（岩土工程专业论文）上海软土中单桩抗拔承载机理研究.pdf

摘要 随着城市建设的发展，地下建( 构) 筑物大量修建，抵抗上拔荷载作用已成为工程建设 中经常需要面临的问题而抗拔桩的理论远落后于工程实践。本文搜集了上海地区抗拔桩的 试验资料，就抗拔桩的极限承载力与荷载传递机理做了一些有益的探讨。 论文第一章首先综述了国内外抗拨桩现有的研究成果；第二章对桩的抗拔极限承载力采 用灰色系统理论进行预测，与工程的实测值相比预测结果有较好的精度，能满足一般工程 需要；第三章分别用传递函数法、弹性理论法、剪切变形法分析抗拔桩的荷载传递机理，并 将采用简化模型计算得到抗拔单桩的荷载、位移值与实测值进行了比较；第四章采用有限单 元法定性分析了桩的长径比、桩土剐度比、土的泊松比等对抗拔桩承载性能的影响；第五章 讨论了扩底桩抗拔工作机理和相关计算，并结合一工程实例进行了综合分析。 关键词：抗拔桩：抗拔承载力 灰色理论；传递函数；有限元；扩底桩 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm u n i c i p a le n g i n e e r i n ga n dl o t s o fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sa n d c o n s t r u c t i o n sb e i n gb u i l tu 仉r e s i s t i n gt h eu p l i f tl o a d i n gh a sb e e nau s u a lp r o b l e mi n e n g i n e e r i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，b u tt h e o r i e sa b o u tu p l i f tp i l ei sf a rb e h i n do fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yg a t h e r e d s i n g l ep i l es t a t i cl o a d i n g t e s t sd a t ai ns h a n g h a ia r e a ，d i s c u s s e du l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t ya n dl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo f u p l i f tp i l e ，g a i n e ds o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n s i nf i r s tc h a p t e r , t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e dr e s e a r c hf r u i t so n u p l i f tp i l ee x i s t e di nd o m e s t i c a n do v e r s e a s i ns e c o n dc h a p t e r , t h e 鲈a ys y s t e mt h e o r yh a sb e e nu s e dt o p r e d i c tt h eu l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yo fu p l i f t e dp i l ea n dc o m p a r e dw i t ht h ei n s i t ut e s t i n gr e s u l t s , t h ep r e d i c t i o nv a l u e m a t c h e dt h e m s a t i s f a c t o r i l y , a n ds og r a ys y s t e mt h e o r yc o u l dm e e tp r a c t i c i n gr e q u i r e m e n t s i nt h i r d c h a p t e r , t h eb e a r i n gm e c h a n i s mo fu p l i f tp i l eh a sb e e na n a l y z e db yt h el o a dt r a n s f e rm e t h o d ，e l a s t i c t h e o r ym e t h o d ，s h e a r i n gd i s p l a c e m e n tm e t h o d ，r e s p e c t i v e l 5t h es i m p l i f i e dm e t h o d sw e r eu s e dt o c o m p u t et h el o a d sa n ds e r l e m e n