（水工结构工程专业论文）桩基托梁挡土墙力学作用机理试验研究与数值分析.pdf

心川火学硬l 学位论文 y7 7 8 8 0 3 桩基托梁挡土墙力学作用机理 试验研究与数值分析 水工结构工程专业 硕士研究生：高志辉指导教师：张立勇 摘要 挡土墙是土木建筑、水利水电、铁道交通等工程建设中广泛应用的一种结 构物。在众多挡土墙形式中，衡重式挡土墙以结构简单、施工方便、节约用地。 并能就地取材等优点在工程中应用广泛。但衡重式挡土墙对地基的要求较高， 在地基承载力不能满足设计要求的地区，通常在挡土墙下设置托梁和桩基，利 用托梁通过桩基将挡土墙上所受作用力传递给深层地基，来满足对地基承载力 的要求。因此桩基、托梁和挡土墙常常作为一种支挡结构体系出现在工程实 际中。 在实际应用中，由于土体与结构之间的作用力与很多因素有关，同时结构 之问相互作用存在超静定因素，所以至今为止，人们还不能完全揭示桩基托梁 挡土墙结构与土相互作用的机理，挡土墙、托梁和桩三者的受力特点及其之间 的相互作用尚待进一步深入研究。 本论文研究内容主要包括模型试验和有限元数值分析计算两部分。研究的 目的在于针对不同的地基情况，通过模型试验和数值模拟分析，对墙后土压力 的作用形式及其分布规律、桩基的承载变形和托梁的受力形式进行研究，分析 桩基托梁挡土墙结构体系的沉降变形趋势和体系中各结构的应力分布情况及 其墙后土压力的大小和分布情况，揭示对墙后土压力和桩基承载力产生影响的 主要因素。通过研究分析，并与桩基托梁挡土墙结构现行计算分析模式进行对 比，以验证传统设计方法的合理性，使桩基托粱挡土墙结构设计更趋于合理化， 四川大学硕士学位论文 促进这种支挡结构在工程中的快速发展。 依照桩基所处不同的地基情况，共分为土基和岩基两种试验方案。 在有限元数值分析计算中，对试验得出的结果进行了对比，并对试验无法 涉及的部分迸一步的分析计算。 本次模型试验及有限元数值模拟计算主要得到以下几方面结果： 1 桩基托梁挡土墙结构沉降变形趋势、结构体系的应力分布情况及其墙后 土压力的大小和分布情况： 2 挡土墙填筑过程中，墙后土压力、桩基与土体之间的摩擦力及其桩底压 力的变化情况； 3 找出影响土体与结构作用的主要因素，揭示结构的受力特征和结构之f b j 的传力机理。 关键词：衡重式挡土墙，托梁，桩基，模型试验，数值分析 四川1 人学硕 学位论文 e x p e r i 匝n i a i s t u d y a n d n i7 眶r i c a l a n a i y s i so f m e c h a n i c a lb e 弘i o ro fp i l ef o u n d a t i o n - 1 r i n d v 匝r b e a m r e l a 删g 0 气l ls t r u c t 【瓜e h y d r a u l i cs 觚l c t u r ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g - a oz h l h u l a d v i s o r ：z h a n gl i y o n g a b s t r a c t r e t a i n i n gw a l li sw i d e l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no f c i v i l ，h y d r a u l i c & e l e c t r i c a l a n d 倘ce n g i n e e r i n g a m o n gv a r i o u sk i n d so ff o r m s s h e l f - r e t a i n i n gw a l li st h e m o s tp o p u l a rb e c a u s eo fi t sm u l t i p l e xa d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s eo f c o n s t r u e t a b i l i t y , a n dc o n v e n i e n tp r o c u r e m e n to fl o c a lr e s o u r c e s ，c t c h o w e v e r , s h e l f - r e t a i n i n gw a l lh o l d sr i g i dr e q u i r e m e n tu p o nt h ep r o p e r t i e so ff o u n d a t i o n i n s i t u a t i o nw h e r et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ef o u n d a t i o nc a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n to f d e s i g n i n g ，t h et r i n l m e rb e a ma n dp i l ef o u n d a t i o na r eu s u a l l yd e s i g