（岩土工程专业论文）承重阻滑桩承载机理及受力分析研究.pdf

硕| 学位论文 摘要 承重阻滑桩在山区高速公路建设及山区城镇建设中应用广泛，具有承重与阻滑双重 作用，其受力性状远比抗滑桩和平地上受荷桩复杂，常规的桩基设计计算方法与理论已 难以适用。本文结合国家自然科学基金项目“陡坡段桥梁桩基设计理论与数值模拟方法 研究”( 5 0 5 7 8 0 6 0 ) 和湖南省交通科技项目“高陡边坡段桥梁桩基设计与防护技术研究” ( 2 0 0 5 1 3 ) ，对承重阻滑桩的承载机理及其受力特性进行较系统深入研究，具有重要的 理论价值与工程实际意义。 本文在综合分析和评价国内外组合受荷桩研究工作的基础上，分析了承重阻滑桩独 特的受力特点，从而将其分为自由段、受荷段、嵌固段三个特征桩段，在此基础上，综 合考虑尹一彳效应、滑坡推力、地基系数、桩身侧摩阻力、桩身自重等影响因素，建立 了各特征桩段的微分方程。并分别基于常规方法( 地基系数法) 以及非线性方法( p 吵曲线 法) ，导得承重阻滑桩内力及位移分析的有限差分解，并自行编制了m a t l a b 计算程序。 而后，以理论解为手段，通过改变桩顶荷载( 竖向分量、水平分量、弯矩) 、自由长度、 嵌固深度、推力大小及分布形式、桩侧岩土体的性质、桩径及桩身刚度等l o 个方面的 计算参数，进行了大量理论对比计算，得到了相应桩身弯矩、剪力、位移以及桩周岩土 体抗力结果的图表，由此深入分析了承重阻滑桩的承载机理及受力影响因素。针对目前 有关承重阻滑桩室内模型试验资料匮乏这一情况，自行设计了不同加载方式、不同自由 长度、不同嵌岩深度、不同桩身刚度的四组对比试验，通过量测受荷过程中桩身内力分 布与荷载传递情况，进一步揭示了承重阻滑桩的承载机理及其受力特性。最后，结合依 托工程，通过现场工程桩的实测结果与理论计算结果的对比分析，验证了本文理论方法 在实际工程应用中的可靠性。 关键词：桩基础；承重阻滑桩：边坡：承载机理；受力分析；地基系数法；p y 曲线 法；室内模型试验：现场观测 承章阻滑辨承载机理及受力分折研究 a b s t r a c t l o a d - b e a r i n ga n da n t i - s l i d ep i l eo fe x p r e s s w a yi nt h ew e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a sa n dt h e c o n s t r u c t i o no f c i t i e sa n dt o w n si nt h em o u n t a i n o u sa r e a sh a sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，i t h a sd o u b l ef u n c t i o n ：n o to n l yb e a r i n gt h el o a df r o mt h es u p e r s t r u c t u r eb u ta l s oc o u n t e r a c t i n g l a n d s l i d e - t h r u s tf r o mt h es i d eo f p i l ef o u n d a t i o n ，a n dt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f p i l ei sm u c h m o r ec o m p l e xt h a na n t i s l i d ep i l eo rs i m p l e xi n c l i n e d - l o a d i n gp i l e t h ec o n v e n t i o n a l c a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e o r yo fp i l ef o u n d a t i o ni sa l r e a d yn o tf i tf o ri t sa p p l i c a t i o n c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d a t i o no fc h i n a “s t u d yo nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dd e s i g nt h e o r yf o rr o c ks l o p eb r i d g ep i l e ”m o 5 0 5 7 8 0 6 0 ) a n dt h e t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t so fh u n a np r o v i n c e s t u d yo nt h ed e s i g na n dp r o t e c t t e c h n i q u ef o rs l o p eb r i d g ep i l e ，( n o 2 0 0 5 1 3 ) ，t h i st h e s i sm a k e sad e e pa n ds y s t e m a t i c a l r e s e a r c ha b o u tb e