（岩土工程专业论文）现浇混凝土薄壁管桩水平承载性状试验研究.pdf

摘要 摘要 本文主要围绕现浇混凝土薄壁管桩( 以下简称p c c 桩) 这一新型的桩基结构型式的水平 承载性状展开研究，通过室内模型试验、现场试验、有限元数值模拟分析试验及弹性幂级 数解析法分析等手段，对p c c 桩水平承载的桩身受力性状，桩身挠曲位移，桩身弯距分布， 桩与桩周土相互作用的地基反力等几方面进行了初步的探讨和研究，最后将p c c 桩与目前 工程中的两种常用于承受水平荷载的桩型进行对比计算分析，得到有意义的结论。开展的 主要工作如下： 1 、研制了p c c 桩水平承载的单桩室内模型试验，进行p c c 桩的模型试验研究。通过 室内试验手段，对p c c 桩水平承载的一般受力性状进行了研究，得到了桩顶p y 曲线， 桩身弯距分布曲线，及桩周土地基反力分布曲线，试验的结果表明，由于p c c 桩抗弯刚度 很大，具有很好的水平承载性能。 2 、运用有限元数值计算理论对p c c 桩进行水平承载性状计算分析。在前人所做工作 的基础上编制了基于文克尔地基模型的有限元计算程序，将水平承载桩的“m 法”引入计 算程序中，并用现场试验资料和本文的模型试验结果与数值计算结果进行了对比，结果表 明较为吻合验证了程序分析p c c 桩水平承载的正确性和可靠性。 3 、应用桩身挠曲弹性微分方程幂级数解析法对本文中的p c c 桩算例进行了分析，并 将分析计算结果与有限元计算结果进行了对比，进一步验证了本文有限元数值算法运用于 p c c 桩水平承载计算的正确性和有效性。 4 、运用本文的方法对影响p c c 桩水平承载性状的主要参数进行了有限元数值模拟试 验计算分析，分析结果表明对p c c 桩水平承载性状影响因素最大的是桩径，其次是桩长和 地基土的性质，而桩身刚度和桩身壁厚的影响相对较小。 5 、将p c c 桩和工程中常用于承受水平荷载的灌注圆形桩及预制方形桩进行了对比计 算分析，从相同的桩径和等效的截面积两个角度论证了p c c 桩在承受水平荷载时的技术经 济的优越性，从对比分析中证明了p c c 桩优于其他桩型的薄壁性能。 关键词：p c c 桩水平承载 计算方法有限元 承载性状单桩模型试验 m 法弹性幂级数解 a b a s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ep c cp i l e h a v eb e e n w i d e l y u s e df o rs o f t g r o u n di m p r o v e m e n ta n d a p p l i c a t i o no ff o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g t h eb e h a v i o ro fp c cp i l e ，t h a ts u b j e c t e dt ol a t e r a ll o a d h a sb e e ns t u d i e di nt h i s p a p e r t h eb e h a v i o r o ft h ep c cp i l eh a si n v o l v e dm o m e n ta n d h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t a n dl o a do fp c cp i l e t h e ya r es t u d i e d b yi n t h e p h y s i c a l m o d e l e x p e r i m e n ，f i e l dt e s t ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n de x p o n e n t i a lp r o g r e s s i o ns o l u t i o n i n a d d i t i o n a l ，t h ec o m p a r a t i v e l yc o m p u t a la n a l y s i sa r ec a r r i e do u ta m o n gp c cp i l e ，c a s t i n s i t u c o n c r e t ec i r c u l a rp i l e ，p r e f a b r i c a t ec o n c r e t es q u a r ep i l e ，a n do b t a i ns o m e s i g n i f i c a t i o nc o n c l u s i o n f o rd e t a i l s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： l 、d e v e l o p i n gap h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n tc a ns i m u l a t et h eb e h a v i o ro ft h ep c c u n d e r l a t e r a l l o