（岩土工程专业论文）桩基承载力自平衡测试法研究.pdf

中文摘要 摘要 自平衡测试法是一种新型的试桩技术，具有方便、快捷、耗费成本低等特点。 虽然我国的建筑桩基技术规范j g j 9 4 - 9 4 给出了确定自平衡测试法试桩的极限 承载力的方法，但没有给出确定整桩q s 曲线的方法，然而自平衡测试法的试验 结果的转换方式在很大程度取决于上桩侧摩阻力和与传统测试法的发挥方式的差 异，所以自平衡测试法的关键在于上桩的荷载传递机理。本文对自平衡测试法上 桩和一般试桩的桩侧摩阻力的发挥机理进行了分析和比较，得出了自平衡测试法 上桩侧摩阻力的分布、发挥特点和不同相对桩一土刚度比条件下侧摩阻力、轴力、 截面位移的变化情况。 本文首先分析了传统加载方式下的桩体和自平衡测试法上桩的侧摩阻力工作 机理及其影响因素，归纳得出不同加载方式间的主要区别和影响因素。在位移协 调的假定条件下，采用荷载传递法对上桩的荷载传递模型进行了一定的推导。然 后建立了用于模拟自平衡测试上桩和一般试桩的有限元模型，通过数值模拟分析 证明了自平衡测试法上桩的荷载传递方式与传统加载方式的差异。在本文的 a n s y s 分析模型中，采用可以视为位移协调的灌注桩模型，并根据模型的特点将 模型简化为上桩、土体、桩一土接触带的对称模型；通过使用普通单元对桩一土 接触带薄层单元进行弱化处理，即采用低弹性模量的材料的方法来模拟桩一土间 在大荷载下的相对滑动；使用d l _ - p 模型来针对自平衡测试法和传统试桩法的主要 区别处即上桩的受力状态进行数值模拟分析，归纳出桩正摩阻力和负摩阻力的发 挥规律。然后通过数值模拟分析了自平衡测试法与抗拔桩的桩体受力状态的区别 及桩侧负摩阻力的相似性。最后本文介绍了自平衡测试法的试验基本原理和测试 方法，分析了目前采用的两种s 曲线拟合方法的优缺点。 关键词：自平衡测试法，负侧摩阻力，相对桩一土刚度，有限元模拟分析 英文摘要 a b s t r a c t s e l f - b a l a n c ep i l el o a dt e s ti san c e c v t e s tt e c h n i q u ew h i c hi ss i m p l e , f a s ta n d e c o n o m i c a l i nc h i n f f s oc o d ef o rp i l ef o u n d a t i o nj g j 9 4 9 4 ，o n l yt h em e t h o dt o d e t e r m i n eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o ni s g i v e no nt h er e s u l t so f s e l f - b a l a n c ep i l el o a dt e s t m e t h o do fd e t e r m i n i n gq sc i 】n ，eo fp i l ef r o ms e l f - b a l a n c e p i l el o a dt e s tr e s u l t si ss t i l ln o tg i v e n 1 1 1 em o d eo fc o n v e r s i o nf r o ms e l f - b a l a n c ep i l e l o a dt e s tr e s u l t st ot r a d i t i o n a ll o a dt e s tr e s u l t si sm a i n l yd e t e r m i n e db vt h ed i f f e r e n t b e h a v i o r sb e t w e e ns e l f b a l a n c ep i l e1 0 a dt e s ta n dt r a d i t i o n a ll o a dt e s t s ot h ek e y p r o b l e mo fs e l f - b a l a n c ep i l el o a dt e s ti st h eb e h a v i o ro fp i l e sl o a dt r a n s f e r t h r o u g h c o m p a r i n gt h em e c h a n i s mo fs e l f - b a l a n c ep i l e ss i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ew i t ht r a d i t i o n a l l o a dp i l e ，t h ec o n c l u s i o na b o u tb e h a v i o ro f s i d ef r i e t i o nr e s i s t a n c e , a x i a lf o r c ea n dc r o s s s e c t i o nd i s p l a c e m e n tw i t hd i f f e r e n tr e l a t i v es t i f f n e s sr a t i oi sd r a w no u t n