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摘要 超长大直径群桩基础室外模型试验研究 摘要 本课题是国家科技支撑计划项目苏通大桥建设关键技术研究( 2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 1 3 ) 下的子项 目，本文以室外模型试验为基础，对超长大直径单桩、群桩承载性能进行了研究。开展的主要工作 及取得的成果如下： 首先，通过文献调研，总结了超长大直径单桩和群桩的研究现状及发展趋势，并重点总结了目 前国内外关于超长桩的荷载传递机理方面的研究成果。 其次，根据预期的研究目标，设计并完成了超长大直径群桩基础室外模型试验。试验共分8 组， 其中单桩、两桩群桩、四桩群桩和九桩群桩各两组，试验桩桩径均为4 0 0 m m ，桩长分2 0 m 和2 4 m 两种。 试验桩桩型为钻孔灌注桩，试验方法采用堆载法，桩身各控制断面主筋上布设钢筋计以测量桩身轴 力，群桩中各基桩桩项放置压力盒以量测桩项荷载，通过测试获得了可靠的试验数据。 然后，通过对室外试验结果的分析，研究了超长灌注单桩和群桩在竖向荷载作用下的承载性状 以及荷载传递机理等问题，得到了一些具有指导意义的结论：( 1 ) 随着长细比增加，桩加载初期刚度 略有减小而加载后期刚度明显增加；( 2 ) 加载到极限状态时，试验单桩d z i 和d z l l 桩端阻力占桩项 荷载的比例分别为2 2 和4 ，均属于摩擦型桩；( 3 ) 对桩端为软弱土层的超长桩，采用j - i g p 法划 分侧阻和端阻效果较好；( 4 ) 对于试验条件下的九桩群桩q z 9 和q z 9 l ，各基桩桩端阻力的分布情况 均是：中桩 边桩 角桩；( 5 ) 对q z 9 ，加载时角桩、边桩、中桩桩顶荷载r l 亍桩项平均荷载的比例分 别在1 0 2 。1 0 8 、0 9 4 0 9 9 、0 8 5 , - - 0 9 4 之间波动；对于q z 9 l ，对应的比例分别为1 0 2 1 1 1 、o 9 和1 0 5 和0 7 1 - 4 ) 8 6 。 最后，将6 组群桩实测群桩效应系数与按应力叠加理论计算的结果进行了对比，两者最人误差为 1 1 5 6 ，验证了考虑应力叠加的群桩效应系数公式对超长群桩的适用性；通过试验单桩实测与计算 0 一j 曲线的比较，验证了课题组关于超长单桩桩侧和桩端荷载传递函数均符合双曲线模型的结论； 室外试验测试得到的群桩q s 曲线与按等效墩模型计算得到的q s 曲线吻合程度较好，说明按等 效墩模型计算本次试验的超长群桩是可行的。 关键词：群桩基础；模型试验；荷载传递；应力叠加；群桩效应；双曲线模型：等效墩 a b s t r a c t s t u d yo n i ns i r em o d l et e s to f s u p e r - - l o n ga n dl a r g e - - d i a m e t e r p i l eg r o u pf o u n d a t i o n a b s t r a c t b e i n gp a r to fn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf u n dp r o j e c t s ，t h i ss u b j e c ti s t h es u b p r o j e c to f “r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec o n s t r u c t i o no fs u t o n gb r i d g e b a s e do nt h ei ns i t um o d e lt e s t , s t u d yh a sb e e nc a r r i e do u to nb e a r i n gc a p a c i t yo fs u p e r - l o n ga n dl a r g e - d i a m e t e rp i l eg r o u p t h em a i nw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gi n t e r n a la n de x t e r n a ld o c u m e n t s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e p r e s e n tc i r c u m s t a n c e sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr e s e a r c ho ns u p e r - l o n ga n dl a r g e - d i a m e t e rp i l e sa n d e m p h a s i sl a i do nl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo fs u p e r - l o n gp i l e s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ed e s i r e dp u r p o s e ，i ns i r em o d e lt e s t0 1 1s u p e r - l o n ga n dl a r g e - d i a m e t e rp i l e g r o u pi sd e s i g n e d t e s tp i l e sc a nb ed i v i d e di n t ot w os t y l e sa c c o r d i n gt h el e n g t ho fp i l ew h i c hi sd e s i g n e d a s2 0 ma n d2 4 m e a c hs t y l ei n c l u d e ss i n g e rp i l e ，p i l eg r o u po f2 , 4 ，9 b o r e dp i l e sa n dp i l i n g u pm e t h o da r e a d o p t e di nt h et e s t s t e e lb a rm e t e r sa r ef e di nt h ep i l e st om e a s u r et h ea x i a lf o r c ea n dp r e s s u r ec e l l sa r c p l a c e da tt h et o po ft h ep i l e st og e tt h ea c c u r a t el o a do nt h e m s or e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t ai sa b t a i n e d t h r o u g ht h et e s t t h e n ，t h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h er e s u l to ft h em o d e lt e s t ，s t u d yh a sb e e nc a r r i e do u to nt h eb e a r i n g c a p a c i t ya n dl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo fs u p e r - l o n gp i l e s s o m ei n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n sa r ca c h i e v e d ( j ) a st h ei n c r e a s eo ft h es l e n d e r n e s sr a t i o p r o p h a s er i g i d i t yo ft h ep i l eh a sal i t t l ed e c r e a s eb u tt h e a n a p h a s er i g i d i t yi n o e a s e ss i g n i f i c a n t l y ( 2 ) r a t i o o ft h ep i l et i pr e s i s t a n c et ol o a do np i l et o pw e r e2 2 a n d4 f o rd zia n dd z1l r e s p e c t i v e l yi nt h el i m i ts t a t e s ot h e ys h o u l eb ec l a s s i f i e da sf r i c t i o np i l e ( 3 ) t h e s l g p m e t h o di se f f e c t i v ef o rs u p e r - l o n gp i l e sw h e nt h e r ei sw e a ks o i ll a y e ra tt h eb o t t o m ( 4 ) a sf a ra sq z 9a n dq z 9 la r ec o n c e d e d t h ed i s t r i b u t i o no fp i l et i pr e s i s t a n c ei sc e n t e rp i l e s i d e p i l e c o m e rp i l e ( 5 ) s of o rq z 9 ，t h er a t i oo ft h el o a do np i l et o pt ot h ea v e r a g ea r ef l u c t u a t i n gb e t w e e n1 0 2 1 0 8 ， 0 9 4 - - 0 9 9 ，0 8 5 - - 0 9 4f o rc o r n e rp i