（地质工程专业论文）强潮汐河段群桩基础承载性能研究.pdf

摘要 随着群桩基础规模的不断突破，其传力机理越来越复杂。对于处在长江口深水环 境中的群桩基础，潮汐变化是影响其承载性能的一个重要因素。本文以国家“十一五” 科技支撑项目一“苏通大桥工程建设关键技术研究”和江苏省交通科学研究计划项目 一“超大型钻孔灌注桩群桩基础关键技术研究”为依托，针对潮汐河段群桩基础的承 载性能，采用原型观测、模型试验与数值试验相结合的方法对其进行研究，主要开展 以下工作： ( 1 ) 在阐述群桩基础和地基土组成结构的基础上，简要介绍了主桥群桩基础基 桩轴力监测点的布置。 ( 2 ) 针对复杂环境因素产生的随机噪声，借助基于小波信噪分离技术的m a t l a b 软件，在对比了不同小波基去噪效果的基础上，选择具有紧支集的正交d b 3 作为小波 基函数，对基桩轴力数据进行闽值为o 0 7 8 的1 层分解，从而消除了随机噪声对桩基 轴力实测数据影响。 ( 3 ) 根据消除随机噪声后的桩项轴力和桩身轴力实测数据，分析了潮位对苏通 大桥主桥群桩基础基桩轴力的影响，结果表明：桩顶轴力与潮位具有很好的负相关性， 潮位对角桩桩顶轴力影响最大，单位潮差下达到o 2 9 7 m n ，边桩次之，中问桩最小。 潮位变化引起的浮力传递深度达到河床面以下9 7 。6 1 0 5 3m 。 ( 4 ) 根据相似性原则，对2 种不同透水性的苏通大桥主桥群桩地基基础开展考 虑潮汐影响的室内模型试验，研究了潮位变化引起的低频循环荷载对群桩基础承载性 能的影响，试验结果表明：周期性的潮位涨跌使地基土产生硬化，增大了群桩基础的 工后沉降。 ( 5 ) 针对试验模型，采用a b a o u s 软件进行数值模拟试验，并根据试验结果反 演地基土的力学参数，从而反馈分析低频循环荷载对桩基础承载力的影响。 关键词：苏通大桥，群桩基础，潮汐影响，工后沉降，硬化，模型试验，数值试验 a b s t r a c t w i t t lt l l es c a l eo fp i l e 掣o u pf o u n d a t i 仰b r e a k i n gt h r o u 曲 c o n t i n u o u s l y ， i t s f b r c e m m s m i s s i o nm e c h 卸i s mi sm o r ea n dm o r ec o m p l 强f o rt h ep i k g r o l l pf 0 吼d a t i o n w h i c hb a s c di nc i l 柚西i a n ge s t u a r yd e e pw a t e r 甜v i r o n r n e n t ，t i d ea 舒t si t sb e a 血g b e h a “o re v i d e n t ly b a s e do nn l es c i e i l c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o 伊锄o f t h ee l e v e n t 量l f h 忙y _ e a l 3p l a i l eo fc h i n a 也ek 锣i q u e ss t u d yo f 虹l ec o n g 呐c t 硫o fs u t o n g 蹦d g e ，a n dj i a n g 姒p r o “n c i a lt r a 伍cs c i e n c es t u d yp r o 伊锄曲ek e y1 鼬l l i q u c ss t u d y o i ls u p 喇i z e db o r i i l gp i l e g r o u pf o u n d a t i o n ，t h eb e a r i n gb e h a “o ro ft h ep i l e - g r o u p f 0 吼d a t i o ni i ls 订o n gt i d a id v e ri sr e a s e a r c h e db yu s i n gm em e t h o dw h i c hc o m b i n e dm e 龃a l 蜘so f m e a s u r e dd a t a ，m o d de x p e i i m e n ta n df i n i t ce l e m 锄ts i m l l l a t i o n ，t l l em o s tw o r k s a l e 船f 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) b a s i n go nm ed i s c u s s i o no fc o m p o s t i o ns t n j c t i l r ea b o u tp i l eg r o u pf o u n d a t i o n 柚df 曲n d a t i o ns o i l ，a r r a i l g co fa x i a lf o r c em o n i t o r i n gp o j n t si nm a i nb r i d g e s 乒o u p f b u n d a t i o nw a si