（岩土工程专业论文）昔格达岩层中横向承载桩的计算宽度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 昔格达岩层的分布局限于西南一隅，该岩层具有遇水泥化、软 化和脱水开裂等特征，属极软岩类。对该岩层及以其为持力层的灌 注桩承载特性的研究资料极少，现行各规范对极软岩中横向承载桩 的计算宽度也没有明确的计算方法。所以对昔格达岩层中横向承载 桩的计算宽度研究具有理论和应用价值。 本论文主要根据西部交通科研项目“昔格达地层公路修建技术研 究”的子课题“昔格达地层桩基承载性能试验研究”，并结合省级科研 项目“西攀高速公路昔格达组泥岩层中钻孔桩提高承载力的研究”，对 昔格达岩层中横向承载桩的计算宽度进行了比较系统的研究。首先， 文中通过对新九现场试桩的单桩水平静载荷试验资料进行总结分 析，明确了各试桩的承载性状及极限承载力。其次，根据实测资料， 选用不同的计算宽度，按m 法进行分析，得出桩身位移曲线和桩身 内力曲线等，总结计算宽度对上述曲线的影响规律。再次，利用a n s y s 有限元软件研究了桩径、桩长和截面形状等因素对昔格达岩层中单 桩计算宽度的影响规律。 分析结果表明：在昔格达岩层中，对于圆( 方) 桩，在桩径( 宽) 小于1r n 时，其受力条件系数杨随桩径增加而减小；而桩径( 宽) 大于1r n 时，k d 则随桩径增加而增大；当桩径( 宽) 为1m 时达到最小。 另外，计算结果还表明，圆桩的形状系数k f 仍可取为0 9 ，桩长对于 计算宽度的影响较小。在此基础上，本文提出了昔格达岩层中单桩 横向计算宽度的确定方法。 关键词：昔格达岩层；横向承载桩；计算宽度；有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a bstrac t x i g e d a r o c k i sd i s t r i b u t e di nt h es o u t h w e s tr e g i o no fc h i n a i t b e l o n g st oe x t r e m es o f t r o c kw i t hs o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s b e i n gs l i m i n ga n ds o f t e n e db yw a t e r ，d e h y d r a t e dc r a c k i n ga n ds oo n t h er e s e a r c hd a t aa b o u tt h i sr o c ka n dc a s t - - i n - p l a c ep i l ei ni ti sv e r y s c a r c e t h ec l e a rc o m p u t a t i o n a lm e t h o d so ft h ec a l c u l a t i v ew i d t ho ft h e p i l ei nc u r r e n tc r i t e r i o n sh a v en o ty e tb e e nf o u n d s oi th a st h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lm e a n i n gt od i s c u s st h ec a l c u l a t i v ew i d t ho ft h ep i l ei n x i g e d a r o c k m a i n l y b a s e do nt h e s u b s h b je c t “t e s t i n gs t u d y o n b e a r i n g b e h a v i o ro fp i l ef o u n d a t i o ni nx i g e d a r o c k ”o ft h ew e s t e r nt r a f f i c s c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o je c t “r e s e a r c h o n h i g h w a y c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s i n x i g e d a - r o c k ”，a n d a s s o c i a t e dw i t ht h e p r o v i n c i a l s c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t t e s t i n gs t u d yo nb e a r i n gc a p a c i t yo fb o r e d p i l ei n x i g e d a m u d s t o n e o f x i c h a n g p a n z h i h u ae x p r e s s w a y ”，t h i s p a p e rd o e ss o m ec o m p a