（岩土工程专业论文）基桩屈曲稳定分析的理论与试验研究.pdf

博士学位论文 摘要 随着山区高墩桥梁及大跨径桥梁的不断发展，超长基桩( 特别是自由长度较 人的高桥墩基桩) 的应用日益广泛，桩身屈曲或纵向挠曲分析已成为一相当复杂 而叉具有重要理论与工程实际意义的课题。尽管国内外学者对此课题已进行大量 研究，并提出了相应的理论解答，但多为基于第一类稳定问题的半解析解；试验 方商，除早期国外学者所进行的一些研究外，国内虽己完成了部分1 j 作，但也只 是初步；至于国内相关行业的规范中，更因缺少可靠的试验数据与成熟的理论训 算疗法而仅能推荐一些经验公式。因此，为完善规范及便于工程实用，仍需从理 论与试验上对桩身屈曲稳定问题进行更深入的研究。 本文首先基于m 法假定，采用最小势能原理和变分法分别导得了桩身在无均 布轴向荷载、作用有侧摩阻力、自重等载荷工况下的稳定计算跃度与临界荷载解 析解，进而导得了桩侧地基土反力系数呈一般幂分布时的桩身屈曲稳定分析能量 法统一解，并系统地探讨了桩侧摩阻力、桩身自重及地基反力系数分布模式等对 桩身屈曲稳定的影响规律：一般情况下可不考虑桩侧摩阻力的影响，而当桩顶自 由长度较大时桩身自重的影响不容忽视；至于地基反力系数分稚模式对桩身屈曲 稳定的影响则与桩身埋罱比例有关，埋置比例越大，则影响愈明显。为了考虑桩 身可能初始缺陷等对桩身后屈曲稳定的不利影响，首次采用扰动法对桩身初始后 屈曲问题进行探讨，获得了不同桩土刚度比、桩顶自由长度等因素对桩身初始后 屈曲平衡路径的影响规律曲线。因基于第一类稳定问题的基桩屈曲分析能量法难 以考虑桩士共同工作及非线性等复杂因素的影响，首次将新型的无单元伽辽会法 引入桩基工程领域，将桩身屈曲视为第二类稳定问题进行数值分析，并对诸如权 函数选取、位移边界条件旋加、背景积分网格划分及内部位移不连续处理等摹本 问题进行了深入研究和探讨，然后采用所给出的两种位移边界处理技术对某理想 嵌岩桩进行挠曲变形分析，其结果与解析解、有限元法的对比分析不仅验证了无 单元伽辽金法的优越性，也发现了该法暂时存在的计算效率偏低、占用资源大等 缺陷。随后，提出了处理桩土接触面上存在的材料与位移不连续问题的两类方法： 当假定桩土变形协调时，按可视性准则分别采用修正变分原理与罚函数两种方法 进行处理；对非变形协调，则基于线弹性一理想塑性接触模型给出了接触分析的 非线性迭代算法。并针对桩身屈曲破坏时可能存在的材料非线性，给出了弹塑性 问题的无单元伽辽金法算法。在此基础上，建立了桩身屈曲分析的数值模型，并 开发出相应的计算程序p b a pe f g m ，其可近似考虑桩土共同工作、材料与几何 非线性及桩身可能初始缺陷等因素的影响。另外，设计并完成了多组室内单桩屈 基桩屈曲稳定分析的理论与试验研究 抽模犁试验，通过设计不同桩材、桩身长细比、埋置比例、两端约束形式及不同 桩周土质等组合条件，对桩身届曲破坏机理有了更深入的认识，且为群桩届曲研 究打_ f 基础。最后，结合所完成的某大桥主墩桩基现场大型试桩静载试验结果进 行r 对比分析，其不仅验证了本文方法及计算程序的可靠性，且表明了基于第二一 类稳定问题的桩身屈曲分析无单元伽辽金法计算结果要比按第一类问题的能量法 更趋合理与安全。 关键词：桩基础；屈曲分析；初始缺陷；临界荷载；能量法；无单元伽辽金法 屈曲模型试验 “ 博i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fh i g h - p i e ra n dw i d e - - s p a nb r i d g e si n m o u n t a i n o u sa r e a s ，s u p e r l o n gp i l e s 【e s p e c i a l l yt h o s eh i g h p i e rp i l e sw i t ham a i o r u n s u p p o r t e dl e n g t ha tt h et o p ) a r eb e i n gw i d e l yu s e d a n dt h eb u c k l i n ga n a l y s i so f p i l es h a f th a sb e c o m eac o m p l i c a t e dp r o b l e mo fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e t h o u g hm a n ys c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dh a v ed o n ee x t e n s i v es t u d y w o r ko nt h i sp r o b l e m ，t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ls o l u t i o n sa r em o s t l yh a l f - a n a l y t i c a n do b t a i n e do nt h eb a s i so ft h ef i r s tk i n do fs t a b i l i