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预应力管桩承载力三维数值分析 摘要 预应力管桩具有承载力高、质量稳定、施工速度快、经济等优点，其正被建设工 程广泛地应用，但预应力管桩的承载力取值与桩土相互作用机制问题至今尚未弄清， 已成为工程界亟待解决的难题。 论文结合实际的预应力管桩工程实例，应用三维数值分析方法来探讨预应力管桩 的承载机制和桩土相互作用机理，以便为预应力管桩工程设计提供依据和参考。论文 构建了基于预应力管桩现场试验条件构建基于接触面和结构单元的两种数值分析模 型，进而数值分析了预应力管桩的变形、弯矩和桩土相互作用规律，研究得出： 1 ) 对桩土体系分级施加竖向荷载进行模拟得出，在弹性阶段内模拟曲线与实测曲 线基本吻合，但超过弹性变形阶段，计算值逐渐与实测值不太吻合。 2 ) 两种模拟模型结果对比表明，基于桩身周围接触面的数值模型可以模拟桩土相 互作用的关系，而基于桩结构单元模拟，则具有过程简洁，但参数设置较复杂，两种 模型结果基本与现场实测数据吻合。 关键词：预应力管桩f l a c 3 d 承载力桩土体系数值模拟 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb e a r i n g c a p a c i t yo fp h c - p i l e a b s t r a c t p h c - p i l ew i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nf i e l d ，h a sl o t so fa d v a n t a g e s s u c ha sh i 曲b e a t i n gc a p a c i t y ，s t a b l eq u a l i t y ，f a s tc o n s t r u c t i o ns p e e d ，l o w e rp r i c e ，c t c h o w e v e r ，t h ep r o b l e mo fi n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t yv a l u eo f p r e s t r e s s e dp i l e sa n dp i l e - s o i ls y s t e mh a sn o ty e tb e e nc l e a r l ye x p l a i n e d ，s oi t b e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mi ne n g i n e e r i n gf i e l d b a s e do n3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dc o m b i n e d 、析t l la c t u a lp r a c t i c a l e x a m p l e so fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep r o j e c tt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e n p r e s t r e s s e dp i l e sb e a r i n gs y s t e ma n dp i l e - s o i lw a si n v e s t i g a t e di n t ot h eb a s i sa n d r e f e r e n c ef o rp r e s t r e s s e dp i l e se n g i n e e r i n gd e s i g n t h et w on u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l s w h i c ha r eb a s e do np r e s t r e s s e dp i l e so n - s i t ee x p e r i m e n t sw e r ec o n s t r u c t e d o n em o d e l u s e das t r u c t u r a le l e m e n t ，a n dt h eo t h e ru s e da ni n t e r f a c ee l e m e n t m o r e o v e r , t h e d e f o r m a t i o n , b e n d i n gm o m e n ta n dp i l e - s o i li n t e r a c t i o nr u l e sw e r ed i s c u s s e d t h e f o l l o w i n gr e s u i t