（地质工程专业论文）深水环境下复杂桩基础工程特性研究.pdf

摘要 摘要 针对苏通大桥主桥桩基础具有工程地质条件复杂，基桩数爨多而密集，直径大、 嚣长发起百米的特点，侧重研究萁承载力襁群柱效应阀题。在全藤阉述辑位区工程姥 质条件稆桩基础组成终橡以及群桩基础承载力研究现状的基磷上，深入探讨了群被效 应及其对桩基础承裁力影响的机理，分别采用自平衡试桩测试技术和三维土工有限元 模拟方法研究了单桩竖向承载力问题，通过对试验和计算结果的整理、对比分析，确 定了麓够客鼹反欧趣蓥工程特性的地基计算参数。在忿基础上，采熏经过叁平餐 试桩结果检验的三维土工有限元方法、计算模型和计算参数模拟了主桥北主墩的群桩 基础，通过对计算结果的对比分析，分别从桩身轴力分布、桩侧摩阻力和桩端阻力三 令方题来分辑评价群援效应对群桩基础承载力的影响。结果表翳，群柱效应对苏邋丈 桥梭鏊稿的承载力有熏要影响，导致群桩鏊戳中基桩静承载力存在较大差巽，承台中 心部位基桩的承载力仅为周边桩承载力的1 5 ，但群桩基础的承栽力仍然满足工程要 求。此外，对于深水环境下的大型群摭熬础，常规的静载试验无法实施，自平衡试桩 技零不失为耱奏效、可行、经济、安垒懿确定革棱承载力静方法。毽其结果必须经 过转换，对于重要的工程，宣采用等效转换曲线法。 关键词：深水环境极基础群桩效应比舆围络理论有限元法承载力 、 a b s t r a c 丁 a b s t r a c t t h ef o u n d a t i o np i i e so fm a i n - t o w e ro fs u t o n gb r i d g ea r eb o r ec a s t i n - p l a c e p il e sw it hl a r g ed i a m e t e ra n dt h el e n g t hb e y o n do n eh u n d r e dm e t e r ，s ot h ep a p e r m a i na n a l y z e st h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ea n dg r o u pe f f e c t ，w h i c ht h eg e o l o g i c c o n d i t i o ni si n t r i r a t e a c c o r d i n gt of u l l ye x p o u n d i n gt h eg e o l o g i cc o n d i t i o n o f t h ei o c a t i o no ft h eb r i d g ea n dt h es t r u c t u r eo fp i l ef o u n d a t i o na n dt h e r e s e a r c hl e v e lo ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo fg r o u pp i l ef o u n d a t i o ni nt h ep r e s e n t t h ep a p e ra n a l y z e st h em e c h a n i s mo f g r o u pe f f e c ta n dt h ei m p a c to nb e a r i n g c a p a c i t yo fp il ef o u n d a t i o n t h ef i n it e e l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s e sa n ds e l f b a l a n c e dm e t h o da r ea d o p t e di nt h ep r e s e n tp a p e rt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h e v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp i t eg r o u po fn o r t hm a i n t o w e ri sc l e a r e du pa n d a n a l y z e d b yc o m p a r i n gs i n g l ep i l ew i t hp i l eg r o u p ，t h ee f f e c to nb e a r i n g c a p a c i t yo fp i l eg r o u pf r o mg r o u pe f f e c ti sa n a l y z e da n de v a l u a t e df r o mt h e a s p e c t so fa x i a lf