r a t i v e l ys y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ea p p r o p r i a t e c a l c u l a t i v ew i d t ho fs i n g l el a t e r a l l yl o a d e dp i l ei nx i g e d a r o c k f i r s t l y ， a c c o r d i n gt ot h es u m m a r i z ea n da n a l y s i so ft h el a t e r a l l ys t a t i cl o a dt e s t d a t ao fs i n g l ep i l eo nx i n ji us i t e ，t h eb e a r i n gb e h a v i o ra n du l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h et e s t e dp i l ea r eg o t s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e dd a t a ，d i f f e r e n tw i d t hi s a p p l i e dt o c a l c u l a t et h et e s tp i l e s b e a r i n gc a p a c i t yb yt h emm e t h o d t h ea u t h o rg a i n st h ec u r v e so fs t r e s s a n dd i s p l a c e m e n to fp i l eo nb a s i so ft h ea b o v er e s u l t s ，a n ds u m su pt h e r e g u l a r i t y o ft h ee f f e c to fc a l c u l a t i v ew i d t ho nt h ea b o v e c u r v e s t h i r d l y ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 _ l _ l - l - _ - _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ _ l _ _ _ l _ - - - l _ - _ l - i - - _ - _ _ _ - l 一 c a l c u l a t i v ew i d t ho fs i n g l ep i l ei nx i g e d ar o c k sb ya n s y s s o f t w a r e ， i e t h ep i l ed i a m e t e r ，p i l el e n g t h ，p i l es h a p e t h er e s u l t ss h o wt h a ti nx i g e d ar o c k s ，f o rt h ec i r c u l a r ( s q u a r e ) p i l e ，t h ep i l ed i a m e t e r ( w i d t h ) i sl e s s t h a nlm ，t h es t r e s sc o n d i t i o n c o e f f i c i e n tk oi n c r e a s e sa st h ep i l ed i a m e t e r ( w i d t h ) d e c r e a s i n g ；y e tp i l e d i a m e t e r ( w i d t h ) i sg r e a t e r t h a n1m ，k 0i n c r e a s e s a st h e p l l e d i a m e t e r ( w i d t h ) i n c r e a s i n ga n d a c h i e v e sm i n i m u mw h e nt h ep i l e d i a m e t e r ( w i d t h ) i s1m i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i s a l s os h o w st h a tt h e v a l u ef o rf o r mf a c t o rk fo fc i r c u l a rp i l ei ss t i l lo 9 ，t h ep i l el e n g t hh a s l i t t l ee f f e c to n i t sc a l c u l a t i v ew i d t h m e a n w h i l e ，an e wm e t h o dt o c a l c u l a t et h ec a l c u l a t i v ew i d t hf o r a s i n g l ep i l e i nx i g e d ar o c ki s p r o p o s e d k e yw o r d s ：x i g e d a r o c k ；l a t e r a l l yl o a d e dp i l e ；c a l c u l a t i v ew i d t h ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：h 犯而 1i ， 日期： 芦。