tv a l u e s ，a n dc o m p a r e dw i t ht h et e s t i n gr e s u l t s i nf o u r t hc h a p t e l w i t ht h e h e l p o ff i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o nq u a l i t a t i v e a n a l y z e d s o m ef a c t o r s i n f l u e n c e du p l i f tp i l e s b e a r i n gc a p a c i t y , s u c ha sl e n g t h d i a m e t e rr a t i o p i l e s o i lr e l a t i v es t i f f n e s s r a t i o ，p o i s s o n sr a t i o ，e t c i nf t f t hc h a p t e r ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o b e di n t ow o r k i n gm e c h a n i s mo f b o t t o m - e n l a r g e dp i l er e s i s t i n gu p l i f tl o a d ，d i s c u s s e dc a l c u l a t i o nf o r m u l a s ，a n dc a r r i e do u tc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dc o m b i n i n g w i t hac a h i s t o r y k e y w o r d s ：u p l i f tp i l e ；u p l i f tu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ；g r a ys y s t e mm e t h o d ；l o a dt r a n s f e rf u n c t i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；b o t t o m e n l a r g e d p i l e - f i * 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：土瀣熬空差桩抗拔丞载褪 理蟹究：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：凌粝 2 0 0 4 年0 3 月0 9 日 上海软土中单桩抗拔承载机理研究第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着现代社会的发展和科学技术的进步，采用桩基础承受较大上拔荷载的建筑物、构筑 物日益增多。抗拔桩在工程中的应用日趋广泛。如输电线路杆塔基础、海上石油钻井平台下 的桩基础、高耸结构物( 如塔桅结构、烟囱、高层楼房) 的桩基础、索道桥、悬索桥和斜拉 桥中的锚桩基础等。当地下水位较高或水位上升时，地下车库、地铁车站等地下构筑物下的 桩群承受巨大浮托力作用而使桩身产生拉应力。在地震荷载作用下，砂土或粉土地基液化， 土体呈现为悬浮液状态，建筑物侧壁与土体界面上的外摩擦力可能降至为零，使深水泵房、 船坞等基础底板连同上部封闭筒状结构一起上浮，其底板下的桩群所受的拉力更为可观1 1 “i 。 由于工程中抗拔桩应用的增多，桩的抗拔承载力的研究已引起了国内外学者广泛的注意。 但与承压桩相比，可用的抗拔桩设计、试验资料甚少，理论也尚待完善。影响桩的抗拔承载 力的因素是多方面的，如土质、桩型、桩的施工方法、荷载特性、土中应力历史及桩土侧壁 界面的几何与材料物理特性相关，此外，桩的抗拔承载力同时还受桩身材料强度的制约。因 此，与桩的抗压承载力相比桩的抗拔承载力更具有不确定性。更为熏要的是，抗拔桩和抗 压桩的荷载传递机理是不同的。因边界条件、桩径的泊松效应，抗拔桩的应力路径和应力应 变关系类似于三轴伸长。而抗压桩中则类似子三轴压缩。抗拔桩有越拉越松、承压桩有越压 越紧的特性。上拔过程中荷载与上拔位移量关系曲线呈明显的峰值，峰后承载能力迅速下降， 大变形时仅靠基础自重和所连带的土体重量来平衡上拔荷载，其值远低于峰值p 1 。本文主要 研究上拔荷载作用下单桩的受力与位移变形特征。 1 2 文献综述 自二十世纪六十年代以来，对单桩抗拔承载机理的研究已取得了一定的进展。f 面对前 人在单桩抗拔性状方面所进行的工作进行简单的回顾。 1 2 1 抗拔机理与破坏形态 单桩受上拔荷载时，通过桩身将荷载传递到桩侧士，其规律类似于其受压时- 但所有的 应力正负符号与之相反，桩侧摩阻力方向也相反。桩身拉应力开始产生在桩的顶部，随着桩 顶向上位移的增加，桩身拉应力逐渐向下部扩展。