sa r er e a c h e d 1 ) i ti sf o u n df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ec o m p u t e dr e s u l t sd oa g r e ew e l l 、析t l lt h em e a s u r e dr e s u l tb e f o r et h ea p p l i e dv e r t i c a ll o a di n c r e a s e su pt ot h ey i e l d c a p a c i t y b u tw h e nl o a di sm o r et h a nt h ev a l u e ，t h ec a l c u l a t e dv a l u ed o e sn o tm a t c h g r a d u a n yt h em e a s u r e dv a l u e 2 ) t h ec o m p a r i s o no ft w os i m u l a t i o nm o d e lr e s u l t ss h o w st h a tt h en u m e r i c a l m o d e lb a s e do nt h ei n t e r f a c ee l e m e n ta r o u n dt h ep i l ec a ns i m u l a t et h ep i l e - s o i l i n t e r a c t i v er e l a t i o n s h i p ，a n dt h es i m u l a t i o nb a s e do np i l es t r u c t u r a le l e m e n th a sa s i m p l ep r o c e s s ，b u tm o r ec o m p l i c a t e dp a r a m e t e rs e t t i n g s t h er e s u l t so ft w om o d e l s b o t hc o i n c i d ew i t ht h eo n - s i t ee x p e r i m e n t sd a t a k e y w o r d s ：p h c ；f l a c 3 d ；b e a r i n gc a p a c i t y ；p i l e s o i ls y s t e m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 竖向静载试验装置示意图。1 1 图2 22 拌桩竖向抗压试验曲线q s 图1 2 图2 32 拌桩s l g t 曲线13 图2 42 捍桩s l g q 曲线1 3 图2 5f l a c 基本计算循环1 4 图2 6f l a c 3 d 程序分析流程图l5 图2 7 数值模拟网格划分图。1 6 图2 8 结构模型图16 图2 9 计算模型材料示意图1 7 图2 1 0 输出节点和输出单元1 7 图2 1 l 数值模拟计算网格划分图1 9 图2 1 2 计算模型材料示意图1 9 图3 1 自重条件下沉降图2 1 图3 2 竖向静载作用下弹性阶段的变形图( 单位：m ) 2 2 图3 3 竖向静载作用下弹性阶段的位移矢量图( 单位：m ) 2 2 图3 4 弹性阶段下桩顶荷载位移图2 3 图3 5 竖向极限荷载作用下变形图( 单位：m ) 。2 4 图3 6 竖向极限荷载作用下位移矢量图( 单位：m ) 。2 4 图3 7 极限荷载作用下桩顶荷载位移图2 5 图3 8 竖向荷载作用下桩土位移差2 5 图3 9 竖向荷载作用下桩身各点侧摩阻力图2 6 图3 1 0 弹性荷载作用下桩项荷载位移图2 7 图3 1l 弹性荷载下桩结构位移云图2 7 图3 1 2 弹性荷载下桩结构位移矢量图2 8 图3 13 弹性荷载下桩结构切应力图2 8 图3 1 4 弹性荷载下桩结构轴力图2 9 图3 15 极限荷载下桩项荷载位移图。2 9 图3 1 6 极限荷载下桩结构桩结构位移云图3 0 图3 17 极限荷载下桩结构位移矢量图3 0 图3 18 极限荷载下桩结构切应力图31 图3 1 9 极限荷载下桩结构轴力图3 1 图3 2 0 不同荷载下桩身各点桩土位移差图3 2 图3 2 1 不同荷载作用下桩身各点切应力3 2 图3 2 2 不同荷载作用下桩身各点轴力图3 3 图3 2 3 弹性条件下两种模型荷载沉降曲线对比。3 4 图3 2 4 极限荷载条件下两种模型荷载沉降曲线对比3 4 表格清单 表2 1 竖向静载试验加载程序表1 1 表2 2 竖向静载试验卸载程序表ll 表2 3 单桩竖向抗压试验实测数据表1 2 表2 4 单元类型参数表18 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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， 也不包含为获得 金壁工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志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谢意。 