（岩土工程专业论文）y形桩水平承载性能试验研究.pdf

摘要 摘要 针对目前振动沉管灌注桩圆形横截面无法最大程度地发挥地基土和桩本身 的潜在能力的现状，陆见华工程师将国外用地下连续墙拼构成的特大型y 形灌注 桩横截面同国内的振动沉管灌注桩技术相结合，将振动沉管灌注桩的截面改为y 形，开发了y 形沉管灌注桩技术，很好地发挥了异形桩承载能力高和振动沉管灌 注桩施工速度快的优点。目前y 形桩的各项研究尚处于起步阶段，其竖向承载性 能的优越性显而易见，而其水平承载性能还没有引起大家的注意。 本文开展对y 形桩水平承载性能的研究：首先进行现场试验，通过对试验 结果的分析直观地说明其异形效应，接着结合试验结果对其承载性能进行理论分 析，然后运用有限元对试验进行模拟，进一步阐述其异形效应。本文所做主要工 作如下： 1 回顾了国内异形桩的发展概况和桩基水平承载性能研究的方法和理论，介 绍了y 形桩技术的开发思路和桩模、桩尖的设计。 2 运用自行设计的方案，对两根y 形试验桩进行了从不同方向加载的水平承 载性能试验，分析了y 形桩的异形效应，表明加载方向对y 形桩的水平承载能力有 显著影响。 3 运用m 法的差分解法对试验结果进行了计算分析，将计算结果同试验结果 相对比，得到了m 法有待改进的参数，提出了改进思路。 4 运用a b a q u s 对试验结果进行模拟，证实了模拟的可靠性，进一步研究了y 形桩的异形效应，分析了提高y 形桩水平承载性能的措施。 关键词：y 形桩，水平荷载，现场试验，异形效应，差分解法，a b a q u s 非线 性有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t a i m e da tt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a tt h er o u n dc r o s s s e c t i o no ft h es i n k i n gp i p e p i l el i m i t st h ef u l le x e r t i o no ft h ep o t e n t i a lo fp i l ea n ds o i l ，e n g i n e e rl uj i a n h u a i n v e n t e dt h ey - s h a p e ds i n k i n gp i p ep i l e ( t h es h o r tf o r m ：y - s h a p e dp i l e ) b yc o m b i n i n g t h et e c h n i q u eo ft h el a r g ey - s h a p e dp i l ea b r o a da n dt h a to ft h es i n k i n gp i p ep i l ea t h o m ea n dc h a n g i n gt h er o u n dp i p em o d e li n t ot h ey - s h a p e dp i p em o d e l ，t h u sb r i n g i n g o u tt h eb e n e f i t so ft h eh i 曲b e a r i n gc a p a c i t yo ft h ea b n o r m a l c r o s s - s e c t i o na n dt h e s p e e d yc o n s t r u c t i o no ft h es i n k i n gp i p ep i l e a san e wt e c h n i q u et oi m p r o v es o f t g r o u n d ，t h er e s e a r c ho nt h ey - s h a p e dp i l ei sj u s ta tt h es t a r t i n gp h a s e ，i t sl a t e r a l b e a t i n gc a p a c i t ys t i l ld o e s n ta r o u s en o t i c ei ns p i t eo fi t so b v i o u sa d v a n t a g eo nt h e v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t y t h ep l a no ft h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ：f i r s to fa l l ，t h ef i e l dt e s to nt h el a t e r a l b e a r i n gc a p a c i t yo ft h e y - s h a p e dp i l ei sd o n e ，a n di t sa b n o r m a l i t ye f f e c ti s i l l u m i n a t e d b yt h ea n a l y s i so f t h e t e s tr e s u l t s ；t h e ni t sh e a r i n gc a p a