n t r o d u c c db r i e ( 2 ) f o rm er a n d o mn o s ew h i c hp r o d u c c db yc o m p l i c a t e de n v i m m e n t ，t h i sp a p e ru s e m a t l a bb 嬲e do nm ew a v e l c tn o i s ef i l t e r i n gt e c b n o l o g y ，a n a l ”i st h ed e n o i s i ge f f e c to f d i 脓e n tw a v e l e tb a s c ，t h e nc h o o s eq u a d i a t u r ed b 3w i mc o m p a e ts u p p o r ta sw a v e l e b 髂e n m c t i o 玛a n dm a k eo n e1 a y c rd e c o m p o s i t i o nw h i c hc h o o s eo 0 7 8 鹊衄s h o l dv a l u et o e l i m i n a t et l ca n b c t i o no f r a l l d o mn o i s ew i t hp i l 船a x i a lf o r c e ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ea x i a l f o r c eo fp i l e st o pa n dt h ca x i a l 缸c eo fp i l e sb o d y m e a s u r e d 加o fr 啪o v i n gr a n d o mn o i s e ，a n a 王y s i sm et i d a ll e v de 脓c to n 乒o u pp i l e f o l l t l d a t i o na x i a lf o r c co ff o 吼d a t i o np i l es u t o n gb r i d g em a i nb r i d g e n er e s u l t ss b 胛，c d t h a t ，t l l ea ) i a lf o r c eo f p i l e st o ph a sn c g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht i d a l l e v e ；t h ed e 掣e eo r d e ro f t i d a ll c v e lc h 姐g ee 虢c ta x i a lf o r c eo fp i l e st o pi sc o m e rp i l e ，s i d ep i l e ，m i d d l ep i l e ，a i l d o n em e 【e rt i d a lr 柚g ea 行t sa x i a lf o r c eo fc o m e rp i i eo 2 7 3m n t i d a l l e v ea 位c t st h c d e p l h o f t h e p i l e s9 7 6 1 0 5 3m e t e r b d o wt h es 1 f h c e o f r i v e f b e d ( 4 ) a c c o r d i n gt om es i m i l 撕t yp m c i p l e ，s e v e r a lg r o u p si n d o o rm o d e l t e s t sf o r 嘶 d i 蚯d e n tk i n d so f p i l eg r o u pf o u n d a t i o no f m a i nb r i d g ei ns u - t o n gw e r ed o n e ，i n 也o s et e s t s l h et i d a li n n u 吼c ew a sc 0 璐i d e r “1 1 l 吼t l l e 跚m o rd i dr 鼯e a r c hi n l o w - 丘弼u c yc y d i c i o a 曲喀讹c hc a u s e db yt l l ec h a l l g eo f t i d a “e v e le m 烈0 ns 甜l 锄曲ta i l db e a 血gc a p a c i 馈 麟【l l l t ss h o w c dm a im ec y c i i c a lv 耐a t j o no f t i d a ll e v e l l e a dt oh a r d e n i n go f f i o u l l d a t i o ns o i l ， i tc a _ u s 器t h ep o s t - c 0 i l s m l c t i o ns e t t l 伽1 踯ti i l c r e a s i n go fp i l eg r 0 1 巾f o u n d a t i o 璐 ( 5 ) b a s e d 蚰l a b o 