o r c eo fp i l e ，f r i e t i o n a lr e s i s t a n c ea n de n dr e s is t a n c e t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei m p a c to nb e a r i n gc a p a c i t yo fp il eg r o u pi sn o t a b l e ， w h i c hr e s u l t si nt h es e r i o u sd i f f e r e n c ei nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l ei n t h ep i l eg r o u p t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp il eg r o u pi nt h ec e n t e ro n l ya c c o u n t s f o rf i f t e e np e r c e n tt ot h er o u n d l u c k i l yt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l eg r o u p m e e t st h en e e do ft h ep r o j e c t 。a n dt h a tt h es e i f b a l a n c e dm e t h o di sw o r t ht o a d o p tt oa n a l y z et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es i n g l ep i l ei nt h ec a s et h a tt h e r o u t i n em e t h o di sn o tf i ti nt h ed e e p - w a r e rc i r c u m s t a n c ef o rt h el a r g eg r o u p p i l ef o u n d a t i o n b u tt h er e s u l tn e e d st ob et r a n s f o r m e d ，a n dt ot h ei m p o r t a n t p r o j e c t ，t h ee q u i v a l e n t t r a n s f o r m e dm e t h o di sf i t k e y w o r d ：d e e p w a t e rc i r c u m s t a n c e ，t h ep i l ef o u n d a t i o n ，g r o u pe f f e c t ，b i o t s c o n s o l i d a t i o n t h e o r y ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，b e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e 串清= l ：_ _ 程硬士学位论文 1 1 选题理由 第一章概述 苏通长江公路太桥( 简称苏逶大稀) 楚江苏省“九五”帮国家“十五”鬟大基础 建设项目，被列入江苏省2 0 1 0 年远景目标纲要和1 9 9 1 2 0 2 0 年干线公路网建设规划， 为跨越长江的重要交通枢纽。东距长江入海口约1 0 8 k m ，西距江阴大桥约8 2 k m ，北连 南通，南接苏州( 常熟) ，路线全长3 2 4 k m ，主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和南 岸接线工程三部分组成，其中跨江大捺长8 2 0 5 m ，主航道桥采焉主跨1 0 8 8 m 的双塔镪 箱梁辩拉挢方案，是翳蓊我国建辑史上工程规模最大、综合建设条舞最复杂的特大型 桥梁工程。它是继露本主跨度为8 9 0 m 的多多罗大轿后，世界上跨径最大的斜拉桥， 被称作“万里长江第一桥”( 离长江入海口最近的一座大桥) 。建设苏通大桥对于完善 江苏省干线公路网，增强上海经济辐射作用，促进苏北经济发展，合理布局长江下游 过江遭遭，改善过江设藐、缓织过 至交逮医力，减少霹长江靛道的于拭、缳诞靛运安 全等具有重要惹义。 桥位区位于长江下游潮汐河段，邻近长江入海日，水文气象条件恶劣，风暴潮问 题突出，且江面宽阔，水深流急，松软河床覆盖层深厚，工穗建设条件具有如下特点； ( 1 ) 索塔高度近3 0 0 m ，属高耸构筑物，对地基基础不均匀沉降和稳定性蒙求高： ( 2 ) 莓载巨大、且馋鼹点高，不均匀流降憋使索塔缨枣勾受力条件恶化； ( 3 ) 撰位区溜廉覆盖层深厚，鍪援j 嚣典型筑摩擦桩，河床洚尉对基槛的承载力和 沉降影响大。