（岩土工程专业论文）考虑沉桩挤土效应的单桩极限承载力研究.pdf

摘要 目前，国内外对静压桩的研究主要集中在压桩机械的开发、沉桩阻力与沉桩 的可能性、沉桩力和承载力关系等方面，对静压桩的挤土效应以及由于挤土效应 引起的桩基极限承载力随时间改变的时效特性的研究进展不大，本文重点做了以 下研究工作。 1 、运用英国剑桥大学编制的c r i s p 程序，对饱和砂土中的沉桩效应进行了 有限元分析。对桩周土采用线弹性、理想弹塑性两种本构关系，以及圆柱孔扩张 理论的应力边界条件法、圆柱孑l 扩张理论的位移边界条件法两种沉桩过程模拟方 式分别进行组合计算，并对其中三种计算组合( 线弹性，e 不随深度变化，圆柱 孔扩张理论的应力边界条件法；线弹性，e 随深度线性增加，圆柱孔扩张理论的 位移边界条件法；理想弹塑性，e 、c u 随深度线性增加，圆柱孔扩张理论的位移 边界条件法) 所得出的超孔隙水压力、径向有效应力增量、地面隆起以及桩周土 径向位移等沉桩效应的差异进行讨论，得出较适合于饱和砂土的本构关系和沉桩 过程模拟方式。 2 、运用g d s 应力路径三轴测试系统进行了饱和砂土的三轴试验。在g d s 三轴仪上模拟沉桩后桩侧土的应力状态，使试样固结：在保持径向应力不变的条 件下增加轴向应力使之剪切，直至破坏。根据试验结果求出砂土的g 、e 、f ，、 口和相对密实度d ，这些参数即为桩周土固结完成后的参数。分析这些参数在 径向和轴向上的分布。 3 、对荷载传递法进行改进，求解单桩的极限承载力。在剪切位移法和传递 矩阵法的基础上，根据分层分析原理，推导出可以考虑桩周土参数在径向上逐渐 衰减的多层地基中桩的荷载传递矩阵：根据桩周土对桩体的拖曳作用和逐层破坏 所处的不同状态，把试桩过程分为五个阶段，分别分析各个阶段桩顶的荷载和沉 降关系，作出桩顶的j p s 曲线，得出桩体极限承载力。 4 、计算出了不考虑桩侧土性质改变所得出的极限承载力以及沉桩完成时( 即 桩侧土固结前) 的极限承载力，把它们和固结后的极限承载力一起进行两两比较， 分析了沉桩的挤土效应、桩对土的挤压破坏作用和桩侧土的固结作用分别对极限 承载力值的影响。 关键词：挤土效应；有限元分析：圆柱孔扩张理论； g d s 三轴试验；荷载传递 法；单桩极限承载力 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，r e s e a r c h e s o ns t a t i c p i l e a r e m a i n l yf o c u s e do nm a c h i n e sf o r p i l e c o m p a c t i o n ，p i l ed r i v i n gr e s i s t a n c ea n df e a s i b i l i t y , r e l a t i o nb e t w e e n p i l ed r i v i n g f o r c ea n d b e a t i n gc a p a c i t y t h e r e a r ef e w i m p r o v e m e n t s i nt h ee f f e c to fs o i l c o m p a c t i o nd u r i n gp i l ed r i v i n go f s t a t i cp i l ea n du l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t yo f s i n g l e p i l ei n c r e a s i n gw i t ht i m ep a s s i n gw h i c hi si n d u c e db yt h ee f f e c to fs o i lc o m p a c t i o n d u r i n gp i l ed r i v i n g o nt h eb a s i so ft h i s ，f o l l o w i n gr e s e a r c hi sm a i n l yc a r r i e do u ti n t h i sp a p e r f i r s t l y , af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so np i l e - d r i v e ni n f l u e n c ei ns a t u r a t e ds a n d si s c a r r i e do u ti nt h i sp a p e rw i t hc r i s p p r o g r a mc o m p i l e db yc a m b r i d g eu n i v e r s i t y t w o c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s ( 1 i n e a re l a s t i cm o d e la n di d e a l e l a s t i c p l a s t i cm o d e l ) a n dt w o p i l e d r i v e np r o c e