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浙江大学硕士学位论文 水平荷载作用下大直径现浇混凝土薄壁筒桩 性状研究 摘要 大直径现浇混凝土薄壁筒桩( 以下简称筒桩) 结构海堤是一种新型海堤结构，与 传统海堤结构相比，有施工便捷、用料省、承载力高等优点，具有广阔的应用前景。 目前对筒桩结构海堤的理论研究还很少，尚未有成熟的设计理论，制约了其在工程中 的应用。由于海堤结构主要承受水平荷载作用，本文主要采用有限元数值分析的方法 对筒桩结构海堤的水平性状进行了研究。 本文首先运用刚度( e i ) 等效的原则将筒桩结构海堤这一复杂的三维闰题简化为 平面应变问题，然后在基本算例的基础上，研究各影响因素下结构的侧向位移和内力 分布情况。分别考虑了持力层和海堤淤泥土质、排距、排桩刚度、系粱刚度、系梁位 置、抛石等因素对筒桩结构海堤水平性状的影响，研究结果表明：对海堤淤泥层进行 处理可以有效减小筒桩侧向变形；简桩进入持力层的深度宜取2 d ( d 为筒桩外径) ， 排距宜取4 d ( d 为筒桩外径) ；增大排桩刚度对减小筒桩侧向变形效果不明显，却可 以极大提高桩身弯矩；而增大系梁刚度是减小筒桩侧向变形的有效手段，并且筒桩弯 矩变化很小；系梁位置适当下移可以减小侧向变形和桩身弯矩，但还要结合其它因素 综合确定；抛石是减小筒桩侧向变形的有效手段，而且还有利于海堤整体稳定性，但 是抛石范围b 是一个至关重要的因素，适当的抛石范围为3 d ( d 为筒桩外径) 左右。 这些研究成果将为筒桩设计计算提供理论依据和必要参考。 本文还介绍了目前围海工程中常用的海堤断面型式和适用条件，提出了海堤设计 的基本原则和设计步骤，海堤设计时应该遵循安全性、经济性、保护环境三个原则。 通过大亚湾和漩门三期围海工程两个工程实例的简桩结构海堤设计，阐述了设计时必 须考虑的因素及该结构的适用情况。设计时要充分考虑场地的地质条件及围海区的水 文气象条件，在单桩设计基础上，提出合理的结构断面，并进行变形和稳定性计算。 筒桩结构海堤虽然有很多优点，但并不适用于所有工程情况，当海堤堤顶高程较大， 而持力层较深时，所需筒桩长度会超出目前施工所能达到的最大桩长，长度较大时结 构的侧向变形和自身稳定性也难以保证，这种情况下筒桩不适用。 塑坚查兰婴土兰垡堡茎一一 关键词：简桩，海堤，有限元分析，水平性状，设计方法 i l 塑! ! 查兰堡主兰竺堡墨 n u m e r i c a l a n a l y s i so f t h ep r o p e r t i e so f l a r g e d i a m e t e r c a s t - i n s i t ur 】陬b u l a rp i l e su n d e rh o r i z o n t a ll o a d a b s t r a c t s e a w a l lc o n s t r u c t e dw i t hl a r g ed i a m e t e rc a s t i n s i t ut u b u l a rp i l e si san e wt y p eo fs e a w a l l c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a ls e a w a l l s ，i th a sm o r ea d v a n t a g e si nt e r m so ff a s t c o n s t r u c t i o n ，m a t e r i a l s a v i n ga n dh i g h b e a r i n gc a p a c i t y b u tn o w a d a y si ti sn o tw i d e l yu s e di no c e a ne n g i n e e r i n gb e c a u s ef e wr e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n eo ni t sw o r k i n gb e h a v i o r b yu s i n gs t i f f n e s se q u i v a l e n tm e t h o d ，t h i ss t r u c t u r ei ss i m p l i f i e di n t op l a i ns t r a i np r o b l e m h o r i z o n t a l l o a di st h em a i nl o a da c t i n go nt h es t r u c t u r eh e n c et h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h eh o r i z o n t a l p r o p e a i e so f t h i sk i n do fs e a w a l la r ei n v e s t i g a t e d ，d i f f e r e n te f f e c t so ni t sb e h a v i o ra r es l u d i e d ，s u c ha s s o i lp r o p e r