c i t yi st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e do n t h eb a s i so ft h et e s tr e s u l t s ；f i n a l i y , f e mi su s e dt os i m u l a t et h ef i e l dt e s ta n dt h e a b n o r m a l i t ye f f e c ti sf u r t h e re x p o u n d e do n m a i nw o r k si nt h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p i n gg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ea b n o r m a l c r o s s - s e c t i o n a n dt h e m e t h o d sa n dt h e o r i e so nt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t ya l er e v i e w e d ；t h ei n v e n t i o na n d t h ed e s i g no fp i l em o d e la n dp i l et i n ea r ei n t r o d u c e d ；i t sc o n s t r u c t i n gw a ya n d c r a f t w o r kp r o c e s sa r ea l s oe x p o u n d e do n ；s o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e no nt h eq u a l i t y c h e c ka n dc o n t r 0 1 2 t h ef i e l dt e s to ft h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yi se x e r t e do nt h et w oy - s h a p e d p i l e sf r o md i f f e r e n td i r e c t i o n sb yt h es e l f - d e s i g n e dp r o j e c ta n di t sa b n o r m i t ye f f e c ti s i n t u i t i v e l yi l l u m i n a t e db yt h ea n a l y s i st ot h e t e s tr e s u l t s 3 t h ep a r a m e t e rt ob ei m p r o v e di sf o u n da n dt h ei m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e d b yc o m p u t i n ga n da n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t sb yu s eo f t h ed i f f e r e n c es o l u t i o no ft h e m m e t h o da n dc o m p a r i n gt h ec o m p u t e dr e s u l t sw i t ht h et e s tr e s u l t s 4 t h e r e l i a b i l i t y o fs i m u l a t i o ni sp r o v e db ys i m u l a t i n gt h et e s tr e s u l t sb y a b a q u sf e m ，t h ea b n o r m i t ye f f e c to f t h ey - s h a p e dp i l ei sf u r t h e re x p o u n d e do nb y f e ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h em e a s u r e st oi m p r o v ei t sl a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t ya r e a l s os i m u l a t e d k e y w o r d s ：y - s h a p e dp i l e ，l a t e r a l l o a d ，f i e l dt e s t ，a b n o r m a l i t y e f f e c t ，d i f f e r e n c e s o l u t i o n ，a b a q u sn o n l i e a rf e m i i 主要符号 水平荷载 水平荷载产生的力矩 地基反力 材料的弹性模量 惯性矩 抗弯刚度 桩的计算宽度 桩周土的水平抗力系数的比例系数 桩的变形系数 桩的相对刚度系数 桩顶位移 桩身转角 桩身剪力 桩侧土压力 桩身形状换算系数 k m p e ，k m 口t y p q p k 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：塑卑堑主2 0 0 7 年歹月乙护日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，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。