 2 0 c m 的刚性槽中，把模型桩压入砂土中，观测桩贯入后 桩周土体附加应力的情况。结果表明，桩贯入以后，土体应力主轴由垂直向转为水 平向；桩径大小与挤出区作用消失的快慢有密切相关性。 第二章研究沉桩引起的超孔隙水压力的主要方法 樊良本等设计了k o 仪( 如图2 2 ) ，进行桩模拟试验，测定了模型桩沉桩引 起的土中径向应力增量，验证了圆孔扩张理论解释单桩周围土中应力变化的适用 性，为研究人员提供了一个很好试验方法。粘土中典型的沉桩试验还有a z z o l l z 等m 】 用装有p l s 压力盒的模型桩沉入两种粘土层中，这种压力盒可以同时量测作用在桩 身上的水平应力、孔隙水压力和剪应力。其结果表明，应变路径法比圆孔扩张能更 好地接近实测情况，而土的敏感度对作用在桩侧的有效应力影响较大，该试验着重 于对桩体侧摩阻性状的分析研究。 图2 2 仪 22 3 本章小结 经半个世纪左右各国学者不断的研究探索，沉桩引起超孔隙水压力的研究方法 已经有了很大的进步，也取得了不少成果，但还有不少问题有待于进一步的研究探 讨。 河海大学硕士学位论文 第三章弹塑性接触有限元的求解理论 3 1 有限元法4 8 】【4 9 】【5 0 l 川 3 1 1 有限元法简介 有限单元法又称有限元素法( f i n i t ee 1 e m e n tm e m o df e m ) ，是计算力学中的一 种重要的方法，它是早在2 0 世纪4 0 年代就提出来了，但是直到1 9 6 0 年以后，随着 现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一种有着牢固理论 基础的数值分析方法，对其研究和应用的速度才显著加快，大批的优秀计算方法也 相继问世，在许多重大工程项目也发挥出非常大的作用。它是应用数学、现代力学 及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学和工程计算方面最令人 鼓舞的重大成就之一。有限元法最初应用在工程科学技术中它是一种数学物理方 法，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。它作为一个具有理论 基础和广泛应用效力的数值分析方法，可以求解过去用解析方法无法求解的问题对 于边界条件和结构形状都不规则的复杂问题，有限元方法是一种之有效的现代分析 方法。 3 1 2 有限元法的产生 有限元思想并非现代社会的产物，早在公元3 世纪，我国古代数学家刘徽就提 出用割圆术求圆周长的方法，即用有限个正多边形逼近圆周，边数越多，周长与直 径的比值就越接近一个常数。这就是有限元思想的萌芽。 有限元方法是r c o u r a n t 于1 9 4 3 年首先提出的，自从提出有限元概念以来，有 限元理论及其应用得到了迅速发展。2 0 世纪中期，在进行复杂飞机结构计算时，美 国和英国航空工业不约而同的提出用有限单元法来计算解决。他对于复杂的钢架、 皮、骨架的计算引入了矩阵表达方法，使钢架位移法的计算更加规范，矩阵代数是 有限元方法的数学： 具。现代有限元方法的发展始于2 0 世纪4 0 年代，这依赖于电 子计算机的发展。1 9 4 6 年第一台电子计算机在美国投入运行，人们惊喜地发现结构 力学的矩阵表达方法特别适用于电子计算机编写程序，能轻而易举地解决以往人们 不敢问津的复杂结构的计算问题。到6 0 年代中期以后，在英国科学家 ocz i e n k i e w i c z 等人的努力下，有限元法已经从小应变、小位移、弹性材料和静力 分析发展向大变形、热分析、材料非线性和杆件屈曲问题以及粘弹性问题、动力学 第三章弹塑性接触有限元的求解理论 问题的研究，继而又渗透到热传导。在国内，6 0 年代中国科学院计算所的冯康教授 独立推导了有限元计算的数学过程，7 0 年代中期，复旦大学数学系与江南造船厂合 作，将有限元应用于船舶设计计算，使有限元法在中国工程界开始大规模应用。目 前有限元法已经成为工程设计不可或缺的一种重要方法，在大型结构作用分析、变 形分析、失效分析、传热分析、电磁场分析、流体流动分析、生物力学领域等方面 扮演着越来越重要的角色。 