a t i n gm e c h a n i s ma n ds t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fl o a d b e a r i n ga n da n t i - s l i d ep i l e b a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h er e s e a r c hw o r ko np i l eu n d e r a s s e m b l e dl o a d sa th o m ea n da b r o a d t h ep i l ei sd i v i d e di n t ot h r e ec h a r a c t e r i s t i cs e g m e n t ：t h e f r e es e g m e n t ，t h el o a d e ds e g m e n t ，t h ea n c h o r e ds e g m e n tb ya n a l y z i n gi t se s p e c i a lm e c h a n i c a l b e h a v i o r t h e n ，c o n s i d e r i n gt h ea f f e c t i n gf a c t o r ss u c ha sp 一4e f f e c t ，l a n d s l i d e - t h r u s to fs l o p e ， f o u n d a t i o nc o e f f i c i e n t ，f r i c t i o nr e s i s t a n c eo fp i l es h a f ta n dd e a dl o a do fp i l e ，t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n so ft h ec h a r a c t e r i s t i cs e g m e n to ft h ep i l ei so b t a i n e d t h ef i n i t ed i f f e r e n c es o l u t i o n w h i c hb a s e do nc o n v e n t i o n a l m e t h o d ( f o u n d a t i o nc o e f f i c i e n t m e t h o d la n dn o n l i n e a r m e t h o d ( p - yc u r v em e t h o d ) a r ep r o p o s e db a s e do nt h ee q u a t i o n s ，a n dt h ec a l c u l a t i o np r o g r a m i sa l s oo b t a i n e db yu s i n gm a t l a b t h e n ，t h r o u g hc h a n g i n gt h ec o u n t i n gp a r a m e t e rs u c ha s l o a do ft h ep i l et o p ( v e r t i c a lc o m p o n e n t ，h o r i z o n t a lc o m p o n e n lm o m e n t ) ，f r e el e n g t h , a n c h o r e dd e p t kl a n d s l i d e t h r u s ta n di t sd i s t r i b u t i o nf o r m ，t h ec h a r a c t e ro ft h er o c ko rs o i l a r o u n dt h ep i l e ，t h ed i a m e t e ra n dt h eb e n d i n gs t i f i n e s so ft h ep i l ee t c ，al o to ft h e o r e t i c a l c o n t r a s t i n gc a l c u l a t i o n sa r ed o n ew i t ht h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n t h ec h a r t sa b o u tm o m e n t ， s h e a r f o r c e ，d i s p l a c e m e n ta n d r e s i s t a n c ef r o mt h er o c ka n ds o i la r o u n dt h ep i l ei sa l s oo b t a i n e d h e n c et h eb e a r i n gm e c h a n i s ma n dm e c h a n i c a la f f e c t i n gf a c t o ro ft h el o a d b e a r i n ga n d a n t i - s l i d ep i l ei sa n a l y z e di nd e t a i l t oc o u