（岩土工程专业论文）城市交通荷载对摩擦桩承载力的影响.pdf

摘要 动荷载作用下的土体响应是目前研究方向之一，交通荷载作用下的饱和土 响应及于桩相互作用在实际工程中有一定的应用价值。 桩侧摩阻力f 是桩截面对桩周土的相对为位移占的函数：极限摩阻力 l = c 。+ q t a n 其中吒予桩侧土的竖向有效应力武成正比，即吒= k 瓦。通 过阅读相关文献，注意到软土地基中桩的极限侧阻力标准值和土的状态有极大的 关系：孔隙水压力可以从侧面反映土的状态。 本文从荷载的作用进行探讨：瞬时荷载作用下的孔隙水压力和荷载长期作用 下的土体变形这两方面探讨动荷载对摩擦桩承载力的影响。 1 、文章先介绍迄今为止相关形式荷载研究的状况，结合有关文献。在已有 前人工作的基础上，进行孔隙水压力的探究，得到相应的理论计算公式， 发现孔隙水压力在垂直方向一定深度内突变。 2 、通过调研，查阅相关资料，确定与公式有关的计算参数( 荷载、计算宽 度、附加动荷载系数) ，计算工程常见地块一十字交叉地块关键点的孔隙 永压力分布，并与国内的饱和土在动荷载( 地震) 作用下的试验进行比 较。通过计算和分析十字交叉地块控制点的孔压，得出：交叉路口地块 孔压随深度消散，但在深度0 5 2 倍道路宽度处会发生孔压的突变；和 地震作用相比教，发现交通荷载与地震作用有类似效果。 3 、运用有限元模拟交通荷载长期作用下的土体变形对桩士界面的影响。通 过三种工况的模拟发现在交通荷载的长期作用下可能会产生桩土滑移， 有较大的附加荷载，参考有关实验分析其危害。 关键词：交通荷载( 瞬时荷载)b o i t 囿结理论桩土界面孔隙水压力 十字交叉地块有限元 a n a i y s i sb e a r i n gc a p a c i t yo ff r i c t i o n p i l eun d e rt r a 仟i cl o a d a b s t r a c t s t u d y i n gd ) ，i l 锄i ca i l a l y s i s o fs o i lu n d e r m o v i i l gl o a d i so n eo fi m p o r t a n t d i s c i p l i l l e s r e s e a r c hi nn a 伍ce n g i n e e 血gd y n a m i ca n a l y s i so fs t a t u r e s o i lu n d e r 廿蕊cl o a d ，a i l d 也ee 船c to f t l l ep i i e - s o i li si m p o r 纽n ti 1 1p r a c t i c et oc e r t a i nd e g r e e n l es h m 衔c t i o no fp i l e sfi s 也e 缸商o no ft h ea m l h l dp i l e ss o i ld i s p l a c e t h e u n i m a t eb e 撕n gc 印a c 时o f t l l ep i l e s l = + 吒t a l l ，t = 墨威，n i sk n o w t l l a t 也e b e a r i n gc 印a c i t yo fp i l e si sr e l 撕v et o 也ec o n d i t i o no fs o i lt h r o u 曲r e a d i n gp 印e r a i l dt e s tr e c o r d ，w h i l et h ef 撕0 rc o n d i t i o no fs o i li sp o r ew 嬲p r e s s l l r e f r o m 也ef a c t o r so fi m m e d i a t el o a d ，p o r ew a t 盯p r e s s u r ea 1 1 dd e f 咖l a t i o no f s o i l s t u d y i n gt h eb e a 血gp r o p e r t yo f 丹i c t i o np i l e t h sp 印e rs t a r t s 埘t l la i li n 廿0 d u c d o no fd i v e r s 打yj o a do fs t u d yd i s c i p l i n e b a s e d o nm er e s e a r c ha n dt h ep 印e ro fo 吐1 e r se x p l o r e dt h ef a c t o ro fp o r ew a t e rp r e s s u r e ， m 匈o ri n 也et h e o r ye q u a t i o nb a s e do nb i o t t 圭l c 0 叫u n d e rt h ec o n d i t i o no fi m m e d i a t e 1 0 a d t h o u g hi n v e s t i g 撕0 n ，c o m b i n i n gw 曲s p e c i f i cp a p e r ，c o n f m e dt h ei 1 1 f l u e n c e so f p a r a m 咖r s ( 1 0 a d ，b o a r da 1 1 ds u p e r i m p o s e dd y n a i l l i cc o e 珩c i e m ) c a l c u l a t i n gt h e g e n e r a lc o n d i t i o n 也ec r o s s m a d 掣。