敖索塔基础的承载力秘沉降及不均匀沉降辩海床冲淤条件较敏感； ( 4 ) 基础体积庞大，桥位区水深流惫。所以，冲刷问题较突出，且南、北索塔位 溉的冲淤条件差异大，根据河流动力学特点，南索塔地基以冲刷为主，而北索塔位置 的深槽育向北迁移的趋势，从丽导致两个索塔地基基础的承载力和沉降存在熬器； ( 5 ) 索塔一桩蒸础一趣基土豹共阕作用闷题突出； ( 6 ) 由于索臻耱载巨大，虽各基桩所承担的荷载具有较大的不均匀瞧，从褥导致 索塔承台始终处于不和的受力状态。 针对苏通大桥这种巨型的工程和复杂的建设环境条件，基础的选择就成了非常重 要的环节。目前，用于大型工程的常见基础型式有桩基础、沉井基础和地下连续墙基 磁a 由于沉井基蒌： 秘地下连续墙弱实体蒸礁，对河流避流斯嚣影响较大，鼠瑟鞍大地 改交了褥位匿静冲淤条件，往往等致龟蘩褥边产生严重的冲剃问题，对工程安全施 工的安全运营构成严重威胁。所以苏通大桥选用了施i i 藏简单、技术成熟、风险小 的桩基础。但为了满足上部结构对承载力、沉降以及船撞和地震条件下整体稳定性的 要求，其主塔桩基础的规模十分巨大，共由1 3 1 根、长11 7 m 、直径2 5 m 一2 8 m 的变 一一 釜二兰鍪整 径钻孑l 灌注桩组成的桩群基础( 如图1 1 所示) ，基桩桩底高程南、北主塔分别为一1 2 1 m 和一1 2 4m 。烹墩承台呈j 亚铃型，结构形态、构造和受力条件十分复杂。群桩采用梅花 图1 1 主墩基础桩位布置图 型布置，基桩中心阕距6 。7 5 m ，戮此薅柱效应闯题魄较突出。 苏邋大轿主桥托索塔基魏棱尖主层隽密实粒移，容许承载力k 】：5 0 0 k p a ，桩底已 穿过廷卜3 层软塑亚粘土夹层；南塔基础桩尖土层为密实细砂，容许承载力k 】；3 0 0 k p a ， 塔基的桩端持力层分布均较稳定。 对予大型桩基础工程，在单桩极限承载力确定时，规范规定确定必须开展一定数 量盼桩基静载试验。传统蛉桩墓静载试验方法有两种p h j ，一是堆载法，二楚锚桩法， 对于难载法，国予荔通大桥单穆极限承载力超过万堍，所以必须解决约3 万赡豹蔚载 堆放及运输问题，试验危险性极大，目前在陆地上也尚无先铡，几乎无法实施；对于 锚桩法，由于试桩吨位巨大，所以必须设置强大的锚桩系统和反力大梁。所需费用昂 贵，时间较长，且同样存在很大的危险性。 此乡 ，无论是堆载法还是锤棱法，由于试验位予水源流惫的长江感瀚溜段，所以 很难保证试验过程中沉降穗镬l 数掇粒准确洼，赧之蕈穗承载力高，试援过稷中药载疆 难加到理想的魄位，许多大吨位槛的承载力往往樽不到准确数据，基桩的潜力不能合 理发挥。在此情况下，苏通大桥不得不采用尚存争议的自平衡试桩测试技术，显然试 验结果的可靠性值得深入研究。 如上掰述，淹了减少对长江遇航的影响，荠降低船撞的概率。苏通大桥主桥桩基 础的基桩曼密集布置。驻戳，群接效应阉题十分突窭。蕊豆难良逶过试验方法进萼亍客 观评价。慰然，即使能够准确确定蕈桩承载力，丽豳予群桩效应鹃客躜存在，键是难 以准确确定群械的承载力。 综上所述，对于苏通大桥的桩基础工程，无论鼹单桩承载力，还是群桩承载力， 都是值得深入研究的重大闻题。 o 0 o 0 c)：。 o o o ，、： 一。一。一。()一 如麓。飞一一一一一一爨 申请王程顷士学谴论文 1 2 大型桩基础的承载力问题 1 2 1 单桩承载力及其影响因素“”1 单桩承载力楚指单桩在荷载作用下，地基土和桩本囊的强度和稳定性均能得到保 涯，变形也在容许范莺蠹，且缳迁缩魏物正常镬用所熊承受的最大荷载。 柱在轴囱芬载佟舞下，桩顼将发生辕向位移( 沉降) ，它为桩身弹性压缩和桩藏以 下土层压缩之和。鬣于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时 就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断 地克服这种摩阻力，桩身轴向力就随深度逐渐减小，传至桩底的轴向力也即械底支承 反力，它等于桩项赞载减去全部接翻鹰隧力。桩预蕊载是校遗过桩侧痒疆力秘槛底阻 力传递给土诲。 因此，可以认为土对桩的支承力悬由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成，桩的极 限荷载( 或称极限承载力) 就等于桩侧极限摩阻力和桩端极限阻力之和。桩侧摩阻力 和桩端阻力的发挥程度与桩土间的变形形态有关，且各自达到极限值时所需娶的位移 量是不辐目的。蓊人的大量试验表明：披端阻力懿充分发挥霈要有较大的位移馥，在 襁往土中约为桩底蠹径静2 5 ，在移经主中约为8 l o ；两桩侧摩强力只要桩 间有不太大的相对位移就能得至i 充分的发挥，具体数鬃目前认识尚不能有一致的意 见，但一般认为粘性土为4 m m 6 舢，砂性土为6 珊l o m m 。因此在确定桩的承载力时， 皮考虑这一特点。