（岩土工程专业论文）深厚软土层中不同倾角斜桩承载力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文是结合罗书学教授主持的“深厚软土区桥梁桩基设计试验研究 科研项目部分内容来开展的。 最近几十年，随着基础建设的发展，桩基础的使用越来越广泛，桩的直径 不断增大，而桩长也不断的增长。桩基础的使用面临着更多更新的问题。如何 正确评价直( 斜) 桩的承载力及工作性状，这是许多专家学者共同关注的问题。 但是现实情况是应用超前于理论，目前还没有一套比较合理的理论来反映实际 大直径斜桩的承载力和工作性状。本文对深厚软土层中斜桩的承载力及工作性 状做了探索性的研究，为下一步斜桩基础承载力的深入研究奠定基础。 本文主要工作体现在：以深厚软土区桥梁桩基设计试验研究的模型试验为 基础，通过广泛收集相关文献资料，运用有限元数值计算结果与模型试验结果 做对比分析，确定深厚软土中斜桩的承载力和工作性状。 通过本文研究，主要取得如下成果： 1 不同斜度下群桩竖向荷载一竖向位移曲线变化规律基本一致，都可近 似视为线性变化；在同一荷载条件下，基桩斜度从0 。到8 。时桩顶位移逐渐 减小，超过8 。后，桩顶竖向位移逐渐增大。对于不同斜度下群桩水平荷载 一水平位移曲线变化规律基本上也是一致的，呈现出明显的二次曲线形；在 同一荷载条件下，基桩斜度从0 。到1 2 。时桩顶水平位移逐渐减小。 2 斜桩的竖向刚度随斜桩倾角的增大先是增大而后减小，存在一个极限 值。从刚度的变化规律，结合施工难度，基桩斜度设计采用7 0 1 0 0 较为合理。 3 研究表明在竖直桩桩基中，角桩承受荷载最大，中心桩所受荷载最小； 在倾斜桩基中，中心桩轴力较小；角桩、边桩存在较大的弯矩。 关键词：斜桩；承载力；模型试验；数值计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i si sap a r to ft h er e s e a r c ho nb r i d g ep i l ef o u n d a t i o nd e s i g ni n d e e ps o f ts o i lb yp r o f e s s o rl u os h u x u e i nr e c e n td e c a d e s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff o u n d a t i o nb u i l d i n g ，p i l e s f o u n d a t i o nh a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , p i l e sd i a m e t e rb e c o m em o r e a n dm o r el a r g e ，a n dp i l e sl e n g t hb e c o m em o r ea n dm o r el o n g t h eu s eo fp i l e s f o u n d a t i o ni sf a c e dw i t hm o r ea n du p d a t e sp r o b l e m s h o wt oc o r r e c t l ye v a l u a t e t h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dw o r k i n gb e h a v i o ro fv e r t i c a lp i l e so rb a t t e rp i l e s ， m a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r sc o m m o ne o n c e m e da b o u tt h a t b u tt h er e a l i t yi st h a t t h ea p p l i c a t i o na d v a n c e dt h et h e o r y , a tp r e s e n tt h e r ei sn oam o r er e a s o n a b l e t h e o r yt or e f l e c tt h et h ec a r r y i n g c a p a c i t ya n dw o r k i n gb e h a v i o ro fb a t t e rp i l e s t h i st h e s i sh a sd o n eae x p l o r a t o r yr e s e a r c ho nt h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n d w o r k i n gb e h a v i o ro fb a t t e rp i l e st h a ti nd e e ps o f ts o i l ，l a yt h ef o u n d a t i o nf o r i n d e p t hs t u d yo nt h et h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dw