（岩土工程专业论文）嵌岩灌注桩自平衡试验与分析.pdf

摘要 随着大跨度桥梁、高层建筑、重型厂房等建筑物的大规模兴建， 大吨位桩( 1 0 0 0 吨以上) 的应用越来越多，传统单桩静载试验会遇 到极大的困难，甚至无法实施。基桩承载力自平衡测试法在大吨位试 桩方面具有独特优势。但该法还属于一种新兴的测试技术，有一些关 键技术问题亟待解决。本文对该法结合工程应用进行了一些研究和探 讨。主要工作如下： ( 1 ) 系统地阐述了自平衡测试法的国内外研究现状，总结和论 述了现有单桩荷载一沉降分析的各种理论分析方法，介绍了自平衡测 试法的热点研究问题。 ( 2 ) 根据现场试验，获得长大嵌岩灌注桩自平衡试验的第一手 资料，分析试桩侧阻力( 尤其是上段桩的侧阻力) 的发展规律，研究 桩侧阻力发挥程度与桩土相对位移的关系。 ( 3 ) 对白平衡测试法与传统试桩法作比较研究，研究自平衡试 桩上段桩的轴向荷载传递机理与传统受压桩与抗拔桩的轴向荷载传 递机理的区别，分析不同的加载部位和加载方向对于桩侧阻力的大 小、分布和发展过程的影响，并从理论上分析产生这些差别的原因。 ( 4 ) 针对现有的自平衡测试结果等效转换方法的缺陷，应用弹 性理论分析方法，对原有精确法进行改进，利用m i n d l i n 应力解对试 桩侧阻力值进行修正。整个计算过程利用f o r t r a n 语言编程实现。基 于以上的分析、计算，提出自平衡测试结果向传统测试结果等效转换 的一个新思路。 ( 5 ) 利用有限元软件a d i n a 对嵌岩单桩自平衡试验进行数值 模拟，通过对比实测数据，验证所建立的有限元模型的合理性，然后 对试桩在相同场地和相同条件下的传统单桩静载试验进行数值模拟， 得到试桩的传统荷载一沉降曲线，对比前面的试桩自平衡测试结果等 效转换曲线，得到一些有用的结论。 关键词：嵌岩桩，白平衡测试法，传统试桩法，桩侧阻力，等效 转换方法，有限元分析 a bs t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fl o n g s p a nb r i d g e s ，h i g h r i s eb u i l d i n g sa n d h e a v yf a c t o r yb u i l d i n g s ，t h ep i l e sw h o s ec a p a c i t i e sa r em o r et h a n1 , 0 0 0 0 k ni su s e dm o r ea n dm o r e t h ec o n v e n t i o n a ls t a t i c l o a d i n gt e s tf a c e s g r e a tc h a l l e n g e s ，a n ds o m e t i m e st h es i t ei sn o tf i tt ot h ec o n v e n t i o n a l s t a t i cl o a d i n gt e s t t h eo c e l ll o a d i n gt e s tf o rp i l e c a p a c i t yh a su n i q u e a d v a n t a g e sw h e r et h ec o n v e n t i o n a ls t a t i cl o a d i n gt e s tc a nn o tb ec a r d e d o u t h o w e v e r , t h em e t h o di san e wt e s t i n gt e c h n o l o g y , a n ds o m ek e y t e c h n i c a lp r o b l e m sn e e ds o l u t i o n s i nt h i s p a p e r t h ep r o b l e m so ft h e m e t h o di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nh a v eb e e ns t u d i e da n dd i s c u s s e d t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf a l l o w s ： ( 1 ) t h ed o m e s t i ca n dt h ef o r e i g nr e s e a r c h e s o fo - c e l lt e s ta r e s y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e d t h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d so f t h e l o a d m o v e m e n tr e l a t i o n s h i po ft h ep i l ea r es u m m a r i z e d h o tr e s e a r c h i s s u e so f0 一e e llt e s tf i r ed i s c u s