m a i nd i f f e r e n c ea n di n f l u e n c ef a c t o r sa r ed r a w no u tt h r o u g ha n a l y z i n gt h e d i f f e r e n tb e h a v i o ro f p i l eb e t w e e ns o l f - b a l a l i c ep i l el o a dt e s ta n dt r a d i t i o n a ll o a dt e s t i n d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t i o ne x i s t s , l o a dt r a n s f e r b e h a v i o r so f s a l f - b a l a n c ep i l ea r ed e r i v e d o u tb yu s i n gl o a dt r a n s f e rm e t h o d t h ed i f f e r e n tb e h a v i o r sb e t w e e ns e l f - b a l a n c ep i l e l o a dt e s ta n dt r a d i t i o n a l1 0 a dt e s ta l ep r o v e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l 撕o na n a l y s i so f s e l f - h a l a l i c ea n dt r a d i t i o n a lp i l e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i a n a l y s i su b o r e dc o n e r e t e p i l em o d e lw h i c hw o r k si nc o n d i t i o no fd i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t i o na n dc a l lb e s i m p l i f i e da 8as y m m e t r i cm o d e lc o m p r i s e dw i t hp i l e , s o l i da n dp i l e - s o l i dc o n t a c tz o n e l o we l a s t i cm o d u l u sm a t e r i a l sa r eu s e df o rw e a k e n i n gc o n t a c tz o n et os i m u l a t er e l a t i v e s l i pu n d e rg r e a tl o a db e t w e e np i l ea n ds o l i d e x e r t i o nd i s c i p l i n a r i a no fp o s i t i v ea n d n e g a t i v ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea l ed r a w no u tt h r o u g hu s i n gd - pm o d e lt oa n a l y z eo f s e l f - b a l a n c ep i l e sb e h a v i o r sw h i c hi st h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e ns e l f - b a l a n c ep i l el o a d t e s ta n dt r a d i t i o n a ll o a dt e s t t h e n , t h es i m i l a r i t yo fs t r e s sa n dn e g a t i v ef r i c t i o n r e s i s t a n c eb e t w e e ns e l f - b a l a n c el o a dp i l ea n du p l i f tp i l ei sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d f i n a l l 弘b a s i cp r i n c i p l ea n dt e s t a p p r o a c ho f s e l f - b a l a l i c ep i l el o a dt e s ta r ei n t r o d u c e d 1 h cm e r i t sa n dd e m e r i t so ft w ok i n dq s c x l r v ef i t t i n gm e t h o da l ea n a l y z e d k e y w o r d s ：s e l f - b a