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：! 丝芝1 ，。7 年歹月乞汐日 第博绪论 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展，我国东部沿海地区，特别是长三角地区高速公路 工程建设大规模开展，因广泛分布着深厚亚粘土、淤泥质亚粘土地层，在工程建 设中遇到大量的软土地基加固问题。软土地基处理方法的选用对工程质量、工期 和经济效益均有重要的影响。如何快速、有效地加固软土地基成为了当前岩土工 程界研究的热门课题。 目前我国高速公路建设中软基处理大都采用粉喷桩、塑料排水板、预应力管 桩、沉管灌注桩等技术，但粉喷桩一般限于处理地下1 5 m 以内的软土地基，并不 适用于深厚软基处理；插塑料板排水法虽可处理深度达2 0 m 以上的软基，但预压 期历时过长，且工后沉降较大，土方增量较大，不适用于当前快速的公路建设； 预应力管桩是处理深厚软土的有效方法，但单位面积地基处理费用高：振动沉管 灌注桩具有寿命长、施工快、造价低、使用范围广等优点，但目前我国的灌注桩 多为圆桩，无法最大层度地发挥地基土和桩本身的潜在能力。相比之下，陆见华 工程师开发的y 形沉管灌注桩( 专利号：0 1 2 2 1 7 1 0 ，咀下简称y 形桩) 软基加固 技术，具有施工适用性强、施工质量易于控制、桩基检测方便、加固深度可达 2 5 m 以上、单位面积加固费用低、加固效果突出等优点，具有极大的推广应用价 值。目前，该技术已在申浙苏皖、申嘉湖和杭浦等高速公路建设中推广应用，使 用量已经超过3 0 万延米，与同类技术相比节省造价2 0 一2 5 ，通过大面积使用， y 形沉管灌注桩技术必将得到进一步完善和提高，为我国道路施工和基础工程技 术提供又一新型有效措施。 但作为一项新型异形桩基技术，y 形桩的各项研究尚处于起步阶段。文献【1 ”主要讨论了y 形桩的技术特点、施工工艺及桩基检测，对单桩的竖向承载性能 只有定性的论述，而对水平承载性能没有涉及。本文希望通过对y 形桩水平承载 性能的研究，得出一些有益的结论，为进一步推广应用这一新型桩基技术提供参 考。 第一节异形桩概述 近2 0 年来，国内桩基技术虽然发展很快，但是面对高速发展的国家基本建设 要求，仍有较大差距。例如我国传统的桩基础要么是圆形截面，要么是方形截面， 特别是钻孔灌注桩，由于受施工机械的限制只能采用圆形截面，但从理论分析可 知，在同样用材情况下，圆形截面桩的单桩承载力要比正方形或多边形截面桩小 得多。因此，开展非圆形的异形桩研究势在必行。 牟玉玮等【8 j 提出了用组合钻做矩形桩、十字形桩、t 形桩、工字型桩等非圆 第一章绪论 截面的异形桩及用多钻组合做实体或空心大型独立桥墩的方法，并在1 9 8 6 年的国 际深基础会议上撰文交流。在1 9 9 8 年再次撰文，对圆形桩和异形桩做了比较，认 为组合钻、沉管机是当前较好的异形桩施工机械。 李安洪叫提出对桩板墙桩截面形式作出改进，将矩形截面改为t 形截面，在 矩形桩的受压侧各加一翼缘，主要用于放置挡土板、增加桩板墙结构的美观度， 也减少了挡土板的跨度，同时在陡坡地段可节省部分桩长。 张之颖等“”1 研究了陕甘黄土地区的柔性桩灰土井桩，针对灰土井桩基 础中承载力偏低、沉降值偏大这一问题，提出了异形灰土井桩概念，分析研究了 灰土井桩桩型效应的产生机理，指出圆楔形桩是一种较优桩型。 林天健“”从力学角度对现代异形桩总的技术特征进行了阐述，并重点介绍了 h 形桩的工作机理和力学特点。 汤建南等“”讨论在无坚硬桩端持力层时，异型桩截面形式的确定方法及桩身 材料的选择，提出了雪花形的异形截面桩，并在桩土传力分析的基础上，对异形桩 在外力作用下桩土系统的受力一变形过程及桩的承载能力进行了有限分析。 杨敏等“”介绍了i ) 6 z 系列功能钻机，该钻机能进行十字形截面桩、i i 形截面 桩、“口”“工”“井”字形截面桩、“一”字形截面桩的施工，解决了异形截 面桩的施工工艺，介绍了异形截面桩的技术特征和单桩承载特性。 雷国辉等“”1 对壁板桩的应用和研究现状进行了回顾，内容涉及壁板桩的施 工效应、承载性能、桩身摩阻力的发挥特性以及施工效应对承载性能的影响等。 陆见华等【卜7 】提出了y 形沉管灌注桩技术，对其理论基础、施工工艺进行了阐 述。 1 1 1 异形桩的技术特征 异形桩是一种特殊的桩种系列，此类桩无论是其桩身横截面或是桩身纵截面 的形状都异于常规桩形，具有区别于常规桩形的技术特征，以体现其异形效果。 