（岩土工程专业论文）抗拔桩的承载力和变形特性研究.pdf

摘要 摘要 随着城市建设的大规模发展，对土地的需求量不断增加与现有可用于建设 用地相对短缺的矛盾日益突出，这对合理开发利用土地、提高土地的利用率提 出了更高的要求。地下空间的利用因此成为新的发展方向，也越来越多地受到 人们的重视。抗拔桩在此背景下得到较为广泛的应用，成为地下建筑物、构筑 物抵抗地下水浮力所采取的主要措施之一，设计计算理论也成为目前工程界十 分关注的问题。 虽然抗拔桩实践应用较为广泛，但抗拔桩的理论研究却相对滞后。本文在 回顾了国内外有关抗拔桩研究成果的基础上，对抗拔桩的承载和变形特性进行 了研究，涵盖内容主要包括以下几个方面： 一、对等截面抗拔桩的承载力和变形计算方法进行了分析研究，并在已有 理论的基础上，推导了部分等截面抗拔桩的承载力和变形计算解析公式。 二，将承压桩和等截面抗拔桩的计算理论应用到扩底抗拔桩中，对扩底抗 拔桩的抗拔机理以及扩底抗拔桩的承载力和变形计算进行了研究，并对已有的 各种计算方法的适用条件进行了讨论。 三、利用足尺破坏试验对等截面抗拔桩和扩底抗拔桩的承载特性进行了分 析。对承压桩的试验结果进行了整理分析，并与抗拔桩进行了比较，同时对等 截面抗拔桩和扩底抗拔桩的承载特性进行了对比。 关键词：抗拔桩，承载力，变形，足尺试验，对比分析 a b s t r a c t w i t ht h el a r g ed e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e i n c r e a s e dd e m a n do ft h el a n da n dt h es h o r t a g eo ft h el a n df o rc o n s t r u c t i o nb e c o m e s h a r p e n e d ，w h i c hp u tf o r w a r dh i g hr e q u i r e m e n t s i nr a t i o n a le x p l o i t a t i o na n di n i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h e l a n d t h ed e v e l o p m e n to ft h eu n d e r g r o u n ds p a c e b e c o m e san e wt r e n d w h i c hh a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ， u p l i f tp i l ea sat y p eo ff o u n d a t i o ni sw i d e l yu s e da n db e c o m et h em a i nm e t h o df o r u n d e r g r o u n db u i l d i n ga n ds t r u c t u r et o r e s i s tt h ew a t e rb u o y a n c y t h ed e s i g na n d c a l c u l a t i o nt h e o r yo ft h eu p l i f tp i l eh a sg o tal o to fa t t e n t i o ni ne n g i n e e r i n g f i e l d a l t h o u g ht h eu p l i f tp i l ei sw i d e l yu s e d ，i t st h e o r yi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d t h i s p a p e rh a sg i v e nr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n p r o p e r t i e so ft h eu p l i f tp i l ew h i c h i sb a s e do nt h ee x i s t i n gr e l a t e dr e s e a r c hr e s u l t s t h e m a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 、t h i sp a p e rh a sn o to n l yg i v e nr e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft e n s i o n p i l e sw i t hu n i f o r mc r o s ss e c t i o ni nb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n ，b u ta l s oh a s d e f t v e ds o m