（道路与铁道工程专业论文）深长桩荷载传递特性与相互作用理论及应用研究.pdf

。 摘要 深长桩荷载传递特性与相互作用理论及应用研究 摘要 桩基础是土木工程领域中应用较为广泛的基础形式之一。本文主要针对深长桩在工程应用中存 在的问题，深入分析相关课题的原位试验资料和室内模型试验结果，对竖向、水平向承受荷载的深 长桩的承载性状和变形特性进行了系统的研究。主要研究内容包括：桩土接触面荷载传递特性的试 验研究、单桩竖向承载工作机制及极限承载力确定、群桩基础相互作用机理分析及沉降计算方法的 研究，以及水平荷载作用下单桩、群桩基础的承载和变形特性和计算模型的应用研究。 桩土界面的物理力学特性直接决定着桩基础的承载性状和变形特性。本文首先进行了室内混凝 土块和粉土介质之间的剪切模型试验研究。结果表明，随着垂直压力的增加，桩土间的荷载位移关 系( t 吃) 曲线由单驼峰模式转变为双曲线模式，说明在压力较低时，表现为软化效应，反之则表 现为强化效应。土的含水量和孔隙比对桩土界面的力学特性影响较大，存在一个最优含水量，此时 桩土界面的摩擦力为最大。另一方面，在剪切初始阶段，桩土界面的剪切模量较大，随着剪切位移 的增大，剪切模量逐渐减少。根据试验结果，本文首次提出了采用非线性塑性荷载位移模式来模拟 桩土接触面的力学特性。 通过对超长桩现场单桩静载荷试验的资料分析，发现超长桩的荷载传递特性表现出了一定的端 承摩擦桩的特性，其尸s 曲线，相对于一般摩擦桩而言变化较平缓。结合室内桩土接触面的模型试 验得到的土层软化、强化变化情况，统计分析了数十根桩的载荷试验资料，得到了不同埋深的土层 的软化系数和硬化系数，以及桩端承载力修正系数，对现行规范采用的单桩极限承载力的计算方法 提出修正方法。在此基础上，针对现行规范桩侧极限摩阻力确定方法存在的缺陷，提出了采用地基 土的孔隙函数( 孔隙比) 和含水比( 含水量) 两个指标来确定桩侧土体的极限摩阻力的双参数法。 根据一维杆系结构有限元法和荷载传递迭代法相耦合的原理，形成一种单桩沉降计算方法。该 方法中，非均质土中的单桩荷载传递规律采用非线性塑性荷载位移模式，同时采用三折线荷载位移 模式进行分析比较。计算结果表明，两种荷载位移模式的计算结果和实测结果基本一致，且能体现 出桩侧土体的非线性特征。在此基础上，引入土体的“层元”模型理论模拟群桩间相互作用，使得 计算进一步简化。深入分析群桩“束缚”效应的机理，提出计算“束缚”作用的迭代法，使得群桩 沉降计算结果与实际情况相吻合。并应用此理论，对群桩的沉降规律进行了计算分析。 对于水平承载桩，采用p 少曲线法与弹性梁有限单元法相耦合的方法来分析其工作特性。同时 引入b r i a u d 提出的第一剪切零点( d 。) 的概念，在保证计算精度的基础上，简化计算过程。对于水 平荷载作用下的群桩基础，本文详细分析了群桩相互作用的机理，指出：水平荷载作用下，群桩内 各单桩间同时存在“折减”效应和“叠加”效应，即沿着水平荷载作用方向，前排桩前倾引起后排 桩间土抗力的折减，而后排桩向前的水平位移引起前排桩的水平位移增加。这两种效应应该是同时 存在，且相互影响的，根据这一结果，本文提出了“前折减后叠加”的群桩分析模型。通过对实例 的计算分析表明，p 少曲线法与弹性梁有限单元法相耦合的方法以及“前折减后叠加”模型的结算结 果与试验结果相吻合。 关键词：深长桩、模型试验、最佳含水量、孔隙函数、非线性塑性模型、极限承载力、双参数法、 荷载传递法、层元模型、群桩束缚效应、p 少曲线法、第一剪切零点、前折减后叠加模型 - 、 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h el o a d t r a n s f e rm e c h a n i s ma n di n t e r a c t i o no fl o n gc 仰c r e t ep i l e s a b s t r a c t t h ep i l ei so n eo ft h ef o u n d a t i o n su s e de x t e n s i v e l yi n c i v i le n g i n e e r i n g a i m i n ga tt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h ee n g i n e e r i n ga p p l y i n go ft h el o n gp 订e ，b a s e do nt h ed a t ao ft h ei n s i t up i l e1 0 a dt e s t sa n dt h e r e s u l t so ft h em o d e lt e s t s ，t h es y s t e m i cs t u d yo ft h eb e a r i n gc a p a c i 妙b e h a v i o ra 1 1 dt h ed e f o m a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fv e r t i c a l l yo rh o r i z o n t a u y1 0 a d e dp i l e si sc a 】r r i e do u