s e d ( 2 ) t h ef i e l d0 - c e l lt e s to far o c k s o c k e t e dp i l ea r ec a r r i e do u ta n d t h ef i r s t h a n dd a t aa b o u tt h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo ft h ep i l ea r e o b t a i n e d t h es h a f tr e s i s t a n c eo ft h ep i l e e s p e c i a l l yt h ep a r to ft h ep i l e a b o v et h e0 - c e l lb o xa r ea n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i po ft h es h a f tr e s i s t a n c e a n dt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e n p i l ea n d s o i li ss t u d i e d ( 3 ) t h ed i f f e r e n c eo ft h ep i l el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma m o n go - c e l l t e s ta n dt h ec o n v e n t ，i o n a lc o m p r e s s i n gp i l et e s ta n dt h eu p l i f tp i l et e s ta r e a n a l y z e d t h ei m p a c to fv a r i o u sl o a d i n gp o s i t i o na n dl o a d i n gd i r e c t i o n ， d i s t r i b u t i o na n dd e v e l o p m e n to fs h a f tr e s i s t a n c eo fp i l ei sa n a l y z e di n t h e o r y ( 4 ) a c c o r d i n gt od e f e c t s o ft h ee x i s t i n g e q u i v a l e n t c o n v e r s i o n m e t h o df o r0 一c e l lt e s t ，t h eo r i g i n a le q u i v a l e n tc o n v e r s i o nm e t h o du s i n g t h ee l a s t i ct h e o r yi sm o d i f i e d t h es h a f tr e s i s t a n c eo fp i l ea r em o d i f i e d u s i n gt h em i n d l i n s s o l u t i o n t h ew h o l ec a l c u l a t i o n p r o c e s sw i t h f o r t r a n p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea r ed o n e b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n ，an e wm e t h o do fe q u i v a l e n tc o n v e r s i o nm e t h o df o r 0 一c e llt e s ti sp u tf o r w a r d ( 5 ) t h e0 一c e l ll o a d i n gt e s t o fr o c k - s o c k e t e dp i l ei s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e db va d i n af i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er a t i o n a l i t yo ft h ef i n i t e i i e l e m e n tm o d e lc o m p a r i n gt h ei n s i t um e a s u r e dv a l u e sa r ev e r i f i e d ，t h e n t h ec o n v e n t i o n a ls t a t i cl o a d i n gt e s to ft h ep i l eo nt h es a m es i t eu n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s i sm o d e l l e d t h el o a d m