ea n a l y t i c a lf o r m u l a sb a s e do nt h ee x s i t i n gr e l a t e dt h e o r i e s 2 、t h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e so fc o m p r e s s i v ep i l ea n dt e n s i o np i l ew i t hu n i f o r m c r o s ss e c t i o na r ea p p l i e dt ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h ea n t i - u p l i f tp i l ew i t h e n l a r g e db o t t o mi nu p l i f tm e c h a n i s ma n db e a t i n gc a p a c i t y a sw e l la sd e f o r m a t i o n m e a n w h i l e ，a p p l i c a b l ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nt h e o r i e sh a v ea l s ob e e n d i s c u s s e d 3 、t h i sp a p e rh a sm a d eal o to fa n a l y s i si nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f b e a r i n gc a p a c i t y a n dd e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fu p l i f tp i l et h r o u g hf u l l s c a l et e s to ft e n s i o np i l ew i t h u n i f o r mc r o s ss e c t i o na n da n t i u p l i f tp i l ew i t he n l a r g e db o t t o ma sw e l la ss o m e c o m p a r a t i v ea n a l y s i s k e yw o r d s ：u p l i f tp i l e ，b e a r i n gc a p a c i t y , d e f o r m a t i o n ，f u l l - s c a l et e s t ，c o m p a r a t i v e a n a l y s i s l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：7 为，内每， 撕符3 月j f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：1 内匆 加稗；月7 了日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着城市建设的大规模发展，对土地的需求量不断增加与现有可用于建设用 地相对短缺的矛盾日益突出，这对合理开发利用土地、提高土地的利用率提出了 更高的要求。地下空间的利用因此成为新的发展方向，也越来越多地受到人们的 重视。但在我国沿海地区，地下水位普遍较高，在高水位土层中的地下建筑物、 构筑物往往会承受较大的水浮力，这就给地下建筑物、构筑物的施工带来一定的 难度。为减小水浮力对地下建筑的影响，通常需采取一定的措施。地下工程的抗 拔措施一般有锚板基础法、增加自重法和设置抗拔桩基础等3 种方法【l 】。增加自 重法是先开挖基坑，等地下结构施工完毕后再回填，通过增加填土和混凝土来平 衡所受的水浮力；锚板基础法也是先挖基坑再回填：抗拔桩基础是在基础底下设 置桩基来抵抗水浮力。抗拔桩基础的成桩形式通常为灌注桩或打入桩。采用抗拔 桩基础已成为地下建筑物、构筑物抵抗地下水浮力的最主要措施之一。目前，抗 拔桩基础在沿海软土地区的应用非常广泛，其设计计算理论也成为目前工程界十 分关注的问题。 目前，抗拔桩基础已经广泛地应用于工程实践中。地下广场、地下变电站、 地下商场以及地铁等地下工程中很多都采用抗拔桩基础；高耸的塔式建筑物，如 高压输电塔、电视塔以及通讯塔等一般都设置抗拔桩基础【2 】；承受水平荷载的建 筑物、构筑物，如高桩码头因船舶停靠和系泊也需设置抗拔桩来承受水平力。抗 拔桩按其形状来分一般可以分为等截面抗拔桩和扩底抗拔桩；按其长短来分一般 可分为抗拔长桩和抗拔短桩( 两者的工作机理也不一样) 。抗拔桩的类型不一样， 抗拔机理和计算方法也不一样。 虽然抗拔桩在目前实际工程中应用广泛，但是到目前为止，对抗拔桩的工作 机理研究却相对较少，更没有形成完善的、成熟的计算理论体系。在实际工程设 计时，抗拔桩基的设计计算大多依靠规范给出的公式或根据以往的经验。