t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r i n c l u d et h et e s t i n gs t u d yo ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lf e a t u r eo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ep i l ea n ds o i l ， t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ev e r t i c a lb e a r i n gm e c h a j l i ca j l dt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yd e t e 肌i n a t i o no ft h e s i n g l ep i l e ，t h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i ca n dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h ep i l e s ，a n dt h er e s e a r c ho nt h e b e a r i n ga n dd e f o m a t i o nb e h a v i o ro fl a t e r a l l yl o a d e dp i l e s t ob e g i nw i t h ，t h ep h y s i c a la i l dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e i n t e r f a c eb e m e e nt h ep i l ea n ds o i l d e t e n n i n e st h eb e a r i n gb e h a v i o ra n dt h ed e f o m a t i o nf e a t u r eo f p i l e sd i r e c t ly t h e r e f o r e ，t h es h e a r i n gm o d e l t e s to ft h ei n t e r f - a c eb e t 、v e e nt h ec o n c r e t eb l o c ka n dt h es i l t i sd e r f o n n e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e l o a d d e f o m a t i o n ( t - z ) c u r 、，eo ft h ep i l e s o i lc h a n g e sf r o mt h es i n g l eh u m p e dc u r v et ot h eh y p e r b o l i c c u e ，a l o n gw i t ht h ei n c r e 2 l s i n go ft h ev e r t i c a lp r e s s u r e t h a ti m p l i e s ，u n d e rt h el o w e rp r e s s u r e ，t h el o a d 仃 m s f e rc h a r a c t e r i s t i co ft h es o i l i n t e r f a c ei si n t e n e 豫t e d ，o t h e r w i s e ，i ti ss t r e n 垂h e n e d m e a n w h i l et h ew a t e r c o n t e n ta 1 1 dt h ev o i d sr a t i oi n n u e n c et h em e c h a n i c a lf e a t u r eo ft h e i n t e r f a c em o s t l y t h e r ee x i s t st h e o p t i m u mw a t e rc o n t e n t ，w h e r et h ef r i c t i o no ft h ep i l e s o i li sp e a k e d o nt h eo t h e rh a n d ，a tt h ei n i t i a ls t a g e o fs h e a r i n g ，t h es h e a r i n gm o d u l u si sm a ) 【i m a l h o w e v e rt h em o d u l u sd e c r e a s e sw i t ht h es h e a r i n g d e f o m a t i o ni n c r e a s i n g a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et e s t s ，t h en o n l i n e a 卜p l a s