学位论文作者签名： 签字日砌。年和沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金匿兰些盍堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期以p 年争月2 伯 导师签名： 签字日期：力影矿年口够眇日 黧? 孙嘲陟慨乡7 和抛耀工作单位：碉1 加嘲f 陟 电话：乡7 歹和办l 岁8 通讯地址：邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师汪明武教授和李丽老师表示诚挚 的感谢。在这两年半的学习和生活中，他们一直给予我无私的帮助、关怀、 鼓励和宽容。 本文是在导师汪明武教授的悉心指导下完成的。汪教授治学严谨，成果丰 硕，作为他的弟子，我从恩师身上学到很多做人、做学问的真谛。他以严师慈兄 的风范，关心我的成长，对我的论文写作全程监控、悉心指导，一丝不苟。本文 就是在汪先生的严格要求下完成的，从文章的立意选题、资料收集，到框架安排、 修改润色，先生都给予我耐心细致的指导和帮助。 由衷地感谢张硕、贺传友等师兄弟等给予论文写作方面地帮助。此外，还有 许多关心和帮助我的各位同学，无法一一提及，在这里对他们表示深深的谢意。 由衷地感谢父母和爱人对我的关心、爱护、支持和鼓励，在攻读学位期 间，家人对我进行了长期不懈的关心、支持和鼓励。他们所做的一切，就是让我 全力以赴、专心致志地投入我的学业。在论文完成之际，我要对他们致以最崇高 的敬意和最真挚的祝福! 感谢评阅论文和出席学位论文答辩会的各位专家。 但囿于本人的学识浅薄和悟性不高，本论文肯定有许多谬误之处，我期待着 大家的批评和赐教1 2 张炜 2 0 1 0 年2 月2 8 日 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 桩基是建筑物结构的重要基础形式，有着漫长历史的基础形式，是连接地 基与上部结构的重要部分【l 】，适用于上部结构荷载较大、且持力土层结构较深 的天然地基。它是将上部结构荷载通过较软弱地层传递到深部较坚硬的地层【2 】。 具有承载力高、稳定性好、沉降均匀、沉降速率低等特点。桩基在水泥尚未问世 之前，实际上只能用天然物体制成的桩，如木桩等。由于工业的发展和水泥的发明， 以及钢筋混凝土的广泛应用，于是就出现了钢筋混凝土桩。二战后，随着理论 与实践的不断发展，桩的应用泛围不断扩大，各种新型的桩型不断出现，如高 强度钢筋混凝土桩、预应力混凝土管桩等等。 随着我国的城市规模不断地发展壮大，城市发展的立体化、道路交通的完善化、 住房设施的人性化，纷繁复杂的多样性的建筑物的不断出现，对地基基础提出了更高 的要求。而桩基础则具有承载力大、稳定性好、沉降小、能适应各种地质条件和荷载 情况等特点，于是得到了广泛的应用。特别是上世纪7 0 年代以来，伴随着海洋石油 工业的发展，桩基式海洋钻井平台的建造不断增多，而且，陆地上与近海地区的一些 重要工程，如核电站、深水港码头、大跨度桥梁等也广泛采用桩基础。桩基础亦是高 层建筑常用的基础型式，尤其在沿海一带软土地基地区应用更多，如上海、广州、深 圳等地很多高层建筑都用桩基础。上海解放前施工的国际饭店、锦江饭店、华侨饭店 等高层建筑都打的是木桩。近几年施工的上海电信大楼、华亭宾馆、联谊大厦等高层 建筑都是打的钢筋混凝土桩或钢管桩，这些高层建筑多有箱形基础的地下室，所以是 箱形基础加桩基础。 桩基础有预制桩、灌注桩和人工挖孔桩几种形式。近年来，在高层建筑中除预制 桩( 钢筋混凝土桩、钢管桩) 大量应用外，国内外不少的高层建筑都采用了这种桩基础， 广州和深圳的一些高层建筑也用了这种桩。为减少沉降，人们常用超长桩基础，但这 可能会给城市后续的地铁修建带来问题。当今随着工程面临更加复杂的地质环境，工 程界人员对桩基设计时需更加深入了解承载性能，大型工程也需要开发新的桩基类型 和施工方法。 预应力管桩，由于其价格低、承载力高、旅工速度快、质量稳定等诸多优点，从 其一开始应用，就受到工程领域的广泛关注。在当今世界上，英国、日本、俄罗斯等 国家都是研究和生产p h c 管桩比较先进的国家。在预应力管桩的受力性能、管桩与 地基土在静力及动力荷载作用下的作用机理的研究中，取得了一定的成果。而我国的 预应力管桩是近年来才从日本等国引进的一种新型预制桩，试验和理论还处于发展中 阶段。在国内，随着预应力管桩的应用与推广，开展了越来越多的试验与研究。 虽然建筑桩基技术规范【3 1 ( j g j 9 4 9 4 ) 给出了根据桩端阻力和侧阻力计算桩承 载力的方法，但由于管桩应用的时间不长，工程实践的发展已远远超过理论研究的水 平，使得预应力管桩的承载力长期未能得到充分利用，造成了资源的浪费。