s s s s i m u l a t i o n m o d e s ( s t r e s sb o u n d a r yc o n d i t i o n sm e t h o do f c y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y , d i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sm e t h o do f c y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y ) a r ea d o p t e da n dc o m b i n e dr e s p e c t i v e l y t o c o m p u t e m o r e o v e r ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ed i f f e r e n c e so f p i l e d r i v e ni n f l u e n c es u c h a se x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ，i n c r e m e n to fr a d i a le f f e c t i v es t r e s s ，l a n du p h e a v a la n d r a d i a l d i s p l a c e m e n to fs a n d sa r o u n dt h ep i l e ，w h i c ha r ec a u s e db yt h r e ek i n do f c o m b i n a t i o n so fd i f f e r e n tc o n s t i t u t i v er e l a t i o n sa n dp i l e d r i v e n p r o c e s s s i m u l a t i o n m o d e s ( 1 i n e a re l a s t i cm o d e l ，c o n s t a n tea l o n gd e p t h ，s t r e s sb o u n d a r yc o n d i t i o n s m e t h o do fc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y ；l i n e a re l a s t i cm o d e l ，ei n c r e a s i n g l i n e a r l ya l o n gd e p t h ，d i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sm e t h o do fc y l i n d r i c a lc a v i t y e x p a n s i o nt h e o r y ；i d e a le l a s t i c p l a s t i cm o d e l ，ea n dc u b o t hi n c r e a s i n gl i n e a r l ya l o n g d e p t h ，d i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s m e t h o do fc y l i n d r i c a l c a v i t ye x p a n s i o n t h e o r y ) ，a n dac o n s t i t u t er e l a t i o na n d a p i l e d r i v e np r o c e s s ss i m u l a t i o n m o d es u i t a b l e f o rs a t u r a t e ds a n d sa r ef o u n do u t s e c o n d l y , t r i a x i a lt e s t so f s a t u r a t e ds a n d sa r em a d e u s i n gg d s s t r e s sp a t ht r i a x i a l t e s t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r s t a t eo f s t r e s so fs o i la d j a c e n tt op i l ea f t e rp i l eh a sb e e n d r i v e ni ss i m u l a t e do ng d st r i a x i a la p p a r a t u s , a n ds a m p l e sa r em a d ec o n s o l i d a t e a x i a ls t r e s si si n c r e a s e da sr a d i a ls t r e s sk e e p sc o n s