l a n c ep i l el o a dt e s t , r e l a t i v ep i l e - s o l i ds t i f f n e s s ， n e g a t i v es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c e , f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s m 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，也不包含为获得重庆太堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期堋年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、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 重废太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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：集查一导师签名：弘呵 签字日期：2 帕7 年 6 月7 日 签字醐：7 引7 日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题意义 桩基础是一种历史悠久而古老的基础形式。桩基础的作用是通过桩体将荷载 传递到地基内部变形小强度较高的土层或岩石层，来解决浅层土层或岩石层无法 满足建筑物对地基的变形和强度要求，从而减少浅层软弱地层的不良影响【l 】。随着 生产水平的提高和科学技术的发展，桩的类型，成桩机具和施工工艺以及设计理 论、计算方法和应用范围，都有很大的发展。但是随着我国建筑事业发展得越来 越快，高层、超高层建筑逐渐增多，要求桩基的承载力也越来越高。随着承载力 的不断提高，采用传统的桩基承载力测试方法在成本、工程量、时间上的耗费往 往比较大。单桩承载力越高，对静载荷试验的堆载或反力系统的能力的要求也越 高，而且使试验费用急剧增加，因此人们常力图回避做静载荷试验，甚至出现了 单桩承载力越高越不愿意做静载荷试验的倾向，以致许多重要的建筑物的大吨位 基桩往往得不到准确的承载力数据，基桩的承载潜力不能得到有效的发挥。另外， 由于工作条件限制或承载力过大，某些特殊的桩墩，难以进行单桩的静载荷试验。 针对静载荷试验存在的诸多不便，人们希望有一种简便易行的经济的且能给 出完整的静载试验结果的测试方法。自平衡试桩法就是在这种要求f 产生的一种 新的测定桩基承载力的方法。和其它的方法比，这种方法的优点是节省时间，节 约经费，可以分别测出桩的摩阻力和端阻力与上下位移间的关系曲线，便于分别 考虑这两种承载力，明确两种承载力的发展过程，这对于桩基础进行可靠度设计 时考虑和确定分项系数也是十分重要的【2 】。 1 2 传统桩竖向基承载力确定方法 单桩承载力的确定是桩基设计的关键问题【3 】，是评估单桩性能的一项重要指 标。单桩的承载力的确定方法一般可分为直接法和经验法两类。直接法是在现场 进行静载荷试验的方法。经验法是指根据一定的土性指标按经验关系式获得单桩 的侧阻力和端阻力，从f 面来确定桩的承载力，或由动力试验确定单桩承载力的方 法。 1 2 1 静载荷试验 单桩承载力最直接最可靠的检测方法是静荷载试验。我国与许多国家现行地 基基础规范和工程实践均将静荷载试验置于优先地位，作为工程中的标准试验方 法。并是其它检测方法的比较依据 4 1 。静荷载试验装置包括：加载系统、量测系统、 反力系统等，其中反力系统常用的有：锚桩、锚杆、堆载或联合反力系统等p 】。以 莺庆大学硕卜学位论文 荷载增加方法划分，静荷载试验法主要有： 慢速维持荷载法 该法是沿着很久的方法，具体操作是：按一定要求将荷载分级加到试桩上，每 级荷载维持不变直至桩顶f 沉量随时日j 增量达到某一规定的终止试验条件时，便 停止加载，再分级卸载直至零。 快速维持荷载法 试验加载不要求f 沉量的相对稳定，而以等时间间隔连续加载。快速加载下得 到的极限荷载乘以一定的修正系统町转换成慢速加载时的极限荷载。快速法所得 的极限荷载所对应的沉降值比慢速法偏小百分之十几 5 】。 等贯入速率法 试验加载时，保持桩按等速率贯入土中，按荷载贯入曲线确定极限荷载。 循环加载卸载试验法 此法在国外用得较广泛，可细分为：在慢速法中以部分荷载进行加载卸载循 环；对慢速法中的每一级荷载进行加载卸载循环；对快速法中的每一级荷载进行加 载卸载循环。 静载荷试桩法的缺点是明显的，即成本高、工程量大、工期长等。但它作为一 种标准方法，它的发展将促进其它方法的发展。应充分认识到，在工程中进行足够 的静载试桩，取得完整町靠的承载力参数将会给设计带来巨大的经济效益和避免 工程的潜在不安全因素，而且还能积累经验促进试桩法( 如动测法)的发展。扶 持、改进和提高静载试验是很有现实意义的。 1 2 2 动力测定桩承载力的方法 动力测定桩承载力的方法最早出现在国外，其初始主要是以能量守恒或动量 原理为基础，根据牛顿撞击定律通过打桩时的贯入度来计算桩的极限承载力。国 外近代动测技术是以应力波理论为基础发展起来的1 5 1 。