（岩土工程专业论文）大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载性状数值分析.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要郭平2 0 0 5 年2 月 大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载性状数值分析 摘要 大直径现浇混凝土薄壁筒桩 ( 以下简称筒桩)是一种新型的桩基技术，是 由 浙江省海洋二所谢庆道教授在长期从事海洋工程科学研究和工程实践的基础 上创造发明的。它用料省，承载力高，具有当前几种常用桩型不具备的优点， 已 经逐步应用于公路软基处理和堤坝建设中。 但目 前此桩型的理论机理的研究 还很缺乏，对其理论研究目 前远远落后于工程实践，这在一定程度上制约了该 桩型的推广应用，因此开展相应的理论研究非常迫切。 本文首先介绍了筒桩的一些主要特点，介绍了筒桩在软弱地基处理和堤坝 工程中的应用情况， 包括它的施工工艺和施工要点，并详细比较了筒桩软基处 理方法与目 前常用的几种软基处理方法，接着介绍了筒桩的国内外研究现状。 采用通用有限元程序 a n s y s对公路软基处理中顶部封盖筒桩的竖向承载 j性 状进行分析。介绍了有限元分析模型的建立，包括单元刚度和整体刚度矩阵 的建立、等效结点荷载的计算、土体本构模型和接触面模型的建立。利用所建 立的有限元模型，对竖向荷载作用下的筒桩进行了分析，包括筒桩单桩的承载 机理和桩侧土弹性模量变化、桩侧土体凝聚力变化、 桩侧土体内 摩擦角变化、 桩端土弹性模量变化、桩长变化、桩径变化、桩壁厚度变化对其竖向 承载性状 的影响。 通过有限元分析认为， 桩侧上层土 ( 即桩侧土) 压缩模量的提高、 桩侧下 层土 ( 即桩端持力层土)压缩模量的提高、桩长度的增大和桩外径的增大能大 幅度提高筒桩的竖向 极限承载力。 筒桩的 合理桩外径选择范围为l o m - 1 5 m 。 在 桩外径不变的条件下，改变桩壁厚度几乎对筒桩承载力没有影响，但有利于桩 身端部阻力的提高。筒桩的承载力随着桩侧上层土体凝聚力的增大而提高，但 浙江大学硕十学位论文摘要郭平2 0 0 5 年2 月 当 凝 聚 力 增大 到3 0 k p a 后， 再 增大 凝 聚 力 对 筒 桩 承 载力的 提高 几 乎 无 作 用， 同 时，桩侧上层土体内摩擦角的增大有利于筒桩承载力的提高，但当内摩擦角增 大到1 5 。 后，再增大内摩擦角对筒桩承载力的提高作用不是很明显。 最后，通过对筒桩的有限元分析，提出了筒桩极限内 摩阻和桩内 土芯顶部 极限阻力的估算方法，从而得到了一个筒桩竖向极限承载力的估算公式，为工 程上的应用提供方便。 关键词:筒桩;有限元;内摩阻;外摩阻;极限承载力; 估算公式 浙江大学硕士学位论文摘要郭平2 0 0 5 年2 月 n u m e r i c a n a l y s i s o f v e r t i c a l b e a r i n g c a p a c i t y f o r th i n - wa l l ca s t - i n - s i t u co n c r e t e t u b u l a r p i l e s ab s t r a c t t h i n - w a l l c a s t - i n - s i t u c o n c r e t e t u b u l a r p i l e i s a n e w t y p e o f p i l e a n d c r e a t e d b y p r o f . x i e q i n g - d a o b as e d o n h i s y e a r s o f r e s e a r c h o n o c e a n e n g i n e e r i n g . c o m p a r e d t o o t h e r p i l e s t h i s p i l e h a s m a n y a d v a n t a g e s , s u c h as h i g h e r b e a r i n g c a p a c i t y , l e s s m a t e r i a l c o n s u m in g a n d e a s y f o r c o n s t r u c t i o n , s o i t h as b e e n g r a d u a l l y u s e d i n t h e s o ft g r o u n d a n d o c e a n e n g i n e e r i n g . n o w a d a y s d u e t o f e w e r s t u d i e s o n t h e o r e t i c a l m e c h a n i s m a n d l o a d t r a n s f e r s y s t e m i t s w i d e u s e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a n d f u r t h e r d e v e l o p m e n t a r e r e s t r i c t e d . f u r th e r s