（岩土工程专业论文）高陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法与试验研究.pdf

i n t e m a lf o r c ec a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h eb r i d g ed o u b l e p i l e ss t m c t u r ei nh i g h s t e e pt r a | n s v e r s es l o p e b y l i ug u a i l g x u a l l b e ( h e n a nu n i v e r s 时) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di 1 1p 础i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g g e o t e c h i l i c a le n g i n e e 血g i n t h e ( h a d u a t es c h o o l o f h u l l a i lu n i v e r s i t ) ， s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n g m i n g h u i m a y ，2 0 1 1 明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：却产芎彳 日期：训 年月 甲日 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： ；0f 弓刁 叫r 丐l 一7 印们1 日期：v z 7 年 月7 日 日期：加h 年月7 日 高陡横坡段桥梁双枕结构内力计算方法与试验研究 摘要 西部山区高速公路建设的高速发展，为了满足公路平纵线形及保护 少陡坡段采用全高架桥或半路半桥的形式穿越，从而导致部分桩基 谷岸坡上。为了保护沿坡桩基的稳定性及相邻环境的安全，工程中 多采用桥梁双桩基础，此时，如何准确确定该类桩基的内力位移已成为工程设计 的关键。为此，本文结合西部交通建设科技项目“高陡横坡条件下桩柱式桥梁设 计与施工技术研究 ( 2 0 0 8 3 18 7 8 5 3 1 ) ，从理论与试验上对该问题进行较系统深入 的研究，提出了高陡横坡段桥梁双桩结构的设计计算方法。 本文首先综合分析论述了常规竖向承压桩、横向荷载桩、组合荷载桩及普通 边坡桩基的受力特性，分析了高陡横坡段桥梁桩基与常规桩基的主要区别。在此 基础上，借鉴被动桩在复杂荷载下计算分析思路和已有双排支护桩与抗滑桩的理 论，建立了双桩结构与边坡及桩间土相互作用模型：后桩承受推力以滑动面为界 简化为滑坡推力与主动土压力，前后排桩桩前抗力采用弹性地基反力法计算，并 考虑桩间距和滑坡体的影响范围计算桩间土对前桩的作用力。而后针对不同桩段 的受荷特点，计入轴横向荷载共同作用时对桩体内力和位移的影响，建立不同特 征桩段的微分方程，采用有限差分法进行求解，并自行编制了m a t l a b 计算程序， 从而建立了高陡横坡段桥梁双桩结构的内力位移计算方法。 针对相关模型试验资料匮乏的现状，参与设计完成不同坡度的岩质横坡段桥 梁双桩结构的室内模型试验，通过量测受荷过程中桩身内力和桩周地基抗力的分 布情况，基于试验结果验证了本文理论分析方法的可靠性，并进一步分析探讨了 不同荷载条件下高陡横坡段桥梁双桩结构的承载机理和受力变形特性。最后，利 用有限元方法可重复性强的优点，采用a d i n a 非线性有限元软件建立三维数值 分析模型，分析研究了不同桥梁荷载下边坡的力学响应和不同荷载组合对桥梁双 桩结构内力位移的影响。同时探讨了桩身刚度、横系梁刚度、桩周岩土体弹性模 量对双桩结构内力及位移的影响，得到高陡横坡段桥梁双桩结构的多因素敏感度 分析结果。 关键词：桥梁双桩结构；高陡横坡；承载机理；内力位移计算方法；室内模型试 验；a d i n a 数值分析 l l 硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee x p r e s s w a yi nt h ew e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a s o fo u rc o u n t r y ，m a n ye l e v a t e dv i a d u c t sa n dh a l f 、v a yh a l fb r i d g ef l o r ma r eu s e dt o t h r o u g ht h es t e e ps l o p e ，i no r d e rt os a t i f yt h er