桔桩由于桩底位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。鬣予一般 主层上的摩擦摭，柱底层支承反力笈撵戮极限值，赠嚣鼹浅发生桩搁极限黪隧力大 褥多静位移焦，这辩总是槛经l 摩阻力斑究分发挥出来，然瑶槛底阻力才逐激发簿，直 至达到极限镳。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚宋达到极 限值，桩项位移融超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时 确定桩的承载力时桩底极限阻力不宜取值过大。 桩憾摩阻力除与桩间的襁对位移有关，还与的链葳、桩的强度、时润因素稻 主中应力状态以及接翡施工方法等因豢凑关。 桩颧l 摩阻力实餍上是桩侧盼努切随暖。桩钡l 极限障阻力值与桩侧的剪切强 度有关，随着土的抗剪强度的增大丽增加。而土的抗剪强度叉取决于其类别、性质、 状态和剪切面上的法向应力。不同必别、性质、状态和深度处的桩侧土将具有不同的 桩侧摩阻力。 双瘟移凳菠分车厅，棱懿雕度对缓侧藤麓力也有影响。桩的剐凄较，j 、对，控顶藏蘑 静位移较大蔼桩藏较小，桩顶处桩铡瘁阻力常较大；当糖刚麓较大时，楗隽器截面位 移较接近，由于桩下部侧面土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，以致桩下 部桩侧摩阻力大于桩上部。 第一章概述 由于桩底她蒸的压缩是逐渐龛成的，因此桩侧摩隧力所承担荷载将随时间由桩 身上部向桩下部转移。在桩基施工过穰中及完成后桩侧士的性质、状态在一定范围内 会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。例如，在塑性状态粘性土中打 桩，在桩侧造成对土的撬动，再加上季丁桩的挤压影晌会在打摭过程中使桩周豳土内孔 黢承压力上舟，土黪抗剪强度降低，糖侧摩隧力变小。待订柱完成经过一段霹脚后， 超孔隙7 k 压力逐渐消鼓，再加上孝占的触变性质，使桩周辫定范围内的撬剪强度不 但能得到恢复，而且往往还可能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高；在砂性土中 打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关，如密实砂性土有剪胀性会使摩阻 力出现峰值后裔所下降。 柱臻阻力与主的惶葳、持力层上覆薅裁( 覆盖土层簿度) 、桩径、棱底传蠲力、孵 闫及柱底端进持力瑟深度等嚣素有关，其主要影响因素伤为桩底墙基的健媵。棱底 地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩底阻力也大，桩端极限阻力取决于持力层的抗 剪强度和上覆荷裁及桩径大小的影响。由于桩底地基土层受压固结作用是逐渐完成 的，桩端阻力将随土层固结度提高会随着时间而增长。 因此，桩的承裁力，取决于桩罔的强度或桩本身的材料强度。一般 毒况下桩酾 承载力都是崮二 二的爻承能力控制的，对予穿过土层瘊鞍麓的长摩擦桩，鄹两萃孛因素 均有可能是决定因素。 1 2 2 群桩基础渌裁力及其影响因素“” 由摩擦桩组成的群桩基础，在竖向衙载作用下，桩顶上的作用荷载主要通过桩侧 扮摩阻力传递戮接周土俸。出予棱测摩阻力靛扩教季# 蹋，棱底豹压力分布范围癸比 桩身截面积大德多，嚣桩中各桩传蠢到糖鼹豹应力可戴藏嬲，群柱援底媲蒸受劐静 压力比单桩大；且由于群桩基础的基础尺寸大，荷载传递的影响范围也比荦桩深。因 此，桩底下地基土层产生的压缩变形和群桩基础的沉降比单桩大。在桩的承载力方面， 群桩基础的承载力也绝不是等于各单桩承载力之总和的简单关系，存在着群桩效应问 题，瞧现通常认为当桩闽中心距离6 储毒盎径时，可不考虑群桩效应阉题。 必须撂篷，在均匀砂或有覆蔑滕的移嫠中，群桩瓣承载力始终随着缓滋入持力层 的深度而增大；当肖t i t - 软弱层时，软弱土层对群桩承敬力的影响比对荤桩的影响 更大。 所谓群桩效成问题是指群桩基础受竖向荷载后，由于承台、桩、土的相甄作用使 箕桩倒摩阻力、檫端阻力、沉降等性状发生变化丽与单棱鳃晟不同所产垡三豹效疲闻题， 群柱效应兵体爱映在以下几个方露：群艇的柱测摩阻力、群槛静桩端瞻力、承台反 力、桩顶荷载分布、群桩沉降及冀隧葡载的变化、群箍的破坏模式。影响群搬效应靛 因素很复杂，与土的性质、桩长、桩距、桩数、群桩的平丽排列和大小等因索有关。 在这些因素中，桩距的大小影响是主骚的，其次是桩数。桂桩群桩一般不考虑群桩效 4 串请工程硕士学位论文 应，所以群柱效应蹙钟对摩擦桩群桩蒸础丽言的。通常认为桩蔺距6 倍桩径时，可 不考虑群桩效应：而当桩间距 仍然适用， 即建立方程时与内部结点无关。3 ) 土层均匀向外延伸而被截取的边界。孔臌理应渐 变过渡和用外搔法确定边界孔隙压力，但这样会使总系数矩阵不对称，增加计算的复 杂往。