o v e m e n tc u r v eo ft h e c o n v e n t i o n a ls t a t i c l o a d i n gt e s ta n dt h ep r e v i o u se q u i v a l e n t - t r a n s f o r m e d c u r v ea r ec o m p a r e da n dd r a w s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：r o c k s o c k e t e dp i l e ，0 一c e l lt e s t ，t h ec o n v e n t i o n a l s t a t i cl o a d i n gt e s t ，s h a f tr e s i s t a n c eo f p i l e ，e q u i v a l e n tc o n v e r s i o nm e t h o d ， f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 年业月面 硕 ：学位论文第一市绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 课题来源 随着大跨度桥梁、高层建筑、重型厂房等建筑物的大规模兴建，对桩基础承 载力的要求越来越高，超长、大直径桩( 特别是嵌岩桩) 的应用越来越多。润扬 长江公路大桥单桩最大桩径达2 8 m ，承载力达1 2 0 0 0 0 k n t l 】；杭州湾跨海大桥单 桩预估极限承载力为3 2 0 0 0 k n l i j ；东海大桥通航e l 采用2 5 m 桩径的大直径钻孔 灌注桩，预枯极限承载力达2 2 4 0 0 0k n t l l ；苏通长江大桥基础采用钻孔灌注桩， 其中主桥和近塔辅助墩基础采用桩径为2 5 m 的群桩基础，斜拉桥远塔辅助墩和 过渡墩采用桩径为2 5 m 的灌注桩，专用通航道桥主墩采用桩径为3 0 m 的灌注桩， 基桩承载力巨大【l j ；本文所研究的东江大桥基础采用桩基础，桩径1 5 0 - - 2 2 0 m ， 单桩极限承载力近8 0 0 0 0 k n 。对于这些大型工程，需要做一定数量的单桩静载试 验，用以研究确定单桩极限承载力，并为设计人员优化桩基设计提供必要依据。 众所周知，传统试桩法有两种，一是堆载法，二是锚桩法。其存在的主要问 题是：前者必须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问题，后者必须 设置多根锚桩及反力大梁，导致测试费用昂贵，时间较长，而且易受吨位和场地 条件的限制。许多大吨位桩和特殊场地的桩( 如山地、桥台) 的承载力往往得不 到准确数据，基桩的潜力不能合理发挥【2 j 。而且，随着大吨位桩的应用越来越多， 传统单桩静载试验无论在成本、工程量、时间上的耗费以及可行性等方面都遇到 了前所未有的挑战。 为解决以上难题，美国学者j o s t e r b e r g l 3 】首先提出了自平衡测试法，于2 0 世纪8 0 年代中期开展了桩承载力自平衡测试方法的研究，首先在桥梁钢桩中成 功应用，后来逐渐推广至各种桩型。与传统单桩静载试验相比，自平衡试桩法由 于具有省时、省力、省钱、安全可靠的优点。在国外，该法已经得到了广泛的应 用。在国内，东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先于1 9 9 6 年开始 将该法应用于实际工程。此后，该法在江苏、河南、浙江、安徽、云南等省开始 广泛的应用。目前，在全国己有2 6 个省市开始推广应用，己完成2 8 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。 但是，自平衡测试法还属于一种新兴的测试技术，还有一些关键技术问题亟 待解决，例如： 1 、上、下两段桩的平衡点的确定问题。 2 、基桩承载力的确定问题( 包括自平衡测试结果等效转换问题) 。 硕i j 学位论文 第一章绪论 3 、上段桩的摩阻力与传统受压桩和抗拔桩摩阻力区别的问题。 4 、自平衡测试法用于工程桩问题。 对该法在工程应用中所碰到的上述关键技术问题作进一步的研究，具有十分 重要的理论价值和工程意义。 1 2 桩承载力自平衡测试法 1 2 1 自平衡测试法的基本原理 自平衡测试法是在桩尖附近安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷 载箱以上及以下桩段各自的承载力。 自平衡测试法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。它主要由 活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、 底盖上布置位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣混凝土 成桩。 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、向下 发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥，图1 1 为试验示意图。