l e ，s i d ep i l ea n dc e n t e rp i l er e s p e c t i v e l y ；t h ec o r r e s p o n d i n gr a t i oi s 1 0 2 1 1 1 0 9 扎1 0 5a n d0 7 1 - 4 ) 8 6f o rq z 9 l e v e n t u a l l y , t h em e a s u r e dp i l eg r o u pe f f e c tc o e f f i c i e n ti sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l tc a l c u l a t e db ye f f e c t c o e f f i c i e n tf o r m u l ab a s e do ns t r e s ss u p e r p o s i t i o na n dt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri s 一11 5 6 ，w h i c h v e r i f i e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ef o r m u l af o rs u p e r - l o n gp i l e s ；b yc o m p a r i s o no ft h em e a s u r e da n dc a l c u l a t e d q sc u r v e so fs i n g l ep i l e s ，t h ec o n c l u s i o no fh y p e r b o l i cm o d e li sa l s op r o v e d ；t h eq sc u r v e so fm o d e lt e s t n a b s t r a c t i sv e r ys i m i l a rt ot h er e s u l to fe q u i v a l e n tp i e rm o d e l ，w h i c hi n d i c a t e st h ee q u i v a l e n tp i e rm e t h o di s a p p l i c a b l ef o rt h et e s tm o d e l k e y w o r d s ：p i l eg r o u pf o u n d a t i o n ；m o d e lt e s t ；l o a dt r a n s f e r ；, s t r e s ss u p e r p o s i t i o n ；e f f e c to fp i l eg r o u p ； h y p e r b o l i cm o d e l ；e q u i v a l e n tp i e r 1 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 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。 研究生签名：奎! 壶鉴日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二t j 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： _ _ 8 0 0 m m 的桩为大直径桩；国外一般认为桩径超过7 6 0 m m 的桩为大直径桩【1 0 l ：王伯惠、上官兴【1 1 】 针对桥梁_ t 程桩基础，特将桩径2 5 m 以上的桩称为大直径桩。 综上所述，考虑到本课题主要是针对国家科技支撑计划苏通大桥关键技术研究的子课题千 米级斜拉桥技术标准和关键结构及特性研究中超大规模群桩基础承载性能试验进行研究，除特别 说明外，本文所指超长大直径钻孔灌注桩是指长径比d 4 0 、桩径为2 5 m 以上的钻孔灌注桩。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 1 3 1 超长大直径灌注单桩的研究现状 1 单桩理论分析方法发展现状 目前，单桩的承载力和沉降计算还没有得到较完美的统一，即分析单桩的承载力时，没有与单 桩沉降联系起来，而在分析单桩沉降时，又没有以可靠度的思想来确定承载力。 从以往的研究资料看，目前单桩理论分析方法主要有：弹性理论法、剪切位移法、荷载传递法、 神经网络法及有限元法等。而在实际工程实践中，现场静载测试仍被认为是最可靠的方法。 弹性理论法【1 2 】利用半无限弹性体中集中力下的m i n d l i n 解给出桩的竖向变形这与实际地基土 的成层性差别较大，并且与土的实际变形特性也相差较大。后来，有人针对十的成层性将该方法进 行改进，如t a 等【1 3 】将层状弹性体的分析理论引入到桩基础的分析中，费勒发【1 4 】等将弹性理论解与 分层总和法相结合，以考虑成层土的情况。 