豫t o 叮翔o d e l t e s t a n d m e b a s i c 皿n c j p l e o f n o n l i n e a r 磊n i f e d 锄e n t m e m o d ，s o i lm e c h a i l i c sp a r a r n e t e r sa r ei n v e r s e db yl l s i n ga b a q u ss o f h a r c ，缸dm ee 位c t o f 也el o w 舶q u e n c yc y c l i cl o a d i n gt om eb e 硼n gc 印a c i t yo fp i l eg r o u pi s 粕a i y z e d q u a m i t a t i v e l y k e yw o r d s ： s u t o n gb r i d g e ， p i l e - g r o u pf b u i l d a t i o n ， 删a le 彘c t ，s 砌锄e n ta f t e r n s 仃u c t i o n ， h a r d c r i m g ，s c a l em o d e le x p e r i m c n t ， n u m e r i c a le x p 丽m e n t 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) ：鍪造2 0 0 8 年6 月1 3 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、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) ：毯造2 0 0 8 年6 月1 3 日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 灌注桩的发展历史 桩基础是一种历史悠久的基础型式，桩的应用至少己有1 2 0 0 1 4 0 0 0 年历史【l 】， 早在1 9 8 1 年美国的考古学家在太平洋东南沿岸智利古文化遗址已发现了一问支撑于 木桩上的木屋，是目前人类历史上最早采用桩的记录。我国的考古学家在浙江余姚河 姆渡遗址【2 】发掘了7 0 0 0 多年以前新石器时代的河姆渡文化遗址，发现了数百根木桩。 人类使用木桩经历了漫长的历史时代，但在水泥等人工材料出现以前，安髑云土能利用 的桩型只是由天然材料作成。在2 0 0 0 年以前的汉代，我们的祖先在桥梁建设上就有 大规模使用木桩的记载【3 1 ，到了宋代我国桩基应用已逐渐普及，山西晋褐圣母殿和上 海华龙塔等古代建筑都采用桩基础，历经千载而存留尚好。 人工挖孔灌注桩于1 8 9 3 年在美国问世，至今已有1 0 0 多年的历史【4 】。当时芝加哥、 底特律等城市用地紧张，高层建筑不断增加，但是这些城市地表以下存在着很厚的软 土或中等强度的粘土层，建造高层楼宇，如果采用当时通行的摩擦桩，必将会产生很 大的沉降。工程师们借助掘井技术，把桩孔挖到很深的持力层，桩径足够犬，人工挖 孔灌注桩就这样产生了。钻孔灌注桩技术始于2 0 世纪4 0 年代，随着大功率钻孔机具 的产生，也是在美国问世的。随着二次世界大战后世界经济的复苏与发展，高层、超 高层建筑物的不断兴建，它们绝大多数都选择了钻孔灌注桩。尤其是7 0 年代以后， 钻孔灌注桩技术在世界范围内出现了蓬勃发展的局面。 中国钻孔灌注桩是1 9 6 3 年在河南省涎生的1 5 】。1 9 6 5 年4 月交通部在河南召开钻 孔桩技术鉴定会，认为它是一项重大技术革新，决定在全国推广。1 9 6 5 年交通部在河 南举行鉴定会之后，随即以交通部公路科学研究所为首，河南、吉林、湖南、陕西、 四川等省参加，组成专题研究组，并动员全国公路桥梁系统大协作，对钻孔桩的施工 工艺、设计方法进行全面系统的研究。专题研究组收集了全国1 0 5 根桩径最大达1 4 0 c m ，桩长最大达4 7m 的试桩资料进行分析整理，除了施工工艺外，最重要的是提出 了钻孔灌注桩的设计方法。 随着改革开放步伐的加快，钻孔灌注桩技术在我国得到迅速发展，数年间己普及 河海人学硕士学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 于全国数以百计的大中城市及各新兴开发区。迄今，挖孔灌注桩的最大直径己达8m ， 深度愈6 0m ；钻孔灌注桩最大直径超过4m ，深度愈1 5 0m 。据统计，自9 0 年代年 以来我国应用钻孔灌注桩数量之多已堪称世界各国之首，每年用量在1 0 0 万根以上， 可谓起步晚而发展迅猛。目前钻孔灌注桩技术不仅广泛应用于工业建筑、高层楼宇、 重型仓储基础，而且还应用于江海大桥、地质灾害的治理等领域，因此具有广阔的发 展前景。 