林天健认为异形桩总的技术特征有四点：一是改变桩的横截面，也就是改变 截面的几何特性，以取得有利于承载力增加的力学效应；二是异形桩的横截面为 非轴对称形，其抗弯能力具有明显的方向性，设计者通常将桩抗弯曲能力最大的 方向安排得与横向荷载的方向一致，从而最大程度地发挥了桩身材料的潜力，并 节约了成本；三是改变桩身的竖向桩形，以增加桩土界面的不平直度和粗糙度， 从而取得较大的侧阻力；四是由于上述技术特征，也为异形桩减小桩身截面和节 约材料提供了有利条件。 杨敏等只讨论了横截面异形桩，认为异形截面桩在某些特定场合下能最大限 度发挥地基和桩本身的潜在能力：一是在同样用料的情况下，异形截面桩桩周面 积比传统的圆形截面桩或方形截面桩有更大的侧摩阻力；二是在相同的桩材和相 同的外界荷载下，异形截面桩的刚度和稳定性较圆形截面桩要好得多；三是由于 第一章绪论 异形截面桩可以改变截面的几何特性，故可以取得有利于承载力增加的力学效果 从而发挥桩的潜能并可以节省造价。 1 1 2 异形桩的单桩承载力特性 单桩承载能力包括坚向承载能力和水平承载能力。目前，关于异形桩的单桩 承载力方面的文献数量很少，且主要进行的是定性分析，并没有定量的研究成果。 1 1 2 1 竖向承载能力 牟玉玮认为当桩截面积、桩长、地基一定时，桩的竖向承载能力只随桩周长 度而变，桩周长度大，桩的竖向承载髓力就大；桩周长度小，桩的竖向承载能力 就小。 张之颖根据空间轴对称问题的有限元方法，在经过大量非线性弹性分析计算 的基础上，研究了灰土井桩的桩型对桩竖向承载力的影响，并与现场试验的实测 结果对比，证明了桩型效应客观存在的必然性和可靠性，指出改变圆柱形桩型而 采用圆楔形桩型是提高灰土井桩承载力的有效途径之一。 林天健以h 形桩为例，认为异形桩不但借助较大的横截面周长增加了桩的总 侧阻力，而且由于软土的侧压力使桩处于三向应力状态，从而竖向承载力增大， 同时侧压力的作用等于增加了桩一土界面的正应力，从而又使桩周单位侧阻力也 增大，这两个因素均导致桩的轴向抗压刚度较常规桩大。并建议应用公式( 1 1 ) 对单桩承载力进行校核 最= 啊= f ( r + f 仃3 ) x 1 0 0 0( 1 1 ) 式中：p k 为单桩极限承载力，k n ：f 为桩身面积，i i i 2 ；0 。，0 。为桩的轴向应力及侧压 力，m p a ；r 为桩身混凝土单轴抗压强度，m p a ；f 为系数，对于混凝土f = 5 6 。 另外，在边长相同的情况下，异形桩的桩尖截面较常规桩的截面小，故其端 阻力也小，但从另一个角度看，桩尖截面小也可以认为是一个优点，因为其挤土 效应比常规桩弱，沉桩更便捷，穿透能力更强，施工扰动小。 汤建南提出了确定单桩竖向承载力两种方法：一、按桩身结构强度确定，并 提出由于灌注桩的混凝土质量难以保证，一般地，按桩身确定单桩承载力时，应对 混凝土的强度等级进行折减：二、利用公式( 1 2 ) 确定 最= 彤吼t + g ，4 ( 1 2 ) 式中，吼，g 。分别为土层的桩周摩擦力的标准值、桩端承力的标准值。 杨敏等认为：一、异形截面灌注桩在较厚的软基中可以不需要较硬的持力层， 而桩底置于较硬的岩石中时，桩基的容许荷载将受混凝土的强度限制；二、异形 截面桩作为摩擦桩不仅是借助较大的周长增加了桩的摩阻力，而且由于软土的侧 压力使桩处于三向应力状态，使桩的竖向承载力增大；三、经现场试验发现，异 第一章绪论 形截面桩的桩壁对土体的剪力在桩周范围内有部分叠加，因此降低了桩周的有效 面积，计算桩的侧摩阻力时应乘以0 8 5 0 9 8 的安全系数；四、由于异形截面桩 的侧表面积比圆形截面桩大，另外，桩周土的应力分布较复杂，因此，此类桩的负 摩阻力比圆形截面桩大，计算单桩承载力时应一并考虑。 1 1 1 2 水平承载能力 牟玉玮认为在水平荷载作用下，当地基、桩长、桩截面积及砼标号相同时， 桩的抗弯刚度e 。i 1 5 可用桩截面的惯性矩表示，惯性矩大，桩的水平承载能力 大；反之，桩的水平承载能力小。 汤建南建议用公式( 1 3 ) 确定水平承载力 日扩( 1 4 - 野牺丽 ( 1 3 ) 0 ，l 以 式中，h 为桩项水平力的设计值( k n ) ，为综合系数，d 为桩的设计直径( m ) ，膈 为桩顶永久荷载产生的轴向力的设计值( k n ) ，厂t 为混凝土的轴心抗拉强度设计 值( k p a ) ，o 为桩身截面模量的塑性系数( 圆截面为2 ，矩形截面为l ，7 5 ) ，爿为桩 身的截面积( 2 ) 。 林天健认为异形截面桩与常规桩相比，具有较大的抗弯刚度，同时其抗弯能 力具有明显的方向性，设计时可以将桩抵抗弯曲能力最大的方向安排得与水平荷 载的方向一致。 第二节水平承载桩研究现状 在以往的建筑物桩基设计中，水平荷载一般由斜桩或叉桩承受，直桩只考虑 用来承受垂直荷载。随着实践的发展，水平荷载、桩长和桩径越来越大，大直径 斜桩的施工技术和施工机具都存在着困难，这就要求直桩承受一定的水平荷载。 事实上，只要直桩有一定的入土深度，保证地基土对桩产生一定的弹性抗力和嵌 固作用，直桩也能够承受一定的水平荷载。在实际的桩基础工程中，一般都是群 桩基础，上部结构物通过承台与桩相联结，因此，在考虑水平承载能力时，需要 考虑群桩效应和承台一桩一土的相互作用，有时还需要考虑动荷载，结合本论文研 究的内容，只考虑单桩在静荷载条件下的水平承载性能，不考虑群桩效应和承台 的作用。本文研究的y 形桩虽然不是圆桩，但水平承载性能的研究方法与圆桩却 是基本相同的，只是需要考虑其异形效应。 一 1 2 1 桩土相互作用机理分析 水平承载桩的研究内容就是桩一土相互作用问题，因此，首先要考虑桩一土相 第一章绪论 互作用机理。