t i cl o a dt r a n s f e rm o d e l i s p u tf o r w a r dt os i m u l a t et h ei m e r a c t i o nm e c h a l l i cb e t w e e nt h ep i l ea n ds o i l c o n s e q u e n t l y ；b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef i e l dl o a dt e s t s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h el o a dt r a n s f e r b e h a 们o ro ft h es u p e r - l o n g 衔c t i o np i l ei ss i m i l a rt ot h a to ft h ee n d - b e a r i n gf r i c t i o np i l e ，f o ri t sp sc u ei s s m o o t h e rt h a nt h ep u r ef r i c t i o np i l e s c o u p l e dw i t ht h e i n t e n e r a t i n ga n ds t r e n 酉h e n i n ge 日b c t sa n d c o n s i d e r i n gt h ei n n u e n c eo ft h eo v e r b u r d e np r e s s u r e ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do ft h ep i l eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yr e c o m m e n d e db yt h ea c t u a l t e c h n i c a lc o d e si sm o d m e d 0 nt h eb a s i so ft h es t a t i s t i c a la n a l y s i so f s u b s t a n t i v ep 订e1 0 a dt e s t s ，t h ei n t e n e r a t i n ga n ds t r e n g t h e n i n gc o e 伍c i e n to fs o i lw i t hd i 丘e r e n tb u r i e dd e p t h ， a n dt h ee n db e a r i n gm o d i 黟i n gc o e 伍c i e n ta r ep r e s e n t e d f u r t h e m o r e ，t h ed o u b l e c o e f f i c i e n tm e t h o d ，w i m t h ei n i t i a ls h e a l r i n gm o d u l u sa n dt h ew a t e rc o n t e n t ，i ss u g g e s t e dt oe v a l u a t et h eu l t i m a t ef r i c t i o no ft h ep i l e s i d e ，w h i c hi m p r o v e st h ed i s f i g u r e m e n to fa c t u a le v a l u a t i n gm e t h o d s f u n h e 瑚o r e 。c o m b i n e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fo n e d i m e n s i o n a lr o ds t r u c t i 肚ea n dt h e c l a s s i cl o a dt r a n s f e ra p p r o a c h ，t h eh y b r i dm e t h o di sp r e s e n t e dt oa n a l y z et h es i n g l ep i l es e t t l e m e n t i nt h i s m e t h o d ，t h en o n l i n e 孙p l a s t i c1 0 a d d e f o m a t i o nm o d e l i sa p p l i e dt os i m u l a t et h el o a dt r a l l s f e rf e a t u r ea l o n g m ew h 0 1 ep i l ei nn o n l i n e a rs o i l a tt h es a m et i m e ，t oc o m p a r et h ec a l c u l a t i n gp r e c i s i o n ，t h et r i l i n e a r l o a d d e f o 眦a t i o nm o d e l