1 1 2 钻孔灌注桩的特点 钻孔灌注桩与其它桩相比较有如下技术特点【6 - 7 l ： ( 1 ) 可根据土层分布情况灵活选取桩长，容易适应持力层面高低不平的变化： ( 2 ) 可采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用，这是其它任何桩型所不 能做到的； ( 3 ) 单桩承载力高，桩身刚度大，通常布桩间距大，群桩效应较小： ( 4 ) 不需要搬运吊装，不必承受打击，因而可用较低的配筋率，并可视建筑物的 重要性和荷载条件仅在桩身上段配筋或沿深度做变截而配筋； ( 5 ) 可穿越各种软、硬夹层，也可将桩端置于坚实土层或嵌入基岩，具有广泛的 适应性； ( 6 ) 可根据建筑物的荷载分布与土层情况采用不同桩径，并且桩身配筋可根据荷 载大小与性质及荷载沿深度的传递特色以及土层的变化配置； ( 7 ) 施工机具比较简单、轻便，可用简单设备施工出单桩承载力很高的桩。 1 2 问题的提出 本文以正在研究中的国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 项目) 一“灾害环境 下重大工程安全性的基础研究”、国家十一五科技支撑项目一“苏通大桥工程建设关 键技术研究”和江苏省交通科学研究计划项目一“超大型钻孔灌注桩群桩基础关键技 术研究”为依托，苏通长江公路大桥位于江苏省东南部长江口南通河段，连接苏州、 南通两市，西距江阴大桥约8 0k m ，东距长江入海口约1 1 0k m 。苏通大桥由主航道桥、 专用航道桥、两岸引桥组成，全长8 2 0 6m ，也是世界上目前主跨度最大的斜拉桥。 该桥是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道， 也是江苏省公路主骨架之一一赣榆至吴江高速公路的重要组成部分，对于促进我国东 第一章绪论 部沿海地区的社会发展以及区域之问的经济交流和合作发挥着重要的作用。 苏通大桥是在深厚软弱地层中修建的主跨世界第一长的斜拉桥，其群桩基础对沉 降和变形以及受力有着极其严格的要求，而苏通大桥群桩基础位于长江口强潮汐河段 深水环境中，施工技术、施工环境和施工过程都是极其复杂的，故其受力和沉降的影 响因素很多。其中，潮位涨跌对群桩基础的承载性能有较大的影响。弄清楚强潮汐河 段地表水位对群桩基础承载性能的影响，对更全面认识桩基础的承载性能及对指导桩 基础设计都有十分重要的理论与现实意义。 1 3 国内外研究现状 针对强潮汐河段群桩基础承载性能研究，目前无论是国内还是国际上极少见公开 的报道。而针对桩基承载性能的研究，国内外采用的方法主要有试验方法、原型监测 和理论计算方法。试验方法主要有室内模型试验和静荷载试验；理论分析方法主要有 荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法和有限单元法。本文借鉴的方法是室内模型试 验、原型监测方法与有限单元法。以下就上述几种国内外常用方法的研究现状分别作 简单介绍。 1 - 3 1 试验方法 ( 1 ) 室内模型试验 由于进行群桩或单桩的原型试验需要花费大量的人力、物力和时间，或因场地条 件或其它因素的限制无法进行原型试验，室内模型试验相比较现场试验而言，可以将 较大的原型工程进行合理的相似设计，进而转换为尺寸适合的模型，进行各项分析， 试验所需的人力物力较少，且周期较短。所以，运用室内模型试验来研究桩基承载性 能是一个行之有效的方法。 游庆仲掣8 】通过单桩离心模型试验，获得了荷载与沉降关系曲线、桩身轴力分布， 研究了大直径超长桩在竖向荷载作用下，桩侧摩阻力、桩端阻力、桩身压缩变形等变 化规律，分析了桩端注浆对承载特性的影响，验证了设计参数。王多垠等【9 】为了研究 内河大直径嵌岩灌注桩在承受横向载荷作用下的工作特性，通过室内大比尺模型试验 测试不同横向载荷和岩体襟边宽度时桩及基岩的力学特性，试验得出结论对软质基岩 横向承载力桩的研究和设计具有重要参考价值。骆首峰【1 卅基于对大直径钻埋混凝土桩 施工工艺的分析研究，通过室内模拟试验，分别模拟桩与桩侧、桩端介质在不同注浆 3 河海大学硕士学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 情况下的相互作用性状，分析了桩侧介质变化时不同深度处桩侧极限摩阻力的变化规 律和桩端介质变化时引起桩端承载力的变化规律。孟凡丽【1 1 】等通过室内模型试验来研 究支盘桩在重复荷载作用下的承载和变形性能。朱小军【1 2 】等在室内模型试验的基础 上，对长短桩组合桩基础的荷载与沉降的关系、桩身侧摩阻力分布、桩身内力以及长 短桩组合桩基础中长桩和短桩承载性状发挥状况等问题进行了分析，得到了一些规律 性的、有价值的结论。刘三仓等【”l 通过黄土地区大量的室内取样试验、现场桩基荷载 浸水试验资料的分析与研究，揭示了黄土在含水率递增过程中抗剪强度的变化规律、 非饱和饱和状态下桩侧摩阻力的发展变化以及桩端在砂层、卵石及黄土条件下的附 加沉降变形，并建立了黄土地区桩侧摩阻力和单桩承载力的经验公式。刘春波等【1 4 】 通过室内模型试验分析研究了超长单桩在竖向荷载作用下的荷载传递机理。冯忠居n 5 】 通过室内模拟试验及数值仿真，对在竖向荷载作用下桩的承载性状进行了分析，并对 在水平向荷载及其组合荷载作用下桩的内力变化规律进行了分析。 ( 2 ) 静荷载试验 工程界认为桩基静载荷试验是最直接、最可靠的现场测定单桩竖向极限承载力、 桩身轴力、桩端沉降的有效方法，静载荷试验由于接近于桩的实际工作状态，可以考 虑桩在工作条件下的各种因素( 包括地基土的支承能力、桩身材料和施工影响等) ， 这是其它任何方法所无法比拟的，所以桩基工作者通常把其作为研究桩基承载性状的 一种重要手段。