尹7 f 指导老师签名 日期：二伊移 詹l 教。 露0 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 以新九地区昔格达岩层中的单桩水平推力试验结果为依据， 利用常规m 法和a n s y s 软件分析了桩径、桩长和截面形式等因素对 横向承载桩计算宽度的影响和规律性。 ( 2 ) 提出了昔格达岩层中横向承载桩计算宽度的确定方法和相 应的工程建议。 学位论文作者签名： 日期： 日把泵 弦。7 年7 月日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 问题的提出 2 0 世纪5 0 年代以前，桩主要被用来承受轴向荷载，而作用在建 筑物上的横向荷载一般由斜桩来承受，直桩不考虑承受横向力的作 用。实际上大直径的灌注桩、钢筋混凝土管桩和钢管桩的抗弯刚度 大，本身具有较大的横向承载能力。因此，利用桩承受横向荷载的 情况日益普遍，如桥梁桩基、海上采油钻井平台的支承桩、防止滑 坡的抗滑桩、高压输电线塔的基桩，以及由于抗震要求承受地震水 平力的桩等等。 昔格达岩层为半成岩状，裂隙较发育，遇水易软化，具有弱膨 胀性，强度极低，属极软岩类。由于目前人们对这一地层的研究成 果不多，对其特殊性质的认识有限，故工程设计中含有太多不确定 因素。根据资料调研，目前各现行规范对极软岩中的桩基未有明确 完整的计算方法，也未发现此方面的专门研究文献。另外，我国的 建筑桩基规范、铁路、公路桥涵设计规范【2 ，3 】和港口设计规范 4 】均 推荐采用m 法进行桩的横向受力计算。在m 法中，桩的计算宽度是 一个重要参数。现行各规范对桩的计算宽度均有明确的计算方法， 但这些方法都是根据桩在土中的试验结果提出。因此，为了保证西 攀昔格达岩层区域基础设计的科学合理性、经济性，也为类似地层 中桩基础的设计与施工提供依据和积累资料，就需要对昔格达岩层 中桩的计算宽度进行研究。本文基于现场试验、m 法及有限元法针对 这一问题进行系统研究。 本文以商业软件a n s y s 为平台，结合已有的试桩资料及工程地 质资料选择合适的土体参数( 如弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩 擦角和接触面摩擦系数等) ，确定研究单桩计算宽度的思路，并分析 不同桩径( 宽) 、桩长的单桩计算宽度变化情况；同时根据应力扩散 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的原理提出合理的扩散角值。 1 2 横向承载桩计算方法的发展及现状 桩在横向荷载作用下的性能研究在国外已有几十年的历史，国 内一些学者在这方面也做了大量工作。目前，横向承载桩基本上有 以下几种分析计算方法：弹性分析法、极限地基反力法、弹性地基 反力法、弹塑性地基反力法和数值分析法。 1 弹性分析法 弹性分析法假定桩埋置于各向同性的半弹性无限体中，并假定 土体的弹性系数( 杨氏模量e s 和泊松比y 。) 为常数，或随深度按一 定规律变化。计算时将直径为d ，长为，的桩分成若干微段，根据半 弹性无限体中承受水平力并发生位移的m i n d l i n 方程估算微段中心 处桩侧土位移，另据桩的挠曲微分方程求出桩的位移，并用有限差 分式表达，令土位移和桩位移相等，通过每一微段处位移协调条件 建立方程求解。 s p i l l e r s ( 19 6 4 ) 不仅分析了弹性地基还分析了弹塑性地基。考 虑土体屈服，可选用不同的屈服准则，计算中采用迭代算法：先按 弹性理论计算，当发现某段地基反力超过极限承载力时，则用已知 的极限承载力替代，直到所有区域土反力不超过极限承载力为止【5 】。 p o u l o s ( 19 71 ) 运用弹性理论，考虑土体存在极限反力，假定土 体为理想弹塑性体，桩身某一点处土体变形一旦超过极限应变，即 取这一点处土体反力为已知的极限反力，以此重复迭代计算 6 】。 2 极限地基反力法 极限地基反力法假定地基土处于极限状态，并事先假定土抗力 的分布形状。即土抗力是桩的入土深度z 的函数，与桩挠度y 没有直 接的关系，可根据作用在桩上的外力及平衡条件来推求桩的横向力。 雷斯( r a s e ) ( 19 36 ) 【7 】首先假定桩侧土地基反力为线性分布， 根据作用在桩上的外力及其平衡条件求解桩的水平抗力，此即为极 限地基反力法。冈部( 19 51 ) 【8 】、布罗姆斯( b r o m s ，l9 6 4 、16 5 ) 【9 。1 1 】、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 斯奈科特( s n i t k o ) 【1 2 】相继提出了不同的地基反力线性分布形式。