（岩土工程专业论文）强夯填土中桩的水平受荷特性的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 捅要 目前，对桩的水平受力特性的计算研究已有较多的研究成果， 而对填土中受水平荷载桩的研究却相对较少。本文结合四川普光 天然气净化厂强夯填土桩基工程，进行了以下工作： ( 1 ) 介绍了目前对受水平荷载作用下单桩受力特性的一些研 究成果，总结了水平承载桩的计算方法。 ( 2 ) 依据普光天然气厂水平试桩的试验结果，分析了强夯填 土中受水平荷载的单桩的受力变形特性。 ( 3 ) 运用a n s y s 有限元软件，计算分析了桩的受力变形特 性及填土固结的影响。 ( 4 ) 应用常数法、m 法、c 法等计算方法，计算分析了水平 荷载作用下的桩的受力性质，并与有限元法和实测结果对比，研 究其适用范围。 通过研究，本论文得出以下结论： ( 1 ) 横向受荷桩的承载力主要由靠近地表的桩和桩周土体提 供，超出此范围的桩及桩周土对水平承载力的影响不大。 ( 2 ) 桩周土体的固结程度对桩身内力与位移影响较大，且不 考虑这一影响时，计算结果是偏于不安全的。 ( 3 ) 在荷载较小的情况下，常数法、m 法、c 法等线弹性地 基反力法计算结果与实测结果比较相符。虽然常数法计算结果与 实测值相符合，但由于其假设条件与实际情况相差很大，而m 法 计算方法简单于c 法，因而推荐使用m 法。而当水平荷载较大时， 这些计算方法与实际情况误差很大，无法应用于实际工程中。 关键词桩；水平荷载；强夯土；有限元法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t s of a r ，m o r ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng a i n e do nt h er e s e a r c ho f c h a r a c t e r i s t i c so fp i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a d h o w e v e r ，l i t t l eo ft h e m a r ec o n c e r nw i t hp i l ei n f i l l - u pg r o u n d i nt h i sp a p e r ，f o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nd o n e ： ( 1 ) s o m e c a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dr e s e a r c hr e s u l t s o f m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a dw e r e s u m m a r i z e d ( 2 ) b a s e do nt h er e s u l t so fi n s i t up i l et e s tu n d e rh o r i z o n t a l l o a di n p u g u a n gn a t u r a l g a s r e f i n i n gp l a n t ，t h eb e a r i n g a n d d e f o r m i n gb e h a v i o r s o ft h e s i n g l ep i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a d i n d y n a m i cc o m p a c t i o nf i l l - u pg r o u n dw e r ea n a l y z e d ( 3 ) t h eb e h a v i o r so ft h es i n g l ep i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a da n d t h ei n f l u e n c e so fc o n s o l i d a t i o no nt h eb e h a v i o r so ft h e p i l ew e r e a n a l y z e d o nt h e c a l c u l a t i n g r e s u l t so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d s o f t w a r eo fa n s y s ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，t h ea p p l i c a b l ee x t e n t o fc o n s t a n tm e t h o d ，m - m e t h o da n dc - m e t h o dw e r es u g g e s t e d f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e dw i t ht h