o r k i n gb e h a v i o ro fb a t t e rp i l e s f o l l o w i n gc o n t e n t sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r ：a c c o r d i n gm o d e lt e s to ft h e b r i d g ep i l ef o u n d a t i o nd e s i g ni nd e e ps o f ts o i l ，a n dc o l l e c t e de x t e n s i v e r e l a t e dl i t e r a t u r e ，t o d o c o m p a r a t i v ea n a l y s i s f o rt h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dm o d e lt e s t ，d e t e r m i n et h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n d w o r k i n gb e h a v i o ro fb a t t e rp i l e st h a ti nd e 印s o f ts o i l b yd e e ps t u d i e si nt h i sp a p e r , f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ： ( 1 ) v e r t i c a ll o a d - v e r t i c a ld i s p l a c e m e n tc u r v ec h a n g e sb a s i c a l l ya st h es a m e f o rt h eb a t t e rp i l e sg r o u pw i h td i f f e r e n ta n g l e ，c a nb er e g a r d e da sal i n e a r a p p r o x i m a t i o n ；i nt h es a m el o a dc o n d i t i o n s ，p i l et o pd i s p l a c e m e n td e c r e a s e sw h e n t h ea n g l ec h a n g e sf o r m0d e g r e et o8 d e g r e e ，p i l et o pd i s p l a c e m e n tg r a d u a l l y i n c r e a s i n gw h e nt h ea n g l em o r et h a n8d e g r e e h o r i z o n t a ll o a d - h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n tc u r v ec h a n g e sb a s i c a l l ya st h es a l t l ef o rt h eb a t t e rp i l e sg r o u pw i t h d i f f e r e n ta n g l e ，s h o w i n gas i g n i f i c a n tq u a d r a t i cc u r v e - s h a p e d ；i nt h es a m el o a d c o n d i t i o n s ，p i l et o ph o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n td e c r e a s e sw h e nt h ea n g l ec h a n g e s f o r m0d e g r e et o12d e g r e e ( 2 ) v e r t i c a ls t i f f n e s so fb a t t e rp i l e sf i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew h e nt h e a n g l ei n c r e a s e ，a n dh a v eam a x i m u m p i l e sd e s i g na n g l ei n7d e g r e et o10d e g r e e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 w e r em o r er e a s o n a b l ef o rt h ec h a n g eo fs t f f n e s sa n dt h ed i f f i c u l t yo fc o n s t r u c t i o n ( 3 ) s t u d ys h o w st h a tt h ec o m e rp i l eb e a rt h em a x i m u ml o a da n dt h ec e n t e r p i l eb e a