n tt h ei s s u et h a tt h ed a t u mf o rl a b o r a t o r ym o d e l t e s t so fl o a d h e a r i n ga n da n t i - s l i d ep i l ei sd e f i c i e n t ，t h i st h e s i sd e s i g n sf o u rc o n t r a s t i n gt e s t s w h i c ha r ed i f f e r e n tl o a d i n gp a t t e r n s ，d i f f e r e n tf r e el e n g t h ，d i f f e r e n ta c h o r i n gd e p t h , d i f f e r e n t b e n d i n gs t i f f n e s s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e di n t e m a lf o r c ed i s t r i b u t i o na n dl o a dt r a n s f e r c o n d i t i o n ，t h eb e a r i n gm e c h a n i s ma n ds t r e s sc h a r a c t e r i s t i ca r ef u r t h e rr e l e a s e d f i n a l l y , c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，t h ei n f i e l d sm e a s u r e dt e s td a t af r o mt h es u p p o r t e d 1 1 1 硕i 学位论文 e n g i n e e r i n gp r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h e o r ym e t h o di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n ；l o a d b e a r i n ga n da n t i - s l i d ep i l e ；s l o p e ；b e a r i n gm e c h a n i s m ； m e c h a n i c sa n a l y s i s ；f o u n d a t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d ；p - yc u r v em e t h o d ；l a b o r a t o r ym o d e l t e s t ； i n f i e l d sm e a s u r e dt e s t 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品。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明的法律后果由本人承担。 作者签名： 铆垃刚 日期：刎年f 月哗日 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，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本入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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：卿年 日期2 泖年 月渺日 f 月砷日 硕l 学位论文 1 1 桩基础概述 第1 章绪论 1 1 - 1 桩基础的历史与发展 桩基础是最古老、最基本的结构基础形式之一，有着悠久的历史。早在新石器时代， 人类为了防止敌人袭击、猛兽侵犯和不占耕地，就开始在湖泊和沼泽中打木桩筑平台修 建居住点1 1 , 2 1 。而在智利发掘的文化遗址所见到的桩大约距今有一万二千至一万四千年之 久；我国浙江余姚县河姆渡原始社会遗址出土的木桩大约距今亦有六、七千年；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十三墩柱木桩梁桥 3 1 ；秦 代的栈桥为支承桥面系统而水平嵌入悬岩的木、石构件等，亦可视为承受横向力作用的 桩；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；以及东安格里亚 ( 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 1 ，均是桩基础早期应用的成功范例。 在漫长的人类历史发展过程中，桩基的类型和工艺都有了很大的发展和变化。早期 的桩基由于材料的限制均以木材为桩，随着材料学科的迅猛发展，桩基础经历了木桩一 钢桩一混凝土桩一钢筋混凝土桩这一发展过程。1 9 世纪2 0 年代，随着钢材的应用，便 开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头。