n e du n d e rt h e r e t a i n i n gw a l lt ot r a n s f e rf o r c ef r o mt h er e t a i n i n gw a l lt ot h ep i l ef o u n d a t i o nt h r o u 曲 t h et r i m m e rb e a mt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ef o u n d a t i o n h e n c et h ep i l e f o u n d a t i o n ，t r i m m e rb e a ma n dr e t a i n i n gw a l lo f t e na p p e a ra sab r a c e dr e t a i n i n gf l a m e i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s i n c et h es o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nr e l a t e st om a n yf a c t o r s ，a n dh y p c r s t a t i c e l e m e n t se x i s t i nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r u c t u r e s ，u pt on o wp e o p l ec a l l t t h o r o u g h l ya d d r e s st h em e c h a n i s mb e t w e e nt h ep t - rs 仃u c t u r ea n dt h es o i lm a s s f u r t h e rr e s e a r c hi se x p e c t e do nt h es t r e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r a c t i o no f t h ep i l e f o u n d a t i o n ，t r i n l i n e rb e a ma n dr e t a i n i n gw a l l t h es t u d ym a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：m o d e le x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h eg o a li st os t u d yt h ef o r m so fa c t i o na n dl a wo fd i s t r i b u t i o no fe a r t h p r e s s u r eo ft h eb a c k s o i l ，t h e 咖s f b n n a t i o no fp i l ef o u n d a t i o na n dt h ef o r mo f 1 1 1 婴坐盔兰璺! 堂垫堡墨一 s t r e s s i n go ft h et r i m m e rb e a m ，a n a l y z et h et r e n do fs e t t l e m e n ta n dt r a n s f o r m a t i o no f t h es y s t e m ，s t r e s sd i s t r i b u t i o no fe a c hs t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n dt h ev a l u ea n d d i s t r i b u t i o no f t h ee a r t hp r e s s u r eo f t h eb a c k s o i l ，a n dr e v e a lt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h ee a r t hp r e s s u r eo ft h eb a c k s o i la n db e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o na c c o r d i n g t od i f f e r e n tf o u n d a t i o n sb ym e a n so fm o d e le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s t h r o u g ht h es t u d ya n da n a l y s i st h ec u r r e n tc a l c u l a t i o n & a n a l y s i sm o d e lo fp t - r s t r u c t u r ei st e s t