tt h em i n i m u ml o a di nv e r t i c a lp i l ef o u n d a t i o n ；t h ea x i a lf o r c eo ft h e c e n t e rp i l ei sl e s s ，a n dt h em o m e mo fc o m e r p i l ea n de d g ep i l ei sm o r e k e yw o r d s ：b a t t e rp i l e ；c a r r y i n gc a p a c i t y ；m o d e lt e s t ；n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n 西南交通大学曲南父通大字 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 不保密衫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：肛钾 日期： d 7 年占月2 日 指剥嗽：、嬲 日期：僻莎月么日 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 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 、结合室内斜桩模型试验，利用大型商业有限元软件a n s y s 建立考虑 桩一土接触的三维有限元模型，分析了深厚软土层中大直径斜桩在不同倾角下 的竖向受荷特性及其变化规律。 2 、利用前面建立的有限元模型分析了不同倾角下斜桩的横向受荷特性及 其变化规律。 学位论文作者签名： 日期： d 7 年f 月膨嘲 z 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 桩基础是一种在土木工程中经常采用的基础形式。桩是将建筑物的荷载全 部或部分传递给地基土( 或岩层) 的具有一定刚度和抗弯能力的传力构件，传 统意义上的桩具有较大的整体性和刚度，能承受较大的竖向荷载和水平荷载， 能适应高、重、大的建筑物的要求，是深基础中最常见的一种形式。它能较好 的适应各种地质条件及各种荷载情况，在现代化工程建设中受到越来越广泛的 使用。在桩的实际应用中，群桩的应用又占大多数，然而，相对单桩来说，对 群桩研究的还不够，尤其是在特定条件下带斜桩群桩方面，因此本文将结合科 研项目着重于对深厚软土层中带斜桩群桩的工作性状以及其承载力进行研究。 斜桩桩基承载力研究相对直桩桩基而言，研究的主要内容就是桩基内倾斜 桩的布置形式，也就是斜桩的倾斜角度对桩基础工作性状的影响。随着倾角的 不同桩基会有不同的工作性状以及其竖向和横向刚度，本文的思路即按照此来 进行。 1 1 选题背景及意义 由于桩周介质( 岩土) 的复杂性，桩体受力的分析相对困难，直到如今对 大直径灌注长桩的荷载传递机理、变形规律等还未完全研究清楚。无论是在桩 的承载力预测方法，还是桩的沉降分析计算理论，以及桩的合理结构形式等方 面，均有待进一步完善。实际工程中经常出现因桩基沉降过大等引起的工程事 故，或桩基设计中越来越保守的趋势和严重浪费的现象。 m e y e r h o f & y a l c i n ( 1 9 9 3 ) 1 】及m e y e r h o f ( 1 9 9 5 ) 2 】采用模型试验的方法研究 了斜桩在倾斜荷载下的受力变形特性，给出斜桩不同倾角以及荷载不同倾角 桩顶水平位移和轴向位移随荷载变化曲线。z h a n g 3 】等人( 1 9 9 9 ) 用离心机在砂土 中做水平荷载斜桩模型试验，给出了不同相对密度不同内摩擦角砂土中不同倾 角斜桩水平荷载水平位移曲线，这些曲线有着相似的变化规律，但这些结果 同人们己知的结论不完全一致。通过该试验研究，得到了许多规律性的认识， 对斜桩的研究作出了重要贡献，但很少在工程实际中得到验证，还较难指导工 程设计和施工。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 群桩分析更是一个十分复杂的问题，它涉及到众多因素。一般说来，这些 因素包括群桩几何尺寸( 如桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等) 、 成桩工艺、桩基施工与流程、土的类别与性质、土层剖面的变化、荷载的大小、 荷载的持续时间以及承台设置方式等。但是对于其中的不少因素，人们尚未开 展试验。含有斜桩群桩的承载力问题，就更加复杂了。对于带斜桩的群桩基础 的分析计算即理论计算，目前极少有文献报道。z 1 1 a n 9 4 】等人( 2 0 0 2 ) 用离心机做 斜桩群桩水平承载力模型试验，研究斜桩群桩抵抗水平荷载的能力和特点。按 照群桩中斜桩不同布置方式和倾角以及土的不同相对密度，分别在桩顶加载不 同的竖向荷载，发现桩项竖向荷载作用对水平承载力的影响很小。浙江大学吕 凡任p ( 2 0 0 4 ) 对倾斜荷载作用下斜桩基础工作性状进行研究时提出了广义弹 性理论法，该法在弹性理论法的基础上，假设桩一土之间存在相对位移，桩一 土相互作用力是相对位移的函数，以模拟桩一土之间的塑性作用，这种方法可 以分析斜桩以及有斜桩的群桩基础，但该法只分析斜桩受力时荷载和位移的关 系，并不能分析斜桩受力时的桩身弯矩。 