o a dh o r i z o n t a la n dv e r t i c a la l i g n m e n t a n dt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t s ，l e a d i n gt op a r to f p i l ef i o u n d a t i o n sb u i l ti nt h eh i g h s t e e pb a n ks l o p e i nt h i sc a s e ，t h eb r i d g ed o u b l ep i l e ss t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e d t op r o t e c tt h es t a b i l i t yo ft h es l o p eb r i d g ep l i ef o u n d a t i o na n dt h es a f e t yo fa d j a c e n t e n v i r o n m e n t ，i ti sd e 6 n i t e l yak e yp r o b l e mf o re n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h a ti sh o wt o a c c u r a t e l yd e t e r m i n et h ei n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fs u c hp i l ef o u n d a t i o n s i n t h i sd i s s e r t a t i o n tt h o s ep r o b l e ma r ed e t a i l e di n v e s t i g a t e da n dr e s e a r c h e df r o mt h e o r y a n dt e s tf i e l d s ，c o m b i n e dw i t ht h ew e s t e r nt r a f n cc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t s “s t u d yo nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yf 0 rp i l ec o l u m nb r i d g eb u i l ti nt h e h i g h s t e e pt r a n s v e r s es l o p e ”( n o 2 0 0 8 318 7 8 5 31 ) ，a n das e r i e so fd e s i g nt h e o r i e sa n d c o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa r eo b t a i n e df o rt h eb r i d g ed o u b l ep i l e ss t r u c t u r ei nh i g h - s t e e p t r a n s v e r s es l o p e f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fn o r m a lv e r t i c a lb e a r i n gp i l e 、 l a t e r a l b e a r i n gp i l e 、c o m b i n a t i v el o a d i n gp 订ea n ds l o p ep 订ea r ed i s c u s s e d ，a n dt h ep “m a r y d i f f e r e n c e sb e t w e e nh i g h s t e e pt r a n s v e r s e s l o p eb r i d g ep i l e sa n dn o r m a lp i l e sa r e l i s t e d b a s e do nt h a t ， t h em o d e lo fp i l e s - s l o p ei n t e r a c t i o na n d i n t e r - p i l e s s o i l i n t e r a c t i o ni se s t a b l i s h e dp r o f i t i n gf r o mt h ei n t e r n a lf l o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o