t yp r o b l e m a n db e s i d e st h o s e e a r l yb u c k l i n gt e s t sd i r e c t e db yo v e r s e a ss c h o l a r s ，o n l ys o m ee l e m e n t a r yw o r kh a s b e e nr e p o r t e da th o m e a sf o rt h er e l a t e dp r o f e s s i o n a lc r i t e r i o n so rr e g u l a t i o n s ，s o m e e m p i r i cf o r m u l a sh a v et ob ep r o p o s e db e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fr e l i a b l et e s td a t aa n d m a t u r ec o m p u t a t i o nm e t h o d s t h e r e f o r e ，f u r t h e rt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nt h e b u c k l i n gs t a b i l i t y o fp i l es h a f th a st ob ep e r f o r m e df o rt h ep e r f e c tof p r o f e s s i o n a lc r i t e r i o n so rr e g u l a t i o n sa n dc o n v e n i e n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h e 聊一m e t h o da s s u m p t i o nb yc r i t e r i o n s ，a n a l y t i c a ls o l u t i o n s f o rt h eb u c k l i n gl e n g t ha n dl o a do f p i l es h a f tu n d e rn oa x i a ls t r e s s ，s i d er e s i s t a n c ea n d d e a d w e i g h ta r ed e r i v e dr e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h em i n i m u mp o t e n t i a le n e r g yt h e o r y a n dv a r i a t i o n a lm e t h o d ，t h e n ，u n i f i e ds o l u t i o n sb ye n e r g ym e t h o df o rt h eg e n e r a l e x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o no fs u b g r a d er e a c t i o nc o e f f i c i e n ta r eo b t a i n e d b a s e do nt h e s e s o lu t i o n s ，i n f l u e n c er u l e sb ys i d er e s i s t a n c e ，d e a d w e i g h ta n dd i s t r i b u t i o nm o d e lo f s u b g r a d er e a c t i o nc o e f f i c i e n ta r ep r o b e di n t o i nd e t a i l t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s s h o w st h a t ，t h ei n f l u e n c eb ys i d er e s i s t a n c ec a nu s u a l l yb en e g l e c t e d ，w h i l ee f f e c tb y t h ed e a d w e i g h to fp i l es h a f tc a n tb ei g n o r e de s p e c i a l l yw h e na i lu n s u p p o r t e dl e n g t h e x i s t sa tt h ep i l et o p a n dt h ee m b e d m e n tp r o p o r t i o no fp i l es h a f td e t e r m i n e st h e i n f l u e n c eb ys u b g r a d er e a c t i o nc o e f f i c i e n t ，i