如何正确评价斜桩的结构承载力及工作性状，这是许多专家学者共同关注 的问题。但是现实情况是应用超前于理论，目前还没有一套比较合理的理论来 反映实际斜桩工程的承载力和变形特性。但是工程中出现斜桩问题屡见不鲜， 国内某建筑科学研究院近几年所处理和接受咨询的偏斜预应力管桩事故就有 3 0 例左右，因此，很多工程师已迫切需要一套比较合理的理论和方法来解决 工程实践中斜桩问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桩土体系荷载传递研究 基桩破坏模式主要取决于桩周土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以 及桩的类型等条件，大致可以分为失稳破坏、整体剪切破坏和刺入破坏三种形 式。对基桩进行计算分析时，应针对不同的破坏模式用不同的方法解算。 失稳破坏如图1 1 ( a ) 所示，其荷载一沉降曲线为陡降型，具有明确的破坏 荷载。穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩等多属此 类破坏。 整体剪切破坏如图1 1 ( b ) 所示，其荷载主要由桩端阻力承担，荷载一沉降 曲线为陡降型，破坏荷载明显，一般打入式短桩、钻( 扩) 孔短桩等均属于此 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 类破坏。 刺入破坏如图1 1 ( c ) 所示，此时桩项荷载主要由桩侧阻承担，桩顶沉降量 较大，一般情况下钻孔灌注桩多属此种情况。当桩周土质较好时，荷载一沉降 曲线为“渐进破坏”的缓变型，无明显拐点，极限荷载难以判断，基桩竖向承 载力主要由上部结构的容许沉降确定；当桩周土的抗剪强度较低时，荷载一沉 降曲线可能为陡降型，具有明显拐点，基桩竖向承载力主要取决于桩周土强度。 t ) 图1 1 轴向荷载下基桩的破坏模式 秽叠一 口 三一弋 = = = ，t 一 口 = 写= 一 l 手 | ( f ) 竖向受荷桩的分析包括承载力分析和沉降分析两个基本课题，要准确计算 基桩承载力和沉降量，就必须深入研究桩土体系的荷载传递，即桩侧阻与端阻 的发挥性状。为此，国内外学者进行了大量的试验研究。1 9 7 3 年波兰学者 a n d r z e jf t e j c h m a n 6 j 采用具有不同密实度的砂作为桩周土进行了模型试验。结 果表明，砂的密实度、群桩型式和桩距均对基桩承载力有重要影响；1 9 8 1 年 美国休斯顿大学的m i c h a e lw o n e i l 7 】等分别对由9 根钢管桩组成的足尺群 桩和两根对比桩进行了载荷试验，并根据试验结果建议用有效应力法或静力触 探法获取基桩荷载传递计算参数；1 9 8 8 年美国德克萨斯农工大学的j e a n l o u i s b r i a u d 8 j 等根据其收集的9 8 根基桩静载试验数据，用1 3 种承载力预测方法及 5 种沉降计算方法进行了对比分析，并对计算方法提出了合理建议；2 0 0 4 年南 洋理工大学的m i n g f a n gc h a n g _ 【9 】等人研究了施工对灌注桩荷载传递的影响。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始，进行过许多静载试验，并在桩身埋设了量测 元件测定桩身轴力的变化和土层的变形，以研究荷载传递规律。如1 9 7 5 1 9 7 6 年间，北京市机械施工公司和北京市地质地形勘测处等单位在天坛小区和前三 门高层建筑工程中开展了一系列钻孔灌注桩的试验研究，共做了6 4 个静载荷 试验，研究了地基条件、基桩几何尺寸、清孔方法和稳定标准对承载力的影响。 1 9 8 1 年陈强华【l o j 等人对两根桩端进入粉砂持力层的桩和两根进入硬粘土持力 层的桩进行了静载荷试验，分析了桩端进入持力层的深度对基桩竖向承载力的 影响，提出了持力层临界深度和临界厚度的参考数据，并用静力触探法估算基 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 桩极限承载力。1 9 9 4 年董金荣【l l 】等进行了五次静载荷试验，在试桩内埋置了 两组元件以研究其荷载传递机理，其研究成果对福州地区的桩基选型有重要影 响。1 9 9 6 年王国民i l2 】在我国东部以红色碎屑沉积为主的软质岩中进行了大直 径钻孔灌注桩静载荷试验，研究了该地区地质条件下的桩侧极限摩阻力及相应 的桩土相对位移值，并对嵌岩深度进行了探讨。高广运【1 3 】、费鸿庆【1 4 】等人分 别研究了黄土湿陷性地基中灌注桩的荷载传递机理。赵明华【1 5 】等在洞庭湖软 土地区进行了超长钻孔灌注桩静载荷试验，提出按桩项沉降控制基桩竖向承载 力的设计理论，并获取了该地区土性参数。 大量的试验分析表明，基桩的侧阻和端阻发挥并不同步，如果按照统一参 数计算缺乏确切的安全度概念，这一问题在大直径超长桩的设计中尤为突出； 而超长桩桩侧阻在桩身中部常存在强化效应，又使其设计存在一定的承载潜 力。而且试验结果表明，超长桩极限承载力较高，其桩项荷载沉降曲线一般呈 缓变型，且发挥极限承载能力所需的桩顶沉降量很大，宜按桩顶沉降量控制基 桩竖向承载能力。国内外许多学者对基桩沉降计算问题开展了多方面研究，提 出了多种计算方法，目前大体上可以归纳为四类，即：传递函数法、剪切位移 法、矩阵位移法和数值计算方法。 