荷载传递法【”】认为桩身任何一点的位移只与该点的剪切应力有关，忽略了桩周土的应力场效应， 即忽略了桩周介质的连续性，也无法反映软弱下卧层的影响。潘时声( 1 9 9 1 ) 提出了用分层位移迭 代法求解单桩，并推广到群桩分析中，有效改善了该法不同的传递函数对应的临界位移值相差很大 的问题。陈如桂f 1 6 】建立了单桩荷载传递的弹塑性桩土体系的理论并开发出可供1 ：程应用的实用方法。 但其方法是独立考虑一根桩的沉降特性，未扩展到群桩分析中。 剪切位移法【1 7 1 假设桩产生竖向位移时，桩侧摩阻力通过环形单元向四周传递，桩侧周围土体的 变形可视为同心的圆柱体，适用性较强。杨嵘昌【1 8 】等进一步将剪切位移法推广到塑性阶段，并且用 于桩土承台结构的非线性共同作用分析。有人在剪切位移法的基础上，给出了层状士中轴向受荷桩 土相互作用的问题分析方法，对于解决一般地基十的桩土相互作用问题较为有效。杨敏【1 9 】等提山沉 降控制设计桩基础的方法，是桩土相互作用的进一步发展。董建国1 2 0 1 等则对桩土共同作用机理的计 算方法进行了较系统的研究。但该方法在分析计算中，桩的影响半径乞的确定主要基于经验，缺少 理论支持。 单桩沉降预估的神经网络法采用的是由r u m e l h a r t 2 l 】等提出的反向误差传播( b a c ke r r o r p r o p a g a t i o n ，简称b p ) 神经网络，并借助于已收集到的试桩资料，建立神经元网络模型，它把一组 训练样本的输入输出问题变为一个非线性化问题，在其迭代运算求权值的全过程中使用了最优化分 析中的梯度卜- 降法。 有限单元法是目前较普遍的一种数值分析方法，但是由于计算时，所取用的参数多、计算量大、 建模较复杂等原因，目前，用于研究目的的分析居多。应用有限元有很多优点，可以考虑实际的三 维效应，并可计算桩中和沿桩周的应力和变形。它也有可能研究导致破坏区的应力和变形的逐渐发 2 第一章绪论 展过程。众多学者为获得各工况下的桩基承载性能，只能借助于有限元方法来模拟现场试验，得到 了很多有意义的结论。但由于各自采用的本构模型、有限单元及核心算法不一样，导致模型差异较 大，结论也不尽一致。有的将桩体作为杆件，周围士体对桩的作用采用弹簧单元模拟，弹簧可以模 拟土体的粘弹性。这种作为，割裂了桩土之间的相互作用。更多的学者采用实体单元模拟桩体和土 体单元，但各自的本构关系并不一样，土体有的用m o h r - c o u l o m b ，也有的用d n m k p r a g e r ，还有的 直接采用线弹性的。对桩士界面的模拟也大相径庭，有的采用g o o d m a n 单元，有的采用有厚度的接 触单元。实际的桩体弹性模量远大于土体，在荷载作用下，桩体应力水平较低，处于弹性阶段，因 此完全可以采用弹性模型。在荷载较高时，桩周十体进入塑性阶段，必须采用弹塑性模型。土体的 弹塑性模型本构关系众多，在实际应用时，应综合考虑参数选取的方便可靠、与实际尽可能接近等 原则。至于桩十界面的模拟，一直是岩土界的难点。桩土界面的相互作用关系是非线性的，必须考 虑到桩土界面的相互滑移，g o o d m a n 只能考虑很小的相对滑移，而无法考虑相对滑移的接触单元是 无法模拟超长桩的。 现场单桩静载试验直观，与实际受力状态类似，其结论较为可靠，然而，静载方法需耗费较多 的人力、物力，耽误工期，甚至，在条件恶劣时或吨位太大时，静载试验根本无法实现。 由此可以看出，超长大直径单桩承载性能的研究水平还相当低，人们对其承载机理也不甚明确， 因此，开展对超长大直径单桩的承载机理和承载性能的研究显得非常紧迫。 2 超长桩的荷载传递研究现状 桩基的荷载传递是桩基工作性能的核心内容，从广义上讲，指的是桩基在外荷载作用下桩土体 系的各个部分反应的总体表现，它包括荷载的分配、传递方式、地基土和桩身以及桩端共同承担外 荷载的相互关系、构成桩土承载力的各个分量的形成、发挥过程和分布规律。 韦华【7 】通过对下关电厂4 撑试桩和宝山钢厂v 1 试桩试验数据的分析，认为超长桩的受力特性属 于摩擦桩。并结合超长桩的受力特性对影响超长桩摩阻力发挥的各种冈素做了定性分析，提出了桩 端持力层的力学性质对摩阻力的发挥有较大影响的观点。 曾友金等【2 2 】提出了用指数函数作为荷载传递函数对超长单桩的荷载传递进行了分析。考虑了桩 侧摩阻力引起的桩端土沉降作用，并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 了反演分析，优化出桩周各土层和桩端土荷载传递函数的岩土参数，并用3 根静载试验超长单桩的 试验结果与计算结果进行比较，结果相差不多，说明修正后的荷载传递函数可用于超k 单桩的荷载 传递。 费鸿庆等【2 3 】通过对黄土地基中超长钻孔灌注桩竖向承载力静载试验，桩身轴力传递和桩侧阻力 发挥的测试，探讨了黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载力性状，受施工质量影响的桩身轴力传递规 律和侧阻力发挥性状。 俞亚男等【2 4 l 根据软土地基中超长钻孔灌注桩静载试验资料，分析了软土地区超长钻孔灌注桩的 承载特性和荷载传递机理。 