a d ，t h e c u r v eo fp - ya n dc u r v eo fm o m e n td i s t r i b u t i o na n dl o a d a g a i n s t s o i l sa r e o b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tp e r f o r m a n c eo ft h ep c c p i l eu n d e r l a t e r a ll o a di sv e r yf i n e 2 、f i n i t ee l e m e n tt h e o r yi sa p p l i e dt or e s e a r c ho fp c c p i l eu n d e rl a t e r a ll o a d o nt h eb a s i s o fp r e d e c e s s o rw o r k ，t h et h e s i sd e v e l o p e df e m p r o g r a mo ft h ep i l eu n d e rl a t e r a ll o a d ，w h i c hi s b a s e do nw i n k e r g r o u n dm o d e l ，a n dm m e t h o di si n t r o d u c e di n t of e m p r o g r a m t h ec a l c u l a t i o n v a l u e si sc l o s e dt ot h er e s u l t so ff i e l da n dl a b o r a t o r ym o d e le x p e r i m e n t ，t h ef i n i t ee l m e n tm e t h o d i sv e i l f i e d 3 、e l a s t i ce x p o n e n t i a lp r o g r e s s i o ns o l u t i o nw h i c hi sw i d e l yr e c o g n i z e db yt h ef i e l do fc i v i l e n g i n e e r i n g a r ea p p l i e dt o a n a l y s i s o ft h ep c cp i l eu n d e rl a t e r a ll o a d ，a n dt h er e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h a to ff i n i t ee l m e n tm e t h o d a c c o r d i n g l y , t h ev a l i d a t i o n o fp r o g r a mi so n c e m o r e p r o v e d 4 、m a i np a r a m e t e r so ft h ep c cp i l es u c ha sl e n g t ho fp i l e ，d i a m e t e ro fp i l e ，r i g i d i t yo f p i l e ，w a l lt h i c k n e s so fp i l e a r e a n a l y z e db yt h em e t h o do ft h et h e s i s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e st h a tm o s tm a r k e d l yf a c t o ri sp i l ed i a m e t e r ，i nt h en e x tp l a c ep i l el e n g t ha n dp r o p e r t yo f g r o u n ds o i l s ，t h ei m p a c t o f r i g i d i t ya n d w a l lt h i c k n e s so f p i l ea r er e l a t i v e l yl i t t l e 5 、c o m p a r a t i v e l yc o m p u t a t i o na n a l y s i s i sc a r r i e do u ta m o n gp c c p i l e a n dc a s t i n s i t u c o n c r e t ec i r c u l a rp i l ea n dp r e f a b r i c a t ec o n c r e t es q u a r ep i l eb yp r o g r a mw h i c hi sd e v e l o pi nt h e p a p e r t w oa n g l e ss u c h a st h es a m ed i a m e t e ra n dt r a n s e c ta r e ao ft h ep i l ea