t i e s ，p i l es p a c e ，p i l e sa i f f n e s s ，b e a ms t i f f n e s s ，p e n e t r a t i o nd e p t h ，t h el o c a t i o no fc o n n e c t i n g b e a ma n dr u b b l er e i n f o r c e m e n t u s e f u lc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w i n g t h eb e s tp e n e t r a t i o nd e p t h i s2 d ( di st h eo u t e rd i a m e t e ro f t u b u l a rp i l e ) a n dt h es u i t a b l ep i l es p a c ei s4 d i ti sr a t h e rr e c o m m e n d e d t oi n c r e a s et h es t i f f n e s so fc o n n e c t i n gb e a mt h a nt h ep i l es t i f f n e s si t s e l f t h el o c a t i o no fc o n n e c t i n g b e a mi ss u g g e s t e dt ob eal i t t l ef a r t h e rf r o mt h et o po ft h ep i l e s i ti sb e t t e rt or e i n f o r c et h es o f tc l a yi n t h es e a f l o o ra n dd u m p e dr o c k f i l li st e s t e dt ob eag o o dt r e a t m e n t t h er a n g eo ft h et r e a t m e n ti sak e y p a r a m e t e ra n ds u g g e s t e dt ob e3 d h e nd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n so ft h et r a d i t i o n a ls e a w a l l sa n di t sa p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e d s e c u r i t y , e c o n o m ya n de n v i r o n n a e n t a lp r o t e c t i o na r et h r e ek e yi s s u e si nt h ed e s i g n t h ep r i n c i p l e sa n dp r o c e d u r e s o fs e a w a l ld e s i g n i n ga r ea l s op u tf o r w a r d t w oc a s e ss t u d i e sd e m o n s t r a t et h a t d e s p i t eo fm a n y a d v a n t a g e s t h i ss t r u c t u r ec a nn n tb eu s e di na 1 1s i t u a t i o n sb e c a u s eo f t h el i m i t e dl e n g t h a n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：l a r g ed i a m e t e rc a s t - i n - s i t ut u b u l a rp i l e ；s e a w a l ls t r u c t u r e ；u u m e r i c a la n a l y s i s ；h o r i z o n t a l p r o p e r t i e s ；d e s i g nm e t h o d 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 海堤是围海工程的主体，也是海岸防护的主要工程措施。在软基上建筑围海工程 主要问题之一是地基的强度低，地基承载力低，引起建筑物沉降量大，建筑物极易失 稳。因此在这样的地基上建造建筑物，必须进行地基处理。 目前已有的地基处理方法有：在软土地基上铺砂、碎石垫层或铺土工织物等加筋 加固、设置镇压平台增强海堤稳定性、打设水泥搅拌桩或振冲碎石桩加固软基、排水 固结法加固软基、爆炸排土置换加固软基等，或直接采用桩基础。前几种方法一般施 工时间较长，并且工后沉降较大，桩基础虽然处理效果好，但造价高，一般只用于码 头基础或者迎水面墙体下。 