2 0 世纪初，美国出现了各种型式的型钢，特别是h 型钢桩受到营造商的重视，美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩基础，3 0 年代开始广 泛应用于欧洲。二次大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管广泛用于桩基 工程。随着钢筋混凝土预制构件的问世，开始出现工厂和现场预制钢筋混凝土桩。我国 于上世纪5 0 年代开始生产预制混凝土桩。1 9 4 9 年美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心 机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我国铁路系统于5 0 年代术也开始生产和使用预 应力钢筋混凝土桩。以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一类型的桩，为就地灌注混凝土 桩。上世纪2 0 到3 0 年代己出现沉管灌注混凝土桩。到5 0 年代，随着大型钻孔机械的 发展，出现了钻孔灌注混凝土桩或钢筋混凝土桩。而在5 0 年代到6 0 年代，我国的铁路 和公路桥梁，曾大量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。 成桩工艺的发展与机械设备的进步密切相关。从成桩工艺的发展过程看，主要经历 了打入桩一振动桩一静力压桩一人工挖孔桩一钻( 冲) 孔桩等过程。最早使用的桩基施工 方法是打入法。打入的工艺从手锤到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩 空气为动力的各种打桩机。此外，还发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。随着人工 挖孔桩和钻孔灌注桩的出现【5 】，钻孑l 机械不断改进，出现了适用于地下水位以上的长、 短螺旋钻孔机，适用于不同地层的各种正、反循环钻孔机，旋转套管机等。同时，为了 提高灌注桩的承载力，还出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，以及在孔底和周边压浆的 承帚m 谢掂乐蔽机理及爱，分析研究 新工艺等。钻孑l 灌注混凝土桩的问世，大大简化了施工( 设备简单，操作方便) ，极大 地促进了桩基础计算理论的研究工作。在2 l 世纪的今天，桩基的施工技术仍在不断地 更新和改进，正朝着低公害工法桩、扩孔桩、异型桩、埋入式桩、组合式工艺桩、高强 度桩以及多种桩身材料等方向发展嘲。 总之，在近代由于新的材料和施工机械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了条件， 其在援梁、房建、码头、堤坝、山坡抗滑处治、地基加固和石油海洋平台等方面都有着 重要而广泛的用处。并且随着我国公路、铁路、港口和近海工程的发展，桩基础的地位 将更为突出，由此显示出桩基础强大的生命力和广阔的发展i ； 景。 1 1 2 桩基础的分类 一旦确定采用桩基础后，合理选择桩类和桩型是桩基设计的重要环节。桩可按不同 的方法进行分类【6 4 j ，不同类型的基桩具有不同的承载性能，施工时对环境的不同影响， 不同的造价指标，各适用于不同的条件。这里主要给出桩基础承载特点的分类方法。 基桩按受荷特点主要可分为： ( 1 ) 竖向抗压桩：主要承受竖向下压荷载( 简称竖向荷载) 的桩，其对荷载的总 抗力等于桩侧摩阻力和桩端阻力之和，并根据两者发挥程度和分担荷载比的不同细为摩 擦型桩和端承型桩两大类。竖向抗压桩的应用最为广泛，如大部分桥梁桩基、房屋建筑 桩基等； ( 2 ) 竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩，如干船坞、地下室及泵站等上浮 结构物下的桩，需要抵抗上托萄载的 乍用：岩层中的锚桩，需抵抗轴向拉力作用：用于 静载试验中的锚桩，更是抗拔桩的典型应用： ( 3 ) 水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩，如港口、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的桩，除竖向荷载外。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，可视为水平受荷桩；而边坡治理工程中 应用广泛的抗滑桩，其计算原理即为受横向力作用的桩的计算原理； ( 4 ) 复合受荷桩：事实上，工程中单纯承受竖向或水平向荷载的情况很少，桩身 除承受上部结构传递的竖向荷载外，往往受有不容忽视的横向荷载，如结构物自重或因 荷载的偏心产生的弯矩；吊车、火车、汽车制动力产生的水平力和弯矩：风、波浪、潮 水产生的水平力和弯矩；地震产生的瞬时水平力和弯矩等，这些恒载或活载在高层建筑、 桥梁、重型工业厂房、海上石油平台的桩基设计计算中均不容忽视，且此类桩基可划归 为复合受荷桩。 1 1 3 桩基础的适用性 桩基础通常作为苟载较大的建筑物基础，其具有承载力高、稳定性好、沉降量小两 均匀、便于机械化施工，适应性强等突出特点。