r ea n a l y s e d t h e a d v a n t a g e so ft h ep c cp i l eh a v eb e e np r o v e no n t h ea s p e c t so ft e c h n i q u ea n de c o n o m yi nt h e p a p e r k e yw o r d s ：p c cp i l e l a t e r a ll o a db e h a v i o ro fl o a d s i n g l ep i l ep h y s i c a l m o d e l e x p e r i m e n t f e mmm e t h o de l a s t i ce x p o n e n t i a lp r o g r e s s i o ns o l u t i o n i i 海大学谢! i 论文 第一章绪论 第一节桩基水平承载特性研究现状 1 概述 桩基作为地基与基础的一种重要基础型式。在工程中的应用及其广泛。在一般的建筑 基础工程中桩基主要承受轴向荷载，但在河港、岸坡、高桩码头、高等级公路等交通工程 中桩还需承受水平荷载作用 1 1 。 桩基承受轴向荷载作用时的机理与特性研究的较多，而对承受水平侧向荷载时桩基的 工作性能研究的相对较少。有时在工程设计中，对结构物的桩基础需要承受水平荷载时， 往往采用设计打斜桩的办法来解决，利用桩基的抗拔和抗压性能来满足桩基的水平承载力 的要求，然而，设置斜桩不仅施工技术上存在困难，而且施工机具上也存在问题，因而迫 使人们加紧研究竖直桩在承受垂直桩轴方向的水平承载问题i 。”。考虑是否直接用垂直打入 的直桩来直接承受侧向荷载，于是随后就有大量学者开始研究桩基在承受水平荷载的受力 特性问题。随着桩基技术的迸一步运用与发展，大直径桩基在：r 程中运用越来越多。工程 技术人员开始意识到大直径( 由1 0 0 0 1 5 0 0 r a m ) 桩基的良好的抗弯刚度和桩周土体所能 产生的很大的土体抗力，对桩基承受水平荷载具有非常重要的作用。这样在某些桩基工程 中直接利用直桩而不采用打斜桩来承受水平侧向荷载就成为可能。因而就有越来越多的工 程技术人员开始研究桩基在承受水平侧向荷载的性状和受力机理。 对于桩承受水平荷载作用的研究，按总的研究分类，可分为主动桩和被动桩两大类。 主动桩指的桩基承受由建筑物的上部结构传给它的水平荷载和力矩；被动桩指的是由于桩 周土体的水平移动而施加给桩的侧向力。这两类桩前人都做过大量的研究【4 1 5 】，前者主要有 作为房屋、桥梁等建筑物基础的桩基；后者主要有作为岸坡、码头边坡及基坑支护的桩基。 但是在实际工程中，同一桩基有可能是主动桩也可能是被动桩，挡土墙下面的桩基严格说 来就是属于此类，主动桩的外加荷载明确，而被动桩的荷载不甚清楚，加之与土的弹性抗 力系数混在一起分析就更加困难。 水平承载桩的工作性能主要是桩土相互作用问题，不论是主动桩还是被动桩，不论是 部分埋置桩还是完全埋置桩都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，它的受力情况都是在 水平荷载和力矩的作用下受弯，桩身产生水平变位和弯曲应力，桩基承受的水平作用力 部分由桩体本身承担，另一部分由桩周土体承担，致使桩周土产生侧向挤压变形而产生抗 力，阻止桩侧向变位的进一步发展。 当水平荷载较低时，这一抗力主要靠地表附近桩周土提供，而且土体的变形主要表现 为弹性，也即桩周土处于弹性压缩阶段。随着水平荷载的加大，桩的变形加大；表层土逐 渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程 度或桩周土失去稳定时，桩一土体系便趋于破坏。 1 第一章绪论 国内外学者对桩基水平承载特性，近几十年来进行过大量的研究，在工地现场试验、 室内实验和计算分析都得出了很多成果睁1 9 1 。从五十年代起，技术人员对桩承受侧向荷载 的工作性能做了大量研究。大量试验证明，当一竖直桩桩项承受的侧向力大到某一数值时， 与该侧向力相反一侧的桩周土产生按某一角度c i 扩散的裂缝，这说明桩周土抵抗作用的宽 度b 。大于桩身实际宽度。这种桩侧土体承受侧向外力( 或水平力) 的作用称为土抗力，正 如作用在地基上的弹性粱垂直荷载由地基土的反力抵抗一样。冶建院俗1 曾在大面积堆载的 情况下，对被动桩进行观测；南科院曾对后方回填和堆场引起的高桩码头位移和结构损坏 的情况进行监测；试验结果都表明软粘土地基的横向移动而作用于桩上的侧向力足以使大 直径的桩变形甚至破坏。天津大学、南科院 6 , 7 1 等单位分别在模型槽中进行过高桩码头基桩 码头的抗滑稳定试验，测试了单桩各点的变位、弯距、桩侧压力以及它们的变化，以及抗 滑排桩上的土压力随土体位移而变化的情况。 水平荷载桩的变位主要由桩身截面的抗弯刚度e i 和桩周水平地基土反力所控制。因而 无论两种桩的受力情况如何，它们的研究内容不外乎解决三个问题：一是桩身的变形及弯 距分布问题，二是桩周土体对桩身的反力问题，三是桩的极限承载力问题。水平荷载桩根 据其相对相对剐度不同分为刚性桩和弹性桩，刚性桩的水平承载力一般由桩周土的强度所 控制；弹性桩的水平承载力则主要由桩身材料的抗弯强度和桩周土抗力所控制； 本文主要研究现浇混凝土薄壁管桩桩作为主动承载的弹性受力性状问题。 