故识篱擎娥蹙理成兹两张边界，这聪截取的边器应足够远，这样处理对主要送 域斡计算残桑影响不大。 申请工程硕士学位论文 第三章比奥固结理论的非线性有限元分析方法 3 1 土体的本构模型 本秘关系怒磷究俸痰豹寝力应交关系，逶露它嚣授据室疼试验结果熬理获德。 把试验中揭示的士体的变形特性用数学手段给以表达，即为本构模型。土的本构模型 在很大程度上影响着基桩承载力的分布和桩基础的沉降。目前常见的土体本构模型有 三大类即线弹性模型( 如文克勒模翟) 、弹性非线性模裂( 典型代表为邓肯张双曲线 模型) 和弹塑性模型( 如剑桥模型) 。 体是j # 线矬材料，其应力移交澎不仅睫萄载两羿，还与鸯瑟荷路径有美。爨此， 线弹性模型误蓑较大，目前在大型工程中已少见应用。弹塑性模型在理论上似乎院弹 性非线性模型更合理，但其模型复杂、且参数的取值缺少经验。目前，最为工程界所 熟悉和接受的是弹性非线性模型中的邓肯张双曲线模型。 邓肯一张双裁缝模型按参数选取的不同又可分为e 一模型和e 一县模型，现侧重 麓分本文采嚣魏邓学张e 一口模型。 邓肯积张金荣等人透过砂土的室肉三辅试验，得到耀来计算地基中侄一点酌切线 模量e 的公式： e ，= 嚣，( 1 一置，s ) 2 ( 3 1 ) 式中，e ，为的扔始切线弹性模最， r ，为破环比， 吨陋1 ” k p o s 为应力水平， s = 麒，其中(盯，一玛)，篇2cc_os华,+203s i n f a 。 妒l 一0 3 ， 。 l s i n 妒 将互、墨、s 豹表达式代入式3 。l ，邸褥： 耻i rs(i-sincxd-。3)2ccos 2 0 - s i n 2 印。p a ( 3 z ) 1 。lj 在三维有限元分析中，考虑中主应力的影晌时，有 墨= 鳓( 铆喝封 s ， 式中，p 为广义正应力，p = i 1p 。十吗+ 吗) ； 褂 = 尼 墨兰兰塑旦堕墨堡塑圭垡丝壹坚生坌堑查鲨 ， a 为广义剪应力，a = 、 甄i _ ：了i _ ：i f 而。 若用p - 一c r 3 ) 。表示历史上曾经达到的最大剪应力，& 为历史上曾达到的最大应 力水平。当q 吒 。，时，令r 。= r 。：7 ， k ，2k ，= 鼠，为残余刚度；2 ) 当接触嚣上寸，为拉应力拜、，接触西无抗剪熊力， 器杂 荤三嚣媳要器结理论的 线性寄陵坨分辑方法 则令k = f f = 0 ，k 。= l o o k p a a 3 2 2 接触砸单元形态及分析 接触谣单元采用无厚度的六面体8 结点古德曼单元，其结点局部缭母如匿3 1 所 示。 ( 1 ) 接齄嚣单元戆位移模式。革元结点褶对使移巍绝对位移熬关系可表达为： x 嘲3 1 接触面卑兀局部输芍 弦) = p 弦) 。 ( 3 1 4 ) 式中， 8 = k v w 】r ，为三个方向的位移；l d 】为形函数矩阵，对六蕊体单元，其 表达式为： 【d j = 【爿，ta 2 j爿3 ，；f一_ l ， 一“2 ，一焉z一蠢；l ( 3 1 5 ) 式中，为兰阶单位矩阵；4 = b 一享) ( 丢一吾) ；爿：= ( 丢一享 ( 兰斗吾) ： _ ，= e ；李x 圭一考) ；一。( 三+ 享 s + 丢 n ( 2 ) 接触覆单元斡劲震短阵。赉虚位移原联祷： f ) 2 = 区r p ) 式中，医r 为接触面单元劲魔矩阵，表达式为： 眩r = f 归y 嘛i d 飚 将式3 1 4 代入式3 。1 7 ，缮； 阱瞄糊 对于六颟体单元，瞳。，】表达式为： ( 3 1 6 ) ( 3 。1 7 ) ( 3 1 8 ) k 。】= 丽b l 申请芏糕颂士学位论文 式中，医。】由式3 8 确定：暑帮三分别为单元沿z 稻z 方肉麓长度。 3 2 3 局部坐标和整体坐标的转换 上述接触丽单元的劲度矩阵公式掇在局部坐标系下建立的，而局部坐标与整体坐 标并不一致，因而需作坐标变换如图3 2 所示。 x 图3 。2 局部蹩标与整体坐标的转换 在f = o 面上任取一点售，呷，o ) ，此点局部坐标掌，刁的微分增量为： ( 3 2 0 ) 面= 嵩+ ；考+ ；割d 穆 c 。t ， 令r 垂直于露和历，则 办西历： 式中，& ：祟喜一喜宴，以；鱼空堡鱼， a o 8 对：、8 a 碍e 否； 剿：轴在整体坐标系中的方惫余弦为； l 。了；蘸鸭2 了南，z ，。了焘。3 一j i i 亍i 雨鸭2 j l i 靠打，。：7 ：i 蠢 m 1liili 称 k 对 k k蚓蚓捌倒棚捌蚓 亭 卜m， 如一够 、+ 钞一叻 一， + 教一西 ， = 一蟛 = 一寿玉一笛如一却。印一鹫秒一肋，垒蟛堡却 缸一切砂髫砂两 缸一髫 【i e 苎三兰望墨塑楚堡鎏塑童矍丝查堡垄坌堑奎鏊 f i 歹 引 取 一= x = 陌。n ，f _ b j + b ，7 + 6 ：云 ( 3 2 3 ) 式中，垃= 0 ，b y = ，眈= 一鸭。 刘y 轴在整体坐标系中的方囱余弦为： 乞2 南m ：2 南，肝z 。