不论是完全埋置桩或是部分埋置桩( 桩的上段露出地面以上) 都是利 用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载和力矩的作用下受弯，桩身产生 水平变位和弯曲应力。外力的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传给土体， 促使桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。 当水平荷载较小时，这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要 为弹性的，即桩周土处于弹性压缩阶段，随着水平荷载的增大，桩的变形加大， 表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到 桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩一土体系便趋于破坏。 r 、 f 7 7 7 7 7 丌 ( a ) 桩头自由( b ) 桩头嵌固 图1 1 刚性短桩 桩一土体系的这一相互作用与桩、土的相对刚度有关。桩头自由的刚性短桩， 如图1 1 a ，由于桩下段得不到充分的嵌制且桩身不发生挠曲变形，故在水平荷 载的作用下将产生全桩长的刚体转动，绕转动中心转动时，在转动中心上方的土 层和转动中心到桩底之间的土层分别产生了抗力。这两部分作用方向相反的力构 成了力矩以共同抵抗由水平荷载产生的力矩，并和水平荷载构成力的平衡。桩头 自由的刚性短桩的破坏只发生于桩周士中，桩体本身一般不发生破坏( 因满足抗 剪强度要求) 。桩头嵌固于承台底板中的刚性短桩因不能实现转动而发生平移， 如图1 1 b ，由平移而获得土抗力。当土抗力不足以平衡水平荷载或嵌固处的弯 矩超过桩截面极限抗拒时，此类刚性短桩就发生破坏。刚性短桩的水平承载力一 般由桩侧土的强度控制。 桩、土相对刚度较低的弹性长桩则有不同的工作状态。此类由于相对的较具 柔性，故在水平荷载的作用下发生桩身的挠曲变形( 水平位移和转角) ，且由于桩 是无限长的( 在分析计算中，超过一定入土深度的弹性长桩可视为无限长) ，故桩 下段的土抗力可视为无限的，亦即桩下段可视为嵌固于土中而不能转动，如图 1 2 a ，由逐渐发展的桩截面抗拒和土抗力来承担逐渐增大的水平荷载。当桩中弯 矩超过其截面抗拒或土失去稳定时，弹性长桩便趋于破坏。桩头嵌固于承台底板 的弹性长桩的破坏也是这样的弯曲破坏形态，但是其极限抗拒可能在嵌固处和土 中两处出现，见图1 2 b 。 第一章绪论 厂7 7 7 乃厂。 ( a ) 桩头自由( b ) 桩头嵌固 图1 2 弹性长桩 简言之，按照桩、土相对刚度的不同，水平荷载作用下的桩土体系可有两 类工作状态和破坏机理。一类是刚性短桩，因转动或平移破坏，另一类是弹性长 桩，因挠曲雨破坏。本文研究的y 形桩属于弹性长桩。 1 2 2 水平承载桩试验研究现状 影响水平承载力的因素很多，包括桩的截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、 桩的入土深度、桩项约束情况等。单桩水平承载能力的确定方法，大体上有水平 静载试验和计算分析两类，其中以水平静载试验最能反映实际情况，故在建筑 桩基技术规范j g j 9 4 - 9 4 中推荐以水平静载试验作为确定水平承载力的基本方 法。在工程实践和科研进行过程中，人们做了大量的静荷载条件下水平承载桩试 验，这些试验可以分为两类：模型试验和现场试验。 1 2 2 1 模型试验 所谓模型试验，是先按照原型的主要特征，创设一个相似的模型，并利用该 模型来间接地研究原型规律的方法。模型试验可以根据需要具体设定，控制边界 条件、桩土材料特性，信息量大，可信度高，同时试验费用又很低，因此，前人 做了大量模型试验研究。 马骥1 运用有机玻璃模拟抗滑桩，研究了抗滑桩在不同情况下的受力情况、 桩前滑体的抗滑力、桩身变位、弯矩、抗力的变化情况。刘昌清“o 针对普通悬臂 抗滑桩进行了离心模型试验，通过改变桩间距、基底材料及桩前土体坡度形式来 分析不同情况下抗滑桩的受力及变形情况。吴春林。2 1 等通过对无筋c f g 桩在水平 荷载下的室内模型试验研究了桩顶有垂直荷载和无垂直荷载情况下的变形性状， 并与加筋刚性桩做了比较。周福田。1 等通过模型试验，研究了海洋采油平台在冰 和波浪等水平荷载作用下，隔水套管的工作性状，提出了隔水套管水平承载力的 计算方法。彭文祥等以铝管为对象，在砂箱中进行了不同倾角荷载作用下的室 内模型桩试验，以“m ”法假设为基础，给出了成层地基中倾斜荷载作用下柔性 桩的内力及位移分析解。吴鸣。”等运用柔性桩的室内模型试验，研究了大变形条 6 第一章绪论 件下的桩土共同工作性状，验证了有限元有限层法。王梅“1 等运用室内模型试 验，验证了其提出的单桩在水平荷载作用下的非线性i n 法。皇甫明。7 1 等运用室内 模型桩试验研究了水平力对竖直桩沉降和承载力的影响。文松霖。”做了扩底桩在 组合荷载下的模型试验，认为铅直荷载和水平荷载、水平荷载和弯矩荷载之间在 承载力方面存在着一定的相互影响。崔新壮捌等通过对粉质黏土中的刚性桩进行 模型试验与数值计算发现，回转中心位置随位移和载荷的增大，先是急剧下降， 然后变缓，最后基本趋于稳定，而且桩埋置参数与土力学参数对回转中心位置的 变化规律影响很小；而桩的转角随位移增大近似线性变化。 