2 桩的水平承载的计算理论与方法综述 国内外学者基于简化假设的基础上，提出众多水平承载桩与土体相互作用的计算理论 与方法l 8 - 2 6 】，对于水平承载桩的分析方法，大体可分为弹性理论法、地基极限反力法、弹 性地基反力系数法、p y 曲线法、n l 法及数值计算分析法。 2 1 弹性理论法 此法假定桩埋置各项同性半无限弹性体中，并假定土的弹性系数6 ( 杨氏模量易和泊 松比u ) 或为常数或随深度按某种规律变化。计算时将直径为d 长度为的桩分为若干微 段，根据半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周土位移， 另据桩的挠曲方程求得桩的位移，并用有限差分表达。另土位移和桩位移相等，通过每 微段处未知位移的足够多方程求解。p o u l o s 按此原理获得了桩头位移和转角的计算式： 川州苦州静 u ” 臼= ，m 告+ j 鲁 o 2 ) c s l5 ，小j 。、j 。h 、，。为地面处位移和转角的影响因素，其值由桩的柔度因数k r 及长 径比1 ，d 的关系图线确定。弹性理论法的最大缺点是不能计算得出桩在地面下的位移、转 角以及弯距、土压力等，其次历值的确定也比较困难，但本法能够考虑在水平荷载作用下 桩土间出现的脱离和土的局部屈服，有助于对桩土性状的进一步探索。 w 海大学硕i 地文 2 2 极限地基反力法 该法对土处于极限状态地基反力的分布形式是事先假定的，并按照作用在桩上的外力 及其平衡条件来求桩的侧向土抗力。地基反力p 只是入土深度y 的函数，与桩的水平挠曲 没有关系，即 p = p ( y ) ( 1 3 ) 将地基反力假定为2 次曲线分布的恩格尔一物部的用于沉井和沉箱计算的方法；假定为直 线分布的雷斯、冈部、斯奈科特的适用于计算短桩的计算方法；以及用于板桩计算的位移 曲线法。 该法只适用于刚性桩，不适用于弹性桩的分析。这种方法最初是从象沉井那样的刚性 结构物的应力问题中导出的，适用于埋入长度较短的刚性桩，如竖向荷载很小、由水平荷 载确定桩的埋入长度及断面的电杆、照明柱、标志柱、广告塔等的计算中，作为电杆的计 算公式是最实用的。极限地基反力法不能用于长桩及台有斜桩的桩结构物的计算。 2 3 弹性地基反力系数法 弹性地基反力法基于两个假定：桩处于弹性状念且符合虎克定律；桩的水平位移 与桩的长度相比很小。 该法认为桩侧土抗力的大小不仅与土的种类有关，而且与侧向外力或力矩作用下桩身 产生的侧向位移的大小有关。当桩身侧向位移较小时( 侧向位移在l c m 以内时) ，桩身任 一点的土抗力与桩身侧向位移可近似看作是一种线性关系；而当桩身侧移较大时，桩侧土 抗力与桩身侧移应按非线性关系来考虑，另外土抗力的大小还与桩的截面形式有关。现在 工程界运用广泛的还是采用捷克斯洛伐克学者文克尔( e w i n k e r ) 在1 8 6 7 年所提出的假定 来计算桩侧土抗力，亦即以深度x 处的地基系数c ，、该点处桩身侧向位移y 以及土抗力的 计算宽度来求算深度x 处土对桩的抗力p ： p = c ，y ( 1 ，4 ) 文克尔地基的假设用于桩的分析要比用于弹性地基梁的分析更为恰当，因为土只能产 生抗压的抗力，而不可能产生抗拉的抗力，所以地基梁在承受外荷的作用产生向上的挠蛀 时，地基梁的上面没有土起抗力作用，也就无法考虑土的抗力。但是由于桩是竖向插入土 中，桩的四周都存在着土，当桩身受外力作用产生侧移而挤压桩侧土时，就会产生土抗力。 对于桩侧地基系数随深度如何变化，这是国内外学者长期研究和争论的课题，直至目 前还在不断的探讨，并没有取得一个定论。早在四十年代，我国学者张有龄就假定桩周土 的地基系数c 沿深度为一常数，它在日本工程界 2 叼的运用较为广泛，但是近年来由于运用 这种假定计算出的成果与现场实际情况有一定出入，因为根据这种假定，由于地面处桩身 侧移最大，得出地面处桩身侧向土抗力最大的结论，这显然不符合与实际情况。特别对于 非粘性土和正常固结粘性土有很大的出入。 这种方法，桩被认为是由一系列互相之间无联系的弹簧在侧向支撑的竖直梁，以桩土 水平位移差值乘以土的弹性地基反力系数作为桩侧荷载，由梁的挠曲微分方程来求解桩的 第一章绪论 挠度和内力。 所谓弹性地基反力，是指对应于桩的位移y 所产生的反力，是将上假定为弹性体，用 梁的弯曲理论末计算桩的横向抗力。假定地基反力p 与桩的位移y 的n 次方成比例，即 p = k x y f 1 5 、 上式x 与y 的幂方形式也可表示成与泥面下深度x 的任意函数k ( x ) 乘积的形式 p = k ( x ) y ” f 1 6 1 式中k 是山土的弹性性质所决定的系数，是与指数m 、1 2 的取法有关的常数。根据y 的指数的取法，弹性地基反力法可以分为：n l 时的线性弹性地基反力法和n 1 时非线 性弹性地基反力法。 2 3 1 线性弹性地基反力法 f = f 前国内外工程界一般规定桩在地面的允许水平位移为o 6 lo c m 。在这样的水平位 移值条件下，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之f 刚可近似看作是线性关系，那么 p = b k x 。、，。