规范给 出的计算方法是依据抗压桩的设计方法，利用抗压侧摩阻力乘以折减系数作为抗 拔桩的抗拔承载力。实际上，影响抗拔桩抗拔承载力的因数有很多，例如土质、 桩型、桩的施工方法、荷载特性、土中应力历史及桩土界面的几何与材料物理特 性等【l 】。其中桩型对抗拔桩承载力的影响相比其他因素显得更为明显。例如，对 于同样土层条件，扩底抗拔桩的承载力可以提高5 0 ，而混凝土用量可能仅增 加5 左右【i 】；对于不同的土质条件抗拔桩的承载能力也有很大的差别，无论是 第一章绪论 等截面抗拔桩还是扩底抗拔桩，砂土中的承载力要大于粘土中的承载力。由于较 难将抗拔桩加载到破坏，所以目前对抗拔桩的研究大多是来自模型试验，较少有 足尺试验。但模型试验得出的结论由于试验方法、试验条件以及尺寸效应等原因 与实际工程的结果会有较大的出入。因此，有必要多利用足尺试验对抗拔桩的抗 拔机理及承载力和变形等特性进行研究，以期能更加完善现有的抗拔桩计算理 论。 至今，对抗拔桩，包括等截面抗拔桩和扩底抗拔桩的的研究大多是通过室内 模型试验，因此，得出的结论往往与实际工程监测得到的结果出入较大。另外， 不同的计算方法得到的计算结果也相差较大，有些计算理论适用于短桩，而有些 适用于长桩。本文将对抗拔桩的承载力和变形进行研究，包括等截面抗拔桩的承 载力和变形计算方法、扩底抗拔桩的承载力和变形计算方法以及通过试验分析等 截面抗拔桩和扩底抗拔桩的承载特性，并将抗压桩与抗拔桩以及等截面抗拔桩和 扩底抗拔桩的承载特性进行对比分析。 1 2 课题的研究意义 随着城市建设的高速发展，地下建筑越来越深，地上建筑越来越高。地下建 筑物如地下室等会受到地下水浮力的作用，随着深度的加大，受到的水浮力也加 大，如果不采用有效措施来解决抗浮问题，地下建筑物将因过大的水浮力发生破 坏或影响使用。抗拔桩基础在这样的背景下被广泛采用。一直以来工程界都是对 抗压桩的研究较多，已有的计算理论也相对比较成熟。而抗拔桩因随着近年来地 下建筑的发展才被广泛使用，以往关于抗拔桩的研究相对较少，计算理论也很不 完善，很多都是停留在经验的基础上，没有形成成熟的设计计算理论。桩基础的 承载特性受地区土层条件的影响也很大，因此有必要对抗拔桩这种新型的基础形 式进行研究，使其能在实际应用中更加合理。 抗拔桩的抗拔承载力和变形特性研究是相对较新的课题，以往对抗拔桩的研 究基本都停留在试验的基础上，而且基本都是模型试验。目前实际工程中计算抗 拔桩的方法大多仍然是采用规范推荐的方法，即采用抗压桩的承载力乘以一个折 减系数得到抗拔桩的抗拔承载力。这种方法存在很大的不确定性，抗拔桩的计算 需要考虑很多因素，而规范所给的公式太过笼统。目前，抗拔桩，特别是扩底抗 拔桩正在被越来越广泛地使用，而理论已经远跟不上实践的需要，因此迫切需要 抗拔桩方面的理论对实践进行支持。如何确定一个统一的、能跟真实结果较接近 的计算方法成为工程界首要关注的问题之一。 现有规范计算抗拔桩承载力方法以及国内外学者提出的许多计算方法基本 第一章绪论 都是针对某一特定地区或某一计算条件，不能适用于各种场合的计算。特别是我 国东部沿海地区，地下水位很高，在诸如地下车库、地下商业街、地下广场、地 下道路交通等地下工程建设中，由于结构自重较轻，抗浮问题显得愈加突出。地 下工程的抗浮措施一般有释放水浮力、增加自重和设置抗拔桩等三种方法。采用 等截面钻孔灌注桩作为抗拔桩是最普遍适用而又可靠的方法，但是目前等截面抗 拔桩基的设计计算理论相对较为单一，且没能反应地区特点。在超大、超深型地 下结构中，地下室底板往往承受非常巨大的水浮力，如采用等截面抗拔桩，往往 数量非常巨大，而扩底抗拔桩通过改变桩身截面，以较小的材料增加获得显著的 承载力提高，成为抗拔桩基础发展的有效途径之一【2 】。影响扩底抗拔桩承载力的 因素很多，如土层条件、桩土界面材料物理力学特性、扩底工艺、桩的长度、扩 底形状等。目前，国内外对于扩底抗拔桩的计算理论和方法非常少，大多是基于 以往的经验。如何合理计算抗拔桩基承载力和变形也是目前工程界普遍关心的问 题。 由上述可见，虽然抗拔桩被广泛采用，但无论是等截面抗拔桩还是扩底抗拔 桩，目前的计算理论还很不完善，计算方法较单一，且有很大的局限性。如何在 以往计算理论基础上，寻找一种能够反应地区特点且能方便实际工程应用的计算 方法，成为首要关注的问题。奉课题在回顾以往抗拔桩理论的基础上，刘抗拔桩 的计算理论和方法进行研究，并通过现场足尺试验，对抗拔桩的承载和变形特性 进行分析，以期对工程设计计算及以后的相关研究提供一定的参考。 1 3 等截面抗拔桩的研究现状 抗拔桩在近年来广泛应用于工程实践中，但对抗拔桩的研究却相对较少，已 有的对于抗拔桩的研究大多基于试验或工程经验。虽然抗拔桩的研究进展较慢， 但已有的相关理论对抗拔桩的研究具有很大的参考价值。 1 3 1 等截面抗拔桩抗拔机理分析 目前，对等截面抗拔桩的研究大多都是基于抗压桩，抗压桩的承载力主要由 桩身侧摩阻力和桩底端阻力组成。和抗压桩相比，等截面抗拔桩抗拔承载力主要 为桩身的侧摩阻力和桩底因向上的位移引起的吸力，但桩底吸力和侧摩阻力相 比，一般可以忽略不计，而作为安全系数储掣4 。