吼d m l d 也er e s u h 、v a sc o m p a r e d 州t lo 也e r s l a b t e s ta b o u t 也ep o r ew a t e rp r e s s u r es l l o w e da f k re 疵b q u a ：k ei n 血ef m i ys a t u r a t es o i i g r o u n di ns h a i l g l a i t h o u g hc a l c u l a t i n g 锄da n a i y s i s ，t h e 怆s u i ts h o w e d ：廿l ep o r e w a t e rp r e s s u r ed i s s i p a t e 诚t l ld 印t h ，w m l e ，as u d d e nd e 印l yc h a l l g e0 5 - 2b o a r d l l i l d e 唱r o u n d s o m e m m ga l i k e 也er e s u l to f t l l ea f t e re a m l q u a l ( ei n 怕e 如l l ysa t l 】r a t e s o i lg r o u n d s d n m l a t i n gm ed e f o n n a t i o nw h i c h 锄伍c1 0 a dl o n gt i m ee 恐c tw i 也f e a ，t h o u 醣 3d i 舭r e i l tc o n d i t o n s s h o w e dt l l ep o t e 埘a ld a i l g c ro f p i l e s o i ls l i d e k e yw o r d s ：仃a 蚯cl o a d s ( i m m e d i a c el o a d s ) p o r cw a t e rp f c s s l l r e b i o t st h e o r y p i l e s o i lc o n d i t i o n c r o s s - f o a dg r o u l l df e a 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 1 1 实际问题的提出 第一章绪论 随着经济迅速发展，快速化、一次重装是当前世晃交通运输发展的趋势。高 速公路，快速通道最快时速1 2 0 h 啦载重从单轴小于1 3 0 k n ，到超重车载轴载 3 0 0 i 斟，如德国1 4 0 t 升降框架车。 众所周知，沿海地区软土的特点是含水量高、压缩性大、强度低。还有一个 显著的特点是软土覆盖层厚，最厚达l o o 余米。修建在软土覆盖层厚土的地基在 施工机械扰动，车辆振动的荷载反复作用下，能产生液化或大量沉陷变形，引起 附近土体产生变化，导致了桩侧摩阻力和桩端阻力的下降，引发了建筑物沉降等。 温州某大厦2 0 0 3 年1 2 月2 1 日大厦突然发生沉降，可能的原因是交通荷载作用 引起的。由交通荷载引起的周边环境的影响己成为重要的课题。 1 2 移动、瞬时荷载作用的研究 交通荷载属于移动荷载。目前，国内外学者对移动荷载作用下土体的响应已 经取得了不少研究成果。 1 2 1 移动荷载下单相介质动力响应的研究状况 目前极大部分工程实践中都把地基作为弹性半空间或层状半空间，并运用弹 性力学公式计算其应力和位移。而实际上，天然土体是一种复杂的三相材料体系， 其中土颗粒形成固体土骨架，骨架孔隙中为流体( 一般指水) 及气体所充满。三 相之间物理和化学成分的不同组合将使土体具有不同的性状，可能要用不同的物 理力学模型方能合理地予以模拟【l2 1 。在弹性半空间方面，1 8 8 5 年法国力学家 b o u s s i n e s q 例得到了半空间表面作用竖向集中里后产生的应力场和位移场，即 b o u s s i l l e s q 解。1 9 0 4 年英国科学家l 锄b 【叼得到了半空间表面作用集中简谐荷载 时问题的解，即动b o l l s s i l l e s q 解。 对于直接作用于弹性体的移动荷载的研究始于5 0 年代，1 9 5 1 年，s n c d d o n f 5 最早考虑了弹性半空间中表面施加匀速移动荷载的问题，他给出了弹性半空间在 移动荷载作用下的积分表达形式。 c o l e 和h u t h 【6 】研究了集中线性移动荷载作用下二维弹性半空间的响应，并讨 论了三种荷载速度的情况：( 1 ) 荷载移动速度小于纵波和横波速度；( 2 ) 荷载移 动速度间于纵波和横波速度之间；( 3 ) 荷载移动速度比纵波和横波速度都大。 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 n i w a 和k o b a v a s h j 川讨论了弹性半空间上任意分布的荷载形式。