大直径现浇混凝土薄壁筒桩( 以下简称筒桩) 新技术是由谢庆道教授在长期从事 海洋工程科学研究和工程实践的基础上创造发明的，已经获得了中国国家发明专利权 ( z l 9 8 1 1 3 0 7 0 4 ) ，桩体全部采用现浇素混凝土或钢筋混凝土一次成型，外径在中 1 0 0 0 r n m - 1 5 0 0 r n m ，现正向更大直径的方向发展，壁厚一般为1 2 0 m m - 2 0 0 m m 。它可 以解决常规软基处理方法沉降期较长、工后沉降及不均匀沉降较大等缺点，与预制桩 或混凝土灌注桩基础相比，造价要低。目前已应用于我国东南沿海海洋工程( 如温州 鹿西岛双排桩防浪堤) 、交通道路工程( 如杭州绕城高速公路、杭宁高速公路软基处 理) 、水利工程( 如上海浦南东片出海闸导流堤) 中。 简桩结构直立式海堤设计断面小，结构稳定性好，强度高，抗冲击能力强，处理 的软基厚度可达几十米及水深较大的海域。沉降稳定期短，工后沉降及不均匀沉降小， 施工工期短，造价低，施工无污染。并且造型美观，堤顶可以通过管桩芯土自然绿化 环境。因此，筒桩结构海堤具有非常广阔的应用前景。筒桩结构海堤作为新型海堤结 构，目前对其理论研究却远远不够，因此浙江省水利厅委托浙江大学建筑工程学院岩 土所对其性状进行研究( 项目编号：1 4 0 3 0 1 ) ，本文研究的内容属于此研究课题的一 部分。由于海堤结构主要承受波浪力、堤后填土等水平荷载作用，因此本文采用数值 分析方法，对双排筒桩海堤结构的水平性状进行详细的研究。 1 2 筒桩技术简介 1 2 1 筒桩的特点 筒桩直径大，稳定性好，它充分利用和发挥桩内土体的作用，形成复合地基，经 济效益突出；属于少量挤土桩，成桩过程中大量的土体不是挤向桩周而是被内管套入 其中，当内管挤到一定程度时可以从上部泄口中溢出，受挤的土只是少数，因此施 1 时对周围建筑物影响不大，若用高频振动锤，施工影响可控制在l m 左右；可在多 浙江大学硕士学位论文 个桩位打设内外套管后，同时浇注混凝土并拔管，园此挤桩效应小，此外施工所需场 地不大，可在密集区域施工；筒桩是连续浇灌而成，施工方便又迅速，质量有保证， 必要时还可增强和扩底，且没有环境污染问题。 筒桩可制成素混凝土的低标号桩，若需要承受巨大的上部压应力，或承受强大的 水平推力，也可制成钢筋混凝土桩，组成复合地基的增强体，有效控制土的侧向变形， 减少工后沉降。另外，筒桩可以灵活组成各种形式，若做成单体排列的联体，也可用 系粱连成空间框架结构，作为各种支挡结构和消浪设旄。海上施工时，数十米长度可 以次性浇筑完成，施工时对混凝土质量能进行有效的控制，因此在围海工程中有很 好的应用前景。 1 2 2 筒桩在围海工程中的应用 图1 1 单排联体 结构 图1 , 2 单面插板双排 框架结构 图1 , 3 双面插扳双排 框架结构 筒桩结构直立式海堤是一种上部结构与下部筒桩基础结合的新型海堤，能够解决 传统海堤工程软土地基处理时间长，工程质量难以保证等难题，同时占地少，在土地 资源日益紧张的形势下，其优势更为突出。该堤可以形成单排联体( 如图l 1 ) 、双排 框架( 如图1 2 和图l ，3 ) 等结构，桩顶采用现浇钢筋混凝土压项梁连接，两排桩之 间用系梁连接，可形成一个类似于重力式挡墙的结构体系。本文研究的如图1 2 所示 的单面插板双排框架结构，插板位于远离外海测的后排桩之后，其桩后有填土。 1 3 筒桩在工程应用中存在的问题 虽然筒桩由予其造价低、施工便捷、承载力高、工程中质量易于保证等优点已经 广泛应用于各种工程中，但是目前却存在以下两个方面的问题： ( 1 ) 施工方面 对软土层的强度有一定的要求，例如对硬塑层就难以穿透，对较密实的砾砂、 砾石层也不能进入较深( 一般只能进入i 一2 m ) ，所以如遇到有较厚的( 如3 4 m 以 上) 硬粘土层或密度较高的砾石层夹层，就难以穿透而进入其下的软土层。 简桩若处理3 0 m 以上的软土厚度时，其成孔器长度难以达到要求，需要进行 接桩，在海上施工不方便。接桩处的质量难以保证。 筒桩海堤插板的安装一般分为两部分，海底面以下部分采用预制钢筋混凝土构 件，海底面以上部分采用现浇，这就要求单体筒桩旌工时定位非常准确，一旦桩体发 浙江大学硕士学位论文 个桩位打设内外套管后，同时浇注混凝土并拔管，因此挤桩效应小，此外施工所需场 地不大，可在密集区域施工；筒桩是连续浇灌而成，施工方便又迅速，质量有保证， 必要时还可增强和扩底，且没有环境污染问题。 筒桩可制成素混凝土的低标号桩，若需要承受巨大的上部压应力，或承受强大的 水平推力，也可制成钢筋混凝土桩，组成复台地基的增强体有效控制土的侧向变形， 减少工后沉降。另外，简桩可以灵活绸成各种形式，若做成单体排列的联体，也可用 系梁连成空间框架结构，作为各种支挡结构和消浪设施，海上施工时，数十米长度可 姒次性浇筑完成，施工时对混凝土质量能进行有效的控制，因此在围海工程中有很 好的应用前景。 1 2 ，2 筒桩在围海工程中的应用 伊霄币j 声f = 7 夺伊覃可可彳f f 需1 伊育彳f 衙萨书 必划划渺掣鸯掣辫掣$ 丝炒7 j 、t l 、电，i 与添寄寺蒂符，些n 共雨志：热 划蟛划鬯燮型垫 图1 1 单排联体 结构 图1 2 单面插板取排 框架结构 国l3 双面插板双排 框架结构 筒桩结构直立式海堤是一种上部结构与下部筒桩基础结合的瓤型海堤，能够解决 传统海堤工程软土地基处理时间长，工程质量难以保证等难题，同时占地少，在土地 资源日益紧张的形势下，其优势更为突出。该堤可以形成单排联体( 如图1 1 ) 、双排 框架( 如图1 2 和图1 3 ) 等结构，桩顶采用现浇钢筋混凝土压顶粱连接，两排桩之 间用系梁连接，可形成一个类似于重力式挡墙的结构体系。