等截面抗拔桩在上拔时，由侧 摩阻力承担的抗拔力通过桩身逐渐将荷载向下传递到桩身下部的深部土体。对桩 顶施加上拔力后，桩顶发生向上的位移。随着桩顶位移的增加，桩身所受的拉力 不断加大，并向桩端下部逐步发展，直到桩尖。当桩尖处桩土相对位移达到临界 第一章绪论 值时，桩尖处的侧摩阻力达到极限。此时，整个桩身的侧摩阻力发挥到极限，桩 抗拔所受的拉力可以看作桩的极限抗拔承载力。此后，桩的抗拔承载力开始逐渐 下降，桩顶位移急剧增加并开始失去承载能力。目前，对抗拔桩进行设计计算时， 规范规定是采用抗压桩的侧摩阻力乘以一个折减系数，对具体的原理并没有明确 的说明。因此，实际工程中，规范公式计算出来的结果往往与实测结果相差很大。 对于抗拔桩的承载能力，许多学者曾通过试验给出经验算法。不过这些算法 因试验条件以及假设的边界条件等不同，所得到的算法会存在很大差异【5 j 。有些 学者认为在桩身尺寸、土层条件等相同的条件下，抗拔桩的侧摩阻力与抗压桩的 侧摩阻力相等；也有一些学者认为同等条件下，抗压桩的侧摩阻力比抗拔桩的侧 摩阻力要大很多。目前来看，认为抗拔桩的抗拔侧阻力小于抗压桩抗压侧阻力的 观点居多【3 】o 1 3 2 等截面抗拔桩承载力和变形研究 目前，对于抗拔桩的承载力和变形研究所得结果对于抗拔短桩较为适用，而 对于抗拔中长桩，使用不同的计算方法所得结果差异很大。工程实践对桩基的允 许变形要求较高，在桩基设计时，不是单纯地以承载力作为设计标准，还要考虑 最大允许变形。单纯以承载力作为设计标准是不全面的。到目前为止，学术界对 于抗拔桩承载力和变形研究基本都是建立在试验和经验的基础上，没有能够形成 成熟的、系统的理论。而在工程实际中是否能够较为准确地判断出抗拔桩的承载 力和预测出桩顶位移对工程的安全性和经济性有着非常大的影响。所以，对抗拔 桩的承载力和变形机理研究有非常重要的意义。国内外学者曾做过许多基础性研 究，对现今的抗拔桩设计和理论研究具有很大的参考意义。 p a r r y ( 1 9 7 7 ) 曾做过一组抗拔桩的模型实验【6 l 。p a r r y 在模型实验中发现， 当桩身受到荷载时，桩一土界面首先产生倾斜位移，随着荷载增加到相当大时， 在接近平行于位移的方向上产生了破裂面，在荷载进一步加大到极限荷载时，各 破裂面相互连接形成连续的破裂面，桩侧土体位移很大。 r a o ( 1 9 8 5 ) 在砂土中做过抗拔桩的模型试验f 7 j 。试验表明，抗拔桩承载力 随着桩的长径比、桩表面粗糙度、土体的密实度和颗粒大小的变化而变化。松砂 中达到极限承载力时，抗拔桩的位移约为桩径的1 2 0 ；在密砂中，抗拔桩达到极 限承载力时发生的位移约为桩径的1 1 0 左右。 t u m e r ( 1 9 9 0 ) 研究了循环荷载对抗拔桩承载力的影响，并认为在循环荷载 作用下，抗拔桩的极限承载力将下降【8 j 。极限承载力下降的原因主要为桩侧摩阻 力和桩侧土的水平侧压力系数在循环荷载作用下逐渐下降。同时，桩底在上拔力 作用下发生了向上的位移，砂粒从桩侧流向桩底，随着荷载的循环，流向桩底的 4 第一章绪论 砂粒越来越多，阻止了桩底复位，从而变形增大并且承载力下降。 黄锋( 1 9 9 9 ) 对砂土中的抗拔桩的荷载一变形关系进行了分析，利用桩周土 体的变形模式来反应抗拔桩基的荷载传递规律，并推导出抗拔桩荷载一位移关系 理论解1 9 j 。 a l a w n e h ( 1 9 9 9 ) 在砂土中做了大量的抗拔桩试验，并对试验结果进行了统 计、分析【1 0 1 。分析结果表明，影响抗拔桩的极限承载力因素有很多，如土的密度、 桩身材料、桩的类型、施工工艺等。桩端封闭的抗拔桩承载力比桩端开口的抗拔 桩承载力要高1 4 左右。另外，土的密度和桩身材料对抗拔桩的极限承载力也有 很大的影响。 许宏发( 2 0 0 0 ) 利用有限元法对等截面抗拔桩问题进行了详细的分析，指出 抗拔桩的侧压力是一个动态变化的过程，上拔位移越大，受到的侧压力越小，到 极限状态时侧压力大约减小了1 0 左右；而抗压桩侧相反，随着沉降量的增大， 侧压力越来越大【3 j 。 杜广印等( 2 0 0 0 ) 对抗压桩和抗拔桩的桩侧阻力进行了理论探讨，并考虑了 桩周土的剪胀性和主应力方向旋转对侧阻力的影响，推导出影响系数和给出了预 测桩侧摩阻力的公式【1 1 】。 1 4 扩底抗拔桩的研究现状 扩底抗拔桩相对于等截面抗拔桩在经济性上有着很明显的优势。扩底的主要 目的是使抗拔桩不仅能发挥桩土间的侧摩阻力，而且能充分发挥扩底部分的端阻 力。试验表明，扩底抗拔桩的承载力较等截面抗拔桩的承载力增加很多，甚至提 高1 0 0 以上【1 2 1 。已有的研究和工程实践表明，在相同的抗浮要求下，扩底抗拔 桩的造价大约为等截面抗拔桩的1 2 , - - , 1 3 1 2 】。因此，扩底抗拔桩无论是在技术上 还是在经济性上都具有很大的优越性。 1 4 1扩底抗拔桩抗拔机理分析 扩底抗拔桩的抗拔承载力主要由扩大头上部土体破坏面与土层界面间的摩 阻力、破坏面以内土体和桩身的自重、扩大头阻力以及桩底以下土体对桩端的吸 附力。