（岩土工程专业论文）复合桩基非线性工作机理模型试验研究与分析.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 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 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壅燃日期：翌圭圭至 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京丁业大学研究生 部办理。、 研究生签名：邋导师签名 h 期：宴至：! ! 墨 摘要 摘要 复合桩基非线性设计理论的目的就是为了充分发挥桩与桩间土的直接承载 能力，由于考虑了桩和地基土的共同作用，这使工程用桩量大大减少，可取得极 大的经济效益。为了对复合桩基非线性共同作用机理进行更深入的研究，本文在 前人研究的基础上设计了单桩系列模型试验和群桩系列模型试验，并针对试验成 果进行了相应的数值模拟分析，获得了一些具有实际意义的研究成果： ( 1 ) 群桩受荷时，桩问土体会发生绕桩流动，桩的遮拦作用使承台底土体 受到极限滑动阻力，从而使土体极限承载力有一个增加值如，事实证明了承载 力提高解的合理性。 ( 2 ) 在大桩距群桩的情况下，桩较早地发挥到极限状态，随后承台下土体 才充分参加工作，承担后续加荷的主要部分，进入以土体承载为t 要表现的极限 状态，同时在大桩距的情况卜桩土的荷载分担是明确的，群桩中各单桩的极限桩 侧摩阻力和极限桩端阻力等主要受力特性都趋近于独立单桩，试验测试和数值模 拟结果证实了塑性支撑桩的概念。 ( 3 ) 在大桩距时，群桩中基本受荷单元的桩、土荷载分担特性与带承台单 桩的情况较接近，这说明用带承台单桩模拟大桩距群桩基本受荷单元是合理的， 但群桩中带承台单桩单元之间会产生削弱作用，说明群桩效应还或多或少的存在 着，所以在实际工程中用带承台单桩模拟大桩距群桩中的基本受荷单元时，需进 行适当的折减。 从研究结果可以看出复合桩基非线性设计理论和塑性支撑桩概念的合理性， 这为土与基础和上部结构共同作用的优化设计提供了有力依据。 关键词桩士共同作川应力场位移场复合桩基塑性支撑桩 半模试验 i l 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g np u r p o s eo fc o m p o s i t e p i l ef o u n d a t i o nt h e o r yi st om a k e t h em o s to f t h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fs o i l o nt h ea c c o u n to fp i l ea n ds o i li n t e r a c t i o nt h ea m o u n t o fp i l em a yd e c r e a s el a r g e l y , a n dt h i sw i l lr e s u l t si ng r e a te c o n o m i cb e n e f i t i nt h i s p a p e r , s e r i e sm o d e lt e s t so fs i n g l ep i l ea n dg r o u pp i l ef o u n d a t i o na r ed e s i g n e d ，a n d o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so ft e s t st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw o r ka r ep r o c e s s e d t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ej u s ta sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h eg r o u pp i l ef o u n d a t i o ni sw o r k i n gt ot h ec r i t i c a ls t a t e ，t h es o i l b e t w e e nt h ep i l e sw i l ls l i d ea r o u n dt h ep i l e ，a n dt h ec o u n t e r a c t i o no ft h ep i l ew i l l h e i i g h t e nt h el i m i tb e a r i n gc a p a b i l i t yo fs o i l t h e 瓢i sa c q u i r e d a l lt h e s ep r o v et h e r e a s o n a b i l i t yo ft h eh e i g h t e n e db e a r i n gc a p