e dt ov e r i f yt h ea d e q u a c yo f t h et r a d i t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o d ，e n h a n c e t h er a t i o n a l i z a t i o no fd e s i g n i n go fp - t - rs t r u c t u r ea n da c c e l e r a t et h er a p i d d e v e l o p m e n to f t h eb r a c e dr e t a i n i n gs t r u c t u r ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s b o t ht h ee a r t hf o u n d a t i o na n db a t h o l i t he x p e r i m e n ts c h e m e sa r ea d o p t e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n so f f o u n d a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sg o e sf o rc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s a n df u r t h e ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h ep a r t sw h i c hg a l l tb ei n v o l v e di n e x p e r i m e n t s t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e df r o mt h em o d e le x p e r i m e n ta n df i n i t e e l e m e n ta n a l o gc o m p u t a t i o n ： 1 t h et r e n do fs e t t l e m e n ta n dt r a n s f o r m a t i o no fp 一1 壤s t r u c t u r e ，s 臼r e s s d i s t r i b u t i o no ft h es y s t e m ，t h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o no ft h ee a r t hp r e s s u r eo ft h e b a c k s o i l ； 2 t h ef o r c eo f f r i c t i o nb e t w e e ne a r t hp r e s s u r eo f t h eb a c k s o i l ，t h ep i l ef o u n d a t i o n a n dt h es o i lm a s sa n dt h ev a r i a t i o no f t h ep r e s s u r e ； 3 t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c t i o no f 吐l es o i lm a s sa n dt h es t r u c t u r e , t h e s t r e s s i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t u r ea n dt h et r a n s f e r r i n gm e c h a n i s mb e t w e e n t h e m k e y w o r d ：s h e l f - r e t a i n i n gw a l l ，t r i m m e rb e a m ，p i l ef o u n d a t i o n ，m o d e le x p e r i m e n t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 四川大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 概述 挡土墙是土木建筑、水利水电、铁道交通等工程建设中广泛应用的种结 构物，例如房基侧面的挡墙，路基两旁的护墙，水工建筑物进出1 2 1 处的翼墙和 两侧的边墙，桥梁的桥台，河道两岸的护岸墙，港池的护墙，地下建筑物的边 墙，边坡的挡墙等，均为挡土墙。 在众多挡土墙形式中，重力式挡土墙以结构简单、施工方便、能就地取 图1 1 桩基托粱挡土墙结构 材等优点，在工程中得到广泛的应 用。衡重式挡土墙是一种改进形式的 重力式挡土墙，其作用机理与其它重 力式挡土墙相同，都是依靠自身重量 来维持稳定，其优点是利用衡重台上 的填土和全墙重心后移来增加挡土 墙的稳定性，减小断面尺寸，也有利 于减小主动土压力，增大抗倾覆能 力，墙胸陡，下墙背倾斜，可减小基 础开挖，在山区或基础歼挖难度较大 的地区应用较广泛。