朱向荣等【2 5 】通过温州软土地基中超k 钻孔灌注桩静载试验和桩身轴力的测试，探讨了软十地基 中超长钻孔灌注桩的承载力性状和荷载传递机理。 方鹏飞【2 6 j 针对超长桩的受力特性，利用荷载传递法对超长桩进行了非线性分析，利用轴对称有 限元法对均质、成层土中超长桩的承载性状展开了研究。针对超长桩的荷载传递特性，指出了超长 桩设计应该注意的一些问题；同时提出了变形协调设计法，考虑了受力和变形的相互协调，在理论 上更加合理。 3 东南人学硕士学位论文 冯世进等【2 7 】研究黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载性能、桩身轴力传递规律、桩侧阻力和端阻 力的发挥性状，对西安地区6 根超长钻孔灌注桩进行单桩静载荷试验，采用滑动测微计测试每米范 围内桩身轴力的变化。可以发现，黄土地基中超长钻孔灌注桩的9 一s 曲线呈缓变型，在最大荷载时 都未达到破坏状态；桩身轴力传递规律和桩侧阻力的发挥与成孔工艺、桩长、桩周土层性质密切相 关。 从桩的超长对桩的工作性能影响的角度来看，超长桩的荷载传递机理有其独有的特点，目前研 究现状概述如下： ( 1 ) 普遍认为超长桩的荷载一沉降( q s ) 曲线呈缓变型，但在软粘土中或者在高应力水平下的超 长桩也会出现桩端土的刺入破坏，即其q 一5 曲线旱陡降型。 ( 2 ) 普遍认为超长桩的荷载传递性状为侧阻先于端阻发挥，二者是异步的，而且在工作荷载下主 要依靠侧阻的发挥来提供承载力。各层土桩侧摩阻力的发挥性状是不一致的。先上层，后下层，而 且极限摩阻力小的土层及埋深浅的土层其摩阻力越易发挥到极限。同时在最下层土阻力发挥时，桩 身上部土层可能己达到极限摩阻力而发生桩士相对滑移，再增加荷载会使其阻力由于滑移而下降。 ( 3 ) 超长桩的桩顶沉降主要由桩身压缩引起，适当增加桩身刚度有利于桩顶荷载向桩身下部传 递，提高超k 桩的承载效率。 ( 4 ) 普遍认为：加大桩长能明显减小桩的沉降。但也有文献认为单纯增加桩长并不能明显减小桩 基础的沉降，尤其在工作荷载下，其效果并不明显。而随着桩径的增大，桩在同一级荷载下的沉降 减小比较明显，比单纯增加桩长要明显的多。冈此选择合适的桩径对减小桩基础的沉降是有意义的。 对超长桩，因为在工作荷载下其性质主要表现为摩擦桩性状，冈此适当增加桩径，有利于减少沉降 并提高单桩承载力，但桩径的加人会明显增加混凝土用量，从而增加造价。因此需要选择一个合适 的长径比l d ，以达到承载性能和经济的优化。 ( 5 ) 传统的单桩承载力计算方法并不适用于超长桩，因为传统的计算方法认为桩侧阻力与桩端阻 力同时达到极限，而实际上二者是异步发挥。因此，对于超长桩来说侧阻与端阻应采取不同的分项 系数，这样才比较符合实际情况。 ( 6 ) 超长桩承受的荷载比较大，因此，桩顶沉降也比较大，在判断桩达到极限状态时变形是主要 的控制因素。 ( 7 ) 大量文献研究表明超长桩存在有效桩长，在进行超长桩的设计时，不应超过这个有效桩长， 否则只会增加： 程造价，造成资金的大量浪费。 1 3 2 超长大直径灌注群桩的研究现状 1 承载力的计算 群桩基础竖向受压承载力的分析和确定是桩基工程设计中最困难的问题之一，尤其是对于超长 大直径钻孔灌注群桩基础，更是如此。理论和试验表d 凋 3 , 4 2 8 , 2 9 1 ，对于深厚土层中的超长大直径群桩， 由承台传递给桩顶的荷载主要通过桩侧摩阻力传给桩周十和桩端土层，小部分由桩端传递，在常用 桩距的情况下将产生应力重叠，由此群桩效应使得桩群中任一根基桩的工作性状较之于独立单桩而 明显不同。有关这方面的原型试验非常少，因为在原型群桩上进行荷载试验很不经济，同时占片j 施 工场地和妨碍现场正常作业，故通过原型群桩试验米研究其工作性状通常也是不切合实际的。已有 的模型试验结果和理论分析以及工程经验均表 i f j 3 , 3 0 3 1 j ：群桩竖向承载力将不等于各单桩竖向承载力 之和；群桩中的平均单桩承载力不等于单独一根桩的单桩承载力。 摩擦型群桩极限承载力的计算需考虑承台、桩、土相互作用的特点，根据群桩的破坏模式建立 4 第一章绪论 起相应的计算模式，这样才能使计算结果符合实际。群桩极限承载力的计算按其计算模式和计算用 参数大体分为以下几种方法【3 2 1 ： 以单桩极限承载力为参数的群桩效应系数法； 以土强度为参数的极限平衡理论计算法； 以桩侧阻力、端阻力为参数的经验计算法； 考虑承台、桩、土相互作用的分项群桩效应系数计算法。 美国规范采纳两种方法，建设部规范采纳方法，交通部规范采纳方法。 ( 1 ) 以单桩极限承载力作为参数的群桩效应系数法 以单桩极限承载力为已知参数，根据群桩效应系数计算群桩极限承载力只，是工程实践中广泛 应用的传统简单方法。其群桩极限承载力计算式为： 只= r ，l q ( 1 1 ) 式中 ，7 群桩效应系数； 甩群桩中基桩数； q ，单桩极限承载力。 确定和求解刁的方法有很多【3 3 3 5 1 ，本文将在第五章具体分析和研究。 这种方法简单直接，在丁程实践中沿用很久，关键是要准确合理地确定群桩效应率系数。