为简化计算起见，合并k ( x ) 中的两个参数为一个单一参数岛，水平地基系数 允定义为桩发生单位挠度时作用在桩单位面积上的土抗力，所以舻 。根据k ，取值的0 i 同又分为常数法( 张氏法) 、法、c 法、k 法。 常数法( 张有龄法) ，此法是假定水平地基反力系数k 随深度不变，并且桩有足够的埋 入深度。在此假定条件下，桩的挠曲微分方程就相应的化为： 可掣+ b k y = 0 ( 1 7 ) a 根据l ：述方程式并结合桩头、桩底的约束条件可求得y 的通解。常数法只适用于超固结粘 性土和表面幂实的砂类土。而且，常数法是按均质十推导得米的，实际地基却常是成层的， 多层地基的水平地基反力系数需进行试算，计算较烦，使用受到限制。 m 法，该法是一种线弹性地基反力法，即桩土之问的相互作用力与桩变位成丁f 比，水 平地基抗力系数随深度呈线性增加，m 法计算图示简单，为很多工程所证实，可以求得解 析解，使用非常方便在国内外得到广泛应用。该法假定水平地基反力系数随深度按线性 增加，即k 。= ，t “，它克服了常数法k 。为常数的缺点，对于f 常固结的粘性土和一般砂性 土与实际相符，能较好地反映地基系数随深度变化的情况，此时桩的挠曲微分方程化为： 肼坐+ b n z x y ：0 ( 1 8 ) 已知 乩：。= y 。 乩。锄 4 1 日剥。圳。，1 日剩。啄 j ? 述桩身挠曲弹性微分方程通常采用r o w e 的幂级数解法。 ， 法是运用较为、泛的计算方法，前苏联、英、美、中等围己把该法列入了规范之中。 但m 法仅能反映土的弹性性能，也就是晓，在桩身变位不大时，能很好地反映桩士相力：作 用；在桩身变位较大时，桩侧土体进入非线性工作状态，此时按m 法计算所得泥面处位移、 桩身最大弯矩及其位置与实测值有一定的差异，并随外荷载的增大，这种差异也随着变大。 在实测试桩发现，m 值并不是一个确定的参数，它是随着水平荷载的增大而减小，这主要 足由于桩侧土体的非线性引起的，即桩周土体随着外荷载的增大发生软化。地基系数”z 值 一般由试桩资料得出或查地基系数表，但”z 值的范围较大，即便由试桩得m ，其也随荷载 的增大而减小因为在实际中，选择不同值会对分析结果有较大的影向o c 法，这种分析方法也都是假定水平地基反力随深度是增大的，只是分m j 形式各异。 c 法假定水平地基反力系数计算模式为：桩入士深度x 4 0 2 部分，女。= c x o5 ；桩入土深 45 r = 百 度z 40 a 部分，k j | = c ( 4 0 2 ) o5 = c o l l s t 。其中桩的特征值 = 、告；c 为水平地基反 力系数随深度变化的比例系数。c 法山陕西省交通科学研究所1 9 7 4 年提出，在公路部门应 用较多。 女法假定水平地基反力系数k 。在第一弹性零点以卜呈凹曲线分布，在第一弹性零l i 以 下为常数。由于凹形水平地基反力系数图式过低估计了近地面的桩侧士抗力，所以由k 法 计算所得的弯矩偏大。同时当桩的入土深度愈大时，山k 法计算所得的桩顶水平位移和转 角反而愈大，这与桩的实际工作性状不符。女法由前苏联学者安格尔斯基在四十多年前提 出，曾被我国桩基工程采用。 2 3 2 非线性弹性地基反力法 当桩身侧移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间按非线性考虑，即， 此时为非线性弹性地基反力法。其中最有代表性的是同本港湾研究所提出的港研法。根据 地基的特性，港研法又分为水平地基系数为常数的林一宫岛法和水平地基系数沿深度线性 增长的久保法。由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解，因此港研法采用由标准 桩得到的标准曲线和相似法则来求计算实际桩的受力状态。 塑二主笪堡 袭i i 弹性地基反力法分类 地基反力分布方法 摘要 p 2 k ，y 常数法 。广_ h 2 常数 。l j “ - p = t o r ym 法 i 。t 线 弹 。k h = c x ： 性 地 基 p 2 “一y c 法 反 力 法 - 第一弹性零点以f 水平地基系数t 。f ：_ “ 女法 1 为常数，以上按 f f l 凹曲减小。；l 综合刚度 。防惦m p = l r y 原理和烈 川k参数法 适用】：s 形地基， p = 女s 扩5 非p = kx y o 5 久保法 基准曲线计算。，一 线 弹 ， 性 0 一l - r y 地 基 适_ 1 1 ；】丁c 形地基 口= k c y 0 5 反 力林一直岛 基准，线计算。一一 法p = kx y o 5 法 0z + y 6 l 海人学形 1 论殳 2 4p y 曲线法 p y 曲线法是属于一种复合地基反力法，能够对桩、土体系作非线性分析。在这一方 法中，横向荷载所产生的土反应由p y 曲线表达，各深度处的p y 曲线法被假定为匾不干 扰的并共同构成一个曲线族来表达桩、土体系的应力应变性状。p y 曲线法的实质是桩按 线弹性理论分析，但考虑了土的非线性和塑性变形的影口向”。 该法考虑了桩、土作用的非线性，使用条件不受水平位移大小的限制，既可用于水平位 移较小的情况，又能用于水平位移较大的情况，尤其是p y 曲线法不仅能用于短期静载的 计算，还可用于循环往复荷载的计算，从理论上讲p y 曲线法：作常适用于港口工程和海洋 工程的桩基计算。 