物 部( 19 5 2 ) 【1 3 】和恩格尔则提出了假定地基反力为2 次曲线分布的极 限地基反力法。日本港湾构造物设计标准( 19 6 8 ) 【】则假定地基 反力为任意分布部分近似为直线，提出挠度曲线法。 3 弹( 塑) 性地基反力法 弹性地基反力法，即将桩作为竖放在弹性地基上的梁，利用文 克尔( e w i n k l e r ) 假设及梁的挠曲理论进行求解，是最早提出、也 是研究最多的方法。中国学者张有龄( 19 3 7 ) 【l5 】假定水平地基系数 沿深度为常数，求出了弹性长桩内力和位移分析的解析解，即常数 法，也称为张氏法。安盖尔斯基( 19 37 ) 提出k 法，即假定地面处 水平地基系数为零，沿深度逐渐增大( 增大的规律未给出，一般按 凹形抛物线考虑) ，到桩身第一弹性零点处增大到k ，再往下则为常 数。该法也曾在我国广泛应用，目前也因为其存在不足而逐渐被淘 汰。k c 西林( 19 6 2 ) 假定水平地基系数沿深度线性增加，地面处为 零，推导出m 法，该法目前应用较广。久保( 19 6 4 ) 【1 6 】假定水平地 基系数随深度的o 5 次方( 呈凸抛物线形) 增加，19 7 4 年我国交通 1 部组织的钻孔桩研究协作组 ”】根据桩基实测结果分析，推荐采用该 法，称为c 法，但推广较少。吴恒立( 2 0 0 0 ) 【1 8 】提出综合刚度原理 和双参数法，将水平地基系数随深度变化的指数也作为待定参数， 通过两个待定系数的调整，使计算结果更好地符合实际情况。 对于非线性地基，采用文克尔地基难以正确表达。马特洛克 ( m a t l o c k ) ( 19 7 0 ) 【1 9 】与里斯一考克斯( r e e s e c o x ) 等人( 19 7 4 ) 【2 0 】在试验和麦克莱伦特( m o c l e l a n d ) 的研究基础上，把桩侧水平地 基反力与土的不排水三轴试验所得的应力一应变曲线的相互关系加 以引申，提出按照实际土体的应力一应变关系进行计算的方法，即 p - y 曲线法。目前，此法已成为广泛应用的计算方法。叶万灵( 2 0 0 0 ) 【21 】根据国内众多的现场试验资料进一步完善了曲线的土抗力分布形 式，采用相似理论的计算方法提出了n l 法，该法已纳入港口工程 桩基规范( j t j 2 5 0 98 ) 局部修订中【4 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 无论是张氏法或m 法，还是p 一少曲线法，均是以文克尔地基模 型为基础，将岩土体与桩之间的相互作用简化为一系列离散的弹簧， 然后根据弹性地基上梁的挠曲微分方程求解桩的内力和位移。前者 将地基土视为弹性体，后者虽然考虑了地基土的非线性，但忽略了 土的成层性、桩身刚度和桩头约束对地基土响应的影响 2 2 - 2 4 】。因此， 这些方法也不能全面地反映横向承载桩的受力性状。 4 数值计算方法 随着计算技术和微机的发展，数值计算方法也得到了提升。数 值计算方法灵活方便，可考虑比较复杂的情况，而且计算精度可任 意控制，逐渐被工程界接受。数值计算方法主要包括有限单元法、 有限差分法、离散元法、边界元法，目前采用较多是有限单元法。 单桩横向承载性状的连续体有限元分析方法，就是首先将单桩 与地基整体结构离散化为有限个单元；接着对每一个单元进行单元 分析，形成单元刚度矩阵；然后采用对号入座的方法形成整体刚度 矩阵，将外荷载生成结点荷载列阵；再引入约束条件，通过解方程 组求得结点位移：最后根据单桩结构与地基位移场求解相应的应力 场，进而得出单桩的整体承载性状，它属于物理上的近似。利用有 限元法可以分析各种条件，如桩长、桩径、土质等的变化对单桩横 向承载性状的影响。 r o m s l i k ( 19 7 4 ) 将有限元法应用于横向承载桩的计算中，并与 s a b i n e 河地区钢管横向承载桩现场试验成果( 19 7 0 ，m a t l o c k ) 进行 对比试验，得出了有限元法应用于横向承载桩的一些定性结论 2 5 1 。 罗火生( 19 9 7 ) 建立了一种改进型的弹性地基梁单元，从而能 更有效的用有限元法求解桩的内力【2 6 1 。 王天胜( 2 0 0 0 ) 等应用商品化的有限元软件，对横向受力群桩 进行了研究，提出横向受力群桩设计中需要注意的一些因素【2 7 1 。 从理论上讲，有限元法等数值计算方法考虑影响桩基工作性能 的众多因素，能够解决桩基计算的一系列问题。但从桩基设计的实 际需要看，工程技术人员一般更喜欢采用简便而又可行的计算方法， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 包括经验法和半解析法。从这个角度而言，近似理论和计算方法的 研究和完善，也应给予充分的重视。 1 3 昔格达组地层概述 昔格达组原名“混旦层”，l9 58 年，根据昔格达层实际出露地点 的研究而统称“昔格达层”。其后，在区域地质调查中，昔格达组被广 泛用来代表安宁河、金沙江、大渡河、雅碧江河谷覆盖在第三系之 上的一套河湖相地层。 昔格达组一般产状平缓，陡倾节理发育，砂岩和泥岩形成相对 渗水和隔水的互层，且常有潜水和微量的裂隙水。昔格达组地层， 按岩性可分为粘土岩、砂岩，也有人把它细分为泥岩、泥质粉砂岩及细砂 岩等。其粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘土岩矿物成分以伊利石为主， 绿泥石次之，针铁矿少量。砂岩的碎屑成分主要为斜长石，少量为 方解石、石英、黑云母等。泥岩具有微细层理，浸水后容易崩解成 鳞片状；砂岩半胶结状，胶结矿物为泥质或钙质。对工程不利的有 机质和可溶盐含量均大大低于设计规范所要求的允许值2 和8 ， p h 值小于7 ，表明该土层系在酸性环境下生成的。昔格达组膨胀、 收缩均较小，各项指标均未达到膨胀岩土标准，不属于膨胀土。 就岩性、岩体的物理力学性质和承载力而言，对于一般性的民 用建筑，昔格达组地层系为良好的地基持力层。这已被西攀地区近 三十年来的大量工程实践所证实。但是，昔格达组地层同时具有不 可忽视的不良地质因素，主要表现在以下几个方面【2 8 】： ( 1 ) 昔格达地层虽然经受了一定的成岩作用，但比起第三系和 第三系以前的成岩程度有天壤之别，因此强度较低。特别是在水的 作用下，承载性能和抗剪强度都会大幅度降低； ( 2 ) 由于西攀地区新构造运动强烈，岩体中常存在断裂和以构 造裂隙为主的结构面。这显然是在工民建、道路与桥梁、水利工程 等的建设中须非常注意的不良结构面之一： ( 3 ) 由于昔格达地层为砂( 粉砂) 、泥( 页) 岩互层，岩体中 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 常有软弱的沉积结构面，特别是所谓“红层”( 很薄的红土层) 等。这 些软弱结构面、昔格达组岩层与上覆松散堆积层的接触界面和下伏 地层的界面，都是在该地层上容易产生滑坡、塌方的主要不良结构 面； ( 4 ) 昔格达岩层中页岩、泥岩具有微细的层理，在风干后，特 别是反复浸水的情况下，极易崩解。 如果将昔格达岩层作为桩基的主要受力层，则可能出现下述问 题： ( 1 ) 由于该岩层遇水易软化，而钻孔过程中不可避免地要使用 泥浆，这会削弱岩层提供的桩侧摩阻力和桩的端阻力； ( 2 ) 钻具钻进过程中对该岩层的扰动也会降低岩层的阻抗，而 这种影响难以预先估计； ( 3 ) 成桩以后，桩侧受扰动的土体和泥浆形成的泥皮会逐步析 水固结，桩身混凝土也会产生收缩，这两种因素的综合作用会在桩 岩之间形成细小的裂缝，地下水可能沿裂缝向下渗透，使得桩侧和 桩端的岩层界面软化； ( 4 ) 上述几方面的不利因素不但会降低桩的承载力，而且会对 桩基础的沉降( 包括施工期间的沉降和工后沉降) 产生不利影响： ( 5 ) 由于该岩层承载力低，研究资料少，根据地勘单位提交的 参数估算，一般桩长在5 0 m 左右，下部结构工程量大、造价高。 因此，当选择昔格达地层为重要建筑物基础的持力层时，应充 分考虑该地层的特殊性质，尤其是在水的作用下，易滑、易崩解、 强度会大幅度降低等重要属性。 1 4 横向承载桩的计算宽度研究现状 从2 0 世纪5 0 年代起，人们对桩承受水平荷载的工作性能作了 大量研究，从此沿用很久的桩基得到了新的发展。大量试验证明 29 1 ， 当一竖直桩桩顶承受水平力大到某一值时，与该水平力相反一侧桩 背的土产生按某一角度仅扩散的裂缝，这就说明桩侧土的抵抗作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 宽度b o 大于桩身实际宽度，如图l 一1 所示。苏联学者在推导m 法时， 考虑到计算中的平面课题条件同桩实际课题条件的差异、非矩形截 面同矩形截面所存在的差异以及多根桩之间的相互影响等因素，引 用桩基计算宽度的概念【3 0 】。计算宽度的引入，目的在于近似地将水 平承载桩的空间受力问题转化为平面问题。后来，我国的道桥桩基 规范将其引入。 图1 1 横向承载桩计算宽度示意图 2 0 世纪6 0 年代的教科书认为平滑的混凝土面与一般土体之间的 摩擦应力为0 2 5 k g c m 2 ( 2 5 k p a ) 。现场试验结果为：粗糙的水泥砂浆 与粘砂土之间的摩擦应力为6 0 13 0 k p a ；一般软岩中为15 0 4 0 0 k p a 。现今，大直径的水平承载桩多数为钢筋混凝土挖孔桩，由 于施工过程中水泥砂浆在岩土体中的渗透，使桩外表面与桩侧土体 ( 或岩体) 互相嵌合。因此，在土层中其摩擦应力不小于1o o k p a ， 在软岩中不小于2 5 0 k p a 。由此可见，桩侧摩阻力是不能忽视的。摩 阻力这么大，在横向承载桩受力过程中，桩与桩附近的一部分岩土 体一般不发生脱离，桩将与桩附近一部分岩土体一起向前挤压。也 就是说，在推力作用下，超过桩宽范围内的一部分岩土体将与桩一 起参与作用。 为了弄清抗滑桩的受力状态和桩前滑床土的实际受力范围，铁道 部科学研究院西北分院李传珠、王全才等【31 1 研究人员曾进行了室内 大型模型试验。试验桩是按1 ：10 设计的，截面为o 2 m 0 3 m ，试 验介质为黄土质砂粘土，桩间距为0 6 m 。试验结果为在滑床上沿试 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 验桩的后缘一线出现了贯通裂缝，宽度为0 5 1 0 c m ；桩间滑床土 与桩身之间未发生任何脱离，说明在模拟的滑坡推力作用下，桩与 桩间的土体同步向前挤压滑面以下的桩侧土体，其受力范围不是若 干根桩的计算宽度b o ，而是整个桩排的长度。 