与其它深基础比较，桩基础的适用范围 最广，一般对下述情况可考虑选用桩基方案： 2 顶士学位论文 ( 1 ) 地基的上层土质太差而下层土质较好， 足上部结构对不均匀变形的要求； ( 2 ) 地基软弱，采用地基加固措施不合适： 自重湿陷性黄土、膨胀土及季节性冻土等； 或地基软硬不均或荷载不均，不能满 或地基土性特殊，如存在可液化土层、 ( 3 ) 除承受较大垂直荷载外，尚有较大偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载 作用； ( 4 ) 上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到大面积地面超载的影 响： ( 5 ) 地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水中的构筑物基础，如 桥梁、码头、钻采平台等； ( 6 ) 需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物； ( 7 ) 在地震地区，当采用浅基础不能满足抗震要求时。 通常，当软弱土层很厚，桩端达不到良好地层时，桩基设计应考虑沉降等问题。如 果桩穿过较好土层而桩端位于下卧软弱层，则不宜采用桩基。因此，在工程实践中，必 须认真做好地基勘察、详细分析地质资料、综合考虑、精心设计施工，才能使所选基础 类型发挥出最佳效益。 1 1 4 承重阻滑桩的发展和意义 随着我国西部大开发战略的实施，边远山区及西部公路交通建设得到了蓬勃发展， 山区的地形地貌、工程水文地质条件十分复杂，为满足公路线形的需要及保护自然环境， 不少高速公路不得不沿边坡行进，由此需采用全高架桥或半路半桥的结构形式，从而导 致部分桩基将建于边坡段甚至悬崖峭壁上( 图1 1 ) ，并表现出一定的特殊性：地理位 置的特殊性，基桩设置在陡坡段，且多一般嵌入 微风化层，属于嵌岩桩范畴：受力环境的特殊 性，除了承受竖向荷载外，还将承受来自坡体的 侧向土压力，属于复合受荷桩及被动桩范畴； 使用功能的特殊性。同时具有承重与阻滑的双重 功能，而为保证正常使用，需严格控制桩身的沉 降及水平位移。 此外，在我国辽阔的国土中，山地约占总面 积的三分之二，许多省( 区) 、市的山地面积甚至超 过6 0 。相当一部分城镇座落在山水之间。而人 多耕地少的基本国情，促使农村人口不断向城镇 迁移，使山地城镇成为人口稠密，土地资源紧张 的地区。因此，开发山地城镇的土地资源，建设 图1 i 邪怀路承重阻滑桩 承蕈阻滑移 承载帆理及受力分辑研究 山区城镇，防止各种山区地质灾害则成为当前社会经济建设与发展中急待解决的问题之 一。在山地建设中，边坡问题，包括铁路路堑、路堤、露天矿边坡、水库岸边坡、大坝 基础、高压输电线塔及信号传送塔【9 1 、厂房边坡和城市房屋与市政建设中的边坡问题， 是山区恶劣地质条件的集中表现，往往直接制约工程项目的经济和安全。特别是人口稠 密的大中型山地城市，边坡失稳还严重威胁着人民生命财产的安全。如重庆市是我国最 大的山地城市，在自然地质与人类工程建设活动等诸多因素作用下，市区内危岩陡坡密 布，其数量之多、范围之广、危害之大，在全国七十座地质灾害比较严重的城市中位居 首位。与此同时，重庆市又是我国西南地区唯一的中央直辖市和经济中心，现代化大都 市的发展要求，加快了城市市政建设的步伐，也推动了房地产等行业的迅猛发展。原来 紧张的城市用地问题也因此变得更为突出一些市政设施如公路、桥梁、隧道等不得不沿 江沿坡，在杂填土及风化岩层甚至古滑坡地带修筑。另一方面，房地产商出于经济效益 方面的考虑，也更多地利用城市坡地，于是削坡建房就成为山地城市地产开发的新景观。 这样市政设施与房屋建筑就不可避免地与边坡问题联系在一起，形成山地城市边坡独有 的特色之一。此外，举世瞩目的三峡库区百力| 移民及新迁城镇的建设，移民新迁城镇大 多座落在长期受江河支流洪水冲刷的深大冲沟地带上。因此，新城镇的规划与建设也不 可避免地遇到斜坡稳定、复杂地基等问题。库区周边地形地貌复杂险峻，人口局部集中， 土地资源极为匮乏等不利因素给新城镇选址和移民建设带来的难题，加上人为因素对新 区岩土环境的破坏，要求我们进一步了解山地城市边坡的特点，在社会效益、经济效益 和环境效益相结合的原则下，不断加强对山地城市边坡开挖及加固措施的研究，把传统、 单纯的边坡治理纳人城市建设及土地开发利用的系统工程之中。如三峡工程兴山峡口移 民区滑坡防治f m 】包括f ； 缘抗滑桩工程( 阻滑i 区) 、滑坡中部抗滑桩工程( 阻滑i i 区) 、 滑坡中下部承重抗滑工程( 承重抗滑桩i 区) 、滑坡中上部承重阻滑工程( 承重阻滑桩 i l 区) 、刷方减载压脚工程和滑坡地表排水工程6 部分( 图1 2 ) 。 承重阻滑桩是桩基应用范围的进一步拓展，难以在6 u 述的基桩类型中找到其归属。 因此，承重阻滑桩的分析研究尚属于全新的研究领域。为确保高陡边坡桩基及上部构筑 物的安全，研究和探讨边坡上基桩的承载机理与分析计算方法，已成为西部高速公路及 山区城镇建设桩基础领域中一项势在必行的工作。 目前工程上桩的理论分析很难满足桩基兼起阻滑作用的设计的需要，边坡处理与构 筑物桩基础设计还处在相对独立的状态，造成了很大的浪费。因此，在山地城市削坡建 房和边坡桥梁桩基，考虑到边坡与桩的具体特点，不难想到这样一个问题：即在进行边 坡加固和坡上房屋基础设计时，能否充分利用桩承受竖向和水平荷载的能力，使其既能 用作构筑物的基础，又能用作加固边坡的阻滑桩。这一问题的研究将对山地城市、路桥 建设和土地开发产生巨大的社会效益、经济效益和环境效益。因此，为确保边坡建筑物、 桥梁上部结构的安全，研究和探讨承重阻滑桩的受力变形特性及分析计算方法已成为桩 基础领域中一项势在必行的工作。 