f u l t o n 和 s n e d d o n ，m o d e v 【8 9 】研究了厚板上移动线荷载的动力响应情况。 h a r d y 和c e b o n f l o 】研究了公路在移动荷载作用下的基本响应( 包括应力、应 变、位移) ，他们将地基土作为w i n h c r 弹性地基模型，路面考虑成e u l e r 梁的模 型，参数取值借鉴了c e b o n 在1 9 8 8 年的a a s h o 公路实验的结果。 e a s o n 【l l 】研究了恒定速度移动荷载作用下均质半空间动力响应问题。荷载一 直施加，可看作是准静力问题。荷载的施加形式有法向施加和切向施加，并考虑 了点荷载和圆形或矩形分布荷载。通过积分变换求解基本方程，将多次积分变换 为一次有限积分，最后通过数值计算给出了在点荷载作用点下面土体的动力响应 和面荷载( 圆形分布或矩形分布荷载) 作用范围中心点下面土体的动力响应。 a l a b i 【l2 】采用和e a s o n 相同的方法研究了移动点荷载的响应，通过数值积分 给出了荷载速度、距离和层厚的参数研究。 d eb a r r o s 和l u c q 【1 3 j 研究了在表面或埋藏一定深度处恒定速度移动的点荷载 作用下，成层粘弹性半空间的位移和应力。 y b y a n g ，h h h u n g 和d w c h a n g l l 4 】采用数值方法研究了列车荷载以不同 速度移动时产生的振动在土体中传播特性，他们采用了2 5 d 有限( 无限) 元的 方法简化了三维问题，列车荷载被模拟成有一定自振频率的车轮荷载，分别考虑 移动速度大于和小于瑞利波速度的情况。 h u a i l g 和t l l a i l l b i r a m l m i i ”将士体视为删e r 弹性介质，研究了移动荷载作 用下土体的动力响应，对高速移动荷载作用下的梁地基系统的协同工作进行了 分析，得到了轨道与地表面的动力响应。 谢伟平、胡建武、徐劲【1 6 】推导了基于g r c e n 函数法的版纳无限地基及成层地 基的响应函数与传递系数的公式 j w m i l e s 【l ”利用积分变换的方法研究了弹性半空间在可变压力、变速率轴对 称移动荷载作用下的动力响应。 沙爱民掣1 耐用平面问题研究了路面动态特性。郝大力等1 9 谰有限元法进行 三维模型求解分析了路面结构动力响应。曹源文等口。】研究了路面平整的影响。 1 2 2 移动荷载下饱和介质动力响应的研究状况 饱和土是由土骨架和充满其中孔隙的液相( 通常是水) 构成的两相介质，故 研究饱和土在移动荷载作用下的动力响应更具有实际意义。 b u r k e 和k i l l g s b u r y 【2 l j 给出了多孔弹性介质移动面荷载作用下的封闭解，但 是没有考虑惯性项等。 i s i d d h a r n l a n 等1 2 2 j 研究了成层饱和土在移动荷载下的动力响应，他研究的 是饱和两相介质的问题：( 1 ) 考虑了成层地基并且可以为饱和或者是不饱和的； ( 2 ) 可以很容易的解决复杂荷载形式：( 3 ) 剪切模量与应变有关，考虑了非线 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 性地基的问题。但是他忽略了水和土体之间的相对运动，不能完全满足b i o t 方程。 d d t k o d o r a k o d o m o s 采用了s i d 曲a m m 】类似的方法研究了下卧基岩饱 和半空间介质在移动线荷载作用下的动力响应和参数的影响。 b 血等 2 4 】研究了饱和半空间土体在移动集中线荷载作用下应力和超静孔压 的响应。 黄茂松等【2 5 】讨论了饱和土多孔介质土动力学的基本方程，饱和土中弹性波的 传播特性以及土体动分析的时域数值解及地震反应等方面的研究现状。 唐益群，张羲等【2 田在结合上海市轨道交通，从静力触探，超孔隙水压力，地 面沉降三个角度研究盾构法施工对粉土扰动的影响，通过实测总结超孑l 隙水压力 发展的经验公式p = c ( 彳2 x ) ，c ，a 土性及深度、盾构推进速度。 1 2 3 刘保健、谢定义对随机荷载下土动力特性测试分析 在研究规则变化荷载的基础上按实际可能的动荷载波形进行研究，引入随机 过程理论对土的动力特性进行测试和分析。视动应力、动应变和动孑l 压时程均视 为随机过程，通过对这个随机过程在时域内的幅制分析与相关分析或频域内的谱 值分析与相关( 相干) 分析，将随机过程分析的某种特性参数与土动力学中不同 土特性参数的物理概念相结合，通过对应选取的随机过程特征参数来测定表征土 动强度变形特征的参数。1 2 7 】 1 2 4 瞬时荷载作用下饱和土的有效应力和孔压的研究 t e 您曲i 固结方程和b i o t 囿结方程在半无限空间给出瞬时加荷初始孔压值。 陈振建基于b i o t 介质，得出瞬时点荷载作用下地基中初始有效应力和初始 位移解【2 8 】。 贾宁例在此基础上得到瞬时线荷载、瞬时条形荷载和瞬时三角行荷载作用下 地基土体的初始竖向有效应力和超静孔压解答。 