t u d i e s o n t h i s s u b j e c t b e c o m e m o r e u r g e n t a n d n e c e s s a ry. i n t h i s p a p e r f i r s t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s t h i n - w a l l c a s t - i n - s i t u c o n c r e t e t u b u l a r p i l e a r e s u m m a r i z e d , a n d t h e n i t s a p p l i c a t i o n i n s o ft g r o u n d a n d t h e p r o c e d u r e o f p i l e - d r i v e n a r e i n t r o d u c e d . o t h e r m e t h o d s u s e d f o r g r o u n d i m p r o v e m e n t a r e a l s o b r i e fl y d i s c u s s e d a n d a r e v i e w o f p r e s e n t s t u d i e s o n t h i s p i l e a n d o t h e r s i m i l a r p i le s , s u c h a s s t e e l t u b u l a r ( o r p i p e ) p i l e a r e d e p ic t e d in t h e f i r s t c h a p t e r . i n o r d e r t o a n a l y z e t h e l o a d t r a n s f e r c u r v e a n d s t u d y t h e m a i n e ff e c t s o n t h e v e r t i c a l b e a r i n g c a p a c i t y n u m e r i c a l a n a l y s i s i s u s e d . t h e p r o g r a m u s e d i n t h i s r e s e a r c h i s a n s y s , w h i c h i s c o m m o n l y u s e d i n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g . s o m e d e t a i l s i n fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a r e i n t ro d u c e d , i n c lu d i n g e l e m e n t d i s c r e t i z a t i o n , s t i ff n e s s m a t r i x f o r a s in g l e e l e m e n t , t h e g l o b a l s t i ff n e s s m a t r i x as s e m b l i n g , b o u n d a ry c o n d it i o n s , i n t e r f a c e s m o d e li n g a n d t h e c o n s t i t u t i v e m o d e l . b y u s i n g t h e s o f t w a r e a n s y s t h e m e c h a n i s m o f l o a d t r a n s f e r f o r m i s s t u d i e d a n d th e v e r t i c a l b e a r i n g c a p a c i t y as w e l l . d i ff e r e n t s o i l m o d u lu s a l o n g t h e p i l e a n d u n d e r n e a t h t h e p i l e a r e c o n s i d e r e d , m e a n w h i l e d i ff e r e n t c o h e s i o n , f r i c t i o n a n g l e , p i l e m 浙江大学硕士学位论文摘要 郭平2 0 0 5 年 2 月 le n g t h , d i a m e t e r a n d t h e t h i c k n e s s o f p i l e w a l l a r e a l s o s t u d i e d i n o r d e r t o g r a s p t h e m a i n e ff e c t s o n p i l e b e a r i n g c a p a c it y a n d g u i d e p r a c t i c a l d e s i g n . n u m e r i c a l r e s u