当前，这方面的研究主要是针对某一具体工程实例。 冯章炳【16 】等对西安某地的3 根试桩做了竖向抗拔静载试验，分析了灌注桩在受荷 时的轴向拉力传递、侧阻力发挥和桩端阻力特性，通过对试验结果的分析讨论，揭示 了该地区土层抗拔侧阻力的耿值特点以及灌注桩的抗拔承载特性。王陶【l7 j 等利用工程 桩作为锚桩，并在反力系统中充分应用预应力技术，建立了大吨位静载试验装置，分 析了超长桩的承载性能和荷载传递机理。吕福庆【1 8 】等根据武汉市1 9 个工程桩基静载 试验的实测资料，对武汉市钻孔嵌岩灌注桩的静载荷试验结果进行了讨论。张耀年等 【l9 】通过对福州大直径灌注桩的荷载传递性能进行研究。指出福州软土地基中灌注桩的 荷载传递以桩侧摩阻力为主，端承力一般小于桩顶荷载的1 0 。极限桩侧摩阻力发挥 所需要的桩土相对位移，粘性土为l 3m m ，无粘性土为5 7 咖。王国民【2 0 】对以红 色碎屑沉积为主的软质岩的大直径钻孔灌注桩静载试验资料进行分析，认为当嵌岩深 度大于或等于l o 倍桩径时，桩底反力仅是桩顶荷载的o 2 5 o 3 0 ，桩的承载能力 4 第一章绪论 将由桩身混凝土强度所控制，碎屑软岩的桩侧摩阻力发挥所需桩土相对位移约1 0 m m 。 徐松林等【2 1 】通过使用瑞士产的滑动测微计测定静载试验中桩的轴向应变，并分析桩 土荷载传递特性。桩与土发生荷载传递，在桩土分界面有一定的桩土相对位移，且 随着桩土间相对位移的增加，摩阻力呈非线性增长，当相对位移达到一定值时，摩 阻力不再增长或者增速极为缓慢。据此，提出同时考虑土的非线性特性及桩身各单元 相互影响的弹簧片组合模型来分析桩土荷载传递规律。刘金砺等通过粉土和软土 中不同桩距、不同桩长原型与模拟群桩竖向荷载下变形试验研究结果表明：均匀土层 中群桩变形性状随桩距而变化，桩间土压缩变形所占比率随桩距的增大而增大，桩底 平面以下整体压缩变形和压缩层深度随桩距的增大而减小，桩沉降的相互影响比线弹 性理论值小的多。据此，对弹性理论法中的相互影响系数和沉降比的理论值进行了修 正。余承昭等根据所收集到的钻孔灌注长桩的工程静载试桩资料，就这类长桩在垂 直荷载作用下的受力机理和容许承载力的确定做了一些分析和讨论。辛公锋等【2 4 】通过 对深厚软土地基中超长桩静荷载试验和桩身应力测试结果的分析，研究了高荷载水平 下超长桩的荷载传递机理和承载性状。 1 3 2 原型监测法 由于运用原型监测法来研究桩基的承载性能需要花费大量的人力、物力，因此对 这一方法的运用实例不是很多，但运用原型监测所获得的数据真实、准确，也是为人 们所亲睐的一种方法。史佩东等2 5 1 综合研究了国内外2 0 余年来承受竖向荷载的嵌岩 桩研究所取得的进展，并通过对1 5 0 例现场实测资料和两例原位长期观测资料的分析。 得出了承受竖向荷载的嵌岩桩的一些荷载传递机理和经验性的规律。而董金荣等2 6 】 对福州地区以碎卵石层为持力层的钻孔灌注桩进行监测，并分析其荷载传递规律，指 出在设计承载力的桩顶荷载作用下，桩端分担荷载比例占1 0 2 0 极限状态下，桩 端分担荷载比例可达4 0 4 5 。贺武斌等人通过安设测试仪器对承台下基土反 力、桩侧摩阻力、桩端阻力等进行了测定，根据试验结果分析了群桩基础中荷载传递 规律、桩侧摩阻力和桩端阻力特性。本文的工程背景苏通大桥主塔基础采用了安全监 控的方法，通过在基桩内部安装应力应变传感器，以此获得桩身轴力及桩端阻力的数 据，来研究群桩的承载性能。 1 3 3 理论分析方法 ( 1 ) 弹性理论法 河海大学硕士学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 从2 0 世纪6 0 年代开始，许多学者就用弹性理论法分析桩的荷载传递和变形，其 基本假设是：作为线弹性体的桩被插入一个理想均质的、各向同性的弹性半空问体内， 其弹性模量e 和泊松比不因桩的存在而变化，桩周粗糙而桩端平滑，桩与土保持弹 性接触，不考虑桩体与土体闻的相对滑移，因此桩体位移等于相邻土体位移。弹性理 论法一般先把桩划分成若干个均匀受荷的单元，通过桩上各单元的桩体与临近土体的 位移协调条件求得各单元受荷大小。桩身位移由轴向荷载下桩身的弹性压缩求得，而 土的位移采用m i n d l i n 公式进行计算。p o u l o s 从弹性理论中的m i n d l i n 公式出发，系 统的导出了单桩和群桩的计算理论。弹性理论法的优点在于考虑了土体的连续性，因 而可用于分析群桩。弹性理论法的不足之处是将土体看成线弹性体，忽视了土的非线 性，同时该法假定桩一土之间无相对位移，但实际桩土之间存在相对位移。 为了把均质土中已有的公式应用到非均质土中，p o u l o s 【2 8 也明近似假定土体内的应 力与原均质土中分布情况相同，而计算土体位移时所用土的模量与该点所在位置有 关。对于桩尖以上有若干土层的情况，p o u l o s 建议也可取加权平均模量来代替。此外， p o u l o s 法也可以考虑桩土之问相对滑移的影响。对于有限厚度土体及端承桩的情况， p o l l l o s 通过采取近似位移影响因素及“镜像法”进行了计算。b u t t e r f i e l d & b a n 卅e e 等 人【3 0 】和b a n 鲥c e d r i s c o l l 川在这方面也做了大量的工作，在均质、线弹性假设下采用 m i r l d i i n 位移基本解建立了弹性分析方法。