er e s e a r c h ： ( 1 ) b e a r i n gc a p a c i t yo ft h es i n g l ep i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a d d e p e n d so nc e r t a i ne x t e n tb e l o wt h eg r o u n ds u r f a c eo fp i l ea n dt h e s o i la r o u n dp i l e ( 2 ) t h ec o n s o l i d a t i o nd e g r e eo fd y n a m i cc o m p a c t i o nf i l l u p g r o u n dh a sp r o m i n e n te f f e c t so nt h ei n t e r n a lf o r c e sa n dd e f o r m a t i o n o ft h ep i l ea n dt h er e s u l t si g n o r i n gt h ee f f e c t st r e n dt ou n s a f e t y ( 3 ) t h e c o n s t a n t m e t h o d ，m m e t h o d a n dc - m e t h o d a r e a p p l i c a b l eo n l y f o rs m a l l e rh o r i z o n t a ll o a da n d m m e t h o di s r e c o m m e n d e df o rc a l c u l a t i o nd u et oi t ss i m p l i c i t y k e y w o r d s ：p i l e ；h o r i z o n t a ll o a d i n g ；d y n a m i cc o m p a c t i o n ；f i l l u p g r o u n d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通 大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学 位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密匹使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：删 日期：翮心 0 垦1 ，弘彩砌 名期签日 指 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、根据工程实验数据的结果，利用大型商业有限元软件 a n s y s 建立考虑桩土接触的三维有限元模型，并分析了强夯填 土中桩的水平受荷特性。 2 、利用前面建立的有限元模型，分析了填土固结程度对桩的 水平受荷特性的影响。 3 、建立w i n k l e r 地基模型，利用常数法、m 法、c 法计算分 析了桩的水平受荷特性，并与实测值和有限元分析值对比，提出 采用m 法计算。 声明人：李俊青 日期：2 0 0 8 6 1 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 概述 桩是深入土层的柱型构件，与连接桩项的承台组成桩基础，简称桩基。 桩基将上部结构的荷载，通过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小 的土层或岩层。 对大多房屋建筑，桩主要承受竖向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔型建 筑、近海钻采平台、支挡建筑、以及抗地震等工程中，桩还需要承受来自侧 向的风力、波浪力、土压力和地震力等较大的水平荷载1 1 】。 桩基础是一种古老的基础形式。1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址中所发现 的桩距今已有1 2 万年 - - 1 4 万年，我国的历史文物考古也表明，新石器时代 的河姆渡( 今浙江余姚) ，曾采用圆木桩、方木桩和板桩这3 种形式木桩组成 的桩基础。自有文字记载以来，桩基础在我国古代许多著名的桥梁、塔、殿 等建( 构) 筑物中得到了成功的应用。近一百多年来，随着桩材、成桩工艺 的发展，桩基工程得到了极大的发展1 2 j 。 根据材料不同，桩可分为木桩、钢筋混凝土和预应力混凝土桩和钢桩； 根据竖向承载特性，可分为端承桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩和摩擦桩；根 据施工方法，可分为预制桩、灌注桩和管柱桩；根据施工方式不同，可分为 沉入桩和灌注桩；根据承台位置的不同，可分为低桩承台桩基和高桩承台桩 基。此外，根据桩身形状可为柱形或锥形，截面可为圆形、多角形( 八角形 和六角形) 、方形、矩形、三角形和工字形，桩尖可为锥形、扩头和平底等形 状1 3 】。 