南 l 了i 茗端夕1 x 三- 2 掰2 撑2 j = 疗。芗+ a y j 口：善 ( 3 2 4 ) 毛 掰； 孵0 式中，吱= 脚2 强一雌2 朋，矗，= n 2 t 3 - 1 2 如，a ：= z 2 辨3 一所2 扣雨i a x 霄一t 。雨专霄。雨覆a z 于是褥到局部爱耩系冬，y ，。，静方向余弦矩跨弘】翔下： r f l 怕 一1 k 】= i 如m ：n ：j ( 3 2 5 ) m 鹄, , 1 3 j 橱 眩。e ， 时= 妇r 扛尘捌 ( 3 2 7 ) 式中，扛少= r 釉扛y ：f 分鄹为擎元鲍局部坐标期整体坐标； 陆彳霸睡 分别为局部坐标和整体嫩耪；下躲单元勤度矩阵； 豳】为由纠组成的对角矩阵。 3 3 单元数学力学分析 申请工獠颟士学位论文 0 ，v ，w ) g ，y ，z ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 式中，m 为单元形函数，箕表达式为： m = ；( 1 鹄烈l + r ：1 ) ( 1 + f ) ( 3 3 0 ) 藏中，茧，r ，誊为单元备结点的局部坐标分量。 图3 3 簿参单元局部编号 2 ) 等参单元斑力庭交表达式。等参单元豹应变表达式鲡式3 3 t 所示，应力表 达式鲤式3 3 2 所示。 翻= 陋弦r = 陋。b ：b 8 弦 4 ( 3 3 1 ) 式中，p 。= 1 v 。w 。“：v ：w ：“。v 。w 8 卜p 。为单元结点位移列阵 陋，】= o o 叭i o砒一分叭蠢 。烈一砂。眦i峨i。 姒百o o眦一黟。眦i 第三章比奥嗣缩理论的非线性毒砸元分析方法 式孛，翻= + 2 g o o o 五 丑+ 2 g 五 o o o p = p 聒 = f d i b 舱 8 ( 3 3 2 ) a 五 置+ 2 g o o o 000 000 000 goo ogo oog 其中，五为拉梅常数，a = 竺1 - 2 t ，为泊松比；g 为剪切模量。 ( 3 ) 等参擎元j a c o b i 矩薄帮离新积分。在求单元斑力藏变时+ 必须求出式3 。1 7 中陋】的每一个元素。它们是形函数对整体坐标的偏微分。为此应先求出形函数对局 部坐标的偏微分。 a n ， 8 n ， 印 o n ， 恕 = 时 8 ： 笛 0 n , 8 玎 a n a f 鼗中，p 】。为p j 嬲逆阵，p 】为j a c o b i 缒酶，用下式表示： = 形两数对局部坐标豹编微分出下式旋示： 器= 却q x l 吲) i 函，f 篙z ，i 岛 赢巍积分公式为： “f 。，皓，树坶栲= 毒蜀f g 办力 ( 3 3 4 ) 3 ，3 5 ) 式中，f 为高斯积分点对于六面体八结点单元，取三= 8 ；h ，为加权系数，取，= 1 z g 菩 嗽|谐眦|勋蚂一影。詈譬 f y y 弧一学眦一卸巩一西 。警譬 x x x 戤一谐巩一聊姒一甏 。警掣_ 串请工程鞭士学位论文 积分点局部坐标值孝，= 压3皓，拂f ) 。 ( 4 ) 等参单元的劲度矩阵。由虚功原理和连续性方程得 k 定。邪滞丁 ( 3 3 6 ) 式中，k 卜i 。f ，f 。【b 7 d p 】- ，1 删嘶；医r = f ，f f p j 7 舭酗 j l a c a 可a f ； 医f = f 。f f 。【f 7 陋】，f 删，7 嘭； 将蕈元劲度写成分块形式 英子矩隆为 k 】= 隐 i x , r = 一“l ；竽】+ 陴d | 卅喇械 刘 ( 3 3 7 ) ( f = 1 , 2 ，8 ，歹= 1 , 2 ，8 ) ( 3 3 8 ) 式中，k 。，】= “l 。陋r 眇h 】卅蜊栲：匠】= “f ，阻r 似村j m 倒峭； k i g 】= 她f ，融f 拟 b 小 掣孵； 刚= 一“百k a t 慨】十慨l | 胡彬栲 将t k o 。j 分解为下式 霹嚣；2 磷1 l 霹1 置尹弼3l l 秭3 1 弼2 霹3 j 式中，右上标1 ，2 ，3 代表墨y ，。三个方向，如以删，p ，表示，则 睁m 酚f 【d 姆m 穆掰 热= 雠i 三 = 五咿+ g f 咿+ 宝哕 k z i ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) 2 2 2墨如，岛 蜀砭； ，。l l i rk 第三章 地舆弱结理论的非线性有限，6 分辨方法 咿= “f 警警i ，啪树 蛔械砌)阻甄瓤瑟相伴轮换) 咿= 喜丑( 警) 。( 等加。 妇础，撅， c ，川 将匠】、瞎。】分解荛下式： 盼圈阱圈 强蚴 右上标4 代袭孔压项，其余符号崽义同式3 4 1 ，则 盼】= 她l ；留r k 翔喇栲= l l l li ；g 聪- 哆l 艟器械 ( 3 4 3 ) 鼢】= “f ，【泓r b ； j l a 尊d a c = “f 。，i o n il j 眇孵 ( 3 4 4 ) ( 挣，p k ，蚤m )但魂，砂，瑟姻转轮换) 俐= 塞辩( 警) 帆 t s ， 刖= 耋域纠巩 慨。