动力测桩法一般是在桩顶作 用一动荷载，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应，通过在桩侧安装传感器测量 桩土系统的振动响应，并用波动理论分析和研究应力波沿桩土系统的传递和反射， 从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力【4 】。早在2 0 世纪3 0 年代，应力波理论就 开始被用来分析打桩工程，到1 9 6 0 年史密斯( e a s m i t h ) 发表了“打桩分析的波 动方程法”，波动方程开始进入实用阶段。此后在世界各国相继开展了动力试桩的 动测设备和计算软件的研制和应用。 按测试时土的动应变大小，动测法又町以分为低应变动测法和高应变动测法 两类【6 】：目前，低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范 围内作低幅振动( 应变量级约1 0 。5 ) ，利用振动和波动理论判断桩身缺陷。因此， 国内外将低应变应力波反射法用f 检测桩身完整性。高应变动测是采用足够大的 2 1 绪论 重锤敲击桩顶，使桩顶产生的动位移接近常规静力压桩时的沉降量( 应变量级约 为1 0 4 ) ，以使桩周土阻力充分发挥。通过波动方程的求解，直接计算士的静动阻 力及桩的缺陷程度，从而对桩的承载力和桩身结构完整性进行定量评价 7 1 。由于低 应变法无法在一定程度上激化桩周土的阻力并加以实测，实测的仅是桩土系统的 某些动力参数，然后通过经验来估算承载力，所提供的承载力绝非实测的承载力。 高应变动测法是建立在一维杆件中应力波传递原理的基础上，试验方法相对于静 载荷试验方法简单，费用低，宜于增加检测比例，提高检测结果的代表性，但其 依据应力波传播原理，动态成分高，检测结果的可靠性较差。动静试桩法兼有静 载荷试验和高应变测试的优点，试验原理简单，从本质上讲仍然是一种动测法， 动态现象的存在使得必须通过一些假定来调整实测数据，致使分析方法带有一定 的限制条件【2 ”。 高应变动测法的问题主要有： 由于混凝土的模量在低应力水平下要高于高应力水平下的模量，导致冲击 应力水平越高，非线性影响带来的误差也越大。 在波形拟合法中，桩侧静阻力靠桩与土间的剪切变形传递，假设桩侧土不 随桩一起运动，则桩端与岩土介质的相互作用与刺入破坏模式相近。对嵌岩桩、 大直径桩和扩底桩，将出现不符的情况。如嵌岩桩在嵌固段的岩体呵能随桩一起 运动，大直径桩特别是扩底桩桩端的破坏模式与刺入破坏模式不同【7 1 。 存在辐射阻尼问题，在桩在易被打动的场合，可能出现高估承载力的危险。 低应变动测法的问题主要是在： 1 ) 桩产生的应变量小，很难使桩体与土产生相对位移，主要是通过经验的 方法来确定静刚度。 2 ) 低应变法无法在一定程度上激发桩周土的阻力并加以实测，实测的仅是桩 土系统的某些动力参数，然后经过经验来估算承载力。所提供的桩承载力绝非实 测的承载力【8 9 】，不可靠性较大。 1 3 单桩承载力自平衡测试法 自平衡试桩法是一种比较巧妙的静载荷实验方法，如图1 1 所示，其工作原理 是在桩的中下部找到一个平衡点设置一个加载装置，将桩分成上下两段，通过液 压装置给加载装置加压使两段桩受到一对向上和向下的反力，上段桩底部受到向 上的均布荷载作用，下段桩顶部受到向下的均布荷载作用。采用预先在加载装置 中安装压力表和位移传感器的方法来得到加载装置的压力和上下两端的位移。根 据测试结果分别绘出上段桩和下段桩的荷载沉降曲线，并求得上下两端桩的极 限承载力。然后，将经过处理的上段桩的侧阻力和下段桩极限承载力相加即为单 3 重庆大学硕士学伶论文 桩极限承引1 0 , 1 1 】。 0 j 之0 走 j r j 噩 1 t t j 丌 上段桩 荷载箱 f 段桩 s + r q q + ，s 一 图1 1自平衡测试原理示意图 f i g 1 1 t h ep r m c i p l e so f s e l f - b a l a n c e dl o a d i n gt e s t 自平衡试桩法的毛要装置是一种经过特别设计町用于加载的衙载箱。它主要 由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。在顶盖、底盖上布置位移棒，将荷载箱 与钢筋笼焊接成一体，放入桩指定位置后，即可以浇捣混凝土成桩【1 2 ”】。试验时， 在地面上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、下发生变位，促使 桩侧阻力及桩端阻力的发挥，由f 加载装置简单，多根桩町同时进行测试。荷载 箱中的压力町用压力表测得，荷载箱的向上、向下位移町以用位移传感器测得， 据此町以得到并绘制出对应得“向上的力与位移图”和“向下的力与位移图”，根据 两条p s 曲线或相应s l 殍、s 1 9 p 曲线通过计算得到上段桩和下端桩的极限承载力， 通过对上段桩的侧阻力经过一定的处理后町以与下端桩的极限承载力相加，就可 以得到桩的极限承载力【l ”。 与传统静力测桩法相比自平衡测桩法具有6 方匠的特点【1 5 。 测力直接。该法利用桩的侧阻力与端阻力巨为反力。因而可直接测得侧阻 力与端阻力： 工期减短。