该法 的不足是，对于桩侧阻力和桩端阻力的不同群桩效应以及承台分担荷载的作用等均不知其具体机理， 也未予以考虑。 ( 2 ) 以土强度为参数的极限平衡理论计算法 这种方法是根据群桩的三种可能破坏模式一呈整体剪切、局部剪切、冲切剪切( 刺入) 极限平 衡理论来计算群桩极限承载力。计算按两种情况分别采用不同的方法。 侧阻早桩、土整体破坏 对于小桩距( s 3 d ) 挤士型低承台群桩，其侧阻一般旱桩、- 十整体破坏，即侧阻力的剪切 破裂面发生在桩群、十形成的实体基础的外围侧表面，如图1 1 所示。因此，群桩的极限承载力计 算可视其为“等代墩基”或实体深基础，即将群桩连同所闱的土体视为一个整体，作为实体深基础 来分析，承载力取下面两种计算式之较小值【3 。一种认为实体深基础的极限承载力只由桩群周边上 的极限抗剪力和桩端平面上以桩群外包尺寸决定的面积上的极限承载力组成p 6 3 7 1 ，如图1 1 ( a ) ；另 一种则考虑了矽4 的扩散角( t p 为桩间各土层的加权平均内摩擦角) ，将桩端平面上扩大了的面积 上的极限承载力作为只，如图1 1 ( b ) 所示。与这两种模式相对应的计算公式分别为式( 1 2 ) 和式 ( 1 3 ) ： 5 东南大学硕上学位论文 n + p ，”， 一一髭 6 p ，黔，黔，e i ； h 膨 而 1 ； l ； ； i 多 i 1 。”f 岳- - 。矿 。0 - - - 。0 - - - 昌了 3 。 c l。i bqqqd l 卫一 n + p i 么|塞们 f lf 11 崩1 1l 二lp堇-o-圣o-堇-cr-亘cl二i丑 1 ! 二芒型j 图1 1 群桩整体破坏模式的实体深基础计算方法 k ( + p + g ) 只= 2 l 2 ( 口+ 6 ) 吒+ p 。a b k ( n + p + g ) 只= p , , a b ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 式中上部结构传来的竖向荷载； p 桩承台及其上覆士的重量( 常年地下水位以下按有效重度，对于高承台而言，仅指桩 承台重量) ； g 桩及桩间士的总重( 常年地下水位以下取有效重度) ； k 安全系数，取2 3 ，视毛和见的取值可靠程度而定； t ，桩身穿过- 十层的平均单位不排水抗剪强度； 见桩端处十层的单位极限承载力，按规范确定； a 、b 群桩外同的长度和宽度，见图1 1 ( a ) ； a 、b 考虑扩散角够4 后在桩端平面上的实体基础底面尺寸，见图1 1 ( b ) ； 厶对于低承台群桩，自承台起至桩端的长度；对于高承台群桩，自地面起至桩端的长度。 文献【3 2 】指出，对于桩端持力层为非密实土层的小桩距挤- 十型群桩，虽然桩侧阻力呈桩、土整体 破坏而类似丁墩基，但是墩底地基由于土的体积压缩影响一般不致出现整体剪切破坏，而是局部剪 切、刺入剪切破坏，尤以后者多见。但是关丁局部剪切破坏的理论计算公式迄今还未能建立起来， 作为一种近似方法，t e r z a g h i 建议对土的强度参数c 、缈值按公式( 1 - 4 ) 进行折减。 ，2 扯砘留习 “舢 第一章绪论 侧阻早桩、土非整体破坏 对于非挤土型群桩，其侧阻多呈各桩单独破坏，即侧阻力的剪切破裂面发生在各基桩的桩、土界 面或近桩侧表面的土体中，如图1 2 所示。这种桩侧非整体破坏模式还可能发生在饱和土中不同桩 距的挤土高承台群桩【3 2 1 。对于这种破坏模式的群桩，其极限承载力的计算，若忽略群桩效应，则类 似于单桩的计算方法，在此不再赘述。 页历 图1 2 群桩非整体破坏模式 ( 3 ) 以桩侧阻力、端阻力为参数的经验计算法 这类方法系以已知的单桩极限侧阻力和极限端阻力为参数，采用上述极限平衡理论法相似的模 式求算群桩极限承载力。计算方法也按侧阻呈桩、土整体破坏和非整体破坏两类。 侧阻呈桩、土整体破坏 计算基本表达式和参数的确定与前述公式( 1 2 ) 相同，但是对于大直径桩的极限端阻力值低于 常规直径桩的极限端阻力值，因此，对于类似于大直径桩的“等代墩基”的极限端阻力值也随桩端 平面尺寸的增人而降低，故其值应乘以折减系数仉 仉= 5 ， 式中d 等代墩基底面直径或短边长度； 刀经验指数，根据十性取值。对丁粘性士、粉十取1 4 ；对于砂土、碎石类土，取l 3 。 侧阻呈桩、土非整体破坏 计算基本表达式和参数的确定与前述公式( 1 - 3 ) 相同。 当试验单桩的地质条件、儿何尺寸、成桩工艺等与j ：程桩一致时，则可按下式确定群桩极限承 载力： 乞= 以q ( 1 6 ) 式中的刀和q 的意义与前式( 1 一1 ) 中的相同。 此简单模式，忽略了承台、桩、土相互作用产生的群桩效应，在某些情况下，其计算值会显著 低于实际承载力值，例如非密实粉土、砂土中的常规桩距( 3 - - 6 ) d 群桩基础。对于饱和粘性士中 的群桩，按上述模式计算，其计算值一般比较接近实际承载力值 7 1 。 ( 4 ) 考虑承台、桩、土相互作用的分项群桩效应系数法 这种方法是建立在试验的基础上，根据人量在各类i 十( 粉七、砂土、软土和粘性十) 中的群桩( 不 同桩长、不同桩距、不同排列和桩数、不同承台设置方式) 的试验研究，提出了当承台底面以下存在 东南大学硕士学位论文 可液化土、湿陷性黄土、高灵敏度软土、欠同结土、新填土，或可能出现震陷、降水、沉降过程产 生高孔隙水压力和土体隆起等情况不考虑群桩的承台效应外，对于桩数超过3 根的非端承桩桩群， 均考虑桩、土、承台的相互作用效应。试验结果经统计分析后，以桩侧阻群桩效应系数、桩端阻群 桩效应系数以及根据单桩静载试验确定单桩竖向极限承载力时的桩侧阻端阻综合群桩效应系数来共 同反映群桩效应的影响。该法已纳入建筑桩基技术规范( j g j9 4 - 2 0 0 8 ) 3 8 1 ，其计算过程及各分项 群桩效应系数的确定在该规范中已有详细阐述，并且主要只针对房屋建筑t 程中普遍采用的低承台 群桩基础而言的故在此就毋须赘述。 上述群桩竖向受压承载力的各种计算方法都根据群桩的桩型、布桩形式、成桩r t 艺及其所处的 地基条件等具体情况所对应的不同破坏模式而提出来的，因此，对于它们在具体群桩基础工程中的 应用都有各自的适用条件和范围。对于苏通大桥超人高承台钻孔灌注群桩基础，其极限承载力的确 定，人们一般按方法( 1 ) 进行探讨，故本文将专门探索求解群桩效应系数的方法。 2 沉降计算理论 由桩群、土和承台组成的群桩，在竖向荷载作用下，其沉降的变形性状是桩、承台、地基土之 间相互影响的结果。 群桩沉降及性状同单桩明显不同，群桩沉降是一个非常复杂的问题，它涉及众多冈素，一般来 说，可能包括群桩几何尺寸( 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的设置方 式等。对于影响沉降的主要冈素，单桩与群桩两者也不相同，前者主要受桩侧摩阻力影响，而后者( 群 桩) 的沉降在很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关。 ( 1 ) 沉降的组成 群桩沉降主要由桩身混凝土的压缩和桩端下卧层的压缩组成。 这两种变形所占群桩沉降的比例与土质条件，桩距大小、荷载水平、成桩上艺( 挤土桩与非挤 土桩) 以及承台的设置方式( 高、低承台) 等因素有密切关系。 目前在工程中的沉降计算方法大多都只考虑桩端下卧层的压缩，并加以修正得出群桩的沉降量。 ( 2 ) 沉降计算的理论与方法 当前的群桩沉降计算方法主要有等代墩基( 实体深基础法) ，等效作用分层总和法，沉降比法等。 传统沉降计算理论在桩基沉降计算时通常采用等代墩基法，即将桩基视作为一种实体基础，再 按浅基础的计算方法计算桩基沉降，采j j 单向压缩分层总和法计算沉降值，将桩基沉降看成是等代 墩基底面的下卧层的压缩量引起的，然后通过相关系数修正沉降量。此法的关键是等代墩基底面的 位置如何取，是否考虑侧摩阻力的扩散作用以及扩散角的取法，等代墩基面下的士的附加应力的计 算方法( 采用b o u s s i n e s q 解还是m i n d l i n 解) 。 建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 【3 9 】采用的理论就是传统桩基理论，在计算沉降时， 等代墩基底面取在桩端平面，同时考虑群桩外侧面的扩散作用。地基内的应力分布采用b o u s s i n e s q 解。p e c k 等考虑到桩间十也存在压缩变形，建议将假想墩基底面置于桩端平面以上t 高度，根据桩 周围土体的性质不同，等代墩基底面应该取不同的位置。浙江大学张忠苗提出了考虑等代墩基自身 压缩变形的群桩沉降计算公式，并提出根据不同的承台桩边距离来选取应力扩散位置的方法。 在我国通常采用群桩桩顶外围按t p 4 向下扩散，t o m l i s o n ( 1 9 7 7 ) 则对群桩外侧的扩散作用提 出简化方法，即以群桩桩顶外围按水平与竖向1 ：4 向下扩散，由此得到的假想实体基础底面积通 常比按矽4 角度扩散要人些。 8 近年来，上海地区积累的长桩基础沉降观测资料证实，b o u s s i n e s q 解给出了偏人的土中附加应 力计算值，并随着桩长的增加而趋于增大，m i n d l i n 解对深基础而言理论上比较严密，但计算复杂， 实际桩端荷载比不易确定，且对小桩群的计算精度小于大桩群。建筑桩基技术规范将m i n d l i n 解 和b o u s s i n e s q 解建立联系，用两者比值来修正沉降量。 等代墩基法适用于桩距不大于6 倍桩径的群桩。该方法计算简单，但是存在的最大问题是高估 墩基底面的应力，这样造成了压缩层深度增加，虽然用沉降修正系数或等效作用系数进行修正，但 是计算值仍保守，较实测值大。 由于群桩沉降涉及的因素很多，至今还没有一种既能反应土的非线性、固结和流变性质，又能 在漫长的沉降过程中反映出桩与土界面上的相互作用力不断变化性状的计算模式l 删。 1 4 本文的研究背景 超长大直径群桩基础室外模型试验研究是国家科技支撑计划苏通大桥关键技术研究的 子课题千米级斜拉桥技术标准和关键结构及特性研究中的一个子项。 苏通长江公路大桥是江苏省“九五”重人基础建设项目( 简称“苏通大桥”) ，位于江苏省东南 部长江1 2 1 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 k m ，下游离长江入海 口约1 0 8 k i n 。