1 2 桩的横向受力的研究历史及现状 随着竖向荷载、水平荷载和力矩的共同作用下的桩基工程同益增多，例 如高层建筑往往需要承受较大的风荷载和地震荷载，水平荷载很有可能成为 基础设计的控制因素，因此对其受力特性进行研究是非常必要的，国内外科 技工作者从现场试验、模型试验、理论分析三个方面做了大量的研究工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 现场试验 现场试验是研究桩的水平承载特性及受力变形特性，确定水平地基系数 的重要手段。 1 9 7 7 年，广东省交通局公路工程处在五斗大桥广岸桥台桩基工程中【4 1 ， 利用现场已施工的钻孔桩进行水平荷载试验，分析桩基的水平承载和变形特 性，并根据实测资料分析得到地基系数k 值和比例系数m 值。 宋功洲5 】( 1 9 9 6 ) 通过对九江化工厂水平试桩试验的研究，分析了软弱 地基中水平逐级循环加载条件下桩基的工作性能，确定了影响单桩水平承载 力的主要因素，并提出了在设计和施工中需要注意的事项。 张栋榭6 】( 1 9 9 8 ) 通过对大口径挖孔灌注桩水平承载力试验的分析与研 究，认为桩周土的性质是影响单桩水平承载力和性状的主要因素。 杜红志【7 】( 1 9 9 9 ) 通过对单桩嵌岩灌注桩在竖直荷载下的水平静载试验， 分析该桩在水平荷载作用下的工作性状，为确定单桩水平承载力及钢筋笼的 设置长度提出了依据。 李彰明、全国权等【8 】( 2 0 0 4 ) 在广州市南湖区域建筑场地的土质边坡中 进行桩基水平荷载试验，研究在水平荷载作用下的桩体变形特征及承载力。 研究表明试桩因离土质边坡坡脚距离不同而力学响应有明显的不同，在水平 位移一定的条件下，离坡脚越近，水平承载力越大。而桩体的承载能力与荷 载施加方向是否和坡向一致未见有明显关系，显示了土质边坡均匀性特点， 这与岩质边坡地质结构有明显的方向性有很大的不同。 龚健、陈仁朋1 9 j 等( 2 0 0 4 ) 对软土地基中的微型桩单桩及群桩进行了水 平荷载试验，并对试验结果进行了分析。试验结果表明微型桩有较好的抵抗 水平荷载的能力，尤其是斜桩基础能有效地减小水平荷载引起的位移，并且 应用p - y 曲线法计算的单桩和群桩的水平位移与实测值接近。 刘杰、路海俊、刘建飞等【1 0 j ( 2 0 0 7 ) 结合天津某高层建筑工程，通过深 厚软土地基中的桩基水平静载试验，分析了水平作用下预应力管桩与地基土 共同作用的工作性状。根据试验实测数据分析，认为桩水平承载力和其水平 变形密切相关，桩的水平变形制约了桩一土体系的抗力；并可以通过提高桩的 刚度与强度和提高桩周土体抗力的方法减少桩顶变形，提高单桩水平承载力。 郭文明、王晓卯等( 2 0 0 7 ) 进行了戍浦江河口大闸枢纽工程桩基础水平 承载力的试验研究，通过试验结果确定了桩基础的水平临界荷载和地基土水 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 平抗力系数的比例系数，并应用于工程设计中。 1 2 2 模型试验 桩的原型试验往往需要花费大量的人力、物力和时间，甚至因场地条件 或其他因素的限制无法进行，而模型试验则是研究、探索和解决问题的另一 种有效方法。 林亚超、王邦楣等1 1 1 j ( 1 9 9 7 ) 以某地黄河桥钻孔桩基为原型，按1 ：5 0 的 几何比例制作模型。模型桩用有机玻璃制作，直径2 4 c m ，长6 5 c m 。该试验 重点研究了桩基在水平荷载作用下，桩身位移与弯矩的分布及其它们之间的 关系。由模型单桩的模型试验数据拟合分析，初步尝试得出各级横向荷载下 的土阻力厂与深度z 的分布曲线关系。 湖南大学赵明华、吴鸣、郭玉荣掣1 2 】( 2 0 0 2 ) 进行了水平荷载下的模型 试验。试验选取外径1 6 m m ，壁厚2 m m 的合金铝管做模型试桩，采用慢速维 持荷载法加载。试验结果表明当桩的自由长度、轴向荷载及抗弯刚度等条件 不变时，随着横向荷载的增加，桩身弯矩和位移都将大幅度增加，桩的极限 承载能力也将迅速减小；而当桩的轴、横向荷载及抗弯刚度等条件不变时， 随着基桩自由长度的增加，桩身弯矩和位移增加很快；当基桩的自由长度、 轴、横向荷载等条件不变时，随着基桩抗弯刚度的增加，桩身弯矩也将增加， 特别是桩身中段部分的弯矩增加较大；而桩身位移却大幅度减少。 皇甫明等【1 3 j ( 2 0 0 3 ) 利用室内模型试验就水平荷载对竖直桩沉降和承载 力影响的进行了研究，模型桩桩顶自由无约束，模型材料为钢桩，地基土采 用均质粘土，采用维持荷载法分级加载。试验结果表明水平力的存在对桩的 竖向承载力和沉降有明显的影响。 林筱进【1 4 】( 2 0 0 4 ) 通过室内模型试验研究现浇混凝土薄壁管桩在水平荷 载下的受力特性。研究中发现，桩的弯矩随荷载增大的同时，最大弯矩点的 位置有下降的趋势，约在在距桩顶1 3 1 2 桩长处，与一般弹性桩理论的结 论较为吻合。从各级荷载下的土压力分布曲线形态发现，桩周土抗力从地表 面开始向下是逐步增大，到1 2 桩长以下后，桩周土抗力衰减很快，下半段 的桩周土抗力已经很小。 王腾、孙宝江等1 1 5 j ( 2 0 0 7 ) 对水平静力荷载作用下软粘土中导管架海洋 平台桩基进行了验研究，结果表明，加权残值法比多项式拟合法得到的土抗 力分布曲线更合理，试验软粘土的p - y 曲线在地表面附近处低于a p i 建议曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 线，从而使根据a p i 建议曲线设计的桩基偏于不安全，而由修正的p - y 曲线 得到的模型桩的数值分析结果与试验值吻合很好，验证了修正的p - y 曲线的 合理性。 