确定单桩 承载力的方法主要有直接法与间接法。直接法就是静载试验法；而间接法则是通过对 现场物理力学参数与原位测试结果，结合数值模拟软件来确定单承载力。所以为了让 在工程设计中使得p h c 管桩的承载力得到更加有效利用，论文基于p h c 管桩承载力 现场试验，应用数值模拟方法来探讨p h c 管桩的承载力理论，以便确定最合理桩端 承载力，并探索静力加载条件下p h c 管桩的工作性状及桩土之间的相互作用机制。 1 2 预应力管桩的简介 1 2 1 预应力管桩的进展历程 预应力管桩是基于预应力技术与离心制管技术形成的桩类型【4 1 。1 9 15 年澳大利 亚人w r h u m e 发明了离心密实混凝土成型方法，之后日本于1 9 3 4 年开始制造 钢筋混凝土离心管桩，1 9 6 2 年制成预应力管桩，1 9 7 0 年制造了高强预应力管桩， 并制定了相关的标准【5 1 。我国从台湾省开始最早推广应用预应力管桩，6 0 年代 中期开始生产与使用p c 桩。广东省于1 9 8 4 年开始研制预应力管桩。交通部上 海混凝土预制品厂于1 9 8 7 年从日本引进了预应力管桩的制造设备和技术1 6 l ， 并且最早应用于港口大坝等大型工程。9 0 年代初宝钢二十冶开始生产p h c 管 桩。目前我国能够生产预应力管桩的厂家有7 0 多家，主要分布在华东地区与广 东省，制桩水平也较以前有了很大的提高。 为保证管桩产品质量，适应预应力管桩的发展，1 9 9 2 年国家质量技术监督 局颁了布国家标准先张法预应力混凝土管桩规程( g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 ) 1 7 】并于 1 9 9 9 年作了修订；2 0 0 1 年制定行业标准先张法预应力混凝土薄壁管桩 i s ( j c 8 8 8 2 0 0 1 ) ，在此之后，中国建筑标准设计研究院主持编制了国家建筑标准 设计预应力混凝土管桩【9 】。安徽、浙江、上海等省市还根据各地工程应用 2 的具体条件编制了预应力混凝土管桩的地方标准文献。 1 2 2 预应力管桩的分类 很多开发与应用预应力管桩较早的国家，将桩基的基本分为两大部分：预 应力管桩类与人工灌注桩两大类，其中又将预应力管桩共分有先张法离心高强 度预应力混凝土桩、离心钢筋混凝土管桩、变截面桩、钢管离心混凝土桩桩等 【1 0 】。由于我国的预应力管桩和钢筋混凝土管桩尚属于研究与发展阶段。我国将 预应力管桩分成以下几类： 1 按产品品种分类：预制管桩按强度等级可分为预应力混凝土管桩( 代号p c ) 和预应力高强混凝土管桩( 代号p h c ) 。p c 桩的离心混凝土强度等级不得低于 c 5 0 级，一般为c 6 0 ；p h c 桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。 2 按产品规格分类：管桩按外径分为3 0 0 ，3 5 0 ，4 0 0 ，4 5 0 ，5 0 0 ，5 5 0 ，6 0 0 ，8 0 0 和 1 0 0 0 m m ，长度7 1 5 m 3 管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。其含义是管体上混 凝土有效预压应力的大小1 1 1 。 1 2 3 预应力管桩的特点 预应力管桩有着以下优剧1 2 1 4 】： 1 承载力高。桩身强度多在c 6 0 c 8 0 之间，故强度较高，因此可以打入密或 密实砂层与砾层，桩端持力层经过强大的挤压而在很大程度上改变了桩身的受 力性能，因此可以极大提高单桩的设计承载力。 2 应用泛围广泛。因为管桩规格较多，单桩承载力从6 0 0 k n 5 8 0 0 k n ，适用于 高层建筑及超高层建筑，并且可以在基础中根据荷载的大小及受力的方式而采用不同 桩径的管桩，不仅有利于基础的均匀沉降，而且更可以使其承载力得到最大的发挥，。 3 造价便宜。通过进行对比，预应力管桩的单位承载力造价比人工挖孔桩和钻孔 灌注桩更加经济。 4 运输方便，接桩快捷。 5 施工速度较快，效率高，工期短。 6 桩本身强度高，穿透力强，能穿透各种复杂地层，且耐打，可承受较大的压力 与冲击力。 7 干净整洁。 8 成桩质量可靠。只在桩基施工时操作规范，成桩质量是各种桩基中最为可靠的。 预应力管桩也有其自身的局限性【”。6 1 ，主要表现在以下几个方面：需要有较 雄厚的资金力量方可能使用；在使用中使用锤击，则产生较大的噪音，不适合 在市区施工，因此局限性较大，属于挤土桩，故对周围环境影响较大；由于受 桩长的限制，在深基坑开挖后裁去的条桩较多，桩体易产生倾斜；使用虽然广 泛，但在诸如石灰岩地区岩溶发育较多的地方不适宜。 1 3 国内外研究现状 为了对桩基有更为深入的理解与研究，科研与实践工作者做了大量数值分析试 验，实践分析试验，取得了一定的成果。 预应力管桩，在其问世以来，得到了极其广泛的应用，其具备有承载力高、质量 稳定，价格低廉和施工速度快捷等等优点，成为各国工程建设中的首选。