由于加载装 置简单，多根桩可同时进行测试。 童， 、q 图1 - 1 桩承载力自平衡试验示意图 荷载箱中的压力可用压力表测得，荷载箱的向上、向下位移可用位移传感器 测得。因此，可根据读数绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移 图 ，根据两条o - s 曲线及相应的s - i g t 、s - l g q 曲线，判断桩承载力、桩基沉降、 桩弹性压缩和岩土塑性变形。 自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。假设 桩受荷后，桩身结构完好( 无破损，混凝土无离析、断裂现象) ，则在各级荷载 作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过测量预先埋置在桩体内 的钢筋应变计，可以实测到各钢筋应变计在每级荷载作用下所得的应力一应变关 2 硕l j 学位论文第一章绪论 系，可以推出相应桩截面的应力一应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变 量亦可求得。由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力及轴力、桩侧 阻力随荷载和深度变化的传递规律。 1 2 2 自平衡测试法的优越性 自平衡测试法的最终目的是建立单桩桩顶的q - s 曲线，并依据传统荷载试验 q s 曲线的分析方法，判定单桩的极限承载力。与传统单桩静载试验及动力检测 技术相比，作为一种新兴的单桩竖向极限承载力测试技术自平衡测试法，显 示出巨大的优越性【2 】【4 棚。 l 、技术上的优越性 ( 1 ) 装置较简单，不占用场地，不需运输数百吨或数千吨物料，不需构筑 笨重的反力架，可多根桩同时测试，试桩准备工作省时、省力、安全； ( 2 ) 该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚地分出侧阻力与端阻 力分布和各自的荷载一位移曲线； ( 3 ) 试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行 压力灌浆； ( 4 ) 能测试任意角度基桩的承载能力； ( 5 ) 方便的重复试验，自平衡试桩法可在不同的桩身深度或同一桩身深度 的不同时间在同一根桩上方便地进行试验。 2 、经济上的优越性 自平衡测试法试验费用与传统单桩静载试验费用的统计对比见图1 2 。 旺 积 筵 魁 噩 02 0 0 0 04 0 0 0 0 6 0 0 0 0 8 0 0 0 0 荷裁( k n ) ( a ) 正常条件( b ) 恶劣条件 图1 - 2 传统静裁试桩与自平衡试桩经济效益分析 由图1 2 分析可知，在正常条件下，试桩承载力小于2 0 0 0 0 k n 时自平衡测试 法的优势不十分明显，但随着承载力的提高，自平衡测试法的经济性就越发显现 出来；在恶劣条件下，自平衡测试法的优势十分明显，经济效益显著。虽然荷载 箱作为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的3 0 6 0 ， 3 薇纠盛 3 5 2 5 1 5 o 2 1 0 硕i j 学位论义第一章绪论 具体比例视桩吨位与地质条件而定。同时自平衡试桩测试工期短，附属设备安装 简单、快捷，体现了其时间经济性。特别是能在恶劣条件下进行试验。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，抗拔桩等，这 些都是传统试桩法难以做到的。 1 3 自平衡测试法的研究现状 1 3 1 国内外研究现状 桩承载力的自平衡测试法思路最早由同本的中山( n a k a y a m a ) 和藤关 ( f u j i s e k i ) 【_ 7 j 提出，并在1 9 7 3 年取得钻孔桩的测试专利。1 9 7 8 年，s u m i i 获得 预制桩的测试专利。1 9 7 3 年，g i b s o n 和d e v e n n e y 采用类似技术测定在钻孔中混 凝土与岩石间的胶结应力。但限于当时的科学技术水平和桩基工程发展现状，自 平衡测试技术并未得到应有的重视和认可。 美国西北大学学者o s t e r b e r g 子1 9 8 5 1 9 8 7 年期间，在分析、总结前人经验 的基础上，对自平衡测试技术进行了系统的研究、开发，并于1 9 8 9 年在桥梁钢 桩中( 水中试桩) 成功进行了首次商业试验，后来逐渐推广至各种桩型，因此又 名o s t e r b e r g c e l l 载荷试验或o c e l l 载荷试验【8 j 。三年后，o c e l l 载荷试验方法逐 渐被美国工程届接受，现已成为在美国广泛应用的一种载荷试桩新技术，美国深 基础协会( d f i ) 为此授予d r o s t e r b e r g “杰出贡献奖”并称试桩已进入“o s t e r b e r g 新时期”。美国的工程实例有： ( 1 ) 麻省波士顿附近s a u g u s 河铁路大桥桥墩基桩，采用钢管桩，长3 9 m ， 直径4 6 0 m m ，壁厚1 2 7 m m ，水上打桩，试桩目的在于测定粉质黏土层所能提供 的桩侧阻力，以便加以利用，实测单位侧阻力为2 9 k n m 2 。 ( 2 ) 佛罗里达州o r a n g e 港公路大桥桥墩基桩，水深2 4 m ，船上打桩，桩穿 越砂与粉土层及坚黏土层，嵌入软弱而性质多变的石灰岩。进行3 根钻孔桩试验， 采用堆载法、锚桩法与o c e l l 测桩对比，试验结果吻合。 ( 3 ) 麻省波士顿鹿岛水处理厂扩建工程建筑物基桩，该工程总投资数十亿 美元，为美国特大型工程之一，桩端持力层为冰渍土，性质好，采用o s t e r b e r g 法作了3 根钻孔桩试验，单桩最大荷载至3 0 0 0 0 k n ( 包括侧阻和端阻) ，远未达 到破坏，潜力很大，将打入桩改为钻孔桩，节省很大。 至今，该法已在美、欧、日1 9 】、加拿大、新加坡i i o 】、菲律宾及我国香港等 1 0 余个国家和地区得到推广应用，在北美已被公认为是进行单桩静载试验的首 选方法，并且制订了相应的测试规程。该测试方法己成功应用在水上试桩、坡地 试桩等多种特殊场地试桩。应用十余年来，世界范围内已进行了5 0 0 多次o c e l l 试验，安装近7 0 0 个o c e l l ，其中约半数是工程桩，试桩类型包括桩型有打入式 钢管桩、打入式混凝土预制桩、钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、 4 硕i j 学位论文第一章绪论 人工挖孔桩及矩形( 或条形) “壁板桩”等多种桩型，试桩最大深度为9 0 m ，最 大直径3 m ，国外试桩的承载力己达1 5 0 m n 。 表1 - 1国内外上万吨试桩工程 年份地点试验荷裁年份地点试验衙绒 2 0 0 l t h c s o n ，a z 1 5 l m n2 0 0 4 p q 堠fj 人桥，舟山 1 3 0 m n 2 0 0 2s a nf r a n c i s c o ，c a1 4 6 m n2 0 0 0 润杨长江人桥，镇江 1 2 0 附 2 0 0 2s a nf r a n c i s c o ，c a1 3 7 m n2 0 0 3 苏通长江人桥，南通 1 0 0 m n 1 9 9 7 a p a l a c h i c o l ar i v e r , f l 1 3 5 附 在国内，清华大学李广信教授于1 9 9 3 年将此法引入国内，并在以后儿年指 导博士和硕士做了大量的理论研究和模型试验，但缺乏现场试验的研究。引。因 自平衡测试法作为种新兴的测试技术，其自身并不完善，以及受当时国内环境、 技术、信息等条件的限制，并未引起国内工程界的注意。直到浙江省建筑科学研 究院史佩栋教授在工业建筑1 9 9 6 年第1 2 期“国际科技交流”专栏发表了国 外高层建筑深基础及基坑支护技术若干新进展一文，并报导了美、日、英、加、 新加坡等国和我国香港特别行政区等地正在广泛应用的自平衡测试法之后，引起 了广泛关注。国内多家单位对该法展开了大量的理论研究、模型试验和大范围学 术争论。东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先于1 9 9 6 年开始将该 法应用于实际工程。随后，我国的北京、江苏、甘肃等地己开始小范围试用此方 法，但试桩类型只限于钻孔灌注桩，试桩最大深度为7 6 m t 1 ，最大直径1 5 m t l 4 j ， 最大荷载1 2 0 0 0 0 k n t l 5 j 。 自平衡测试法的最终目的是建立单桩桩项的q - s 曲线。并依据传统单桩静载 试验q s 曲线的分析方法，判定单桩的极限承载力。但因自平衡测试法加载方式 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，使得自平衡测试法 与传统单桩静载试验存在一定的区别，如：自平衡测试法上段桩正、负摩阻力的 问题、桩身的轴向变形问题、泊松效应、桩周土的应力变化及剪涨性、桩周土主 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一位移曲线和桩端荷载一位移曲线均十分接近。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土工模型试验，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及抗拔桩承载力的关系 式l l 。东南大学土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， 5 硕i j 学位论文 第一章绪论 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，并开发出测桩软件及数据自动采集系统。国内外采用自平衡法试桩的有上百 座桥梁、上百栋高层建筑，己安全使用了多年，证明了此法的可靠性。在国内， 自平衡试桩法从1 9 9 6 年在中国开始试用以来，在全国己有2 6 个省市开始推广应 用，己完成2 8 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。