1 2 3 理论分析数值计算 在大量试验研究的基础上，研究者通过归纳总结，提出了各种理论和计 算方法。 r a s e1 1 6 l ( 1 9 3 6 ) 首先提出假定土体处于极限平衡状态时的地基反力只是 桩入土深度的函数，与桩的挠度没有直接关系，其地基反力为线性分布，然 后按照作用在桩上的外力及其平衡条件( 水平力平衡和力矩平衡) 求解桩的 水平承载力、桩身最大弯矩等特征值。b r o m s1 1 7 l l l 8 l 【1 9 】( 1 9 6 4 、1 9 6 5 ) 、物部 长穗( 1 9 5 2 ) 、e n g e l 2 0 】等在此基础上，相继提出了不同的地基反力线性分 布形式。此种方法计算简单，但由于不考虑桩体的变形，与实际情况有较大 的差别，故只适合于刚性短桩，而不适用于实际工程中应用较多的弹性桩。 张有龄【2 1 】( 1 9 3 7 ) 认为桩的横向抗力符合e w i n k l e r 假设，并假定地基 土水平反力系数为与深度无关的常数，用梁的弯曲理论求桩的水平抗力及变 形和内力。r o w e1 2 2 】、c u m m i n g s1 2 3 】、r e e s em a t l o c k1 2 4 儿矧、p a l m e rt h o m p s o n 【2 6 1 【2 7 】等认为地基反力系数随深度增加，提出了m 法、c 法、k 法等计算模型 及相应的求解方法。这类方法考虑了桩的挠度对地基反力的影响，当桩身较 长、桩顶位移较小时，应用此类方法计算出的桩身位移和内力与实际测量值 基本吻合。但在地面处桩的挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等通常 无法全部很好地与实测值相符。 为使桩顶挠度和转角能同时很好地满足实测值，吴恒立1 2 8 j ( 1 9 9 0 ) 假 定水平地基反力系数k “) = 臌，通过调整m 、i 两个参数来改变地基反力的 分布形式，从而计算出桩身位移和内力，即双参数法。通过对一些实测试桩 值进行验算，结果表明，对弹性长桩，采用综合刚度原理和双参数法可使地 面处挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等主要工程指标的计算值与实 测值很好地符合。 王成【2 9 】( 2 0 0 1 ) 利用计算机进行有限元分析，应用空间2 0 结点单元、 1 2 结点无限单元、1 6 结点接触面单元相耦合的数值模型，并考虑桩身混凝土 的非线性特点和桩周土体软化特性，通过实例计算，提出桩身水平位移是一 个重要的物理量，它能同时反映了桩身材料的损伤程度和桩周土体性状的变 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 化，而且桩的水平承载力的大小对桩的地面水平位移影响是很大的。 熊辉、邹银型3 0 】( 2 0 0 2 ) 提出特征荷载法，其计算结果与实测及p o y 曲 线法分析结果有较好的致性，并且该法大大简化了计算，避免了p - y 曲线 法求解的繁琐过程，适宜手算及电算编程。 赵雪萍【3 1 】( 2 0 0 3 ) 认为，采用传统的m 法计算桩基内力存在一定的近 似性。其采用有限元解法求解桩基内力，并与传统的m 法的计算结果进行比 较，认为传统的m 法用于桥梁弹性桩基内力计算，不失为一种简单、实用的 方法。但是，当深、浅土层地基比例系数相差较多、水平荷载相对较大时， 其计算结果是不安全的，必要时应根据具体地质、荷载情况，考虑适当的安 全系数。 胡春林、胡胜刚等1 3 2 】( 2 0 0 6 ) 研究了横向荷载作用下桩身水平位移、 转角、弯矩和剪力等的分布。结合工程实例，分析了软粘土的p y 曲线，确 定比例系数的取值，用有限差分法及迭代法求解基桩挠曲微分方程。通过计 算结果的对比，发现线弹性地基梁法计算得到的最大弯矩所在位置不随外部 荷载的变化而变化，而p - y 曲线法得到的最大弯矩所在位置则随荷载的增大 而不断下移，这与桩的实际工作性状是相符的。 燕斌、王志强、王君杰等1 3 3 j ( 2 0 0 7 ) 将p ) ，曲线法用于桥梁桩基础，计 算结果与试验结果的比较证明了p - y 曲线法的合理性。然后又与m 法进行对 比，分析说明了m 法只适用于桩顶位移较小的情况，对于桩顶位移较大时， 桩侧土体已进入塑性状态，m 法的适用性值得探讨。 洪勇、谢耀峰、张圣平等l 3 4 j ( 2 0 0 7 ) 利用有限元程序a n s y s 对桩土相 互作用体系进行了三维有限元数值模拟，分析了土体是否考虑弹塑性、桩土 之间是否考虑接触面等因素对单桩横向承载力的影响，提出了有效模拟单桩 横向响应的有限元模型，进一步提出了确定接触面刚度参数及p y 曲线地基 反力系数修j 下接触面刚度参数的方法。通过实例计算，得出了地基非线性因 素的影响是不可忽略的重要结论。 1 2 4 填土中桩的横向受力特性 目前，桩的横向受力特性已取得很多研究成果，但针对填土中的桩的横 向受力特性的研究还是相对较少。 