在扩底抗拔桩桩顶施加荷载的最初，扩底桩桩周侧摩阻力首先开始发挥作 用，此时，桩顶上拔量主要由桩身的弹性变形引起，桩端的扩大头阻力基本不发 挥；随着桩顶位移量的增大，桩身侧摩阻力随之增大并先达到极限；此后，继续 在桩顶施加竖直向上的荷载，桩周侧摩阻力几乎不再增加，而桩端扩大头上移挤 压土体，土体对扩大头的反作用力也随着上拔位移的增加而增加，端阻力开始发 第一章绪论 挥并逐渐增加，桩顶荷载的增量几乎完全由桩端扩大头的端阻力承担，桩顶的上 拔量的增量几乎全部为扩大头向上挤压土体而产生的位移；当桩端扩大头的端阻 力达到极限时，整根扩底桩将达到承载极限；继续加载，扩底桩的承载力将不再 增加，直到上拔位移量相当大时，才可能因土体整体破裂而失去稳定【1 3 】 【1 5 】。 抗拔短桩和抗拔长桩在破坏形式上有较大差异。对于扩底抗拔短桩，土体的 破坏面会一直延伸至地面；而对于扩底抗拔中长桩，土体的破坏面不会延伸到地 面，而只是到桩身某一深度处。目前，规范所给的抗拔桩极限承载力标准值计算 公式是按照摩擦圆柱体进行计算，即假设扩底抗拔桩在达到破坏时，破坏面是一 圆柱面。用这种方法计算抗拔桩的极限承载力太过粗略，不能反应不同桩长对抗 拔桩承载力的影响，计算得到的结果往往与实测得到的结果有较大的出入。 对于扩底抗拔短桩，认为当桩达到抗拔极限状态时，桩侧土体呈喇叭状整体 破坏，破坏面的下部和桩端扩大头相切并逐步向上发展。土体的极限抗拔力等于 破坏土体侧面抗剪强度在竖直方向的投影之和加上桩和破坏面范围内土体的自 重。这种方法计算抗拔短桩的承载力，所得结果主要受所假设的破坏面的形状影 响，对应不同的破坏面，得到的抗拔承载力的大小也有一定的差别。 对于扩底抗拔长桩，国内外与其相关的研究很少。目前对于扩底抗拔桩抗拔 机理尚没有较为清楚的认识，已有的一些研究也足仅限于试验研究。由于扩底抗 拔长桩用实验手段加载到破坏较为困难，所以关于这方面的实验到目前为止相对 较少。对于扩底桩整体抗拔特性、扩大头的工作特性、扩大头端阻力和侧摩阻力 比例关系以及扩底桩的扩大头周围土体的破坏性状等认识都比较模糊。 1 4 2 扩底抗拔桩承载力和变形研究 相比等截面抗拔桩，扩底抗拔桩在近几年才得到较为广泛的应用，所用的计 算理论也都是建立在等截面抗拔桩和以往的经验基础上。以往的扩底抗拔桩的研 究与应用大多是以砂土和软岩为背景。 d i c k i n ( 1 9 9 0 ) 采用离心机试验对砂土中的扩底抗拔桩进行了研究。研究的 内容主要涉及到砂土的密度对抗拔桩性能的影响以及等截面直径和扩大头直径 的比率、扩大头角度对扩底抗拔桩承载力的影响。试验结果表明，在密实砂土中 的扩底抗拔桩的抗拔承载力可以用锚板承载力公式进行计算，而密实度较小砂土 中的扩底抗拔桩则不能用锚板承载力公式计算。同时，还得出了扩底抗拔桩抗拔 承载力和破坏时的位移与扩大头角度和抗拔桩直径比率成反比例关系【l 6 1 。 n a g g e r ( 2 0 0 0 ) 通过模型试验分析了椎形桩的抗拔性能。得到的试验结果表 明锥形桩的承载能力随着桩周围压的增加而增加，当围压很高时锥形桩的抗拔承 载力与等截面桩的抗拔承载力很接近【l7 1 。 6 第一章绪论 i l a m p a r u t h i ( 2 0 0 1 ) 通过砂土模型试验研究了土工织物加固扩大头周围土体 对扩底抗拔桩承载能力的影响，其扩大头呈圆椎台形，采用的扩大头扩展角度为 6 5 u 。通过试验得出了预测扩底抗拔桩极限承载力的经验公式，并建立了扩底抗 拔桩上拔荷载和位移之间的非线性关系【l 引。 张尚根( 2 0 0 3 ) 采用桩的剪切位移荷载传递法和弹性力学理论，导出扩底抗 拔桩的荷载与位移的理论解，并对理论解与模型桩试验结果进行了比较，所得计 算结果与实测结果基本一致，该方法为扩底抗拔桩的设计提供了理论依据【l 3 1 。 刘文白等( 2 0 0 4 ) 对干旱地区黄土中扩底抗拔桩进行了抗拔试验，研究了扩 底抗拔桩在上拔荷载作用下桩的位移、极限抗拔承载力以及桩的破坏机理等，并 提出了抗拔桩的承载力计算公式【l9 1 。 张洁( 2 0 0 5 ) 采用荷载传递法，建立了扩底抗拔桩的分析模型。抗拔桩工作 阶段采用线性荷载传递函数，在线弹性荷载传递函数的情况下推导了扩底抗拔桩 的荷载位移解析计算式，并在分析抗拔桩刚度与桩长关系基础上提出了扩底抗拔 桩的临界桩长计算方法【l2 1 。 孙晓立( 2 0 0 6 ) 根据弹性力学原理推导了扩底抗拔桩桩端土体反力和位移关 系式。同时根据荷载传递理论，提出了一个计算扩底抗拔桩位移的十分有效的迭 代算法。该方法可以较合理地预测扩底抗拔桩的桩顶位移。 王卫东等( 2 0 0 6 ) 结合工程实践，提出了适合软土地区使用的桩长较长、扩 大头角度较小抗拔桩的承载力计算的3 种方法：圆柱面剪切法、扩大系数法和旁 压法。并介绍了该类型抗拔桩在实际工程中的应用【l 】。 1 5 抗拔桩计算理论研究 目前，对于桩基承载性状进行研究分析的方法有试验研究和理论分析两大 类。试验研究方法主要是现场测试及室内模型试验。理论分析方法是利用一些比 较成熟的专业理论，通过数值计算方法等来揭示研究对象的变化规律性。