e ，al a r g e re m b e d m e n t p r o p o r t i o nc a u s e s m o r eo b v i o u se f f e c t i no r d e rt oc o n s i d e rt h ed i s a d v a n t a g e o u se f f e c tb yt h o s ep o s s i b l e i n i t i a ld e f e c t s ，t h ep e r t u r b a t i o nm e t h o di s a p p l i e dt o d i s c u s st h eb e h a v i o ro fi n i t i a l p o s t - b u c k l i n go fp i l es h a f t a n dt h ei n f l u e n c i n gc u r v e sb yt h es t i f f n e s sr a t i oo fp i l e s h a f tt ot h es u r r o u n d i n gs o i l ，t h el e n g t ho fu n s u p p o r t e dp a r ta tt h ep i l et o p ，a n do t h e r f a c t o r sa r ep r e s e n t e da sw e l l a st h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n sf o rb u c k l i n ga n a l y s i so fp i l e s h a f tb ye n e r g ym e t h o da r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ef i r s tk i n do fs t a b i l i t yp r o b l e m a n dc a n tc o n s i d e rs o m ec o m p l i c a t e df a c t o r ss u c ha st h e p i l e s o i li n t e r a c t i o na n d n o n l i n e a re f f e c t ，t h en e w l yd e v e l o p e de l e m e n t f r e eg a l e r k i nm e t h o d ( e f g m ) i s i n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m ei n t ot h ef i e l do fp i l ef o u n d a t i o nf o rb u c k l i n ga n a l y s i so f 1 1 i 基桩屈曲稳定分析的理论哼试验研究 t h ep i l es h a f ta c c o r d i n gt ot h es e c o n dk i n d o fs t a b i l i t yp r o b l e m t h e n ，t h er e l a t e d p r o b l e m s ，s u c ha st h ec h o i c eo fw e i g h tf u n c t i o n s ，t r e a t m e n to fe s s e n t i a lb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，s e to fi n t e g r a lm e s ha n dh a n d l i n gt h ed i s c o n t i n u o u si n n e rd i s p l a c e m e n t ， a r ed e e p l ys t u d i e dr e s p e c t i v e l y a n da p p l i c a t i o no ft h ep r e s e n tm e t h o dt oa ni d e a l i z e d b o r e dp i l es h o w si t sa d v a n t a g e so v e rt h et r a d i t i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do n t h ea n a l y t i cs o l u t i o n b u ts o m el i m i t a t i o n s ，s u c ha sl o wc o m p u t a t i o ne f f i c i e n c ya n d l a r g ed e m a n do fs t o r a g e ，a r ea l s of o u n do u ti nt h ep r e s e n te f g m t h e n ，c o n s i d e r i n