i sa l s ou s e d t h er e s u l t sc o m p u t e db yt h et w om o d e l sk e e pg o o dr e l a t i o n s h i pw i t h t h ef i e l dt e s td a t a h o w e v e r ，t h en o n l i n e a r _ p l a s t i c1 0 a dt r a n s f e rm o d e li sm o r ea d v a n t a g e o u sf o ri t s c o n c i s i o na n dn o n l i n e a r i t y c o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o no ft h ep i l eg r o u p ，t h el a y e r e ds o i lm o d e l i sr e f e r r e d ， w h i c hm a k e sc a l c u l a t i o no ft h ei n t e r a c t i o nc o e m c i e n tm u c hm o r ec o n v e n i e n t m o r ee v e r t h em e c h a n i co f “r e s t r a i n ”a c t i o n 锄o n gp i l e si ss t u d i e df u l l y ，a j l dt h ei t e r a t i v em e t h o di se s t a b l i s h e dt oc o m p u t et h e “r e s t r a i n ”a c t i o n t h e nt h ea p p r o a c h e sm e n t i o n e da b o v ea r ea p p l i e dt os e v e r a lc a s e s ，a n dt h e1 1 j l eo ft h e s e t t l e m e n to f p i l eg r o u pi n n u e n c e db yt h ed i 髓r e n tp i l ed e s i g n i n gc o e 伍c i e n t s ，i ss u m m a r i z e d f i n a l l y ，t h ec o m b i n a t i o na p p r o a c ho f t h es o i l s p 少c u r v em e t h o da j l dt h ef i n i t em e t h o do f e l a s t i cb e a r i l m e m b e ri su t i l i z e dt oa n a l y z et h el a t e r a l l yl o a d e dp i l e s t bs i m p l i f yt h ec a l c u l a t i n gp r o c e s s ，t h es h a l l o w e s t d e p t hp r e s e n t e db yb r i a u d ，w h e r et h es h e a rf o r c ei nt h ep i l ei sz e r o ，i sc i t e d f o rt h ep i l eg r o u pu n d e rl a t e r a l l o a d ，t h ei n t e r a c t i o nm e c h 柚i ch 2 l sb e e na n a l y z e dd e e p l y i “sp o i n t e do u tt h a t ，u n d e rt h eh o r i z o m a l l o a d ， a b s t r a c t t h e r ec o e x i s tt h e s u b 仃a c t a c t i o na n dt h e s u p e r p o s e a c t i o n t h e r e f o r e ，t h e 丹o n t s u b t r a c ta j l db a c k - s u p e 印o s e m o d e l i se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o nb e m e e np i l e s a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft w o c a s e sk e e pa ne x c e l l e n ta c c o r d a n c ew i t ht h ef i e l dd a t a k e yw o r d ：1 0 n gp i l e ；m o d e lt e s t ；o p t i m u mw a t e rc o n t e n t ； v o i d sf u n c t i o n ；n o n l i