对于抗 拔桩还没有专门的计算理论，一般是引用抗压桩的计算理论，目前比较成熟的计 算理论主要有荷载传递法、弹性理论法、剪切位移传递法以及有限单元法等。 荷载传递法由s e e d 和r e e s e 首先提出【2 2 1 。荷载传递法假设桩土接触界面都 以弹簧相联系，其中桩侧和桩端与土体都以非线性弹簧相联系。因此，由非线性 弹簧的应力一应变关系就可以得到桩土之间的荷载传递关系。桩侧非线性弹簧表 示了桩侧阻力和剪切位移的关系，桩端非线性弹簧表示了桩端抗力和桩端位移的 关系。荷载传递法的关键是求解基本微分方程，在确定了桩土传递函数之后，就 可以得到位移分布函数、轴力分布函数、剪力分布函数。目前已有的函数模型有： 第一章绪论 抛物线模型、指数曲线模型、双曲线模型、几种曲线综合模型、位移单线性模型、 位移和深度乘积的双线性模型以及线弹性全塑性模型等。荷载传递法包括解析法 和位移协调法。解析法只在传递函数比较简单的情况下才能得到轴力分布函数和 位移分布函数的解析表达式。影响荷载传递函数的因素很多，如土层性质、桩的 性质、桩土界面条件、施工工艺等。因此，利用荷载传递函数来解析得到轴力、 位移分布函数较为困难。 弹性理论分析法首先由d a p p o l o n i a r o m u a l i d i ( 19 6 3 ) 提出后【2 3 】，许多 学者都对其做了改进。弹性理论分析方法把地基看作为均匀、连续、各向同性的 线弹性半空间体，假定桩的位移与临近的土体位移保持一致，不发生相对位移。 该方法公式推导是基于半空间体内集中荷载作用下的m i n d l i n 位移和应力解。该 方法对于桩的侧摩阻力分布有几种不同的假定，以作用于桩中心线上的集中力代 替摩阻力、各单元桩段中点处圆截面上的均布荷载代替桩段摩阻力以及以作用在 各单元桩段圆周面上的均布荷载代替桩段摩阻力。弹性理论解一般适用于土体性 质较好且桩所受荷载较小的情况，而对于土质较差，桩所受荷载很大时，弹性理 论解一般不再适用。该方法给出了弹性状态下的桩土荷载传递规律，但在工程实 际应用中适用场合较少。 剪切位移传递法足由c o o k e ( 1 9 7 3 ) 首先提出f 2 4 l 。剪切位移法的基本概念是： 对于桩身部分，桩所受到的荷载作用使得桩身周围的土体发生剪切变形，同时， 产生的剪应力通过桩周围土体再向四周扩散，再根据边界相容条件，解出桩的轴 力和位移等。一般对于中长桩较为适用，对于短桩往往有较大的误差。此后，曾 有学者对此方法作出改进和修正，但是，该方法在目前的实际工程中的应用仍然 很少，需要进一步的完善。 随着计算机技术的发展，数值分析方法逐渐成为继理论分析、室内模型试验 和现场测试之外的第三种有效的分析手段。数值分析的类型较多，一般有有限差 分法、有限单元法和边界单元法等。其中有限元法在实际应用中最为广泛。有限 元方法将连续体转化为有限个单元的集合体，再确定单元的位移模式，根据单元 的应力应变关系建立单元的刚度矩阵，通过对单元刚度矩阵的集成，建立整体刚 度矩阵，再通过边界条件求解出问题的近似解答。有限元法是目前实际工程中使 用较多且较为成熟的数值分析方法，可以综合考虑土的非线性、层状体系及桩土 间的非线性之间的相互影响。 1 6 本文研究的主要内容 本文的主要研究内容为抗拔桩的承载力及变形特性。本文在以往已有理论的 第一章绪论 基础上，通过足尺试验来分析抗拔桩( 包括等截面抗拔桩和扩底抗拔桩) 的承载力 和变形特性，并对抗拔桩和抗压桩的承载特性作比较。本文研究内容包含以下几 个方面： ( 1 ) 抗拔桩的研究现状 本文第一章提出了本课题的研究意义和内容，并对抗拔桩的研究现状( 包括 等截面抗拔桩和扩底抗拔桩) 进行了总结。 ( 2 ) 等截面抗拔桩的承载力和变形特性 第二章在总结以往计算理论的基础上，对等截面抗拔桩的承载力特性进行研 究，并与抗压桩的承载特性进行比较；对等截面抗拔桩的变形特性进行研究，并 与抗压桩的变形特性进行比较；对等截面抗拔桩的承载力计算方法进行总结，并 找出其与抗压桩在计算方法上的差别；对等截面抗拔桩的变形计算理论和方法进 行总结，并找出其区别于抗压桩变形计算的地方。 ( 3 ) 扩底抗拔桩的承载力和变形特性 现阶段对于抗拔桩的研究大多都是针对等截面抗拔桩，对于扩底抗拔桩的研 究相对较少，已有的计算理论和方法也都是引申于等截面抗拔桩。本文第三章在 已有计算理论的基础上，对扩底抗拔桩承载力和变形计算理论和方法进行研究。 ( 4 ) 抗拔桩试验分析 目前，关于抗拔桩的计算理论基本都是基于等截面抗压桩的计算理论。在实 际设计计算中主要利用已有的计算理论，再结合现场试验来确定扩底抗拔桩的设 计参数。本文第四章通现场足尺试验对等截面抗拔桩和扩底抗拔桩的承载机理和 特性进行分析，并找出影响扩底抗拔桩承载力和变形的一些因素。 ( 5 ) 结论与展望 对本文所做的工作做出总结，分析其中的不足，并探讨下一步工作的方向。 1 7 本章小结 本章提出了本文的研究课题，并探讨了研究本课题的意义：对目前国内外关 于此课题的研究现状和计算理论及计算方法进行了回顾。 