在移动荷载、瞬时荷载的研究现状可以看出：研究对象从固体到两项体( 饱 和土) 的研究，从点荷载到线、面、随机荷载作用，加上有限元的应用，使得对 动荷载的研究进一步深入，同时可以看出上述是以理论荷载为主，有考虑列车轨 道荷载、堆载，车辆仅仅考虑对路面的响应。孔隙水压力的变化( 从而影响土的 状态) 对桩基的承载力有一定的影响，对承载力因素有一定探讨借鉴。本文第一 部分内容是基于实际车辆荷载作用的基础上进行模拟，荷载瞬时的施加与实际瞬 时施加较为接近，并考虑动荷载的附加作用，在此基础上基于相关理论考虑在车 辆荷载的瞬时作用下的孔隙水压力，得到的推导与实际的瞬时作用较为接近，在 这个基础上分析分析工程常见地块控制点孔压瞬时变化( 考虑动荷载附加作用) 对桩基的承载力的瞬时影响。第二部分考虑用有限元模拟土的变形对桩基承载力 影响，这样对交通荷载的作用有一个较为完整的摸索。 浙江大学硕士学位论文城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 1 3 本文主要研究思路 桩侧摩阻力r 是桩截面对桩周土的相对为位移j 的函数；极限摩阻力 l = 吒+ q t a l l 纯其中吒于桩侧土的竖向有效应力一成正比，即吒= k 盯：。通 过阅读相关文献，注意到软土地基中桩的极限侧阻力标准值和土的状态有极大的 关系；孔隙水压力可以从侧面反映土的状态。本文从交通( 公路) 荷载作用：一 是在交通荷载( 瞬时) 作用下的孔压( 对原来应力状态来，这个作用效应是附加 的) ；二是在交通荷载长期( 等效于静载) 作用下的土的变形两方面探讨对摩擦 桩承载力的影响，并期望研究成果在垂直交叉道路地块设计摩擦桩承载力时有参 考价值。 1 、本文先分析交通荷载( 公路荷载，以汽车为分析对象) 的特点，从动力 学角度探讨交通荷载作用下的桩侧阻的影响，交通( 汽车) 荷载的特点p = p f 瞬 时荷载) + p ( 动荷载) 。在前人探讨侧阻软化的潜在因素的基础上，从孔隙水压力 和土的变形角度出发进行研究； 2 、从经典力学出发，基于b i o t 提出的饱和多孔介质，在前人理论公式的基 础上推导出( 瞬时) 矩形荷载作用下的孔隙水压力和有效应力，并分析孔压的特 性，结合他人的理论公式为实际情况做理论准备。 3 、从相关资料结合实际情况得到有关计算参数，根据前人研究成果求得路 面情况的附加动荷载等效系数，分析在交通动荷载作用下的孔隙水压力变化，结 合相关理论探讨在动力作用下饱和土的孔隙水压力。 4 、根据规范和实际组合各种情况，确定有关参数。在算例中找出最不利组 合，分析十字交叉地块控制点的孔隙水压力分布，并于他人试验结果进行比较， 从侧面说明理论公式的参考意义。 5 、运用有限元( a i l s y s ) 模拟土在交通荷载长期作用下的土变形对桩的影 响。从有限元分析可知在荷载的长期作用下土体一定范围内的变形对桩的影响很 明显，并有可能产生较大的负摩阻力 6 最后全文小结，提出参考建议，同时分析需要迸一步研究的方向，为进 一步研究做铺垫。 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 第二章交通荷载特点及桩侧阻软化的探讨 2 1 交通( 汽车) 荷载的特点 实际的行车荷载对路面结构的动力作用是非常复杂的。因此，要准确、完整 地的模拟行车荷载对路面的作用是十分困难的。目前，世界各国的路面设计规范 中，都是把车辆荷载作为静止的集中荷载或图形分布荷载来表达，而实际路面承 受的车辆荷载是一个位置不断变化的运动随机荷载。汽车荷载对路面施加的作用 力大小和性质，随着汽车的运动状态而变化。当汽车停在路面上时，只有车轮对 路面的垂直静载作用，行驶时，行驶时有车轮转动对路面纵向产生水平力，转向 产生横向水平力，软土地基的工后沉降很大、路基受潮湿度的影响以及路面在超 负荷或疲劳造成结构破坏等，使得路面不平，产生冲击力和震动力。 2 1 1 荷载模拟 汽车对路面的作用可分为停驻状态和行驶状态。当汽车处于停驻状态时，对 路面的作用为静态压力，主要时轮胎传给路面的垂直压力p ，它的大小受下述因 素的影响。 ( 1 ) 汽车轮胎的内压力口i ； ( 2 ) 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状； ( 3 ) 轮胎的大小。 货车轮胎的标准静内压力p i 一般在o 4 o 7 m p a 范围内。通常轮胎与路面接 触面上的压力略小于内压力，约为内压力的0 8 o 9 倍。车轮在行驶过程中，内 压力会因轮胎温度的升高而增加，达到内压力的o 9 1 1 倍。轮胎的刚度随轮胎 的新旧程度而有不同，接触面的形状和轮胎的花纹也会影响接触压力的分布，一 般情况下，接触面上的压力分布是不均匀的。不过在路面设计中，通常忽略上述 因素的影响，而直接取内压力作为接触压力，并假定在接触面上压力是均匀分布 的。 静荷载：行车荷载假设为常荷载f ，常荷载代表荷载恒值或以低f 变化的情况； 动荷载：对于路面某一点在车辆通过时所承受的动荷载的的简化方法主要有 两种，一是将其简化为半波正弦荷载。二是采用f w d 产生的动态冲击荷载。本 文采用第一种。车辆行驶时需用动荷载模拟形式进行描述，常见的动态描述有篙 谐振动和随机振动，一般假设行车模拟为稳态简谐振动，以振动最大幅值，频率 及周期来描述。