当桩尖部位的桩一土相对位移量达到一定 上海软土中单桩抗拔承栽机理研究第 章绪论 值( 通常小于l o m m ) 时该处界面摩阻力已充分发挥，这时桩身总侧摩阻力已经达到或超 过了峰值，其后桩顶抗拔总阻力将逐渐下降，抗拔能力逐渐消失f 6 i 。 抗拔桩的破坏形态大致可分为四大基本类型： ( 1 ) 沿桩一土界面剪破； ( 2 ) 桩周土体破坏； ( 3 ) 复合剪切面剪破，即桩的下部沿桩一土界面剪破，而上部的部分深度内土体中形成 斜向裂面或曲线型裂面部分土体与桩粘附在一起，与桩同时上移； ( 4 ) 桩身拔断。 比较常见的破坏形态是圈卜l 中( a ) 所示的类型。只有在软岩中的粗短灌注桩才可能出 现完整通长的沿土体破坏，如倒锥体破坏或喇叭型土体破坏，如图1 i 中的( b ) 、( d ) 情况。 复合剪切面剪破则通常在硬粘土中较长的( 钻孔) 灌注桩中出现，而且往往是桩的侧面不平 滑，凹凸不平，而粘土与桩身表面粘结很好，倒锥体土重不足以破坏该界面上桩一土的粘着 力时即可形成这种滑面，如图1 1 中( c ) 所示。若土质较好，桩一土界面上粘结又牢，而桩 身配筋不足或非通长配筋时，也可能出现桩身被拉断的破坏现象1 6 ”。 ( a )( b ) ( c ) 图卜1 等截面桩四种上拔破坏形态 1 2 2 等截面桩抗拔承载力的计算方法 在缺乏抗拔桩试验资料的条件下，通常仿照受压桩的静力计算方法，先算出受压桩侧阻 力，然后乘上一个抗拔桩的折减系数亭，即得等截面桩的抗拔承载力。 通常眚为一个小于1 0 的系数。其原因是，抗拔时桩一土间界面法向应力钆与相同条件 下下压时的数值相比较小。江苏省电力设计院等单位1 9 7 8 年在南通地区粉质粘土和粉土中进 行灌注桩的抗拔试验表明：善值并不是一个常数，它随桩入土深度的增加而增大。m 6 0 0 m m 的钻孔灌注桩桩长为9 m 和1 2 m 时，孝值分别测定为) 7 8 和o 9 8 。说明了在承受拉拔荷载的 桩基中采用较长的桩更为经济合理。 r抄w“ ，划。n 一、 一 r；+ t_!ji：f【 t f li il l 海软土中单桩挽拔承载机理研究第】章绪论 ( 1 ) 圆柱状剪切破坏时桩的抗拔承载力计算方法 沿桩土界面滑移破坏的计算，按理说应掌握交界面上材料的抗剪强度，但k u l h a w y l 6 2 1 等 人证实灌注桩实际破坏面一般出现在界面以外附近的土体内，而并非直接在桩一土界面上， 因此只需要知道土的抗剪强度即可。 圆柱状剪切破坏时的桩抗拔承载力估算公式可为： 只= + 蒯【k 弦值妒出 ( 1 - 1 ) 式中：只为桩的极限抗拔承载力；为桩的有效重量；d 为桩的直径，破坏时所能动员的桩 径d 。一般稍大于实际桩径d ：f 为桩长( 入土深度) ；k 为侧压力系数，根据k u l h a w y 等人的 研究，认为用k p 比较符合实际( k ，为朗肯被动士压力系数) ；尹为桩周土的有效重度平均 值；石为桩周土的平均有效内摩擦角，可由室内直剪试验确定。 若在均质土中，设应力随深度z 呈线性增加，则上式可改写为： i2 只= 矽+ ，耐三k 弦留妒 ( 1 - 2 ) z 或只= w + 正( 蒯)( 1 - 3 ) 式中：正为沿桩身长度桩周土的平均抗剪强度。 a w a d a 等人”引用干砂中摩擦桩的静力计算公式。该公式建立在朗肯被动土压力理论的 基础之上，其形式为： 只；去删2 7 z t g2 ( 4 5 + 要) ( 1 - 4 ) 二 式中：为摩擦系数，对于灌注桩和粗糙表面的混凝土打入桩取= o 3 3 ，其他桩取= 0 2 5 ； 式中其他符号意义同前。 对于粘性土中桩的抗拔阻力也可采用总应力法计算与下压桩相同。对于不排水荷载条 件下( 即作用时间较短的荷载) ，可用不排水分析法，设饱和粘土的出m o ，则单位桩侧摩阻 力可表示为： 工= a s 。( 1 - 5 ) 式中：s 。为土的不排水抗剪强度，随深度而变化；口为粘着系数或考虑施工、土体扰动等因 素影响的折减系数。 口值随基础类别、土质以及施工技术而变化，是一个经验系数，与桩的长径比、土的塑 性指数等因素有关，对于钻孔灌注桩： 口2 l o o _ 0 0 7 5 ( jc us 80kpa(1-6) 口= 0 4 c 。 8 0 k p a 上海较土中单桩抗拔承蛾机理研究 第1 章绪论 对可打入的混凝土预制方桩： 对于打入的钢桩 口；1 0 一o 0 0 5 5 巴 口。0 - 4 5 c us 1 0 0 胁 ( 1 7 1 c 。 l o o k p a 、 口= 1 2 - 0 0 0 9 7 6 c “c us 8 0 舻。 1 1 - 8 ) 口= 0 2c 8 0 k p a 详细内容可参考文献【4 】和 7 】。 ( 2 ) 复合剪切面破坏时桩的抗拔承载力计算方法 上拔和下压时桩基础侧阻力的主要区别之一在于上拔时地表面附近可能产生锥形剪切 面。如果出现复合剪切面，则浅部土层实际侧向土压力将降低。这是因为锥形体内的土会随 着桩的上拔一起上移，而与下面的土体脱离，使土体应力降低。s t e w a r t 等研究了这一现象之 后罅j ，提出了等截面桩水平压力的折减系数： 多；垫 0 7 00 7 0 c 0 3 5 0 51( o 6 50 6 5 2 3 2 3 单桩抗拔极限承载力的预测 在精度满足要求的情况下，我们可以用式( 2 1 8 ) 对单桩抗拔极跟承载力值进行预测。 