该法最早山美国m a t l o c k 等人提出，并被列入美国a p i 规范。我国现行港工规范中横 向承载桩的p y 曲线法基本上是借用美国a p i 规范的内容。因此，国外的曲线p y 型式 和相关计算参数就未必能符合我国实际。在我国现行规范中，只分别建立了粘性土、砂土 的p y 曲线，对于砂土和粘性土混合分层的地基，尚没有相应的p y 曲线，这是还有待于 加以研究。 2 5n l 法 n l 法是我国交通部某科研所通过多年来现场试验的资料积累和研究，以大量的桩基水 平静载荷试验实测资料为基础，提出的一种水平土抗力与深度、位移的函数关系以及水平 地基反力系数与土质指标的函数关系，并利用相似原理，将非线性有限元的数值计算转化 为简单的查表计算，建立了一种瓶的桩在水平荷载作用下的非线性计算方法。该方法具有 较可靠的精度和较强的适用性。已被我国港e l 工程桩基规范推荐使用”。这些试桩遍 及了我国大部分的沿海地区，包含了多种类型和尺寸的桩，可以较全面地反映我国的实际 情况。、l 法体现了桩、土的非线性作用，适应了桩基承受的荷载及产生的水平位移越来越 大的需要，可以用来计算水平位移较小的情况，也可以用来计算水平位移较大的情况。该法 确定计算参数所需的土质指标易于获得，且离散性较小。完全可以代替p y 曲线法来进行 水平位移较大的横向承载桩的计算，也可以代替m 法计算水平位移较小的情况。但nl 法 不适用于分析循环往复荷载作用的情况”2 。 n l 法的一种解法是采用相似原理方法，只能用于水平荷载作用在泥面以上的桩的计算 无法准确地对多层地基或变刚度桩问题进行分析，只能用加权平均法来把多层地基转化为 均质地基或是把变刚度桩转化为等刚度桩。当多层地基各层土质差别较大时，这种均质地 基简化将会使计算结果出现较大的误差。另一种解法是用数值方法，不仅可以计算水平荷 载作用在泥面以上的桩，还能计算水平荷载作用在泥面处的桩，同时可以很方便地考虑多 层地基和变刚度桩问题。 2 6 数值计算方法 这种方法，桩和土介质均采用有限元、边界元和有限差分等离散数值模型来模拟。因 而，有可能方便地采用土的非线性应力应变关系来描述桩周土的特性。美国学者c h i e n y u a n c h e n 博士【2 7 1 用有限差分法数值计算方法( f l a c ) ( 2 0 0 1 ) 对两种类型的受力桩与土体相 第一帝绪论 互作用的受力性状作了大量的研究，特别是土体的侧向移动对桩体的受力性状影响用土体 m o h r c o u l o m b 理论作了详尽的研究。土耳其学者s k u c u k a r s l a n 1 2 8 j 用杂交元数值法对侧向 承载桩也作了研究，桩和结构体用线弹性有限元，桩周土体用边界元，并用试验结果对该 方法正确性进行了验证。南科院王年香博士【2 9 1 用三维有限元数值计算方法对码头侧向承载 桩与岸坡的相互作用进行了研究分析，并对分析的结果和现场实测资料及离心模型试验结 果进行了对比，得出分析方法正确性。 有限差分法，此法是将弹性桩划分为若干个单元，用差分：式近似代替桩身弹性曲线微 分方程的导数式，将微分方程转变为一组代数差分方程组，联立代数差分方程组求解。具 体方法是将一根桩分成n 段，每段长度h ，用差分形式可将微分方程写成n + 1 个差分方程 式，然后再在桩顶以上和桩底以下各加两个虚拟底结点，根据桩顶和桩底边界条件得出另 外四个附加方程，共计n + 5 个方程，用矩阵法联立求解，就可以得出沿桩长各点底挠度， 进而计算出各结点底转角、弯距和剪力。这种方法是属于数学上的近似。它的缺点是对于 桩端部和不同的边界条件需组成不同的方程式，如计算各单元长度不同的时候会遇到困 难。 有限元法，此法在岩土工程中已有较多的应用，但在水平承载桩分析计算中的应用尚 不普遍。水平承载桩的有限元分析以弹性地基上梁的挠曲为依据，它的基本原理是将连续 的桩身离散成具有若干个单元的离散体，根据力的平衡和位移的协调建立方程，用电子计 算机求解。故其分析计算实质上是一种矩阵分析。该法的主要优点是可以不求解桩身弹性 曲线微分方程，用简单的力学概念，将桩身侧向位移引起的侧向土抗力视为各单元结点的 反力，该地基反力等于结点处桩身侧向位移值与该处土的地基系数( 考虑土的计算宽度后) 之乘积。有限单元法适用于地基系数随深度变化的各种图式，不仅适用于单层均质地基还 适用于多层成层地基，可以用于土抗力与桩身侧移呈非线性的情况，还可以考虑桩体变刚 度等问题，这种方法是一种物理上的近似。 3 现浇混凝土薄壁管桩概况 振动沉模现浇混凝土薄壁管桩( 以下简称p c c 桩) 是近几年开发出的一种新桩型，该 技术吸收了预应力砼管桩、振动沉管桩等桩型技术优点，它已在高等级道路工程复合地基 及桥头接坡处理、码头的桩基护岸、海堤结构防波堤有不少的应用，而且目前这项技术应 用发展势头良好。它有别于通常使用的预制砼管桩，它具有优良的处理效果、简单的施工 方法，较省的工程造价、良好的受力状态等方面的优点，因而日益受到工程界的重视。该 桩型在江苏、上海、浙江和湖南的高速公路的大面积软弱路基处理、桥头接坡的软弱路基 加固方面已有成功运用的实例，并获得了良好的工程效果口“川。 