张兰生【3 5 】( 2 0 0 0 ) 针对某邮件处理中心，对以粉质粘土为主的人工填土 中的桩进行了研究，认为采用高承台桩基础较浅基础更适合用于人工填土地 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 基，同时指出必须注意由于大面积的填土在自重作用下产生的固结所引起的 负摩阻力对桩基承载力的不利影响。 史永胜、陈小丹【3 6 】等( 2 0 0 4 ) 结合工程实例，对软土地基条件下不对称 的填土和开挖时桩基的侧向受力问题进行了分析，认为不对称歼挖或回填会 对桩产生很大的侧压力，使桩发生弯裂( 断) 或较大的水平位移，从而造成 桩基破坏或正常使用功能受到影响，并提出了几种保护桩基础的工程措施。 文松霖、龚泉等【3 7 1 ( 2 0 0 7 ) 在甬台温高速公路高路堤填筑段设置预应力 锚索抗滑桩式挡土结构处理填土路基出现的滑坡。通过对抗滑桩的监测结果 分析认为桩周土体的力学特性决定了抗滑桩锚固段的锚固程度，而锚固段的 锚固程度又制约着抗滑桩的内力及变形的发展过程。 、1 3 本文研究的内容及技术路线 中原石油勘探局拟建的普光天然气净化厂位于四川省宣汉县普光镇铜坎 村( 赵家坝) 后巴河西岸，位于普光镇西南约2 5k m ，南距宣汉县约2 0 k m ， 西距2 1 0 国道约2 0 k m 。 由于场地地表起伏较大，需对场地进行了挖填方施工，其中最大填土厚 度达2 0 m 左右。为提高其承载力，采用强夯进行处理。按照设计，厂房等建 筑采用采用冲孔灌注桩基础，桩长2 0 - 2 5 m ，以中等风化泥岩为基础持力层。 本论文将以普光天然气净化厂强夯填土中的冲孔灌注桩为研究对象，通 过现场试验、数值模拟等手段，系统地研究强夯填土中冲孔灌注桩在横向荷 载作用下单桩的受力变形特性，分析强夯填土的固结过程对桩的受力变形特 性的影响，为本工程的设计与施工提供理论依据，为类似工程提供参考。其 技术路线如下： ( 1 )通过现场水平静载试验，研究单桩的承载特性，并量测桩的内力， 确定进行横向受力计算分析所需的地基反力系数。 ( 2 )建立合理的有限元计算模型，其中填土采用弹塑性本构关系，桩 一土界面采用接触单元模拟。应用有限元法对现场试验的加载过程进行模拟， 并与试验结果进行分析，以验证计算模型的j 下确性。通过计算，分析桩、土 ( 岩) 的受力和位移特性及桩前土层的破坏过程等内容。 ( 3 )应用有限元计算桩周填土不同固结程度时的桩身内力与位移，分 析填土固结对工程桩受力变形的长期影响。 ( 4 )分别按常数法、r n 法、c 法等对试验桩进行计算分析，并与试验 及有限元法的结果进行对比，研究其合理性及适用性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ， 第二章水平受荷桩的特性及其计算方法 如前所述，桩基础除承受较大的竖向荷载外，由于风力、震动力、船舶 的撞击力以及车辆荷载的制动力等，往往还会承受较大的水平荷载。 在过去相当长的一个时期内，人们往往偏重于研究桩基础在承受竖向荷 载时的工作性能，而对水平荷载下桩基础的工作性能研究较少。设计时通常 假定桩只能承受竖向荷载，而以斜桩来承担水平荷载。直到上世纪3 0 年代， 国内外学者才开始对水平荷载作用下的桩的工作性能及其内力和变形的计算 方法进行研究，如我国张有龄先生在1 9 3 7 年提出了张氏法，前苏联安盖尔斯 基1 9 3 4 年提出的k 法等。上世纪6 0 年代起，由于管桩和大直径钻孔桩的普 遍应用，研究并发展了水平承载桩作用机理和分析计算的多种方法，并积累 了大量的水平静载试验桩数据。实践表明，利用桩的抗剪和抗弯能力，也能 承受较大的水平荷载，为大直径竖直桩的迅速发展奠定了理论基础。 2 1 水平荷载下桩基础的受力特性及破坏性状 2 1 1 水平荷载下桩基础的受力特性 水平荷载作用下单桩的工作性状很复剁3 8 j ，涉及到结构与土体之间的相 互作用问题，其水平承载能力不仅与桩本身的材料强度有关，而且在很大程 度上取决于桩侧土的水平抗力。 桩侧土体所发挥的水平抗力随深度的改变而变化。当桩顶未受约束时， 桩顶处的水平荷载首先由靠近地面处的土体承担。荷载较小时，土体虽然处 于弹性压缩阶段，但桩身水平位移足以使部分压力传递到较探土体。随着荷 载的增加，土体逐步产生塑性变形并将所受到的水平荷载传递到更大的深 度。当桩身变形过大或桩侧土失去稳定时，桩一土体系便趋于破坏。桩和 地基的破坏性状则因桩的几何尺寸、桩顶约束条件、材料强度、 地基土的性质等而异。 2 1 2 水平荷载作用下桩基础的破坏性状 一般认为，水平荷载作用下的桩基主要是有以下几种破坏形 态：连结桩之间的构件( 包括承台) 的破坏、桩身的破坏、桩周 地基的破坏等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 水平荷载作用下的桩的破坏形式主要可分为3 种：刚性破坏、 半刚性破坏、柔性破坏1 3 9j 。 刚性破坏的桩的相对刚度都很大，桩比较短，当桩项自由的 时候，在水平荷载作用下，桩身的挠曲变形可以忽略，全桩发生 刚体转动，如图2 1 ( a ) 所示。当桩体绕靠近桩端的一点o 转动时， o 点上方的土层和o 点到桩底之间的土层分别产生了被动抗力。 这两部分作用方向相反的土抗力构成力矩以共同抵抗桩顶水平荷 载的作用，并构成力的平衡。当水平荷载达到一定值时，桩侧土 体开始屈服，随着荷载增加，逐渐向下发展，直至刚性短桩因转 动而破坏。