本文研究的如图1 2 所示 的单面插板双排框架结构，插板位于远离外海测的后排桩之后，其桩后有填土。 1 3 筒桩在工程应用中存在的问题 虽然筒桩由于其造价低、施工便捷、承载力高、工程中质量易于保证等优点已经 广泛应用于各种工程中，但是目前却存在以下两个方面的问题： ( 1 ) 施工方面 对软土层的强度有一定的要求，例如对硬塑层就难以穿透，对较密实的砾砂、 砾石层也不能进入较深( 一般只能进入1 2 m ) ，所咀如遇到有较厚的( 如3 4 m 以 上) 硬粘土层或密度较高的砾石层夹层，就难以穿透而进入其下的软土层。 筒桩若处理3 0 m 阻上的软土厚度时，其成孔嚣长度难以达到要求，需要进行 接桩，在海上施工不方便，接桩处的质量难以保证。 筒桩海堤插板的安装一般分为两部分，海底面以下部分采用预制钢筋混凝土构 件，海底面以上部分采用现浇，这就要求单体筒桩施工时定位怍常准确，一旦桩体发 件，海底面以上部分采用现浇，这就要求单体筒桩施工时定位非常准确，一旦桩体发 浙江大学硕土学位论文 生偏斜，海底面以下很难将插板插入。 ( 2 ) 目前对筒桩的应用已取得了大量的实践经验，但是理论研究还很滞后，目 前国内尚未相关的设计规范和标准，迫切需要进行的研究有： 单桩竖向和水平向承载性状分析( 尤其是土芯的影响) ： 单桩和群桩的沉降计算分析； 筒桩结构海堤合理的结构形式( 包括桩间距、排桩间距、连接形式等) ； 筒桩海堤结构的承载力和稳定性计算。 1 4 筒桩研究现状 筒桩是一种新型的桩基技术，目前对其理论研究并不多，国外还未曾见对该项技 术的研究报道。目前，国内此项技术已逐步应用于公路软基处理和堤坝工程中，后者 由于要在海上进行施工，旌工技术要求很高，而且理论设计还很缺乏，因此筒桩用于 公路软基处理的较多。用作海堤结构的筒桩一般采用双排桩的形式，前后排桩之间用 联系梁和压顶梁连接，这与基坑支护中的双排桩有很多相似之处，目前关于双排桩的 理论研究还是比较完善的，因此双排桩的研究理论值得借鉴。 1 4 1 国内关于筒桩的研究现状 1 竖向荷载作用下的筒桩研究现状 在筒桩的竖向承载力研究方面，温淑莲等( 2 0 0 2 ) 、朱向荣等( 2 0 0 3 ) 、刘汉龙 等( 2 0 0 3 ) 提出了一些简化计算方法并用于实际工程设计。为了分析篱桩竖向荷载作 用下的荷载传递性状，叶俊能( 2 0 0 3 ) 、费康等( 2 0 0 4 ) 、张晓健等( 2 0 0 4 ) 、姜陈钊 ( 2 0 0 4 ) 、郭平( 2 0 0 5 ) 、龚迪快( 2 0 0 5 ) 等进行了室内外试验、解析理论和数值计算 ( 如f e m ) 等研究工作，使筒桩竖向承载力计算有了较大进展。 温淑莲等( 2 0 0 2 ) 探讨了用于软基处理的筒桩竖向承载力计算方法。提出桩承载 力由桩外侧摩擦力、桩内侧摩擦力和桩端阻力三部分组成，其中桩外侧摩擦力取值可 参考钻孔灌注桩的取值；对于桩内侧摩擦力，认为筒内土体是饱和软粘土，在受压时 不考虑发生体积压缩，筒桩顶部又浇注实心混凝土与板相连成整体，所以在桩下沉时， 筒内土体与简壁无相对位移，内摩阻力为零；对于桩端阻力，认为与钢管桩相似，考 虑底端闭塞效应，桩端阻力p = 丑。c r r a ，其中a 。为桩底端闭塞效应系数，取o 5 ；盯。 为桩端阻力值，参考钻孔灌注桩取值；a 为桩端面积。用该计算方法所得的结果与实 际观测值进行了比较，结果之间的差值约为实际观测值的2 0 左右，认为该计算方 法基本符合实际情况。 朱向荣等( 2 0 0 3 a ) 提出了筒桩承载力的经验计算公式，认为筒桩单桩竖向极限 承载力除保留沉管灌注桩的桩侧摩阻力、桩端阻力外，增加了土芯端阻力。桩侧摩阻 浙江大学硕士学位论文 力和桩端阻力的取值可参考桩基规范，而土芯端阻力q 螗= r t q 砧4 ，其中珥为桩端阻 修正系数，取0 h 1 ，笔者认为该系数范围太大，不容易确定；g 。为参考沉管灌注桩 的极限桩端阻力标准值；4 为土芯截面积。通过现场试桩认为，筒桩土芯端部的承载 力比桩端差很多，筒桩内土芯的存在与否，对桩端阻力的正常发挥影响较大，在有良 好持力层时，土芯对增大承载力和减小沉降量都有较大贡献，当持力层为软土时，土 芯对承载力贡献较小，但对减小沉降量有较大贡献。 刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 提出了振动沉模大直径现浇管桩复合地基的概念，振动沉模大 直径现浇管桩与本文研究的筒桩受力机理一样，因此可以参考。他认为复合地基中管 桩的承载力由桩外侧摩擦和桩端阻力两部分组成，由于内摩擦力计算尚未有切实可行 的计算方法，可将它作为安全储备。 上述三位学者的公式都是基于工程经验提出的，对于竖向荷载作用下筒桩的荷载 传递性状，尤其是土芯的工作性状没有进行深入的研究。 为了更深入了解竖向荷载下筒桩的荷载传递性状，国内些学者做了大量的室内 外试验、解析理论和数值计算( 如f e m ) 等研究工作。 室内外试验研究方面，周平等( 2 0 0 3 ) 从设计、施工、加固效果等方面介绍了杭 宁高速公路采用现浇混凝土薄壁筒桩加固桥头路堤软基的应用情况。结果表明筒桩具 有良好的群桩基础承载力性能及有效防止软土地基侧向滑移的能力，对高填方路堤具 有良好的抗滑性能；刘芝平等( 2 0 0 3 ) 介绍了现浇混凝土薄壁管柱技术以及在南京大 厂区高填土市政道路软基加固中的应用。