1 ) 传递函数法。该法首先由s e e d 和r e e s e 1 6 】在1 9 5 7 年提出，假定桩由多 弹性单元组成，每一单元与土体之间( 包括桩尖) 都用非线性弹簧联系。这些 非线性弹簧表示桩侧阻( 或桩端阻) 与剪切位移( 或桩端位移) 之间的关系， 常称其为荷载传递函数或t z 曲线。国内外学者提出了多种形式的荷载传递函 数，如佐藤梧【l7 】假定其为理想弹塑性的双折线模型，k r a t t 1 8 】提出考虑侧摩阻 力非线性性质的双曲线模型，肖昭然【l9 】等人考虑土体的连续性，结合双曲线 模型和a n d l o p h 桩侧土位移弹性解答，提出了新型的荷载传递模型， v i j a y v e r g i y a 2 0 1 、徐和【2 l 】、陈竹昌【2 2 1 等亦根据经验分别提出了各具特点的荷载 传递模型。陈龙珠【2 3 j 提出桩侧传递函数用线弹性硬化模型描述效果较好。刘 杰 2 4 j 等提出用三折线模型可描述桩侧土应变软化等性质。赵明华【2 5 】等提出用 统一的三折线模型，经适当改变参数后，可描述桩侧土应变软化、应变硬化等 各种特殊性质。此外，一些学者用间接方法测定荷载传递关系，如s e e d 使用 十字板剪切法测定土的抗剪强度与扭转位移的关系，c l o u g h 和d u n c a n 2 6 】用直 剪试验研究土与混凝土接触面力学特性，清华大学胡黎明等使用改进的直剪仪 进行了砂土和结构物接触面剪切试验等。一般来说，荷载传递函数较利于工程 应用，但是仅用传递函数的简单形式可能会引起较大误差。 2 ) 剪切位移法。该法始于1 9 7 4 年，当时c 0 0 k e 【2 7 】提出了摩擦桩的荷载传 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 递模型，认为基桩沉降主要由桩身荷载的传递引起。随后的1 9 7 7 年，r a n d o l p h t 2 8 】 等对该法进行了修正，并将桩身和桩端变形分别计算：桩身部分由于荷载传递 到周围体，使其发生剪切变形，而剪应力又通过桩侧周围连续环形土单位向四 周传播，最终在桩端水平面处产生向下的局部沉降；桩端部分可按一般弹性理 论法计算沉降量，r a n d o l p h 认为桩端可视为刚性压块，采用b o u s s i n e s q 公式 求解；最后考虑整个沉降量相容条件，即可求解基桩的轴力、位移和桩侧摩阻 力。这种方法由于引入了桩周土体剪切变形影响范围，可推广至群桩计算中， 但其模型计算参数难确定，在我国应用并不广泛。最初朱百里【2 9 】用其计算单 桩沉降；而后杨嵘副3 0 】等将剪切位移法推广到塑性阶段，分析桩土承台非线 性共同工作问题；田管凤f 3 l 】等用其分析群桩基础；肖宏彬【j 2 】用广义剪切位移 法分析多层地基中的桩，且讨论了侧阻分布模式；陈洪胜【”】用其考虑桩的相 互作用性状；聂更新【3 4 】等用广义剪切移法解算基桩沉降；赵明华【3 5 】等用其分 析了长短桩复合地基。 3 ) 弹性理论法。由p o u l o s 3 6 j 等人提出，随后p o u l o s 将该法理论和应用进 行了总结和归纳，并给出了一系列系数图表供设计使用。p o u l o s 方法的基本假 定是，桩设置在一个理想均质与各向同性的弹性半无限体内，其弹性模量和泊 松比不因桩的存在而变化，假定桩土之间无相对位移，即桩土位移协调，桩身 任一点的位移利用半无限弹性体中集中力的m i n d l i n 解给出，并只考虑桩在竖 向荷载下的竖向变形。g e d d e s t ”】根据半无限弹性体中的m i n d l i n 应力解答，假 定桩侧土反力沿桩轴线按梯形分布，由此解出基桩在荷载作用下的应力解，在 这种方法中土反力分布假定具有较大的局限性，但计算过程简单，较利于工程 应用。弹性理论法自提出以来，许多学者对桩性状的分析方法作了大量的研究， 如黄绍铭1 3 驯结合单向压缩法和g e d d e s 方法对桩基础进行了分析，杨敏和王树 矧3 9 】对利用g e d d e s 应力解计算单桩沉降作了较为详细的研究和讨论，并以此 为基础将分析方法推广到群桩计算中，国外亦有学者将矩阵位移法应用于群桩 负摩阻力的解算。 弹性理论法的优点是考虑了实际土体的连续性，故可考虑桩与桩之间相互 影响的群桩分析。弹性理论法在今天已发展成为一种能得以实施的、较完整的 理论体系，并已成为讨论基桩和桩基础性状的重要理论依据之一。但是使用弹 性理论法计算时，计算土的竖向位移柔度矩阵工作量较大，另外，在如何正确 选择土的两个重要指标e s 、v s 方面还有待进一步解决。 4 ) 数值计算方法。随着计算机水平的不断提高，有限单元法、边界元法、 有限条分法、有限层法等许多数值计算分析方法相继提出。有限条分法最初用 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 于分析上部结构，而c h e u n 9 4 0 】提出将其用于分析层状地基中基桩的承载特性。 随后，g u o t 4 l j 等人将这种方法发展成无限层法( i n f i n i t el a y e rm e t h o d ，i l m ) ， 使其可以求解层状地基中桩土相互作用问题。在此基础上，c h e u n g 等根据叠 加原理将这种无限层法推广至群桩分析。 