g w h e t h e rt h ed e f o r m a t i o na tt h ep i l e - s o i li n t e r f a c ei sc o m p a t i b l e ，t w ok i n d so f t r e a t m e n tm e t h o d sa r ep r e s e n t e dt os o l v et h em a t e r i a la n dd i s p l a c e m e n td i s c o n t i n u o u s p r o b l e m s ，i e ，w h e nt h ed e f o r m a t i o ni sc o m p a t i b l e ，m o d i f i e dv a r i a t i o np r i n c i p l eo r p e n a l l yp a r a m e t e rm e t h o di sp r o p o s e da c c o r d i n gt ov i s i b i l i t yc r i t e r i o n o t h e r w i s e ，a l i n e a re l a s t i c p e r f e c tp l a s t i c i t yc o n t a c t i n gm o d e la n dn o n l i n e a ri t e r a t i v ea l g o r i t h ma r e a d v i s e d a st h em a t e r i a ln o n l i n e a r i t yi sp o s s i b l eb e f o r et h eb u c k l i n gf a i l u r eo fp i l e s h a f t ，e l a s t i c p l a s t i ca l g o r i t h mb ye f g mi sa d v a n c e d f u r t h e r m o r e ，an u m e r i c a l a n a l y s i sm o d e lw a ss e tu p ，a n dt h ep r o g r a mf o rt h eb u c k l i n ga n a l y s i so fp i l es h a f tb y e f g m ( i e ，p b a p e f g m ) w a sw o r k e do u t a sw e l l ，i nw h i c ht h ee f f e c tb yt h e p i l e s o i li n t e r a c t i o n ，m a t e r i a lo rg e o m e t r i cn o n l i n e a ra n dt h o s ep o s s i b l ei n i t i a ld e f e c t s a l o n gt h ep i l es h a f tm a y b ea p p r o x i m a t i v e l yr e f l e c t e d m o r e o v e r ，as e r i e so fb u c k l i n g f a i l u r et e s t so nm o d e lp i l e si nt h e l a bw e r ed e s i g n e da n dp e r f o r m e d f r o mt h e c o n t r a s t i v et e s t i n gr e s u l t su n d e rv a r i o u sp i l eo rs o i lm a t e r i a l s ，s l e n d e r n e s sr a t i oa n d e m b e d m e n tp r o p o r t i o no fp i l es h a f t ，a n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa tt h ep i l et o po rt i p t h eb u c k l i n gf a i l u r em e c h a n i s mo fp i l es h a f ta r eo b t a i n e di nd e p t h ，w h i c hm a yb eu s e d t og u i d et h es t u d yo fp i l eg r o u pb u c k l i n g f i n a l l y , t h em e a s u r e dd a t af r o mt h ei ns i t u l o a d i n gt e s to i lat e s tp i l el o c a t e di n t h ep l a c eo ft h em a i np i e ro fab r i d g ew a s a n a l y z e dr e s p e c t i v