d so f p a s s i v ep i l eu n d e rc o n l p l e xl o a d i n ga n dt h em a t u r et h e o r i e so fd o u b l er o wr e t a i n i n g p i l e sa n da n t i - s l i d i n gp i l e s ：t h eb a c kp i l eb e a r e dt h r u s ti ss i m p l i n e da ss l o p es l i d e t h r u s ta n da c t i v ee a r t hp r e s s u r eb yc r i t i c a ls l i d i n gs u r f a c e ，1 a t e r a ls o i lr e s i s t a n c ef b r t h ed o u b l ep i l e si sc a l c u l a t e db ye l a s t i cs u b g r a d er e a c t i o nm e t h o d ，a n dt h ei n t e r p i l e s s o i lt of r o n tp i l ea c t i n gf o r c ei sc a l c u l a t e dc o n s i d e r i n gp i l e s p a c i n ga n dl a n d s l i d e a f f e c t e da r e a s i m p a c t t h e n ，r e c k o n i n gi nt h ei n n u e n c eo fv e r t i c a la n dl a t e r a ll o a d i n g jo i n ta c t i o n ，t h ed i f i f c r e n t i a le q u a t i o n so fp i l es e c t i o n sw i t hd i f l f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s a r ed e d u c e d ，a n dt h ei n t e r n a lf 0 r c ea n dd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eb r i d g e d o u b l ep i l e ss t r u c t u r ea r ep r o p o s e db a s e do nf i n i t ed i f f b r e n c es o l u t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n p r o g r a mi sa l s oo b t a i n e db yu s i n gm a t l a b i nv i e wo fr e l e v a n tm o d e lt e s td a t ai sd e f i c i e n t ，t h i st h e s i sd e s i g n sd i f f e r e n ts l o p e a n g l e si n d o o rm o d e lt e s tf o rh i g h s t e e pt r a n s v e r s es l o p eb r i d g ep i l e s a c c o r d i n gt ot h e 1 1 1 m e a s u r e di n t e r n a lf b r c ed i s t r i b u t i o na n dr o c kr e s i s t a n c ea r o u n dt h ep i l e ，t h er e l i a b i l i t y o f 。a n a l y s i sm e t h o dw a sc o n f i r m e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e n ，f u r t h e r a n a l y s i sh a sb e e nd i s c u s s e dt od i f l f e r e n t1 0 a d i n gc o n d i t i o np i l e s b e a r i n gm e c h a n i s m a n dd e f 0 r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y ，w i t ht h es t r o n gr e p e a t a b i l i t yo ft h en n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ha d v a n c e d n o n l i n e a rn n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea d i n a ，m a i n l ya n a l y s i n gt h em e c h a n i c a l r e s p o n s eo fs l o p eu n d e rd i f f e r e n tb r i d g el o a d i n ga n dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tc o m b i n e d l o a d i n go np i l e s f b r c ea n dd i s p l a c e m e n t t h e n ，t h r o u g hc h a n g i n gp i l es t i f f h e s s 、 h o “z o n t a lt i eb e a ms t i f m e s sa n de l a s t i cm o d u l u so fs l o p em a t e r i a l s ，t h es e n s i t i v i t y a n a l y s i sr e s u l t so ft h eb r i d g ed o u b l ep l i e ss t r u c t u r ea r ea l s oo b t a i n e d k e yw o r d s ：王；r i d g ed o u b l ep i l e s s t r u c t u r e ；h i g h s t e e pt r a n s v e r s es l o p e ；b e a r i n g m e c h a n i s m ；i n n e r - f o r c ea n dd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d ；i n d o o r m o d e lt e s t ；a d i n an u m e r i c a la n a l y s i s i v 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义一1 1 2 基桩内力计算方法的发展与研究现状2 1 2 1 竖向荷载基桩内力研究现状一2 1 2 2 横向荷载基桩内力研究现状4 1 2 3 组合荷载基桩内力研究现状一5 1 2 4 高陡横坡段桥梁双桩结构内力研究现状7 1 3 基桩模型试验的发展与研究现状1 1 1 4 基桩数值分析的发展与研究现状1 2 1 5 本文的主要研究内容1 4 第2 章高陡横坡段桥梁桩基的工程特性与承载机理1 6 2 1 高陡横坡段桥梁桩基的工程特性1 6 2 1 1 陡坡段桩基荷载分析1 6 2 1 2 陡坡效应研究1 7 2 1 3 高陡横坡段桥梁桩基的工程特性1 7 2 2 不同荷载下高陡横坡段桥梁桩基的承载机理1 8 2 2 1 竖向荷载下高陡横坡段桥梁桩基的承载机理1 8 2 2 2 横向荷载下高陡横坡段桥梁桩基的承载机理2 1 2 2 3 组合荷载下高陡横坡段桥梁桩基的承载机理2 4 2 。3 桩基与高陡横坡的相互作用一2 5 2 4 小结2 6 第3 章高陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法研究2 7 3 1 概j 苤2 7 3 2 桩土相互作用模型研究2 7 3 2 1 滑坡推力分布规律研究2 8 3 2 2 桩周土抗力计算2 9 3 2 3 桩间土压力计算3 0 3 3 特征桩段控制微分方程的建立3 0 v 商陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法j 试验研究 3 4 双桩结构内力计算的有限差分解3 2 3 5 小结3 5 第4 章高陡横坡段桥梁双桩结构的室内模型试验研究3 7 4 1 引言3 7 4 2 材料选择与参数量测3 7 4 2 1 桩身材料与特性3 7 4 2 2 桩周岩体相似材料的配置3 9 4 3 试验装置设计：4 0 4 3 1 模型槽设计4 0 4 3 2 加载装置设计4 0 4 3 3 参数量测装置设计4 1 4 4 试验内容与步骤4 4 4 5 室内模型试验成果分析4 7 4 5 1 位移分布规律分析4 7 4 5 2 内力分布规律分析4 9 4 5 - 3 计算值与实测值的对比分析5 