l t s s h o w t h a t h i g h e r c o m p r e s s i o n m o d u l u s , l o n g e r l e n g t h a n d l a r g e r o u t e r d i a m e t e r w i l l c a u s e a l a r g e i n c re as i n g i n p i l e b e a r i n g c a p a c it y . t h e r e a s o n a b l e o u t e r d i a m e t e r f o r p r a c t i c a l u s e i s a r o u n d 1 01 5 m . o n c e f i x i n g t h e o u t e r d i a m e t e r a n y c h a n g e s i n t h e w a l l t h i c k n e s s w i l l h a v e l itt l e i n fl u e n c e o n i t s b e a r i n g c a p a c it y . b u t i t w il l i n c r e a s e w i t h s o i l c o h e s i o n a n d fr ic t i o n a n g l e . wh e n t h e c o h e s i o n h i g h e r t h a n 3 0 k p a n o m o r e i n c r e a s e i n c a p a c i t y w i l l b e i n d u c e d . a n d t h e s a m e c o n c l u s i o n c a n b e g o t f ro m i n c r e as i n g f r ic t i o n a n g l e . a s t h e fr i c t i o n a n g l e l a r g e r t h a n 1 5 d e g r e e t h e b e a r i n g c a p a c i t y s e e m s t o s t o p i m p r o v i n g . i n t h e e n d o f t h e p a p e r a s i m p l i f i e d m e t h o d f o r e s t i m a t i n g t h e l i m it e d i n n e r f r i c t i o n f o r c e a n d t h e r e s i s t a n c e o f s o i l p l u g u n d e r t h e c o v e r b o a r d i s p u t f o r w a r d . s o t h e e n t i r e v e r t ic a l b e a r i n g c a p a c i t y c o n s i s t s o f f o u r p a r t s , i n n e r a n d o u t e r fr i c t io n f o r c e , p i l e r e s i s t a n c e a r o u n d t h e c i r c u l a r a r e a a n d t h e r e s i s t a n c e o f s o i l p lu g u n d e r t h e c o v e r b o a r d . t h i s s im p l i f i e d m e t h o d i s v e r i f i e d i n a c a s e s t u d y a n d w i l l b e c o n v e n i e n t f o r p r a c t i c a l u s e . k e y w o r d s : p i l e s ; i n n e r a n d o u t e r fr i c t i o n f o r c e ; l i m i t e d b e a r i n g c a p a c i t y ; t h e e s t i m a t e d m e t h o d w 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论郭平2 0 0 5 年2 月 第一章绪论 1 . 1引言 我国地域辽阔，地质条件极为复杂，特别是在沿海地区及内地湖河沉积相 地区存在着许多复杂的软土地基，在这些地质条件下修建各种建筑物都要进行 软基处理，以增加地基的稳定性及减小沉降。 目 前软基处理中使用的方法主要有搅拌 法、真空预压、超载预压和桩基等加固方法。 加固方法造价低廉， 以 控制，检测繁琐、 施工速度较快，振动小， ( 粉、浆)桩、散体材料桩、强夯 搅拌 ( 粉、浆)桩、散体材料桩 无噪音，无污染，但施工质量难 费用高，且加固深度有限;超载预压方法可以有效解决软 基的次固结沉降，但由 于软基土的强度较低， 考虑到软基稳定性问题，不能快 速加载，制约了工程进度，因此施工工期较长，影响了工程投资的经济性。