a b i l i t ya n s w e r ( 2 ) i nt h ec o n d i t i o no fl a r g ep i l es p a c e ，t h ep i l eb e a r i n gc a p a b i l i t yr e a c h e sl i m i t e a r l y t h e n ，t h es o i lu n d e rc a pt a k e sp a r t i nw o r k i n ga d e q u a t e l ya n db e a r st h e f o l l o w i n gl o a d ，a n dt h ew h o l eg r o u pp i l ef o u n d a t i o ni n d i c a t e sal i m i ts t a t eo fs o i l b e a r i n g i nt h em e a nt i m es o i la n dp i l eb e a t i n gc a p a b i l i t yi sd e f i n i t e t h er e s u l t so f t e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v et h ec o n c e p to f p l a s t i cb e a n n gp i l e ( 3 ) i nt h ec o n d i t i o no fl a r g ep i l es p a c e ，p i l ea n ds o i lb e a d n gc h a r a c t e r i s t i co f t h e r a d i c a lb e a r i n ge l e m e n ti ss i m i l a rt ot h es i n g l ep i l ew i t hc a p t h i si l l u m i n a t e st h a t u s i n gt h es i n g l ep i l ew i t hc a pt os i m u l a t et h er a d i c a lb e a r i n ge l e m e n ti sr e a s o n a b l e b u ti nt h eg r o u pp i l ef o u n d a t i o n ，t h es i n g l ep i l ew i t hc a pw i l lw e a k e nt h eb e a t i n g c a p a b i l i t yw i t he a c ho t h e r t h i sm e a n st h a tg r o u pp i l ee f f e c ti se x i s t e n t s o ，i n p r a c t i c et h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fs i n g l ep i l ew i t hc a ps h o u l db ed i s c o u n t e d i ti sc l e a r l yc o n c l u d e dt h a tt h et h e o r yo fc o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o na n dp l a s t i c b e a r i n gc o n c e p ta r er e a s o n a b l e ，w h i c hp r o v i d eap o w e r f u lb a s ef o rt h eo p t i m i z i n g d e s i g n k e y w o r d sp i l e s o i li n t e r a c t i o n ；s t r e s sf i e l d ；d i s p l a c e m e n tf i e l d ；c o m p o s i t ep i l e f o u n d a t i o n ；p l a s t i cb e a r i n gp i l e ；s e m im o d e lt e s t 1 1 1 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 地基基础共同作用研究 近2 0 年来，大城市高层建筑如雨后春笋，方兴未艾。随着建筑规模的不断 扩大，高层建筑基础工程的设计和应用也得到迅速发展，相关的基础理论分析、 试验研究、现场测试等方面也取得长足发展。高层建筑基础工程的设计已进入考 虑地基与基础共同作用阶段【1 】o 而对于地基一基础体系的计算模型一般都是建立在对基础结构和地基土的 若干简化假没基础卜的。过去的设计中都是假定结构和地基都是线弹性的。然而 由此进行的共同作用分析的结果与实测情况有相当大的出入，重要原因之一就是 在共同作用分析过程中没有考虑两者的非线性性状( 2 1 。 