在现今社会， 中国、英国、日本、俄罗斯等国家都是研究与生产预应力管桩比较先进的国家，尤其 是日本，在对预应力管桩的研究，设计，施工应用上下了很大的工夫，是当今世界上 较为先进的国家，取得了相对比较丰硕的成果。我国虽还处在预应力管桩的研究与发 展阶段，但所取得的成绩也是有目共睹的。为了对桩基有更为深入的理解与研究，科 研与实践工作者做了大量数值分析试验，实践分析试验，取得了一定的成果。 为了对桩基有更为深入的理解与研究，科研与实践工作者做了大量数值分析试 验，实践分析试验，取得了一定的成果。桩土相互作用分析方法目前常用有剪切位移 法、弹性理论法、荷载传递法和数值分析法等方法。 c o o k e 1 7 棚】等人提出的剪切位移法，是在理论分析与试验的基础上提出来的，主 要研究均质弹性地基中存在的摩擦桩问题，通过分析他们认为桩周土的剪切变形是引 起摩擦桩沉降的主要因素，并提出了同心圆的假说，用以分析与解释桩与桩周土的相 互作用问题，并在不久以后由其通过单桩与群桩的实验验证了该假说的正确性。 r a n d o l p h 和w r o t h 在c o o k e 的假说的基础上推导出了有关单桩与群桩的可压缩性的解 析结果，得出了桩承受的荷载分为桩端阻力和桩侧摩阻力，并且指出桩周摩阻力只产 生桩尖平面以上的土体变形，而以下的土体变形由桩端阻力产生，再得出单桩桩顶沉 降与荷载在非均质土体中的相互关系。黄则伟 2 0 1 在r a n d o l p h 和w r o t h 等人的相关研 究基础上通过线弹性分析方法，对砂土地基条件下的桩端沉降与相应荷载关系作出了 研究，得出了相应的位移变形特征。 弹性理论法中的主要代表人物是p o u l o s 2 1 1 、p o u l o s 和d a v i s 等人通过弹性理论法 中的m i n d l i n 公式，成功地导出了适合于单桩与群桩使用的图表。b u t t e r f i e l d & b a n e r j e e 4 等人和b a n e r j e e & d r i s c o l l 也在这一方面做出了许多工作，也取得了大量的成果。 s e e d t 2 2 j 和r e e s e 提出了荷载传递法，该方法是在1 9 9 5 年提出来的，到目前为止， 荷载传递方法已经有六十年的历史了。该方法通常适用于较为复杂的传递型函数之 中，特别是对于非线性函数的适用性更好。而由传递型函数建立起来的荷载传递型方 法则适用于比较完善的单桩受力机理的研究。 后来的以有限元法t 2 3 , 2 4 蔓- j 主的数值分析方法因为计算机设备的不断更新与壮大而 逐渐变为了应和最为广泛与最为有效的方法，其中包括有限元法、拉格朗日元法等多 种方法相互交合利用的方法。许多学者使用数值计算方法来研究复合地基问题，从而 克服了地基承载力性质的复杂性与解析方法与事实不完全相符的情况。在进行分析时 则需要考虑到土的塑性这一不可以被忽视的方面，而正是采用了有限元方法，就可以 在沉桩动测分析的基础上考虑到土的塑性问题的影响与桩土接触面特性，来研究桩的 承载力与桩的沉降变化机理。从得出的结果还可以推出桩土相互作用的变形规律与做 出合理的假设。在进行实际施工之前，可以通过数值模拟的方法采用相应的工程参数 对桩基进行模拟，用以预测桩的沉降能力，从而可以在一定程度上避免设计上大的失 误，从而可以及时修改不恰当的设计。 拉格朗日元法与液体力学有很深的渊源，而将该方法移到固体领域之中，将所研 究的区域划分为许多网格，分别对网格的各个元素与节点所代表的变量进行研究，从 而解决实际问题，并且它不需要形成刚度矩阵，不用求解大型数学方程，所以只需占 用很少的内存但其求解的速度很快，可以使用日常的个人计算机来处理大型的工程问 题。其中由美国i t a s c a 咨询集团公司开发的f l a c 3 d 1 2 5 2 刀( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n t i n u a3 d ) 系列软件是最为有名并被工程界和学术界广泛应用的，它可能模拟数 十种不同本构关系的材料与地应力场的生成、混凝土衬砌、边坡稳定性分析、地下工 程、土体开挖、锚杆设置与地下渗流等问题。由于土体的变形包括弹性变形、塑性变 形与蠕变三个部分，而且土体是一种具有复杂、种类多样等特征，土体参数不同，导 致计算出来的结果有很大的差异。对于桩土模拟的过程当中如何恰当地选取土体的本 构模型对于整个数值分析过程是很有必要而且非常重要的。当今，工程界常用的本构 模型有d u n c a n c h a n g 模型、m o h o r - c o l o m n 模型、弹性模型和剑桥模型等，其中弹性 模型具有应变可逆的显著特点，在施加应力较小的时候该模型的适用性各与实际情况 的吻合更好一些。d u n c a n - c h a n g 模型是一种非线性本构模型并所映了土体非线性应变 的主要规律，应用也非常广泛。还有其它许多本构模型，分别对应着不同的土体特性， 并且伴随着科技的发展与实际工程条件的要求，一批新的本构模型被提出来了，但要 能够与实际情况相吻合还需要大量的工程实例与科学分析来检验。 