通过现场测试沉柱过程中地面水平位移和桩 周土压力的变化，发现薄壁管柱侧向挤土效应小；朱向荣等( 2 0 0 3 ) 介绍了筒桩的成 桩设备、拖工工艺，认为筒桩在饱和粘土或软粘土地基应用优势明显，通过两个场地 1 2 组试桩的静载荷试验，对筒桩承载特性进行了分析和研究；张晓健等( 2 0 0 4 ) 通 过自行研制的加载系统和量测系统装置，对砂土中筒桩进行了室内模型试验。试验所 得的荷载- 沉降曲线结果与采用s e e d 和r e e s e 提出的双曲线荷载传递函数计算的结果 进行了比较，认为采用该试验装嚣进行室内模型试验研究是切实可行的：荷载传递函 数适用于筒桩，并且认为筒桩内摩阻力是存在的。建议今后的试验通过改变壁厚、管 径及桩长等参数，或把内部砂土取出来进一步研究桩芯土的性状。 也有一些学者通过理论推导或者数值计算进行了竖向荷载作用下筒桩的承载性 状研究。 汪鹦程等( 2 0 0 4 ) 应用圆孔扩张理论，分析了筒桩旄工挤土效应，并通过比较， 得出筒桩施工挤土效应远远小于普通沉管灌注桩或预制实心桩，筒桩可发挥内、外摩 阻力，承载力高，可以显著减小沉桩时的挤土，挤土效应小，并且桩径越大，效果越 4 浙江大学硕士学位论文 显著。汪的工作只是研究了筒桩的挤土效应，至于土芯对筒桩承载性状的影响，并未 涉及。 朱向荣等( 2 0 0 3 b ) 采用双折线荷载传递函数，推导了筒桩轴向荷载沉降曲线的 解析表达式。通过非线性优化算法，拟合实测的荷载一沉降曲线，得到桩土系统的工 程力学参数，并由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲线。通过对筒桩实测荷载 沉降曲线的对比，验证了公式的有效性。 费康等( 2 0 0 4 a ) 基于荷载传递法，考虑土塞的作用，提出了一种简桩单桩性状 的简化分析方法。内、外桩土界面上的相互作用模型采用s m i t h 提出的弹塑性模型， 桩体和土塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟，桩结点和土塞结点之间通过 弹簧与滑块连接，从而在分析中可以考虑土塞和桩的相互作用。采用该方法分析了模 拟了荷载沉降曲线，计算了桩的内外摩阻力及土芯和桩身的轴力，与现场试验和有 限元计算结果进行比较，验证了其准确性。 费康等( 2 0 0 4 b ) 还通过有限元方法研究了筒桩的荷载传递机理。计算分析时， 桩采用了线弹性模型，土体采用摩尔库仑弹塑性模型，桩土间的接触采用c o u l o m b 摩擦模型，考虑了土体的自重初始应力场。计算结果和静载试验的结果进行了对比， 验证了该有限元分析方法的正确性。 这两位研究者基于不同的方法研究了筒桩的竖向承载力性状，给出了内摩擦力沿 桩长的分布形式，但是前者的试验也是基于砂土，并且许多因素未考虑到，后者基于 有限元的结果考虑的因素也十分有限。 郭平( 2 0 0 4 - - 2 0 0 5 ) 对单体筒桩的竖向工作性状进行了有限元分析，研究了简桩 单桩的荷载传递机理，考虑了桩侧土弹性模量变化、桩侧土体凝聚力变化、桩侧土体 内摩擦角变化、桩端土弹性模量变化、桩长变化、桩径变化、桩壁厚度变化等对其竖 向承载力性状的影响。根据有限元分析结果，郭平还提出了一个竖向极限承载力的估 算公式，计算结果与试验结果进行了比较，验证了估算公式的正确性，并且根据估算 的结果，认为简桩的外摩阻力占极限承载力的一半以上，而内摩阻力非常小，可以忽 略不计。 龚迪快( 2 0 0 5 ) 通过解析算法，研究了土芯存在闭塞效应的前提下，筒桩内侧摩 阻力荷载传递机理，存在极大的局限性。 从上述分析可知，目前关于竖向荷载作用下筒桩的工作性状研究成果主要集中在 几个方面：现场试验和室内模型试验、经验公式、解析解推导以及数值分析。由于尺 寸效应等因素室内模型试验研究结果不能正确反映筒桩荷载传递机理，而现场试验则 不易测得工作条件下土芯的应力分布、内侧摩阻力的发挥方式和程度；工程中应用的 经验公式则往往直接套用钢管桩和预应力管桩中桩端土的闭塞效应等算法，不能合理 解释筒桩土芯作用机理：而已有的锯析解的一些假设条件则大大限制了其使用范围， 甚至有些假设条件是不合理的；有限元等数值分析方法虽然功能强大、适应性强，可 浙江大学硕士学位论文 较全面地模拟桩一土相互作用机理，但计算量过大而且复杂，难以实用，且计算参数 的选择和前期建模等工作也有很大难度。另外，对于软土地基的筒桩是否会形成土塞 效应，以及闭塞效应的产生条件及相应情况下桩端阻力的确定，也是一个非常值得研 究的问题，因为是否形成土塞对筒桩竖向承载力的影响非常大。 2 冰平荷载作用下筒桩研究现状 目前筒桩虽然已应用于公路、海洋和水利工程中，但是关于筒桩水平荷载作用下 的：r 作性状研究却很少，国内到目前为止，只有王哲( 2 0 0 5 ) 进行了倾斜荷载下单桩 受力和挠曲变形的求解，推导出了大直径筒桩单桩在竖向集中荷载、水平向荷载、桩 身自重以及桩内外侧摩阻力耦合作用下的计算公式；还进行了双排筒桩海堤的内力和 位移计算。 王的公式推导是基于一定的假设进行的，由于目前关于筒桩海堤的实测资料十分 匮乏，因此，公式的适用性还有待于工程实例的验证；另外，推导过程无法考虑筒桩 的整体结构性对筒桩海堤水平性状的贡献。 