t a n tu n t i ls h e a rf a i l u r eo c c u r s s o i l p a r a m e t e r ss u c ha sge ，r r ，妒a n d r e l a t i v ed e n s i t yd ，w h i c ha r et h ep a r a m e t e r so f c o n s o l i d a t e ds a n ds o i la d j a c e n tt op i l e ，a r eg a i n e df r o mt h et e s tr e s u l t sa n dt h e i rr a d i a l a n da x i a ld i s t r i b u t i o n sa r ea l s oa n a l y z e d t h i r d l y , l o a d t r a n s f e rm e t h o di s i m p r o v e d u s i n g t h e t h e o r y o fs h e a r - d i s p l a c e m e n ta n dt r a n s f e rm a t r i x ，t h et r a n s f e rm a t r i xo f p i l e s ，w h i c hc a l lr e f l e c tt h e r e d u c t i o n o f p a r a m e t e r so f s o i l sa d j a c e n tt op i l ea l o n gr a d i a ld i r e c t i o n ，i nl a y e r e ds o i l s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fl a y e rb yl a y e ra n a l y s i si sd e l v e di nt h i sp a p e r w h a t s m o r e ，a c c o r d i n g t op u l lf o r p i l ef r o ms o i l sa d j a c e n tt op i l ea n d d i f f e r e n ts t a t eo fe a c h l a y e ri nf a i l u r e ，t h ep r o c e s so ft e s t i n gp i l e i sd i v i d e di n t o f i v e p a r t s a n db e a r i n g c a p a c i t yo fp i l ei sg o tb ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a da n ds e t t l e m e n to n t h e t o po f p i l ei ne a c hp a r ta n dd r a w i n g p - sc u r v eo f t h et o po f p i l e l a s t l y , u l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t yo f s i n g l ep i l ei nn o c o n s i d e r a t i o no f t h ec h a n g e o fp a r a m e t e r so fs o i l s a d j a c e n t t o p i l e a n db e f o r ec o n s o l i d a t i o ni ss o l v e da n d c o m p a r e dr e s p e c t i v e l yw i t ht h a ta f t e rc o n s o l i d a t i o ni no r d e rt oa n a l y z er e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fs o i l c o m p a c t i o n ，c o m p a c t i o nf a i l u r e o fs o i li n d u c e db yp i l ea n d c o n s o l i d a t i o no fs o i la d j a c e n tt op i l eo nu l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t y k e yw o r d s ：t h ee f f e c to fs o i lc o m p a c t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c y l i n d r i c a lc a v i t y e x p a n s i o n ；g d st r i a x i a lt e s t s ；l o a dt r a n s f e rm e t h o d ；u l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t yo f p i l e 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国工程建设的蓬勃发展，在桥梁、高层建筑、重型厂房、港口码头、 海上采油平台等工程中大量采用桩基础。