9 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 2 1 概述 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 目前，对于抗拔桩的承载力和变形研究相对较少，且大多是关于抗拔短桩， 而对于抗拔中长桩，使用不同的计算方法所得结果差异很大。工程实践对桩基的 允许变形要求较高，在桩基设计时，不是单纯地以承载力作为设计标准，还要考 虑最大允许变形。传统的单纯以承载力作为设计标准是不全面的。到目前为止， 学术界对于抗拔桩承载力和变形研究基本都是建立在试验和经验的基础上，没有 能够形成成熟的、系统的理论。而在工程实际中是否能够较为准确地判断出抗拔 桩的承载力和预测出桩顶位移对工程的安全性和经济性有着非常大的影响。所 以，对抗拔桩的承载力和变形机理进行研究有非常重要的意义。国内外学者曾做 过许多基础性研究，对现今的抗拔桩设计和理论研究具有很大的参考意义。 确定单桩极限承载力的方法主要有理论分析、静载荷试验、经验公式等。目 前为止，静载荷试验被认为是确定单桩极限承载力的最有效、最可靠的方法。但 是对于中长桩，由于极限承载力很大，且加载试验受到设备、时间以及其他试验 条件的影响，试验时很难将荷载加载到极限荷载。桩的极限承载力受到土层条件、 桩的施工工艺以及桩的形状等因素影响。因此，利用经验公式带有很大的偶然性， 没有普遍适用性，理论分析在目前采用的较多。 抗拔桩在实际工程设计计算时，不仅要考虑桩的极限承载力，还必须考虑桩 的变形。很多情况下，在桩还没有达到极限承载力时，就因桩顶发生过大的位移 而不能继续使用。因此，在设计抗拔桩时必须综合考虑极限承载力和变形。目前 关于抗拔桩的变形研究主要集中在弹性变形分析。 本章将重点研究等截面抗拔桩的极限承载力和变形计算方法，并与抗压桩的 计算方法进行比较，进一步弄清抗拔桩的抗拔机理。 2 2 等截面抗拔桩承载力分析 目前，关于等截面抗拔桩的计算方法主要为理论分析结合静载试验和经验公 式。要准确、合理预测等截面抗拔桩的承载力需要综合几方面的因素。对于抗拔 桩的理论分析主要为静力学分析。一般情况下，等截面抗拔桩的破坏模式有如图 2 1 所示的三种。 l o 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 荔 厶 破坏面 荔 岩土破坏面 缓 么； l 图2 1 等截面抗拔桩的破坏面示意图 坏面 第一种为与桩长等高的倒圆锥台形破坏面；第二种为沿桩土界面发生的圆柱 形破坏面；第三种为复合破坏面。实际工程中，也有可能发生整根桩被拉断的情 况，不过很少见。第一种破坏面一般出现在置于软岩中的粗短灌注桩和扩底抗拔 桩发生的破坏；第二种破坏较常见，大部分破坏面都呈圆柱形破坏面；第三种破 坏面一般出现在硬粘土中的钻孔灌注桩中，且桩表面凹凸不平，桩土粘结较好。 2 2 1倒圆锥台形剪切破坏时抗拔承载力分析 倒圆锥台形剪切破坏假定抗拔桩的破坏形式是沿着桩一土界面上发生的破 坏呈倒圆锥台形。一般出现在砂土或软岩中。b a l l a ( 1 9 6 1 ) g m e y e r h o f a b a m s ( 1 9 6 8 ) 曾指出在极限荷载作用下抗拔桩破裂面在桩端处与与桩周表面相 切，而在地表面破裂面与地表水平面成4 5 。一痧2 度角【2 5 】。基于这两点假设，可 以构造出抗拔桩的破裂面方程。 图2 2 倒圆锥台形破坏计算简图 抗拔桩的破裂面方程如下： dz z = 一+ 2 t a n ( 4 5 一矿2 ) ( 2 1 ) 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 抗拔桩的极限承载力由沿着破坏面上土的极限抗力和破坏面内桩和土的重 量组成。 利用静力平衡来分析，假定单元滑动面上的法向应力欲，切向阻力r ， 滑动面长度为a l ，由摩尔库仑准则得到丁= a r t a n ，则由静力平衡可以得 到以下表达式： a r = a q e o s 0 + k a q s i n 0 ( 2 2 ) a q = 抓三一z 一z 2 ) 越 ( 2 3 ) 将侧压力系数k = 1 一s i n e 代入到( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得到 a r = 八三一z a z 2 ) c o s 0 + ( 1 - s i n ) s i n 0 a z s i n 0 ( 2 4 ) r = 妖三一z a z 2 ) c 。s 口+ ( 1 一s i n 妒) s i n p 垒差三茅 ( 2 5 ) 根据单元体静力平衡关系可得： ( 尸+ a p ) 一尸+ g 万x 2 一( g + z x q ) z ( j + 缸) 2 一a w 一2 万( 工+ - - 等- ) a t s i n p = o ( 2 6 ) 将式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) 并对其取极限得： 差= 矽比e ( ，一扣t 州c o t 懈s i n 叭a n ( 2 7 ) 积分可得到桩的抗拔承载力为： = r 勿= 刃r 等( 1 一三) ( c o t 口+ k s i n p ) t a n 妒 d z ( 2 8 ) 将式( 2 1 ) 和0 = t a n ( 4 5 一妒2 ) 代入到式( 2 8 ) 得： 只= 7 7 膨 ( 2 9 ) 其中7 7 是一只与土的内摩擦角及桩身长度有关的常数，其值为 刀= 【3 t a n ( 4 5 一妒2 ) + 三】 c o t ( 4 5 一妒2 ) t a n 妒+ s i n 墅箜一壁! 