4 颈 ：学位论文 g 驰 缒 3 1 0 2 7 0 1 9 0 1 5 0 嘉孽薹夏委鹣茎建筑区 阻滑工程i i 区 三峡水 库正常 沿江公路蓄1 7 水5 位 承重阻滑工程i 区、 阻滑工程1 01 0 02 0 03 0 04 0 0 m 图1 2 湖北兴山峡口滑坡防治与利用工程布置剖面 1 2 承重阻滑桩受力研究现状 1 2 1 竖向承载力 基桩的竖向承载力一直是桩基设计计算理论的核心内容。单桩所能承受的竖向荷载 取决于桩周及桩端土对桩的支承能力和桩本身的材料强度，且桩的破坏模式不同，其承 载力控制指标也不同。 近几十年来，基桩竖向承载力研究发展迅速，但静载荷试验法仍是确定桩身承载力 最直接、最可靠的方法，应用最为广泛。根据桩的静载荷试验确定单桩竖向极限承载力 的方法很多，常用的有p 哂曲线拐点法、切线交会法、j i 掣法、s 1 9 p 法、p 啦曲线斜率 法、霍塞尔法等，具体方法可参见文献 1 4 i 。鉴于传统静载试验的堆载困难，美国于 8 0 年代中期开展了桩自平衡试验方法( o s t e r b e r g 试桩法) 的研究i l5 1 ，结果表明其简单 经济，试验后试桩仍可作为工程桩使用，在欧洲、日本等国及我国江苏地区均获得广泛 使用。国内由东南大学土木工程学院与江苏省建设厅等单位联合于1 9 9 6 年开始实用性 应用，并通过拓宽荷载箱的摆放位置对其进行改进后，在江苏等省份推广应用【1 6 1 。 由于静载试验耗资巨大，为此，我国各行业规范根据大量的桩基静载试验结果，对 常规桩型、大直径桩型、嵌岩桩型和钢管桩型等各类桩型，建立了可供工程参考的经验 计算公式，如建筑地基基础设计规范( g b j 7 8 9 ) 【 1 、铁路桥涵设计规范( t b j 2 - 8 5 ) 【1 8 l 、 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) n 公路桥涵地基基础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) ”9 1 。 桩基竖向承载力的理论计算分析中，一般是将基桩的承载力分为桩侧摩阻力与桩端 阻力之和。对桩端阻力的计算，通常以刚塑性体理论为基础，假定不同的破坏面形态， 可得到不同地基土中的极限承载力公式【1 , 6 2 0 l ，如太沙基( t e r z a f l a i ) ，梅耶霍夫( m e y e r h o l f ) ， 别列赞采夫( f , e p e s a h t t e b ) ，魏西克( v e s i e ) 等提出的公式。至于桩侧极限摩阻力的确定， 根据其表达式所用系数的不同，通常可归纳为口法、法和五法【2 1 , 2 2 1 。口法汤姆林森 承苹脚t 滑 承蔽机理及受力分析研究 ( t o m l i n s o n ) 属总应力法，可用于计算饱和粘性土的侧阻力；口法钱德( c h a n d l e r ) 为 有效应力法，可用于粘性土和非粘土的侧阻力计算；五法维杰吉亚与福切特( v i i i a y v e r g i y a & f o c h t ) 则综合了撤和磁的特点，用于粘性土的侧阻力计算。 因侧阻和端阻与其所在位置处桩土间的相对位移密切相关，并随位移的增长而逐渐 发挥，不少学者探讨了桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系，提出了一些桩侧摩阻力分布 模式，从而提出基桩的竖向承载力计算方法。一般认为，桩侧摩阻力的发挥随桩土相对 位移的增长而增加，但增加的幅度呈减小的趋势，最后趋于定值。但近年来大量的试桩 资料特别是大直径灌注桩试验资料表明，桩侧摩阻的发挥不仅与桩土相对位移有关，还 与桩径、施工工艺、桩周土质情况等有关，不过相关研究尚停留在定性分析之上，对桩 侧摩阻力的特性也缺乏深入认识。对于桩端阻力，办提出了不少计算模型，如兰朵夫 ( r a n d o l p h ) 2 3 】根据弹性力学方法导出桩端阻力与桩端位移问的线性模型；曹汉志i 刎和陈 龙珠等【2 5 1 根据实测资料将桩端阻力与桩端位移关系简化为双折线模型，另外，戴尔帕克 ( d e l p a k ) 等【2 6 l 提出了桩端的三折线模型。 1 2 2 组合荷载的承载力 实际工程中，单纯承受竖向荷载或水平荷载的情况很少，基桩除承受上部结构产生 的竖向荷载外，往往受有不容忽视的横向荷载，如结构物自重和使用荷载的偏心产生的 弯矩；吊车、汽车制动力产生的水平力和弯矩；风、波浪、潮水产生的水平力和弯矩； 地震产生的瞬时水平力和弯矩等，从而形成组合荷载。 若荷载均为作用于桩顶，则形成倾斜受荷( 或轴、横向荷载同时作用) 桩，国内外 学者对此进行了大量的试验及理论研究，取得了不少研究成果： 早在7 0 年代，横山幸满【27 】就给出了地基系数为常数时基桩在倾斜荷载作用下的解 答，并首次指出应力迭加原理不适于倾斜荷载下基桩计算分析，开辟了倾斜荷载下基桩 受力计算的新方法。随后，班纳吉尔和戴维斯( b a n e j e epk & d a v i e stg ) 2 a l 结合弹性半 空间明特林( m i n d l i n ) 解，利用边界元法探讨了非匀质土层中轴向和横向荷载下单桩受力 性能，但该方法没有考虑p 刊效应：1 9 8 5 年，我国学者王用中、张河水结合势能原理推 导了倾斜荷载下文克尔地基模型中弹性地基梁的单元刚度矩阵，首次将有限元方法应用 于倾斜荷载下桩基计算分析【2 9 】；1 9 8 6 年范文田将地基系数为常数时倾斜荷载柔性单桩 内力位移计算解析解用于桩基计算分析，并指出轴向压力对桩身横向位移、转角、弯矩 及剪力的影响比较显著而不容忽视1 3 0 1 。 