桩基已成为我国工程建设中重要的一种 基础形式a 据不完全统计，目前我国每年的用桩量已超过二百万根，而桩基的造 价较高，因此，如何合理地确定桩的承载力，充分发挥桩基的技术经济效益，具 有重要意义。目前国内多数工程桩的承载力均参照勘测部门已有的试验资料或根 据设计人员的经验确定，用这些方法确定的基桩承载力往往比实际承载力低得 多。大量工程资料表明，所有的桩基承载力都有以下特性：其并不是一个确定的 值，而是随时间的推移而逐渐增大，达到稳定值所需时间由几十天到数年不等。 而实际工程由开始打桩到投入使用约需1 3 年，因此，桩基设计中考虑承载力的 时效影响，对节约工程造价有很大的实际意义。尽管一些设计规范明确规定桩入 土后到试桩前的最短间歇时间，但是在最短间歇时间以后的相当长时间内，桩基 础的极限承载力仍然在不断的增加，而且这种变化随土性不同而不同。因此简单 的规定一个最短间歇时间，在一定程度上可以避免过低的估算桩基础的承载力， 但并没有解决如何计算任意时刻桩基础具有的承载力，特别是最终极限承载力的 问题。因此，用什么方法确定桩的承载力，特别是桩的承载力随时间增加的时效 特性，以满足日益增长的桩基工程的需要，是目前工程界十分关心的问题，也是 长期以来国内外许多学者、研究人员和工程技术人员所进行的一个研究课题。 1 2 桩基承载力的确定方法 现有的确定承载力的方法很多，这些方法可分为两大类【1 】= 第一类方法是通过对实际桩基进行静、动和静一动联合的试验测定，称为直 接法。包括：1 、静荷载试验：2 、高应变动力测试；3 、静一动试桩法；4 、新技 术。 第二类方法则是通过其它手段，分别得出桩底端阻力和桩身侧阻力后相加求 得，不需要对桩进行试验，故称为间接法，也称为静力计算法。包括：1 、原位测 试；2 、经验公式；3 、承载力理论公式。 1 2 1 直接法 l 、静荷载试验 河海大学硕士论文第一章绪论 静荷载试验是用千斤顼给桩施加竖向荷载，通过油泵给千斤顶送油加压，千 斤顶出力值可以用荷载传感器或精密标准油压表标定后量测，桩顶沉降量可以用 大量程百分表或位移传感器量测。用该方法可以确定单桩竖向极限承载力，结合 在桩身和桩底预埋测试元件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身轴 力等。属于此类方法中具有代表性的方法有锚桩法、堆载法、锚桩堆载法、桩身 安放千斤顶加载法。 2 、高应变动力测试 该方法是用打桩锤或一定质量的落锤锤击桩顶，使桩土之间产生相对位移， 桩产生一定量的贯入度，通过能量守恒原理或波动理论，参照静、动对比资料， 确定单桩极限承载力。属于此类最有代表性的有下面几种方法：动力打桩公式、 锤击贯入法和实测曲线拟合法。 3 、静一动试桩法 静一动试桩法( s t a t n a m i c ) 是目前国际上一种新的桩基承载力检测方法。1 9 8 9 年由加拿大伯明翰公( b e r m i n g h a m m e r ) $ 1 荷兰皇家科学院建工研究所( a - n o ) 联 合研制成功。该方法简便易行，相对成本比静载试验低，测试速度快，同一工地 l 天可测2 3 根桩，且方法本身可靠准确，因而得到迅速推广。目前已在加拿 大、荷兰、美国、德国、以色列、韩国、日本和新加坡等十几个国家得到应用。 容许检测最大极限承载力己达7 0 m n ，且不受桩型、桩斜和桩周环境限制，特别 适用于测量斜桩、群桩和水上作业的各种桩型。它是用固体燃料在气缸里燃烧， 产生高压气体顶起配重对桩顶作用一反作用力，由力传感器、加速度计和位移传 感器实测力、加速度、速度和桩顶位移信号从而获得静一动法的荷载位移曲线， 最终通过解析处理获得类似静载试验曲线，从而确定桩的承载力。它可以通过燃 烧室大小，活塞气缸形状，燃料多少和配重多少4 个因素控制作用力大小和动态 力作用时间，动态力作用时间一般可达1 0 0 8 0 0 p s 。动荷载作用时间增长后， 使桩土产生加速度很小，分析过程不同波动方程理论，荷载作用机理近似静力试 桩，但又是用动的方法产生作用荷载。所以称为静一动试桩法。 4 、新技术 比较有代表性的有o s t e r b e r g 钡i j 桩法和自平衡法。 ( 1 ) o s t e r b e r g 测桩法 o s t e r b e r g 测桩法检测钻孔灌注桩单桩承载力的原理( 图卜1 ) ，是在桩底预先 放置一个直径稍小于桩径的，可上下膨胀的压力室，试验时给压力室加压，使桩 身获得向上的托力，同时桩端获得向下的压力，桩尖位移和桩身位移的量测采用 分离独立系统，仪表1 通过连接在桩底部的细杆量测桩尖的n - f 位移量，仪表2 量测桩身的向上位移量。因而分别直接测定桩侧阻力和端阻力和相应位移的关 2 河海大学硕士论文第一章绪论 系，由此验证桩的承载力是否满足设计的要求。 ( 2 ) 自平衡法 自平衡法接近于竖向抗压( 拔) 桩的实际工作条件，其主要装置是一种经过特 殊加工而成的可用于加载的荷载箱。