目前对于线弹性地基( 包括层状地基和有限压缩层地基) 上采用筏基、箱形 基础的框架结构、剪力墙结构等多种结构形式的高层建筑与地基基础的共同作用 分析已经实现；非线性地基条件下的共同作用分析己取得重要进展；非线性桩基 条件下的共同作用分析也取得有意义的结果，包括对水平荷裁的考虑【3 】。 1 2 桩一土一承台( 筏板) 共同作用理论研究 由于桩筏、桩箱基础在控制建筑物沉降和承载力方面具有较高的呵靠性从而 受到了越来越多的重视，这就使得桩基设计理论有了长足的进步和发展【4 _ 8 】。在 一般的基础工程中，桩丰要承受垂直的轴向荷载，竖氲荷载桩基础的功能是将作 用于承台的竖向荷载传递到深部土层，以满足上部结构物对基础的承载力和变形 的要求。传统的桩基设计理沧不考虑桩间土的承载性能，将上部结构所传来的荷 载完全由桩来承担，这样的没计固然是安全的，但是必然造成了一定的资源浪费。 我困是一个发展中国家，建设资金匮乏，如何在保证工程质量的前提下，节省工 程投资显得十分重要。在高层建筑中，桩基的造价约i 吁整个 ：程总造价的2 0 。3 0 ，可见常规桩基设计理论的改进是大有潜力【l 丁挖的。近些年来，考虑桩一 土一承台( 筏板) 共同作用的桩基设计理论的发展和应用，正试图解决这问题 眦j 。 桩一上一承台( 筏板) 共同作用的研究是一门新兴的应用学科，它是随着高 层建筑大量兴起及计算机技术迅速发展而产生的新学科。目前这1 研究e 越来越 第一章绪论 受到工程界的重视。 随着有限元和计算机的发展，o c z e i n k e i w i c z 和y kc h e u n g 9 应用有限 元研究了地基基础的共同作用，1 9 7 7 年，在印度召开第一次“土与结构共同作 用”国际性会议以后共同作用课题越来越引人注目，几乎涉及到所有工程问题。 会上英国b u r l a n d 教授等学者【1 0 】根据桩一土相瓦作用理论的研究指出，对于天然 地基的强度能满足设计衙载要求但沉降却过火的情况，i | _ r 以采用少量的桩用于减 少基础沉降变形。h gp o u l o s ( 1 1 】利用r d m i n d l i n 1 2 】公式提出桩与地基共同 作用的弹性理论法，推动了桩、土与上部结构、基础共同作用的深入研究，他在 第十界国际土力学及基础工程会议上作了士和结构物共同作用的总报告1 1 3 l ，详述 了土与结构物共同作用的发展和前景。1 9 8 0 年h gp o u l o u s 教授【1 4 】根据筏一桩 一士相瓦作用的分析提出了仅用于减少沉降桩基础的沉降计算公式。8 0 年代初 在瑞典进行了大量有关减少沉降桩基础的理论和现场试验的系列研究，并山 j & w 设计顾问所提出了c r e e p p i l e ( 屈服桩、或称蠕变形桩) 的设计概念和方法， 在瑞典得到了应用。p r i n c e g 等人【1 5 1 1 9 8 6 年利用共同作用原理对1 1 层高层建筑 桩筏基鲥“作了设计尝试。 在国内，1 9 7 9 年童翊湘【“1 基于群桩一作机理的分析，考虑桩一十共同作用， 提出了分不同情况按沉降设讣桩基的初步想法。认为如果允许建筑物有较大的沉 降量，那么町以考虑让基底土承担部分荷载( 约2 0 3 0 k p a ) 。桩可按极限承载 力设计，采用该方法设计可以节省约2 0 的桩。 1 9 8 1 年在上海同济大学召开“高层建筑与地基基础共同作用学术交流会”， 反映了我国当时在浚课题的研究水平，不同的课题组相继对高层建筑与地基基础 共同作用作了理论和实践的研究：卜海同济大学张问清课题组【l7 】提m 扩大子结构 法计算高层结构的刚度；北京张圈霞课题组【1 8 】对基础的非线性差异沉降进行了分 析，建研院何颐华课题组【1 9 】提出了高层建筑箱形基础基底反力的确定方法，北京 工业大学叶于政课题组i 圳对高层建筑箱形基础与地基和上部结构共同作用机理 进行了初步探讨，并提出了采用弹性杆的简化计算法。 1 9 8 5 年董建国、路佳等对共同作用原理在高层建筑地基基础中的应用做出 了首次尝试f 2 ”，随着建筑物越造越高，高层建筑与地基基础( 桩、筏、箱) 的共 同作用研究也得到深入开展。赵锡宏等著的上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计 硕士学位论文 理论【2 2 1 反映了8 0 年代后期该课题的理论和实践成果，书中就高层建筑上部结 构与桩筏( 箱) 基础的共同作用问题开展了系统的研究工作，弗结合实测资料分 析，得到一些有指导意义的结果。1 9 9 3 年宰金珉1 2 】等编著的高层建筑基础分析 与设计详述了土与结构物共同作用的理论与应用，书中以土与结构物共同作用 的理论和予结构有限元为基础，结合大量工程实例，系统地阐述高层建筑上部结 构与基础( 浅基础与桩基础) 和地基土共同作用的分析方法与设计理论，与实测 和试验研究结果作了比较分析。蒙建国等1 2 3 l 对共同作用在设计上的应用提出建 议，认为柱、桩相对安排可大大减薄筏板的厚度；杨敏对上部结构与桩筏基础 共同作用作了深入的理沦和试验研究，在试验证明理论合理的基础上着重计算讨 论了片筏基础和桩筏基础的刚度对框筒结构内力、基础内力和基底( 桩顶) 反力 分布的影响，并从共同作用的角度探讨了筏板厚度的设计问题；黄绍铭、裴捷等 i 2 5 - 2 8 】进行了减少沉降桩的研究并将其应用在了多层建筑中，此外还进行了疏桩工 程的设计，这些都是上部结构与桩一土共同作用理论在基础最计上的应用。