e l yb yt h em e t h o d si nt h i sp a p e r ，t h er e s u l tn o to n l yv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r e s e n tm e t h o da n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o g r a m ，b u ts h o w st h a tt h e c a l c u l a t e db u c k l i n gl o a dv a l u eb ye f g m ( b a s e do nt h es e c o n dk i n d o fs t a b i l i t y p r o b l e m ) i sm o r er e a s o n a b l ea n ds a f e rt h a nt h a tb ye n e r g ym e t h o d ( b a s e do nt h ef i r s t k i n do fs t a b i l i t yp r o b l e m ) k e yw o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n ；b u c k l i n ga n a l y s i s ；i n i t i a ld e f e c t s ；e n e r g ym e t h o d ； e l e m e n t f r e eg a l e r k i nm e t h o d ；b u c k l i n gm o d e lt e s t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作鼎。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声【 j ；j 的法 律后果由本人承担。 作者签名： 觏j 霎 e j 期：? 巧年f 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，问意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许淦文被 垒阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：名芦象币军日期：，瑚匝年f 月，口曰 导师签名i 爿鳓 日期：灯年 j 月 ，d 同 钏彬 博，l 学位论文 】1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 桩基础概述 1 桩基础的历史与发展 桩基础是最古老的基础形式之一。早在新石器时代，为防止敌人或野兽的入 侵，人类就已懂得在湖泊和沼泽地区打木桩筑平台修建居住点 1 , 2 1 。又如水经 注汾水记载的公元前5 5 7 5 3 1 年在今山西汾水上建成的三十墩柱木桩梁桥1 3 】； 三辅黄图记载的秦代所建渭桥( 公元前2 2 1 年公元2 0 6 年) 经分析亦为木桩 基础；英国保存的罗马时代修建的桥梁工程及河滨住宅中的木桩基础；以及东安 格罩亚( e a s t a n g l i a ) 沼泽地区修建的大修道院基础等1 4 】。再如1 9 8 2 年在智利发掘 的文化遗址所见到的桩大约距今一万二干至一万四千年；我国浙江余姚县河姆渡 原始社会遗址出土的术桩大约距今六、七千年。 作为古老而传统的基础形式，桩基础发展至今，主要表现在材料与施工工艺 两大方面；从采用的桩身材料来看，主要经历了木桩一钢桩一混凝土桩一钢筋混 凝土桩这一发展过程，其中最早使用的木桩尽管距今已有上万年历史，但由于其 独特的优势至今仍在软土地基中被采用i s ；丽成桩工艺方面，则经历了打入桩一 振动桩一静力压桩一人工挖孔桩一钻( 冲) 孔桩等阶段，其中，自人工挖孔桩【6 i 和 钻孔灌注桩1 7 j 出现以来，得到了最为广1 泛的使用。目前，桩基的成桩工艺仍处于 不断发展中。 2 桩基础的作用 由上可知，桩是采用人工或机械成孔后就地浇灌混凝土或将事先做好的桩体 ( 如木桩、预制钢筋混凝土桩、钢桩等) 置入岩土层中的“杆件”。桩与桩项承台( 将 各桩桩顶联成整体的钢筋混凝土部分) 组成深基础，简称桩基础。若桩身全部埋入 土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；若桩身上部露出地面而承台底 位于地面以上，则称为高承台桩基，前者多用于房屋建筑工程，而后者则在桥梁 和港口等工程中应用较为广泛。桩群中的单桩称为基桩；采用一根桩f 通常为大直 径桩) 承受和传递上部结构荷载的桩基础称为单桩基础；若荷载较大，由2 根以上 基桩组成的桩基础称为群桩基础。 桩基础的作用是将上部结构的荷载，通过桩身穿过较弱地层或水传递到深部 较颦硬的、压缩性小的土层或岩层，其不仅能有效地利用作用于桩端阻力和桩侧 摩阻力来支承竖向荷载，还能依靠桩侧土的横向抗力承受水平荷载；也可用来减 基桩屈曲稳定分析的理论与试验研究 小机器基础的振动和作为地震区结构的抗震措施，具有承载力高、稳定性好、沉 降量小而均匀、沉降速率低而收敛快、抗震性能好等优点。