在实际工程中，桩基础一般以群桩形式存在。群桩按照工作性能，可以分 为端承型群桩和摩擦型群桩。端承型群桩由于桩群中各桩的相互影响较小，所 以各桩的工作状态与独立单桩近似，但是当坚硬持力层下存在软弱下卧层时， 单桩或群桩可能发生冲剪或群桩的整体沉降。摩擦型群桩的工作机理较端承型 群桩更为复杂，承台底面土、桩间土、桩端以下土以及桩本身和承台都在承担 荷载，并且相互影响、共同作用，使得桩群中任一根桩的工作性状明显地与独 立单桩不同。 1 2 2 桩基现场模型试验 群桩基础承载和沉降特性，涉及到众多的因素，包括群桩几何参数( 如桩 间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等) 、成桩工艺、桩基施工、土 层分布、类别与性质、荷载的大小、荷载的持续时间以及承台设置方式( 高、 低承台) 等，加上桩周土体的区域特定性和离散性等特点，要正确分析特定工 程的桩土力学性质，就必须进行现场群桩模型试验。 f o z y 6 k o b 4 2 】等系统地进行了2 1 组低承台群桩试验，并与单桩试验作比较。 试验结果表明，单桩与群桩的作用性状是有差别的，影响其承载力与沉降的主 要因素不相同，单桩的沉降主要受桩侧摩阻力影响，而群桩的沉降在很大程度 上与桩端以下土层的压缩性有关。 k o i z u m i 4 3 1 等在深厚软粘土中进行了一组桩距为3 d ( d 为桩径) 和桩数n = 3 3 的打入钢管桩低承台试验。研究表明，在竖向荷载作用下，纯摩擦群桩的 桩间土和桩端以下土都会产生侧向位移，且土的侧向位移随桩间土和桩端以下 土的竖向压缩变形的增加而增大；在工作荷载作用下，纯摩擦群桩的土侧向位 移主要在桩端以下土层和桩身下部土层中发生，随着荷载水平的增大，土侧向 位移逐渐从以桩端以下土的侧向位移为主转变为以桩间土的侧向位移为主，并 且荷载愈大，桩上部桩间土的侧向位移也愈大。 在超固结硬粘土中，n e l l m 】等进行了一组桩距为3 d ，桩数n = 3x3 的打入 钢管桩高承台群桩试验。试验分析表明，单桩的最大桩侧摩阻力在较小的桩 土相对位移时，就充分发挥，而群桩需要较大的桩土相对位移，且两者的最 大桩侧摩阻力值差别不大；高承台群桩的位移比( 群桩竖直平面内同一标高的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桩间土位移与桩位移之比) 在不同荷载水平下，沿深度都趋于增大，即其桩侧 摩阻力从桩顶开始逐步向下发挥，与单桩相似；随着荷载水平增大，群桩沉降 由地基整体压缩变形为主，逐渐向桩间土压缩变形为主转变；在工作荷载作用 下，群桩沉降仍以地基整体压缩变形为主( 约占8 0 ) 。 在国内，也开展了一些群桩现场模型试验研究。如刘金砺【4 5 】等在粉土地 基中进行了桩径分别为0 1 2 5m ，0 1 7m ，0 2 5m ，0 3 3m ；桩数分别为2 x 2 ， 2 4 ，3 3 ，3 4 ，4 x 4 ；桩距分别为2 d ，3 d ，4 d ，6 d ；桩长分别为8 d ，1 3 d ， 1 8 d ，2 3 d 的高、低承台的钻孔灌注群桩，以及不同桩径、不同桩长的单桩和 双桩的现场模型试验，并且于1 9 8 9 年在软土地基中进行了桩材为空心钢管、 桩径为由1 0 0i 砌4i n l l l 、桩长为4 5m 、桩数分别为3 3 ，4 4 ；桩距分别 为3 d ，4 d ，6 d 的高、低承台的部分挤土群桩的现场模型试验，研究群桩的几 何参数、承台设置方式、荷载水平、土性、时间等因素对桩间土压缩变形和地 基整体压缩变形的影响、桩沉降的相互影响、桩群外侧土的变形范围、压缩层 深度，单桩、双桩、群桩沉降的相互关系等。通过现场模型试验，研究了桩距、 承台、桩长径比、成桩工艺及土的特性等因素，对群桩的侧阻力、群桩端阻力、 承台土反力、桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化等影响；桩端下土层 沿深度压缩分布、群桩周围土层变形分布、群桩桩端下土层影响深度、群桩周 围土体变形影响水平范围；群桩破坏模式和破坏机理、群桩承载变形特性等方 面，都获得了显著成果，为各种相关规范的制定提供了科学依据。 但由于这些群桩试验所用的桩径较小、桩长大多数较短且桩长径比主要在 1 8 - - 3 0 范围( 个别达到5 0 ) ，且土质相对较为均匀的土层剖面。因而，其实测 资料及其分析只能在一定程度上反映短小群桩承载变形特性。而进行大桩径、 桩长较长的大比例模型群桩现场试验，因受试验设备、经费等众多因素影响很 难实施。同时，桩基的边界条件、土层的力学特性等因素，也不易控制。 1 2 3 桩基室内普通模型试验 为了掌握桩基的荷载传递特性和承载变形特性，有不少学者用室内普通模 型试验进行研究。章连祥m 】通过初始静载试验、循环荷载试验和循环荷载后 再加载试验，分别探讨了侧向荷载大小、频率、循环次数和侧向荷载历史等因 素的影响，得出了粘性土中沿桩身不同深度的p y 曲线。谭国焕【4 1 7 】把桩周表面 不同粗糙度的三根模型桩置于砂箱中，来研究松砂土中桩侧表面粗糙程度对桩 承载力的影响。赵明华【4 驯以铝管在砂箱内进行了不同倾角的倾斜荷载作用下 的室内模型桩试验，建立了倾斜荷载下确定极限承载力的经验公式，具有一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的参考价值。