1 9 9 4 年编制的建筑桩基技术规范i 2 9 t z 在多处强调要考虑承台、桩群、土之m 的共 同作用。 共同作用分析难度大，通过理论和实践结果的分析，已得到了些定性的结 论，可用j 二工程实践。 1 3 桩一土一承台( 筏板) 非线性共f 司作用理论 1 3 1 桩一土一承台( 筏板) 非线性共同作用研究现状 桩一土一承台( 筏板) 的共同作用分析长期限于弹性分析，并取得了许多 研究成果。从d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 7 2 ) 的简单分析法和差分法【3 l l 到b r o w n 和 w e i s u e r ( 1 9 7 6 ) 提出的边界元法【3 2 1 。o t t a v i a n i ( 1 9 7 5 ) 3 3 1 首先提出三维有限元 分析法，h a i 和l e e ( 1 9 7 8 ) 则采用有限元法分析了群桩对减少沉降的作用和筏 基的尺寸效应【3 4 1 。z h u a n g 等( 1 9 9 1 ) 和l e e ( 1 9 9 3 ) 用线性i 维分析导出了沉 降与荷载在桩筏内部分布的参数解答p ”。t a 和s m a l l ( 1 9 9 6 ) 则用有限元进一步 分析了层状土的影响1 3 6 】。但研究成果直接用于建筑i ：程实践的最大困难在于地基 模型简单地取为线性模型，使得基底反力分布与实测相差甚远。研究表明，对于 上部结构与基础刚度很大的情况，共同作用分析关键是引入地基土的非线性模 犁。 第一章绪论 随着研究的深入，文献【3 4 】已开始用“超限剔除法”( c u t - - o f fl i m i t ) 来考 虑桩顶荷载达到极限荷载时的性状。文献f 3 7 ，3 8 1 提出反映桩一士一承台共同作用 机理又易于工程应用的计算模式。王成华和陈环( 1 9 9 0 ) 较系统地分析了桩土共 同作用的二维有限元弹塑性分析。b u r l a n d 和b r o m s ( 1 9 7 7 ) 首先建立了桩筏分 析体系三维非线性有限元棱柱元综合计算模型1 3 9 ，w a n gk r 和j i n gy = ( 1 9 9 3 ) 【蚰】则在桩一土、承台一土接触面上采用引入m o h r - - c o u l o m b 准则的连接单元， 而其他士则采用d r u c k e r - - p r a g e r 理想弹塑性模型，进行了i 维有限元分析。在 有限元法中，对接触面采用了g o o d m a n 零厚度单元、d e s a i 薄单元、k a t o n a 摩擦 接触单元和殷宗泽提出的基本变形和破坏变形叠加的薄层接触单7 i 【4 ”。而全三维 的非线性有限元分析花费大量的c p u 时间，迫使人们对桩和近域土采用有限元， 对远区域则采用无限元【4 2 】或边界元【4 3 】。 纯数值法中，大量的数据和计算耗尽了宝贵的存储空间和过量的时间，从 而使得其方法的推广和使用受到了极大的限制。而解析与数值结合的方法使得人 机恰当分1 ：，达到了纯数值与纯解析方法所不能达到的效果。 c l a n c y 和r a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) 在文献1 提出的混合法基础上，用非线性荷 载传递弹簧米模拟桩土接触，筏土接触面用筏节点上的弹簧来模拟，桩、土、筏 则采用有限元方法f 蜘。计算结果显示了非线性分析中利用半解析半数值方法的良 好前景。 曹志远1 4 q 提出的桩筏地基半解析分区的耦合的方法。他将整个基础系统划 分为承台、桩土地基( 近区) 和远区两部分，针埘每个区域的几何、材料和载荷 的不同特性分别采用半解析有限元和半解析边界元进行模拟，然后通过交界面的 连续条件建立总体方程组统求解。赵锡宏等( 1 9 9 6 ) 用荷载传递法计算单桩沉 降能考虑上非线性滑移，并简化分析桩、士问相厄作用，再用薄板理论分析筏基 ”，是半解析半数值法的义种形式。费勤发则充分利用分层总和法，提出变形 总和法，进行了单桩和群桩的非线性分析【4 8 , 4 9 。3 c 献1 5 0 ，5 l 】将单桩的非线性桩顶 刚度与有限层元法相耦合，给出的简化分析群桩与承台非线性共同作用的半解析 半数值方法，显示出良好的戍用前景。 1 3 2 复合桩基理论j 应用 我国建筑桩摹技术规范( j g j 9 4 - - 9 4 ) 中对复合桩基的概念做出了详细 的解释：复合桩基由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基1 2 9 1 。也就是说采 4 硕上学位论文 用复合桩基的目的就是为了充分发挥桩间上的直接承载能力，由 ：考虑了桩和地 基土的共同作用，这使工程用桩量大大减少，可取得极大的经济效益p 2 1 。