3 4 6 小结5 5 第5 章高陡横坡段桥梁双桩结构数值分析5 6 5 1 概j 苤5 6 5 2a d i n a 软件简介5 6 5 2 1 丰富的本构模型5 6 5 2 2 强大的非线性求解技术5 7 5 3 计算模型的建立及受力分析5 8 5 3 1 模型的建立5 8 5 3 2 桥梁荷载下坡体的受力变形特性分析5 9 5 3 3 高陡横坡段桥梁桩基轴横向荷载组合效应分析一6 2 5 4 高陡横坡段桥梁双桩结构承载性状的影响因素分析6 5 5 4 1 基桩刚度的影响6 5 5 4 2 桩顶横系梁刚度的影响一6 7 5 4 3 边坡岩土体性质的影响6 8 5 5 小结6 9 结语71 参考文献7 3 致 谢7 9 附录a ( 攻读学位期间论文、著作及科研情况) 8 0 v 1 论 较大的发展，而随着高速公路向山 区的延伸，公路建设遇到了更为复杂的地形地质情况，主要表现为山区地面高差 大、坡面变化频繁、纵坡大等方面。为了满足公路平纵线形及保护路线环境，不 少陡坡段常采用全高架桥或半路半桥的结构形式穿越，从而导致部分桩基建于高 陡岸坡甚至悬崖峭壁上，墩台、桩基和边坡组成了复杂的承载体系。与平地桥梁 桩基相比，高陡横坡段桥梁桩基具有一定的特殊性：( 1 ) 桩身受荷系统的复杂性， 各桩基不仅直接承受上部结构所传来的竖向荷载以及水平荷载，同时还需承受由 于桩周土体变形而作用于桩体的侧向岩( 土) 的水平推力：( 2 ) 承载机理的复杂性， 由于受力环境的特殊性及桩岩( 土) 体系相互作用的不确定性，桩侧抗力的形成机 理、分布规律及影响范围十分复杂，其与平地上两侧无坡度的桩基存在明显差别。 建筑边坡工程技术规范建议，坡高大于1 5 m 的土质边坡或坡高大于3 0 m 的 岩质边坡称为高边坡；而陡坡则依据边坡的安全性确定，即先根据土质边坡的土 体的类别及密实程度，或岩质边坡的岩体的风化程度，分别提出相应的坡率允许 值，则超过允许值的边坡可视为陡坡。西部高速公路建设中遇到的大多属于高陡 边坡，如万梁高速公路，6 7 2 k m 的路线上，高边坡有1 1 7 处之多，高于3 0 m 的有 5 6 处，高度在2 0 3 0 m 的2 2 处，其中顺层岩石高边坡3 1 处。 基于以上定义，高陡横坡段主要是指桥梁行进方向与边坡纵向延伸方向平行 的区域，建于其上的公路多采用全高架桥或半路半桥的形式。由于桥梁侧向刚度 远小于行车方向刚度，高陡横坡段的桥梁桩基的受力更加不利，在施工和运营阶 段，由于边坡与桥梁的相互作用，边坡将承受复杂动静荷载的反复作用，边坡的 大变形或失稳，势必会增加岩( 土) 体作用在桩基上的侧向土压力，使桩身产生挠 曲变形，当桩顶位移或桩身弯矩超过一定范围，将直接影响到上部结构的安全及 正常使用。此外，公路建设中遇到的高陡边坡大多使用年限较长，属于永久边坡 工程，随着时间的推移，工程地质环境的改变，滑坡、泥石流、地震等地质灾害 也对高陡边坡桥梁桩基构成较大的潜在威胁。 为了保证沿坡桩基的稳定性及限制沿边坡方向较大的变形，工程中常采用双 排桩的基础形式，即由两根相互平行的钢筋混凝土桩及桩顶横系梁所形成的空间 门架式排桩体系。其组合桩整体刚度和空间效应的发挥，使得桩基既能支承上部 结构传递的轴横向荷载，又利用抵挡边坡变形产生的侧向土压力，由此达到传递 高陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法与试 桥梁荷载至基岩，且保持上部坡体稳定和相邻环境安 面，由于其受力机制的复杂性，特别是桩基与边坡相互作用的复杂性，导致桩径、 桩长及配筋率等关键设计参数的确定都存在较大的盲目性。目前，相近计算理论 多集中在双排支护桩和抗滑桩领域，而针对陡坡段桥梁双桩结构的工作特性，如： 潜在滑坡推力对基桩竖向承载力的影响，桩间土作用力的选取，桩侧抗力的分布 及发挥机理等相关研究鲜有报道。如何将已有理论进行适当改进使之适用于高陡 横坡段桥梁双桩结构的受力分析，已成为西部山区高速公路建设中亟待解决的问 题。为确保高陡横坡段桥梁桩基及上部结构的安全，开展高陡横坡段桥梁双桩结 构的内力位移计算方法及试验研究，具有重大的工程意义和理论价值。 1 2 基桩内力计算方法的发展与研究现状 竖向受荷桩一直是桩基应用的核心部分，相应的设计计算理论已较为成熟。 但随着桩基础应用的日益广泛，工程中出现了多种承受复杂荷载的桩基，如山区 高速公路临坡而建的桩基，高填土路基附近的桥台桩基，路堤旁建筑物的桩基， 隧道附近建筑物的桩基等，该类桩基在承受桩顶外力，如：竖向荷载、水平荷载， 偏心弯矩外，还往往要承受由于桩周土体变形或运动而产生的侧向土压力，工作 性状极为复杂，如何准确确定该类基桩的内力和位移成为工程设计的关键。 1 2 1 竖向荷载基桩内力研究现状 单桩竖向荷载效应主要表现在桩身内力变化、沉降及桩土体系承载力发挥等 方面，极限荷载下基桩的破坏模式主要取决于桩周土的抗剪强度、桩端岩( 土) 体 的支承能力、桩身尺寸和桩的类型等。