n e 扑p l a s t i cl o a dt r a n s f e r m o d e l ；u l “m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ；d o u b l e - c o e f n c i e n tm e t h o d ；l a y e r e ds o 订m o d e l ；i n t e r a c t i o n ；r e s t r a i na c t i o n a m o n gp i l e s ；p 少c u r v em e t h o d ；丘o n t - s u b 仃a c ta j l db a c k s u p e r p o s em o d e l 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： 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。与我一同二 ：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。 研究生始种l 璐日期： 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书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：邋导师签名期蚴、硅 第一章绪论 第一章绪论 桩基础是土木工程建设中最常见的一种基础形式。从新石器时代人类以木桩搭台修筑房屋开始， 桩基础的发展已经历了上万年的历史。从最原始的木桩基础，到1 9 世纪2 0 年代，钢板桩开始应用 于修筑围堰和码头，再至上个世纪初，混凝土预制构件的出现，大大的丰富了桩基础的型式，使得 桩基础的应用越来越广泛。同时又促进了桩基施工水平和理论研究水平不断发展提高。 现代桩基工程中，桩的主要功能是向下传递上部结构产生的竖向荷载，可称之为竖直抗压桩。 但是随着桩基础在桥梁工程和港口工程中的广泛应用，由于波浪力、风力、震动力、船舶撞击力以 及车辆荷载的制动力等原因使得基桩承受较大的横向荷载，因此抵抗水平荷载也已成为现代桩基的 重要功能。随着跨江、跨海大桥的不断新建，桥墩下的基桩长度也不断增大，最长的已超过1 0 0 m ， 直径最大的超过5 m 。这些深长桩或超长桩不断涌现，使得原有的桩基础理论经历一次次的考验，并 不断得到发展和完善。但是由于桩周介质( 岩土) 的复杂性，无论是桩( 或桩基) 的承载力预测方 法，还是桩( 或桩基) 的沉降分析计算理论，均有待进一步完善。因此本论文主要针对工程中的竖 向抗压桩和横向承载桩的工作特性展开研究。 一、单桩承载性状研究 第一节竖向抗压桩研究现状 从桩基础出现至今，桩的承载性状一直是人们关注的焦点。竖向抗压桩的破坏主要有两种形式： 一是桩身结构强度破坏，包括轴心受压、偏心受压、桩身压屈破坏等；二是桩土接触面达到极限状 态，产生破坏。目前，在桩基设计中，通常是根据后者来确定桩的极限承载力，而通过选择合适的 桩身材料强度来避免第一种破坏的发生。根据第二种破坏形式确定单桩极限承载力的常用的方法主 要有直接试验法和静力计算法等。 单桩承载力直接试验法有静载荷试验、高应变试验( g o b l ee t a 1 ，19 7 5 ) 、o s t e r b e r g 法( 自平衡 法) ( 0 s t e r b e r g ，1 9 8 9 ) 和动静试桩法( b r i a u d ，j l ，e ta 1 ，2 0 0 0 ) 等。就目前的技术水平，静载荷试 验仍占主导地位。由于静载荷试验得到的单桩极限承载力相对最可靠，往往可以在统计基础上直接 应用于工程设计。单桩静载荷试验还同时提供了非常有效的单桩沉降与桩顶荷载的关系曲线，为桩 基变形验算或预测提供了( 基础性) 重要依据。单桩极限承载力确定的其它试验方法也各有特点， 在实际工程中，作为静载荷试验的一种补偿，在特定条件下具有重要意义。例如单桩高应变测试， 由于这一方法是建立在一维杆件中应力波( 行波) 传递原理的基础之上，试验方法相对静载荷试验 简单，费用低，宜于增加检测比例，提高检测结果的代表性。o s t e r b e r g 法的特点在于，事先埋置的 o s t e r b e r g 荷载箱，以桩身自身的摩阻力为反力，避免了堆载法中需要配重，或锚桩法中需要锚桩， 作为加载力反力平衡装置。这就为静载荷试验无法开展的场合，如公路桥梁工程中水上等情况，提 供了一种相对比较可靠的单桩承载力直接试验方法。动静试桩法兼有静载荷试验和高应变测试的优 点，其理论计算基础是牛顿的运动定律。该方法同样不需要反力装置，相对静载荷试验简单，快捷 且造价低。 静力计算法根据极限状态的静力平衡原理，将单桩轴向抗压极限承载力表示为桩侧摩阻力厂s 加 1 奎堕奎兰堡主堂垡笙茎 上桩端承载力c 7 b 。按照这两个参数的确定方法不同，静力计算法又可细分为半经验法、半理论法及 原位测试法等。根据桩周介质的土( 岩) 分类定名和室内指标，通过对经验数据的统计分析，间接 地确定桩身与桩周介质边界上桩侧摩阻力和桩端承载力方法，称之为半经验法( 石名磊，2 0 0 2 ) 。