兰! ! 塑重! ! 二! ! 璺壁1 6 t a n ( 4 5 一妒2 ) 2 2 2圆柱形剪切破坏时抗拔承载力分析 圆柱形剪切破坏假定抗拔桩的破坏形式是沿着桩土界面上发生的剪切破 坏呈圆柱形。圆柱形破坏如图2 3 所示。 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 面 豳 丑 图2 3 圆柱形剪切破坏计算简图 等截面抗拔桩抗拔承载力计算公式可以表示如下： ， p u = g + 7 r d i 。( z ) 出 ( 2 1 0 ) 式中：g 为抗拔桩的有效重量；d 为桩的直径；，为桩的长度；k 。( z ) 为深 度z 处桩侧最大摩阻力。 由上式可知，只要确定了桩侧最大摩阻力r m 。( z ) ，就可以预测出桩的最大极 限承载力。确定桩侧晟大摩阻力的方法主要有总应力法和有效应力法【2 6 】【2 7 1 。总 应力法一般只适用于粘性土，而有效应力法适用于粘性土也适用于砂土。 总应力法的计算公式如下： 。= o c c 。 ( 2 1 1 ) 其中，e 为土的不排水抗剪强度，口为考虑桩基施工以及土体扰动等因素 影响的折减系数。可根据以下经验公式来取： 对于钻孔灌注桩： 口= 1 0 0 0 0 7 5 6 ( e 8 0 k n m 2 ) ( 2 1 2 ) 口= 0 4 ( g 8 0 k n m 2 ) ( 2 1 3 ) 对于打入钢桩： 口= 1 2 - 0 0 0 9 7 6 c ( 巴 8 0 k n m 2 ) 对于打入混凝土预制方桩： 口= 1 0 - 0 0 0 5 5 q( q 8 0 k n m 2 ) 口= 0 4 5 ( e 8 0 k n m 2 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 有效应力法计算公式如下： 。= k e y v t a n ( 5 ) + c ( 2 1 8 ) g ，= y z ( 2 1 9 ) 其中，瓯为原位垂直有效应力；y 为桩侧土的有效重度；z 为计算点离地表 的距离；万为桩土界面处的内摩擦角，可近似取土的内摩擦角；k 为桩周土的侧 压力系数；c 为土的粘聚力。 利用有效应力法，需要准确定出k 值和万值。k 的取值对有效应力法计算极 限承载力的影响很大。一般常使用甄= l s i n e 作为k 的取值，在正常固结土中 较为适用；有的采用朗肯主动土压力系数砭，但此值被认为太低，过于保守； 也有的采用朗肯被动土压力系数k 。，但此值在实际抗拔桩基设计中很少被采用。 也有试验研究认为k 值采用k p 比较合适。实际上k 值还受到土的应力历史的 影响。 总应力法和有效应力法的特点： ( 1 ) 总应力法公式中c 。为土的不排水抗剪强度，工程设计时，勘察报告中 一般会提供该值。因此，使用该公式计算抗拔桩的承载力比较方便，在工程设计 计算时被广泛采用。 ( 2 ) 有效应力法计算公式中旺，为原位垂直有效应力。相比总应力法，有效 应力法计算得到的结果更准确、更客观。因此，有效应力法适用的范围比总应力 法更广泛。 ( 3 ) 有效应力法中的参数的取值相对总应力法来说较为复杂，桩一土界面 内摩擦角可以近似取土体的内摩擦角。 2 2 3复合剪切破坏时抗拔承载力分析 已有的试验研究表明等截面抗拔桩破坏时的破坏面有时呈一复合剪切破坏 面。破坏面的形状跟桩周土体的性质和桩本身的性质有关。b a l l a ( 1 9 6 1 ) 、m e y e r h o f & a b a m s ( 1 9 6 8 ) 、c h a t t o p a d h y a y ( 1 9 8 5 ) 等给出了砂土中抗拔桩抗拔极限承载力 理论分析方法。并指出在极限荷载作用下抗拔桩破裂面在桩端处与与桩周表面相 切，而在地表面破裂面与地表水平面成4 5 。一2 度角。基于这两点假设，可以 构造出抗拔桩的破裂面方程。孙晓立( 2 0 0 6 ) 对c h a t t o p a d h y a y 推导公式进行了 修正，如图2 4 所示： 1 4 第二章等截面抗拔桩承载力和变形分析 面 豳 丑 图2 3 圆柱形剪切破坏计算简图 等截面抗拔桩抗拔承载力计算公式可以表示如下： ， p u = g + 7 r d i 。( z ) 出 ( 2 1 0 ) 式中：g 为抗拔桩的有效重量；d 为桩的直径；，为桩的长度；k 。( z ) 为深 度z 处桩侧最大摩阻力。 由上式可知，只要确定了桩侧最大摩阻力r m 。( z ) ，就可以预测出桩的最大极 限承载力。确定桩侧晟大摩阻力的方法主要有总应力法和有效应力法【2 6 】【2 7 1 。总 应力法一般只适用于粘性土，而有效应力法适用于粘性土也适用于砂土。 总应力