复合桩 基中，桩间距很大( 往往大于6 倍桩径) ，这种疏布桩基在受力机理和工：作状态 上已经不同于通常意义上的桩基( 简称为常规桩基) ，而是处于天然地基和纯桩 基之间的过渡状态【5 3 】。 从1 9 9 2 年至今，宰金珉教授针对摩擦桩和端承摩擦桩，对复合桩基理论与 应用进行了系统的研究。他以半解析半数值方法分析了桩土非线性共同作用口“。 在对比大尺寸模型试验和桩土非线性数值模拟分析的结果得出：对于大间距桩 基，各桩荷载先后接近和达到p “后，承台底土才充分参加工作，承担后续加荷 的主要部分，进入以土体承载为主要表现的正常使用极限状态 5 5 】；单桩的非线性 i ：作性状在群桩的非线性性态中占主导地位，以单桩只s 曲线的特钲来反映群桩 中各桩的非线性性态不仅可行而且偏于安全【5 6 ；并提出埘单桩取用极限承载力的 设计思想，形成桩土荷载分担明确的整体承载力与沉降量双重控制下的复合桩基 设汁方法【57 1 。通过对条形和圆形基础下的极限承载力的研究，结合滑动土体绕桩 时极限阻滑力的理论解答，导出了复合桩基承台底土的檄限承载力由于桩的遮拦 作片j 而获得提高值的理论解【“，完善了复合桩基承台下的体强度理论分析。并 对复合桩基的沉降计算进行了研究【5 ”，得出了能反映桩数、桩径、桩距、桩长等 重要参数影响的简明实用计算方法，为优化设计提供了条件。对特人桩距的复合 桩基提出塑性支承桩卸荷减沉桩的概念和应用原则【删，从而可通过调节基底 土反力来调整变形，使上部结构与基础都达到最优的工作状态。 复合桩基非线性设计理论的实质就是突破常规限制，令单桩工作丁二极限承 载力条件下，在总体承载力和沉降量双重控制下，确定经济的桩数；同时又合理 地布置这螳直径、长度、间距都不定千h 同的桩，特别是使用塑性支承桩的概念， 使局部和整体的差异沉降减少到接近于零，即进一步做出差异沉降的控制。这就 同时实现了土与基础和卜- 部结构共同作用的最优化。这即是高层建筑桩筏( 箱) 基础非线性设计的途径，也是非线性设计的目的【6 1 】。 1 4 模型与原型试验研究现状 现在对于桩一土一承台( 筏板) 的共同作用的研究，通常都是从理论和试 验这两个角度出发对其共同作用的机理展开分析。而理论研究和试验研究义是相 第一章绪论 辅相承的，互相都起着推动作用。试验研究是进行科学研究的一个重要的手段。 国内外学者为确定不同桩距低承台摩擦桩基础中各单桩的受力性状及其整 体极限承载性状做出了一系列的室内和现场模型试验及原型试验。 英国w h i t a k e r l 6 2 ( 1 9 6 0 ) 早在上世纪5 旷_ 6 0 年代就曾进行过多组粘土中不 同桩距、不同桩数的低承台摩擦桩基础极限承载力室内模型试验，并得出在桩距 2 5 d 3 5 d ( 常规桩基础的桩距范围) 以f 的条件卜- 低承台摩擦桩基础极限承载力 模型试验的结果与将群桩等代实体基础的极限承载力计算值总体上是比较吻合 的。c o o k e l 6 3 1 等进行的室内试验，初步说明了桩筏基础中桩的数量与沉降的关系。 刘金砺等i 叫在8 0 年代在济南洛n 进行了非密实砂土中的钻孔群桩的垂直荷 载试验，桩距2 d 一6 d ，实验结果发现群桩下部1 4 桩长范围内存在一桩、土变形 “活动区”，桩端阻力呈单独贯入破坏，群桩产牛“非整体破坏”。刘金砺认为无 论大、小桩距和高低承台，应考虑桩一士一承台的丰 j 互作用，按“非整体破坏” 模型进行计算。 王幼青等 6 5 1 在粉质砂土中进行了不同桩距、不同桩数的室内模型桩载荷试 验，从桩距、桩数这两个因素 _ h 发对桩一十承台的州 旺作用规律进行了研究。 试验结果表明在桩基中承台底地基土始终参与共同工作。承台承担荷载的比例随 桩距和承台的增大而增大，在极限状念下3 d 桩距时承台分担的荷载已经与桩分担 的荷载基本相当。另外桩基中单桩的极限承载力高于无承台单桩的极限承载力， 但相应的沉降也增大。桩基中单桩的极限承载力随着桩距的增大而增大，6 d 桩 距桩基中单桩承载力比3 d 桩距时得到了更大程度的发挥。 殷宗泽等惭1 进行了砂土中的室内模型桩试验，试验结果清楚的显示了桩身、 桩尖和承台的荷载分担规律。对于砂十中的打入桩，单桩的侧摩阻力受荷能力要 高于群桩中的基桩，而由于共同作用的结果使得桩身、桩尖和承台的荷载分担趋 向了二重分布。 张季如6 7 l 在圆形滑腔里进行了单桩模裂试验，以模拟大规模带桩筏基的性 状。文中提出了群桩地基破坏模式的理论判据，并推导山群桩地基极限承载力的 计算公式。实验结果表明桩一七一承台芪同作用使低承台群桩基础丧失以屈服为 标忐的破坏特征而呈现刺入破坏模式。 刘金砺等【6 8 】在9 0 年代初在天滓大港电厂进行了多组软粘土中不同桩距、不 6 硕上学位论文 同桩数低承台摩擦桩基础的大比例现场模型试验。试验结果表明低承台摩擦群桩 中各单桩包括桩侧阻力分布，桩侧阻力发挥以及桩端阻力的发挥等规律在内的主 要受力性状，与独立单桩相比有较明显的差别，但差别大小与桩距有密切关系。 一般规律是当桩距增大到6 d 时，桩侧阻力分布，极限阻力以及极限桩端阻力总 体上均趋近于独立单桩。 