其理论比p o u l o s 法严格，对桩底单元进行 了细分，直接对桩单元进行计算。对刚性桩可直接求得桩荷载和位移之间的关系，对 可压缩性桩，则利用迭代法求解。g e d d e s 【3 2 - 3 3 】先根据m i n d l i n 公式计算地基中应力， 然后再求得沉降表达式，进而考虑桩间应力重叠效应，利用叠加原理求出群桩在荷载 作用下地基中应力及变形，而计算沉降的方法与常用的分层总和法基本相同。在求解 土中应力时，g c d d e s 将m i n d l i n 公式推广，导出了由于桩端阻力及侧摩阻力所产生的 土中应力计算公式。其中，桩端阻力按集中力考虑，桩侧摩阻力考虑了沿深度均匀分 布和呈线性增加两种情况。洪毓康等人口4 】和楼晓明也根据m j n d l i n 的应力解答提出 了分层地基中群桩基础共同作用分析的弹性理论法，由于计算中采用了迭代法，可用 于分析大规模的群桩基础，计算桩底反力及桩侧摩阻力。张永谋等人在h e y d i n 叠既 和o n e i l l 提出的荷载传递函数基础上，应用矩阵位移法，建立了一种单桩荷载与沉 降的数值分析方法。杨军龙等人【3 7 】在双折线模型基础上推导单桩桩侧摩阻力的分布， 以m i n d l i n 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降，推导了一系列单桩沉降的解析表 6 第一章绪论 达式，计算结果可直接用于单桩分析。陈仁朋等人【3 8 】提出的单桩和群桩弹塑性分析方 法克服了以前应用较多的弹性理论法夸大桩土相互作用的缺点。建立了考虑桩土界 面可以滑移、土体存在极限阻力的单桩分析模型，采用位移协调法分析了单桩的荷载 传递特性。在此基础上，研究了桩顶荷载水平对两桩相互作用系数的影响，建立了考 虑桩顶荷载水平的相互作用系数计算公式。并将上述方法应用于群桩的分析，获得了 群桩的荷载沉降特性。高洪波等人【3 9 ) 利用位移协调法结合柔性桩的弹性压缩，分析了 单桩的沉降计算公式，对g 。d d e s 应力公式中位移影响系数进行了简化计算，提高了 单桩沉降量的计算精度。黄菊清等人【删以弹性理论为基础，提出一种单桩非线性沉降 分析新模型。提出的模型可同时考虑桩底土的非线性、桩侧界面接触非线性及桩周土 体受剪的非线性变形。罗春波等人基于p o u l o s 桩顶受荷的弹性理论解，对o c e n 试桩法在桩端受荷条件下桩侧摩阻力和桩身位移的弹性理论公式进行了推导。 ( 2 ) 剪切位移法 c o o k e 【42 j 在试验和分析的基础上提出了剪切位移法，用于分析均质弹性地基中纯 摩擦桩问题。c o o k e 认为摩擦桩的沉降主要是由桩周土的剪切变形引起的，所采用的 假设是：离开桩体距离相等处剪应力相等，且剪应力与离开桩体轴线距离成反比关系。 这一假定被c o o k c 等人用单桩和群桩成果所证实，但由于不考虑桩的压缩和桩土滑 移及桩端阻力的作用，故此法仅适用于小荷载下纯摩擦桩的分析。 此后，r a n d l o p h w j n h 4 3 对该法做了补充和修正，使之可以考虑可压缩性桩的情 形，提出了桩的影响半径与桩长及土层性质有关，并且可以考虑桩长范围内轴向位移 和荷载分布情形。杨嵘昌等【删把剪切位移理论推广到分析桩间土的弹塑性变形，并把 建立的关系应用于桩一土一承台共同作用的数值分析中。田管凤等【4 5 1 提出分析群桩基 础的剪切位移法。宰金珉等【4 6 】用广义剪切位移法和有限层法模拟桩的非线性工作性状 和桩土、桩桩、土土之间的非线性相互作用，探讨了筏板刚度、布桩方式等因素对 桩筏基础非线性共同作用的影响规律。苏骏 4 刀从桩土相互作用的机理出发，采用太 沙基一维固结理论和剪切位移法，求出地层沉降过程中钻孔灌注桩桩侧负摩阻力、桩 身轴力随深度和时间的变化规律。钟闻华等【4 8 】利用剪切位移法分析计算软质基岩上的 嵌岩桩沉降变形。聂更新等【4 9 l 用线性弹性和塑性线性强化模型模拟桩周土的剪应力与 剪应变非线性关系，将弹性阶段的剪切位移法推广到塑性阶段，得到了广义剪切位移 理论，建立了桩土间耦合力学模型；利用此理论，分别对桩周土处于弹性、半塑性 河海大学硕十学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 和全塑性3 个不同阶段进行分析，推导出了不同边界条件下桩的荷载沉降曲线的解 析表达式以及统一解析式，对实际桩基进行了计算。岑文静【5 川考虑桩侧土体材料的非 线性，采用剪切位移法分析计算得出了水泥浆替换桩侧泥皮使桩侧剪应力值增大。黄 则伟【5 1 】在r a n d o l p h 和w m t l i 等学者进行的运用剪切位移法分析桩土共同作用的研究 基础上，运用线弹性分析方法，对砂性土地基条件下的可压缩受压单桩进行了受力点 位移与所受荷载关系研究，得到了相应的位移变形特性。赵明华等5 2 】在对刚性桩复合 地基的工作机理及受荷过程中刚性桩与桩问土的受力特性进行分析探讨的基础上，引 入m y l o n a “s & g a z e t a s 模型模拟桩与桩及桩与土之间的相互作用，充分考虑桩侧土体 的非线性特性，假定桩侧土剪应力与剪应变的弹塑性关系，应用剪切位移法分别导出 弹性阶段及弹塑性阶段桩顶荷载与桩顶位移的显式关系式。