另 外超载预压需要额外土方， 将会多占 用耕地， 影响环境; 强夯法虽然施工简单， 施工周期短，对透水性较强土体的加固效果明显，对软粘土不适宜。 桩基加固软土地基由于施工速度快，可大大缩短工期，加固处理深度不受 限制，适宜各种地质条件，可明显提高地基的承载力和减小变形，己经广泛应 用于各项工民 建工程中。目 前 所指的 桩基主要 包括沉管灌注桩、 钻孔 灌注桩、 预应力管桩和钢管桩。 沉管灌注桩设备简单， 施工方便， 造价低， 施工速度快， 工期短，但在饱和土中挤土常会导致桩身缩颈、离析和断裂，且桩径过小 ( 一 般不超过 6 0 0 m m ) ，影响了单桩承载力的发挥。钻孔灌注桩桩径大，桩长可调 节， 钢材用量少，单桩承载力大，施工振动小，噪声低，可水上作业，施工时 若处理不当，泥浆护壁的泥皮会减弱桩侧摩阻力，而且桩端的沉渣清除不当， 也会减弱桩端承载力。钻孔灌注桩一般存在泥浆污染问题。预应力管桩有单位 面积承载力高、桩身质量易于控制、易于水上作业、桩身混凝土密度大、抗腐 蚀性能强、施工功效高等优点，但其单价较高，存在挤土截桩、受起吊设备限 浙江 大学硕士学位论文第一章绪论郭平 2 0 0 5 年2 月 制单节桩不能 过长等问 题。 钢管桩单 位面 积承载力高， 施工简单， 但成本高， 而且易受海水侵蚀，即使周围有混凝土保护层，随着时间的推移，保护层混凝 土会普遍存在开裂和麻面现象，致使保护层混凝土失去保护作用，导致钢管外 露而发生锈蚀，影响钢管桩的使用寿命。 目 前软基上建筑堤坝一般采用堆石堤、管袋吹砂筑堤和斜拉板桩筑堤。 堆石堤。适用于其下部地基土质较好和海底土质条件较好的海区，如若海 区水深较大、软土较厚的地段，就会大大提高投资成本，堆石围堤将产生巨大 的工后沉降。即使采用塑料排水板处理地基软土，除造价不菲外，尚且不能真 正解决长期的沉降问题，为此某些围海工程采用爆破排淤法加固地基，其费用 比塑料排水板更大，施工时间增长，而且存在其排淤的质量难以控制和监测困 难等问题。 管袋吹砂法筑海堤。 此法于近年来在长江口 等地使用成功，其优点是施工 期较短，质量比堆石堤较易控制、投资较低，但亦受一定的自 然条件限制，如 遇海区底质砂源较远、砂土中含泥质较高、水深较大、基底淤泥质软泥厚度较 大等不良条件时，吹砂充管袋的技术上将有困难。如果细颗粒成分的淤泥土不 能充分从管袋中排出时，管袋筑成围堤的堤芯将会产生长期的沉降变形。同时 若 遇 到 较 厚 的 软 土 底 质 ， 则 同 样 需 对 软 土 层 爆 破 排 淤 或 塑 料 排 水 板 等 方 法 加以 处理.因而同样有长期沉降问题。 斜拉板桩围堤。此方法相当于单锚板桩墙，其计算理论、沉桩工艺、施工 进度均较佳，但有造价高以及顶部施工难度较大等问题。 筒桩是一种新型桩，目 前已经逐步应用于公路和堤坝的软基处理中，从应 用的情况来看，有前面几种桩基无法比拟的优点，比 如它直径大 ( 最大可达 2 米) 、 沉降小、 施工快、 充分发挥桩内土体作用、 挤土少和经济性好等。 正是由 于筒桩这些优点，而预示着它将有一个良 好的应用前景。但是，筒桩作为新型 桩， 对其理论研究还远远不够，鉴于此， 本文将采用数值分析方法对筒桩单桩 的竖向承载性状进行详细研究，并在此基础上提出便于工程应用的单桩竖向承 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平 2 0 0 5 年2 月 载力经验计算公式。 1 . 2筒桩技术简介 1 . 2 . 1筒桩的特点 大直径现浇混凝土薄壁筒桩 以下简称筒桩)新技术是由谢庆道教授在长 期从事海洋工程科学研究和工程实践的基础上创造发明的。己经获得了中国国 家发明专利权 ( z l 9 8 1 1 3 0 7 0 .4 ) 。 大直径现浇混凝土薄壁筒桩就是桩体全部采用 现浇的素混凝土或钥筋混凝土一次成型完成， 其外径在0 1 0 0 0 m m一 。1 5 0 0 m m . 现正向更大直径的方向 发展， 壁厚一般在1 5 0 m m - -2 0 0 m m的新桩型。 它吸收了 预应力管桩和振动沉管桩技术的优点，目 前己 逐渐应用于公路和堤坝软基处理 等工程中。 筒桩的主要特点有: ( 1 ) 从桩径看，它属于大直径薄壁筒型桩，目前工程实施已拥有直径 8 0 0 - 1 5 0 0 m m，壁厚5 0 - 2 0 0 m m ，并且正在向直径2 0 0 0 m m的目 标努力，突破了 沉管桩和预制桩直径一般在 6 0 0 m m以内的限制，使桩径大大增加， 充分发挥 了大直径桩稳定和强度的作用。 ( 2 ) 从桩的挤土性质看， 它属于少量挤土桩， 在成桩过程中大量的土石 不是挤向周围而是被内管套入其中，当内管土挤到一定程度时可以从上部泄口 中溢出，受挤的土只是少数。 ( 3 ) 从桩的受力情况看，它可制成钢筋混凝土桩，承受上部巨大的压应 力，也可承受强大的水平推力。 它可制成素混凝土的低标号桩，组成复合地基 的增强体，并能有效的控制土的侧向 变形，减少工后沉降。 ( 4 ) 从结构特点看，它是现场灌注的薄壁圆形结构，且有极强的抗压抗 弯性能。一般灌注桩竖向受力并不需要全断面，从抗弯能力计算，断面中心部 位混凝土所起的作用也可忽略不计，筒桩正是避免了灌注桩存在的浪费材料问 题，用最合理的材料获取最有效的结构效应。