文献【6 8 ，6 9 】对模型试验的结果进行了分析，从中可以看到当桩距增大至6 d 后，群桩中各单桩包括侧阻力分布、极限桩侧摩阻力和极限桩端阻力在内的主要 受力特性，趋近于独立单桩；而群桩的整体极限承载力也趋近于其中各单桩的极 限承载力之和与承台f 地基士极限承载力的总和，这一规律说明了可以把桩顶设 承台的单桩近似视作大桩距低承台摩擦桩基础的基本受力单元，如果对桩顶设承 台的单桩进行静载荷试验，应该可以近似得到大桩距低承台摩擦桩基础的受力特 性。但张武 3 7 】通过现场人规模桩筏基础大尺寸模型试验指出，与带承台单桩相比， 带承台单桩荷载试验中土的荷载分担比例i 叮达4 0 6 0 ，而相同条件的群桩， 桩筏基础土的分担比仅1 6 以内。他认为用带承台单桩模拟复合桩基的载荷试 验所得到的上分担比例过火，将导致过高估计复合桩皋的承载力。 以上的试验大多是从某一方面对桩基受荷状况进行研究，缺少对桩土进入 非线性状态时的相互关系的分析，对桩、土荷载分担特点的研究较少，并且对于 桩距超过6 d 的特大桩距的试验基本没有，同时试验中极少对土体位移场和应力 场进行测试，从而缺乏对桩一土一承台相瓦作用的系统的、伞面的分析。对于复 合桩基的理论研究关键在于对桩一土非线性共同作用的机理进行分析，而在这方 面模型试验的研究进展地较为缓慢，所以深入地进行千h 关的复合桩基非线性共同 作用受倚机理的模型试验研究是很有必要的，而且是及其迫切的。 1 5 本文研究内容 ( 1 ) 单桩系列模璎试验。 通过进行单桩带承台和彳i 带承台的对比试验，以及将承台f 土体的受荷特 性与天然地基中上体的受荷状况做 r j 对比，总结带承台单桩的桩、上受街规律。 ( 2 ) 2 2 群桩系列模型试验，包括伞模和半模试验。 进行桩距为4 d 、6 d 和9 d 的群桩模型试验，从变桩间距的角度m 发，分析 这因素对桩一土一承台非线性其同作用的影响机理；通过位移场的测试埘群桩 7 第一章绪论 中桩问土体的侧向挤出趋势做出分析；通过土体应力场的测试，以及桩、土荷载 的分担状况分析复合桩基破坏模式，总结大桩距群桩的受荷规律；并将群桩试验 结果与单桩系列模型试验结果做出对比，评价用带承台单桩模拟复合桩基中的基 本受荷单元的可行性。 ( 半模试验：将模型对称地取一半，模拟在半无限空间中的试验，从而可 以观测土体对称面的变形状况) ( 3 ) 对2 2 群桩的受荷过程进行数值模拟，从而和模型试验结果做出对 比分析。 将数值模拟的结果和试验结果进行对比，深入剖析复合桩基非线性共同作 用机理，对复合桩基承台底土的极限承载力由于桩的遮拦作用而获得提高的结论 进行验证，并对上体极限承载力提高幅度与桩距关系的变化趋势做出简单总结。 硕士学位论文 第二章复合桩基非线性共同作用机理室内模型试验设计 对于桩基受荷机理的研究，一般包括理论研究和试验研究。理论研究由于 桩筏基础涉及的影响因素众多，对桩一土一承台共同作用的相关假设条件不完全 符合实际条件，具有其自身的不足，所以研究中经常会结合理论成果采用试验研 究的手段进行更深入的研究。而模型试验就是将原型缩小一个比例进行模拟试 验，由于足尺的现场试验代价较高，所以进行模型试验足经常采用的试验研究手 段。 对于模型试验来说又有室内模型试验和室外模型试验之分，室外模型试验 往往采取的是大比例尺寸试验，土层是现场原状土，刘金砺【鹋】和张武【6 9 】等进行 的试验就属于现场大比例尺试验，在原状土中进行现浇桩筏基础的试验使得试验 过程较符合桩基实际1 二作状念，但由卡有加载的限制，一般难以加载到承载力极 限状态，所以对桩、十非线性作用过程测试的项日显得不太全而，而日由于场地 的限制也不可能对土体应力场和位移场做出测试。 而室内模型试验通常采取的都是小比例尺寸试验，土样是重塑土。高玉杰【7 0 1 设计了进行柔性堆载下的复合地基模型箱试验，通过模犁试验系统地研究了柔性 加载条件下桩与地基土之间的纵向相互作用关系及一些因素的影响，提高了人们 对复合地基工作机理晌认识。石磊，殷宗泽【7 1 利用模型箱研究了砂土中群桩的受 力特性，模型桩采用有机玻璃，内壁贴有应变片，采用液压千斤顶旌加荷载。试 验结果相当清楚地反映了桩士的共同作用，对桩、土的荷载分担规律做出了很 有意义的总结。t a m o t s u l 7 2 j 利用室内模型槽试验测试了被动桩中七体运动对桩所 旋加的横向荷载、并对桩问土拱效应做 了深入研究，试验结论验证了作者提出 的理论公式的可行性。c a ox i a o d o n g 7 3 】利用室内模型槽试验对桩作为竖向加固体 时对筏基的减沉作用及差异沉降调节作用做出了研究。试验内容t 要考虑了变桩 长、变桩数、变筏板刚度、变布桩形式等因素的影响，试验结果表明当桩未与筏 板联结而是作为竖向加固体时，可有效降低筏基沉降和筏板的弯矩。从以上试验 成果可以看出根据不同试验目的设计的模型槽( 箱) 试验，对研究桩二e 共同作 用机理来 兑，在定性上反映一些规律上的问题还是非常有效的，可有力地推动共 同作用理论的发展。但以前的室内模型槽( 箱) 试验列桩、上受荷过程中的土体 麻力场和位移场耻录的较少，同时将桩 十一承台体系加载到系统整体达到承载 第二章复合桩基非线性共同作用机理室内模型试验设计 力极限状态的也极少，从而缺乏对桩一土非线性共同作用过程的系统的认识，所 以进行更深一步的模型试验研究还是很有必要的。 