在此基础上，考虑垫层作 用的影响，提出一种能综合考虑桩土垫层体系共同作用的刚性桩复合地基沉降计算 方法。 ( 3 ) 载荷传递法 荷载传递法首先由s e e d & r e e s e 提出，其基本假设是把桩沿长度方向分成许多 弹性单元，土体对单元的作用用独立的线性或非线性弹簧描述，桩体单元之间的相互 作用忽略不计，即桩体中任一点的位移只与该点的桩侧摩阻力有关，而与其它点的无 关，土体被假定为离散弹性介质。这种方法的优点是：较好地解决了桩土问非线性 问题、界面特性及成层地基问题，而且计算简便，易为工程界接受。其缺点是桩上任 意点的位移仅与该点的剪应力有关，而与桩身其它点的应力无关，不能考虑土体的连 续性，不能考虑桩与桩之问的相互影响，所以长期以来荷载传递法只能求解单桩问题， 但现已有多种途径将荷载传递法推，。至群桩沉降计算。 在s e e d & r e e s e 提出荷载传递法之后，k e z d i 【5 4 1 、佐滕悟【5 5 】、c o v l e & r c e s e 【矧、 g a r d n 一5 7 1 、以及w a y v e 晒y a 等【5 8 】相继在此基础上有所发展，提出了不同形式的荷载 传递函数。1 9 8 1 年，鼢m 等人【5 川根据r a n d o l p h 和w b n h f 删提出的理论建立了理论荷 载传递函数( 理论f z 曲线) ，该曲线能较好地反映桩侧士体的非线性和成层非均质 性，能考虑桩和桩侧土体等各种因素的影响，所需要的参数也都可以从现场原位测试 和土工试验中获得，该理论大大推动了荷载传递法的发展。近二十年来，也有不少学 者在改进这种方法上做出贡献。袁建新等1 6 i 】结合理论f z 曲线的分析，提出了一种 桩荷载与变位的数值分析方法。卢应发等1 6 2 1 提出了一种以p s 曲线求解桩的荷载和 第一章绪论 沉降分布的方法，该方法能划分任一级荷载下的桩侧摩阻力、桩端反力产生的桩身变 形及桩端沉降。陈龙珠等【】利用双折线硬化模型推导出一组计算桩的轴向荷载与沉降 曲线的解析算式，并由此分析桩周土特性参数对曲线形状的影响。阳吉宝畔l 指出传统 的荷载传递函数法由于假定桩侧任何点的位移只与该点上的摩阻力有关，而与其它点 的应力情况无关，忽视了土的连续性。不能考虑由于桩侧摩阻力向下传递而引起的桩 端土体压缩所产生的桩端沉降，即不能准确地分析桩端及桩身下部受力状况与位移， 因此，阳吉宝用荷载传递法和g e d d e s 解析解相结合的混合法对此进行了修正。邱钰 等【”崃用双折线荷载传递函数，用荷载传递法导出深长大直径嵌岩桩单桩沉降计算的 解析公式。曾友刽删提出了用指数函数作为荷载传递函数分析超长单桩的荷载传递， 考虑桩侧摩阻力引起的桩端土沉降作用，对指数函数进行了修正，用优化方法对单桩 静载试验结果进行反演分析，优化出桩周各土层和桩端土荷载传递函数的岩土参数。 所测3 根静载试验超长单桩的计算结果与试验结果较符合，说明修正后的荷载传递函 数可用于分析超长单桩的荷载传递。董平等【6 刀结合桩岩作用的剪滑扩张规律，建立了 适于弱质岩石嵌岩桩嵌岩段的荷载传递函数及相应的解析解。张永谋1 6 8 】采用h e y d i n g 和0 n e i l l 提出的荷载传递函数分析单桩，并对单桩荷载传递特性的一些基本规律进 行了讨论。刘齐建等f 6 9 】提出了一种改进的竖向受荷下桩荷载传递计算方法。贺炜等【7 0 】 引入双曲线模型，以荷载传递法建立桩身荷载传递基本微分方程对基桩荷载传递性状 进行非线性分析。袁振等p ”以荷载传递法为基础，研究了不同桩端刚度和不同沉渣厚 度下灌注桩桩顶荷载与桩顶沉降关系及桩侧摩阻力的分布情况，讨论桩端条件对单桩 荷载传递特性的影响。蒋益平等【7 2 】采用荷载传递法，根据桩侧土的塑性发展规律，推 导得到自平衡试桩荷载与沉降曲线的完整解析解，其中桩侧土采用双折线模型、桩端 土采用三折线模型。讨论了传递函数模型参数的确定方法。王非等【乃】基于层状地基采 用双曲线模型为荷载传递函数，提出了用m i n d l i n 解和桩土共同作用的联合方法对荷 载传递法的进行修正，并计算分析了单桩承载特性。卢永全等f n 】基于桩侧与桩端的广 义荷载传递模型，引入混凝土的r u s c h 模型以考虑高荷载水平作用下桩身混凝土的弹 塑性性状，建立了桩基荷载沉降关系的统一计算方法。该解法使基于荷载传递法的 单桩荷载沉降关系计算方法得到完善和统一。 ( 4 ) 有限单元法 作为土工分析的一种计算方法，有限单元法可以方便地考虑土体的非线性、非均 9 河海大学硕士学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 质性，并可引入特殊的桩土接触面单元，因而被认为是分析桩基承载性能最有效的 方法之一。有限元分析时，在桩土接触单元的取法问题上，r e g o o d m a n f 7 5 1 最早提出 将接触单元或称节理单元，用于模拟平面问题中不计厚度影响的地下不连续面。其后， 雷晓耐7 6 1 、d e s a i 【7 7 】、殷宗泽【7 8 】、张冬霁限8 叫等对接触摩擦单元、四边形单元、有厚 度的接触单元及土与结构物接触面模型进行了研究，得出了许多值得借鉴的研究成 果。