但衡重式挡土墙对地基的要求较高，在地基承载力不能满 足设计要求的地区，通常在挡土墙下设置托梁和桩基，利用托粱将挡土墙上所 受作用力传递给桩基，来满足对地基承载力的要求。 因此桩基、托梁和挡土 墙( 如图1 1 所示) 常常作为一种支挡结构体系出现在工程实际中。 挡土墙的主要荷载是土压力，衡重式挡土墙墙背几何型式为折线型，库仑 理论适用墙背为平面或近于平面的条件，朗肯理论适用于第二破裂面可以形成 的l 型的墙背条件，上述两种土压力理论都不能直接应用计算全墙为折线型墙 背的土压力。并且由于桩基托梁挡土墙联合作用的结构体系中，衡重式挡土墙 放置在托梁上，由于托梁的水平移动、垂直沉降及旋转，都会带动挡土墙随之 运动，从而影响土压力的变化。 在现行的桩基托梁挡土墙结构的设计计算仍采用常规的结构力学法分解 为若干单体构件，利用受力简化及经验公式进行计算。由于土压力是土与挡土 四j i i 大学硕士学位论文 结构之间相互作用的结果挡墙的不同变位方式，墙面的摩擦特性，以及墙后 填土的变形与强度特性都对挡土结构所受侧压力的大小和分布规律产生影响， 古典的土压力理论无法考虑以上的诸多因素的影响，研究挡墙的不同变位方 式、墙面的摩擦、土体的变形特性对土压力的大小和分布规律以及墙后填土的 破坏形式都是有待解决的课题。 桩基托梁挡土墙( 衡重式) 结构设计理论的发展关键是正确计算作用在挡 土墙的土压力及正确理解挡土墙、托梁和桩基之间传力机理。目前在常规设计 中土压力一般取静止土压力或极限状态下的主动土压力或被动土压力，而结构 之间作用主要通过力学简化来完成的，但由于结构之间的力的传递受众多因素 影响，如填土材料、桩的种类及托梁厚度等，力学简化计算出的结果往往与实 际测量结果偏差较大。 1 2 支挡结构研究概况 1 2 1 挡土墙结构形式【”吲 在国内外土木建设中，对于高边坡和高路基结构破坏一直给予高度重视， 并根据各种地质情况，设计要求和施工方法，运用并设计了各种类型挡土结构 物。目前，国内外采用的挡土结构物的主要形式有：( 1 ) 重力式挡土墙；( 2 ) 薄臂 式挡土墙；( 3 ) 扶臂式挡土墙；( 4 ) 支撑墙；( 5 ) 板桩墙挡土墙和锚定板挡土墙；( 6 ) 加筋土挡土墙。本文对一些常见的挡土结构物进行简要介绍。 重力式挡土墙是较早采用的型式，其利用墙体重量保持自身的稳定。多用 浆砌片( 块) 石砌筑或砼浇筑。由于重力式挡土墙依靠自身重量维持平衡，墙身 截面大污工数量较大，因此对地基承载力要求高，如在软弱地基上修建时，需 增大地基基础，以解决地基承载力问题。 薄壁式挡土墙是由钢筋混凝土材料构成的轻型挡土墙，包含悬臂式和扶壁 式两种型式。薄壁式挡土墙依靠墙身自重和踵板上方的填土重力来保持稳定， 所设的墙趾板增大了抗倾覆稳定性，减小了基底应力。墙身高度在6 m 以内多 采用悬臂式，6 m 以上采用扶壁式。采用扶壁式挡土墙( 一般在8 9 m ) 虽然 提高了建筑高度，但使用的水泥量及断面配筋量较大。造价较高且不利于机械 化藏工。薄壁式挡土墙断面较小，自重较轻，可充分发挥钢筋混凝土材料的强 四川人学硕l 学位论文 度性能，适用于填方路段，多应用于承载力较低的地基上或有抗震要求的地区。 锚定板挡土墙是一种适用于填方路段的轻型支挡结构，它是一种把受拉杆 件埋入稳定地层从而对结构物进行加固的技术，按其锚固机理可分为粘结型、 摩擦型、端头锚固型和混合型等。锚杆挡土墙通过锚杆的锚固作用充分发挥了 岩土的自身强度和自稳能力，大大减轻了结构物的自重，起到了节约工程材料、 确保施工安全与工程稳定的作用，有着显著的经济效益和社会效益。锚杆挡土 墙应用范围多为存在有稳定问题的岩石地层的地区，对于土层锚固则要求土层 有较高稳定性。 加筋土技术发展于6 0 年代，是一种在土中加入高模量筋材的复合材料， 利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能的 土体加固技术。加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的支挡结构物，1 9 6 5 年首 次应用加筋土理论在法国修建了第一座加筋土挡土墙。路基土体中拉应力通过 土与加筋的剪切作用，传递到附近的拉筋上，土体自身承受压应力及剪应力， 从而使土体成为具有一定自承约束的结构。加筋土挡土墙一般为条带式挡土 墙，多应用于地形乎坦且有充足布筋空间的填方路段。该技术发展迅速，现已 被许多国家所采用，同时在我国西北黄土地区应用十分广泛。 1 2 2 墙后土压力理论研究现状 土压力的理论计算始于1 7 7 3 年，库仑( c a c o u l o m b ) 发表了以滑动 土体整体极限平衡为条件的库仑土压力理论，其后于1 8 5 7 年朗肯 ( w j m r a n k i n e ) 也发表了以微分土体极限平衡为条件的朗肯土压力理 论，此后许多学者，如太沙基( k 。