1 4 2 双排桩的研究现状 “双排桩”排桩之间可以并无连接、只是地基土填充，也可以是由结构构件连接； 可以承受竖向荷载，也可以用来承受水平荷载。工程中常用的双排桩结构，指的是双 排桩支护结构，是在地基土上打设具有一定排间距的两排桩，桩在平面上可以布置成 矩形或三角形，桩间采用某种结构型式连接( 目前多采用桩顶压项粱或中间联系梁连 接) ，主要用来承受水平荷载的一种支护结构型式。国外首先进行了大排距双排桩结 构( 排距大于8 倍桩直径) 的理论和试验研究( m a s a t o s h is a w a g u c h i ，1 9 7 4 ；大堀晃 ，1 9 8 4 ；菊池喜昭等，1 9 9 1 ) ，我国2 0 世纪9 0 初，开始进行小排距双排桩结构的研 究。目前，该结构在基坑支护、边坡防护、临时围堰等工程领域广泛应用，并逐渐应 用于围海岸堤、防波堤、码头等海洋结构建筑中。 m a s a t o s h is a w a g u c h i ( 1 9 7 4 ) 首先对大排距双排桩结构进行了理论研究工作，提 出了双层板桩的理论解。把地基土上面部分的板桩和排桩间填砂作为弹性复合体，地 基部分作为弹性水平地基弹簧将其模型化，地基上部利用水平微段力的平衡，建立了 双排板桩结构的两个基本偏微分方程，并按六种边界条件进行了解析求解。 大堀晃一( 1 9 8 4 ) 对m a s a t o s h i 的方法做了改进，考虑了地基表面上充填砂的剪应 力在地基中的传播及支护内侧( 基坑开挖边或海堤临海边) 板桩打入土部分的挤土作 用，并对其应力- 应变关系进行了非线性处理。大堀晃一、茬司喜博等( 1 9 8 4 ) 对大 排距双排桩结构做了小型和大型的模型试验对比，证明桩间有充填砂的结构产生的位 移比没有充填砂结构的明显减小；桩入土越深、板桩刚度越大、墙的宽高比越大、充 填砂越密实，其桩顶位移越小。在小型模型试验中效果显著的隔墙，在大型模型中效 果不明显，但在大型模型试验中，在隔墙和联系粱都有的条件下，桩顶位移能得到明 显的控制，同时板桩上的弯矩分布也更合理。 6 浙江大学硕上学位论文 随后，菊池喜昭等( 1 9 9 1 ) 用离心机进行了用固化土充填的大排距双排桩结构的 双层板桩护岸的小型模型试验。试验结果表明：在固化土与板桩壁面的一般接触条件 下，固化土的效果不是很明显，但在板桩与固化土充分接触时，桩顶位移、板桩弯矩 的最大值均比充填砂时小，且在墙体宽度变宽或海底地基密实时，板桩弯矩的最大值 和位移也同时变小。 最近，我国学者开始对大排距排桩在基坑支护和海堤、码头等海洋建筑物中应用 进行了深入的研究。周国然( 2 0 0 3 ) 对1 9 8 9 4 1 9 9 0 连云港庙岭二期工程双排大直径预 应力管桩码头产生较大位移和内力的原因进行了分析( 桩顶最大位移1 4 1 8 c m ) ，在此 基础上提出了无承面板和分层填砂并水泥搅拌加固的结构工艺、以及大排距双排桩的 计算方法；并进行了离心机模型桩试验，关于墙顶水平位移的试验结果与通过作者提 出方法进行计算所得结果相差在2 0 以内。 在我国，进行的比较多的是小排距双排桩结构的研究和应用。2 0 世纪9 0 年代初中 国建筑科学院地基研究所与北京建工集团总公司共同开发了双排桩深基坑支护结构， 后来何颐华等建立了相应的计算模型( 将双排桩和联系梁作为底端嵌固的刚架结构， 联系梁看作刚体) ，在此称之为“建研院模型”。此后在“建研院模型”基础上一些学 者建立了多种计算土压力和桩体内力和变形的计算方法。实际工程应用中由于排架桩 的顶节点的构造配筋不同，可以分为桩顶固接、铰接或介于其间，这在选取计算模型 时应该注意的。蒋天涛曾对刚架护坡桩与双排桩进行过区分论述( 1 9 9 6 ) ，他针对双 排桩工程事故，对刚架护坡桩与双排桩护坡桩在概念、结构构造和力学三个角度进行 了区分，认为它们之间有本质差异，在设计中应该注意的。 刘钊( 1 9 9 2 ) 采用悬臂框架计算模型，计算土压力时分区考虑。基底以上部分后 排桩的桩背土压力采用主动土压力，将桩间土看作受侧向约束的无限长土体，且其水 平向应变为零，基底以下部分的桩侧抗力采用工程中常用的m 法计算；张弘( 1 9 9 2 ， 1 9 9 3 ) 建立了排桩与压顶梁间采用铰接的双排桩计算模型。计算土压力时，将桩间土 视为受侧向约束的无限长土体，前后排桩土压力计算采用朗肯土压力乘以一修正系 数。前排桩的计算按单锚板桩考虑，后排桩的桩长通过对桩抗倾覆验算求得。 何颐华等( 1 9 9 6 ) 对双排护坡桩进行了试验研究，结果表明在桩数相同的情况下， 双排桩比单排桩更能有效地控制桩顶位移，且相同荷载条件下，排距越大，桩顶位移 越小。当排距为八倍桩直径时，整个体系类似于锚拉体系。何颐华等( 1 9 9 6 ) 认为双 排桩结构中，在极限平衡状态下，土体滑裂面夹角与仅有前排桩的滑裂面夹角一致。 根据排距的不同。按后排桩两侧滑动土体重量的比例关系来修正求解前后排桩的朗肯 土压力。排桩结构的内力与挠度的计算按结构力法计算。但是未能考虑由于后排桩的 影响使土体破裂面发生变化：黄强( 1 9 9 7 ) 认为后排桩的存在改变了极限状态下滑动 面夹角，且由极限平衡原理推导出破裂面夹角是双排桩宽深比和土体内摩擦角的函 数。计算土压力时引入了后排桩的影响系数。