杨旌【3 2 】以现场试验和数值计算相结合的方法，对重庆地区软质 岩中的抗滑桩进行研究分析。研究表明随着桩侧边长度的增大，水 平抗力的扩散作用就越发明显；在一定的嵌岩深度范围内，随着嵌 岩深度的增加，桩所能承受的水平荷载也随之增加。另外，他还引 入扩散角的概念，用此概念说明桩侧边长度对于计算宽度的影响， 从而建立桩基计算宽度的计算公式为b o = k r k 。阳+ 2 h t a n ，其中， k f 、k 。的定义与取值均与现有理论公式相同；伊为扩散角，缈= 2 7 0 3lo ，当桩宽不变时，随着侧边长度的增加，计算宽度也随之增加； 当办= 1 5 6 时扩散角取小值，当h = b 时扩散角取大值。 重庆岩基研究中心李维树、黄志鹏 3 3 】等针对岩土体边坡和岩体 边坡两种主要形式，将抗滑桩分别嵌入岩土混合体和岩体中，各进 行了3 根抗滑桩的实体原位水平推力试验。通过岩土混合体和岩体 的水平位移、应力测量，研究抗滑桩在水平荷载作用下抗力岩土体 的破坏形态；根据应力与水平位移沿着桩截面宽度的变化规律和实 际破坏裂隙的分布，得到了抗滑桩的有效计算宽度的公式。主要结 论为：抗滑桩的有效计算宽度不仅与桩身截面短边长度b 和长边长 度h 有关，而且与桩前抗力岩体的岩性及嵌入深度密切相关。当抗滑 桩嵌入岩土体时，其计算宽度为b o = b + 2 h t a n 30 。，能满足土质地层的 b o = 6 + 1 0 计算宽度要求，可以用b o = 6 + 1 0 进行设计；当抗滑桩嵌入 岩体时( 软岩) ，其计算宽度为b o = b + 2 h t a n 38 0 ，可用b o = b + 2 h t a n 30 0 进行设计。 1 5 本文的研究内容 由于地质条件、施工条件等差异，不同地区桩基础的承载性状 有其自身的规律，研究区域性桩基础承载性状已成为当前岩土工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 者必须面临的课题之一。昔格达岩层中灌注桩的横向承载特性资料 极少，而且在该地层中的桩基也没有明确可靠的相关设计参数。昔 格达岩层地区桩的计算宽度的研究，对于完善该地区桩基设计的设 计参数有实际意义。因此从事这方面的研究，不仅是为生产建设服 务，更是桩基础理论自身发展的需要。 本文的研究采用数值计算与试验研究相结合的方法进行，主要 内容如下： ( 1 ) 对已经完成的新九试桩的水平静载试验成果进行整理分析； ( 2 ) 用r n 法计算分析不同计算宽度对横向承载桩的桩身内力和位移结果的 影响，“并与实测结果对比分析； ( 3 ) 基于a n s y s 计算分析软件，用有限元数值分析方法计算昔格达岩层 单桩桩身位移和内力、桩侧岩层的应力场，并分析不同桩径( 宽) 、桩长对单桩 计算宽度的影响，总结分析其规律。最后引入扩散角的概念，提出计算昔格达 极软岩层中长桩计算宽度的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章昔格达岩层中桩的水平推力试验 攀枝花地区的试验工点选择在新九工地。该j 二地昔格达地层 露，交通及施工条件较好。图2 - 1 ( 照片) 是施工过程中的试验场地。 图2 1 施工中的新九试验场地 2i 试验场地及工程地质条件 试验场地所在路段位于川i 滇接壤之安宁河、金沙江两岸，沿线 山高坡陡，沟谷迂回，属米易、会理断褶侵蚀和岩浆岩剥蚀地形。 地形陡峻，山高谷深，为典型山区地形，相对高差为3 0 5 0 0 m ，海 拔高度在10 5 0 15 4 0 m 之间。 本路段出露地层有：第四系全新统残坡积( q 。“- d ) 碎( 块) 石 质土和冲洪积( q 4 “邮。) 粉土、粉土质砂、卵石质土；昔格达组泥质 粉砂岩、粉砂泥质岩，局部有微胶结的卵石质土：三迭系白果湾组 石英长石砂岩，泥岩互层夹页岩、煤线；前震旦系会理群千枚岩， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 角闪片麻岩，云母片岩、角闪片岩、角闪石英片岩，角闪变粒岩及 前震系石英闪长岩。 该段仅见昔格达断层，总体走向近南北，倾向南西或北面，倾 角4 0 。6 0 0 ，断层破碎带宽2 4 m 。新构造运动以间歇性抬升运动 为主，形成高程1 lo o l2 0 0 m 和18 0 0 m 左右两级夷平面。受断裂影 响，原水平状昔格达地层产生倾斜，倾角可达6 。16 0 ，最陡处3 0 。 2 2 单桩水平推力试验方案 本次试验共设置6 根试验桩，桩径8 0 c m ，布置在同一场地中。 试验场地的平面布置见图2 2 。 试桩的反力系统采用锚桩反力梁体系。6 根试桩均采用人工挖孔 桩。每根试桩桩身混凝土均采用c 5 0 ，试验测得试件的立方体抗压强 度为5 4 5 m p a ，纵向受力主筋均采用i i 级螺纹钢筋。对4 撑5 j f i 试桩进 行水平推力试验。 图2 - 2 新九试验场地平面布置图( 单位：m m ) 本项试验采用慢速维持荷载法，试验设备的布置见图2 3 。