这类桩基础，当桩身的抗剪强度满足要求时，桩体本 身一般不发生破坏，故其水平承载力主要由桩侧土的强度控制。 但桩径较大时，还需要考虑桩底土偏心受压时的承载能力。对于 桩顶受到承台或桩帽约束而不能产生转动的刚性短桩，桩与承台 将一起产生刚体平移，如图2 1 ( b ) 所示，当平移达一定限度时， 桩侧土体屈服而破坏。 h 广7 | l | | | 。 _ - _ _ _ _ _ _ 。一 j | 回 | 培 4 由 | 心 ， 0 ，。 u 仁 一缪孝 钐稗, j ： i 爿, 1 | ：，夕 1r , f 一：1 l 八l f i i b 桩顶嵌同 力 图2 1 刚性桩的破坏 如图2 2 ( a ) 所示，当桩的长度增加到某一定值时，在水平荷载作用下， 桩身发生挠曲，桩侧土的塑性区首先出现于近地表处，并随荷载的增加而逐 步扩展，桩身最大弯矩也由于上部土抗力的减小而向下部转移j 。若桩身抗 弯强度较低( 如低配筋率灌注桩) ，则会由于桩身破坏而使承载力达到极限： 若桩身材料强度较高( 如高配筋率钢筋混凝土桩和钢桩) ，则将出现桩侧土塑 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 性挤出，桩的水平位移过大而使承载力达到极限。此时虽然桩顶位移很大， 但桩端位移很小，这种受力状态的桩为半刚性桩或中长桩。如图2 2 ( b ) 所 示，当中长桩的桩顶嵌固时，桩项将出现较大反向固端弯矩，而桩身弯矩相 应减小并向下部移动，桩顶水平位移比桩顶自由情况下大大减小。随着荷载 增加，桩顶最大弯矩处和桩身最大弯矩处相继出现屈服而形成塑性铰，桩的 承载力达到极限。当桩身强度较高时，承载力由位移控制。 if | a 桩顶自由 一隧 7 7 7 。一i 7 ，1 一f僦捌 | f l | f f | b 桩顶嵌固 图2 2 半刚性桩的破坏 当桩的桩径较小、桩的入土深度较大、地基较密实时，与地 基相比，桩的柔性较大，在水平荷载及两侧土压力的作用下，桩 的变形呈波状曲线，并沿着桩长向深处逐渐消失，其破坏机理和 半刚性桩相似。在水平荷载作用下，桩身出现2 个以上位移零点 和弯矩零点，且位移和弯矩随桩深衰减很快，桩长可视为无限长， 如图2 3 所示，桩被称为柔性桩或无限长桩。半刚性桩和柔性桩 统称为弹性桩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 h a 桩顶自由b 桩顶嵌固 图2 3 柔性桩的破坏 2 2 水平荷载下单桩承载力计算方法 如前所述，对水平荷载作用下的桩的研究已有数十年的历史， 并取得大量研究成果。目前，水平承载桩的计算方法主要可分为 以下5 种： ( 1 )极限地基反力法( 或极限平衡法) ； ( 2 )地基反力系数法：包括线性弹性地基反力法、非线性弹性地基反 力法； ( 3 )复合地基反力法； ( 4 ) 弹性理论法； ( 5 ) 数值计算法。 2 2 1 极限地基反力法 极限地基反力法首先假定土处于极限状态时地基反力的分布 形式，然后按照作用在桩上的外力及其平衡条件束求桩的水平抗 力。由于计算时只考虑桩的平衡条件，不考虑地基的变形特征， 所以该法只适用于刚性桩的计算。 极限地基反力法中，假设地基反力p 只是桩入土深度的函数， 与挠度y 没有直接关系，再根据作用在桩上的外力及其平衡条件 ( 水平力平衡和力矩平衡) 建立计算方程，求得桩的水平承载力、 桩身最大弯矩等特征值。如图2 4 所示，根据地基反力分布的不 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 同形式，可以分为( a ) 二次曲线型的e n g e l 物部法；( b ) 直线型 的r a s e 法：( c ) 罔部法；( d ) s n i t k o 法；( e ) 及( f ) b r o m s 法； ( g ) 任意直线型的挠度曲线法。 一k 。 ii 到 - 引。 1 卜 到j1 。j 粘 b ul j9 c 。b e 动 ：压力系数 砂 b d o b g l 3 k p v 2b i 图2 4 极限地基反力法的水平反力分布 目前比较常用的是b r o m s 模型。极限地基反力法中刚性短桩 了 的判别依据是：卢f 4 o a 时， k 仅) ：c ( 4 a ) n 5 ；即为c 法。其中c 为地基水平反力系数随深度变化的比例 系数，az 吲c d 口为桩的特征值。地基水平反力系数分布如图2 5 ( c ) 【4 。 如图2 5 ( d ) 所示，设桩的第一位移零点以上的k “) = k x 2 为凹形抛物 线，以下为常数，即为k 法。 上述计算模型中，常数法的水平地基系数沿深度不变，适用于超固结粘 性土和表面密实的砂土。m 法、k 法、c 值法的水平地基系数沿深度而增加， 适用于正常固结的粘土和一般的砂性土。从理论上很难说明m 法、k 法、c 值法中哪一种更为合理，但在地面以下3 - - 5 倍桩径范围内的桩身弯矩变化相 当接近，算得的结果也相差不多。一般认为，对桩的水平位移，k 法最小，m 法和c 值法依次增大；对桩的最大弯矩，c 值法、m 法、k 法依次增大1 0 左 右，而以m 法和k 法较接近实测值。由于m 法的图式简单，因此得到广泛的 应用。 