s ， 由瞬】- 艮；4 胁 蜊= 小f ，警噼。l | ， d 善d r l d ( t ， 热蹦- 抛夏：跚t g + 警o 加n io 国n + ： 阢】= v ：眦叫f 等+ 等+ 警卜 ( 5 ) 单元结点荷载列阵。根据虚功腻理可推得单元结点荷载列阵表达式如下： 牵请工程硕士学位论文 扭 。= 】7 p ) + 。【】7 扫扫矿+ 盯。【f 侈汹 ( 3 4 8 ) 则六面体8 个结点中任一缩点f 上的结点荷载列阵为： 恶簧脚鬣i j l d c d , d 。8 限 z 。= 一，l ；l ，l ，； 。3 ，4 9 对8 结点等参元，用8 个高斯积分点的积分公式表示上式为： z ，= 一y ( n 。 ，障玑o = l “2 ，8 ) ( 3 5 0 ) 分考嚣力疹 项的求解如下：对予8 结点等参单元，这墨只考虑掌= + - 1 两个亟受 法肉分布压力作用的情况。若其它4 个面( 蹿= i 西躐f = l 面) 受法向西力作用对， 只需将下面有关公式中的善，7 ，f 谶行轮换即可。 设在善= 1 或善；一l 面上，四个结点处的法向分布愿力集度为磊( f = 1 4 ) ，则该面 上任意一点的法向分布压力集魔为： 虿= 越玩 ( 3 5 1 ) i i 式中，为该面上4 个结点的形函数。 设受荷面法线的方向余弦为f ，州，p ，则式中右端第三项分布面力列阵协 为： 哥l 芦= 干l 弘| ( 3 。5 2 ) l g j h i 将式3 5 2 代入式3 4 8 中右端第三项，并将在亭。1 面内的面积积分改为对局部 坐标叩，f 的积分，可得单元的等效结点荷载列阵： l 醪l 锄。= 千n 防k | 科陋e c 一嚣5 融t 矗掰 ( 3 。5 3 ) | 动| 式中，岛= 嵩 2 十 嵩) 2 + ( 岛 2 ：目= ( 妻) 2 + ( 嚣) 2 + ( 妻) 2 ； 。溉苏。砂毋。惫貔 2 瓦爵+ 荔毒+ 丽琵9 亭= 1 的局部坐标面上任意一点的方向余弦为 羔兰薹整壅璧堑堡笙箜! ! 堡堡塞璧：! 坌堑查鎏 堡垒一鱼鱼鱼鱼一鱼鱼鱼盟一鱼塑 ，：萼警m ；穹篁笔。：穹篁墅 ( 3 5 4 ) e 。e 一嗉e 。e ；一e 磊e ，e ；一嚷 将式3 5 4 健入式3 。5 3 ，褥： 埘= 千l l f l f k 褊毒一丽a z 虿a y 骞妻一嵩妻蠢毒一考毒| 。，缎 将上式用受荷面上每个结点所受的等效结点荷载来表示，并用平面内9 个高斯积分点 的积分公式计箕莫亟积分，嬲： f 置舛喜喜 m 虿( 骞毒一考妻) 。，吼蠡以z v 再寨喜 l 高毒一寿妻) l ，仇矢以 磊再喜宴 鬣高妻一高毒) 。敬幺甄z 式中，吼，为积分点上的局部坐标值；疗。，珂，为加权系数， 玎l = 矗z 一0 7 7 4 5 9 6 6 6 9 ，r 1 2 = 乞= o ，玎3 = = - r i ； 3 。4 嚣线性分析 ( j = 1 , 2 ，3 ，4 ) ( 3 5 5 ) 其数值为： 3 4 1 计箨方法 在静力分析计算中，材料在线弹性应力应变关系的假设下，可根据虚功方程建立 结点荷戡与位移的关系如式3 5 6 所示；由于地基土为非线性材料，虽然式3 5 6 依然 成立，但土体的弹性常数e 、却不再是常量，两随鹿变强 变化丽变化，因而式3 。5 6 应改为式3 。5 7 。 函静 = 伍 ( 3 弱) 陋p 胎j = ( 3 ，5 7 ) 上式中的劲度矩阵i 彤p ) i 随位移场而变，外荷载与结点位移之间的关系并不唯 一。地基的威力状况不仅与外荷有关，而且与威力路径有关。所以，其精确解的求 簿十分豳难，只能用数值方法获褥近似簿。求解非线性淘题的霉雳方法为增量法，该 方法整鞋分段直线来逼近稿线。对于每级藏载，幽予耀镪始应力确定剐浚矩阵| d l ， 而应力从牵刀贻应力变化到终了状态，弹性常数也在不断变化，因此每缎荷载都有一定 的累计误藏。为了提高计算精度，一般采用中点增鬣法，以第，级荷载 撒， 为例，具 体计算步骤为： 一4 0 m m ，本级荷载的下沉量前一级荷载的下沉 量的5 倍时，加载即可终止a 取此终此时荷载小一级的衙载为极限荷载。总位移量 4 0 m m ，本级荷载加上后2 4 t l 未达稳定，加载即可终止。敬此终止时苟载小级的荷 载为极限薷载。慈下沉量 4 0 r a m ，毽蒋载已设计赞栽暴设计攫定的安全系数，热 载即可终止。取此时的荷载为极限赘载。 ( 6 ) 卸载及测试：卸载应分级进行，共分5 级卸载。每级荷载卸载后。应观测 桩顶的回弹量，观测办法与沉降相同。直到回弹量稳定后，再卸下级荷载。回弹量 稳定标准与下沉稳定标准相同。卸载到零后，至少在1 5 h 肉每1 5 r a i n 观测次，开 始3 0 m i n 内，每1 5 m i n 褒弱一次。 4 。2 。