该模型认为双排桩所受土压力以桩间土 7 浙江大学硕士学位论文 压力为主，求解算式与实际情况矛盾；程知言等( 2 0 0 1 ) 在考虑上面两种模型的基础 上，将桩后作为独立的刚塑性体进行分析，认为双排桩土压力是以后排桩桩侧土压力 为主，且由极限平衡原理推导出破裂面夹角是双排桩宽深比和土体内摩擦角的函数。 在宽深比较小的双排桩结构中，这一计算模型己逐渐被工程界认可。 土压力是小排距双排桩结构物的主要外荷载，土压力的计算在小排距双排桩结构 的研究中有重要意义。以上模型在计算土压力时，均沿用经典的朗肯或库仑土压力理 论。现场监测资料和试验数据显示：矩形或三角形排列护坡桩的土压力分布不是三角 形，而是略成弧形，土拱原理被引入计算双排桩土压力上来( 何颐华等1 9 9 7 ，吴翠华 等1 9 9 7 ) 。胡敏云等( 2 0 0 0 ) 考虑土拱作用，将土压力作用范围分为四个区，并进行 了直接土压力和间接土压力的公式推导。 熊巨华( 1 9 9 9 ) 针对双排桩间用水泥土搅拌桩加固，桩顶帽梁与桩刚性连接的情 况，提出了等效抗弯刚度的简化计算方法。 郑刚等( 2 0 0 4 ) 以平面刚架模型为基础，提出了种考虑桩土相互作用的平面杆 系有限元双排桩分析模型，将双排桩之间视为薄压缩层，并以水平向弹簧模拟，可以 考虑丽排桩间土层分布变化、压缩性、桩问土加固等对双排桩相互作用的影响，避免 人为分配前后排桩土压力所造成的误差。 蔡袁强( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 采用平面应变非线性弹性有限单元法，编制了分析双排桩 式围护结构的程序，藉此研究了软土地基中双排桩式固护结构的内力和变形特性。探 讨了桩身刚度、前后排桩排距、被动区土体加固对围护结构内力和变形的影响，德到 了双排桩式围护结构设计及施工的一些有益结论。龚晓南( 2 0 0 2 ) 以工程实例为研究 对象，采用数值分析方法，对深埋重力一门架式围护结构性状及其主要影响因素进行 了分析。赵晖等( 2 0 0 5 ) 基于现场测试的成果，利用常数法、m 法和编制的有限元程 序对实际工况进行计算比较，研究分析了双排桩丁坝在涌潮作用下的受力机理。由于 前排桩和后排桩的受荷模式不同、刚度不同，从而桩头弯矩不同。测试结果和理论分 析表明，双排桩丁坝的桩体约束条件介于桩头自由和桩头固接之间，常数法和研法的 计算都基于桩头完全固接的假设，其计算结果与实际情况相差较大，而有限元法计算 假设较少，其计算结果与实测值吻合较好。 从以上分析可知，目前关于双排桩的计算模型归纳起来主要有三大类：根据经典 土压力理论确定土压力的计算模型；根据文克尔假定的计算模型；用平面有限元法的 计算模型。第一种计算方法的关键是关于土压力的假设是否合适，在宽深比较小的双 排桩结构中，程知言提出的计算模型比较合理：后两种方法能够考虑桩土的共同作用， 计算的结果较为理想，不过计算参数的选取非常重要。 1 5 本文的工作 浙江大学硕士学位论文 本文研究的大直径薄壁筒桩海堤与传统的双排桩结构有所不同，除了桩型的差别 外，所承受的荷载来自于填土的侧向土压力，而用于基坑支护的双排桩承受的荷载主 要是由挖土造成的；如果考虑到消浪作用将插板设置于后排桩，然后在后排桩后填土， 那么前后排桩之间不再有土体，这与双排桩的土压力形式也有很大差别。本文主要进 行了以下研究工作： 1 介绍了有限单元法的基本知识，对本文中用到的两款分析软件进行了算例验 证，证明这两款软件可以用来分析平面应变问题。 2 程知言根据经典土压力理论提出的土压力计算模型很难应用于本文研究的双 排筒桩海堤结构，而工程实践也缺乏必要的设计原则。但是双排筒桩海堤由于压顶梁 和系梁的连接作用，整体刚度较大，而插板又设置于后排桩，在水平荷载作用下，基 本发生整体变形，类似于双排连续墙，因此，根据熊巨华( 1 9 9 9 ) 提出的等效抗弯刚 度原则，将筒桩结构由复杂的三维问题简化为平面应变问题。 3 本文借鉴了蔡袁强( 1 9 9 7 ) 对双排桩式围护结构进行研究时采用的平面应变有 限单元法，采用同济曙光和p l a x i s 有限元分析软件模拟了筒桩海堤在桩后填土以及波 浪力作用下，持力层土体模量、进入持力层的深度、排距、排桩刚度、系梁刚度、系 梁位置、抛石等因素对其水平性状的影响，给出了各种因素变化时，前后排桩的桩身 位移和弯矩图，根据桩身位移和弯矩的变化趋势，得出了与之相关的结论。分析时土 体单元和梁单元采用线弹性模型，接触面采用g o o d m a n 接触单元，可以考虑桩土之 间的滑动和脱开。 4 提出了海堤结构设计的基本原则，简要介绍了目前海堤断面的基本形式，给出 了海堤设计的基本思路和步骤。根据有限元分析的结果，结合两个具体的工程实例， 进行了筒桩海堤的结构设计分析。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章有限单元法理论基础 有限单元法的出现，是数值分析方法研究领域的重大突破，它的基本思想是将连 续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由 于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模 拟几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在 每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的 近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。 