另外，筒桩可以灵活组成各种形 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平2 0 0 5 年 2 月 式的 组合，形成单体排列的联体， 也可用系梁连成空间框架结构， 组成各种支 挡建筑和消浪设施。所以这种桩不仅受力能力强而且功能多。 ( 5)从施工角度看，由于它是连续浇灌而成，桩身的整体刚度比一般灌 注桩要好，而且成桩可以全部在现场完成，施工方便又迅速，尤其是在海上施 工， 插入土层的桩体，进入海水以及上部的桩柱，数十米长度可以一次性浇筑 完成。施工时对混凝土质量能进行有效的控制，施工完成后能对桩体实实在在 的作检测必要时还可增强和扩底。施工时由于采用高频振动，对地表振动影响 小， 而且没有钻孔灌注桩施工给环境带来的严重污染。 c 6 ) 从桩的用途看。目前己用于工业及民用建筑的基础，高速公路的软 弱地基加固，各种类型的支挡建筑，特别是在海洋工程中发挥极佳的作用，如 建造码头、护岸、防浪堤、海上平台等，应该说筒桩基础是目 前最佳的选择， 可以说使用广泛。 1 .2 .2筒桩技术在公路软基处理中的应用 公路软基处理中采用专用机械自 动排上和振动灌注混凝土浇筑形成筒桩。 筒桩壁和桩内土共同作用形成复合地基，达到提高地基承载力和减小沉降的目 的。 筒桩施工机具由桩架、 振动锤、 上料斗、 桩管、 桩靴以及辅助设备等组成。 桩架以及辅助机具要求同沉管灌注桩。桩管由内外两层钢套管组合而成。加料 口内设混凝土分流器，从而可以较好地避免混凝土浇注时的离析和厚薄不均。 桩靴为环状结构，其大小必须与内外套管匹配，且可根据不同的地质条件，分 别 采 用 v , l 等 相 应 的 形 状 。 1 .施工工艺 如图1 . 1 所示，陆上筒桩的施工步骤如下: a 筒桩打桩机就位， 把桩管对准预先埋设在桩位上的预制桩靴，放松卷 扬机钢丝绳，利用桩机和桩管自 重，把桩靴竖直地压入土中。 b ) 开动卷扬机， 将桩管吊 起， 用钢丝 绳把钢筋笼吊 起， 套入桩管内。 浙江人学硕士学位论文第一章绪论郭平 2 0 0 5 年2 月 ( c ) 将桩管 放下， 钢 筋笼 全部 套入 桩管内， 将桩管 和桩靴 连接， 用 胶 泥或 石膏水泥密封防水。 16z z1i 出土孔 加压减震弹簧 五 生岌举一一生一王一止三一三11 .锤 加料 钢筋笼 门督目 l必 混凝土盖板 外套管 内套管 桩靴 混凝土 州廿撒件 ( a ) ( b ) ( e ) ( d ) ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) 图1 . 1筒桩的陆上施工工艺 ( d )开动振动锤，同时放松滑轮组， 使桩管逐渐下沉，当桩管下沉达到要 求后停止振动锤振动。 ( e ) 利用上料斗向 桩管内 灌入混凝土。 ( f )当混凝土灌满后，再次开动振动锤和卷扬机。一边振动，一边拔管; 在拔管过程中要向桩管内继续加灌混凝土，以满足灌注量的要求。 ( g ) 拔管完毕后， 将挤出 地面以 上的内 芯土外运。 ( h ) 过两周后， 将桩顶原地面以上凿平， 挖出部分土芯， 浇注混凝土盖板; 如土芯高度低于地面高度，则用混凝土补实。 2 .施工要点 在施工过程中，应注意如下要点: ( 1 ) 筒桩沉管、 拔管施工过程与沉管灌注桩类似。 沉管开始时需控制下沉 速度，以 免偏位与倾斜。到一定深度或硬层时， 可适当加压将桩管沉至设计深 度，或略超深以保证达到设计深度。起拔套管时，先启动振动器，将套管振活 动后，用卷扬机缓缓提升套管。 提升速度: 初 速 0 . 5 -0 . 8 m / m i n ， 一般 1 .2 - 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平2 0 0 5 年 2月 1 . 5 m / m i n 。 在软弱土层中， 宜控制在0 .6 -0 .8 m / m i n . ( 2 ) 钢筋笼的外形尺寸需严格符合设计要求， 立筋间距允许偏差士 2 0 m m; 箍筋间距允许偏差士2 0 m m, 钢筋笼直径允许偏差士l o m m, 钢筋笼整体长度允 许偏差1 1 0 0 m ma ( 3 ) 沉管前需采取可靠措施保证桩管与桩靴形成密封空腔， 保证沉管过程 中不会漏水。 ( 4 ) 混凝土需具备良好的和易性， 配合比应通过试验确定， 碎石粗骨料粒 径 宜 为2 0 - 4 0 m m ， 细 骨 料 宜 采 用中 粗 砂， 水 泥 用 量 不 小 于3 6 0 k g / m 3 ， 坍 落 度 宜为7 0 - v 9 0 m m ，为改善和易性和缓凝， 混凝土宜掺外加剂。 1 .2 .3筒桩在堤坝工程中的 应用 海堤是围海工程的主体，也是海岸防护的主要工程措施。在软基上建筑围 海工程主要问题之一是地基的强度低，地基承载力低，建筑物容易失稳而且沉 降 量较大。 为了 缩短海堤施工工期， 减小 工后沉降， 保证海堤的正常使用， 一 般需要对下部软弱地基进行处理。筒桩结构直立式海堤是一种上部结构与下部 筒桩基础结合的新型海堤，能够解决传统海堤工程软土地基处理时间长，工后 质量难以 保证等难题。目 前筒桩技术已逐渐应用于堤坝工程中，如温州鹿西岛 的海湾防浪堤、上海金山卫海岸疏导堤、上海浦南东片出 海闸导流堤和广东惠 州大亚湾石化集团筒桩结构海堤 ( 总长达8 8 0 0 m，目 前正在施工过程中) 等工 程。 该堤可以 形成单排联体( 如图1 .2 ) 、 双排框架( 如图1 . 