2 1 试验目的 本次模型试验拟达到下述目的： ( 1 ) 根据改变承台尺寸的单桩系列模型试验，总结带承台单桩受荷特性的 变化规律，分析其受荷时的工作机理。 ( 2 ) 对比桩距逐渐加大的情况下群桩的沉降变形特征。 ( 3 ) 设计群桩全模和半模试验方案，加载到整体破坏，获得基桩和土体的 受荷规律，对其荷载分担状况做出记录，测定出土体的位移场和应力场，从而对 复合桩基桩土的非线性共同作用机理做出分析。 ( 4 ) 从单桩系列试验成果出发，对大桩距群桩的非线性共同作用机理进行 规律性总结，并对其破坏模式做出相应的推断。 2 2 模型设计 对于桩基室内模型试验，试验组成部分涉及模型槽、桩基模型和模型槽填料 几部分。 ( 1 ) 模型槽制作 文献【7 1 】、【7 2 】、【7 3 】、【6 7 】和本文使用的模型槽( 箱) 尺寸、材料如表2 1 ： 表2 - - 1 模型槽( 箱) 设计参数 ! ! ! 堡：至! ! 业i 塑巴p 坚翌旦逛垡垡巴! 尘! 塑些! ! ! 坚 模餐争篆篆字宽( m ) 深( m ) 模型藉毒箱 试验目的 在分析以前模型槽( 箱) 设计目的的基础上，根据本次试验特点，对模型槽 做了如下设计： 模型槽结构尺寸：长2 m ，宽1 m ，深1 5 m ；由角钢支架和钢化玻璃板组装 而成，钢化玻璃表面刻有问距为l c m 的网格，见图2 1 。 1 0 硕士学位论文 ( 2 ) 桩基模型制作 模型桩和承台板分别选用有机玻璃棒和有机玻璃板。有机玻璃棒侧面双向开 槽，埋设应变片，应变片表面用硅胶保护，槽用环氧树脂填平，见图2 - 2 。为 了使桩侧壁达至0 一定的粗糙程度，在有机玻璃棒表面用环氧树脂胶粘一层很薄的 细砂。在承台板开l c m 深度圆孔洞，用环氧胶将两者连结，以模拟桩头与承台 的固定连结。 图2 1 模型槽 f i g 2 1t h ep i c t u r eo f t r e n c hm o d e l o f 体开槽示意图 十a l t r 3 i - a 2 t o i + 一a 3 ：j 一a 4 1 o a 5 2 0 + + b 1 + b 2 b 3 吕f i b 4 b 5j 图2 2 基桩模型 f i g 2 - 2 t h e m o d e lo f p i l e ( 3 ) 模型槽填料 颗分试验得到土的粒径级配曲线如图2 3 所示。从曲线可知该土为粘质粉 土，土的不均匀系数c u = 3 9 7 ，曲率系数c c = 2 0 1 。 1 。 美8 。 删 墨6 。 刊 墨一。 繁 2 。 。 引n 1 ：! u 。3 _ 9 7 【j_ c c = 2 , 0 1 l |y 江l _ 卜 、 l 丘 1 01d 1 o0 1 十的粒径l g d ( m m ) 幽2 3 土的粒径级配曲线 f i g ，2 3s o i lg r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o nc u i v e 土体的密实度和含水量将由每次试验测得。 第二章复合桩摹非线性共同作用机理室内模型试验设计 2 3 试验方案 试验分为两个系列，是单桩系列试验，二是群桩系列试验。 荸桩系列试验分组如表2 表2 2 ，模型尺寸如图2 4 。 2 单桩系列模型试验分组 1 曲l c 2 - 2c o n t e n to fs e r i e st e s t so fs i n g l ed 丑e 试验模型尺寸 试验项目 桩睦l桩径d承台板尺寸：板宽b 桩长u ( c m )( c m ) 长宽厚( c m )桩径d桩径d 、+ 。 单桩5 022 5 “单板88x2 4 带承台单桩5 0 2 8 8 2 42 5 试验单板1 2 1 2 26 b 带承台单桩 5 021 2 1 2 262 5 试验单板 1 8 1 8 29 c 带承台单桩5 0 21 8 1 8 292 5 ( a ) 单桩试验协) 单板试验( c ) 带承台堕桩试验 圈2 4 单桩系州试验模型详图 f i g 2 4m o d e lo fs e r i e st e s t so fs i n g l ep i l c 群桩系列试验为2 2 群桩试验，根据测试项目分为全模试验和半模试验 试验分组如表2 3 ，模型尺寸如图2 5 。 表2 3 群桩系列模型试验分组 ! ! ! ! ! ：j ! ! ! ! ! ! 堕! ! 生! ! 堡坐堕g ! ! 竖p ! ! 试验分组桩k l桩径d 桩距s 。 承台筏板桩长u 分纠号试验项目 ( c m ) ( c m )( c i l l )( 长宽厚c m ) 桩径d 囊篓三i 4 矧d1 蝌6 1 。6 x ：2 茎 鬓嚣5 0 26 d2 4 2 4 22 5 试验e ! 麓鬻5 0 筏板、f 模 试验 26 d2 4 】2 22 5 2 4 1 2 2 试验f ：凝嚣5 0 29 d3 6 1 8 22 5 一 堡主兰垡笙兰 ( a ) 垒模试验 半模试验 幽2 - - 5 群桩系列试验模型详斟 f i g 2 _ 5m o d e lo fg r o u pp i l et e s t s 2 4 加载系统与加载程序 试验采用杠杆系统施加荷载可以有效地模拟建筑物荷载施加过程，装置简图 如图2 - - 6 所示。