不同的破坏模式的承载力控制指标也不尽 相同，对基桩分析计算时，应针对不同的破坏模式采用不同的分析方法。 理论分析计算中，通常认为桩基竖向承载力为桩侧阻力和桩端阻力之和。在 桩基工程实践中，桩侧阻力是一个受桩周土层性质、桩的类型和桩的施工工艺等 条件影响的复杂问题，不少学者在模型试验研究的基础上，提出不同桩侧摩阻力 分布模式，从而建立桩基竖向承载力的计算公式。目前对单桩竖向承载性状研究 比较成熟的理论主要有：荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法和数值分析法等。 荷载传递法是由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 比3 提出，其基本思想是把桩体划分为许 多弹性单元，用非线性弹簧模拟每一单元与土体的相互作用，即桩侧摩阻力( 或桩 端阻力) 与剪切位移之间的关系。由此荷载传递法的关键在于能否建立一种能真实 反映桩土界面应力位移关系的传递函数，至今己提出的函数型式有：指数曲线模 型、双曲线模型、理想弹塑性模型、双折线硬化模型等1 。求解传递函数的方法 一般分为两类：一是位移协调法，这种方法较常用于传递函数较为复杂，难以解 析法求解，如通过试验实测得到的传递函数曲线。此时，需根据静力平衡条件和 2 硕十学位论文 位移协调原则，经过反复试算迭代求解；二是解析法，即假定传递函数为线性或 其它易于积分的函数形式，直接代入微分方程，根据边界条件积分求解。潘时声 假定传递函数是指数函数、双曲线函数、和其它一些函数的组合，利用分层积分 法考虑土的非线性、不同土层的特性及桩砼弹性模量随荷载的变化等复杂因素， 分析了桩的位移、轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力和其它静力受荷性能，推导出了 一个运用简单积分计算桩土界面位移关系的计算公式n 1 。刘杰等假定桩周土为三 折线软化模型，桩端土为双折线硬化模型，并考虑桩身截面的轴力和沉降随深度 的增大而减小，桩周土也将由浅入深逐步进入软化阶段，直至残余应力阶段的变 化过程，推导出了桩顶荷载一沉降关系的解析算法，并分析了桩周土和桩底土性 状对桩身截面轴力及尸o 岛关系曲线的影响吲。 弹性理论法是由p o u l o s 哺1 等人基于半无限弹性体中作用有一集中力的 m i n d l i n 解提出的，计算时将桩划分为若干微段，由半无限体内施加单位荷载的 m i n d l i n 解得到桩周土体位移，由轴向荷载下桩的压缩量得到桩的位移，最后以桩 土位移相容的条件求解方程。在此基础上，g e d d e s 口1 根据半无限弹性体中m i n d l i n 应力解答，假定桩侧土反力沿桩轴线梯形分布，由此推导出基桩在荷载作用下的 应力解。弹性理论法的优点在于计算时将土体作为连续的变形体，与土体实际的 受力情况相符，并可用群桩的计算分析，不足之处是将土体看成线弹性体，忽略 了土体的非线性特性。艾智勇、杨敏等针对实际工程中天然地基并不是均匀的弹 性体，而往往是成层状构造，基于弹性层状理论推导的多层地基中作用有一个集 中荷载的广义m i n d l i n 解答，对层状地基的单桩进行了分析，但基本假定还是桩 土之间无相对滑动，桩土位移协调呻1 。李素华等针对传统弹性理论法不考虑桩一 土界面滑移的不足，将桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系设置为非线性传递函 数，桩端设置非线性弹簧模型，利用成层地基的特点，采用“线性变形层的地 基模型对m i n d l i n 解进行了改进，更好的模拟了长期荷载下单桩的工作状态凹1 。 剪切位移法首先由库克( c o o k e ) 提出，主要用于均质弹性体中纯摩擦桩的 分析。其假定桩顶轴向荷载作用下，桩侧摩阻力通过桩周环形土体单元向四周扩 散，根据任意两个环面上，剪力应力总和相等的条件，推导出桩侧剪切位移与环 面半径的关系。由于其并未考虑桩体压缩、桩土界面滑移及桩端阻力对桩侧摩阻 力的影响，故只适用于小荷载下的纯摩擦桩分析。r a n d 0 1 p h 和w r o t h n 0 1 13 等学 者在c o o k e 的研究基础上作了补充和修正，提出桩的影响半径与桩长及桩周土层 的性质有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算式。 数值分析方法在考虑土的非线性属性、层状体系及桩土接触的非线性等方面 具有较强适用性。曾友金等假定桩侧摩阻力与桩土相对位移为指数函数关系，推 导出桩土接触面的本构模型，并设置g o o d m a n 接触单位模拟桩土相互作用，编 制了针对超长桩荷载传递分析的有限元程序，计算结果与静载试验值较相符n 引。 高陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法与试验研究 聂如松等采用a d i n a 有限元程序，对不同受荷情况下的桩土间剪切应力进行了 对比分析，结果表明，在同种桩土材料下，各种模式达到极限状态时桩土剪切应 力不同，所得结果有助于进一步认识分析桩土相互作用机理和荷载传递规律n 朝。 但数值模拟往往采用复杂的本构模型，参数的确定比较困难，故在工程中尚不能 广泛应用，目前多应用于理论研究领域，或作为其它方法有效性的验证手段。 近年来，随着高层超高层建筑及大跨径桥梁工程的发展，大直径超长桩基得 到广泛的应用，由于尺寸效应的影响，其承载性状较普通桩基有较大的不同，如 何按桩顶沉降量控制基桩竖向承载力已成为众所关注的问题引。而大量试验研究 表明，当桩长超过某一限值，桩顶沉降量不再随桩长的增大而减小，且桩的破坏 形式一般为桩侧阻达到极限或桩身材料屈服。对于桥梁桩基来说，其桩顶沉降的 影响将更为明显，有时尽管桩基未达到极限承载力，但桩顶沉降已超出结构的容 许范围，由此成为控制桩基承载力的一个决定性因素。为此，赵明华n 瓦删等提出 按桩顶沉降量控制大直径灌注桩和嵌岩桩竖向承载力的设想和相应的计算方法， 为桩基竖向极限承载力的确定提供了新的思路。 1 2 2 横向荷载基桩内力研究现状 长期以来，人们对桩基的竖向承载性能进行了大量的研究，对横向荷载下基 桩的工作性能研究则相对较少。上世纪6 0 年代起，随着管桩和大直径钻孔桩的广 泛应用，横向受荷桩的作用机理和计算分析方法研究得到了广泛的发展，为桩基 在港岸码头、海堤工程、边坡支护加固等以水平荷载为主要控制荷载的工程中的 应用提供了理论基础。 对于横向受荷桩，根据桩基与周围土体相互作用主导因素的不同大致可分为 两类：( 1 ) 桩基直接承受外部荷载并主动向土中传递应力，并由此产生桩土共同受 力变形，称为主动桩；( 2 ) 桩基并不直接承担外荷作用，而是由于桩周土体在自重 或其他外力作用下产生变形或运动，桩基的存在阻碍了土体运动变形趋势的发展， 被动承受传递的土压力，称为被动桩n7 1 。 对于主动水平受荷桩来说，桩侧土体抗力计算分析极为重要，国内外学者进 行了深入系统的研究，提出了不同的计算模型和方法。目前，在解析计算方面多 采用地基反力法，根据对地基反力假定的不同，横向受荷桩的分析方法大致分为 极限地基反力法、弹性地基反力法、复合地基反力法和弹性理论法。由于桩侧土 体的物理性质极为复杂，桩侧土抗力难以精确描述，且已有计算方法尚存在一定 的缺点与不足，不少学者在上述计算方法的基础上提出了改进算法。如周洪波、 杨敏等针对p 哕曲线法和弹性理论法的分析特点，提出两者的耦合算法，即采用 弹性理论法计算时，由桩身任一深度处的桩微段位移值y i 和该深度处的p ) ，曲线 确定土体的弹性模量，由此来反映桩周土体相对于不同应力状态的非线性特性， 4 硕。 ：学位论文 实例分析表明该方法能较为有效地分析水平荷载桩基n 引。富坤、黄茂松以w i n k l e f 地基模型为基础，采用有限差分法计算分析水平受荷桩时，以位移大小来判断桩 侧土体弹塑性状态，进而采用弹塑性地基反力法或双曲线地基模型进行相应土压 力的计算，在一定程度上克服了地基抗力无限增大的不足n 。 对于被动水平受荷桩，引起桩土相互作用的土体变形或运动不仅受到桩的形 状、数量和布置形式等因素的影响，而且还与产生土体变形或运动的成因( 如开挖、 堆载) 有关，因此，被动桩的问题要比主动桩复杂得多，相关研究亦较少。李忠诚 等将被动桩分为受土体位移作用的被动部分和受抗力作用的主动部分，建立了地 面堆载对邻近桩基影响的实用计算模式。被动部分桩侧土压力考虑土体的实际分 层和被动区侧移成拱效应，以i t o s 的局部塑性理论计算，而桩前地基抗力采用m 法计算，由此建立被动桩整体协调方程，并采用有限差分法进行了求解陋们；梁发 云等基于w i n k l e r 地基模型以及桩土变形协调条件，建立了土体侧移下单桩的水 平位移控制方程，采用有限差分法考虑土体地基反力系数随深度的变化进行了求 解，算例分析表明与弹性理论法和p 哕曲线法计算结果吻合较好瞳。 1 2 3 组合荷载基桩内力研究现状 工程实际中桩基仅单一承受轴向或横向荷载的情况很少，而往往是同时受几 种外荷的共同作用，如高层建筑地震力、风荷载与结构自重的组合；桥梁工程中 高填土路基产生的侧向土压力与桥梁自重的组合；或其他特定受力环境下桩项承 受的倾斜荷载作用等乜2 1 。在这些条件下桩基的工作性状相比单一荷载更为复杂， 承载力较难确定，为此，国内外的专家学者针对此类桩基行了大量的试验及理论 研究，取得了丰硕的研究成果： 国外学者梅耶霍夫( m e y e r h o f ) 和塞斯崔( s a s t r y ) 等人通过模型试验对倾斜 荷载桩进行了大量卓有成效的研究工作心弘2 朝，分别讨论了倾斜荷载作用下刚性桩 和柔性桩的极限承载力及其受力特性，并研究了多种材料及几何尺寸的模型桩在 不同地基土介质中的工作性能。