它主要由活塞、顶盖、底盖和箱体四部分组 成，箱体内是己连接好的若干个大吨位千斤顶。在顶、底盖上布置位移棒，用于 测试荷载箱上、下变位。将荷载箱与钢筋骨架焊接成一体后，浇注混凝土成桩。 羹体 制囊 图卜1o s t e r b e r g 法桩基载荷试验原理 图卜2自平衡法荷载箱实物图 上段桩 荷载桩 下段桩 图卜3 自平衡法测试机理示煮图 图卜4 自平衡法中装好钢筋应力计 的钢筋骨架 图i - 2 为一含6 个千斤顶的荷载箱。试验时，在地面上通过油泵加压，随着压力 增加，荷载箱同时向上、向下变位，促进桩侧阻力及桩端阻力逐渐发挥作用，试 验机理示意见图1 - 3 。图1 4 为装好钢筋应力计的钢筋骨架a 1 2 2间接法 1 、原位测试 原位测试法是指承载力理论公式中的桩端阻力和桩侧摩阻力直接通过原位 河海大学硕士论文 第一章绪论 试验测得。常用的原位测试方法有：静力触探、标贯试验和旁压试验等。 2 、承载力理论公式 承载力理论公式是将桩的极艰承载力分为桩底的极限承载力和桩侧的极限 摩阻力两部分，然后根据极限平衡理论，按照深基础的地基承载力计算桩底阻力 和根据土对桩侧的单位摩阻力计算桩侧摩阻力，最后两者相加，即得到桩的设计 极限摩阻力。 3 、经验公式 经验公式的形式与理论公式相同，所不同的是桩底阻力和桩侧摩阻力的经验 值为静载试验资料和地区实践经验，通过各种方法整理、统计和分析后得出的。 国内外计算桩承载力的经验公式很多，但未必能对具体桩提供准确的承载力值。 仅为初步设计阶段参考。 由于我国桩基的大量应用，桩的承载力的检测方法也迅速发展。桩的静荷载 试验是公认的检测桩基承载力的可靠方法，是各种动测法的对照标准。但桩的静 载试验费时、费力、费用高，做不到随机抽检，检测桩数也不可能太多，对整个 基础工程不能进行概率统计分析，所以静载试验的代表性不高。动力测桩方法简 便、快速、技术先进，是一种实用的近似方法，但其适用范围是有限的，可靠性 还有待进一步提高。间接法一般比壹接法要简单，省钱，省时，省力，不过有些 经验公式区域差异较大，理论体系还不是很完善，假定条件较多，故间接法精确 性有待提高，通常主要在初步设计阶段作为估算承载力的手段。 1 3 挤土效应的研究现状 沉桩挤土效应包括沉桩引起的土中超孑l 压的产生以及消散过程、桩周土体强 度改变、土体的垂直隆起及水平位移和桩的极限承载力的时效性等现象。 1 3 1 桩基时效机理 人们在长期的生产实践和科学研究中发现，桩入土后的承载力不是一成不变 的，而是随着时间的推移，有逐渐增大的趋势，这就是桩基础承载力的时间效应。 目前，对于桩基承载力的取值，一般是通过静荷载试验确定。建筑地基基础设 计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 中规定的开始试桩的时间为：预制桩在砂土中入土7 天后，地基土为粘性土时，应视土的强度恢复而定，一般不少于1 5 天，对于饱 和软粘土不得少于2 5 天：灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后，才能开始试 桩。可见，规范已经在一定程度上考虑了桩基承载力的时间效应。 静压桩承载力的时效机理是比较复杂的，归纳起来有以下几点： l 、土的触变恢复时效。桩周土在沉桩过程中被挤压扰动，强度显著降低， 河海大学硕士论文第一章绪论 粘性土的触变作用使损失的强度随时间逐步恢复。对于软土，强度的恢复主要是 土的粘聚力的恢复。 2 、固结时效。压桩过程中，桩挤开周围土体，使得桩周士体的总应力和超 孔隙水应力有所增加。沉桩结束后，超孔隙水应力从较高的孔压区向较低的孔压 区消散，从而使桩周土产生固结。土的强度逐渐恢复，甚至有可能超过其初始强 度。 3 、硬化效应。受沉桩过程竖向剪切、横向挤压作用，桩周近旁的土成为完 全塑性区，当桩、土产生相对滑移时，桩一土界面将形成一层水膜，该水膜起到 了降低沉桩阻力的作用。若压桩途中因为接桩等原因停顿，该水膜消失，则沉桩 阻力会在短时间内显著增加。压桩结束后，经过段时间的静置和固结，逐步形 成一层紧贴于桩身表面的硬壳层。该硬壳的厚度为3 2 0 m m ，随土的性质、桩 表面粗糙程度而变化。由于该硬壳的抗剪强度高于周围土的强度，因此，当桩承 受竖向荷载发生位移时，该层随桩身一同移动，剪切面发生在该层之外，即发生 在完全塑性区与部分扰动区的交界面。这实质上使桩的侧表面摩擦面积增大，加 大了桩的承载力。 1 3 2 桩基时效性的室内外试验 s e e d & r e e s e l 3 】f 1 9 5 9 ) 和e i d ee t a l n ( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，桩打入粘性土后， 桩的承载力会随时间而增加，他们认为承载力的增长主要是由于超孔隙水压力逐 渐消散，导致桩土问的有效应力增加而引起的，如图1 5 所示( 引自文献【3 】) 。 1 9 3 8 年，在上海浚浦局工作的m e y e r 发现，上海地区桩的承载力，一年以 后增长了约1 0 。 1 9 4 0 年，丹麦冰磺软粘土地基，圆木桩直径4 3 c m 入土深1 6 m 。刚入土时极 限承载9 7 t ，入土7 天为1 0 8 t ，入土2 8 天为1 3 0 t 。 