3 1 3 有限元法的基本思想与特点 有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个、且按 一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合， 且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域：然后 对单元( 小区域) 进行力学分析，最后再整体分析。这种化整为零，集零为整的方法 就是有限元的基本思想。 有限元法的特点是：1 、概念清晰，容易理解。可以在不同水平上建立对该方法 的理解。从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既 可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导。2 、适 应性强，应用范围广。它可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数 值计算方法求解困难的问题。如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非均质、 非线性材料问题，动力学问题等。3 、有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机 程序，可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元计算过程的规范化，有许 多通用程序可以套用。4 、有限元法主要缺点是解决问题必须首先编制( 或具有) 计 算机程序，必须运用计算机求解。并且计算前的数据准备、计算结果的数据整理工 作量比较大。 3 14 有限元软件介绍 有限元软件就是有限元方法的计算机程序和程序系统，它是和有限元方法同时 诞生，并且随着有限元方法和计算技术的发展而迅速发展。有限元软件的应用极大 地提高了力学学科解决自然科学和工程中的力学问题的能力，成为力学工作者通向 工程实践以及临近科学领域的桥梁。它解决了许多传统的理论和方法无法解决的工 程问题，促进了力学学科的发展。有限元软件有通用和专用两种。前者通常是商业 软件，优点是通用型强，格式规范，输入方法简单，用户不需要太多专业知识和计 河海大学硕士学位论文 算机技能，解决问题领域宽，因而流行范围广，缺点是程序通常很大，开发成本 高。专用程序的优点是程序相对小，开发成本低，版本升级相对容易，解决专门问 题更有效。 自2 0 世纪7 0 年代后期，引入我国的各种大、中型专用和能用有限元著名软件 有数】o 种，如：s a p 、n a s t m n 、a d i n a 、a n a s y s 、i d e a s 、a l g o r 等。2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国c a d 应用工程的兴起，科学和工程技术人员对有限元 软件研究加快了自主开发的步伐。有限元理论经过几十年的发展已经比较成熟，现 代有限元软件已经是一个多学科、综合技术的集成化产品，并且和有限元技术结 合，形成一个被称为有限元软件技术的特殊研究领域。现在主要面对的问题是：如 何满足科学和工程界对于有限元件在智能化、可视化、集成化以及面向对象等等方 面越来越高的期望和无止境的要求。 无论什么类型的结构，使用什么软件，有限元方法的实施过程都是有前处理、 分析计算和后处理三个部分组成。前处理包括结构的离散化模型的建立，即节点和 单元的生成；载荷和约束条件的旌加：材料和截面几何形状的输入等内容，是可靠 进行结构分析的关键。结构计算是有限元的核心，包括单元分析、整体分析、结构 计算等内容，从解线性方程组开始，完成节点位移、节点力等计算。后处理是计算 结果的整理和分析，是实现有限元分析的最终目的手段。由于有限元方法的成熟， 任何有限元软件的结构计算部分都是计算机自动完成的，只要输入适当的指令，无 需人工干预。而前处理和后处理方式和功能却因软件而异，并受计算机条件的限 制，讨算结果的表达方式差别也较大。 3 2 线性有限元的求解原理1 4 9 】【5 0 】 以一个单元为研究对象，把单元上所有节点上的节点位移作为未知量，则n 个 节点位移可用向量表示为： p ) = b ，占。，瓯】7 在有限元离散中，【】是插值函数，用来近似表示单元内部的任意一点位移，因 此通过单元形函数【】，就可用单元的节点位移把单元内部任意一点的位移表示