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。 苏通人桥桥位区的江面宽约6 k m ，大桥全长8 2 0 6 m ，按双向6 车道高速公路标准建设。主航道 采用主跨1 0 8 8 m 的双塔斜拉桥，港区专用航道采用1 4 0 m + 2 6 8 m + 1 4 0 m 预应力混凝士连续刚构桥， 引桥分别采用跨径7 5 m 、5 0 m 、3 0 m 的等高度预应力混凝土连续梁桥。为了进一步减小承台自重和 改善承台受力，同时尽可能地改善群桩基础的受力，经过方案优化后，施j ：图设计方案采用了哑铃 型不等厚度的承台群桩基础。主桥索塔基础为超长人直径灌注桩群桩基础。承台横截面为变厚度梯 形，底面为哑铃形，高程为7 o m ，外部尺寸为1 1 3 7 5 m x 4 8 1 m ，承台顶面为斜面，标高为4 9 0 7 m 6 3 2 4 m ，承台厚度约1 3 m ；南、北主塔桩基总数均为1 3 1 根，桩顶标高为7 0 m ，桩底标高南、北塔 分别为1 2 1 m 和1 2 4 m ，上部桩径为2 8 m ，下部桩径为2 5 m ，桩径变化处标高南、北塔分别为5 6 1 m 和一6 2 2 m ，采用梅花式布置，桩基中心间距横桥向6 7 5 m ，顺桥向6 4 1 m ，封底底面高程为1 0 0 m ； 最大冲刷线高程南、北塔分别为_ 4 6 0 6 m 和5 2 1 9 m 。 1 5 本文的研究内容 ( 1 ) 通过室外模型试验研究超k 桩( 包括单桩和群桩) 的荷载传递机理； ( 2 ) 研究超长群桩中不同位置基桩在加载过程中桩项反力的分配规律： ( 3 ) 探讨适合超长群桩的群桩效应系数计算方法； ( 4 ) 研究超长单桩侧阻和端阻的发挥模式，以此为基础探讨了利用荷载传递法计算超长桩荷载位 移关系的可行性，并进一步将该方法推广到超人群桩分析中。 9 第一二章室外模型试验 第二章室外模型试验 2 1 概述 2 1 1 室外试验概况 本课题依托工程苏通大桥南、北主塔群桩基础基桩总数均为1 3 1 根，均采用大直径2 8 m 2 5 m 的变截面超长桩，其桩长分别为l1 4 m 和l1 7 m 。 室外模型试验场地位于南京市江宁区，现场制作钻孔灌注桩，桩身和承台混凝土强度等级均为 c 2 5 ，所有承台均采用1 2 1 5 0 双向配筋，混凝士保护层厚度为7 0 m m ，试验桩桩身配筋见图2 1 ； 试验桩桩径综合考虑了经济及施下难易等因素，取为4 0 0 m m ，而不是通过严格的相似计算确定，长 径比分为5 0 和6 0 两种；共进行了8 组群桩( 1 、2 、4 、9 多种桩群和多种桩距、桩径等) 静载荷试 验，各组试验桩的参数见表2 1 。试验场地的平面布置见图2 2 。 i ，。 黼1 6 街2 0 0 0 l _ 。塑i| 薇配搿立兹瞪 图2 1 试验桩桩桩身配筋 表2 1 各组试验桩参数一览表 注：表格中的d 为试验桩的直径；另外以q z 2 1 代表群桩q z 2 中编号为l 的桩，j 余依此类推，各桩编号见 图2 2 。 1 0 东南大学硕士学位论文 r 2 q q 吐 q z 4 l j 2 q q q z 9 l 础1 羁画 q z 2 一 r 皿 羁匝习 q z 2 1 跚q ， q z 4 图2 2 试验场地总平面布置 2 1 2 场地地质条件 试验场地为秦淮河漫滩阶地地貌单元。场地现经人工改造地势较为平坦。勘探深度2 9 5 0 m 内 的士体，根据其成冈、物理力学性质、岩性等差异，划分为4 个工程地质层，9 个弧层，分布如下： l 层素填土：灰黄色，主要由粉质粘十组成，结构松散，欠均质。底板埋深0 4 0 m - - - - 3 6 0 m ，层 厚0 4 0 r n 3 6 0 m ，场地普遍分布。 2 1 层粉质粘土：灰黄色黄灰色，可塑，切面光滑，韧性、干强度中等。底板埋深2 0 0 m - 5 o o m ， 层厚1 o o m - - 3 3 0 m ，场地局部分布。 2 - 2 层淤泥质粉土：灰色，饱和，流塑，稍有光滑，韧性、干强度中等，偶夹粉士。底板埋深 3 4 0 m 9 1 0 m ，层厚0 3 0 m - - - 5 9 0 m ，场地局部分布。 3 1 层粘士：灰黄色，硬可塑，夹粉质粘土，切面光滑，干强度高，韧性高。底板埋深3 9 0 m l l 第二章室外模型试验 1 0 2 0 m ，层厚1 3 0 m - - - - 5 7 0 m ，场地普遍分布。 3 2 层粉土：灰黄色，湿，中密，韧性、干强度低，摇振反应中等，夹粉砂，具水平层理。底板 埋深7 5 0 m 11 9 0 m ，层厚0 8 0 m - - 6 6 0 m ，场地普遍分布。 3 3 层粉土夹粉砂：灰色青灰色，湿，中密，韧性、干强度低，摇振反应中等迅速，具水平 层理，局部夹薄层粉质粘土。底板埋深1 5 o o m 1 8 o o m ，层厚3 4 0 m - 8 9 0 m ，场地普遍分布。 3 4 层粉质粘士：灰色青灰色，软塑，局部流