1 9 5 5 年，美国旧金山粉质软粘土地基，直径1 5 c m 的钢管桩，入土深4 5 m ， 入土3 3 天的承载力是入土3 小时的5 4 倍，是入7 天的1 2 倍。 1 9 5 9 年，天津新港软粘土地基，钢筋混凝土预制桩，截面为4 5 c m 4 5 c m 。 入土深1 0 m 时，入土2 4 0 天的承载力为4 2 天的1 3 7 倍；入土深1 7 5 m 时，入 土2 1 0 天的承载力为1 4 天的1 4 2 倍。 1 9 6 1 年，日本横滨软粘土地基，钢管桩直径3 0 c m ，入土深6 6 m ，入土2 8 天的承载力比入土2 小时的承载力增长1 5 倍。 1 9 8 7 年，同济大学陈强华等对灌注桩的承载力进行试验，于不同间歇期进 行试压，试验结果见表1 - l 。 河海大学硕士论文第一章绪论 室! ：! 婆婆壁墨塾垄笪堕墼堡蔓壁堕墨f 旦鎏，陈强华) 间歇期( 天)3 9 3 7 5 5 6 3 9 0 1 0 8 4 2 0 1 7 1 极限承载( t ) 4 2 0 厂 _ ，一 ：0 l _ f _ 0f 。0z 0 0 羚o4 0 05 0 05 0 争7 0 0e 。 沉柱后闸t 嗍( 小时) 图1 5 桩基承载力随时间的增长( 引自文献1 3 1 ) 1 9 8 8 年，中国建研院的刘金砺和李雄 5 】等，在大港电厂进行了5 根模型桩的 试验。5 根钢管模型桩一字排列，桩径1 0 c m ，壁厚4 5 m m ，桩长4 5 m ，桩中心 距6 0 m m ，地基为饱和软粘土。为了比较不同桩首次试压的承载力，避免在同一 根桩上反复试压给时效规律带来影响，控制了每根桩首次试压的时间，同时控制 了同一根桩上反复试压的时间，以消除由于间隔时间过短对桩的时效规律产生的 影响。5 根模型桩试验的间歇期及试验次序如表1 2 。通过试验得出以下三个结 论：1 、利用同一根桩不同间歇时间重复试压对桩承载力的时效研究是可行的。 2 、单桩极限承载力随间歇时间呈双曲线规律增长。3 、单桩承载力随时间的增长 主要表现为桩侧阻力的增长，桩端阻力对单桩承载力时效的影响很小。 各桩的休止期( 天) 试压次数 m 1m 2m 3m 4m 5 l2191 44 3 2862 64 4 31 31 24 5 42 52 4 54 64 7 油 瑚 啪 极限蠢力千克u 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 3 3 挤土效应的理论研究 1 、沉桩引起的桩侧土应力、应变及位移的理论研究 用理论来研究沉桩引起的土中孔压的产生以及消散过程、桩周土体强度变化 和桩的极限承载力的变化等现象由来已久，从七十年代起，国内外在这方面做了 不少工作。归纳起来，对沉桩引起的应力、孔压及土体位移的计算主要有以下几 种方法：圆孔扩张理论、应变路径法、有限元法。 ( 1 ) 圆孔扩张理论 圆孔扩张理论首先由b i s h o pe t a l t 6 1 ( 1 9 4 5 ) 提出，用于讨论金属压痕问题。 b u t t e r f i e l de ta l t 7 1 ( 1 9 6 8 ) 首先提出将平面应变条件下的圆柱形孔扩张来解决桩体 贯入问题。为了利用弹塑性力学的理论，他们假定： 1 ) 土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料， 2 ) 土体饱和、不可压缩， 3 ) 土体屈服满足m o h r c o u l o m b 强度准则， 4 ) 4 , t l 扩张前，土体具有各向同性的有效应力，体力不计。 圆柱形孔在均匀分布的内压力p 作用下扩张情况如图1 6 所示。当p 值增加 时，围绕着圆孔的圆柱形区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随p 值的增大 而不断扩大。设圆柱孔的初始半径为r ，扩张后半径为r ，塑性区最大半径为 r 。，相应的孔内压力最终值为仇。在半径r 。以外的土体仍然保持弹性状态。图 中r 为离扩张孔中心( 桩轴) 的距离，盯，、盯：为由挤土引起的径向、切 向、轴向总应力，“。为塑性区边界的径向位移。c 。为饱和软土的不排水强度。 可以推导得到离开扩张中心r 处一点的应力平衡方程式： 堕+ ! ! 二生：0( 卜1 ) 毋r 在塑性区边界上满足m o h r c o u l o m b 准则： 0 - ，一0 6 = 2 c 。( 卜2 ) 求解可得( 塑性区内) ： 旦：2 l n 生+ 1 c 。 r 旦：2 1 1 1 生一1 ( 卜3 ) c 。 ， 旦：2 i n 生 河海大学硕士论文 第一章绪论 图1 - 6 小孔扩张示意图 之后，l a d a n y i ( 1 9 7 2 ) ，p a l m e r ( 1 9 7 2 ) ，v e s i c ( 1 9 7 2 ) ，h u g b e s e ta l 8 】( 1 9 7 7 ) 等人 在考虑体积变化、采用更合适的土体模型等方面做了进一步的研究，其中 r a n d o l p he ta l 9 l ( 1 9 7 9 ) 用圆孔扩张结合有限元分析了粘土中沉桩产生的应力及随 后的固结，他应用的土体模型是修正剑桥模型，沉桩刚完成时，桩周围进入剑桥 模型临界状态的土体中有效应力为： 盯 盯陋 百j ，：f ( 1 4 ) 式中：e 为土体不排水抗剪强度；m ：0 罢譬，为土体有效内摩擦角。 