但是，室内模型试验若要真实地模拟现场试验是很困难的，首先，桩的水平 承载性能是一个复杂的桩土相互作用问题，桩周土的性质对承载能力有显著影 响，由于现场的土质情况多种多样，在室内模拟根本是不可能的，因此，当前的 室内模拟试验所用的桩周土绝大多数是砂土，和现场的土质条件差别很大；其次， 桩身材料的强度和配筋情况，目前，模型桩或用其它材料如铝管、铜管等代替混 凝土桩，或用不同标号的水泥或直接运用商业混凝土制作，而模拟配筋情况只能 在模型桩中加入一些钢丝、铜丝等代替配筋，因此，同现场试桩相比，很难达到 强度相似的要求；同时，由于现场施工过程中施工质量、桩与桩之间的相互影响、 模拟试验中的尺寸效应等因素的影响，模拟试验的结果有可能与实际情况差别很 大。因此，目前模型试验主要探讨水平承载桩在水平荷载作用下的桩身变形和桩 一土相互作用规律，很难同现场试验的结果进行对比。 1 2 2 2 现场试验 现场试验就是采用接近于水平受力桩的实际工作条件的试验方法确定桩的 水平承载力和地基土的水平抗力系数或对工程桩的水平承载能力进行检验和评 价；当埋设有桩身应力测量元件时，可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯 距分布。由于现场试验所得结果可靠，便于直接使用，因此，现场试验成为目前 测定桩的水平承载能力的首选手段，并且模型试验得出的承载力计算理论都要通 过现场试验予以验证，但试验准备周期长，且耗资大。 下面列举的是近几年国内所做的部分现场试验：黄质宏d o 】根据若干单桩水平 承载力现场试验资料，分析了桩在水平荷载作用下的特点及影响单桩水平承载力 的因素。宋功河口l j 运用单向多循环加卸载方法对软土地基中的两根桩径4 0 0 m m 的灌注桩进行了试验，分析了影响水平承载力的主要因素；朱彦鹏d 2 l 等针对黄土 地基，通过人工灌注桩的水平静载试验，对人工灌注桩与地基土共同作用时内力 与变形情况进行了研究。张栋材d 3 利用三桩反力装置通过慢速连续加载法对一根 桩径1 1 0 0 m m 的大直径人工挖孔灌注桩做了现场试验，结果表明桩周土的性质是 影响单桩水平承载力和性状的主要因素；杜红志【3 4 通过对单根嵌岩灌注桩在竖向 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 第一章绪论 平承载力及钢筋笼的设置长度提出依据。钟冬波【35 】等运用双桩对顶单循环慢速维 持荷载法对四根桩径1 0 0 0 m m 的全套管跟进冲抓成孔灌注桩做了试验，对水平荷 载作用下的桩顶变形特性、桩身主筋应力变化过程及桩身弯距分布趋势等进行了 详细的分析，提出运用m 值与单位荷载下位移增量的关系曲线确定l 临界荷载下的 m 值；李彰明【3 6 】等在土质边坡运用多循环加卸载方式对三根桩径1 2 0 0 m m 的人工 挖孔钢筋混凝土灌注桩做了试验，得出在水平位移一定的条件下，离坡脚愈近， 水平承载力愈大的结论；龚健【3 7 l 等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，认为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。劳伟康1 3 8 】等对7 根外径 1 4 0 0 m m 的钢管嵌岩桩做了试验，并运用综合刚度原理和双参数法对试验结果进 行了分析；王钰【3 9 】等运用快速荷载维持法对四根桩径8 0 0 r a m 的p h c 管桩做了试 验，分析了软土地基中p h c 桩受水平力作用时的内力、变形、临界承载力和地基 土的水平抗力系数的比例系数；张进林【4 0 】等运用单向多循环加卸载法对三根桩径 4 5 0 r a m 的振动沉管灌注桩做了试验，运用桩在水平荷载下的工作性状、地基土水 平抗力系数的比例系数的影响因素及其变化趋势来辅助判释单桩水平荷载试验 的成果，给出了实用的判释方法。 1 2 3 水平承载桩理论研究现状 长期以来，人们对水平承载桩的桩土共同作用机理进行了不断的研究和探 讨，总结一些计算理论，主要有三种方法：第一种是有限单元法；第二种是弹性 分析法，假定体为理想的半无限弹性连续体，其中最具代表性的是p o u l o s 的 方法；第三种是地基反力法，即忽略土的连续性，认为某点的抗力只与该点的位 移有关。 l ，2 3 1 有限单元法 计算机技术的发展，使应用有限单元法成为可能。有限元法在岩土工程中已 有较多的应用，但在水平承载桩分析计算中的应用尚不普遍。王成【4 l 】等在考虑钢 筋混凝土桩非线性损伤的情况下建立了一种空间耦合数值计算模型，用来模拟计 算桩身混凝土损伤引起的刚度降低和桩周土体不同应变软化模式对桩身水平位 移的影响。吴鸣“2 3 等采用层状各向同性弹性半空间地基模型，提出了有限元一有 限层法，对大变形条件下的桩土共同工作性状进行了分析。吴广珊【4 3 】等采用非文 克尔地基模型，依据m i n d l i n 的弹性理论解，建立地基的柔度矩阵，将桩视为由 侧向弹簧支承的连续梁，弹簧的刚度为变刚度，采用逐次迭代的方法求解，提出 了侧向受荷桩的有限元弹性理论分析法。