3 和图1 .4 ) 等结构， 声 于- - t- ;7于不二了 月石份 甘 七 夕 一寻 匕 泣t _ .)cr 歹苏 贡立 otc 仁 亘豆 二 图1 .2单排联体结构图1 . 3单面插板双排框架结构图1 .4双面插板双排框架结构 桩顶采用钢筋混凝土现浇盖板连接，两排桩之间采用连续梁、系梁加强刚性连 接，形成一个类似于重力式挡墙的结构体系。 1 筒桩结构围堤技术与其他常用围堤技术的比较 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平2 0 0 5 年 2月 ( 1 ) 设计计算理论。 堆石堤:如果在基底土质良好的条件下，此方法计算设计理论较成熟，计 算模式简单而经典。如果围堤基础是较厚的淤泥层软土时，就必须进行软基处 理。国内外都曾采用过爆破排淤法来加强基础的强度，此法有成功的也有失败 的，主要是排淤的效果是否理想以及如何检测爆破排淤的质量问题，若排淤质 量欠佳时， 那么其上部堤身的沉降计算理论就不能说是很成熟了。 管袋吹砂:此方法的技术问题与堆石堤方法相似，存在同样的设计计算理 论问 题，如果在较好的基底土质条件上筑堤，其计算模式是偏于安全的，但如 果底质是较厚的淤泥软土时，其沉降计算就不可能达到较理想的结果。当建筑 海域的砂质不是真正的砂土时，是很难将装进管袋中的细颗粒排出，那么管袋 装砂筑堤的材料本身就有较大的压缩性，沉降较慢，而且难以准确计算。 斜拉板桩:设计计算可按单锚板桩墙受力条件计算，可靠度大， 计算方法 亦较成熟。 筒桩结构:筒桩受力条件与大直径钢筋混凝土预应力管桩相同。一般都采 用三角形桩位布设双排桩结构，用系梁及横梁固定桩柱，使其形成超静定围堤 结构，目 前筒桩结构围堤的抗弯、刚度和稳定性计算无具体规范可依循，只能 参考其他相关的规范。 ( 2 )经济指标 堆石堤为3 .2 2 万元/ 米; 管袋吹砂为2 . 1 3 万元/ 米; 斜拉板桩为5 .7 万元/ 米; 筒桩结构为2 . 5 2 万元/ 米。 ( 3 )施工特性。 堆石堤:堆石堤 ( 其中包括爆破排淤法处理的工程) 有成功也有失败的具 体实例。对于靠岸的海堤工程施工工艺较为方便，可以依靠陆上推进、工序流 畅、进度较快，工期通常还可以得到保证。 但对离岸工程来说 ( 例如大亚湾围 堤是平行岸线的离岸工程，可利用岸上运输工具直接向海外推进的地段很少) ， 就需要大量的施工机船进行水上运输作业，受气象条件的干扰成分很大，因而 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论郭平 ? 0 0 5 年2 月 施工 工 期就难以 保证。 同 时由 于 离 岸工程抛石的 难度增加， 实际石料的运 输及 抛石人工费增加， 使总投资相应增加， 估计每公尺围堤的造价不少于3 . 5 万元。 管袋吹砂:对海况条件良 好及海底地形变化不大的情况，此方法施工是十 分有利的， 施工期风险基本上可以消除。目前国内已有专业施工单位，且有丰 富的施工经验。但是其软基处理需要水上作业， 采用塑料排水板处理软土， 尤 其是在水中的整体排水效果不理想，施工难度也较大，施工受气象及海况条件 限制，施工进度难以保证。尤其对含有泥质细颗粒成分的混砂质土装袋时， 需 要排出薪土颗粒，其困难大，如果排不千净就直接影响围堤质量。 斜拉板桩:施工进度快， 沉桩工艺成熟、可靠。 其顶部作业难度较大， 但 也是可以克服的，工期保证难度大。 筒桩结构: 筒桩施工工艺较为简单， 可以在排架上施工， 也可以 用船施工。 对于含有软土层的地基，堆石堤或管袋吹砂堤有一个软基处理的难题，而筒桩 结构则相对较容易处理。 ( 4 )结构特性。 堆石堤:堆石堤是属于散体结构的堤型，不论它采用何种可靠的软土地基 处理方法。与桩基比较，都不可能说它的稳定性良 好，尤其是与钢筋馄凝土结 构堤型相比，更是无法在同一水平线上对比。堆石堤的工后沉降大， 其值是难 以准确估算的。 管袋吹砂:管袋吹砂堤也属于散体结构，其优缺点与堆石堤相似。 斜拉板桩;斜拉板桩墙结构的稳定性远超过堆石堤， 抗灾害能力不强，它 是属于一种钢结构堤型，安全可靠、工后沉降小或可以不考虑。 筒桩结构: 属于钢筋混凝土超静定结构堤型， 稳定性强、 抗灾能力强和工 后沉降小或可以不考虑。 ( 5 )使用功能。 堆石堤: 堆石堤的使用功能较单一， 主要是起到挡土墙的作用， 其顶部虽 然也可以设计为公路通道等，但不宜于有过大超载超振动的高速公路使用。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平z o o s 年2 月 管袋吹 砂: 管袋吹砂 堤的 使用功能与 堆石堤 基本相同。 斜拉板桩:由于钢材在海水中存在腐蚀问题，使用期间需加强防腐措施。 使用的功能较单一，主要是起到挡土墙的作用。 筒桩结构:筒桩结构堤型是直立堤型，又是桩基深基础堤，它可以起到挡 土墙作用也可以 在堤外侧建造码头，堤顶可设计各种景观建筑，亦可成为公路 使用等等，是一种多功能堤型。 ( 6 )土地利用 堆石堤:堆石堤基脚放坡及填压层所占 海域土地面积巨大。即使是其内坡 范围作为吹填砂使用，但其内坡范围上面的土地只能供轻型的浅基础建筑物使 用而外坡在镇压层范围内则严禁其他用途， 避免堤体发生变形。 管袋吹砂:管袋吹砂堤属斜堤放坡，占 地面积大，其范围内的土地利用严 格受到限制，与堆石堤同样浪费土地。 斜拉板桩和筒桩结构海堤土地利用率高。 