目 前，许多现行规范( j g j9 4 9 4 ；j t j0 2 4 8 5 ；英国b s 8 0 0 4 ；k g w i z d a l a ，1 9 9 7 ) 中仍采用这一方法。 半理论法包括磁、芦法、磁等。磁( b j e m l m ，1 9 5 3 ；f e l l e n i u s ，1 9 5 5 ；b e r g f e l t ，1 9 5 7 ；t o m l i s o n ，1 9 5 7 、 1 9 7 0 ) 的核心思想是通过附着因子口，建立桩侧摩阻力厂s 和不排水剪切强度c 。之间的关系，从而可 以通过c 。来确定厂s 值，这类方法可以称为总应力法。芦法( b u r l a n d ，1 9 7 3 ；j a i l b u ，1 9 7 6 ；f l a a t & s e l n e s ，1 9 7 7 ； b u r l a n d ，19 7 7 ；v 色s i c ，19 7 7 ；c o y l e & c a s t e l l o ，19 81 ；f l e m i n g ，19 9 2 ；c h e n & k u l h w a y 19 9 4 ；m i c h a e l ，2 0 01 ) 也可称为有效应力法，这类方法认为桩侧摩阻力厂s 是桩周粘性土层历史上最小的有效固结应力的函 数，两者的关系可通过系数脓示。旯法( v i j a y w e 唱i y a & f o r h t ，1 9 7 2 ) 认为平均桩侧摩阻力为土的有 效上覆压力及不排水抗剪强度的函数。因此，“五法”在某种程度上是“磁”和“法”的综合。 二、桩基沉降分析 单桩的沉降计算理论是桩基沉降分析计算的基础。单桩沉降计算的各类方法均是根据桩土间静 力平衡和位移协调性推导得出的，较具代表性的方法有：荷载传递法、弹性理论法、数值分析法等。 荷载传递法首先是由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年提出的，其基本概念是把桩视作由许多弹性单元 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摩阻力( 或 桩尖阻力) 与剪切位移( 或桩端位移) 之间的关系，通常统称为荷载传递函数或f z 曲线。一旦桩 土间的这种关系曲线获得后，就可以求得在竖向荷载下桩侧摩阻力和桩身轴力分布以及桩身各截面 处的位移。 1 9 6 6 年，c o y l e 和r e e s e 首先提出了基于荷载传递原理的迭代求解的变形协调法。随后，有许 多学者运用数值方法和矩阵位移法( 杆件系统的有限单元法) 对荷载传递法进行了广泛而深入的研 究( v e s i c ，1 9 7 0 ；费勤发，1 9 8 1 ；袁建新、钟晓雄，1 9 9 1 等；张永谋、杨敏，1 9 9 9 ；l e l a n d ，2 0 0 0 ) 。 c o v l ea n dr e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出这一方法时，丁z 曲线是通过试验获得的，而后来有学者采用分析的 方法确定f z 曲线( 心a re ta 1 ，1 9 8 1 ：陈龙珠，1 9 9 4 ) 荷载位移曲线法，可以考虑桩周土不同性质，适用于各类土中桩的沉降分析。这一方法核 心或难点之处在于合理确定不同土层的f z 曲线。目前常用的主要有线弹性模型( 佐藤悟，1 9 6 5 ) 、 理想弹塑性模型、双折线模型( 曹志汉，1 9 8 6 ) 、三折线软化模型( 石名磊，2 0 0 2 ) 、双曲线模型( g a r d n e r ， 1 9 7 5 ) 、抛物线模型( 陈竹昌、曹名葆、张敏，1 9 8 6 ) 和指数模型( v i j a v e 唱i y a ，1 9 7 7 ) 等，其中应 用较为广泛的是双折线模型。最近，r o j a s ( 1 9 9 9 ) 已将这一弹簧的模拟，由简单的线弹性单元，扩 展到弹性单元、弹性粘性单元和塑性粘性单元三部分串联共同作用，从而有效模拟了桩身与桩周介 质边界上的弹性、塑性和粘性等特征。 f z 曲线较好地解决了对桩周介质非线性特征的模拟，并且对桩身离散的方法，使得迭代法适 用于桩周介质的非均质性特征，即土层成层性。但是，丁z 曲线法存在的最大问题一方面是忽略了 桩周介质的连续性基本特征；而另一方面，由于桩身离散单元间没有任何联系，也无法直接建立桩 周介质中的应力场和应变场，因而不适用群桩的沉降分析计算。为了解决这一缺点，c o o k e ( 1 9 7 4 ) 根据现场实测资料，引入沉降漏斗的概念，假定单桩上竖向荷载的作用使桩侧土体随之发生剪切变 形，变形又通过桩侧周围连续环形土单元向四周传播，这种变形可理想地视为同心圆柱体，据此建 立桩顶荷载和位移与桩底荷载和位移之间的关系，从而求解桩的沉降。 2 第一章绪论 基于c o o k e 假设，r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 8 ) 、c h o w ( 1 9 8 6 ) 等提出荷载传递的近似解析法( 剪 切位移法) ，实现了对桩周介质位移场的计算，从而为该方法直接用于群桩计算奠定了基础。根据上 述简化方法，c o o k e 分析了伦敦软粘土中单桩( c o o k ee ta l ，1 9 7 9 ) 和群桩( c o o k ee ta 1 ，1 9 8 0 ) 在工 作荷载下的荷载传递和沉降性状，计算结果与实测值较吻合。