t e r z a g h i ) 、契波塔廖夫( t s c h c b o c a r i o f f ) 、 皮克( r b p e c k ) 、毕晓普( a e b i s h o p ) 、罗威( p w r o w e ) 等，对 上压力的计算理论及方法进行了研究，扩展了库仑和朗肯土压力理论的应用范 围，并且提出了许多新的计算方法和计算理论，如索柯洛夫斯基的极限平衡理 论、能量理论、水平层计算方法、土压力的空间计算理论等，并且通过大量的 模型试验和现场试验验证各种土压力理论的实用性，在有限单元法应用到土压 力理论分析中后，使士压力的计算方法和计算理论渐趋完善和合理。 p t d l 大学顾| ：学位论文 1 2 2 1 影响土压力的主要因素【3 1 f 4 1 土压力的计算是一个复杂的问题，它涉及到填土、墙身以及地基三者之间 的共同作用，所以作用在挡土墙上的土压力，其大小和分布与许多因素有关， 例如： ( 1 ) 挡土墙的形式和墙体的剐度； ( 2 ) 挡土墙表面的倾斜度及其粗糙程度； ( 3 ) 挡土墙的变形和位移： ( 4 ) 填土的性质( 如土的均匀性) ； ( 5 ) 填土表面荷载的情况： ( 6 ) 地下水的情况。 挡土墙形式不同，作用在其上的土压力的大小和分布也不相同，库仑土压 力理论和朗肯土压力理论主要适用于刚性挡土墙。柔性挡土墙由于受到墙体本 身变形的影响，土压力及其分布与刚性挡土墙有很大区别。 挡土墙表面的粗糙度和倾斜度将直接影响到作用在墙面上的土压力的大 小和作用方向。、作用在光滑墙面上的土压力要比作用在粗糙墙面上的上压力 小。前者土压力的作用方向与墙面的法线一致，而后者则与墙面法线成某一角 度( 等于墙面与填土的摩擦角) 。此外。墙面的俯仰角愈大，则作用在墙面上 的土压力也愈大。契波塔廖夫( t s c h e b o t a r i o f f ) 对填土为砂土填土表面水平， 墙面坚直的挡土墙进行了研究，结果表明填土与墙面的摩擦角艿对主动土压力 系数k a 的影响比较小，但对被动土压力系数k 口的影响就比较大。 填土的不均匀性不仅影响到墙面上土压力的大小，而且也影响到土压力沿 墙面的分布。砂土的土压力较粘性土大，而粘土的抗剪强度指标愈大，土压力 则愈小。 挡土墙的位移和变形与土压力的大小有直接关系。太沙基( t e r z a g h i 1 9 3 2 ， 1 9 3 4 ，1 9 3 6 ) 通过大规模的模型试验，获得了极限状态和挡土结构变形之间的 关系，当挡土结构绕墙趾转动时，主动土压力为三角形分布( 见图1 2 ( a ) 、图 1 2 ) ，而当挡土结构平移、绕墙顶转动和绕墙中部转动时，主动土压力为非 线性分布( 见圈1 2 ( c ) 、图1 2 ( d ) ) 。方永寿( 1 9 8 6 ) 对砂性填土刚性挡墙的主 动土压力进行了模型试验，试验结果表明：主动土压力为非线性分布，其分布 四川人学顺卜学位论文 形式取决于挡土结构的变位方式，但不同挡土结构变位方式达到主动土压力状 态所需的位移量基本一致，土压力合力作用点随着土的密度增加而上升。 碴匿 1 坠1 l 一 ) 图1 2 土压力的分布与挡土墙位移方式的关系 1 2 2 2 计算土压力的主要理论方法【5 l 【6 1 7 1 嘲m i l 0 1 f i i l 【1 2 】 一、古典土压力理论 现在国内外土压力计算仍采用古典的极限平衡理论，即库仑( c o u l o m b ， 1 7 7 6 ) 和朗肯( r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 土压力理论，其计算简单和力学概念明确。古 典土压力理论都基于以下假定：挡土结构视为刚性体，土体是理想刚塑性体， 服从m o h r - c o u l o m b 准则。依照古典土压力理论，得到的是极限平衡状态下的 土压力值，土压力值为直线分布。但土压力是土与挡土结构之白j 相互作用的结 果。挡墙的不同变位方式，墙面的摩擦特性，以及墙后填土的变形与强度特性 都对挡土结构所受侧压力值大小和分布规律产生影响，古典的土压力理论无法 考虑以上的诸多因素的影响，因此工程实测的土压力值、压力分布及合力作用 点和古典土压力理论计算得到的压力往往有较大差异。 二、水平层分析法 水平层分析法是卡岗( m e 。k a r a n ) 首先提出的又称为压力的非线性 分布解法，对场面竖直、填表面水平、填土为砂土的挡土墙利用库仑土压力 理沧中墙后填土滑动契体的极限平衡概念，沿填土深度方向取单元片体，建立 极限平衡方程，它是关于土压力分布的一阶微分方程，采用有效的数值分析方 法求解此方程，就可得到土压力及其沿深度的分布。水平层分析法求解的土压 力分布图形是曲线，而非通常认为的三角形分布。而后一些试验和现场观测也 川人学倾卜学位论文 同时证明了土压力的非线性分布性质。如图1 3 ，前苏联伏尔加水电站船闸闸 墙上观测得到的土压力分布图，土压力从墙的顶部处逐渐增大。到墙高的l 3 处左右土压力达到最大，随后土压力又逐渐减小，该挡土墙二次实测的结果 ( 在不同时期) ，土压力的图形基本相同。 - 女一 图1 3 前苏联伏尔加水电站船闸闸墙实测土压力分布图 三、能量理论 利用极限平衡理论求解土压力时，仅满足了土体应力平衡条件和强度条 件。并末说明土体是否产生滑动变形。所以，在完善极限平衡理论同时，许多 岩土工程师提出利用能量理论来求解土压力，能量理论的原理：当土体中的应 力场满足应力平衡条件和边界应力条件，且应力场中各点的应力小于极限应力 时，这种应力场称为可静应力场，其相应的外荷裁称为可静荷载。