2 妻平衡法试桩工艺及测试设备 为了检验燕桥基础水下大直径超长钻孔灌注桩的承载力及其施工工艺，在靠近索 塔和过渡墩的水中进行试桩施工，以试桩s z 2 、s z 6 、s z 7 ( 主要参数见表4 2 ) 为例 阐述自平衡法试桩技术在评价大赢径超长钻孔灌注桩承载力中的应用。 袭4 。2 窘平衡试拄援凝鬏慧表 糖径顶标高底檬搿桩妊 编号 亟浆方法参考钻藐溅试方法 ( m )( m ) ( m ) ( m ) s z 22 8 2 ，55 o1 0 901 1 4 直管 x k l 0 3 先服浆后测试 s z 62 8 2 55 01 2 1 o1 2 6 u 型管 x k l 2 2 先压浆j 爵测试 s z 7 2 8 ，2 55 ，0 1 i 2 01 1 7 直管 x k l 3 8 先援浆螽测试 ( 1 ) 工慈流程。工艺濂程如圈4 2 所示。 ( 2 ) 试桩平台( 如图4 3 和圈4 4 所示) 。试桩平台由桩基、梁系组成。平台用 1 2 根 1 0 0 0 r a m 1 4 r a m 钢管桩支承，桩间设2 层驴6 3 0 r r u n 8 m m 联系撑，上设正交梁系。 主粱采用2 1 5 6 型镳，分配梁采用2 摊1 5 m 高组合贝露架。 ( 3 ) 鸯蜀载设备。每根试桩采鞠一个矮形萄载箱，囟予桩端压浆使壤隧力提藏缀多， 敌压浆槎蕊载箱埋设位置比不鹾浆壤苟鼗箱接近予植稼，搬据该工程熏簧後，荷载箱 行程为2 0 c m 。每衙载箱中预埋二个位移传感器，量测荷馘箱上、下板之间相对变位， 校核传统位移棒结果。高压油泵：最大加压值为6 0 m p a ，加压精度为每小格o 4 m p a 。 叟堕玉堡堡：! 兰竺兰苎一 搭设钻孔平台 桩位测量放样 翳谗钢护蓑卜一沉夺2 8 0 m 护舞至- 4 6 m + _ 复潮桩及护璃中心 泥浆池及沉淀池就位i1 钻机就位，反循环清孔警一4 4 o m 试验室按麓工黉求配置泥浆 泥浆蒂4 备形成泥浆循环系统 护篱内换戒膨润土制原浆 正式钻审2 5 m 孔h 检查泥浆指栝 钻至设计标高终孔、清孔卜卜叫检查泥浆指标 检验拄的直径和壤麓皮 下钢筋笼卜叫钢筋笼制作及报验 下混凝导管及桩尖磷石圈填 图4 2 试桩施工工艺漉稷 洼 ( 4 ) 位移爨测装萱。基准钢粱聚餍1 3 2 a 工字钢，跨度为8 m ，安置在试黻上侧， 用于固定磁性袭庶；基准桩采用1 4 0 a 绒钻孔桩a 0 5 0 0 ，在桩两侧各4 m 处打入士中4 m ， 作为基准梁的支承点：电子位移传感器蕊程5 0 r a m ( 可调) ，每桩6 只，通过磁性表 痊固定在基准钢粱上。2 只用于量测摭舞荷载箱处的向上饿移，2 只用于鬟测桩身荷 载箱娃的淘下位移，2 只曩予量测援顶舞上位蓼；钒械式位移酉分表量疆5 0 m m ，每 桩6 只。设置同毫予位移传感嚣，髓予校核毫子位移传感器；窀脑及自动记秉仪套。 ( 5 ) 轴力慧测装置。在岩土鼷分界面处，沿桩身对称布置3 个钢筋应力计。钢 筋应力计的观测与试桩位移同步进行，观测间隔为每级加裁前l o m i n 。 第四章苏遣夫梧基桩工程与自平缀法试柱 壤 臻h 莹 害熬橇、o杀1 1 s v 琏 * 窖 ij ， 0 f 酽照 冀 一皇 ，、 叠，j ： 琏幕棒 一j m ，im融= 且蕾辩 8 羔j f0 u 【世：0萋 圈4 3 试桩平台立面布置强 一蔓塑查皂 图4 4 试桩平台剖面图 一一 卑请工程硬i 二攀经论文 4 。3 自平衡测试结果分析方法 4 3 1 极限承载力的确定方法 ( 1 ) 经验公式法。根据桩承戟力自平衡测试技术规程( d b 3 2 i 2 9 1 1 9 9 9 ) ， 实测荷载箱上、下位移计算承载力的公式为： n 一渺 轨= 垫簪+ q d ( 4 。1 ) o 式中，幽为单桩竖向抗压极限承载力：q 。为椅裁箱上部桩的实测极限值，按公路 轿懑澈王鼓零规范( i r j0 4 1 - 2 0 0 0 ) 瓣录b “试挺试验办法”确定 q 。，为餐载箱下 部程熬蜜测极限值，按公路挢涵施工技术溉范( j t j0 4 t 2 0 0 0 ) 附录b “试裢试验 办法”确定；矿为荷裁箱上部桩有效自重；占为荷载箱上部桩侧阻力修正系数，对予 粘性土、粉子= o 8 ，辩于砂土6 = o 7 。 该判断方法遥瑶予上、下段援豹辍鼹承载力均粼密豹情况。自平镄法溺出的上段 桩的摩阻力方向是向下的，与常规摩阻力方囱楣反。传统加载时，侧阻力将侵土层压 密，而该法加载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规 簿阻力。 霸靛国外对该法测试值如何褥如抗压檐承截力的方法也不相同。有些国家将上、 下两段实测值相叠加而得抗压极限承载力，这样偏于安全、保守。有热国家将上段 桩摩阻力乘以大于1 的系数再与下段桩叠加两得抗压极限承载力。我嗣则将向上、 自下摩隧力根据瞧鲻分。对予稳土层，囱下麟阻力为( o 轧0 8 ) 傣囱上麾阻力； 对于砂土层，向下摩阻力为( o 5 0 7 ) 倍向上摩阻力。针对本工程。地质情况主要 以砂土为主和工程的藿要性，取拶。0 8 ，偏于安全。