周国庆【4 9 】在容器中分析饱和中砂融化沉降位移随时间变化的关 系，从而研究单桩负摩阻力与融沉位移的关系。徐和【5 0 】采用不同砂土干重度， 在室内钢圆筒中进行了模型单桩的轴向抗拔力的模型试验，由此获得了砂土内 摩擦角与桩的侧向抗拔系数间的关系曲线。 刘云云【5 l j 进行了受竖向力作用的7 组嵌岩桩高桩承台模型试验，实测结 果表明，各桩桩项轴力分布和桩顶弯矩分布，不仅取决于作用在承台上荷载的 大小，而且，在很大程度上还取决于承台项面外荷载的局部分布。这不同于地 基系数法( m 法) 计算分析群桩的桩项轴力的分布，仅与作用于承台顶面的外竖 向力及弯矩的大小有关，说明需将该承台按弹性承台来进行计算分析。 通过这些室内普通模型试验的研究，有助于提高对桩基的承载变形机理认 识。但由于室内桩基模型试验，既使采用原型材料制造模型时，在几何、材料、 应力( 体积力) 的1 5 个相似率中，室内普通模型有6 个不能满足，且土的破坏 准则( 库仑准则) 也不相似。因而，反映桩基的桩土相互作用、受力特性及变形 特性等不相似，其试验结果亦不能完全反映原型性态。 1 2 4 桩基研究存在的问题和发展趋势 桩基础从诞生至今经历了上千年的历史，由于其能提高地基的承载力，同 时又能减少地基的沉降，因此桩基础一直是工程师们研究关注的焦点之一。特 别是从上个世纪中期以后，学者们对桩基础工作特性的研究一直没有中断过， 从最早的经验技术，到后来的理论分析，桩基础的分析理论不断得到发展，并 趋于相对完善。但是，从整个理论体系来讲，还存在许多有待于进一步研究的 领域，尤其是最近几十年，随着基础建设的发展，桩基础的使用越来越广泛， 桩的直径不断增大，桩长也不断的增长， 桩基础面临着更多更新的问题。 首先，由于桩周介质的复杂性，由 周围介质与桩接触面剪切强度特性所决 定桩承载力计算方法还有待于进一步的 研究。但是，到目前为止，只有原位静 载荷试验确定的桩承载力，可以达到结 构设计要求的精度和可靠性，并可直接 应用于工程设计。而其它的“分析计算 方法和“试验方法”所得到的桩承载力， 可靠性水平相对偏低，直接用于工程设 p 1 l _ - is 1 t 一t t ，r l s il 矿暑 丑殳j l o j i = 兰 1 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 计，则一方面可能过于保守：另一方面又可能不够安全。 其次，单桩沉降计算是群桩沉降分析的基础。而目前的各种单桩沉降计算 方法存在各种各样的缺陷，使得群桩沉降分析结果与实际情况有较大出入。另 一方面，群桩基础的工作特性并不是单桩根数的简单叠加，桩与桩之间的相互 作用相当复杂。一般认为群桩中，桩与桩之间的相互作用是基于两根桩相互作 用原理的基础之上叠加而来的。在两根桩之间，存在两种相悖的工作机制，一 是两桩的相互作用概念，即一根桩i 在外载p 作用下，桩土接触面上的剪应力 ( 桩侧) 和法向力( 桩端) 将对另一根桩j 产生作用，导致桩j 增加一附加沉 降s j 的效应( 见图1 2 ) 。这一作用的传统描述方法是基于m i n d l i n 弹性理论 基础上的桩相互作用系数qi j ( p o l o u sa n dd a v i s ，1 9 8 0 ) 。两桩间的另一种作用 是桩的“束缚”作用。m y l o n a k i sa n dg a z e t a s ( 1 9 9 8 ) 将这一效应定义为，一根 在荷载p 作用下的桩i ，将对桩周介质中j 处产生一位移s j ，但由于零荷载桩 j 的存在，使得j 处的沉降减小为s j 的效应，这一作用称之为桩的“束缚 作 用。石名磊( 2 0 0 2 ) 将这一桩的“束缚”作用的概念重新定义为，一根在荷载 p 作用下的桩i ，将产生一沉降s i ，但由于相邻另一根零荷载桩j 的存在，桩i 的沉降将折减成s i 的效应( 见图1 2 ) 。因此，桩的相互作用导致了桩的附加 沉降，而桩的“束缚 作用却减小了桩的沉降，这两种作用机制是不尽相同。 就目前的研究水平而言，大部分的成果主要是针对前者，而对“束缚”作用的 理论研究还很不完善。 再次，对超长桩荷载传递机理的研究还不完善，至今还没有相应的超长钻 孔灌注桩荷载、沉降计算公式。目前我国有关部门规范根据桩侧极限侧阻力和 端阻力经验值，求得基桩极限承载力再除以安全系数k 的容许承载力，作为设 计的指标，这种取值方法对于超长桩而言，尚存在如下几个问题：桩侧摩阻 力和桩端阻力不能同时发挥，取同一安全系数，实际不安全；大跨度桥梁， 对于超长钻孔灌注桩，由于桩身的压缩变形较大，要使桩端的承载力充分发挥 作用将需要相当大的桩项变形，导致上部结构对沉降的要求不能满足；目前 在我国桥梁工程设计中除基础设计外已全部采用极限状态设计方法，显见基础 设计规范远远落后于桥梁上部结构设计方法发展的形势，给设计工作带来了一 定的困惑。 又次，基桩工作时，极限桩侧阻力在桩土间相对滑移较小的部位取得，滑 移应定义为沿桩身在任意点随着轴向荷载产生的桩身应变与土体应变差额的 积累。从承担荷载角度分析，桩的极限承载力是极限侧阻力加上极限端阻力之 和，而从位移控制分析，桩的工程极限承载力应该由工程容许最大变形对应的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 荷载控制，两者具有相互作用、相互影响的内在联系，片面把它们分开考虑不 够妥当。