这样得到行车基本荷载p = p ( 静) + p ( 动) p ( 静) 和路面静态p ( 瞬时) 荷载大小一样，但是考虑荷载作用，瞬时作用于实 际较为贴近，p ( 动) ，描述为f - qs i n 讯或qc o sm 或f - q 2 ( 1 c o s 呻即p r p ( 瞬 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 时卜p ( 动) 。 w ：视车速、车、地面情况，是描述行车动荷载的一个重要特性。 随机振动的特性和路面平整度和车辆动态特性有密切关系。 1 ) 振动无固定的周期，不能用简单的函数组合来表达其规律； 2 ) 无法预测某一时刻的振幅，速度和加速度； 3 ) 随机振动的物理量服从概率分布。 2 。1 2 动荷载特性影响因素 1 ) 车速 车速的对路振动系统的影响很大，当车速很小，处于缓行时，只有静载，在 定范围内车速很快时，作用于路面的动力系数就会很大，从8 k m i l 到5 0 m 恤， 动力系数从5 0 提高到1 0 0 。 2 ) 车型 路面行驶的车辆时一个大荷载群体，有大吨位，小车，在一定车速范围内， 荷载越大，对路面的冲击作用力越大，动力系数越大。 3 ) 路的平整度 车于路相互作用，试验表明：路越平，车辆行驶就越平稳，产生的动力就越 小，相反就越大。 2 2 桩侧阻软化的探讨 1 、规范对摩擦型桩的定义【： a 摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受； b 端承摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受。 交通荷载和桩侧阻软化关系的探讨，设计人员在进行设计时，一般是根据地 质报告提供的各层土的单位桩侧摩阻力值和桩端土的值进行计算。但在实际桩 基础施工中，沉管灌注桩、预应力管桩普遍存在打桩挤土效应，导致桩间土结构 破坏( 值降低) 和浮桩( 值降低) 等；钻孔灌注桩则由于存在钻孔导致桩侧土 应力松弛、泥浆护壁的泥皮导致值降低和桩端持力层扰动、沉渣问题降低值问 题；此外桩侧土长期受振动荷载作用或地震荷载，导致土体振动蠕变使侧阻软化。 2 2 1 桩侧阻软化的理论机理探讨 张忠苗在关于桩侧阻软化对桩基承载力的影响研究中：认为侧摩力发挥有个 过程，它的大小和变化与下述主要因素有关：桩周土的力学性质( 包括物理力学 性质，应力历史，泥皮等) ：桩端土性状：桩自身特性；桩侧向有效应力；桩土 相对位移量；桩土接触面性质；桩的施工方法；荷载类型；时间效应( 加荷速率， 荷载历时出现的蠕变，应力松弛，触变等过程) ；桩顶应力水平。这些因素往往 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 是相互关联的，它们相互耦合共同作用，由此使得桩的侧阻发挥变得复杂。随着 桩土相对位移的增大，土的剪切变形也逐渐增大，剪应力增大，直至达到土的剪 切破坏状态。土层产生滑动破坏后的持续变形将使土体的结构发生破坏，而土体 结构的破坏导致土体抗剪强度降低，尤其是在高灵敏度、结构性较强的土体中桩 侧摩阻力软化更加明显。同时，大的桩土位移导致桩周附近剪切区的变形。研究 桩侧阻软化的机理必须从土的性质和桩土界面的形状开始。 2 2 2 土的性质对桩土侧阻软化的影响 n 1 不同桩土位移下桩土界面受力性状 研究桩侧摩阻力的发挥，就是研究土体剪应力在不同桩土位移下的发挥性 状。当桩沉降不大时，桩土相对位移较小，土的受力性状可以用固结排水剪来分 析；但当桩沉降较大时，桩土相对位移增大，桩土间出现滑移，土的受力性状可 以用固结不排水剪来分析。 a 、固结排水剪 当桩土相对位移小于土抗剪强度发挥的临界位移时，不论是砂土还是粘土， 其固结排水剪均表现为应变硬化型。 土的抗剪强度中的摩擦力是由作用在土颗粒上的法向应力决定的。根据有效 应力原理，作用在饱和土体上的总应力是由孔压和有效应力来承担的，而土的抗 剪强度是由有效应力决定的，但在许多实际情况，现场测量的和计算的是桩顶总 荷载和总应力。所以在分析桩土界面的强度时，就必须涉及到总应力强度和有效 应力强度，或者说土的排水和不排水强度。但桩土界面未滑移，亦即沉降量小时， 静载荷试验也发现桩土界面在慢慢排水。由于土是碎散颗粒集合体，土颗粒之间 的相互联系是薄弱的，所以土体强度主要是颗粒间的相互作用力决定的，土的破 坏主要是剪切破坏。土的抗剪强度包括颗粒间的粘结力和摩擦力，而且一般粘性 土的粘聚力大，而摩擦力相对较小，而砂土摩擦力大，粘聚力小。对于排水条件 下的松砂和粘土，试样在桩土界面未滑移表现为应变硬化，亦即随着应变的增加， 其应力不断增大，也就说应力空间的屈服面不断增大。所以在桩静载荷试验q s 曲线的初始阶段往往表现为随着桩顶沉降的增加，其桩顶荷载亦增大。 b 、固结不排水剪 静载荷试验时，当桩顶沉降很大且沉降速率很快时，桩土界面来不及排水， 即产生固结不排水剪。在不排水条件下，砂土和超固结粘土的盯一占曲线是应变 软化型。它表现在当应变达到一定限度( o 5 ) ，应力达到一个峰值点( 即我们 的瓯值) 。然后应变增加而应力减小，一般存在一个残余强度。此时土试样在应 力空间的屈服面是随着应变而逐渐收缩的。当桩土滑移时，静摩擦力变成动摩擦， 而侧阻亦由峰值强度变为残余强度。由于桩土界面自上而下滑移的状态不一样。 所以侧阻的发挥值亦随着桩顶荷载与桩沉降速率而改变。 