j s i i i 口 由于现场测试及研究表明主要孔压梯度在大部分桩长范围内是径向的，因此 r a n d o l p h e ta l 假定孔隙水的流动和土颗粒的移动主要发生在径向，也就是只考虑 径向一维固结，应用b i o t 一维固结方程求解。沉桩刚完成时，桩周围进入剑桥 模型临界状态的土体中超孔隙水压力为： “= ( p ：一p 1 ) + 2 c 。l n ( r p r ) ，r o r r ， ( 1 5 ) 式中：r 。2 = ( g q w ，r o 为桩半径，g 为土体弹性剪切模量，只、p ，分别 为沉桩前后土体的平均有效应力。当固结结束后，可利用土体的真正强度和最后 的有效应力来估计桩的最终承载力。 八十年代以来，圆孔扩张理论成为求解沉桩对周围土体影响应用最广泛的 种方法。不过经典的圆孔扩张理论有一个缺点，即将一维的圆孔扩张解应用于桩 体贯入这样一个三维问题，导致其解只与径向坐标，有关，而与坐标= 无关，并 k h “h o m m m 河海大学硕士论文第一章绪论 忽略孔壁竖向摩擦力的影响。 国内关于沉桩的理论分析，大多应用空间轴对称的圆柱孔扩张理论来模拟沉 桩过程，如胡中雄( 1 9 8 8 ) 、朱泓殷宗泽( 1 9 9 4 ) 、姚笑青l 司( 1 9 9 4 ) 、 许清侠f 1 3 】( 1 9 9 8 ) 等，陈文 z 4 提出了圆孔扩张理论的三维解析解，认为沉桩时 桩侧法向应力和切向应力均沿桩长呈线性增加分布模式。 ( 2 ) 应变路径法 为了克服圆孑l 扩张理论未考虑深度影响的缺点，b a l i g h 1 4 】( 1 9 8 5 ) 提出了应变 路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ) ，并得到了a z z o i , l z ，m o n - i s o n ”1 等人的应用、发展。 该方法利用一个点 源( s i n g l es o u r c e ) 匀速下沉，分析一个光滑、圆头的桩( s i m p l e p i l e ) 沉入土体的过程，得到独立于本构关系的应变场，从而求出土体中的应力。 b a l i i g l a 认为。在不排水过程中孔隙水压力增量为： a u = a o r + a u ，a o r = o r 一盯o ( 1 6 ) 式中，仃为初始八面体应力，盯为沉桩引起的剪切过程中八面体应力，“。 为剪切引起的孔隙水压力： 一p a u 。= 7 二o( 1 - 7 ) 。f 土+ 旦1 l 且口：j 式中( t o i = o r 0 一，e 、b 2 为试验常数， 1 厂_ 肚击怛+ 扣q * ) 2 + 弘。 虽然应变路径法具有发展前途，但将该法用于土体的静力贯入问题却并不十 分令人满意。况且，该法大多局限于粘土中的不排水贯入的问题，将之用于摩擦 型土体则显得比较困难，因为摩擦型土体的初始流场难以估计。 ( 3 ) 有限元法 应用有限元法模拟桩体的贯入过程，可以解决沉桩过程中的几何非线性和材 料非线性双重非线性问题，当采用较复杂的土体本构模型和边界条件时，求解析 解或近似解是比较困难的，应用有限元法可以克服这方面的问题。在采用有限元 方法分析沉桩过程的研究中，有以下两种类型：小变形有限元和大变形有限元。 1 ) 小变形有限元分析 沉桩模拟的小变形有限元分析首先由c a r t e r e ta l 【1 6 l ( 1 9 7 9 ) 提出。他们在研究 中采用的土体模型有理想弹塑性和修正剑桥模型，将土视作两相物质，应用b i o t 理论分析其固结过程，由于小孔从0 扩张会造成计算中应变无穷大，所以小孔的 扩张从初始半径a 。扩张到2 日。由于只考虑平面应变问题，其有限元单元采用了 河海大学碗士论文 第一章绪论 环形单元，见图1 - 7 所示。他们用此方法可求解排水或不排水沉桩过程中及沉桩 后任一时刻的桩周土压力及孔压。应该看到，上述分析中均将该问题视作平面应 变，只考虑一维分析，从而无法考虑竖向影晌、体力影响，无法反映地面隆起等 实际情况。 殷宗泽朱泓 i ”( 1 9 9 2 ) 用空间轴对称有限元对沉桩过程进行了模拟，将沉 桩过程视作具有初始半径口。的圆柱形空腔体扩张到2 吼的过程，用b i o t 固结理 论，因此可以从一定程度上考虑深度方向的影响。但是该方法没有考虑桩周剪力 的影响，同时将沉桩过程视作圆柱形空腔体的统一扩张。应该看到，在沉桩过程 中，桩周土发生很大的变形及应变。因此我们在分析时不仅应考虑其材料非线性， 也要对几何非线性进行考虑。 第2 i 一1 个单元 ， 7 7 、 结点i i + 11 i f + 叫 j 、一一7 ， 、， 十2 r 图卜7 一维分析中的有限单元 2 ) 大变形有限元 为了考虑沉桩过程中的材 料非线性和几何非线性问题， 有人采用大变形有限元分析。 b a b e r j e e e ta l f ( 1 9 7 9 ) 发展了 套欧拉方程，通过应力变化率 和应变变化率之间的关系，用 有限元计算出沉桩过程的应力 和孔隙水压力。 c h o d r ae ta l j 。】