经过多年努力，全国多次专家论证，自平衡测试法成为建设部、 科技部2 0 0 2 年重点推广项目，并于2 0 0 3 年纳入中华人民共和国行业标准建筑 基桩检测技术规范( j g j l 0 6 2 0 0 3 ) t 1 刀。目前，该法已经有了一套可行的应用方 法，但由于自平衡测试法本身固有的加载特点，理论上仍然有许多问题要进行研 究。 1 3 2 热点研究问题 1 、上、下两段桩的平衡点的确定问题 自平衡测试法提出了“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。而倚载箱应摆在“平衡点”维持加载才能测出最终极限 承载力。“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，但对于充分利用工程资源来说有进一步研究以提高测试准 确度的必要。 2 、基桩承载力的确定问题( 包括自平衡测试结果等效转换问题) 目前，对于自平衡测试法如何由测试值得出传统试桩承载力的方法。我国采 用基于现场对比试验统计得到的转换系数将上段桩的负摩阻力转换为正摩阻力。 转换系数取值根据土性划分，一般认为，对于砂土中的桩，负摩阻力与正摩阻力 之比是0 5 0 7 ；对于粘性土中的桩，它是0 7 o 8 【1 8 j 。清华大学也开展过类似 研究【1 1 。13 1 ，探讨了桩在不同加载方式下，侧摩阻力的大小关系及影响因素，成果 很丰富。龚维明等在同一场地做了多根基桩的传统测试法与自平衡测试法的对比 试验，通过试验得知，对于粘土层正摩阻力约为负摩阻力的o 7 3 0 8 倍【2 j 。对于 如何准确选取经验转换系数，是确定试桩承载力的关键问题。 对于重要工程，一般由等效转换曲线来确定承载力。目前自平衡法测试曲线 向传统单桩静载试验曲线转换有两种方法：精确法和简化法，详见文献【i 睨0 1 。在 精确法中，利用荷载传递解析方法，将每层土实测的g s 曲线、荷载箱处向上、 6 硕i j 学位论义第一章绪论 向下q - s 曲线推导出桩顶等效q - s 曲线，具有相对较高的精度。简化法公式是基 于现场对比试验统计得出的，其准确与否的关键同样是转换系数的取值问题，此 法一般适用于在桩身中仅埋设荷载箱测试承载力的情况。目前针对自平衡测试法 所做的现场对比试验主要集中在江苏省，而对于全国其它地区不同的岩土地层， 使用该简化法时，必须进行对比试验。因此对于自平衡测试结果向传统测试结果 转换的问题仍需做大量的理论和试验研究。 3 、上段桩的摩阻力与传统受压桩和抗拔桩摩阻力区别的问题 与传统单桩静载试验比较，自平衡测试法的一个最大问题是上段桩的侧摩阻 力方向是向下的，亦即是负摩擦力。这与实际工程中桩上的摩阻力方向相反。这 种差别旱就为人们所注意到，并认为是偏于安全的。如前文所述，自平衡测试法 中正、负摩阻力的转换问题是一个关键问题。李广信等】利用室内单桩的渗水力 模型试验研究了不同的加载部位和加载方向对于桩的侧阻力的大小分布和发展 过程的影响。杜广印等i l2 】对抗压桩和抗拔桩的桩侧阻力进行了理论探讨，从定量 上考虑了桩周土的剪胀性及主应力方向旋转对侧阻力的影响，得到了相应的影响 系数和侧阻力的预测公式，不过还有待在实际工程中验证。黄锋等i l3 j 通过有限元 分析，对垂直受力桩在桩顶压、桩顶拔及桩底托等加载方式下的桩侧阻力的影响 因素进行了研究。由于这一问题从理论上分析的复杂性，以及在定量研究方面的 缺乏，十分有必要作进一步的理论研究。 此外，利用自平衡测试法进行试验，我们可以分别得到桩侧阻力和桩端阻力 以及桩体的上升量和桩端的下降量，从而为探讨单位的受力、位移和破坏机理等 问题的研究提供了一种有效的新手段【l 。近年来，长大嵌岩桩被大量的应用，但 是，由于对嵌岩桩( 尤其是嵌岩段) 的受力机制尚认识不清，导致设计人员在嵌 岩桩设计时持保守态度。设计人员盲目要求把桩端嵌入微风化岩层，甚至不适当 的加以扩底，从而不仅使工程难度增加，也使投资规模加大。因此，可以利用自 平衡测试法对嵌岩桩的荷载传递机理以及桩周岩土层的破坏模式作深入研究，以 推动嵌岩桩设计方法的进步。 4 、自平衡测试法用于工程桩问题。 国外许多工程实例证明，试验后通过预埋管对倚载箱处进行压力灌浆，自平 衡试桩法，可以在工程桩上直接使用。1 9 9 7 年，美国佛罗里达# i n 巴拉契可乐 河的试桩在工程桩上进行。该试桩桩径为2 7 m ，桩身总长在河底以下3 1 m ，水 深6 1 m 。用了3 只荷载箱，放置于距桩底2 1 m 的同一平面，试验总承载力为 1 3 3 m n l 2 。试验后对荷载箱处通过预埋管进行了高压注浆。 国外己有上百座桥梁、上百栋高层建筑己安全使用多年，证明了此法的可靠 性。 7 硕i ：学位论文 第一章绪论 龚维明，戴国亮【2 2 j 认为，自平衡法试桩加载到极限状态，在上、下段桩分别 施加的力约为总极限承载力的一半，故桩身材料不会发生破坏。桩周土层承载力 随时间是可以恢复的，因此采用注浆填充荷载箱处试验断层，使该处强度稍大于 桩身强度即可。因此，注浆鼍与注浆材料强度应根据具体试桩确定，高压注浆不 仅可以填充荷载箱处断层，还可以根据要求在该处形成一个扩大头。浆液也可沿 桩周上下渗透，提高该处承载力，如图1 3 所示。因此不会影响其承载性能。 图1 3 荷载箱处压桨示意 但是，试桩加载到极限状态后，毕竟已改变了工程桩的初始状态，会不会对 桩的其它性能有不利影响。