其 中 it , 为 桩 底 端 闭 塞 效 应 系 数 ， 取0 .5 ; 。 ; 为 桩 端 阻 力 值 ， 参 考 钻 孔 灌 注 桩 取 值;a为桩端面积。用该计算方法所得的结果与实际观测值进行了比较，结果 之间的差值约为实际观测值的2 0 %左右，认为该计算方法基本符合实际情况。 朱向荣等 ( 2 0 0 3 a ) 提出了筒桩承载力的经验计算公式， 认为筒桩单桩竖向 极限承载力除保留沉管灌注桩的桩侧摩阻力、 桩端阻力外， 增加了土芯端阻力。 桩 侧 摩 阻 力 和 桩 端阻 力 的 取 值 可 参 考 桩 基 规 范， 而 土 芯 端 阻 力么二 i7 tg p k a , ， 其 中 77, 为 桩 端 阻 修 正 系 数， 取 0 - 1 1 笔 者 认 为 该 系 数 范 围 太 大 ， 不 容 易 确 定 ; 9 p k 为 参 考 沉管 灌注 桩的 极限 桩端阻 力 标准 值: a ， 为 土 芯 截 面积。 通 过 现场试 桩 认 为，筒桩土芯端部的承载性能比桩端差的多，筒桩内土芯的存在与否，对桩端 阻力的正常发挥影响较大，在有良 好持力层时， 土芯对增大承载力和减小沉降 量 都 有 较 大 贡 献， 当 持 力 层为 软 土 时， 土 芯 对 承 载 力 贡 献 较小， 但 对 减 小 沉 降 量有较大贡献。 朱向荣等( 2 0 0 3 b ) 采用双折线荷载传递函数， 推导了 简桩轴向荷载一沉降 曲 线的 解析表达式。通过非线性优化算法，拟合实测的荷载一沉降曲 线， 可得 到桩土系统的工程力学参数，并由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲 线。 对一根筒桩的实测荷载一沉降曲 线进行了理论拟合， 表明了该公式的有效性。 刘汉龙等 ( 2 0 0 3 )提出了 振动沉模大直径现浇管桩复合地基的概念。但在 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平2 0 0 5 年2 月 计算复 合地基中管桩的 承载力时， 认为管 桩承载力由 桩外 侧摩擦力和桩端阻力 两部分组成，由于内摩擦力尚未形成切实可行的计算方法，而将它作为安全储 备。 周平等 ( 2 0 0 3 )从设计、施工、加固效果等方面介绍了杭宁高速公路采用 现浇混凝土薄壁筒桩加固桥头路堤软基的应用情况。结果表明筒桩具有良 好的 群桩基础承载力性能及有效防止软土地基侧向滑移的能力，对高填方路堤具有 良 好的抗滑性能。并且施工期短，工后沉降小。 刘芝平等 ( 2 0 0 3 ) 介绍了 现浇混凝土薄壁管柱技术以及在南京大厂区高填 土市政道路软基加固中的应用。通过现场测试沉柱过程中地面水平位移和桩周 土压力的变化，发现薄壁管柱侧向挤土效应小，沉桩对周围土体变形影响小。 汪鹏程等 ( 2 0 0 4 ) 应用圆孔扩张理论，分析了筒桩施工挤土效应，并通过 比 较， 得出筒桩施工挤土效应远远小于普通沉管灌注桩或预制实心桩， 筒桩可 内外承担摩阻力，承载力高，挤土效应小。筒桩可以显著减小沉桩时的挤土， 并 且 桩 径 越 大， 效 果 越 显 著 费康等 ( 2 0 0 4 a ) 基于荷载传递法， 考虑土塞的作用， 提出了一种筒桩单桩 性状的简化分析方法。 内外桩土界面上的相互作用模型采用了s m i t h 提出的弹塑 性模型，桩体和土塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟，桩结点和土 塞结点之间通过弹簧与滑块连接， 从而在分析中可以考虑土塞和桩的相互作用。 采用该方法分析了模拟了荷载一沉降曲线，计算了桩的内外摩阻力及土芯和桩 身的轴力， 与现场试验和有限元计算结果进行比 较， 验证了 其准确性。 张晓健等 ( 2 0 0 4 )通过自 行研制的加载系统和量测系统装置，对砂土中筒 桩进行了室内 模型试验。 试验所得的 荷载一 沉降曲线结果与采用 s e e d和r e e s e 提出的双曲 线荷载传递函数计算的结果进行了比较，认为采用该试验装置进行 室内模型试验研究是切实可行的，荷载传递函数仍然适用于筒桩，并且认为筒 桩内摩阻力是存在的。建议今后的试验通过改变壁厚、管径及桩长等参数，或 把内部砂土取出来进一步研究桩芯土的性状。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论9 9 平2 0 0 5 年 2月 费 康等( 2 0 0 4 b ) 通 过 有限 元 方 法 研究了 筒 桩 的 荷 载 传 递 机理。 计 算分 析时 ， 桩采用了线弹性模型，土体采用摩尔一 库仑弹塑性模型，桩土间的接触采用 c o u l o m b 摩擦模型， 考虑了土体的自 重初始应力场。 计算结果和静载试验的结 果进行了对比，验证了该有限元分析方法的正确性。 1 . 4本文主要工作和创新点 大直径现浇混凝土薄壁筒桩是一种新的桩基技术，国外还未件相关的研究 报道，从对国外钢管桩和预应力管桩的研究来看，主要是采用模型试验和有限 元方法，从钢管桩和预应力管桩内的土芯的承载机理研究出发，来进一步认识 两者的工作性状。国内目 前对筒桩的理论研究还不够深入， 基本是停留在对筒 桩的概括性认识，上述文献中采用现场试验和有限元分析方法对筒桩的荷载传 递机理进行了初步的研究，但并未详细分析桩体几何参数和土质参数变化时的 筒桩的承载性状，未提出土芯内摩阻的估算方法， 提出的筒桩承载力的 计算方 法误差也较大。 