现浇混凝土薄壁管桩( p c c 桩) 技术是河海大学自主开发研制的用于地基加固处理的 新技术，它采取振动沉模自动排土，现场灌注砼而成管桩，具体步骤是依靠沉腔上部锤头 的振动力，将内外双层套管所形成的环形腔体，在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度， 在腔体内浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部土体之问便形成混凝土管桩。 8 洲坶人学硕 ：i 2 文 该管桩桩身强度高，直径可达1 5 m ，单桩承载力高而造价又相对较低，有效加固深度可达 2 5 m ，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督3 2 j 。 p c c 桩技术主要针对以处理软弱地基为主的工程类型，可提高地基承载力和减少地基 沉降。其应用范围大致可以确定为以下几类：多层及小高层建筑物地基基础；高速公路、 市政道路的路基、引桥桥头接坡基础；重力式边坡支护结构；大型油罐及煤气柜基础、污 水处理厂大型爆气池基础；江河堤防加固及海岸港1 2 i 护坡等【3 “； 桩基在加固软土地基中的应用由于施工速度快，t v 大大缩短工期，加固处理深度不受 限制，适宜各种地质条件，可明显增加路基的稳定性，提高地基的承载力和减小变形。k 期以来，无论在建筑工程和道路与堤防港口岸坡工程都得到普遍运用，这其中主要包括实 心预制桩和现场灌注混凝土桩，以及预制混凝土管桩。预制实心桩较现场灌注桩造价要高： 钻孔灌注混凝土桩单方造价较低，但也不能节省混凝土材料。从根本上看，现场浇注混凝 土实心桩的造价并末得到根本的降低，为此又发展了预制混凝土管桩，该桩型的单方混凝 土提高承载力较实心混凝土桩有了较大的提高。但预制混凝土管桩的使用需要在工厂预 制，预制混凝土桩从形式上节省了材料，但考虑到施工因素，又必须加入大量的钢筋以增 加强度抵抗施工可能带来的破坏性，从而增加了造价，并且要考虑运输和现场施打、静压 设备需求量多等问题，故成本较高。因此，寻求使用较少的混凝土方量，以实现造价低、 承载力高，并且地基稳定性增加明显的新桩型成为岩土：i ：程界需要迫切解决的问题。f 是 考虑到实心桩及预制管桩的不足，这种新的高效经济的现场浇筑混凝土管桩软土地基加固 技术就应运而生口“。 p c c 桩存在如下技术优点【3 “：双层钢管空腔结构可形成大直径管桩( 直径可达l5 m ) ， 与实心桩( 一般小于6 0 0 m m ) 相比，增加与桩周土的接触表面积，可大幅提高单桩侧摩 阻力，节省大量桩身混凝土，从而大大降低工程造价；成桩机具采用活瓣桩靴结构，克服 了使用预制钢筋混凝土桩头的某些缺点，非常显著的降低了成本和加快了施工进度，可通 过设置桩靴向管内或管外倾斜来调整在沉模过程中的挤土方向：通过造浆器造浆，可以减 少沉模时环形套模内外摩擦阻力，保护桩芯土和侧壁土稳定；混凝土分流器可以避免管腔 中混凝土浇注过程中出现离析和厚薄不均，以保证p c c 桩桩身质量；龙门支架较单柱支撑 的优点是保证机具稳定，同时克服了常规结构抗拔力不足的问题；由于采用振动双层套管 沉模工艺，灌注混凝土方量相应减少，施工速度较灌注桩和搅拌桩要快，且质量也易于控 制，加固等同面积的软土地基效率提高4 0 以上；选择大直径管桩进行地基加固，由于桩 身表面积大，使单桩承载力大为提高，与实心混凝土桩或搅拌桩相比，单桩在符合地基处 理中控n 的d n i n 面积大( 1 m 桩径的管桩加固面积一般大于1 0 m 2 ) ：该桩型成桩质量稳定， 成桩较深( 2 0 2 5 m ) ，桩体与桩周土形成刚性复合地基，复合层的变形小，地基稳定性得 到提高”1 。 第一章绪论 第二节研究的目的和意义 码头、边坡、高速公路桥头等桩基经常受到水平荷载的作用。目前用于承受水平荷载 的桩基工程中，通常使用混凝土灌注桩、预应力混凝土管桩、钢筋砼预制桩及钢管桩等桩 型。国内外众多的学者对预制桩、灌注桩作为主动桩和被动桩与桩周土体相互作用的水平 承载性状及机理有过大量深入研究。”。”。，形成了不同的理论，提出了众多的计算方法。以 及大直径( 4 ，o m ) 砼薄壁圆筒作为岸壁、码头、防浪堤和其他挡土结构也有过不少研究。”1 。 随着工程建设规模的越来越大，需要发展一种工程中可行、经济上节省、质量上优良、 工期上高效的新的地基基础桩基技术用于承受水平荷载作用，p c c 桩型的优良特点适应了 这种需要，并已在实际软基加固工程中大量使用，但其理论研究还处于空白阶段，因而进 行p c c 桩的水平承载性状研究既有理论意义，又具有工程实用价值。本文正是在这样背景 下，开展对p c c 桩的水平荷载性状的研究。 在软基上建造海港码头，桩基对岸坡或土坡起着抗滑稳定的作用，有两方面：一是桩 表面的摩阻力将土体滑动面以上的部分土重传至滑动面以下，从而减小了滑动力；二是桩 本身抗弯刚度提供的抗滑力，它直接阻止土体的滑动，目前由于对桩表面的摩阻力的抗滑 机理认识不清，在工程实际中只考虑后者的抗滑力。p c c 桩型以较少的工程造价获得较大 的抗弯刚度，这样用它做抗滑桩能很大程度上发挥它的优点，而且码头建筑物在很多情况 下整体稳定性已满足要求，但由于地基土的蠕变和土体在荷载作用下产生侧向变形等因素 的影响，结构可能产生使用要求不允许的较大的水平位移，甚至造成结构的破坏口。