李世稳【2 8 】等从横观各向同性理论出发，数值模拟岩体各向异性对预应力锚索抗滑 桩受力的影响，探讨了岩层的方向性、抗滑桩长度和预应力锚索安装角的变化对预应 力锚索抗滑桩受力的影响。梁寿忠【2 9 l 以坛百高速公路某路段为例，简介预应力管桩处 理软基的设计、施工，观察其使用效果。与其他方法相比较，采用预应力管桩处理深 层软基，经处理的地基强度均匀型好，施工进度快，经济效益高等明显优点。律文田 p o 】通过在预应力高强混凝土管桩( p h c 桩) 的桩顶、桩端及桩周各主要土层的分界面埋 设应变计的静荷载试验，研究了p h c 管桩的荷载传递机理，分析了轴力和桩侧摩阻力的 变化规律。并以工程中p h c 管桩的竖向抗压静载试验为基础，运用有限单元法对软土 地区的p h c 管桩桩土相互作用进行模拟，在分析中采用弹塑性模型，引入了非线性接 触面单元，并且考虑了土体的材料非线性。分析结果表明，计算值和实测值有一定的差 别，但是变化趋势基本一致。黄浩【3 l 】等在静压管桩现场静载试验的基础上，运用 f l a c 3 d 程序对2 号试桩进行沉降数值计算，分析了试桩在逐级加载下的沉降规律，并对 比现场静载实测结果，得出采用f l a c 3 d 进行桩基沉降分析是一种较为有效的方法。卓 为松【3 2 】等通过静荷载试验，研究了p h c 管桩的荷载传递机理，分析了竖向荷载与桩端桩 身沉降的变化规律，运用有限单元法对软土地区的p h c 管桩桩土相互作用进行了模拟， 分析结果表明，计算值和实测值有一定的差别，但是变化趋势基本一致陈广【3 3 】采用 f l a c 3 d 建立了三维数值分析模型，对单桩在水平荷载作用下进行了详细分析，重点研 究了土参数的改变及软土层厚度改变对桩身位移的影响情况，并根据其中的变化规律 对软土地基的桩土共同作用原理加以分析和阐述。王月香【3 4 】对于竖向承载复合桩基， 利用三维有限元数值模拟技术对其承载能力进行分析。主要研究当桩周土体为松砂时， 桩距对群桩侧阻、端阻、承台内外区土阻力、群桩总承载力的影响。并将各自的群桩 效应系数与建筑桩基技术规范( j g j 9 4 _ - 9 4 ) 中的有关数据进行比较。范君宇等【”】 运用f l a c 3 d ( 有限差分法) 软件对门字形锚桩结构进行了数值模拟分析。郑刚 等【3 6 】分析了单桩在竖向和水平荷载条件下的承载力性能。研究结果表明随着加载顺序 变化对桩水平承载力的影响明显要大于对桩竖向承载力的影响。 黄敏、龚晓南【3 7 】对带翼板预应力管桩的承载力提高机制进行了探讨，提出几种 可能分析该种桩型竖向承载性能的模拟方法，并编制了相应的有限元计算程序通过模 拟分析一个工程实例，得到了最合适的模拟方法和土体参数参考值，并取得了较好的拟 合效果另外，对影响翼板间砂层与桩整体工作的因素进行了探讨，提出了合理的翼板间 距范围。钱晓丽【3 列在前人建立单桩柔性矩阵的基础上，推出变刚度双桩、三桩乃至 6 于群桩的沉降计算理论，计算此几种桩型桩顶柔度系数的变化趋势，其计算结果表明， 中桩长、边桩次之、角桩短的变刚度群桩基础具有缩小差异沉降的功能。陈育引3 9 】 利用有限差分程序f l a c 3 d , 对砂土液化后流动大变形试验进行了数值模拟，分析了液 化后砂土的流动特性，发现液化后砂土在零有效应力状态下的表观动力粘度随剪应变 率的增大而减小，是剪切稀化非牛顿流体；而在非零有效应力状态下，随着液化后超 孔压比的降低，表观动力粘度逐渐增大，且表观动力粘度一超孔压比之间存在一致关 系等一系列观点。 李连营、路清【加1 通过天津地区几例预应力管桩的静载荷试桩结果，分析天津地区 预应力管桩单桩竖向极限承载力标准值的估算及与建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 和天津市岩土工程技术规范【4 1 1 ( d b2 9 2 0 2 0 0 0 ) 的差别。汪明武【4 2 】等结合具体工 程，基于现场水平载荷试验和有效应力数值分析方法，探索了预应力管桩在水平荷载条 件下的工作性状和桩土相互作用机制。研究得出桩身侧向变形主要位于桩头附近，桩身 弯矩随着水平荷载的增加而增大，但桩身最大弯矩位置随着变形阶段转变而向上迁移， 桩头、桩底处弯矩较小；桩土相对侧向位移随着水平荷载的增加而增大，最大值出现在 地表附近，而桩身中下部数值较小。 宋兵【4 3 】等从侧摩阻力的机制分析推知，侧摩阻力的决定因素为桩土界面强度、土 体的强度以及土体的应力状态土体的应力状态是造成侧摩阻力变化的根本原因，它不 仅会影响到桩土界面强度的取值，还会使土体在强度条件一定的情况下表现出不同的 抗剪能力介绍3 根预应力管桩的内力测试成果，利用a d i n a 有限元软件对试验桩进行 3 个方面的分析：破坏可能发生位置、桩土界面参数的取值、桩侧土压力随土层深度及 桩荷载的变化通过分析发现，3 根管桩的破坏均发生在界面处对于淤泥土桩土界面力 以黏着力为主；对砂质土或全风化岩桩土界面力以摩擦力为主，此时桩侧土压力的变化 会对桩侧摩阻力极值有影响。