1 .4 . 1本文主要工作 ( 1 ) 建立有限元分析的模型， 包括几何模型的建立、 物理模型的建立和分 析参数的选取。 ( 2 ) 利用建立的有限元模型模拟分析土质较好的一般粘性土地基中筒桩在 竖向荷载作用下的承载机理，分析桩周土体压缩模量变化、土体粘聚力变化、 土体内 摩擦角变化、桩长变化、 桩径变化和桩壁厚度变化对筒桩竖向承载性状 的影响。 ( 3 ) 把筒桩桩身作为独立的受力体， 即认为筒桩竖向 承载力由 桩身端部阻 力、土芯顶部阻力、内摩阻和外摩阻四部分组成，通过有限元分析，提出筒桩 达到极限承载力时土芯顶部阻力与桩身端部阻力的比值系数范围，来确定筒桩 达到极限承载力时土芯顶部阻力值， 提出简桩内 摩阻的估算公式，结合桩基规 范 对极 限 外侧 摩阻 力和 极限 桩 身 端部阻 力的 取 值， 从 而提出筒 桩 竖向 极限 承载 浙江大学硕士学位论文第一章绪论郭平2 0 0 5 年2 月 力的 估算公式。 1 . 4 .2创新点 ( 1 )利用a n s y s 通用有限元程序了详细分析了桩周土体压缩模量变化、 土体粘聚力变化、土体内摩擦角变化、桩长变化、桩径变化和桩壁厚度变化对 竖向荷载作用下筒桩的承载性状的影响。 ( 2 ) 单独把筒桩桩身作为受力分析体， 提出了公路软基处理中顶部封盖筒 桩的内 摩阻估算方法和土芯顶部极限阻力的估算方法，最后提出一个筒桩单桩 竖向极限承载力估算公式。 浙江大学硕士学位论文 第二章 有限单元法理论基础郭平2 0 0 5 年2 月 第二章有限单元法理论基础 2 . 1引言 有限单元法的出现，是数值分析方法研究领域内重大突破性的进展，它 的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连结 在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本 身又可以有不同的形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。有限单元法 作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数 来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知 场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。 这样一来， 一 个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成 为新的未知量 ( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的 有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以 通过插值函数计算出各个 单元内 场函数的近似值，从而得到整个求解域上的 近似解。显然随着单元数 目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精 度的提高，解的近似程度将不断改进，最后将收敛于精确解。 有限单元法可以分析性状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构; 可以 在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件， 例如可以 模拟岩 土体中的渗流和初始地应力场、混凝土的不均匀温度场等，这些因素在物理 模型中往往难以模拟;可以进行结构的动力分析;由于前处理和后处理技术 的发展，可以进行大量方案的比较分析，并迅速用图形表示计算结果，从而 有利于对工程方案进行优化。基于这些优点它的应用很快被扩展到固体力学 的各个分支，又从固体力学扩展到流体力学、热传导学、电 磁学等各个领域 ( 朱 伯芳， 1 9 9 8 ) . c l o u g h ( 1 9 6 7 ) 首 先 用 有限 单 元 法 来分 析堤 坝的 应力 和变 形。 e l l i s o n ( 1 9 7 1 ) . d e s a i ( 1 9 7 4 )等陆续用有限单元法分析桩的受力特性， 浙江大学硕士学位论文第二章 有限单元法理论基础郭平 2 0 0 5 年2 月 并 与 实 测 结 果 相 验 证， 以 指 导 桩的 设 计 和 施 z a h o o p e r ( 1 9 7 3 ) , o tt a v i a n i ( 1 9 7 5 ) 等将有限单元法应用于群桩计算分析。 p o u l o s ( 1 9 8 9 ) 在r a n k i n e 讲座中对桩 基的理论与实践进行全面系统地总结时指出 “ 这些方法中 ( 指各种分析轴向 荷载桩的方法) ， 有限元是最有力的分析方法， 不仅能考虑土体的非线性，而 且能模拟桩贯入、成桩后土体固结效应、动力效应的整个过程” 。自9 0年代 有限元单元法己经广泛用于桩的性状分析。 筒桩竖向承载性状分析有限元模型的建立 筒桩竖向承载性状有限元分析涉及到单元刚度和总刚度的计算、 来2 以2. 点荷载的计算、土的本构模型、桩体的本构模型和桩土接触面模型。 用平面轴对称分析方法。 2 .2 . 1单元刚度和整体刚度矩阵的建立 等效结 本文采 单元刚度的计算与采用的单元类型