张国栋【4 4 】根据试验数据，运用b p 网络 对横向承载桩和竖向承载桩的工作性态进行模拟并对单桩承载力进行预测，认为 网络的优点在于可表达一种高度非线形的映射关系，不考虑中间过程就能预测桩 第一章绪论 的承载力和桩的变形。金永强【4 5 l 等根据b p 算法的特点，应用神经网络对桩基的水 平承载能力进行了研究，提出了建立桩基承载力与土性参数、几何参数、材料参 数以及计算模型的不确定性之间的关系律，作承载力分析并作受力预测分析。蒯 行成“6 1 等采用平面应变有限元方法，对土体运动作用下的被动桩桩土相互作用进 行分析。分析中考虑土的塑性和大应变，并在桩土间设置接触单元，重点研究桩周 土的位移模式和土体处于不同状态时接触应力的分布规律，讨论了群桩中桩与桩 之间的相互作用对接触应力的影响。有限单元法的关键在于正确选用模型和设计 参数。尽管有限单元法已应用于水平承载桩的分析计算，但许多问题仍处于研究 探索阶段。 i 2 3 2p o u l o s 的弹性分析法 此法假定桩埋置于各向同性的半无限弹性体中并假定土的弹性系数e s 或为 常数或随深度按某种规律变化。计算时将直径为d ，长度为l 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 协方程估算微段中心处的桩周土 位移，另据桩的挠曲微分方程求得桩的位移，并用有限差分式表达。令土位移和 桩位移相等，通过每一微段处未知位移的足够多的方程来求解。该方法的最大缺 点是不能计算得出桩在地面以下的位移、转角、弯矩以及土压力等，其次是e s 值的确定比较困难。但是它能够考虑在水平荷载作用下的桩土间出现的脱离和土 的局部屈服等，有助于桩土性状的进一步探索。 1 2 3 3 地基反力法 地基反力系数法应用w m k e r 地基模型，把桩周土离散为一个个单独作用的 弹簧。某一弹簧受力时，仅该弹簧发生与作用力成正比例的压缩而和其它弹簧无 关，把地基土看作非连续介质且假定水平地基反力系数在整个位移过程中均为常 数状。根据对土抗力函数假定的不同，地基反力法分为：极限地基反力法、弹性 地基反力法和弹塑性地基反力法。 1 2 3 3 a 极限地基反力法 该方法事先假定土处于极限状态时地基反力的分布形状，按照作用在桩上的 外力及其平衡条件来求桩的横向抗力，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。根据土反力分布规律的不同假设，此法又分为：a 土反力按 二次抛物线分布的方法，如恩格尔物部法；b 土反力按直线分布的方法，如布罗 姆斯法等；c 土反力为任意分布的方法，如挠度曲线法等。极限地基反力法最初 是从象沉井那样的刚性结构物的应力问题中导出的，适用于埋入长度较短的刚性 桩，不能用于长桩及含有斜桩的桩结构物的计算。 9 第一章绪论 1 2 3 3 b 弹性地基反力法 弹性地基反力法假定土为弹性体，用粱的弯曲理论求桩的横向抗力。该方法 假定地基反力p 与桩的位移y 的n 次方成比例，即 p = o c ”y ” ( 1 4 ) 式中k 是土的弹性性质决定的系数。根据y 的指数n 的取法，弹性地基反力法可 以分为：n = l 时的线性弹性地基反力法和n 1 时的非线性弹性地基反力法。 1 2 3 3 b 1 线性弹性地基反力法 线性弹性地基反力法假定地基是服从虎克定律的弹性体，地基反力p 与桩上 任何一点的位移y 成正比，即假定n = l ，此时p = k x ”y ，水平地基系数虹定义 为桩发生单位挠度时，作用在桩单位面积上的土抗力，即k h = 觑“。根据k h 取 值的不同又分为常数法、m 法、c 法、k 法和综合刚度原理下的双参数法。由于 本文运用m 法进行计算，在后面会进行详细介绍，这里只简要介绍综合刚度原 理下的双参数法。 综合刚度原理下的双参数法假定水平地基反力系数k h = 嬲。，其实质，就是 通过调整两个参数m 和i 的值来改变水平地基反力系数k h 的分布图式，使之能 较好地符合桩在地面处的位移条件和桩身最大弯矩及其所在位置的实测值，从而 提高了弹性长桩的设计水平。实践证明，综合刚度原理下的双参数法能较好地解 决单一参数法存在的问题，使地面处桩的挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位 置等主要工程指标与实测值吻合，但该法必须在有试桩资料的情况下使用。 1 2 3 3 b 2 非线性弹性地基反力法 根据温克尔假设，作用于桩上的荷载和桩的位移是线性比例关系，这在位移 较小时是合理的，因为虎克定律本身就是以微小变形为对象的，但随着荷载的增 加，虽然桩的位移也增大，在位移变化较大时仍然假设地基为线弹性体是没有道 理的，因为此时上部部分土体已经进入塑性状态，因此温克尔假设不成立。所以 在桩的位移较大时，不容许运用线性弹性地基反力法，此时，桩身任一点的土抗 力与桩身侧向位移之问按非线性考虑，即n 1 ，此时为非线性弹性地基反力法。 其中最有代表性的是日本港湾研究所提出的港研法，取n = o 5 。根据地基的特性， 港研法又分为水平地基系数为常数的林一宫岛法和水平地基系数沿深度线性增 长的久保法。由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解，因此港研法采用 由标准桩得到的标准曲线和相似法则来求计算实际桩的受力状态。 