王晓伟m 】基于概率论和数理统计原理，开展了对桩基极 限状态理论和设计方法的研究；分析了荷载和桩基承载力的变异性和规律性，并引入无 量纲随机变量的极限状态方程，利用收集到的南京地区p h c 管桩的试桩资料和用 f o r t r a n 语言编制的j c 法计算程序，应用“校准法”计算出现行地基基础规范关于桩 基设计的总体可靠度水准，即可靠度指标；并分析了总安全系数、荷载效应比和荷载组 合形式对可靠指标的影响，确定了单桩竖向承载力设计的目标可靠指标；最后，计算了相 应的抗力分项系数。朱勇【4 5 】结合工程试验数据，利用有效应力分析原理，应用岩土模 拟软件f l i p g e n c n 建立了桩土体相互作用的数值分析模型，研究了p h c 管桩在自重 条件、加载条件下工作性状，揭示桩土动力相互作用机制。 7 在我国，随着预应力管桩使用与推广不断进行，相应的研究与试验也不断的开展 起来，但桩土体系之间的相互作用与承载力取值一直以来是预应力管桩研究的重点与 热点，但就目前来看，研究结果还不够成熟。 1 4 研究内容及存在的主要问题 本文所研究的主要内容： 确定桩土体系相互作用的本构模型 本文采用f l a c 3 d 中弹塑性模型与摩尔库伦模型，弹塑性模型适用于均匀的各向 同性的连续体以及线性应力应变行为，因此用此种模型来模拟桩体较为合适，而摩尔 。库伦模型则适用于松散胶结的颗粒材料，用此种材料来模拟土体较为合适。而本文中 还要用到接触面，用边界面弹塑性模拟虚拟单剪机构，能够较好的建立有效应力 路径，从而较好的模拟桩在静荷载作用下工作性状。 利用专业的岩土工程数值模拟软件f l a c 3 d ，建立两种桩土体系的数值分析模 型。其一是含有接触面的桩土体系，其二是含有桩结构单元的桩土体系。在建立三维 数值分析模型时考虑了土的非均质性，各项异性的情况，结合工程实际与计算量的大 小来划分模型网格；在进行土体与参数设计时考虑了实际参数的选取，使得模拟的结 果与实际更为接近；在进行模型的边界条件设定时，考虑了模型的受力状态采用了不 同的边界条件。本文研究了由f l a c 3 d 软件建立的三维数值分析模型在自重条件下， 分析了竖向分级加载下荷载与位移沉降的关系和弯矩等规律。 近几十年来，桩土结构动力相互作用问题得到了广泛而深入的研究，且已取得了 巨大的进展，提出了各种分析理论、计算模型和设计方法，发展、改进了各种施工、 检测和实验方法，切实有效的指导了工程实践，但由于桩土结构动力相互作用问题的 复杂性，现有的认识仍不能满足现代工程设计与分析的需要。目前，桩土结构动力相 互作用的研究成果大多限于均质土层等比较理想的情况，然而实际工程中遇到的地基 土往往是成层非均质的，具有各向异性；在振动过程中，桩周土将会发生部分的弱化而 使其刚度降低。 1 5 论文组织结构 本文共分为四章。 第一章是绪论以及本文研究的内容。 第二章详细介绍了淮北市某工程概况，及试验场地情况以及介绍了有限差分软件 f l a c 3 d 的土体本构模型、技术特点和软件的分析流程，然后利用有限差分软件 8 f l a c 3 d 对管桩的现场试验构建两种模型分别进行模拟，。 第三章利用有限差分软件f l a c 3 d 对管桩的现场试验进行模拟的两种模型结果进 行分析，包括水平静荷载解析及结果分析，并且对两种模型的模拟结构进行分析和对 比。 第四章对本文的主要研究工作进行了总结，并针对该课题提出了今后值得深入研 究的问题。 9 第二章数值分析模型 2 1 工程概况 淮北市某工程地点位于淮北市人民路以南，长山路以西，工程现场占地面积约 为5 0 0 0 平方米，设计标高为3 5 0 0 米，呈椭圆型设计，地上五层，建筑面积为4 2 2 0 0 平方米，属于框架结构的结构类型。地基采用预应力管桩，达到了c 8 0 的强度等 级，直径为6 0 0 m m ，桩长为2 2 米，本文就采用以上规格的管桩进行讨论与进行数值 模拟实验。因为该场地的地基承载力不能满足设计要求，据场地地质条件与工程成本 要求，决定采用预应力管桩，并采用较长桩与大间距的设计思路，将桩端设计在较坚 硬的持力层上，可以最大程度上减少地基的沉降，并且可以有效减少地基处理工程的 总造价，降低成本。 2 2 场地地层描述及地下水情况 根据淮北市某工程勘查院提供的岩土工程勘察报告可以得出，该地区场地土 以粘性土以及砂土为主，冲击洪积成因为主要原因，场地周围无大的活动构造断裂带 存在。该场地地势较为平坦，土层结构较为简单，这种地段有利于抗震。 依据地层的成因类型、工程地质条件岩性等特性，将地层划分为如下单元层【4 5 】： 1 粉土：层厚为0 9 - - 1 4 m ，层底标高为3 0 3 6 - 3 0 9 6 m 。颜色为灰黄或浅黄 色，松散湿润，其中以粉质粘土为主。 2 粘土：层厚为2 3 0 - - 2 9 0 m ，层底标高为2 7 6 7 - 2 8 3 1 m 。颜色为黄褐色， 呈可塑或软塑状，具有较高的压缩性。局部夹有浅黄色粉土层。 3 粉质粘土：层厚为1 0 9 0 - - 1 1 9 0 m ，层底标高1 6 0 8 - - 1 6 7 7 m 。