通过物理杠杆作用分级加载，并由荷重传感器读取加载压力， 由于本次试验不考虑承台刚度影响，所以在荷重传感器与承台间加一钢板模拟刚 性承台均匀沉降。 试验采用慢速维持荷载法加载，每一次试验分六十级加载。 当达到下述情况之、一时，即可终j r 加载： ( 1 ) 在当前级荷载作用下的沉降量为：勰荷载下的沉降量的5 倍； ( 2 ) 在当前级荷载作用下的沉降量为上一级荷载下的沉降量的2 倍，且经 1 小时沉降尚未达到相对稳定； ( 3 ) 当当前级荷载下的沉降与时间s l o g t 曲线尾部出现明显向下弯曲。 l li l 八 口 m 刮喊点台 支座 1j1一 - f 衡吊篮 l l l 图2 6 模犁试验加载装置 f i g 2 6d a a d i n ge q u i p m e n to fm o d e le x p e r i m e n t 加载吊篮 第二章复合桩基非线性共同作用机理室内模型试验设计 2 5 试验测试 ( 1 ) 基础模型沉降测试 采用量程为3 c m 的百分表量测基础沉降，两只百分表对角布置，取其平均 值为基础沉降值。 加载3 0 分钟内按5 分钟、3 0 分钟测读一次沉降，以后每3 0 分钟测读一次， 直至达到加载标准。 ( 2 ) 基桩轴力测试 桩身应变的测定选用河北邢台金力传感器元件厂生产的电阻值为1 2 0 2 f 2 的2 m m 3 r a m 的胶基应变片，应变片灵敏系数为2 1 。 自桩顶部向下对称布设五组1 0 个电阻应变片，如图2 2 。 应变值由d h 3 8 1 8 型静态电阻应变仪量测，在每一级荷载下分别在加载初始 和结束读两次数据。 ( 3 ) 土体附加应力测试 土压力的测定采用江苏溧阳电子仪器厂生产的b w 一2 和b w 一4 两种微型 压力盒，规格尺寸为由1 6 r a m 6 r a m ，量程分别为2 0 0 k p a 和4 0 0 k p a 。试验过程中， 将土压力盒分别布置在承台板下方的土体中、桩间土体中以及桩端以下土层中等 部位，从而测定土体中的附加应力分布。 土压力通过y j 一2 6 型静态电阻应变仪测得应变量，经标定系数换算求得， 在每级荷载下分别在加载初始和结束读两次数据。 ( 4 ) 土体位移场测试 刘祖德、王铡等1 7 6 】利用显微镜位移跟踪法对土工模型试验中的上体位移场 进行了测试，试验结果为揭示变形机理和探求应力应变关系提供了有力的依据。 利用计算机断面成像技术( c t 技术) 也可动态、定量和无损地量测岩土材 料在受力过程中的内部结构的变化，采用这一技术国内也有不少研究成果【7 7 _ 8 引。 本次试验在前人的研究基础上，采用数i - q 成像技术结合a u t o c a d 软件对土 体位移场进行测试和分析。 2 6 数据处理 数据的处理主要是根据试验测得的桩身应变片和上体压力盒的数据，计算桩 身轴力、桩侧摩阻力及上压力，并绘制相应的曲线。 硕士学位论文 ( 1 ) 桩身轴力计算 模型桩采用有机玻璃棒制作，其受力产生的变形可以看作弹性变形。 由材料力学中的应变与应力关系可知，桩身应力为： c r = s e ( 2 - 1 ) 式中：盯一桩身应力( p a ) ； 占一桩身，菠变( 胙) ； e 一模型桩材料的弹性模量( p a ) ； 则桩身轴力q 为： q = 盯a( 2 2 ) 式中：a 一桩身横截面面积( m 2 ) 。 ( 2 ) 桩侧摩阻力计算 q 图2 - - 6 桩身单兀受力分布困 f i g 2 6t h el o a d i n gd i s t r i b u t i o no fp i l es h a f te l e m e n t 取任一桩身单元，如图2 - - 6 所示，根据静力平衡，桩侧摩阻力q ，可通过下 式求得： q ：旦二盟 ( 2 3 ) s 2 lx d x 1 口 。3 j 式中：q 。一桩侧摩阻力平均值( p a ) ； 1 l j j il 孕 第二章复合桩基非线性共同作用机理室内模型试验设计 工一桩身单元的长度( m ) ； d 一桩的直径( m ) ； q ，q 1 一桩身轴力( n ) ； ( 3 ) 土压力计算 土压力通过应变仪测得的读数由下式计算得到： p = 占口( 2 4 ) 式中：p 一土压力( p a ) ； 占一测得的微应变( 脚) ： 口一压力盒标定系数( p a i 蝠) 。 2 7 试验保证措施 ( 1 ) 在每次试验前都对仪器设备进行检查和标定。 ( 2 ) 基桩埋设过程中，为保证土体的均匀性，对土体分层夯实。土压力盒 水平埋置。基桩埋设完成后，对土体按规定的含水量浇水后静置。 ( 3 ) 每次试验前对土体取样，进行土工试验，测试含水量w e ，容重y ，粘 聚力c 、内摩擦角，。一p 曲线，保证每组试验的土工测试结果基本一致，从而 使每组试验之间具有可对比性。 2 8 试验过程图片记录 图2 7 试验场地 f i g 2 - 7t h et e s tf i e l d 1 6 图2 8 基桩模型 f i g 2 - 8m o d e lo fp i l e 硕上学位论文 图2 一g 单桩系列试验中基桩的埋设过程 f i g 2 - 9s e t t i n gi nt h es e r i