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 c 、c ，口的异步发挥对桩侧阻发挥的影响 根据m o h 卜c o u l o m b 定律( 以下采用有效应力原理分析) ，如果不考虑径向 有效应力盯：的变化，桩侧土的抗剪强度f 由有效内聚力c 和有效内摩擦角p 。决 定。根据j a n b u 的试验指出，土的这两个分量随着土应变的增大存在着异步发挥 现象。 从图2 1 中我们可以看出：在较小的应变值下，有效内摩擦角伊。即发挥到极 值，随着应变的增大，发生缓慢的回落，而有效内聚力c 则一直呈现增长的趋势。 两者的异步发挥和发展趋势的不同，则使土的抗剪强度f 存在一个极大值，反映 到桩侧摩阻力也必然存在一个最大值。在达到这个极大值后，随着应变的进一步 增大，抗剪强度将逐渐降低，见图2 1 。 垂 勺 r 磔 舞 接 祀 图2 1c ，p 。的异步发挥对桩侧阻发挥的影响 d 、剪胀性对桩侧阻发挥的影响 是散粒体，它的一个非常重要的性质是剪胀性和压硬性。土的剪胀性指土 体在剪切过程中不但会产生剪切变形，而且会产生塑性体积变形。对正常囿结粘 土、松砂和中密砂表现为剪切引起体积收缩( 剪缩) ，对密实砂土和超固结粘土 表现为剪切引起体积膨胀( 剪胀) 。工程中常把剪缩和剪胀统一称为剪胀性，剪 缩是负的剪胀。 桩周土性状显著地受由荷载引起的桩的位移的控制。假设桩周土在发生滑移 前是弹性的，由运动连续性条件，要求桩周邻近的土必然与桩有相同的轴向应变， 二者接触面处的径向位移为零( 假定忽略桩在荷载作用下径向的扩展) 。由于土 在剪切过程中常表现出剪胀性，产生一定的变形，因此在桩周附近的土必然发生 复杂的应力变化，以满足边界的约束条件。在加荷过程中，土的径向应力将会发 生增加或者降低，主要取决于土的应力应变和压缩特性。但对一般软粘土，尤其 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 是对具有一定胶结性质的粘土，在三轴试验中常呈现剪缩性状。本节分析剪缩对 土的剪应力进而对桩侧摩阻力的影响。 试验研究指出，对受压桩，桩周土应力路径与三轴压缩试验类似。在桩顶受到荷 载作用下，在桩周一定范围内( 而不仅仅是紧贴桩身处) 土体发生剪缩。虽然这 部分土体在荷载作用下有体积缩小的趋势，可是实际上这部分土体又没有足够空 间允许发生体积的真正缩小( 不考虑地面的沉陷) 。那么，实际上引起了这范围 内的土体的平均主应力，尤其是径向应力减小，用应力减小而回弹的体积去“消 化”剪切引起的缩小。 实测中在桩基周围常呈现一个沉降盆，土体会发生下陷。更详细的计算还有 待理论上的进一步研究和对试验结果的更精确的观察。 e 、土单元主应力方向旋转对侧阻的影响 试验指出，在单剪试验中，剪应力的增加能引起土单元中纯主应力方向的旋 转。在旋转角变化不大时，体变值f 。随旋转角y 线性变化，即占。= ( 不考虑 旋转角的方向) ，口为试验参数。 在加载前，一般认为桩周土单元的大主应力为垂向应力。在桩承受荷载后， 由于剪应力的作用，土单元中的大主应力方向将会发生旋转。此时由土单元主应 力方向旋转引起体变( 体积变小) ，从而引起桩周土体中的应力场发生变化。 考虑主应力方向旋转后，计算的结果是使侧阻值减小。 主 应 力 方 向 图2 2 土单元应力旋转 f 、损伤软化对侧阻的影响 当颗粒之间存在胶结时，相互滑动之前必须先发生胶结链的破坏。损伤软 化就是这种粒间胶结破坏过程的反映。胶结破坏以后不能再恢复，且破坏应变 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 较小。摩擦强度的发挥一般需要较大的应变，因此，当产生较大的桩土相对位 移时，必然产生胶结的破坏。另外，胶结破坏不但可以由剪应力引起，也可以 由围压增加引起。围压低的试样开始时未受损伤，剪切过程中的软化现象较为 明显。 2 2 3 桩土界面性状对侧阻软化的影响 桩土界面性状不仅对各种类型的灌注桩承载力有着直接影响，而且对预制桩 以及其它一些类型的桩也存在着不同程度的影响。桩土界面的性状主要包括两方 面：界面粗糙度和界面之间的摩擦关系，这两者也是相互关联的。 ( 1 ) 、桩土界面粗糙度。 试验表明，桩土接触面粗糙度越高，剪切应力的峰值强度和残余强度越高。 接触面剪应力峰值所对应的切向位移夜随着接触面粗糙度的增大而增大。在目前 计算桩侧摩阻力的各种方法中，一般都没有考虑桩一土界面的特征。 室内直剪试验发现，土与接触面的相对粗糙度存在一个临界值r 。相对粗 糙度月 r 。时，为光滑接触面，沿接触面产生剪切破坏时，接触面附近土体切 向变形、剪胀量很小，破坏形式呈理想弹塑性，当月r 。时，为粗糙接触面， 破坏时，接触面附近产生应变局部化，形成剪切带，剪切带内颗粒位移较大，并 伴有应变软化和剪胀等特征。粗糙接触面剪切破坏时，形成剪切带并不断发展， 剪切带厚度约为砂土颗粒平均粒径d ，。的5 倍，剪切带内土颗粒的性状与周围土 体差异较大，通过土颗粒的平移和转动来传递剪应力，土颗粒的位移同时引起剪 切带内土体的剪胀。在发生相同桩土位移时，粗糙接触面的侧阻力远大于光滑接 触面的侧阻力。 ( 2 ) 、桩土界面之间的摩擦关系。 桩土界面的摩擦力严格意义讲是结构之间的滑动摩擦，因为只有位移才会产 生应力。