之后，有越来越多的学者用有限单元法来模拟桩基的承载性状。陈雨孙等用有限 单元法模拟了挖孔灌注纯摩擦桩的实测尸s 曲线，对纯摩擦桩的工作状态和破坏机 理做了分析，认为桩侧土体的抗剪强度直接决定着摩擦桩的承载力。池跃君【8 1 。8 2 1 针对 超长桩荷载传递机理的研究非常缺乏这一问题，编制了单桩非线性有限元程序对超长 桩的荷载沉降特性、桩侧摩阻力分布特性进行了深入详细的计算分析，揭示了影响 其特性的主要因素，得出了一些结论。之后又利用反分析法来解决有限元法计算桩 士作用时土性参数难以耿值的问题，将反分析法得到的参数值回代到有限元法中并重 新计算桩侧摩阻力、桩身轴力、桩身沉降，与实测结果比较吻合，较好的反映了桩 土受力的情况。邱钰等人【8 3 l 采用线弹性与弹塑性模型，运用有限单元法对深长大直径 嵌岩桩单桩的承载性状进行了分析。李晋等人【“荆用m a r c 软件，在计算模型中将 土体视为弹塑性体，桩土接触关系为库仑摩擦，对大直径空心桩这一新型基础进行 了数值仿真。张建新等人 8 5 堪于a n s y s 数值模拟，分析了不同桩距下疏桩基础的承 载性状。吴鹏等人 8 6 蛙于有限元荷载传递联合法，利用通用有限元软件a b a o u s ， 对均匀士中超长单桩的承载性状进行了分析研究，具体分析了桩长、桩径对超长大直 径桩承载性能的影响。陈亚东等人【8 7 】基于无厚度的接触面单元模拟桩士之间的非线 性接触特性，采用m o h r _ c o u l o m b 弹塑性本构模型描述土的非线性特征。桩体取为弹 性，对带承台单桩进行了三维弹塑性有限元分析。吴鹏等人【8 8 1 用有限元分析程序 a b a q u s ，对土体采用m o h 卜c o u l o i n b 模型，对桩土界面采用非线性弹簧模拟荷载传 递，对超大直径超长桩组成的群桩基础的承载性状进行了参数分析。具体分析了桩数、 桩距、桩长、桩径、土变形模量、土内摩擦角、土粘聚力等因素对群桩的荷载位移 曲线及桩顶轴力分布的影响规律。李志明等人【8 9 l 基于有限元方法对水平承载桩的受力 变形进行了模拟分析，考虑到土体的非线性因素以及桩土界面的接触特性，引入了 界面接触单元，利用罚函数的算法对其工作性状进行了综合分析，并分析了在分级加 载作用下的桩身内力的分布模式和变化规律。 0 第一章绪论 1 4 主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 介绍了钻孔灌注桩的发展历史及特点，并对目前国内外研究桩基承载性能 的方法和现状作了简要总结。 ( 2 ) 根据苏通大桥群桩基础的原型实测结果，借助m a t l a b 软件，应用小波信 噪分离技术消除随机噪声对桩基轴力的影响，通过对去噪后桩项轴力以及桩身桩身轴 力的分析，量化了潮位对群桩基础桩顶轴力的影响以及潮位变化引起的浮力传递深 度。 ( 3 ) 根据相似性原则，对2 种不同透水性的苏通大桥主桥群桩基础开展考虑潮 汐影响的室内模型试验，研究了潮位变化引起的低频循环荷载对群桩基础桩顶沉降及 桩端阻力的影响。 ( 4 ) 介绍了有限元的基本理论，选择适合本文计算所需的材料本构模型、接触 面单元及接触面本构模型。 ( 5 ) 结合室内模型试验，基于有限元基本原理，应用a b a q u s 软件反演了土体 的力学参数，进而反馈分析了低频循环荷载对群桩基础承载力的影响。 1 4 2 技术路线 本文主要技术路线见图1 1 所示。 河海大学硕士学位论文强潮汐河段群桩基础承载性能研究 深水强潮汐环境对群桩基础承 载性能的影响 深水环境： 潮汐的影响： 地表水对地基土有效强度的影响 长期低频循环荷载 上士 未得到有用的成果( 本文中未深入分析原型实测数据： 提及1影响大、仅主5 # 墩桩底未受影响 士上 针对主4 # 墩的室内针对主5 # 墩的室内模型 模型试验：以砂土为主试验：上部为粘性土 + 建立了低频循环荷载作用下的： 工后沉降预测模型； 揭示了地基土硬化规律 j 鳅咀砜瓤f 1 定量评价在低频循环荷载作用下的 地基土硬化指标 图1 1 研究技术路线框图 1 2 第二章强潮汐河段群桩基础受力实测分析 第二章强潮汐河段群桩基础受力实测分析 2 1 引言 苏通大桥是江苏省“十五”重大基础建设项目，位于江苏省东南部长江口南通河 段，连接苏州、南通两市，北岸接线始于江苏省公路主骨架“横三”线一宁( 南京) 通( 南通) 启( 启东) 高速公路，与实施中的连( 连云港) 盐( 盐城) 通( 南通) 高 速公路相接：南岸接线终止于江苏省公路主骨架“连三”线一沿江高速公路太仓至江 阴段，与实施中的苏( 苏州) 嘉( 嘉兴) 杭( 杭州) 高速公路相接。上游距江阴长江 公路大桥约8 2 h l ，下游离长江入海口约1 0 8 k m 。该桥是交通部规划的黑龙江嘉荫至 福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主骨架之一一赣榆 至吴江高速公路的重要组成部分，对于长江两岸干线公路网的形成和连通发挥着重要 的作用，在国家及江苏省公路运输网中均占有重要地位【蚓。 2 2 桥位区地质概况 苏通大桥拟建区段长江属弯曲与分汉混合型河段。平面形态呈“s ”形弯曲；水 面宽窄相间，西段天生港附近宽约6k m ，往下展宽，在军山附近宽约1 0k