而且现在肓些地区的嵌岩桩可能嵌入强风化、中风化 软岩地层达到十几米深，对于桩周岩层，其承载力会不会随时间恢复，这些都不 得而知，故仍需要大量对比试验才能得出结论。 1 4 单桩荷载一沉降分析理论 单桩荷载与沉降关系性状是认识和分析各类桩基础在各种条件下的复杂性 状的出发点和基础。尤其对于以沉降控制标准设计的桩基础( 如减沉桩基础) ， 对单桩荷载一沉降关系的研究显得尤为重要。传统的单桩荷载一沉降关系性状分 析方法如荷载传递分析法、弹性理论分析法、剪切变形传递法、各种数值方法及 其它方法，对认识单桩的工作机理起到了十分重要的作用。但是，这些硬算法普 遍存在的问题是：( 1 ) 各种理论模型均有不少人为假定，常与实际情况有较大 出入； ( 2 ) 计算参数较多，不易获取，因而限制了计算方法原有优势的发挥； ( 3 ) 计算原理或实施技术复杂，不便于工程实用；( 4 ) 难于客观而动态地考虑 桩施工工艺、桩具体工程环境等因素对桩性状的影响。这些问题有些是硬算法通 过进一步研究可以解决的，但仍需极大而长期的努力，有些则是硬算法本身所无 法解决的。因此，探讨分析桩基础性状的新途径有着重要的理论意义与实用价值。 l 、荷载传递分析法 8 硕l ：学位论义第一章绪论 荷载传递分析法首先由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年根据试验结果提出【2 3 】。k e z d i ( 1 9 5 7 ) 、佐滕晤( 1 9 6 5 ) 、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 、h o l l o w a y 以及v i j a y v e r g i y a 等相继在此基础上有所发展。k r a f t 等【2 4 】在1 9 8 1 年建立了著名的理论荷载传递函 数，使得单桩荷载传递性状的研究进一步深入，荷载传递分析法也获得了发展。 我国学者陈竹昌、徐和、何思明等人也做了大量工作。荷载传递分析法将桩离散 为系列的桩段( 单元) ，每桩段与土体问用非线性弹簧相联系，以模拟桩土 间的荷载传递关系，弹簧的应力一应变关系即侧阻力与位移之间的关系，端阻力 与位移之间的关系。利用已知的桩侧、桩底的荷载传递函数，求解桩顶荷载一沉 降曲线，桩身荷载沿桩身的传递曲线以及侧阻力沿桩身分布曲线等。 应用荷载传递分析法的关键是建立力与位移的力学模型及合适的传递函数。 根据求取传递函数手段的不同，又把荷载传递方法分为两种计算方法：一种为位 移协调法，如s e e d 和r e e s e 用试验方法得到传递函数的具体形式，然后建立各 单元桩的静力平衡条件及位移协调条件再进行求解。此法的缺点是，它得到的曲 线般很复杂，难以用简单的数字关系描述，不能直接求解方程，只能通过试算 的方法求解。另一种为解析法，此种方法主要是把传递函数简化为某种曲线方程， 然后直接求解平衡的微分方程，如k e z d i ( 1 9 6 6 ) 的假定传递函数为指数函数、 wsg a r d n e r 假定传递函数为双曲函数以及佐腾悟( 1 9 6 5 ) 运用的弹塑性模型等 方法，用它们来分析原位试桩的实测资料，都得到了较为满意的结果。文献 2 5 】 选用双折线荷载传递函数，导出一组确定桩的轴向荷载一沉降曲线的解析算式， 并对几根桩的荷载一沉降曲线进行了理论公式的拟合，验证了公式的合理性。文 献 2 6 】在前人研究的基础上，提出了广泛意义的双曲传递函数。文献 2 7 禾1 j 用实 测试桩资料分析得出桩的荷载传递函数，并利用位移协调法对八根桩进行试算， 结果与试桩资料基本吻合。文献 2 8 】提出非线性弹簧片组合模型，运用双折线传 递函数，考虑了桩侧土的作用力为长期的有效应力，在一定范围内能较好的模拟 桩土的荷载传递机理。 曹汉志( 1 9 8 6 ) 1 2 州提出了桩尖位移等值法，利用简化的传递函数来计算桩的 荷载一沉降曲线。要使荷载传递法在实际应用上取得比较满意的结果，关键是取 得符合实际情况的传递函数。比较理想的方法是在桩的静载试验时，在桩身内埋 设量测元件，实测桩身轴力分布及沉降，由此得到实测的传递函数关系。 潘时声( 1 9 9 1 ) p u j 假定传递函数是双曲线函数、指数函数和其它一些函数的 组合，利用分层积分法计算桩的位移、轴力、桩侧阻力、桩端阻力和其它静力受 荷性能，推导出了一个运用简单积分的具体计算方法，使得较多复杂因素，象土 的非线性、分层土中各层土的不同特性、土参数随深度的变化、桩身混凝土弹性 模量在不同荷载下的变化，甚至不等截面桩，都能方便的考虑和计算。 9 硕1 ：学位论文 第一帝绪论 朱金颖( 1 9 9 8 ) 、陈龙珠等( 1 9 9 4 ) 1 3 1 】，m o t t a ( 1 9 9 4 ) 采用线弹性一塑性 荷载传递函数，导出均质地基和成层地基中桩的轴向荷载一沉降曲线的解析递推 公式，通过拟合实测9 s 曲线，得到桩土系统的工程力学参数，由此计算得到桩 身轴力及侧阻力分布曲线，力学概念明确，计算简便，只要土参数选取适当，计 算精度令人满意。 g u ow e i d o n g ( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 利用三维f l a c 程序对荷载传递法分 析单桩沉降合理性进行了重新评价，认为荷载传递法的核心问题主要是桩端土和 桩侧土弹簧的刚度。