超长大直径斜桩由于几何尺寸的影响，其承载力的构成、桩侧阻端阻 的发挥性状、桩顶沉降的构成等都与普通基桩不同，且大量实践表明，超长大 直径桩的竖向承载力宜按桩顶沉降量控制，因此其承载性状、沉降计算理论及 按桩顶沉降控制基桩竖向承载力的设计理论研究均具有重要的理论与工程实 际意义。 最后，国内外学者实例研究多，系统研究少。从查阅文献看，成功的单个 实例分析报告多，系统性的理论与实践研究不足。尤其是失败的实例研究报告 很少见到，这与我国的实际情况形成一定的反差，从某种意义上说，失败的实 例更具有价值。 1 3 论文的主要内容 本文结合深厚软土区桥梁桩基设计试验研究科研项目中的模型试验，针对 有斜桩的桩基，研究在不同倾角下斜桩桩基的竖向承载力以及水平承载力工作 性状。其主要内容如下： 1 对桩基桩土体系荷载传递研究、桩基现场模型试验、桩基室内普通模 型试验以及桩基研究中存在的问题和发展趋势作了具体分析； 2 简要介绍深厚软土区桩基础承载理论； 3 介绍深厚软土区桥梁桩基设计试验研究项目中模型试验的概况；以及 斜桩桩基模型试验的结果与分析； 4 利用数值计算方法计算在深厚软土层中不同倾角下桩基的竖向受荷工 作性状和横向受荷工作性状，并从中分析归纳得出荷载沉降、荷载水平位移 曲线，以及桩基中各桩的工作性状，最后结合模型试验研究结果得出关于在深 厚软土层中斜桩斜度与斜桩承载力以及斜桩工作性状关系的规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章深厚软土区桩基础承载力理论 2 1 竖向荷载下桩基的承载机理 一般来说，作用在桩顶的竖向荷载由桩侧阻和桩端阻共同承担，桩侧阻 将桩顶荷载以剪应力的形式传递至桩周土体，最终扩散分布于桩端持力层。 桩端持力层受桩端荷载和桩侧荷载共同作用产生压缩变形，导致基桩沉降。 基桩竖向承载力及其引起的沉降均为桩一土共同作用的结果，随基桩几何尺 寸、几何形式、桩侧桩端土性质、成桩工艺等诸多因素变化，是一个极其复 杂的过程。 随着竖向荷载逐步施加于基桩之上，桩身上部产生压缩并相对于桩周土 产生向下的位移，此时桩侧表面就会受到向上的摩阻力。由于摩阻力的作用， 桩顶荷载沿深度逐渐传递到桩周土层中，而桩身轴力和桩身压缩变形随深度 递减，在桩土相对位移为零处，其摩阻力尚未发挥( 如图2 1 a ) 。随着桩顶 荷载的增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之调动起来， 上部土层逐渐由于桩土相对位移过大而进入塑性状态( 如图2 1 b ) 。当桩身 轴力传至桩底时，桩端轴向力等于桩项竖向荷载减去全部桩侧摩阻力，并与 桩端支承反力大小相等，方向相反( 如图2 1 c ) 。桩端土层的压缩会加大桩 土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥出来，当桩身摩阻力全部发挥出 来达到极限值后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。随 着桩项荷载的持续增长，由于桩端持力层的过度压缩和塑性挤出，位移增长 速度将显著加大，直至桩端阻力达到极限值，位移迅速增大而使基桩失效。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 留鳓麓瑗霉菇 只 稚辩耱疆髹囊 一 鼬渤 图2 1 基桩荷载传递过程示意图 2 2 按桩顶荷载分解确定基桩竖向承载力的设计理论 当群桩承受较大的水平荷载时。工程上有时会采取设置斜桩的方法，其依 据主要来自结构分析结论，即在水平荷载方向设置斜桩可以减小结构的水平位 移，部分水平荷载将由斜桩沿其轴向承受。斜桩受力分析简图如图2 2 所示。 对软土地区超长斜桩使用较少，报道也少见，但是参考柔性桩复合地基的设计 计算理论，当设有斜桩的桩群承受竖向荷载且伴随有竖向地面位移发生时，斜 桩将会产生有利影响，从而减少沉降量，提高承载力。 本项目将桩体作用荷载分解为两部分，计算中一部分为沿桩身轴向的荷 载，按照考虑桩周土分层性质以及桩侧摩阻力发挥的非线性性质，基于荷载传 递法对超长桩沉降计算方法进行研究，如图2 3 所示。一部分为沿桩身截面作 用的推力。由于大直径超长桩的桩径均匀，其弹性模量比土要大得多，认为桩 体在桩项横向荷载作用下，桩体的横向变形很小，可以忽略不计截面的变形的 影响。同时，由于桥梁桩基以受竖向荷载为主，即便横向荷载较大，也不足以 出现水平受力桩的力学性状，如果按照横向受荷桩进行计算，必然造成水平作 用被夸大，从而造成计算的错误，作为理论的探讨，本文只对承台作用竖向荷 载的问题进行探讨，即便对于斜桩，考虑到施工的技术限制和设计的需要，很 少会超过1 5 0 ，分解的荷载不足以引起大的位移，为简化计算，同时引入桩土 相互机理，将土体对桩身的作用侧压力近似用静止土压力代替，如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 将后者的吒= 仃y 的计算结果作为结合摩尔库仑准则，用以求出公式( 2 1 ) 中的。可对照确定基桩荷载传递关系，从而获得桩身承载力。 图2 - 2 斜桩受力分析简图 l 童 | 薹 1 _ 一 l 如 f 纛 i f 罩 l j 图2 4 静止土压力计算模型 肖牛 懿