叶万灵1 等根据大量现场试验数据得到的土抗力，经过数理统计后，采用了 非线性弹性地基反力模式，提出了一种水平土抗力与深度、位移的函数关系以及 1 0 第一章绪论 水平地基反力系数与土质指标的函数关系，得到了一种非线性计算方法乩法。 在桩的非线性计算中，汲取了“港研法”的相似法则的计算思路，推算出一套适 于n l 法计算的相似关系和计算表，使一般要求采用有限元法才能求解非线性方 程的情况能用简单的运算和查表就能求得，大大简化了计算方法，目前该方法已 经编八了港工规范。胡立万“”等根据有限元基本原理，编制了n l 法的计算程序， 用来分析一些规范中的相似原理不能计算的问题。 1 2 3 3 b 3 弹塑性地基反力法 长桩桩顶受到水平力后，桩附近的土从地表面开始屈服，塑性区逐渐向下扩 展。弹塑性地基反力法在塑性区采用极限地基反力法，在弹性区采用弹性地基反 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。由于塑性区与弹 性区水平地基反力分布的不同假设，弹塑性地基反力法又有长尚法、竹下法、斯 奈特科法和目前较有发展前途的p y 曲线法。 p y 曲线就是在水平力h 的作用下，泥面以下深度x 处的土反力p 与该点桩的 挠度y 之间的关系曲线。它综合反映了桩周土的非线性、桩的刚度和外荷作用性 质等特点。现有p y 曲线的方法很多，其中具有代表性的有以下几种：a m a t t o c k 提出的适用于软粘土的p y 曲线计算方法；b r e e s e 等人提出的适用于硬粘土的 p y 曲线计算方法：c 统一法：由s u l l i v a n 等人提出的适用于任一粘土的p y 曲线 计算方法：d 河海大学法：8 0 年代河海大学的学者们发现常规三轴试验中的主应 力差和轴向应变的非线性关系及试验得出的p y 曲线都符合邓肯模型，可以采用 双曲线函数来表达，从而提出了软粘土卜y 曲线的河海大学法。 第三节本文的主要工作及技术路线 本文拟开展研究工作及技术路线如下： 1 回顾国内异形桩的发展概况，对异形桩的技术特征和承载特性进行归纳； 对水平荷载作用下的桩一土相互作用机理进行分析；归纳国内近期在水平承载性 能研究方面的模型试验和现场试验，并对水平承载桩的各种计算理论进行简要介 绍。 2 对y 形桩的开发进行简要说明，分析y 形桩桩模与桩尖的设计，介绍y 形桩 的施工方法和工艺流程，以及质量检验和质量控制建议。 3 介绍y 形桩水平承载性能的试验方法及试验所用的仅器，对两裉y 形试验桩 进行从不同方向加载的水平承载性能试验，希望通过对试验结果的分析，对y 形 桩的异形效应有直观的认识。 4 介绍在桩基水平承载性能计算中常用的m 法及其差分解法，运用该解法对 试验结果进行计算，并将计算结果同试验结果相对比，找到有待改进之处，并提 第一章绪论 出改进思路。 5 运用a b a q u s 非线性有限元程序对试验结果进行模拟，将模拟结果同试验结 果相对比，证实模拟的适用性，进一步阐述y 形桩的异形效应，并对提高y 形桩水 平承载性能的措施进行模拟。 图1 3 本文开展研究工作的技术路线 la b a q u s 非线 l 性有限元模拟 l 第二章y 形桩技术简介 第二章y 形桩技术简介 b a r r e t t e - - 词源于法语，指的是一种采用膨润土泥浆或聚合物泥浆护壁，地 下连续墙施工设备开挖成槽的特大形混凝土灌注桩，它在形式上与单片地下连续 墙槽段是一样的，但在功能上是做为桩基来使用，将上部结构的荷载传递到地基 土中，而不是作为支护开挖的挡土结构。根据报道，b a r r e t t e 是在1 9 6 3 年由法国 s o l e t a c h e 公司根据当时的地下连续墙技术拓展构思和首创的。其横截面通常是 矩形，但在实际工程中，有时为了适应外部荷载的作用模式、建筑场地地下管线 的约束条件、柱件的排列方式或地下室边角的形状，其它横截面型式如十字形、 t 形、l 形、h 形、y 形和i 形等也被采用，比利时也有过用y 形碎石桩构筑复合地基 的工程范例。 在我国，振动沉管灌注桩由于其施工快捷、价格低廉的特点，深受工程界欢 迎，主要应用于软土地层中小型工程的桩基及围护。这项技术自7 0 年代引入我 国后得到了蓬勃发展，迄今建成建筑面积已逾数亿平米，产生了巨大的社会效益 和经济效益。但由于它是非置换型桩，固有的挤土效应限制了桩径过于扩大( 目 前多在巾5 0 0m m 以下) ；而桩长亦受到桩架高度的限制( 目前多在4 0m 以下) ， 因而单桩承载力已臻极致。 要增加单桩承载力，只有通过两条途径：一是增加端承力；二是增加侧摩力。 增加端承力的措施，多采取附加工艺，如夯扩、爆扩、旋扩、支盘挤扩以及桩底 注浆等，这些都能收得一定效果，但它们这些都是基于圆柱形桩的基础上。而改 变桩的截面形状也不失为提高侧摩力的有效措施，它的理论基础很简明：等截面 周边扩大，因而便产生这样的结论：任何异形桩的垂直承载力都大于等截面、等 长的实腹圆柱桩( 侧表面积增加，摩阻力相应增加) ，同时水平承载能力亦得到提 高( 惯性矩增大) 。异形桩的特性分析见表2 1 。 表2 1 圆桩、异形桩周长、惯性距比较表 y 形桩是一种派生于传统沉管灌注桩的异形灌注桩，很好地结合了国外特大 第二章y 形桩技术简介 型混凝土灌注桩的y 形截面和国内成熟的沉管灌注桩施工技术，形成了具有自主 知识产权的新型基础施工技术。y 形桩断面形状为三段弧线弧面向内组成的曲边 三角形，采用普通沉管桩的成桩工艺，仅将原有圆管形桩模