上述方法均属于单参数法，由于只有一个待定参数，用于弹性长桩的计 算时，桩在地面处的挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等不能同时全 部很好地符合实测值。为了克服这个缺点，吴恒立【2 8 1 提出了假定水平地基反 力系数k 0 ) = m x 的双参数法，通过调整m 、f 两个参数来改变k ( x ) 的分布 图式，如图2 5 ( e ) 所示。研究结果表明，对弹性长桩采用综合刚度原理和 双参数法，可使地面处挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等主要工程 指标的计算值与实测值能同时很好地符合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 b 2 k m ：1 d 1 数 dk 、一 暮 1 雾 r kic x 1 2 d c 图2 5 线弹性地基反力法地基反力系数分御图 显然，上述方法适用于桩的水平位移较小的情况。当桩身水平位移较大 时，桩身一点的土抗力与其位移之间就应该按非线性关系考虑，即刀乒1 ，此 时为非线性弹性地基反力法，其中以，l = 0 5 的港研法最具代表性。根据地基 的特性可分为两种类型： ( 1 )水平地基系数沿深度线性增长的久保的方法，此模型主要应用于 s 型地基，即密实均匀的砂土地基及j 下常固结的粘土地基等，其标准贯入试 验的n 值随深度而增加。如图2 - 6 ( a ) ，此时取m = 1 ，即p ：k ，x y n 5 ，式 中k 。为s 型地基的地基反力系数。 ( 2 ) 水平地基系数为常数的林一宫岛的方法，此模型主要应用于c 型 地基，即表面压实的砂土地基或受过强大预压的超固结粘土地基，其标准贯 入试验的n 值在深度上是定值。如图2 - 6 ( b ) ，此时取m = 0 ，即p ；k ，y ”， 式中k ，为c 型地基的地基反力系数。 由于非线性微分方程无论用解析法或用近似法求解都比较复杂，因此该 法根据标准桩的桩顶荷载与桩顶位移和转角、地表面处桩的位移和转角、土 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 中桩的最大弯矩、弯矩第一零点深度的关系，采用相似法则来确定实际桩的 相应关系。 p ik s x y 玑5 a p tk c y 札s i ， 0 。：。1 。1 。_ 。_ - 一 b y 图2 - 6 非线性弹性地基反力法反力分布图 2 2 3 复合地基反力法 前述方法虽能根据弹性地基上梁挠曲微分方程求解横向承载桩的承载 力、内力和位移，但当桩发展到较大的位移时，土的塑性变形将变得突出， 使上述弹性求解方法不适应。复合地基反力法则考虑了土的非弹性性质，既 可用于小位移，也可用于较大位移。 对长桩，当桩顶受到水平荷载后，桩周土从地表面开始产生屈服，塑性 破坏区逐渐向下扩展。复合地基反力法在塑性区内采用极限地基反力法，在 弹性区内采用弹性地基反力法，根据弹性区与塑性区边界上的连续条件求桩 的水平抗力。由于塑性区和弹性区水平地基反力分布的不同假设，复合地基 反力又有长尚法、竹下法、s n i t k o 法和目前应用较广的p y 曲线法等。 地基反力分布在塑性区按c o u l o m b 土压力分布，弹性区按p = k 。y 分布， 即为长尚法，如图2 7 ( a ) 所示。 地基反力分布在塑性区按c o u l o m b 土压力分布，弹性区按p = g r y 分布， 即为竹下法，如图2 7 ( b ) 所示。 b r o m s 法则适用于较长的桩，并且分为砂土和粘土两种情况。为砂土时， 地基反力在塑性区相当于r a n k i n e 被动土压力的3 倍，弹性区按p = k o x y ； 为粘土时，忽视地表面以下1 5 b 深度内的土的作用，在1 5 b 深度以下假定 为塑性区域的地基反力分布，其值为。b ，其中c u 为原状粘土不排水抗剪强 度的标准值，弹性区按p = k 。y 分布，如图2 7 ( c ) 所示。 若地基反力分布在塑性区按二次曲线分布，弹性区按p ；k 。y 分布，即为 s n i t k o 法，如图2 7 ( d ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 m a t l o c k 法也称a p i 规范法，适用于粘性土。其在塑性区内的地基反力 按p = p 。分布，式中p 。为桩侧单位面积的极限水平土抗力标准值，而在弹性 区内按p = k h y 分布，如图2 7 ( e ) 所示。 r e e s e - c o x k o o p 法也称原a p i 规范法，适用于砂性土。其在塑性区内的 地基反力按p = 砂“分布，弹性区内按p ；g x y 分布，如图2 - 7 ( f ) 所示。 乙if | | i 广： 当剪 六一： 砂粘t | | i ij = = 夕 p | | | | f | | | 川 萝 p 曼 夔 厂一_ 。：二：二：i 1 7 2 二二二j 、 - 、 l j l 副 p 巨 p 。 p 。 pk b d ，一 r u 忻 州 e 矿陬1 图2 7 复合地基反力法地基反力分布 m a t l o c k l 4 2 】( 1 9 7 0 ) 、r e e s e 及c o x l 4 3 j ( 1 9 7 4 ) 等人发展了m c c l e l l a n d 和 f o c h t l 4 4 1 ( 1 9 5 6 ) 的桩侧面横向地基反力与土的固结不排水三轴试验应力应 变曲线相关的理论，建议如实计算土的应力应变关系，这个方法被美国石油 协会关于海洋结构物的技术报告a p ir p2 a 1 4 5 】所选用，称为p y 曲线法，是 目前最为流行的计算方法。 