荷载箱埋设后待混凝土达到一定强度( 7 0 左右) ，且土体 稳定后( 砂类士l o d ，粉士和粘性土1 5 d ) 即町测试，一股1 5 d 就足够了。对于嵌 岩端承桩，可用提高混凝二t 强度等级或在混凝土中加早强剂的方法使测试时间提 前，并且多根桩同时测试，测试时间大大缩短； 费用节省。尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验 总费用的3 0 6 0 ，具体比例视桩与地质条件而定。试桩完全按工程桩制作。桩 4 1 绪论 顶无需特殊处理，也不需露出地面，对于有地下室的桩基础，与其他试桩法相比， 桩长减小很多，因而节省材料，降低试桩本身的造价； 装置简单，占场地小。由于无需笨重的反力架及运入数百吨或数千吨物料 大量的“堆载j 加载只需几台高压油泵，占用场地极小，且不受场地条件的限制。 由于加载装置简单，还能同时进行多根桩的测试； 测后继续使用。不同于有的测桩法测试后试桩报废，该法试验后试桩仍可 作为工程桩使用，可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆； 适用性强。在一些复杂场地情况下，或当设置传统堆载平台及锚桩反力架 特别困难或特别花钱时，该法更显示其较强的适用性。例如水上试桩，坡地试桩， 基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拨桩等，这些都是传统试桩法难以 做到的【1 6 1 。 自平衡试桩法应用于工程中的问题是其加载模式下上段桩的受力状态，桩周 土的受力状态与真实的桩一土受力状态有一定的差异，而且测定荷载的荷载箱的 安放位置即平衡点的确定仍是凭借一定的经验来确定，其试验结果向传统静载试 验的结果的转化方法在理论上也存在进一步的研究必要。 1 4 课题研究现状 单桩承载力的自平衡测试法的兴起于2 0 世纪8 0 年代，并由o s t e r b e r g 教授系 统研究后得出的一种可以广泛应用的一种荷载试桩新方法【1 7 1 。近几十年以来，欧 洲及加拿大、日本、新加坡等国家也在广泛研究和使用该方法，并且制定了相应 得测试规程。该测试方法已经在水上试桩、坡底试桩等多种特殊场地试桩，妆型 有钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌注、沉管灌注桩及人工挖孔桩，国外的试桩承载 力水平已经达到1 5 0 m n 。在国内，东南大学土木工程学院与江苏省建设厅、南京 市建筑质检站于1 9 9 6 年开始实用性研究，并于1 9 9 9 年制定了相应的规程，并获 两项国家专利。目前该法在江苏省广泛应用，在河南、浙江、云南、上海、福建 等省也已开始使用。自平衡试桩法的起源是对传统试桩法难以在大吨位以及特殊 场地的试桩应用难题而出现的，也是一种静载荷试验方法。从1 9 9 6 年以来，已在 全国2 7 省市开始推广应用，完成3 0 0 多个实际工程，积累了大量的实践经验，测 试结果验证和优化了设计，许多工程在测试结果的基础上，缩短了桩长，优化了 设计，取得了巨大的社会和经济效益。 自平衡试桩法的最终目的是建立单桩桩顶的q s 曲线并依据传统静载试验 q s 曲线的数据分析方法，判定单桩的极限承载力。但因自平衡试桩法加载方式与 桩身实际受力状态的不同以及桩土相互作用机理上的差异，使得自平衡试桩法与 传统静载试验存在一定的区别，如：自平衡试桩法上段桩正负摩阻力的问题、桩身 5 重庆大学硕士学伊论文 的轴向变形问题、泊松效应、桩周j t 的应力变化及剪涨性、桩周上主应力方向旋 转及应力劳德角的变化以及边界条件的影响等。对此，国内外曾作了大量的对比、 模拟试验。日本建筑研究促进会简化试桩方法研究委员会发表了1 6 组用o s t e r b e r g 试桩法和用传统静载试桩法进行对比的试验研究，结果表明，两种方法所得到的 桩顶荷载叫匣移曲线和桩端荷载位移曲线均卜分接近1 1 8 1 ；清华大学水利水电工程 系也在国内率先利用该法结合大型渗水t 工模型试验，进行了“桩底受托桩”、“桩 顶受压桩”及“桩顶受拉桩”三者侧阻力发挥机理差异的试验研究，并建立了从 o s t e r b e r g 法试验结果推导抗压桩承载力的关系式：东南大学上木工程系也与江苏省 建委合作对o s t e r b e r g 试桩法进行研究，并在国内率先将该法付诸实用，编制了桩 承载力自平衡测试技术规程地方标准。 目前，关f 自平衡试桩法的问题主要集中在三个问题上： 上下两段桩的平衡点的确定问题 自平衡试桩法提出了“平衡点”概念，即：上段桩的负摩阻力+ 上段桩自重= 下 段桩摩阻力+ 端阻力。而荷载箱应摆在“平衡点”维持加载才能测出最终极限承载 力。对于持力层受力 e 常好的情况下，桩底可看作桩的自平衡点。但是其缺点是 上下两段试桩的反力和位移平衡上与实际情况有出入。“平衡点”的位置确定一般是 在试验开始之前通过对已有资料和试桩经验来确定，因此它是有一定的偏差的， 这也会造成上，下两段桩很少同时达到早先拟定的极限条件，即可能是其中一段 达到极限承载力，另一段可能还没有达到极限承载力，从而导致上下两段桩的极 限承载力不相等。这样得到的极限承载力小于真实状态的极限承载力，结果是偏 于保守的。这样的测试结果对于工程来说是安全的，但对于充分使用工程资源来 说有进一步研究以提高测试准确度的必要。 