此外，通过对大量实测资料的分析研究，梅耶霍 夫等人还利用极坐标系，推导得出了桩基倾斜荷载极限承载力的椭圆经验表达式， 并指出倾斜荷载桩的极限承载力随倾斜角的增大而减小。我国学者赵明华及其课 题组对倾斜荷载桩的受力分析也作了大量研究工作乜6 。2 8 1 。1 9 8 7 年，推导了基于 m 法假定的轴横向荷载作用下柔性桩的解析解，随后( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 以铝管作为模 型桩进行了室内试验研究，验证了理论解答的合理性，并总结出倾斜偏心荷载下 桩基承载力计算的半经验公式。此外，针对土体的非线性特性，引入地基加权刚 度的概念，结合有限元及有限层法分析研究了层状各向同性弹性半空间地基模型 中，倾斜荷载下的桩土共同作用机理，提出大变形条件下桩土共同工作的计算分 析模式t 3 0 】。 5 高陡横坡段桥梁双桩结构内力计算方法与试验研究 除了桩顶组合荷载桩以外，对于工程中常见的被动桩，在承受侧向土压力的 同时，若还承受其他外力( 轴向力、水平力、弯矩等) ，亦可构成组合荷载作用， 此时由于桩土体系作用力的不确定性，相应理论分析计算更为复杂。与被动桩的 分析方法相同，此类组合荷载桩基的分析方法也主要分为两类：一是整体分析法， 即将土体和桩基作为一个整体建模，多采用有限元法进行分析。李国豪采用弹性 地基梁解析法，利用桩的挠曲微分方程求解竖向荷载作用下被动桩的变形和内力， 但该法以弹性理论为基础，仅适用于小变形的情况1 ；杨敏等采用三维弹塑性有 限元法，对基坑开挖导致临近建筑桩基产生附加应力、弯矩和侧向位移的问题进 行了分析研究。指出随着开挖深度的增加，临近桩基产生的附加侧向位移和弯矩 迅速增加，且桩身最大弯矩的位置与开挖深度基本保持一致；临近桩基的附加侧 移量和弯矩值与距离基坑边缘的距离有很大关系，距离越近，所受的影响就越大， 当桩基与基坑边缘的距离大于等于一倍开挖深度时，桩基所受影响可以忽略纠。 二是两阶段法，即首先确定由于堆载或开挖所引起的土压力或者土体的自由位移 场，然后将土压力或土体位移场施加到桩体，由此计算桩基的力学响应。王国粹 等基于“两阶段法 思想对地面堆载下邻近桩基的承载性状进行了分析。其计算 分析步骤主要为：首先通过解析方法或实测数据求得堆载下作用于桩体上的侧向 土压力，然后基于地基反力法，采用弹簧和滑块共同组成的界面单元模拟桩土之 间的相互作用，弹簧的模量根据p 哕曲线确定，同时引入统一极限抗力考虑滑块 的作用。即当土体处于弹性状态时，滑块不发生作用，桩土位移协调：当土体发 生塑性变形时，滑块承受极限抗力并发生塑性滑动。土体的极限抗力根据埋深的 不同，分别采用浅层土体楔形破坏模式和深层土体绕流破坏模式确定。由此，推 导出了堆载与邻近桩基相互作用的弹塑性解，将计算结果与有限元解答和现场试 验结果对比分析，验证了该法的合理性引；梁发云等基于“位移法中的两阶段 理论，根据桩土相对位移的大小，分别利用w i n k l e r 地基模型和非线性的p y 曲 线法计算桩侧土压力，然后推导了桩基在轴向荷载与土体侧移耦合作用下挠曲微 分方程，进行了有限差分解答，算例分析表明，轴横向荷载耦合作用产生的“p 4 ” 效应对桩基原有工作状态存在一定程度的不利影响口引。 高陡横坡段的桥梁桩基亦属于“被动桩”范畴下的组合荷载桩，坡体的侧向 土压力将会影响桩基原有的工作性状，使桩基产生挠曲变形，严重时将会威胁到 上部结构的正常使用和安全。如何建立合理的边坡与桩基相互作用模型，计算分 析边坡侧向土压力对桥梁桩基的影响，并基于边坡的稳定性，相应的提高陡坡桩 基的安全储备将具有重要的理论和工程实际意义。而迄今为止，对于“被动桩” 范畴内的组合荷载桩的分析研究并不充分，设计时更多地参照桩基规范与桩基工 程手册中有关竖向受荷桩、水平受荷桩和被动桩的部分，设计思想和方法远落后 于工程实践，无法满足工程建设需要。 6 硕+ 学位论文 1 2 4 高陡横坡段桥梁双桩结构内力研究现状 1 2 4 1 边坡基桩桩土作用力研究现状 边坡基桩的受力比较复杂，桩体承受滑坡推力作用并由此导致桩前地基抗力 的发挥是一个渐趋平衡稳定的过程，桩土作用力的大小及分布形式历来是众多学 者分析研究的重点，不同的土抗力假定及分布形式，将导致不同的计算结果。目 前，对于锚固段地基抗力多采用基于桩体位移的弹性抗力法计算，而滑动面以上 桩土作用力的计算分析，则根据研究思路的不同，大致划分为：压力法、位移法 及数值法。 ( 1 ) 压力法。压力法是我国现行抗滑桩设计时采用的主要方法，基本思想是根 据试验资料或工程经验先假定土体自由侧向荷载的大小和分布形式，即滑坡推力， 作为已知荷载施加于抗滑桩，而桩前地基抗力作为未知荷载参与设计计算。铁道 部科学院西北分院熊治文就深埋式抗滑桩的桩身受力分布规律、抗滑桩承担的滑 坡推力与桩顶埋深之间的关系及其适用条件等问题进行了探讨，认为深