在该方法中，各深度的p - y 曲线被假定为互不干扰并共同构成如图2 8 的曲线族来表达桩一土体系的应力一应变性状。图2 8 ( a ) 所示为沿深度的p - y 事 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 曲线，图2 8 ( b ) 为其曲线族。计算中的土弹性模量e 。用图2 8 ( c ) 中割线 p y 表示。土弹性模量沿深度分布可采用任意的图式。所用的土的主要物理 力学性指标在粘土时为不排水抗剪强度c 一重度y 和最大主应力差的一半时 的应变值；。；在砂性土为内摩擦角妒、重度) ，和地基反力系数k 。对于粘性 土和砂性土这两类土，都要求出每单位桩长上的极限土阻力和土阻力随位移 发展的规律。这些指标和参数均可由土样的试验室试验或现场试验确定，其 原则是使由p y 曲线法求得的桩变位或内力同由弹性分析方法求得的结果 相协调；同时，还应使地基反力系数法所用的地基反力系数同由p y 曲线上 推求得的土模量值相一致。不然，应调整所用的地基反力系数值使两者达到 相符或接近时为止。如不能取得实验数据，通常可参照目前已知的经验制作 p y 曲线【3 9 1 。 iz a b c 图2 8 p y 曲线及土弹性模量 2 2 4 弹性理论法 弹性理论法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中并假定土的弹性系数 ( 杨氏模量e 和泊松比v s ) 为常数或随深度按某种规律变化。计算时将直径 为d ，长度为z 的桩分为若干微段，根据半无限体中承受水平力并发生位移 的m i n d l i n 方程计算微段中心处的桩周土位移，另据细长杆( 桩) 的挠曲方 程求得桩的位移，并用有限差分式表达。令土位移和桩位移相等，通过每 微段处未知位移的足够多的方程求解。p o u l o s 按此原理获得了桩顶位移p 和 转角矽的计算公式。 桩顶自由时 州讲击“晰备 ( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 。 川鲫寺“鲥筹 协7 ) 桩顶嵌固时p = i p p i l l ( 2 - 8 ) 1 2 , j f 式中h 、m 分别为作用于桩顶的水平荷载和弯矩； ，硝、，彬分别为桩顶自由时桩仅受水平荷载h 和仅受力矩m 作 用时的地面处位移的影响系数； j 田、j 删分别为桩顶自由时桩仅受水平荷载和仅受力矩m 作 用时的地面处转角的影响系数； ，矿为桩顶嵌固时桩受水平荷载作用时的地面处位移的影 响系数。 该法制备有_ ，硝、，、，甜、，鲥和，p f 等因数同桩的柔度因素 k 凡= e ，p ，4 及长径比l d 的关系曲线供计算使用，也可以用于群桩的计 算。 根据分析，k 凡= 0 1 相当于刚性桩，k 尺= 1 0 - 4 相当于弹性桩，且弹性理 论法求得的位移或转角的影响系数值一般比地基反力系数法求得的相应值 小。并且弹性理论法的最大缺点是不能计算出桩在地面以下的位移、转角以 及弯矩、土压力等，其次是晟值的确定也比较困难。 2 2 5 数值计算方法 近年来，数值计算方法一直在不断地发展，它已渗透到科学与工程技术 研究的各个主要领域。其突出的优点是能够替代昂贵而又耗时的试验，对所 研究的问题进行模拟。 数值计算方法主要包括有限元法、有限差分法、边界元法和离散法等。 其中有限元法是应用最广的数值方法，其强大的模拟能力为分析横向荷载作 用下桩土相互作用机理提供了有力的工到矧。 有限元法求解的基本步骤为：( 1 ) 结构的离散化。( 2 ) 选择位移插值 函数。( 3 ) 分析单元的力学特性。( 4 ) 建立所有单元的平衡方程，组成整体 结构的平衡方程。( 5 ) 由平衡方程组求解结点的未知位移，然后计算相应的 应变和应力，最后计算出用于设计的内力和变形值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第三章单桩水平承载力现场试验 3 1 概况 中原石油勘探局拟在普光镇开发普光天然气净化厂。厂址选在四 j i i 省宣汉县普光镇铜坎村( 赵家坝) 后巴河西岸，位于普光镇西南约 2 5k m ，正南距宣汉县约2 0 k m ，西距2 1 0 国道约2 0 k m ，现有乡镇道路 连接至2 1 0 国道。根据铁道第二勘察设计院提供的勘察报告，场地地 层的主要组成如下： 粉质粘土( q0 d ) ：黄褐色紫红色，可塑硬塑，见云母片、有机质， 捻面较光滑，干强度、韧性中等，局部夹薄层粉土及全风化基岩碎屑，表层 普遍为耕植土；层厚：0 - - 2 m 。沿山坡坡面分布。建议承载力特征值1 0 7 k p a ， 压缩模量4 3 8 m p a 。 泥岩( j 2 s ) ：紫红、灰绿等色，局部央灰黄色薄层砂岩。薄中层状，泥 质胶结，岩质较软，遇水易软化，暴露易风化。分布于坡面及坡顶。根据风 化特征，将该层分为强风化层( r 3 ) 、中风化层( r 2 ) 。 强风化泥岩( 5 r 3 ) ：紫红色，岩石风化强烈，手