而且，桩基础能以不 同的桩型和旌工方法适应不同的水文地质条件、荷载性质和上部结构特征，因此 具有良好的适用性。此外，在湿陷性黄土地区、膨胀土地区及岩溶地区，桩基础 电是一种极为重要的基础型式。一般房屋基础工程中，桩主要用来承受垂直的轴 向荷载；在港口、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑及抗震等工程 中，桩还需承受来自侧向的风力、土压力、船只、漂浮物或波浪的碰撞或冲击力， 以及地震力等水平荷载、或轴、横向荷载的组合作用。 3 桩基础的分析方法 裉据桩基础的不同作用，工程中主要分为竖向受荷桩、横向受荷桩及倾斜受 祷桩等三种，其分析方法也相应不同。对于本文拟研究的基桩屈曲稳定问题，同 时涉及轴、横向荷载作用下桩基的承载力问题，其不仅要考虑竖向荷载作用下桩 侧摩阻力和桩端阻力的影响，同时应考虑横向桩身挠曲变形所引起的桩侧土抗力 对桩身屈曲稳定的影响，也就是说尚应结合横向受荷桩的分析方法，来确定桩侧 土抗力的分布与影响。 对于竖向受荷桩，其承载力主要取决于三个方面：桩周土的强度即桩周 对桩的最大支承能力；桩顶容许沉降量：即由士的变形性质决定或上部结构容 许变形约束、保证桩不发生过大沉降的最大支承能力；桩本身结构强度。般 情况f ，桩身竖向承载力主要取决于前两种情况，即地基土的支承能力或桩顶容 许沉降量大小，但对于遇地震或振动易液化或檄软中的娥，特别是桩顶自出长 度较大时，则可能因侧向约束的丧失或极其微弱而使得桩身如同一细长压杆，在 桩顶荷载增大至某一临界值时发生屈曲失稳或破坏例，此时桩身强度成为桩身承 载力设计控制条件即第三种情况。对于这种情况，须考虑桩身纵向压曲问题，而 这也就是本文研究的出发点。 为探讨桩周土的约束作用对桩身屈曲稳定的影响，需确定桩侧摩阻力、桩侧 土横向抗力及桩端阻力韵大小与分布形式。 对于桩侧摩阻力，在桩顶荷载作用下，其发挥程度、分布形式与大小等与桩 顶荷载水平、桩周土性质、成桩工艺等因素有关，通常是随着桩顶荷载的增加从 上至下逐步发挥并达到极限，该极限值的确定可根据相关表达式所用系数的不同 分为a 法、触和五法l l 】。口法( t o m l i n s o n ，1 9 7 1 ) 褐总应力法，可用于计算饱和粘性 土的侧阻力；甜去( c h a n d l e r , 1 9 6 8 ) 为有效应力法，可用于粘性土和非粘土的侧阻力 计算；五法( v i j a y v e r g i y a & f o c h t ，1 9 7 2 ) 贝u 综合了口法和法的特点，用于粘性土的 侧阻力计算。 而桩侧 十体横向抗力多采用地基反力法求解，其关键在于地基反力系数“的 确定，己有的地基反力系数分布模式主要有：常数模式( y k c h a n g ，1 9 3 7 ) ，即地 2 博士学位论文 基反力系数沿深度不变，如图1 1 ( a ) 所示；抛物线模式，该模式又分为两种： 第一种由前苏联安盖尔斯基( 1 9 3 7 ) 提出，其假定地基反力系数在地面至第 弹性 零点f1 1 日j 随深度呈凹形抛物线增加，达t 后保持不变( 图l 】( b ) ) 9 1 ；第一种由h 本久保浩( 1 9 6 4 ) 提出1 1 0 】，其假定在整个桩身范围内地基反力系数均按指数 n = o 5 呈凸形抛物线增加( 图1 1 ( d ) ) ，而我国陕两省交通科学研究所在分析了若 干桩基的实测结果以后，认为n = o 1 - 0 6 t 1 1 】；线性模式，即i n 法，在国内应用 最为广泛，铁路、公路与房屋建筑等行业工程的桩基规范1 1 2 , 1 3 1 均推荐该模式，其 假定桩侧土地基系数随深度线性增加( 图1 1 ( c ) ) ，但按此假定，地基系数就随深 度无限增长，与实际情况不是很相符。 z 、 倒“、 x i 一1 j z in = o ( d ) 图1 】地基反力系数分布图式 实事上，上述不同地基反力系数的分布模式可以太沙基( t e r z a g h i ，1 9 5 5 ) 所提出 的一般模式来概括。太沙基认为地基反力系数丸= r n h z 。善。州”j ，其中：m 为地摹 反力系数随深度的变化系数； 为常数，罗韦( r o w e ，1 9 5 6 ) 建议取乒l ，以便于量纲 的标准化i ls l ；脚为非负的经验指数，其不同取值即可对应图1 1 所示的不同地基 系数分布模式。太沙基认为，对粘性土或非粘性土，如可分别假定随深度= ；i l i 变或 线性变化。为模拟桩侧土体的塑性，戴维逊( d a v i s s o n ，1 9 6 3 ) 建议取c o = 0 1 5 会更适 合于不排水条件下的粘土【l7 】；而里斯( r e e s e ，1 9 5 6 ) 认为采用分段线性分布模式会 有利于考虑砂土和软土中桩侧地基土体的屈服与非线性1 1 驯：库伯( k u b o ，1 9 6 5 ) 则认为根据基桩和桩侧土体的不同状态，珊可分别取0 、0 5 、1 或2 不等。 