承载力的确定问题( 包括自平衡试桩等效转换问题) 利用自平衡法测试单桩承载力时，荷载箱上部桩身自重方向与桩侧阻力方向 一致，故在判定桩侧阻力时应当扣除。该法测出的上段的摩阻力方向是向下的， 与常规摩阻力方向相反。传统加载时，侧阻力将使上层变得密型”2 0 1 ，而该法加 载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力， 国内外大量的对比试验已证明了这点。目前国外对如何利用该法测试值得出抗压 桩承载力的方法也有不同【2 1 盈】。有哆国家将七下两段实测值相叠加而得抗压极限 承载力，这样偏于安全、保守。有些国家将上段桩摩阻力乘以大于1 的系数再与 下段桩叠加而得抗压极限承载力。我国则将向上向下摩阻力的比值根据t 性划分。 对于粘性土层向下摩阻力为( 0 6 o 8 ) 倍向上摩阻力；对f 砂土层，向下摩阻力为 ( 0 5 o 7 ) 倍向上摩阻力。我国桩基础规范给出了用自平衡测试法计算桩极限承 载力q t 。的公式，见式( 1 1 ) 。对于工程应用而言，公式( 1 1 ) 计算的结果具有 6 1 绪论 相当的精度。 艮：q m + - g p + g ( 1 1 ) 式中q 。一为荷载箱上部桩自重； 饼一为上桩极限荷载； g 一为下桩极限荷载； 五一转换系数，对于粘性土、粉土，五= o 8 ，对于砂土2 = 0 7 这种简化转换公式是在现场对比试验统计基础上得出的，一般适用于在桩身 中仅埋设荷载箱测试承载力的情况。由于桩承载力受旃工地质条件等因素影响， 同一场地试桩承载力有时相差也非常大，甚至达l 倍左右。统计的转换系数也有 一个离散范围，因此必须采取一定的数学统计方法，排除明显受施工影响非常大 的数据再进行统计。另外，由于传统方法是从上往下发挥，而自平衡法是从下往 上发挥，转换系数的取值时须慎重。 在规范计算公式中没有给出相应的桩顶荷载作用下位移，故在重要工程中一 般由等效转换曲线来确定承载力，利用荷载传递解析方法，将每层土实测的f s 曲 线( 图1 2 ) 、荷载箱处向下q s 曲线推导出桩顶静载q s 曲线，具有一定的精 度，但仍需要有大量的理论和试验研究来验证和改善。 q t t t t t t tf t t t 图1 2 桩单元及每层土f s 曲线 f i g 1 2 e l e m e n t o f p i l e a n df jc u r v c o f s o i l h o r i z o n s 自平衡法用于工程桩的问题 自平衡法由于自身的特点使得试桩加载到极限状态时，上下段桩分别受力为 极限状态时承载力的一半，故桩身材料不会发生破坏。桩周土层承载力随时间是 7 重庆大学硕十学位论文 可以恢复的，可以在试验完成后对其注浆填充试验断层，使该断层处强度略大于二 桩身强度即可。通过国内外大量的- 【程实例证明，试验后通过预埋管对荷载箱处 进行压力灌浆后，可作为【程桩直接使用，但是毕竟改变了工程用桩的初始状态， 会不会对桩其它性能有所不利影响，这也是需要大量对比试验才能得出结论。 1 5 课题的研究内容 传统的静荷载试桩法在目前仍然是确定单桩极限承载力的最直观、最町靠的 方法，但长期以来其实验装置一直停留在压莺平台或锚桩反力架等形式上，其工 程费用大，费时；自平衡测试法相对简单和快捷，由于加载点位置的改变，自平 衡测试法中上段桩的运动方式和传统加载方式有着明显的区别，在工程中要运用 自平衡测试法必须要对上桩的荷载传递和工作原理进行研究，本文的研究内容主 要以自平衡测试法上桩的承载性能为主。本文所作的内容如下： 分析自平衡测试法上段桩桩体的传力机制和工作原理，详细地分析自平衡 测试法上段桩的荷载传递和分布形式、传统的加载方式下的桩体的荷载传递和工 作机理，总结班j 纳出各种加载方式f 的特点和区别。 按照位移协调法的假定来分析和推导自平衡测试法上桩的荷载传递模型， 建立上桩的荷载传递模型。 利用a n s y s 有限元软件分析自平衡测试法上段桩体的轴力、截面位移、 侧摩阻力的分布形式和传递机理。模拟在不同桩土相对刚度比条件下对上桩的轴 力、截面位移、侧摩阻力的分布产生的影响。通过有限元模拟来分析自平衡测试 法上段桩和抗拔桩桩体的轴力、截面位移、侧摩阻力的特点和区别。 分析自平衡测试法实验的原理、荷载箱位置的确定、加载方式和加载准则、 极限承载力的确定方法；讨论目前工程应用中常使用的两种q - s 曲线的拟合方法 ( 按位移相等和按荷载相等方式进行拟合) 的优点和缺点。 2 桩体传力机制与工作机理分析 2 桩体传力机制与工作机理分析 传统静载荷实验在测试时是将荷载作用在桩顶，桩侧摩阻力由桩顶向下逐步 发展，桩侧摩阻力方向向上。在自平衡法中，上桩侧摩阻力由荷载箱处向上发展， 侧摩阻力方向向下，下桩的受力模式大致与传统的静载荷实验情况相同，所以自 平衡法测试与传统的静荷载试验的区别在于上桩的受力机制。同时其受力机理与 传统的抗拔桩的受力机理也不相同，区别在于作用力的作用点不同，桩的位移量 和摩阻力分布也不相同，抗拔桩荷载是自上而下传递，而自平衡测试法中的上桩 的受力则是自下而上的 2 7 1 。因此，从目前的研究来看，自平衡测试上桩的荷载传 递机理是关键所在，本文通过与传统的荷载传递模式的对比来分析自平衡测试法 的桩体传力机制和工作机理。 