3 ；为 了解决这一问题，海港工程通常是打斜桩与直桩形成群桩系统以提高水平承载力和减少水 平位移”4 】【2 ”，这又加大了施工难度。而大直径现浇薄壁管桩的薄壁结构具有很好的抗弯性 能，且能较大程度上发挥水平土抗力的特点，于是研究这种技术先进的桩基形式在水平荷 载作用下的基本性状，对于这种桩型以后大规模的运用于海港护岸护坡工程很有意义。 p c c 桩是新兴发展起来的一项软基加固技术，不论是在桩基结构形式还是在施工的工 法上都是全新的，就其低标号的砼和较少的配筋率类似于灌注桩，但结构形式却完全不同； 就其桩身结构形式类似于预应力钢砼管桩，但却不需以高强砼和高配筋率以应付高能量的 锤击沉桩，因而前人大量研究的实心钢砼灌注桩和预应力高强砼锤击管桩及静压方形桩的 受水平荷载的桩身受力性状与p c c 桩有很大的不同，为了发展这种有生命力的海港护坡护 岸及挡土结构的新型桩基结构形式，很有必要开展p c c 桩型的在承受水平荷载下基本性状 的研究。 0 洲海人学坝i ：论义 第三节本文所做的主要工作 本文主要围绕p c c 桩的水平承载性状问题，进行了以下几项研究工作： l 、对水平承载桩前人所做的工作、所得到的理论成果以及所采用的计算研究方法进行了 综述与分析，并对各自方法的优缺点和适用性进行了阐述。沦述了本文所进行的p c c 桩的 水平承载性状研究的必要性及其重要意义； 2 、自行研制了室内模型试验装置及模型桩，进行p c c 桩的水平承载作用下的室内模型试 验，模拟单桩在受水平荷载下的基本性状，研究桩顶水平位移、桩身弯距分布、桩身内力 以及桩周土抗力分布问题。对各级荷载下的受力性状进行了测试，得到了规律性的有价值 的结论； 3 、根据有限元计算理论，在前人的基础上编制了适合p c c 桩在受水平荷载的作用下的计 算程序，将工程中广泛采用的弹性地基反力系数m 法引入到程序中，不仅能考虑均质地基 也可考虑成层地基的p c c 桩的水平承载计算。通过和模型试验结果及现场试验资料对比， 验证了程序的实用性及可靠性； 4 、将本文的p c c 桩的有限元数值解与规范推荐使用的桩身弹性微分曲线方程的幂级数解 析解进行了对比，分析了它们之间的差别，并初步探讨了两种解产生差别的原因。 5 、利用本文数值计算程序对p c c 桩的重要设计参数进行了计算分析研究，对p c c 桩的几 个关键设计参数的变化对p c c 桩身受力性状的影响进行了详尽的分析； 6 、对p c c 桩与目前实际工程中常用的灌注实心圆桩和预制方形桩在水平承载作用下进行 了对比分析，从相同的桩径和等效的截面积两个角度论证了p c c 桩在承受水平荷载时的技 术经济的优越性，从理论计算上论证了p c c 桩用于桩基础工程承受水平荷载的优良特性。 第一章室内模型试验研究 第二章室内模型试验研究 第一节概述 在桩基工程中，由于进行群桩或单桩的原型试验需要花费大量的人力、物力和时间， 或因场地条件或其他因素的限制无法进行原型试验，在这种情况下，模型试验成为研究、 探索和解决问题的一种有效方法【4 ”。 桩的模型试验是根据桩基的实际工作状态，进行合理全面的构思，建立与原型试验具 有相似性规律的模型，借助科学仪器和设备，人为的控制试验条件，研究桩基在某一或某 些条件下的受力变形特性的试验【47 _ 4 “。它在桩基工程技术的研究应用、设计以及施：f 阶段 都占有重要地位，它不仅桩基础的研究提供试验数据和试验论证，而且为工程设计提供依 据进而指导工程实践。 国内外学者很早以前就考虑从模型试验角度，来研究桩基的受力性状问题，一段时间 以来，他们开展过大量的室内模型试验并取得了一定的研究成果 5 0 - 6 5 】。前人做过的大量模 型试验归纳起来，主要有l g 条件下的模型试验和离心模型试验，本章主要研究的是l g 条 件下的模型试验，离心模型试验大多是考虑被动桩情形，模拟岸坡或边坡土体的相对侧移 而作用于抗滑桩的侧向力，产生的土体与桩基结构的共同作用问题，离心模型试验费用较 高，试验规模很大，周期较长。不是本论文能完成的。本文的l g 条件下的模型试验相对 容易，便于开展，模拟p c c 桩模型桩作为主动桩相对方便。本文就是在模型砂箱中桩顶自 由条件下作用水平荷载，研究其桩身受力性状及其与桩周土的作用问题。 国外学者d a v i s s o nm t 在7 0 年代进行过室内模拟桩基水平载荷的模型试验【5 “，七根 模型桩外径1 9 m m ，壁厚0 9 m m ，长为7 6 c m 的铝合金管制作，模型桩上贴有应变片测点， 模型桩按0 0 、3 0 0 、4 5 0 埋设，箱中填有经压实的干燥标准砂，横向荷载在砂表面处垂直于 桩轴线。沿斜度方向或相反的方向作用。由实测应变读数换算成弯距，然后由弯距换算成 位移、转角和土抗力。总共进行了3 1 次试验，2 6 次在砂土中进行，5 次在亚粘土中进行。 试验中用压力传感器测土体抗力。其试验结果表明：无论是在砂土或粘土中各级荷载的土 抗力都呈曲线分布；当模型桩埋入深度一定时，松散砂的最大土抗力的深度比中密砂和粘 土中的深度都要低。近十来年来，又有国外很多学者从事过这方面的研究【5 1 。”】，他们试验 或做的是单桩模型试验，或是群桩模型试验，模拟的地基土大多为砂土，少量也有粘性土 地基。采用的模型桩材料主要有木质模型桩、有机玻璃模型桩、钢管、镀锌铝管模型桩， 水平加载方式主要有分级单向维持荷载或循环荷载。取得的试