至于桩端阻力的计算，则通常以刚塑性体理论为基础，通过假定不同破坏面 形态求得相应的桩底下地基土的极限承载力公式，如太沙基( t e r z a g h i ，1 9 4 3 ) 、梅耶 霍夫( m e y e r h o l f , 1 9 5 1 ) 、别列赞采夫( 8 epe 3 ah ueb ，1 9 6 1 ) 、魏西克( v e s i c ，1 9 6 3 ) 等公式，其具体推导和系数的表达式可参考有关文献1 1 , 1 9 j 。 不管采用何种方法，若能按这些方法求得或根据试验测得桩土接触面上的位 移和面力( 即切向摩阻力与法向抗力) ，则可把桩与土分别看成两个独立体而求出 其内部的应力和位移。但桩土接触面上的位移和面力与接触条件有关，在桩顶荷 载作用下，桩土接触面上坐标相同的点所形成的“接触点对”可能处于三种状态： 基枷届曲稳定分析的理论与试验韧艽 附着( 无相对位移，完全接触) 、分离与相对滑移( 有相对位移，非完全接触) 。 其中，后两种情况为典型的位移不连续问题，分析时需引入接触面单元或采t | = j 其 它措施予以满足。 1 1 2 基桩屈曲稳定问题研究的必要性 当端承桩穿过软弱土层支承在基岩或坚硬土层中时，随桩顶荷载的不断增加， 摭身将如同细长杆件一样产生级向弯曲：对于摩擦桩，桩侧摩阻力通常能承受全 部或绝大部分桩顶荷载，使得桩端不会产生或产生较小的位移，且当桩身入土深 度增加并达到一定深度后，桩端就如同支承在基岩( 实际上无基岩) 上而无法自 由移动，即类似于嵌岩桩那样，可能出现压曲破坏。 自1 7 4 4 年e u l e r 对压杆稳定问题做出开创性研究以来，有关结构稳定性研究 已有2 0 0 多年历史。然而，直至2 0 世纪2 0 年代，福塞尔( f o r s e s l l ，1 9 1 8 ) 和格雷霍 姆( g r a n h o l m ，1 9 2 9 ) 2 0 , 2 1 1 等人的早期研究才引起人们对基桩屈曲稳定问题的重 视，其结果指出，对打入极软弱土层中的钢筋桩、钢轨桩、细长混凝土桩应考虑 其屈曲问题。5 0 年代后，不少研究者进行了一系列相关的试验研究，如布兰德查 奇和哈波( b r a n d t z a g e ，h a r b o e ，1 9 5 7 ) 的现场钢轨桩试验1 22 1 、贝吉费尔特( b e r g f e l t 1 9 5 7 ) 的室内钢、铜及木桩的模型试验1 2 ”、克罗恩和福格斯( k l o h n ，h u g h e s ，1 9 6 4 ) 等的现场木桩试验【2 ”、戈德和斯开普( g o l d e r , s k i p p ，1 9 5 7 ) 的室内模型钢筋桩试验 2 5 1 、李( l e e ，1 9 6 8 ) 的室内模型钢、铝桩试验2 6 l 及索韦恩克( s o v i n c ，1 9 8 1 ) 等的现场 钢管桩试验1 27 】等。这些试验也均证明，软弱士层中桩的屈曲破坏是可能的。而事 实 一，当基桩自由长度较大、特别是当桩周土软弱或遇地震易液化时，桩身很町 能发生屈曲破坏，此时应考虑基桩乃至整个桩基础的屈曲稳定。 国内，近年来随着桩基础特别是自由长度较大的高承台桩、超长桩的厂泛使 用( 如山东北镇黄河公路桥基桩入土深度达1 0 7 m ) ，有关竖向荷载下的桩身屈曲 稳定已受到桥梁、港口、建筑和矿业等工程领域进一步的重视，如桥涵地基基础 设计规范规定3 j ：对基桩应进行稳定性验算，并指出确定基桩屈曲时的计算长度 非常复杂，且因缺乏较准确的试验资料，暂且推荐了经验计算式；而建筑桩基规 范则指出【1 2 】：对于桩的自由长度较大的高桩承台、桩周为可液化土或为地基极限 承载力标准值小于5 0 k p a 的地基土( 或不排水抗剪强度小于1 0 k p a ) ，应考虑屈赫 的影响；港口工程桩基规范要求【28 j ：当桩的自由长度较大时应验算桩的屈曲稳定。 鉴j 二编制规范时所收集到的多种计算方法均有局限性，故规范中尚未明确指出屠 曲稳定验算的具体方法。 由于基桩发生屈曲失稳时，其承载力不是取决于地基土的承载能力，而是取 决r 桩本身的屈曲破坏强度，故对自由长度较大、穿越非常软弱或遇地震易液化 士的嵌岩桩、超长桩，应考虑其屈曲稳定问题。 4 博士学位论文 1 1 3 基桩屈曲稳定问题的研究难点 与理想欧拉压杆的稳定问题相比，基桩桩身屈曲稳定的研究更为复杂，其难 度主要在于如何建立合理的屈曲稳定分析模型，而这又取决于两大方面因素的考 虑，即影响桩身屈曲稳定的众多不确定因素和桩土材料的不连续，具体如下： 1 1 3 1 影响桩身屈曲稳定的不确定因素 与理想欧拉压杆相比，影响桩身屈曲稳定的因素，除了桩项荷载水平比较明 确外，其余因素如桩顶和桩端约束条件、桩周土体的约束作用、桩顶承台的约束 作用、桩身质量的影响等都难以准确描述1 2 引。对于一些特殊情况，如单桩、单排 桩或桩柱式桥墩及嵌岩桩等，桩顶桩端的约束条件可作较简单的明确简化，如考 虑为桩顶自由或桩端嵌固：但对于群桩，桩顶承台对桩身屈曲稳定的影响就难以 考虑，其与承台本身与上部结构的刚度及基础变形等因素密切相关，承台对各基 桩的屈曲稳定具有调节作用，如受荷小的基桩能通过承台对受力大的基桩的屈曲 起到阻碍作用；而桩周土体的约束作用则是影响桩身屈曲稳定最主要也最难以确 定的因素，其主要涉及到桩侧土抗力的分布与大小问题，目前多根据规范推荐的 m 法假定桩侧土抗力与桩身水平挠曲变形成比例关系，这种假定的分布模式也印 桩身所受侧向荷载的模式的合理与否有待探讨，毕竟m 法的提出和使用是针对横 向受荷桩的受力变形分析而提出；至于桩本身的质量问题，也是一个不可忽视的 重要方面，由于桩基施工过程中会不可避免地造成一些初始缺陷，如桩身轴线的 偏位或初弯曲( 打入桩) 、桩身缩径、夹泥甚至断桩等，这些缺陷将会使得桩身的 届曲稳定问题难以按第一类问题进行考虑，并会显著降低桩身稳定极限荷载，如 何定量地考虑其影响实属一难题。