通常我们在桩基试验的静摩擦力也是桩土界面之间若干动摩擦力的组合 体。而固体表面间的滑动摩擦是沿着固体表面滑动产生的真正意义上的摩擦，也 就是土强度发挥的主要部分，其表面摩擦力f 可以表示为： f = 盯：= 印以t a l l 占= 穆k ，盯：t a n d ( 2 1 ) 式中：f 一桩土接触面摩擦力；桩土摩擦系数；万一滑动摩擦角；，7 一桩土 - l o - 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 界面粗糙度系数；盯：一水平向有效应力；仃：一垂直向有效应力；k ，一土侧压力 系数。 由于桩土界面存在一定粗糙度和泥皮，所以桩与土接触面是凹凸不平的，滑 动摩擦也存在着不规则的表面咬合和自锁作用。这样桩土界面实际接触面积可由 下式计算： 爿。= 垒 ( 2 2 ) o y 式中：盯。一桩土界面材料的屈服强度。 亦即：f = 盯i = ，d 。疗，= 4 。f 。，则 “：丘 盯y 式中：f 。一屈服区接触面积一。上抗剪强度。 可见滑动所需的切向力取决于桩土界面接触面的面积及接触处的抗剪强度， 又由于桩土界面有泥皮存在，所以r = 卅。f 。 一般认为t a i l 占是桩土间的摩擦系数，占与土的结构性质和桩土接触面的粗糙 度有关。如果桩土之间存在泥皮，或者是长时间浸水软化，都将引起土的剪切刚 度的降低，使j 值降低，在振动荷载作用下，由于土体结构发生了重排，占值也 会产生一定程度的降低，从而使桩侧摩阻力也随之减小。同时，桩土界面越粗糙， 接触面积越大，滑动所需的切向力越大；而桩土界面越光滑或有泥皮，滑动所需 的切向力也小，桩土界面的摩擦力也小。 2 2 4 水平向有效应力对侧阻软化的影响 如前所述，土作为散粒体，剪胀性和压硬性是其两个非常重要的性质。水平 向有效应力的降低引起土体软化便是由压硬性所决定。 钻孔桩成孔后，存在应力松弛问题，导致了水平向有效应力的降低。如果孔 壁在空气中暴露时间过长，也将产生水平向有效应力的降低。 一般情况下，钻孔成桩对孔隙水压力影响较小，产生超孔隙水压力较小。其 承载力的时间效应要比静压桩小，更比振动入桩和锤击入桩小。但在加荷过程中， 随着桩土位移的增大，桩侧土受剪变形，必然会产生超孔隙水压力，如果加荷速 度过快，使得产生的超孔隙水压力来不及消散，则将大大降低水平向有效应力， 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力蟛响的探讨 从而减弱土的抗剪强度，降低土的侧摩阻力。尤其对渗透系数较小的软粘土，这 种效应更加明显。当孔隙水压力增大时，使得有效应力降低，引起对土体剪切变 形的影响。试验指出，当剪切过程中围压降低时，剪切曲线会出现峰值和随后的 应变软化，如图2 3 所示。 os ea 图2 - 3 减压软化曲线图 该图也宏观的反映了前面剪缩导致径向应力降低，从而降低土的抗剪强度、 桩侧摩阻力的分析结果。 因此快速加载法检测桩基承载力测试结果要比慢速维持加载法确定的承载 力小，这也被众多的工程实际测试结果所证明。从更能真实模拟桩的实际受荷历 程来看( 因为在建设过程及其以后的使用中，桩总是慢速加载) ，建议应用慢速 维持荷载加载法确定桩基极限承载力。 2 2 5 外部荷载作用对侧阻软化的影响 土在动荷载作用下的变形常包括弹性变形和塑性变形两部分。动荷载较小 时，主要为弹性变形，随着动荷载的增大，塑性变形开始产生并扩展。当土在小 应变幅情况下工作时，如机器基础的振动，土将显示出近似弹性的特征，这种小 幅度的应力应变特性，控制了波在土中的传播。对于强震、大爆破和压密施工等， 动荷载将引起土结构的破坏，并从而引起土的残余变形和强度损失，土的力学特 性也明显不同于小应变幅的情况。在地震或者交通等振动荷载作用下，软粘土会 产生一定的残余孔隙水压力，使有效应力降低。对软粘土，还存在灵敏度问题； 对于易液化的砂类土，在这种振动荷载作用下，还将产生液化，大大降低土的有 效应力强度。从前面的分析可以看出，有效应力的降低，将导致桩侧摩阻力的降 低，即出现侧阻软化。且长期的振动荷载作用还将引起土体的振动蠕变。研究表 明，循环荷载作用还将导致软粘土不排水剪强度的降低，而桩周土不排水强度直 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 接影响桩侧摩阻力的软化。 前述温州某大厦出现的的桩基承载力下降，上部结构产生较大沉降，其中一 个重要的原因可能受地震荷载作用和旁边交通循环荷载作用的影响。国内外有关 试验研究也发现，在循环动力荷载作用下，桩的竖向承载力和刚度将产生退化， 降低幅度甚至有可能超过7 5 。 2 2 6 循环荷载作用下土的动力性质 国内外学者做了许多的研究，尤其是对于标准砂，其液化理论已趋于成熟。 粉土、饱和软粘土的研究亦取得了许多的成果。 早在上个世纪六十年代初，l a r e w 和l e o n a r d s ( 1 9 6 2 ) p 1 】在研究反复荷载作 用下的强度准则是，提出了“临界反复应力水平”的概念。其含义是：在反复荷 载作用下不致使土样破坏的最大应力水平，并以此作为分析地基土强度的依据。 s a i l g r e y ( 1 9 7 7 ) 利用这一概念来研究土的特性，证明临界应力水平是一个十分 有用的强度准则。 