颜色为灰黄 色，结构比较致密，压缩性中等，可塑可塑偏硬。 4 粉质粘土夹薄层粉土：层厚为5 6 0 - 6 8 0 m ，层底标高9 5 1 1 0 8 8 m 。颜 色为黄褐色，可塑硬塑，压缩性中等。 5 细砂：层厚为2 6 0 - - - 5 3 0 m ，层底标高5 4 0 - - 6 8 2 m 。浅黄色，中密，饱和， 夹有粉土薄层，标贯实测击数1 2 1 8 击。 1 0 6 粉质粘土：本层未揭穿，最大揭露厚度为9 9 m 。黄褐棕红色，部分有 灰绿色，硬塑，含有铁锰钙质结核等。 7 根据区域性水文资料，地下水主要为潜水及上层性滞水，埋深约为2 6 0 - - , 2 9 0 m ，地下水对混凝土无腐蚀性。 2 3 现场试验结果 2 3 1 单桩竖向静荷载试验 舶 越； _ 矾 i li 主梁 i 垫块 登顶寸l 妒 。芸穆佟褰产 ll 天一 殛l 岱木 一、一 基准桩 簖箍糈 图2 1 竖向静载试验装置示意图 物 现场试验采用8 0 0 吨压桩机作为配重机器，并3 2 0 0 k n 千斤顶分级加载进行试验， 如图2 1 。加载过程中应用布置于桩头下传感器监测沉降量。现场试验共进行3 根桩， 桩身设计极限承载力特征值为5 0 0 0 l 洲，现场试验加卸载过程如表2 1 ，表2 2 所示。 表2 1 竖向静载试验加载程序表 序号 1 23 45678 9 1 01 1 荷载( k n )1 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 04 2 0 04 8 0 0 5 4 0 06 0 0 06 6 0 07 2 0 0 表2 2 竖向静载试验卸载程序表 2 3 2 单桩竖向抗压试验结果 论文数值分析中选取了具有代表性的2 # 桩进行数值分析，该桩桩长为2 2 m 。现 场试验结果表明当荷载加到2 4 0 0 k n 时，累计下沉量达o 9 8 m m ；当荷载逐次累 加到6 6 0 0 k n 时，桩身迅速下沉，桩身总沉降量迅速增大到4 1 5 6 m m ，表明桩 丧失承载能力，实测结果见表2 3 和图2 2 至2 4 。从图2 2 至2 4 结果， 据建筑基桩检测技术规范( j g j1 0 6 2 0 0 3 ) 分析可得，单桩竖向抗压承载力极 限值应为6 1 5 0k n ，承载力特征值取3 0 7 5k n 。 表2 3 单桩竖向抗压试验实测数据表 善 桧 翠 厦 剃 0 5 1 0 3 5 4 0 4 5 竖向荷载k n 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 0 图2 22 撑桩竖向抗压试验曲线q - s 图 1 2 o 8 4 1 6 8 4 2 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 s 5 4 0 4 5 图2 32 撑桩s - l g t 曲线 1 0 l 昏o 咀的 l g q k n 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 图2 4 2 撑桩s - l g q 曲线 重辫掣厘酬 2 4 数值分析模型 本节基于f l a c 3 d 来探索预应力管桩承载力状况和桩土相互作用机制。 2 4 1f l a c 3 d 概述 f l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u ai n3 d ) 含义为三维快速拉格朗日 差分分析，是由美国i t a s c a 咨询公司研发推出的岩土分析软件，主要用于岩、土体的渐 进破坏和崩塌等现象、断层结构、岩、土体的动力稳定性、材料固结过程和加固系统， 以及土与结构的相互作用分析以及液化现象研究等。 f l a c 3 d 采用显式有限差分技术来求解岩土问题，可以模拟多种情况下岩、土体 或其它材料静力塑性流动到达屈服极限时的行为。用户可以根据模拟对象的实际形 状，选用不同的多面体基本单元来建立模型。每个单元的行为应根据模拟对象的实际 变形破坏准则和实际的边界条件而定。在计算过程中，材料可以屈服，对于大变形的 情况下甚至网格也可以变形和移动。对于岩土工程问题中特有的不连续面问题，如节 理、断层层面问题。f l a c 3 d 采用i n t e r f a c e 来实现模拟。 2 4 2f l a c 3 d 软件分析流程及步骤 f l a c 3 d 通过编写命令流，由该软件自动生成模拟现实工程情况的网格， 再对该网格赋予初始条件与边界条件，让该程序自动运算，达到一定的收敛条 件后程序停止运算。此时可以从该程序中通过一些命令获得所要得到的数据、 图片与表格。拉格朗日差分法计算循环如图2 5 所示。具体分析流程如图2 - 6 所示。 新的速率 和位移 新的应力 或力 圈 i! 奎塑鲞至!i 图2 5f l a c 基本计算循环 1 4 前处理阶段： 1 网格划分，模拟实际工程情况 2 土体分层并赋予物理参