当土体中的 应力场满足应力平衡条件和边界应力条件，同时还存在一个运动速度场，按这 一运动速度场确定的外荷裁，称为可动荷裁。对于地基承裁力问题。通常可静 荷裁解是问题的下限解，可动荷载解是问题的上限解，而问题的真实解，则处 于下限解和上限解之间。在般情况下，问题的真实解比较难于直接求得。因 此，如若己知问题的下限解和上限解，则可据以估计土压力的真实解。 四、土压力的空间计算理论 作用在挡土墙上的土压力，不仅随墙高而变化，而且随墙的长度丽变化， 沿挡土墙的长度，作用在中间断面上的土压力与作用在两端断面上的土压力有 明显的不同。这就说明，作用在挡土墙上的土压力是一个空间问题，而非平面 p qj i i 大学颇i4 学位论立 问题。早在本世纪3 0 年代，在太沙基、契波塔廖夫等人的著作中，就已经指 出了土压力的空间特性。但对这一问题的实际研究是从本世纪5 0 年代才开始 的，特别是在近2 0 年来，许多学者对这问题进行了试验研究，才使空间土 压力的计算成为可能。 五、有限单元法计算土压力 自从1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 将有限单元法首先用有限元法分析土 坝问题以来，有限元法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。有 限单元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界问题，而土体应力 变形分析恰恰就存在这些困难问题，因此很适于用有限元法。从c l o u g h 和 d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 开始，许多国内外学者对土压力问题相继采用了有限元法来对 墙后土压力进行研究分析。并依照模型试验结果数据分析相对照，指出挡士墙 后土压力的分布规律和墙体移动对土压力的影响，为土压力理论的进一步完善 奠定理论基础。 1 2 ，3 桩基础研究现状 桩基础是一种常用的基础形式，是深基础的一种它由延伸到地层深处的 基桩和联接桩顶的承台组成。桩基可以承受竖向荷载，也可以承受横向荷载。 承受竖向荷载的桩是通过桩侧摩阻力或桩端阻力或两者共向作用将上部结构 的荷载传递到深处土( 岩) 层。因而桩基的竖向承载力与桩基所穿过的整个土 层和桩底地层的性质、桩基的外形和尺寸等密切相关；承载横向荷载的桩基是 通过桩身将荷载传递给桩侧土体，其横向承载力与桩侧土体的抗力系数、桩身 的抗弯刚度和强度等密切相关。桩基础的主要功能是将荷载传至地下较深处的 密实土层，以满足承载力和沉降的要求。因而具有承载力高、沉降速率低、沉 降量较小而且均匀等特点，能承受竖向荷载、水平荷载土拔力及由机器产生的 振动或动力作用等。 1 2 3 1 桩基础承载变形理论的研究现状1 1 4 u s 1 桩的理论研究与工程应用历史较长，但影响桩基受力变形特性的成桩工艺、 土体等因素非常复杂。因此，对单桩和群桩受力交形特性，认识还不充分，箕设 州川i 凡学碾i 学位论文 计往往依赖于工程类比和工程经验。目前，桩基研究的手段主要有原型观测、静 载试验、模型试验、数值分析。原型观测和静载试验是设计和确定桩基承载力、 研究桩基承载变形特性的最直接、最可靠的方法，并且是验证模型试验和数值分 析合理性的手段，但由于试验周期长、耗资巨大的缺点，因此，仅应用于较少的 重要工程中。 弹性理论法、荷载传递法、剪切位移法、有限单元法、边界单元法、混合法 等桩基数值分析方法，是研究分析桩基特性的一种便利而花费较少的方法，但其 精度主要依赖于模拟桩土相互作用、成桩工艺、土体特性等因素对桩基承载变 形特性影响的准确性和合理性。 模型试验可以根据需要较精确的设定和控制边界条件、桩土材料特性，在研 究桩一土相互作用时具有较强的针对性和目的性，获得的信息远比原型观测和静 戴试验多，还可用来验证数值模拟分析，但模型不能完全表征原型的一切特征。 由于桩土特性本身及其影响因素的复杂性，需将不同的研究手段有机结合起来， 才可能真下揭示桩一土相互作用的机理，准确定量分析桩基的应力与应变及对其 变形全过程的模拟。 1 2 3 1 桩托梁( 承台) 的研究现状旧 1 s l o g p 0 9 p 1 口】 高层建筑桩承台基础的设计近二十多年来从原理和实践方面都发生了一系 列演化，大体可分为三类模式：( 1 ) “纯桩”模式：不论是端承型桩还是摩擦 型桩、低承台还是高承台，一律由桩承担全部荷载，不考虑基底土的分担作用， 这是传统的并仍为一些岩土工程设计者沿用的模式：( 2 ) 复合桩基模式：对于 非端承桩、基底土为非滚化、非湿陷性、非欠固结土的条件下，考虑桩间土分担 一部分荷载； ( 3 ) 按控制变形设计的复合疏桩基础模式：一种情况是地基土承 载力不足，由疏桩弥补其不足，另一种情况是地基士承载力虽满足要求，但沉降 过大，布雹疏桩以减小沉降。前者称为协力桩基后者称为减沉桩基：这二者在 满足承载力要求的前提下，控制沉降变形，且均应为摩擦型疏桩。以较大程度地 发挥桩间土的承载力作用。 按照现行的公路和铁路设计规范。托梁是按绝对刚性来处理的。在长期的工 程实践中，以此为基础，形成了一整套系统、简洁、实用的设计体系，这就是通 8 州1 1 人学颂 。学位论文 常所说的m 法桩绝对刚性承台设计方法。