r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 8 ) 推导了基于 c o o k e 假设的可压缩单桩解析解。随后，r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 9 ) 又将单桩解推广至可压缩群桩。 n o g a m i ( 1 9 8 4 ) 又将r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 单桩结论用文克尔模型描述，并进一步推广至群桩。心a re ta l ( 1 9 8 1 ) 考虑了土体的非线性性状，将r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 单桩解推广到土体非线性情况。c h o w ( 1 9 8 6 ) 将k r a r 结论用于群桩分析。l e e ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 进一步将c h o w 的方法用于桩端土层与桩侧土体不一 致的非均质土中。可以说荷载传递法是目前桩基沉降分析理论中最流行的方法之一( f 1 a m i n ge ta 1 1 9 9 3 ； k o d i k a r aa n d m o o r e1 9 9 3 ；l i me ta 1 1 9 9 3 ；c h i na n d p o u l o s ，1 9 9 1 ；l e e ，1 9 8 7 ，1 9 9 01 9 9 1 ，1 9 9 3 ； g u oa n dr a n d o l p h ，19 9 7 ，19 9 9 ；r i c h w i e na n dw a n g ，19 9 9 ) 。 弹性理论法是比较完善的桩基础沉降计算方法，它把土看作均匀、连续、各向同性、具有弹性 模量e 和泊松比y ，桩侧完全粗糙，桩端平滑，并认为桩一土之间能保持弹性接触和位移协调。在 上部结构荷载作用下，认为桩与土的径向变形很小，忽略不计，而只考虑桩的竖向变形。具体方法 是采用弹性半空间体内部荷载作用下的m i n d l i n 解计算土体位移，并采用桩体位移和土体位移的相 容条件建立静力平衡方程，以此求得桩体位移和桩侧应力分布。在上个世纪6 0 年代初期，d a p p 0 1 0 n i a & r o m u a l d i 应用m i n d l i n 公式推导了单桩沉降计算方法。随后这一方法被许多学者( t h u r n l a n & d a p p o l o n i a ，1 9 6 5 ；s a l a s & b e l z u n c e ，1 9 6 5 ；n a ir ，1 9 6 7 ；d a v i s & p o u l o s ，1 9 6 8 ，1 9 6 9 ；m a t t e s & p o u l o s ，1 9 6 9 ； b 眦e r f i e l da n db a n e l ：j e e ，1 9 7 1 ；b a n e l ：j e e & d a v i e s ，1 9 7 7 ) 进一步推广发展。这些具体计算方法的不同 之处主要在于沿桩的剪应力分布的假设不同。d a p p o l o n i a 等假定每一单元的剪应力由作用在单元 中心处轴线上的集中力来代表。p o u l o s 、d a v i s 等假定剪应力是沿桩周均匀分布。利用后者计算得到 的结果较符合实际情况，特点别是对较短的桩。但是对于细长桩，上述三种假定得到的结果差别很 小。p 0 1 0 u sa j l dd a v i s ( 1 9 8 0 ) 作为集大成者，对基于弹性力理论桩基沉降分析( b e m ) 方法进行了 全面、系统的总结，成为后来进一步研究的基础。 建立在单桩沉降分析基础上的群桩沉降计算，一般可分为三大类方法：群桩的等代墩法、对群 桩直接完整的数值分析方法、基于弹性叠加原理的相互作用系数法。 等代墩法是群桩沉降计算的一种简化方法。该计算模式将承台周边范围内的群桩和桩间土一起 假想为天然地基上的实体深基础，并假定等代墩范围内的桩间土不产生压缩变形，按扩展基础的沉 降计算方法估算群桩的沉降。为了消除计算假定对结果的影响，许多学者在计算模式上采取了许多 措施来修正，比较有代表性的有：p e c k ( 1 9 6 7 ) 等建议将等代墩底面至于桩端平面以上1 3 桩长处 或者进入持力层深度的1 3 处( 桩穿过软弱土层进入坚硬持力层时) 。为了考虑群桩外围剪应力的扩 散作用，从群桩桩顶外围按应力扩散角口向下扩散，增大实体墩的基底面积，我国规范认为应力扩 散角一般取a = 矽，痧为等代墩基础侧面内摩擦角的加权平均值。国外口大多取3 0 0 ；t o m l i n s o n ( 1 9 9 4 ) 提出计算图式则是从群桩桩顶外围按水平与竖向1 ：4 向下扩散。董建国( 1 9 8 9 ) 提出简易理论法， 认为当外荷载小于墩体总抗剪力时，桩间土与周围土体是一个整体，此时采用复合地基模式计算最 终沉降量；当外荷载大于墩体总抗剪力时，等代墩基础沿着长、宽周边深度方向的剪力抵抗不住外 荷载的作用，使四周土产生很大的剪切变形，此刻群桩桩长范围外的周围土体和群桩桩长范围内的 桩间土的整体性受到破坏，但仍有联系，在这种情况下，可采用规范推荐的等代墩法计算群桩的沉 降量，并对桩尖平面处的附加应力进行修正。