对于倾斜荷载下基桩的受力分析，我国学者赵明华及其课题组作了大量工作，主要 为解析法与数值分析法两方面。在解析法方面，1 9 8 7 年，基于卅法采用幂级数解导得 了考虑轴向集中荷载、桩自重、桩侧摩阻力及横向荷载综合作用下柔性桩的解析解，并 结合结构稳定理论给出了各种荷载形式下单桩计算分析的半解析解【3 1 】；此后，在1 9 9 7 年进行了铝管模型桩的室内模型试验，验证了基于m 法假定的倾斜受荷桩幂级数解答的 6 硕士学位论文 正确性 3 2 1 ，并总结出倾斜偏心荷载下单桩承载力计算半经验公式，用于桥梁桩基计算后 取得了较为满意的结剿3 3 】；1 9 9 9 年对双层砂土地基中中倾斜荷载下的铝管模型桩进行 了试验研究，并用基于m 法假定的倾斜受荷桩幂级数解答对试验结果进行了分析【3 ”。 在数值分析法方面，以层状土模拟弹性半空问地基，并在大变形条件下近似考虑土的非 线性特性，将有限元一有限层法用于倾斜荷载下单桩内力位移计算 3 5 】，随后，又提出加 权刚度概念并改进有限元一有限层方法，将其用于成层地基中或非均匀地基中倾斜荷载 下单桩计算分析【3 6 】，与试验结果的对比分析表明，该方法具有较好的效果；为更精确模 拟桩土共同作用，引进有限元法，采用古德曼( g o o d m a n ) 单元模拟桩土共同作用，编 制了倾斜荷载下群桩平面有限元分析程序，并进行了算例分析【”】。 有关倾斜荷载下基桩的试验研究，梅耶霍夫( m e y e r h o f gg ) 及赛斯崔( s a s t r y , vv r n ) 等人作了大量的工作。他们首先分析了倾斜荷载下刚性桩的极限承载力和位移 3 9 l ；接 着在均质土和双层土介质中对刚性垂直桩和斜桩及小型群桩进行了小规模模型试验 3 9 - 4 1 1 ；然后，又进行了较大规模的刚性模型桩试验 4 2 - - 4 4 1 ；此后，在刚性桩的研究基础上， 梅耶霍夫等人又分别对均质和双层土中偏心倾斜荷载作用下的小型垂直和倾斜桩以及 桩群进行了大量的模型试验研究【4 5 5 0 】之后，又基于对柔性桩的工作性状的分析，建立在 等效刚性桩的有效入土深度的概念之上，主要用以分析桩的极限承载力和弹性位移。其 研究成果主要可分为理论和实测两大部分，后者主要包括钻孔桩、打入桩及一些大型群 桩受力性状的现场实测工作，以及与理论分析值的比较，其工程桩分别设置于砂土、粘 土及层状土层中。此外，梅耶霍夫等人通过大量实测资料分析比较，得出了确定倾斜荷 载下极限承载力的经验公式。 而对于被动桩，其侧向承受的为土体变形引起的分布荷载，若此时还承受来自桩顶 的外力( 轴向力、水平力、弯矩等) ，亦构成组合荷载作用。此时其工作性状将受到影 响，加重了桩土相互工作的复杂程度。目前，这方面的研究极少，李国豪 s q 曾用桩的 扰曲微分方程来求解承受轴向压力的被动桩的内力，但该法以弹性理论为基础，仅适合 小变形的情况，在计算公式中也不能体现桩土相互作用以及土体的屈服。何全新【52 】对抗 滑桩兼作房屋桩基作过一次尝试性设计，取得了一次初步认识。但是他将桩身假定为刚 体，桩背土压力为均匀分布，且不考虑桩前土体抗力的有利影响。张小平【5 3 】、梅耶索夫 ( m e y e r s o h n ) 5 4 1 和陈长元( c h i e n y u a nc h e n ) 5 5 1 采用数值计算软件对桩周土体水平位 移下的桩顶受荷桩基反应进行了研究。 1 2 3 边坡推力及土体抗力 承重阻滑桩除了承受上部结构传来的荷载以外，还受到桩后的横向滑坡推力( 有地 下水时，应计入孔隙水压力) ，其次是桩前土体抗力( 由桩前土体剩余抗滑力、被动土 压力或弹性抗力中最小者决定) 。国内外在滑坡推力及桩前土体抗力分布图式的选择上 分歧很大，这两者分布图式选择的是否合理，直接影响着滑动面以上承重阻滑桩桩身内 力的计算准确与否，进而影响滑动面以下桩身内力计算的准确性，影响承重阻滑桩设计 承荤f i l 辩瓣承载帆理及受力分折研究 的合理性。国内外学者主要以试验为手段对滑坡推力及桩前土体抗力进行研究。 中国铁道科学研究院西北研究所对单根抗滑桩受力条件进行了试验研究，用自制的 压力盒量测桩身各点的抗力，结果表明随着下滑力的逐渐增大，最初桩自u 滑体抗滑桩的 分布图形趋近于抛物线形，但克服极限抗滑力后，接近于矩形或梯形；随着下滑力的逐 渐增大，滑动面以下桩两侧的抗力趋近于两个三角形。滑动面上、下的抗力图形在滑动 面处突变。 铁道部第二勘测设计院进行了模拟滑体为砂粘土的抗滑桩模型试验，实测了各级荷 载下滑坡的下滑力，滑动面上下土体抗力等。资料表明，滑体为砂粘土时，下滑力基本 上为三角形分布，桩前滑体抗力图形接近抛物线形，滑动面以下的抗力为两个对顶的三 角形。 成都铁路局勘测设计所以狮子山滑坡为例，将滑坡推力、桩身应力和桩前抗力的有 限元整体分析应用到具有软弱滑带的地质条件复杂的滑坡上，得到桩前抗力在滑动面以 上较小，滑动面以下抗力最大，其分布是一倒三角形。 