( 1 9 9 2 ) 认 为桩贯入土体时，土体中( 特 别是桩周围的土体) 的应变不再是小应变，而应当考虑为大变形，同时考虑土体 的塑性变形。他们建立了一种时间相关的大变形有限元固结分析方法，由于t o t a l l a g r a n g i a n ( t l ) 法的刚度矩阵过于复杂，因此在分析中使用了u p d a t e d l a g r a n g i a n ( u l ) 方法，每一时间步后修正参考构形。土体采用修正剑桥模型 ( m c c ) ，采用有效应力原理，土中水流动服从达西定律，用b l o t 理论分析固 结，推导出大变形有限元固结方程： 慝黜荆a 孵, s ， 式中：幽? 为位移增量，幽：为孔压增量。 国内的鲁祖统【1 9 j ( 1 9 9 8 ) 用空间轴对称有限元，考虑大变形，服从 m o h r - c o u l o m b 屈服准则的弹塑性材料， 及端阻力的办法，模拟了静力压桩过程 用逐步给定水平位移、竖向作用摩擦力 同时分析了因沉桩引起的桩周土体强度 1 0 河海大学硕士论文第一章绪论 和模量下降及桩侧阻力对分析结果的影响。该方法的不足之处在于对桩周土体强 度和模量下降及桩侧阻力进行考虑时，取值缺乏有力的依据，带有一定的随意性。 大变形在理论上要比小变形有限元更为全面，但也存在以下问题： ( a ) 理论推导及编程都比较复杂，不利于工程中的应用； ( b ) 计算精度严重依赖于本构模型的选用及参数的确定，由于有限元计算 方法的问题，参数的微小变化可能引起结果的很大振荡。因此，在分析中对采用 大变形理论应采取谨慎态度。 2 、超孔隙水压力的理论研究 沉桩过程中超孔隙水应力及其消散的课题受到人们的普遍关注。任意位置处 土体超孔压的大小及其分布对于沉桩过程及其后桩周土体的再固结和承载力变 化分析具有十分重要的意义。近年来，人们在这方面作出了许多探索。 ( 1 ) 沉桩引起的初始超孔隙水压力的估算大致有以下几种： 1 ) l o & s t e 脚a c 【2 0 】：将孔压的增加表示为平均正压力的增加和桩周大剪应 变剪切两种因素引起： 址( 1 - k o ) q 。+ q 。 式中： 【丝l 最大孔压比， lp 。 p 固结不排水剪试验中的固结系数， “该固结压力下土样剪切至破坏时的孔压。 2 ) h e n k l e 公式 a u = p a 0 c t + a f 厶f d e t 式中：a c t o c t ：八面体正应力增量，f o 汀：) k i w i 体剪应力增量， 卢、口，：空间应力条件下孔隙水压力参数，饱和土取= 1 。 3 ) v e s i c 2 1 1 理论公式 在圆柱型孔扩张理论的基础上，利用f i e n k l e 公式推出： 塑性区：筹：2 l n ( 譬) + 1 7 3 彳，一o 5 8 l “r 弹性区：_ a n ：0 5 7 8 ( 3 a 一1 ) ( 马： 在柱身表面： 河海大学硕士论文第一章绪论 生c u 地i l 隶2 0 卜，妒o s s+ ) o j 塑岖粕坠r o 、赤 式中：au 是初始超孔隙水压力：r p 为塑性区半径；r 为计算点到桩中心 的距离；r o 为桩的半径；e 为土的弹性模量；c u 为士的不排水抗剪强度；耻为 土的泊松比；口，为孔隙水压力参数，t 2 ，= ( 34 ，- 1 ) ，4 ，为土破坏时的孔压 系数，且： 一，；坐。 7 盯1 一仃3 4 ) c a r t e r 口2 1 ，r a n d o l 口h 【9 】等人则采用修正剑桥模型，对上述理论加以发展， 使公式变得更为实用： “：2 c 池f 垒 ，s ，印 其中： 印2 = ( 昌) ，0 2 特别地，桩侧壁最大孔压为： 地- m ( 昌 5 ) l e v a d o u x 2 3 1 和b a l i g h 2 4 1 等人以应变路径为依托，提出了超孔压计算模式， 但计算较为繁琐，不易理解，故不常被采用。 6 ) 唐世栋仁5 】：利用实测资料，建议超孑l 压用下列方程表示： 虮箱k ( 爿 7 ) 姚笑青1 2 6 1 ：利用极限平衡理论，先推求出土体中径向应力增量，然后将超 孔压表示为a c t ，的函数 “。= a o ，4 ，= 【( 1 一) 盯：+ 2 c u 一， 假设塑性区超孔压为常数，即a u ，；而弹性区则按下式计算： 2 河海大学硕士论文第一章绪论 扯峨= 罴 lp f ，。 t e p 式中：r 为塑性区半径；1 0 为桩半径；v 为上的泊松比；e 为土的弹性模量： “为超：t l i 璩水压力；c u 为土的不排水抗剪强度；p 为计算点至桩中心的距离： 4 ，为孔压参数。盯：为土的竖向有效应力，盯：= ，h ；k 。为土的侧压力系数。 8 ) 陈文瞵j ：陈文根据实测资料，在桩侧压力和桩侧摩阻力沿深度线性增加 的假定下，采用圆孔扩张理论的空间应力解答，然后根据h e n l e l 的超孔压公式， 从理论上对超孔压的径向和轴向分布规律进行了分析，并推导得到了桩周土中初 始超孔隙水压力的表达式： 塑性区：“= i 1i2 ( 2 c u k p y t a n 妒，) l n 塑+ 鱼zi + o 9 a r c “ 弹性区：“= o 8 1 7 a ，c u | 尘l 式中：c u 为土体不排水强度；r o 为桩半径；r p 为塑性区半径；k 。为被动土 压力系数；c