试桩 共两根，分别为4 舟桩和5 捍桩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 凹2 3 水2 r 删瓤搜删试糸统 各试桩的静压试验在成桩后混凝土达到能承受设计要求荷载以 后进行。本次试验执行公路桥涵施工技术规范( j t j0 4 1 2 0 0 0 ) 标准。荷载按预估最大加载量分作1 0 级逐级加载。每级加载完毕后， 第一小时内每隔15 m i n 观测一次，第二小时内每隔3 0 r a i n 观测一次， 以后每隔1 h 测读一次桩项位移量。当每级加载后桩项水平位移增量 在1 h 内不大于01 m m ，并连续出现2 次时，即可认为水平位移变化 稳定，然后再施加下一级荷载，桩身应力的测量待每一级荷载作用 下桩的位移稳定后同步进行。终止加载条件如下： ( 1 ) 出现可能威胁试桩和反力系统安全的迹象时； ( 2 ) 桩身折断； ( 3 ) 水平位移达到设计要求的水平位移容许值； ( 4 ) 水平位移超过4 0 r a m 。 加载过程中止后进行卸载。每一级卸载量为加载量的两倍，即 进行隔级卸载。每级荷载卸下后立即测读一次桩顶位移，以后隔 3 0 m in 测读一次位移，读两次后进行下一次卸载。全部卸载完毕后隔 3 h 再读一次位移。 现场静载试验自2 0 0 5 年4 月3 日开始，图2 - 4 是现场试验时的 照片。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第一根进行水平试验的试桩为4 # 桩，加载至1 0 0 7 7 k n 时，累计 水平位移为4 26 2 5 m m ，已达破坏状态，共历时2 3 小时2 3 分，卸载 后的回弹率为5 25 。 5 抖桩的最大加载量为1 4 2 92 k n ，加载共历时2 0 小时15 分，累 计最大位移6 47 2 5 r a m ，已达破坏，卸载后的回弹率为7 0 4 。 至2 0 0 5 年4 月9 日共完成了两根桩计2 组现场水平推力试验。 图2 4新九现场水平试验情况 23 试验结果分析总结 1 单桩水平临界荷载和极限荷载的确定 单桩水平临界荷载和极限荷载按下述方法综合确定： ( 1 ) 取日凰曲线出现突变点的前一级荷载为水平临界荷载； ( 2 ) 取h 一以曲线第一突变点的荷载为水平临界荷载： ( 3 ) 取日一岛曲线明显陡降的前一级荷载为水平极限荷载； ( 4 ) 取钢筋折断或钢筋应力达到流限的前一级荷载为水平极限荷载。 根据试验资料做出试桩的桩顶力一地面处位移的关系曲线( 目一场曲线) ， 见图2 - 5 、2 - 7 ，水平力一最大弯矩截面处钢筋应力( 日一以) 关系曲线见图2 - 6 、 2 r 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 1 2 0 0 1 0 0 0 三8 0 0 l 6 0 0 r 塞4 0 0 2 0 0 0 2 5 0 2 0 0 = 1 5 0 山 = 宫 苦1 0 0 5 0 0 o1 02 03 04 05 0 地面处位移舶( m m ) 图2 5 4 j f j 6 桩日一曲线 0i 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 0 6 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 ( k n ) 图2 64 桩一o s 曲线 由图2 5 和图2 - 6 可知，4 桩两条曲线上的第一弯折点比较明显，而第二 弯折点不明显。分析其原因，主要在于试桩的纵向钢筋配置很强，故其极限抗 弯能力很强，但增加钢筋对桩身的抗裂能力的增强作用相对有限，所以测试曲 线具有上述特征。根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - - 2 0 0 8 ) 的规定，试桩的 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 水平临界荷载可取两曲线的第一弯折点处的荷载，其值均为h e r = 3 8 1 8 1 k n ，对 应位移为x e r = 5 9 2 0 m m 。因试桩在最大加载量作用下的位移已超过4 0 m m ，故可 将该最大荷载作为试桩的破坏荷载，其前一级荷载即可取为试桩的极限荷载， 即：h u = 8 8 2 6 k n ，对应位移为x u = 3 4 2 3 m m 。 z j 芒 毫 r 1 苌 o1 02 03 04 05 06 07 0 地面处位移x o ( m m ) 图2 7 5 桩日一蜀曲线 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 ( k n ) 图2 8 5 桩日一吼曲线 分析5 桩的h - x o 曲线的特征，并将其与4 撑桩的h - x o 曲线相对比可以看 出，5 群桩的临界荷载处于第一级和第二级荷载之间，对图2 7 的曲线进行拟合 o o 0 0 0 o 0 o o 如 加 舳 如 o o 0 o 0 o o o 0 6 4 2 o 8 6 4 2 ，1l 一山= 一。b 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 推出其临界荷载为3 9 2 7 8 k n ，对应的水平位移为6 2 7 m m ，最大弯矩发生在地 面下2 1 m 处，最大弯矩值为5 0 2 3 4 9 k n m 。