式( 2 1 8 ) 中的口值，对于单桩的p 一曲线来说一般是很小的正数。因此，当呻0 0 时， ；( ) 鱼。在实际工程中，通常当桩顶的上拔位移量2 4 0 卅m 时就足以使；( ) 。b ，即单桩的 na 抗拔极限承载力为： 础= 皇( 2 2 7 ) 2 。3 3 残差非等步长g m ( 1 ，1 ) 模型 若非等步长g m ( 1 ，1 ) 模型预测值不满足精度，需建立残差g m ( 1 ，1 ) 模型。由式 ( 2 1 8 ) 可求出预测值的一次累减生成值 上海软土中单桩抗拔承载机理研究第2 章单桩竖向抗拔极限承载力的确定与预测 令残差 作一次累减生成 p ( 。( f ) = p ( 1 ( f ) 一尸( 1 1 ) f = 2 ，3 ，n ( 2 2 8 ) 占( o ( f ) = 尸( 0 ( f ) 一p o ( f ) i = 2 , 3 ，n f o o ) = g 扣( 七) 仿照上述原始数据的建模方法。可以得到 恤- ) = p ( 2 ) - 叫b - - - * e - d l a ( j l f a c z ) l + 笔 将上式与式( 2 - 1 8 ) 叠加，得到残差修正g m ( 1 ，1 ) 模型： ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 如) = p m b e - 4 a ( k + t f a ( o i + i b + p 阱针叫m 仆球) 】+ 鲁川仔，z ， 对式( 2 - 3 2 ) 求出的荷载预测值再进行精度检验，若仍不满足精度要求，则再进行残差 修正，直到满足所需的精度为止。 2 4 工程实例分析 根据上节所述的预测方法，结合现场实测结果，对单桩抗拔极限承载力进行计算并预测 分析，说明灰色预测理论的应用。 ( 1 ) 上海康城二期地下车库预制桩抗拔静载试验 上海康城二期d l 地下车库的2 根打入桩进行了基桩竖直抗拔静载荷试验，试桩桩型为 4 0 0 x 4 0 0 2 5 5 0 0 钢筋混凝土预制方桩，砼强度等级为c 4 0 。由于某种原因并未做到破坏。 现分别对1 3 # 、5 4 # 试桩采用灰色系统方法进行预测分析，预测结果见表2 - 2 和图2 - 5 、2 - 6 。 e 海软土中单桩抗拔承载机理研究第2 章单桩竖向抗拔极艰承载力的确定与预测 表2 - 2 上海康城二期d 1 地下车库预制桩抗拔掘限承载力预测值与试验结果 桩序原始上拔量该级下残差桩序原始上拨量该级下残差 号号荷载( m m )预测值号号荷载 ( m m )预测值 ( k n )( k n )( k n )( k n ) 1 3 #i1 6 01 0 61 1 7 7 0 4 44 2 2 9 5 65 4 #】1 6 01 1 41 2 4 3 1 0 53 5 6 8 9 5 22 4 01 8 71 9 6 7 0 3 4- 4 3 2 9 6 622 4 01 9 72 0 3 5 8 3 5- 3 6 4 1 6 5 33 2 02 8 92 8 4 3 7 9 93 5 6 2 0 133 2 03 0 22 9 2 0 2 0 62 7 9 7 9 4 44 0 04 2 33 8 2 2 6 9 717 7 3 0 344 0 04 3 83 8 9 5 3 2 9- 1 0 4 6 7 】 54 8 05 9 64 8 4 5 6 3 l4 5 6 3 1 154 8 06 0 74 8 8 3 7 2 98 3 7 2 9 3 5 65 6 08 0 75 8 0 3 2 8 22 0 3 2 8 1 865 6 08 ，0 75 7 9 7 8 6 91 97 8 6 9 3 7 6 4 01 0 6 l6 6 4 0 2 92 4 0 2 8 9 9 76 4 01 0 5 36 6 3 2 9 5 32 3 2 9 5 3 5 87 2 0l3 7 87 3 4 6 0 0 2l4 6 0 0 2 487 2 01 3 57 3 3 4 9 8 2 13 4 9 8 2 1 98 0 01 8 】47 9 2 6 6 1 8- 7 3 3 8 2l98 0 01 7 6 27 9 4 4 1 1 35 5 8 8 6 8 r ，= 2 5 3 0 7 2r 2 = 2 0 6 5 5 0后验差c = 0 1 2 2 5 1 8 r 一= 2 2 1 5 8 3风= 2 0 6 5 5 9后验差c = 0 1 0 7 2 7 3 发展系数a = 0 1 3 8 3 7 3 3灰作用量b = 1 1 9 3 8发展系数a - - 0 1 3 4 0 8 0 6灰作用量b = 1 i7 5 9 抗拔极限承载力预测值p u = 8 6 2 7 7抗拔极限承载力预测值p = 8 7 70 i e 刁 图2 - 51 3 # 桩非等步长g m ( 1 ，1 ) 模型圈2 - 65 4 # 桩非等步长g m ( 1 ，1 ) 模型 预测值与实测值对比预测值与实测值对比 上海软土中单桩抗拔承载机理研究 第2 章单桩竖向抗拔极限承载力的确定与预测 ( 2 ) 某构筑物钻孔灌注桩现场抗拔试验 根据文献 1 5 】，该试验工程为淮河干流上的