此外，还有一些因素会对桩身的屈曲稳定产牛 影响，如桩、土材料本身及桩土接触面的非线性、地震力、地面超载产生的桩身 负摩阻力等，分析时也应一并考虑，以得到最不利情况下桩身的稳定极限荷载， 确保桩基础本身及上部结构的安全。 1 1 3 2 桩土材料或位移的不连续 基桩的屈曲稳定分析实质上为桩土共同工作分析，通常情况下，困工程实际 中的桩身材料( 如钢筋混凝土) 和桩周土体在刚度与强度等力学性质方丽存在较 大差异，导致桩土接触面具有特殊的性质，特别是对泥浆护壁钻孔灌注桩，施卜 过程中泥浆会不同程度地渗入桩侧土体中，在孔壁表面形成特殊的接触面材料即 “泥皮”，其性质与原桩周土体差异较大，既能传递法向应力，又能传递剪应力 s 3 0 i 。事实上，即使桩士接触面上无类似“泥皮”的特殊接触材料，随着桩顼荷 载的不断增加，界面上也会产生接触应力与相对位移( 滑移或分离) ，从而形成 复杂的桩接触问题，且桩身与桩周土体不再保持为变形连续的整体，若仍基于 变形协调原则将其视为连续体进行求解，将会产生一定的误差，甚至导致结果的 摹桩屈曲稳定分析的理论与试验研究 严重失真，故有必要考虑桩土界面上位移的非协调性引入接触面单元进行桩土接 触分析，分析时选择合适的桩土接触面本构关系与接触面单元形式是其中的两个 关键问题。 自2 0 世纪6 0 年代末以来，国内外许多学者致力于研究有关土与结构物接触本 构模型，并先后基于不同观点提出了不少接触面本构模型或计算模型【3 。“1 。 对于接触面的本构模型，研究和讨论得较多的是切向应力或剪应力r s 与相对 剪切位移s 之间的关系，且归纳起来，主要有四大类，即线弹性模型、非线弹性模 型、刚塑性模型及弹塑性模型：( 1 ) 尽管线弹性模型能大大简化问题的复杂性，且 在一定工程精度范围内简单实用，但由于土是一种多孔介质材料，即使在较低的 应力水平，也会发生塑性变形，故线弹性模型难以准确反映桩周土体的实际工作 状态；( 2 ) 针对线弹性模型的不足，c l o u g h 和d u n c a n 等通过试验发现，接触丽上的 剪应力与剪切位移间的关系符合双曲线变化规律，并由此提出了双曲线非线性弹 性模型1 3 1 , 3 2 。这种非线性模型能较好地反映桩土接触蕊的非线性特性，可同时适 用于有厚度或无厚度接触单元，故自提出以来得到了广泛的应用；( 3 ) 然而，国内 学者殷宗泽等在进行接触面大尺寸直剪试验后指出，类似c l o u g h 等通过直剪试验 所获得的r s - s 双曲线关系只是特定尺寸的试样剪切破坏过程逐步发展的近似宏观 反映，不能用以描述接触砸上剪切变形的特定规律，并由此提出接触面刚塑性模 型”驯；( 4 ) 针对土体在受荷过程中弹性与塑性变形共存这一事实，陈慧远提出了弹 性一理想塑性模型 3 “，并对接触面非线性与材料非线性问题提出了双重迭代求解 方法，能较客观地反映接触面特性。但该模型认为破坏前接触面上的应力一应变关 系完全服从弹性性质这一假定不尽合理。1 9 9 0 年b o u l o n 等提出了接触面弹塑性模 型口“，但由于较复杂而未得到推广应用。为了考虑更复杂的情况，一些学者还提 出了综合型模型，如钱家欢的粘弹塑性模型1 3 6 】、安关峰等提出的接触面三维弹 粘一塑性模型【37 l 、栾茂田等建议的非线性弹性一理想塑性模型【3 8 】等。 至于接触面单元，其为一种厚度较薄或接近于无厚度的特殊有限单元，在土 与结构物之间起过渡作用，目前已发展了多种接触面单元形式，归纳起来主要可 划分为两大类：即以g o o d m a n 单元为代表的无厚度接触面单元和以d e s a i 单元为 代表的薄层单元或有厚度接触面单元。g o o d m a n 等最早提出用于模拟节理岩体的 无厚度接触面单元( 或称节理单元) 1 3 ，至今仍得到广泛应用。然而，尽管该单 元的切向劲度系数舷可较简便地通过直剪试验得到，但法向弹簧刚度系数的取 值存在较大的任意性，由于单元无厚度，为避免接触面两侧材料的相互嵌入，k 。 需取一大值，从而使法向相对位移的微小误差就会导致计算出的法向应力出现较 大偏差甚至不合理。因此，有关该单元参数的合理取值问题仍有待探讨。 由于桩身材料与桩周岩土体之间常存在较大的刚度悬殊，且两者之间接触面 也得往非常粗糙，导致剪切破坏并不一定发生桩土接触面上，而可能发生在邻近 6 博士学位论文 卜体内，从而在桩土接触面附近的桩周土体内形成一定厚度的接触带或剪切错动 带，该剪切错动带内土体的受力变形特性也将明显不同与周围土体，此时无厚度 的接触面单元就不能真实反映这种接触面的变形特征。为此，d e s a i 等提出了薄 层接触面单元 4 0 - 4 2 1 。这种有厚度的薄层接触面单元能避免单元两侧材料的相互 嵌入，且单元的法向刚度系数k 可通过试验确定，从而可减小任意取值所带来的 误