现行规范是根据结构荷载的大小通过 对承台厚度的调整柬满足承台刚性要求的，但规范中只对承台厚度的下限作出了 规定，因此承台厚度的确定是一顶带有很强经验性的工作，特别是对于大型和特 大型桥梁的承台，不同的设计者往往会给出不同的设计结果，由此而产生的经济 效益上的差别是十分可观的。 目前，国外对桩承台的研究主要表现在两个方面，一是对承台的受力机理 进行分析，提出能反应承台实际受力情况的传力模式；二是对影响承台承载力 的一些因素，如承台有效厚度、纵筋配筋率及配筋方式等进行研究。研究结果 表明； 1 对桩承台体系采用桁架模型为理论基础的分析研究是可行的，可以定性 地解释承台的传力机理和破坏模式： 2 纵向钢筋的数量与配筋方式对承台的承载力有很大的影响。在承台受冲 剪承载力计算时，应考虑纵向钢筋的有利影响，钢筋集中布置在桩径范围内比 均匀布置钢筋承载力要高； 3 传统的设计方法对承台厚度的作用估计过高，这可能是导致工程中常常 采用厚承台的主要因素之一。 4 在厚承台中，压杆的破坏不会出自混凝土的受破坏，而是由于压应力的 扩展使得在压杆中产生横向拉应力，使压杆产生纵向破裂而破坏。因而在厚承 台中适当增加柱子的支承面积可有效的提高承台的抗剪能力。 2 0 世纪8 0 年代以来，桩承台的研究在国内也得到越来越多重视。普遍认 为承台是种双向板结构，并采用弹塑性理论对其力学性能和极限承载力加以 分析。在通过大量模型试验、原型观钡4 和有限单元法，对承台的受力特征、传 力机理和极限承载力理论分析结果加以论证。从而使桩承台理论更加完善。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究结构为桩基托梁挡土墙联合作用体系。研究的目的在于针对不 同的地基情况下，分析桩基托梁挡土墙结构体系的沉降变形趋势、体系中各结 构的应力分布情况及其墙后土压力的大小和分布情况，揭示对墙后土压力和桩 基承载力产生影响的主要因素，力求验证桩基托粱结构计算的传统设计方法， 9 l ! i j 川大学顾_ _ 学位论文 使桩基托梁挡士墙结构设计更趋于合理化，基于以上认识，本文做出以下几个 方面研究： 1 对于桩基托梁挡土墙结构体系，采用模型试验的方法，对桩基托梁挡土 墙结构沉降变形趋势、结构体系的应力分布情况及其墙后土压力的大小和分布 情况进行试验研究，并通过调整地基形式，研究地基形式对结构体系的影响。 试验中采用地基形式为：纯土基和土基加岩基。 2 当同时考虑土体的力学特性和土与结构接触面上的变形特性时，作者用 有限单元法对结构体系讲行分析研究。土体采用弹塑性的d - - p ( d r u c k e v p r a g e r ) 本构模型，在土与结构接触面i b jl 入无厚度的接触单元，研究不同的地基情况 下，桩基托梁挡土墙结构沉降变形趋势、结构体系的应力分布情况及其墙后土 压力的大小和分布情况，与试验结果进行分析对比。 3 在有限单元法对结构体系讲行分析研究的过程中，对挡土墙填筑过程进 行模拟，分析墙后士压力、桩基与地基表面的摩擦力及其桩底压力随填筑过程 变化情况。 4 ，在有限元分析中。调整土与结构接触面的摩擦角，研究接触面摩擦角对 结构体系变位、墙后土压力和桩基承载力的影响情况。指出设计中应注意问题。 5 对托梁模型试验和有限元计算的应力分布结果加以数值分析，总结出能 够在工程设计中使用的设计简化模式，使本次论文结果更贴近实际，更好的为 现实工程服务。 1 0 一些型盔兰堕! ：兰焦堡苎 2 桩基托梁挡土墙结构模型试验研究 2 1 结构概述及试验研究内容 2 1 1 桩基托梁挡土墙结构概述 桩基托梁挡土墙是铁路交通工程建设中广泛应用的一种支挡结构，其结构 主要包括为桩基、托梁和挡土墙三个部分，本试验研究挡士墙结构采用衡重式 挡土墙，挡土墙墙背为折线型，在墙背中上部设有衡重台，衡重台以上，培背 俯斜部分为上墙；衡重台以下，墙背仰斜的部分为下墙。位于挡土墙以下将挡 土墙和桩连接起来的部分为托梁，而桩采用人工挖孔灌注桩。桩基托梁挡土墙 整体受力机理为挡土墙承受墙背填士体本身压力及列车荷载对墙体产生的附 加压力，通过托梁将墙体所受压力及挡土墙和托梁自重传递给桩基，最终桩基 将其所受作用力传递到地基。 衡重式挡土墙浆为砌块片石结构，墙高1 2 m ，墙顶宽0 5 m ，底宽3 1 5 m ， 衡重台以上高4 8 m ，衡重台以下高7 2 m ，上墙俯斜坡比为1 ：0 4 ，下墙仰斜 坡比为l ：o 2 5 ，衡重台宽1 4 8 米m ，背土面坡比为1 ：o 0 5 。托梁为钢筋混凝 土结构，其尺寸为l o r e 3 5 m l m ( 长宽厚) 。桩基也为钢筋混凝土结构， 其尺寸为2 m 1 5 m l o r e ( 长宽高) 。具体结构尺寸见图2 1 。 挡土墙后填土为砂类土，地基土为崩积物，本次试验的地基分为均匀土基 和土基加岩基两种情况，各种材料的参数指标见表2 1 。 表21 工程特性表 项目 e ( 枷毛)hr ( k n m 3 )c ( k p a )巾备注 填士1 0 00 3 51 92 52 5 地基十1 2 00 3 62 12 53 0十石比3 ：7 基岩1 3 0 0 0 o 2 52 3 1 0 0 03 5 桩耗粱钢斑3 0 0 0 0 o 2 02 5 挡墙( 们5 块石) 1 0 0 0 00 2 32 3 2 1 2 试验任务及要求 桩基托梁挡士墙结构为整体受力结构，现行的桩基托梁挡土墙结构计算均 匝霉好到隧罂h瓤觥球醐撑一n匾 权掣掣扑书醛扑妖三日 g t l 川人学硕士学位论文 采用常规的结构力学法分解为若干单体构件，采用经验公式计算，而挡墙所受 的土压力由于折线型墙背而变得十分复杂，对挡土墙、托梁和桩三者的受力特 点及其之阳j 的相互作用尚待进一步深入研究。