从徐良德等人所作的一些模型试验结果来看t 5 n 5 8 】，当滑坡为松散介质( 如砂土) 时， 下滑力基本为三角形分布，合力作用点约在滑动面以上o 3 h ( h 为地面至滑动面的距离) 附近，桩i j 滑体抗力图形接近抛物线，合力作用点在滑动面以上0 4 5 h 左右处：当滑体 为粘性土时，下滑力仍基本按三角形分布，合力作用点约在滑动而以上0 2 6 h 左右，但 更接近于顶点位于滑面附近的抛物线分布；抗力图形也接近抛物线，合力作用点约在滑 动面以上0 劬处。同时，从刘光代等人滑坡现场试桩的实测资料来看【5 ”，当滑坡体为 抗剪特征以内摩擦角为主的滑体，如堆积层、破碎岩层时，下滑力也接近于地表为零、 顶点在滑动面略上的抛物线，合力作用点在0 5 厅及其以上；当滑坡体为抗剪特征以粘聚 力为主的滑体中，如粘性土时，当抗滑桩处于弹性阶段时，滑体抗力基本上呈倒梯形分 和；进入弹塑性阶段后，滑体抗力图形逐渐变为地表不为零的抛物线，合力作用点在滑 面以上0 6 厅左右。模型试验结果与试桩实测结果比较一致。 1 3 本文主要研究内容及工作 目前对于复合受荷桩的承载机理及受力分析的研究主要集中在桩顶倾斜受荷桩，而 对于桩顶受倾斜荷载的同时承受滑坡推力形成的分布荷载的组合受荷桩，即承重阻滑桩 研究较少。传统计算桩身内力与位移的地基系数法假定桩土之间为线弹性接触，并不能 准确地反映桩土接触的非线性：对具有较长外露段的承重阻滑桩内力位移的研究尚不完 善；为了进一步揭示倾斜偏心荷载下承重阻滑桩的受力变形规律，并指导工程应用。本 文将进行如下工作： ( 1 ) 通过对承重阻滑桩各特征桩段微元段的受力平衡分析，并综合考虑桩身变截 面、变刚度、自重、摩阻力、多层岩土体等多种因素对承重阻滑桩内力位移的影响，建 立了各特征桩段的控制微分方程。在此基础上，得到基于地基反力法的承重阻滑桩的有 8 硕十学位论文 限差分解，并采用m a t l a b 软件编制了相应的程序； ( 2 ) 针对传统的地基系数难以准确反映桩一土( 岩) 之间的非线性接触这一问题，本 文在对组合受荷桩各种内力位移计算进行系统讨论的基础上，引入p - y 曲线法的概念， 得到基于p - y 曲线法的承重阻滑桩的有限差分解，并采用m a t l a b 软件编制了相应的 程序： ( 3 ) 在理论分析的基础上，从桩顶荷载( 竖向分量、水平分量、弯矩) 、自由长度、 锚固深度、推力大小及分布形式、桩侧岩土体的性质、桩径及桩身刚度等l o 个方面， 设计了l o 个计算方案，通过自行编制的m a t l a b 程序对上述计算方案进行计算，并得 到相应桩身弯矩、剪力、位移以及桩周岩土体抗力的结果的图表，通过分析计算结果从 而迸一步揭示各种因素对桩身内力及位移的影响； ( 4 ) 针对目前有关承重阻滑桩室内模型试验资料的匮乏，自行设计了四组室内模 型试验，通过设计不同加载方式、不同自由长度、不同嵌岩深度、不同桩身刚度、不同 坡度的对比试验。进一步探讨了承重阻滑桩的破坏机理及受力特性，同时验证本文就算 方法的可靠性； ( 5 ) 最后结合科研课题，对工程桩进行测试和验证，以验证本文相关计算方法工 程应用的可靠性。 9 承蕈阻浙种承找机理及受力分析研究 2 1 概述 第2 章承重阻滑桩承载机理研究 基桩承载机理包括荷载传递机理、承载力构成与特点、承载力影响因素、破坏模式、 保证结构正常使用所允许的最大变形和最大荷载、内力位移计算方法等，研究基桩承载 机理是进行承载力研究、内力位移分析的基础，也是建立合理设计理论的前提。国内外 众多学者对倾斜荷载下桩基承载力机理和工作性状作了大量卓有成效的研究，对阻滑桩 基承载机理和工作性状亦作了大量研究。承重阻滑桩既需承受来自上部轴向与水平向的 荷载作用，又要抵抗桩侧滑坡推力，具有承重与阻滑双重功能，其承载机理远比抗滑桩 和平地上倾斜受荷桩复杂得多。然而，国内外对承重阻滑桩承载机理研究相对少得多。 因此，本章从单一的倾斜荷载下基桩与阻滑桩的承载机理入手，而后引入两者的复合体 承重阻滑桩的概念，并对承重阻滑桩的受荷特点进行了探讨。 2 2 倾斜荷载下基桩承载机理 2 2 1 破坏模式 倾斜偏心荷载下基桩受力模式与水平荷载下基桩受力模式、竖向荷载下基桩受力模 式和弯矩荷载下受力模式有很大的不同。倾斜偏心荷载下，不仅其水平分力和偏心弯矩 将使桩身产生较大的弯矩和位移，竖向分力也将由于桩身挠曲变形而产生附加弯矩，当 地基土一般或较差、地面以上桩自由段较长时，该附加弯矩将产生不可忽略的挠曲变形 和附加弯矩，即所谓的p 刊效应。因此，倾斜偏心荷载下基桩受力性能不等于单一水平。 荷载下基桩受力性能、单一竖向荷载下基桩受力性能和单一弯矩荷载下基桩受力性能的 简单迭加，其受力性能比竖向荷载下或水平荷载下或弯矩荷载下的受力性能复杂得多。 倾斜偏心荷载下，基桩破坏模式囊括了竖向荷载下基桩破坏模式和水平荷载下基桩 破坏模式，还有其独有的破坏模式。当水平荷载较小竖向荷载很大竖向荷载占主导地位 时，倾斜荷载基桩破坏模式表现为竖向荷载下基桩破坏模式，即屈曲破坏、桩端土体整 体剪切破坏和刺入破坏，各种破坏模式发生条件如前所述。当水平荷载较大竖向荷载较 小水平荷载占主导地位时，倾斜偏心荷载下基桩破坏模式表现为水平荷载下基桩破坏模 式，即：倾倒破坏和水平滑动破坏( 刚性短桩) ；挠曲破坏( 中长桩) ；桩身挠曲破坏、桩 顶挠曲破坏和桩身桩顶挠曲破坏( 细长桩) 。当水平荷载、竖向荷载较小弯矩荷载较大时 候，倾斜偏心荷载下基桩破坏模式表现为弯矩荷载下基桩破坏模式，即近地面处桩身弯 拉破坏。当水平荷载、竖向荷载对基桩受力性能影响皆较大而又有偏心弯矩荷载存在时， 基桩破坏模式往往表现出倾斜偏心荷载下基桩所独有的破坏模式，即组合破坏模式。组 1 0 硕十学位论文 合破坏模式有：桩端土体整体剪切破坏和桩身