m 砒s u i 等人( 1 9 8 0 ) 对正常固结土和超固结土进行应力控制的循环三轴试验 时也发现了这一门槛循环应力比，当时将之称为“循环剪应力较低的边界值”。 为了检验门槛应变值的存在及其范围，并分析时间、振动次数等因素对门槛应变 值的影响，周健等【3 2 】通过共振柱试验对轴向应变值和剪切应变值分别做了不同振 动时间的试验。 当循环应力大于门槛应力值时，对于干的土体，循环荷载将导致土体压缩。 如果土体是饱和的，那么循环荷载将引起超静孔压的生成，孔压使有效应力降低， 当有效应力为零时认为土体发生液化。 黄博【3 3 】在研究杭州粉土和粉砂的动力特性是，采用应变控制试验，给出了临 界剪应变的计算公式( 其依据s e e d 提出的估算地震剪应力的公式) 。对于一般土 样来说，当轴向应变时为弹性变形，时为弹塑性变形；当时属完全塑性变形。 其分别研究了杭州粉土及粉砂在轴向循环应交幅为、o 3 和4 来分别模拟弹 性、弹塑性及完全塑性下的土的动应力、孔压发展规律。在发现循环应变作用下 的土的动应力时发现：在弹性应变情况下，动应力的振动幅值是一个常数，并不 随振动次数的增加而增加；当应变幅值增大时，循环应变引起的动应力逐渐降低： 中等振幅下，动应力下降速率较为缓慢，每次循环后，动应力幅值的降低基本是 一常量；而在大应变幅值的振动下，动应力的变化是很迅猛的，在初始几次的振 动中就急剧下降，动应力的振动幅值迅速减小，在7 、8 次循环后，就已基本趋 于稳定。循环应变作用下的孔压发展有如下规律：在弹性应变幅下，孔压的产生 是可以恢复的，因此没有累积孔压的产生；在中等强度的循环应变下，孔压的反 应与输入的应变相似，振动波形接近于正弦波，应变和孔压的幅值互相对应；循 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷载对摩擦桩承载力影响的探讨 环过程中，孑l 压的振幅变化不大，但随着加荷周数的增加，累积孔压逐渐增加， 但增加的速率并不快；而在大应变幅的强迫振动下，由于塑性变形引起的累积孔 压随加荷周数的增加而迅速增加，并且在加荷数较下的情况下就达到破坏值。 2 2 7 粘土软化模型的引出 h a r d i n 、d m e v i c h 【3 4 1 等人由试验得出了土在周期荷载作用下的应力应变骨干 曲线为双曲线型( 又被称为等效线性模型) ，其表达式可写为： 乃。乏 协3 ) i 式中，g m 。为起始剪切模量；0 为最大动剪应力。若将g ；。坡度线与0 水平线的 交点的横坐标定义为参考应变一，则以= q g 咄，可得： q = 而 ( 2 4 ) 可见，只要根据试验曲线确定了吒和0 ，即可求取相应于任意动剪应变乃的 动剪切模量q 。g m 。和r ，可由动单剪试验求得，通常，也可直接由动三轴试验 的一白关系曲线求出模量瓦。和参考应变= q ，瓦。，然后求出日，再由式 ( 3 ) 换算威q 动三轴试验的结果也符合上述关系，即： 儿= 白( 1 + ) ，q = 目 2 ( 1 + ) ( 2 - 5 ) 2 盘 协6 ， jo 。 易2 鬲 ( 2 - 7 ) 关于g o 值的确定，h 粼l i i l 和b l a c k ( 1 9 6 9 ) 的研究指出，土的剪切模量受一系列 因素的影响。这种影响可一般表示为： g 。= 厂( ，e ，日，c ，只f 0 ，s ，r ) ( 2 8 ) 式中：吒，为平均有效主应力：，为频率：e 为孔隙比；c 为颗粒特征；，为剪应 塑垩查兰堡主堂焦兰苎 垫堕銮望塑整翌壁堡竖塾垄堡堕竖堂! 生 变幅；口为土的结构；r 为次固结时间效应；气为八面体剪应力；日为受荷历史； s 为饱和度；r 为温度。 对于粘性土，主要的影响因素除吒和p 外，还应考虑超固结比0 c r 的影 响，此时： 瓯。城z d 兰篝( 。州( 纠2 沼， 其中：k 值可以从表1 按塑性指数i p 内插求得，g m 。及均以k p a 计。表2 1 塑性指数i p o2 04 06 0 8 0 1 0 0 k0o 1 8o _ 3 0 0 4 1o 4 8 o 5 0 关于另一个参数l 通常可以近似地根据m o 肌c o u l o m b 破坏理论求得 q = 掣啪 c t c 叫2 一降吒 2 ) l ” 沼 式中：为静止侧压力系数，k = l _ s i n 妒，吒为垂直有效覆盖压力；c 、伊 分别为有效粘聚力和有效摩擦角。 陈国兴等口5 1 人对现有的土动应力一动应变关系的试验成果进行了分析和总 结，推荐了用不同物理指标估算g m 。的经验公式和用塑性指数，描述g g 。芦 和a ，关系的经验曲线，并提出了用，。为参数的g m 。、g g n ，。，和 y 曲线 的经验公式： g j 。= q + e 坤( 一吗) 只( c r oy ) “2 ( 2 1 1 ) 式中，q 、q 和呜为与吼( 有效平均主应力，根据土的容重和地下水位确定) 有关的参数，如表2 2 所示： 表2 2 有关参数 q吼吩 c r o ( 1 c p a ) 1 4 05 4 0o 0 5 5 9 8 1 8 05 0 00 0 5 09 8 1 9 6 1 3 56 2 5o 0 3 81 9 6 0 9 2 浙江大学硕士学位论文 城市交通荷绒对摩擦桩承载力影响的探讨 对g g j 。，蓝线，根据h 砸血、d m e v i c