刘金砺( 1 9 9 0 ) 建议，在常用桩距条件下( s = 3 4 5 d ) ， 若桩端持力层为较硬的粘性土、砂土，则假想墩底面与桩端平面一致；若桩端持力层与桩身范围内 3 东南大学博士学位论文 土层的性质差异较大，则视桩距大小可取墩底面至桩端平面以上( 1 4 1 3 ) 桩长( 桩距较大取高值) 。 群桩的等代墩法由于概念简单，计算方便，一直有许多学者进行这方面的研究( p o u l o sa n dd a v i s ， 1 9 8 0 ；r a l l d 0 1 p ha n dc l a n e y ，1 9 9 3 ：h o r i k o s h ia n dr a n d o l p h ，1 9 9 9 ；k i n m a nl e e ，1 9 9 9 ) 。 群桩的直接完整的数值分析，一般可采用桩和周围介质均离散的b e m 法( b u t t e r i e l da n d b a n e r i e e ，1 9 7 1 ；b u t t e r b i e l da n dd o u g l a s ，1 9 8 1 ) ，或引入特殊接触面单元的三维f e m ( 0 t t a v i a n i1 9 7 5 ) 。 采用有限单元法分析群桩通常把问题简化为平面应变问题( d e s a i ，1 9 7 4 ) 或轴对称问题( h o o p e r ，1 9 7 3 ； n a y l o r & h o o p e r ，1 9 7 4 ) 。该方法还能考虑土的固结，能够计算沉降与时间的关系以及由此引起的桩 顶荷载重分布。h o o p e r 的研究结果表明，有限单元法的计算结果与现场实测结果非常相似。王旭东 ( 1 9 9 6 ) 等以有限层法和有限元法为基础，结合荷载传递函数，建立了群桩一土一承台结构共同作 用的线性和非线性数值分析方法。陈环、王成华( 1 9 8 1 ，1 9 9 1 ) 利用有限元法对桩承台的共同作用 进行计算，分析了桩、土分担荷载的问题。近几年，随着计算技术的不断发展，三维有限元方法在 群桩沉降分析中得到较广泛的应用。e l l i s o n ( 1 9 7 1 ) 最早利用这种方法分析桩基问题。z h u a n ge ta 1 ( 1 9 9 1 ) 、l e e ( 1 9 9 3 ) 等分别用有限元法得到了桩一筏基础沉降计算的相关参数，包括筏板相对刚度、 桩的相对长度、桩数等。t a & s m a l l ( 1 9 9 6 ) 用有限单元法分析筏板，用有限层法分析土层，这种方 法能有效的处理地基土的成层性问题。倪新华( 1 9 9 0 ) 在三维条件下运用有限元一边界元耦合的方 法分析筏一桩一土的共同作用。采用数值方法能较准确的进行群桩沉降计算，但是这类方法的最大 限制因素是计算参数难以确定。 在实际应用中，最常见的是基于叠加原理相互作用系数的方法。该方法依据弹性理论叠加原理， 采用简单桩的相互作用系数，可直观、有效和方便地应用于群桩沉降的数值分析。作为集大成者， p o u l o sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) ，p 0 1 0 u s ( 1 9 8 9 ) 对这一方法作了全面的总结和陈述，并将其应用于桩筏基 础的沉降分析( p o l o u s ，1 9 9 4 ) 。我国的学者在应用弹性理论计算群桩沉降方面也做了不少工作，楼 晓明( 1 9 9 0 ) 以弹性理论法为基础，地基模型采用分层地基，在形成地基刚度矩阵时为了避免直接 求解大型满秩方程组，提出了一种简便的迭代方法。刘前曦( 1 9 9 5 ) 提出“考虑桩身压缩性的位移 协调法”计算单桩，基于弹性理论法，对现有的g e d d e s 方法进行改进，充分考虑了桩身的压缩量和 桩侧土的位移协调条件。基于同样原理，采用单桩沉降分析中近似解析解( r a n d o l p ha n dw b n h ，1 9 7 8 ， 1 9 7 9 ；c h o w 1 9 8 6 ；p o u l o s ，h g a n dr a n d o l p h ，m f ，1 9 8 3 ；阳吉保，1 9 9 7 ) 成功应用于群桩的沉降分 析计算。此外，为了减少群桩计算的工作量，自上个世纪七十年代后，基于上述理论的混合法 ( h y b r i d 印p r o a c h e s ) 得到了迅速发展。这类方法基本上是采用荷载传递方法来分析单桩沉降，然后 引入弹性理论的两桩相互迭加原理，考虑群桩间的相互作用，这样可以避免弹性理论法中参数难以 确定的问题，又可以解决荷载传递法的离散问题，因此得到广泛的应用( 0 n e i ue ta 1 ，1 9 8 2 ； c h o w ，1 9 8 6 b ，1 9 8 7 ，1 9 8 9 ；c l a n c ya n dr a n d o l p h ，1 9 9 3 ，1 9 9 6 ；l e e ，1 9 9 1 a ，1 9 9 3 a ，b ；张保良，1 9 9 7 ) 。 例如l e e ( 1 9 9 3 ) 根据近似解析解的基