认为土体泊松比对计算结果影响很大。g u ow e i d o n g ( 1 9 9 9 ) 在g i b s o n 土中利用荷载传递法对单桩和群桩进行了分析，把r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 提出的桩的影响半径进行了修j 下。 荷载传递法由于假定桩侧任一点的位移只与该点的摩阻力有关，而与其它点 的应力情况无关，忽视了土的连续性，因此在理论上具有一定的局限性。其实， 该法是以桩体为研究对象，传递函数中的位移是桩身位移，不考虑土体的的连续 性就不能考虑由于桩侧阻力向下传递而引起的土体压缩所产生的沉降。这样就不 能准确的分析桩端及桩身下部受力状况与位移。阳吉宝( 1 9 9 8 ) 通过引入g e d d e s 解来考虑桩侧阻力在桩端处产生的桩端位移，用荷载传递法和g e d d e s 解相结合， 提出改进的荷载传递法，考虑了由桩侧阻力引起的桩端沉降，分析超长桩的荷载 传递机理具有一定的合理性。 2 、弹性理论分析法 弹性理论法假定土是均质的、连续的、各向同性的弹性半空间体，土体性质 不因桩体的存在而变化。采用弹性半空间体内集中荷载作用下的m i n d l i n 解计算 土体位移，由桩体位移和土体位移的协调条件建立平衡方程，从而求解桩体位移 和应力。 d a p p o l o n i a ( 1 9 6 3 ) 用m i n d l i n 公式系统研究了桩基础的沉降，并对下卧层 是基岩的情况进行了修正，最早提出了弹性理论法。p o u l o s ( 1 9 6 8 a ，1 9 6 8 b ) 从 弹性理论中的m i n d l i n 解出发，系统地导出了单桩和群桩的计算理论以及表格。 b u t t e r f i e l d ( 1 9 7 1 a ，1 9 7 1 b ) 认为p o u l o s 的桩端光滑、桩端阻力均布、忽略桩侧 径向力等假定影响了计算的精度，因此他对桩单元进行了细分以考虑不同径向距 离处桩端阻力不一致的情况，并引入桩侧径向力，采用虚构应力函数的方法求解， 计算表明，径向力对竖向位移影响以及竖向力对径向位移的影响都比较小。费勤 发( 1 9 8 4 ) 1 3 2 j 基于m i n d l i n 应力解，提出用分层总和法来形成地基的柔度矩阵， 这样能方便地考虑不同的土层分布。杨敏( 1 9 9 2 ) 采用边界积分法，分析层状地 基中桩基沉降问题，基于m i n d l i n 应力解，引入一个沉降调整系数进行修正，从 而适用于分析各种非均匀土。金波( 1 9 9 7 ) 3 3 j 基于轴对称弹性力学基本方程，采 1 0 顾i ：学位论文第一章绪论 用h a n k e l 变换，利用传递矩阵方法得出层状地基在内部轴称荷载作用下的位移 解，建立了层状地基中单桩沉降的计算方法。吕凡任( 2 0 0 4 ) 1 3 4 】提出了考虑桩土 相对位移的“广义弹性理论法”，从而可以考虑桩周土的塑性，并将其应用于斜 桩分析。 弹性理论法的优点是考虑了土体的连续性，具有比较完善的理论基础，已形 成比较完善的体系。但其分析是基于弹性力学的基本解，因此无法精确考虑土的 成层性和非线性特性。同时，土的性状仅仅通过弹性模量和泊松比两个参数加以 反映也不够完善1 3 5 j 。 3 、剪切变形分析法 剪切变形分析法假定受荷桩身周围土体以承受剪切变形为主，桩土之间没有 相对位移，将桩土视为理想的同心圆柱体，剪应力传递引起周围土体沉降，由此 得到桩土体系的受力和变形。该方法是由c o o k e ( 1 9 7 4 ) 在试验和理论分析基础 上提出来的。 r o n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 进一步发展了该方法，使之可以考虑可压缩性桩，并且可 以考虑桩长范围内轴向位移和荷载分布情况，同时将单桩解析解推广至群桩。 d r a f t ( 1 9 8 1 ) 考虑了土体的非线性性状，将r o n d o l p h 的单桩解推广至土体非线 性情况。c h o w ( 1 9 8 9 ) 将k r a f t 的解推广至群桩分析。宰金氓( 1 9 9 3 ，1 9 9 6 ) 1 3 6 】 将剪切变形法推广到塑性阶段，从而得到了桩周土非线性位移场解析解表达式， 在此基础上，与层状介质的有限层法和结构的有限元法联合运用，给出了群桩与 土和承台非线性共同作用分析的半解析半数值方法。 剪切变形法可以给出桩周土体的位移变化场，因此通过叠加方法可以考虑群 桩的共同作用，这较有限元法和弹性理论法简单。但该方法假定桩土之间没有相 对位移，桩侧土体上下层之间没有相互作用，这与实际土程的土作特性并不相符。 4 、数值分析法 目前应用较为广泛和成熟的数值分析方法主要包括有限元法、边界元法和有 限条分法。 ( 1 ) 有限元法 有限元法从理论上可以通过在计算中引入一系列土体本构模型，同时考虑影 响桩承载变形性能的诸多因素，如土的非均质性、非线性、固结时间效应、动力 效应以及桩的后续加载过程等，采用有限元法还可以方便地分析桩一土一基础的 共同作用性状。因此在桩基分析中得到了一定的应用( d e s a i ，1 9 7 4 ，1 9 8 1 ；w o l f , 1 9 8 3 ；m u q t