本试验的目的在于，通过对挡土 墙、托粱和桩整体结构模型试验的手段，对墙背所受土压力的变化趋势、挡土 墙的水平和垂直变位特征及各结构的应力分布进行测试，并根据试验成果，对 桩基托梁挡土墙结构受力特点和传力方式进行分析，为桩基托粱挡土墙结构设 计提供重要依据。 试验要求主要有以下三点： ( 1 ) 荷载及其组合工况 挡土墙所受的荷载主要是墙后土压力和列车产生的附加土压力，列车荷载 简化为3 6 m x 3 4 m ) ( 1 0 m ( 宽x 高x 长) 均匀土条。 本次桩基托梁挡士墙试验分析中，依照不同的地基情况，共分为以下两种 试验方案： 方案一：挡土墙高1 2 m + 托梁厚l m 十均匀地基( 4 - 基) 十桩基 方案二：挡土墙高1 2 m + 托梁厚1 m + 均匀地基( 土基+ 岩基) + 桩基( 桩基 末端打入岩基中 ( 2 ) 试验步骤 1 ) 测定第一种工况下， 桩基的应变值； 2 ) 测定第二种工况下， 桩基的应变值； 挡土墙的变位、墙后土压力值及挡土墙、托梁、 挡土墙的变位、墙后土压力值及挡土墙、托梁、 由于这次模型试验为线弹性应力模型试验，所以桩基托梁挡土墙模型可以 在两次试验中重复利用。 ( 3 ) 应变、位移和土压力各测点位置 为了试验值同常规计算和有限元计算结果相比较，各测点位置基本上与计 算位置致，并对重要位置增加测点，使试验结果更加完善。 2 2 模型的设计和制作 2 2 1 模型的相似条件 7 t lj l l 大学硕上学位论文 本次桩基挡托梁土墙结构研究采用整体线弹性模型试验，通过这种模型试 验，可以研究结构在币常工作条件下的结拇陛念，它能反映出桩基托梁挡土墙 的实际工作状态。 线弹性模型试验需要满足以下几个相似条件： ( 1 ) 几何相似：原型与模型的形状尺寸必须满足几何相似条件； ( 2 ) 泊桑比相似：原型材料和模型材料的泊桑比应相同： ( 3 ) 应力应变关系相似：原型与模型材料的变形模量、应力与应变关系等 满足相似条件： ( 4 ) 荷载相似：原型与模型的荷载条件，如土压力，填土容重及内摩擦角 等应保持相似。 总而言之，除了要满足几何相似和荷载强度相似条件外，还要满足原型和 模型材料性能在弹性阶段相似的要求，即原型和模型材料的弹性模量e 和泊桑 比“应满足一定相似条件，具体地说，原型和模型材料的泊桑比应该相等。由 相似理论可知，模型线弹性试验主要应满足以下关系： e = 巴c ， ( 2 。1 ) e = c q ( 2 2 ) c = c q ( 2 3 ) g = 巳 ( 2 4 ) c 。= 1 ( 2 5 ) 当e = 1 时，则有 c 。= 岛 ( 2 6 ) c 5 = c ( 2 7 ) 式中，c 。、g 、c 。、c 。、c 。及c 。分别为应力比、边界应力比、体积力比、 几何比、应变比及变模比；c 。、c 。分别为位移比和泊桑比a 叫川人学硕i + 学位论文 2 2 2 模型几何比c ，选择及模型模拟范围的确定 根据桩基托梁挡土墙结构特点及试验任务要求，再根据试验场地规模及试 验精度要求等综合分析，确定模型的几何比尺c ，= 2 5 。模型的详细尺寸见图 2 2 、图2 3 。模型模拟的范围，主要根据桩基托梁挡土墙结构的受力特点及其 试验研究的目的要求来确定。在横向范围上取一设计段( 一垮) 为研究对象， 主要满足桩基托梁挡土墙结构尺寸，在试验过程中不致因边界约束而影响桩基 托梁挡土墙的变形；纵向范围上，取挡土墙前填士长度范围大于o 8 倍墙高， 即为9 6 m ，而墙后填土长度范围超过1 7 倍墙高，即为2 0 4 m ，并大于设计中 墙背填土破裂面产生位置。地基模拟深度取1 5 倍墙高，即为1 8 m ，大于桩基 底端应力影响范围，由此定出本次试验的模拟范围为3 0 m l o m 3 7 5 m ( 长 宽高) 最终定出模型范围为1 2 m o 4 m 1 5 m ( 长宽高) ，模型模 拟范围详见图2 4 、图2 5 。 圈2 2 挡墙模型重心位置圈 叫j 1 1 人学倒l j 学位论史 横截面尺寸 型叫斗p r 一 曼 。豫一。： 一7 i 7 糟 lg 曼j1 平砸尺寸 士业斗 直 a 挡土墙模型 杠盟一 立面尺寸 b 托粱模型 c 桩基模型 横豢面尺寸 卜糊 立 横截面尺寸 说明： l 图中凡寸以厘米计，以下再l 璺| 酬 2 挡土墙和托粱模型数量蚤1 个桩基模型数苴为2 个。 3 挡十培整体重量为7 4 7 3 1 6 k i 、l ， ：芈部重置为1 7 4 43 2 k n ，下半部重量为5 7 2 8 8 4 k n - 圄2 3 结构模型尺寸固 6 十_ 斗 岂 ，1 p u 川凡学顺f 。学位论殳 图2 4 模型拼装圈( 土基) 。尸瓤艘。0 。r _ 愫 脯鼻 幡- _ 1 ：1 e 再t 揍萎i l 薰6 a el l l i l 3 k w 蓁 ：三土除兰：蔫= f幽l l l ；ill il i