2 1 静荷载试桩荷载传递 2 1 1 垂直荷载作用下单桩荷载传递 桩体承受的荷载一般是由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受的，如图2 1 所示。 桩侧表面摩阻力是桩体在竖向荷载作用下通过桩身相对于土层的位移而发挥出来 的。通过参考大量的试验数据，可以得出桩侧摩阻力沿桩身的分布情况：一般在 粘土中的桩，其摩阻力沿桩身分布的形状比较接近抛物线形状，在桩顶处摩阻力 为零，桩身中段处的摩阻力则大于桩的下段，如图2 2 所示；在砂土中的桩，其摩 阻力从地面开始大致5 - 2 0 倍桩径( 打入桩约为1 0 - 2 0 倍桩径；灌注桩约为5 l o 桩径) 范围内随深度成正比增加，深度更大时则接近均匀分布或逐渐减少。 图2 1 单桩受压作用图 f i g 2 1 t h ea c t i o no f s i n g l ep i l eu n d e rc o m p r e s s i o n 9 重庆大学硕十学 市论文 tt ff ff 力 图2 2 单桩静荷载作用f 粘 中桩侧摩阻力分布图 f i g 2 2t h ed i s t r i b u t i o no f s k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c eo f s i n g l ep i l e u n d e rc o m p r e s s i o ni nc l a ys o l i d 在静荷载试验中，首先桩顶在受压后会和上体之间产生相对向下的位移，在 桩体和t 体之间会产生向上的侧摩阻力，随着桩土之间的相对位移的增大，侧摩 阻力增长较快，这时发挥出来桩端阻力并不多；这段时期主要通过侧摩阻力的作 用将桩项荷载传递到桩周t 体中去。随着荷载的增大，桩侧摩阻力也逐渐增大并 将桩顶荷载传到桩端，桩端阻力会逐渐增加；这个阶段，桩顶荷载由桩侧摩阻力 和桩端阻力共同承担。最后当桩侧摩阻力达到极限值以后就不再增加了，后面增 大的荷载将由桩端荷载来承担，直到桩失去承载能力。桩项荷载传递的过程大致 可以用图2 3 表示。 q q ，一桩侧摩阻力q 。一桩端阻力 图2 3 桩侧摩阻力和端阻力变化图 f i g 2 3t h ec h a n g eo f s k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dt i pr e s i s t a n c eo f p i l e 1 0 2 桩体传力机制与工作机理分析 从图中可以看出，传统单桩呸向受压荷载的传递是先以桩土侧摩阻力为主向 土体中传递荷载，当侧摩阻力到达极限后，增加的荷载靠桩端荷载为主来向土体 传递荷载。同时也可以看出在不同的桩顶荷载作用下，桩侧摩阻力和桩端阻力的 增长并不是一个固定的比值，这与荷载传递过程中的各种影响因素有关；由于荷 载主要是通过侧摩阻力传递到土体中去的，影响其发挥的因素决定了桩侧摩阻力 的发挥的进程和机制，对于桩侧摩阻力的影响因素可以从下面几个方面来考虑： 桩周土的性质【2 】 因为侧摩阻力产生于桩和土体之间的相对位移中的相互摩擦，所以桩土体系 中桩体与土体的性质是决定桩侧摩阻力的关键因素。一般来说桩体的强度远远大 于土体，桩周土体的强度越大，相应的桩侧阻力就越大。通过大量的实验得出的 结论可以看出：在一般的粘性土中，桩侧阻力等于桩周土的不排水抗剪强度：在 砂土中的桩侧阻力系数平均值接近于主动土压力系数。由于土的剪切变形与土体 的剪切模量有关，面桩侧阻力是由桩、土之间的摩擦产生的荷载，其力的传递是 通过土体的剪切变形来传递的，所以，桩侧摩阻力与土体的剪切模量也有关。超 压密粘性土的应变软化及砂土的剪胀，会改变土体的性质，所以会使侧摩阻力随 位移的增大而减少；在正常固结以及轻微超压密粘性土中，由于土的固结硬化， 侧阻力会由于桩顶反复加荷而增大；松砂中由于减缩也会产生同样的结果。 桩体材料的影响 不同的桩体的表面粗糙程度是不一样的，以本文数值模拟分析采用的挖孔灌 注桩模型来说，其桩身的粗糙度就与桩身的旌工方法有关。 j g p o t y o n d y ( 1 9 6 1 ) 【2 s 】研究了不同土体与不同材料的摩阻力，认为材料 一土体之间的摩阻力要小于土的抗剪强度。在大量的实验数据的基础上得出了下 面的公式： ，一、 吼= 六+ o t g l t ；纠 ( 2 1 ) ， 其中f o 为粘着力乞与土粘聚力c 之比，即正= l ； 为材料、土界面的外摩擦角艿于土内摩擦角矿之比，即乃= ； 口 仃为材料、土界面接触法向压力。 同样，桩体材料与土体间的侧摩阻力受很多方面因素的影响，如：材料表面 粗糙度、土类、含水量等。 桩土相对位移 桩土之间要产生桩侧摩阻力，桩土之间就一定要发生相对位移。在初始加 重庆大学硕十学位论文 载的阶段，桩土的相对位移较小，所以这个阶段的桩侧摩阻力的应力应变呈接 近f 直线的变化关系，随着相对位移的增大，应力不断增加至极限状态后应力就 不再增加而保持接近一个定值。对f 密实的砂土或超密实的粘t ，由于剪胀性及 应变软化的结果，剪应力出现峰值。根据应力应变关系的不同，可以划分为加工 软化型，非软化、硬化型等，如图2 4 所示。 