进行与4 撑桩相同的分析，得到5 群 桩的极限荷载风= 9 3 0 5 k n ，对应位移为x = 3 5 2 0 m m 。 分别比较4 # g l5 j ! i 桩的临界荷载和极限荷载，两桩的结果相差不大，说明 桩长9 m 和1 2 m 情况下桩的水平承载力所受的影响不大，均可视为长桩。 2 桩身实测弯矩 圆截面钻孔灌注桩，是在距离中性轴最远且距离相等的两侧钢筋上焊接钢 筋计的。从理论上说，两根钢筋应变的绝对值应该相等，但是实测结果表明， 受拉钢筋的应变值“往往不等于受压钢筋压应变的绝对值。因此，根据实测 得到的“和就可算出两个不等值的弯矩m 。从理论上讲这两个弯矩值必须一 致才是正确的结果。为了消除这种误差，采用应变的绝对值之和进行计算，见 公式( 2 1 ) 。 。 v 。 = 等e 。 (-1m 1 0 21 ) = 刍兰一e 一 () 式中 一一同一截面处钢筋应变绝对值之和； d 一一桩身直径； e 一一桩身混凝土弹性模量； 、b 一一换算后桩的惯性矩， z o = 等 + 半，r 为桩的半径， 么。是钢筋总截面积，是钢筋计所在截面半径，n 等于钢筋 弹性模量和混凝土弹性模量比：n = e s t e e 。 ( 1 ) 4 f 桩 根据实测钢筋计读数可以得出钢筋应变，从而可以得到桩在各级荷载下钢 筋和混凝土的最大拉应变和压应变，见表2 1 。 从表2 1 中不难看出，当荷载加到第5 级时，4 撑桩受拉侧混凝土开始出现 裂纹，加到6 级时裂纹已比较明显。加到第6 级以后混凝土开裂，这时已不能 按平截面假设继续对桩进行分析。我们取前6 级所得数据为有效数据进行分析， 可以得到桩在不同荷载下桩身各截面的弯矩，见图2 - 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表2 - 14 # 桩在各级荷载下钢筋和混凝土的最大拉应变和压应变 桩顶荷受拉侧受压侧 序载日 钢筋拉混凝土钢筋压混凝土 最大8 +应力口拉应力盯 最大应力盯压应力盯 号( k n ) ( m p a )( m p a )( m p a )( m p a ) 16 8 7 61 7 9 e 0 53 7 5o 6 31 7 e 0 53 6 5o 6 l 2131 3 72 6 7 e 0 55 6l0 9 42 7 e 0 55 6 90 9 5 32 5 6 6 06 9 5 e 0 51 4 6 02 4 56 6 e 0 513 8 42 3 2 4319 219 1 l e 0 51 9 133 2 08 1 e 0 51 7 0 72 。8 6 53 8 1 8 10 0 0 0 1 0 72 2 5 53 7 89 3 e 0 51 9 4 93 2 6 65 0 7 0 20 0 0 0 l8 43 8 6 66 4 8o 0 0 0 1 42 8 7 04 8 1 76 3 2 2 10 0 0 0 3 4 47 2 19o 0 0 0 1 93 9 9 26 6 9 87 5 7 4 00 o 0 0 6 5 413 7 3 40 0 0 0 2 85 8 2 59 7 6 98 8 2 5 7o 0 0 0 8 8 718 6 1 90 0 0 0 3 47 2 0 91 2 0 7 lo1 0 0 7 7 4o 0 0 0 9 8 62 0 7 0 80 0 0 0 418 6 4 01 4 4 7 l l6 3 2 2 10 0 0 0 8 3 71 7 5 8 20 0 0 0 316 4 2 61 0 7 6 123l9 210 0 0 0 8 3 517 5 3 60 0 0 0 316 4 2 61 0 7 6 l30 0 00 0 0 0 2 4 25 0 7 94 9 e 0 51 0 3 71 7 4 。 一1 2 3 售 返- 4 嚣一5 一6 7 - 8 弯矩( k n m ) 0 2 0 04 0 06 0 0 9 l 图2 94 存桩在不同荷载下桩身各截面的弯矩图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( 2 ) 5 挣桩 根据实测钢筋计读数求出钢筋应变，从而可以得到桩在各级荷载下钢筋和 混凝土的最大拉应变和压应变见表2 2 。 表2 25 撑桩各级荷载下钢筋和混凝土的最大拉应变和压应变 受拉侧受压侧 桩顶荷 序载日 钢筋拉混凝土钢筋压混凝土 号 ( k n ) 最大s + 应力拉应力最大s 应力压应力 仃( m p a )盯( m p a )盯( m p a )盯( m p a ) l2 4 2 4 4o 0 0 0 1 0 6 52 2 3 63 7 40 0 0 0 0 9 4 21 9 7 93 3 1 2 4 9 2 9 40 0 0 0 5 513l 15 7 70 0 0 0 2 1 4 24 4 9 77 5 3 36 18 0 60 0 0 0 8 4 4 91 7 7 4 2o 0 0 0 2 9 4 86 1 9 11 0 3 7 4 7 4 3 0 9 0 0 0 1 0 1 7 42 l3 6 5 0 0 0 0 3 5 3 3 7 4 1 9 1