这样来，个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各个结点上的数值就成 为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自 由度问题。旦求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的 近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，即单元尺寸的 缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进， 最后收敛于精确解。 有限单元法可以分析性状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构；可以在计 算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件，例如可以模拟岩土体中的渗流和初 始地应力场、混凝土的不均匀温度场等，这些因素在物理模型中往往难以模拟；可以 进行结构的动力分析；由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分 析，并迅速用图形表示计算结果，从而有利于对工程方案进行优化。基于这些优点它 的应用很快被扩展到固体力学的各个分支，又从固体力学扩展到流体力学、热传导学、 电磁学等各个领域( 朱伯芳，1 9 9 8 ) 。c l o u g h ( 1 9 6 7 ) 首先用有限单元法来分析堤坝 的应力和变形。e t l i s o n ( 1 9 7 1 ) 、d e s a i ( 1 9 7 4 ) 等陆续用有限单元法分析桩的受力特 性，并与实测结果相验证，以指导桩的设计和施工。h o o p e r ( 1 9 7 3 ) 、o t t a v i a n i ( 1 9 7 5 ) 等将有限单元法应用于群桩计算分析。p o u l o s ( 1 9 8 9 ) 在r a r l k i l l e 讲座中对桩基的理 论与实践进行全面系统的总结时指出“这些方法中( 指各种轴向荷载作用下桩的分析 方法) ，有限元是最有力的分析方法，不仅能考虑土体的非线性，而且能模拟桩贯入、 成桩后土体固结效应、动力效应的整个过程”。自9 0 年代以来，有限元单元法已经广 泛用于桩的性状分析，国内已有研究者将其用于双排桩的水平性状分析。 2 2 有限元模型的建立 有限元分析主要由以下基本步骤组成： 1 建立求解域，并将之离散化成有限个单元体； 2 假定描述单元物理属性的形函数； 1 0 浙江大学硕士学位论文 3 建立单元刚度矩阵； 4 组装单元，构造总刚度矩阵； 5 应用边界条件和初值条件，并施加荷载； 6 球解线性或非线性微分方程组得到节点值，并通过这些节点值求得求解域内其 它点的值。 本文采用平面应变分析方法，用同济曙光和p l a x i s 两款有限元计算软件，这两款 软件分别采用了不同的平面应变单元，同济曙光采用的是线性四边形等单元，而p l a x i s 采用的是二次三角形单元。三角形单元的精度虽然不如四边形单元高，但是就其对复 杂几何模型的适应性而言，非常有效。下面将分别介绍这两种单元刚度矩阵的建立。 2 2 。1 线性四边形( 即平面四结点) 等参单元 等参元是有限元分析中最常用的一种单元。这种单元用同种参数( 即形函数n ) 表示其几何特性和力学特性，并可模拟各种形状不规则的边界，例如曲线边界或曲面 边界。为了便于等参元的研究，通常经过单元的中心建立坐标系f 、叩，单元内任一 点在该坐标系下的坐标称为局部坐标。与此对应，单元内任一点在真实坐标系工、y 下的坐标就称为挨体坐标。整体坐标茗、y 与局部坐标孝、叩是通过形函数以来建立 联系的。同济曙光有限元分析软件采用线性四边形等参单元，如图2 1 所示。 x 图2 1 平面四结点等参元 2 巨h 驯巍良 淫， 浙江大学硕士学位论文 式中咚为x 方向正应变，为剪应变，为_ y 方向正应变。若令为x 方向萨应 力，为剪应力，为j ，方向正应力，则应力与应变的关系可表示为： 式中，【j d 】为材料常数矩阵，其表达式为 【d 】= 瓦( 1 - 而p ) 丽e 1 j l 0 1 一v ，_ 10 l v oo 上堡 式中e 为弹性模量，u 为泊松比。 四结点等参单元形函数为： l = 三( 1 一烈1 一刁) 2 = 三( 1 + 默1 叩) 3 = 三( 1 + 颞1 + 刁) 4 = 三( 1 一“1 十玎) 单元内的位移为： 4 地 i 4 jv 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，“。，t 分别为单元四个结点的善方向位移和j ，方向位移。将式( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) 并令 1， ，。l 叫 | 1，j 勺 _，。，。，。l 浙江大学硕上学位论文 则得： 占) = ，岛) 7 “) = “l ，v l ，“2 ，v 2 ，“3 ，1 冬，“4 ，v 4 ) 1 田= 嘲 ) 式中， 剀