1 加r 软化型2 非软化、硬化型 3 加 硬化型 图2 4 不同类型七中的q - s 曲线图 f i g2 4c u r v eo f l o a d - d i s p l a c e m e n to f p i l ei n & f f o r o n ts o l i d 桩径的影响 在实际工程中，对于一般直径的桩来说，在一般的底层中时，桩径对桩侧摩 阻力的影响在一定程度上来说是可以忽略的。但对于直径大于8 0 0 m m 的大直径 桩，尤其是大直径桩的使用越来越多的情况下就不能忽略了。在粘性土中大直径 桩的桩侧摩阻力随桩径的变化不大，对于无粘性砂类土、碎石类土中大直径桩， 要使桩土侧摩阻力发挥到最大水平需要的位移量要远远大于常规直径的桩，根据 b r a n d l 对砂砾石地层中直径1 8 m 的大直径桩桩土侧摩阻力的研究，大直径桩的桩 侧极限阻力随桩径的增大呈双曲线型减少【2 0 引。 建筑桩基技术规范( j g j9 4 9 4 ) 中规定了在砂土和碎石类土中的大直径 桩桩侧阻力的折减系数按下式计算： 一= ( 2 2 ) 公式中甲为桩侧摩阻力折减系数； d 为桩径 1 2 2 桩体传力机制与工作机理分析 大量的试验数据表明：桩土侧摩阻力存在尺寸效应，特别是在非粘性土中， 存在着很明显的尺寸效应，这种尺寸效应来源于桩体对土体的扰动效应造成了桩 侧土体的应力松弛。桩径越大、桩周土层的内聚力越小，侧阻降低的就越明显。 深度的影响 桩侧摩阻力的大小和作用在桩侧的有效应力有关，按照土力学理论，应该大 致成正比的关系。在实际工程在中得到的数据显示：本来应该是随着深度的增大， 桩侧摩阻力的大小随着土体作用在桩身上的水平有效应力逐渐增大的，而实际情 况往往并不是这样，一般有下面几种情况： 1 ) 桩在打入土体时或在挖孔时，会对土体产生扰动，由于桩打入土中时的 挤土作用，会在土体的表面产生裂隙、形成凸起；打桩引起的侧向晃动，桩土间 出现间隙，使地下水沿间隙渗入，使在地表以下大约8 倍桩径深度范围内桩侧摩 阻力基本丧失，再向下约8 1 6 倍桩径深度范围内的桩侧摩阻力有所降低。 2 ) 在桩底端附近，由于桩端阻力的影响，侧向应力有所松弛，或出现径向 张裂缝，或是部分土体随桩体一起向下移动，使近桩端约3 5 倍桩径范围的桩土 侧摩阻力有所降低。 3 ) 在均质土中，桩土侧摩阻力在一定深度范围内是随着深度而增大的，超 过该深度后，桩侧摩阻力基本上趋于定值。 所以在桩土侧摩阻力的传递上，桩体不同深度上的荷载分布是不一样的，也 使得桩体侧摩阻力的研究更为复杂。 桩侧阻力的强化和退化效应 一般来说，根据规范的要求，桩侧摩阻力的极限值的大小只与桩周土层的性 质、桩体的类型等有关，当以上影响因素确定后，桩极限侧阻力就应该是一个常 数，不随其它的外界因素的变化而变化。 从国内大量的试桩资料分析的基础上，一些学者得出了下面两条规律【2 】： 1 ) 桩身下部靠近桩端附近处的桩极限侧阻力不但比规范所给出的值大许多， 而且呈现出明显的增强现象，桩端土的强度越高，这种现象就越明显；这种现象 称为“桩侧摩阻力的强化效应”； 2 ) 同一场地进行的不同桩长桩的荷载试验结果表明，在某一指定的标高处， 随着桩穿越该标高进入下层土深度增加，该标高处桩侧摩阻力会明显减小，桩长 越长，桩侧摩阻力减小就越多；这种现象称为“桩侧摩阻力的弱化效应”。 无论是在承受竖向向f 压荷载的桩还是在承受竖向向上拔荷载的桩体中，桩 侧阻力的强化效应和退化效应都存在，在同一根桩中，桩体上部某一位置的桩侧 阻力会随着桩入土深度的不断增加而逐渐减小；同时，桩端附近的桩侧摩阻力随 着桩入土深度的增加而不断增大。在两个效应的作用下，桩侧阻力的分布变得很 重庆人学硕十学伊论文 复杂。 从上面的分析可以知道，关f 单桩桩侧阻力的影响桩侧摩阻力的主要因素有： 桩的设置方式、土的种类、桩的入土深度、制桩材料、桩土间的相瓦位移、成桩 后的时间等；影响单桩端阻力的因素有：桩的设置方法、穿过上层及持力层的特 性( 剪切和压缩特性) 、进入持力层深度、桩的尺寸、加荷速率等2 8 1 ，这些在自平 衡试桩荷载传递机理的研究中是值得参考的。 2 1 2 抗拔桩荷载传递 抗拔桩是用来给建筑物的基础提供抗拔力的一种常用基础形式，其桩侧摩阻 力的发挥形式和自, t z 衡试桩上桩侧摩阻力的发挥很类似，部是方向向f ，如图2 5 。 f q ，瓢k x k x , k x , 士层 j i k 9 摩阻力 侧摩阻力+ jj 侧摩阻力i顺4 摩阻力 + 图2 5 抗拔桩荷载作用图 f i g 2 5t h ea c t i o no f u p l i f tp i l eu n d e rl o a d 抗拔桩成桩时对桩周上扰动较小，其强度和变形特性受影响不大，有利于发 挥原状上的强度和变形特性。抗拔桩的抗拔承载力由桩侧抗拔力阻力、桩重和桩 底部在受到上拔荷载作用时形成的真空吸力三部分组成。但是真空吸力在总抗拔 力中占的比例较小，并且往往在受荷后期可能会消失而常常不计，一般町以近似 的考虑为桩侧摩阻力一般与抗压侧摩阻力( 扣除桩莺) 再导入一个经验折减系数 后的值相等，规范规定此系数五= 0 5 0 8 。 抗拔桩的轴向力和侧摩阻力沿桩深度的分布特点与承压桩相似，桩侧摩擦是 自上而下逐渐产生的，桩身荷载向土中的传递过程也符合一般压桩的规律，而且 土与桩的相对位移也是从桩顶逐步传向桩尖的。相对于抗压桩的桩侧摩阻力而占， 抗拔桩的桩侧阻力和前者的作用方向相反，称之为负摩阻力，通常认为抗拔桩侧 摩阻力小于抗压桩侧摩阻力，这叮能与抗拔