（水工结构工程专业论文）桩基础水闸荷载分担比分析研究.pdf

邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 摘要 本文以某采用灌注桩基础的水闸为原型，研究水闸桩和底板水平荷载分担比， 为工程设计提供参考依据，最大程度的发挥和利用桩基础的水平承载能力。 首先，分析新中国成立以来水闸建设的情况，桩基础应用的广泛性，以及桩 基础在处理水闸软弱地基中的优势。 其次，分析桩的各种分类方法，桩基础和桩土相互作用的研究现状，以及某 桩基础水闸的工程概况。 再次，介绍非线性分析软件一a b a q u s 。介绍它的使用范围，丰富的单元， 以及分析模块。筒述桩一土上部结构相互作用计算原理以及a b a q u s 牛接触算 法和接触网格的要求以及接触问题的力学模型。研究桩基础水闸在简化竖向均布 荷载和简化水平均布荷载作用下水闸的变形、应力、应变情况、底板底部的摩擦 应力及其在荷载作用下的分担比，并分析其产生的原因。研究不同水平荷载和竖 向荷载下水闸的应力、应变情况及其荷载分担比；研究不同水闸的桩和土的性质 情况下水闸的应力、应变情况及其荷载分担比；然后研究考虑上部结构的共同作 用下水闸的应力、应变情况及其荷载分担比；与不考虑上部结构作用的结果进行 比较，并分析其原因。 最后，研究桩一土一上部结构在地震动荷载作用下的应力、应变以及荷载分 担比，与不考虑地震荷载作用的结果进行比较，并分析原因。 关键词：分担比、上部结构、共同作用、地震动荷载、动力隐式 n 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es l u i c ew i t h c o m p r e s o lp i l ef o u n d a t i o ni sa st h eo b j e c to fr e s e a r c hi nt h i s a r t i c l e i n o r d e rt oo b t a i nt h el o a d s h a r i n gr a t i ou n d e rh o r i z o n t a ll o a d ，t h ei n t e r a c a t i o n o fs u p e r s t r u c t u r e ，p i l ea n ds o i li ss t u d i e ds y s t e m a t i e a l l yt o p r o v i d et h e b a s i sf o r e n g i n e e r i n gd e s i g n f i r s t ，s i n c et h ef o u n d i n go fn e wc h i n a , t h es i t u a t i o no fs l u i c ec o n s t r u c t i o ni s i n t r o d u c e d b r e a d t ho fa p p l i c a t i o no fp i l ef o u n d a t i o n p i l ef o u n d a t i o ni s w i d e l y u s e d t h ea d v a n t a g eo ft h ep i l lf o u n d a t i o ni nd e a l i n gw i ls o f tg r o u n dw a si n t r o d u c e d s e o n d ，t h ev a r i o u sc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d so ft h ep i l e sh a v eb e e ni n t r o d u c e d p i l e f o u n d a t i o na n dp i l e s o i li n t e r a c t i o nr e s e a r c hs t a t u sa r ei n t r o d u c e d t h es l u i c eo fap i l e f o u n d a t i o np r o j e c to v e r v i e wi si n t r o d u c e d t h i r d ，a b a q u si st h ew o r l d sm o s tp o w e r f u ln o n - l i n e a ra n a l y s i ss o f t w a r e t e r m s o fu s e ，t h en u m e r o u sd e m e n t sa n dt h ea n a l y s i sm o d u l ea r ei n t r o d u c e d t h et h e o r yo f p i l e - s o i l - s u p e r s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni si n t r o d u c e d c o n t a c ta l g o r i t h m ，c o n t a c tg r i a s r e q u i r e m e n t sa n dt h em e c h a n i c a lm o d e lo fc o n t a c tp r o b l e m sa r ei n t r o d u c e d t h e d e f o r m a t i o n , s t r e s s ，s t r a i no ft h es l u i c e ，t h ef r i c t i o ns t r e s sa tt h eb o t t o mo ft h es l u i c e f l o o ra n dt h el o a d - s h a r i n gr a t i ou n d e rt h es i m p l i f i e dv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ll o a da r e s t u d i e d t h em o d e lo fs u p e r s t r u c t u r ea r ee s t a b l i s h e d t h ec o m p a r eo ft w om o d e li s c o m p l e t e d f i n a l l y , t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fs u p e r s t r u c t u r eu n d e re a r t h q u a k el o a da r es t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sr e s u l t s ，t h eg e a s o n si sa n a l y z e d k e y w o r d s ：s h a r i n g r a t i o s u p e r s t r u c t u r e i n t e r a c t i o ns e i s m i cl o a d s d y n a m i c s t a n d a r d 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 勿声承针 f 签字日期：2 0 1 0 年5 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 邹斧讨 签字日期：2 0 1 0 年5 月2 8 日 摊名：许 签字日期：2 0 1 0 年5 月2 8 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 1 1 引言 第一章绪论 我国幅员辽阔，河流众多，洪涝灾害频繁，地质情况十分复杂。为兴利除害， 新中国成立以后进行了大规模的水利工程建设并取得了巨大成就。其中水闸是分 布最广的一种水工建筑物，尤其是在平原地区，所占比例更高。但是长期以来， 由于水闸工况比较复杂，尤其在闸室部分受力情况更为复杂【i l ，所以在设计时，总 是偏于安全考虑，存在着一定得浪费。 水闸闸室基础设计的时候，应该利用天然地基的承载力，尽量采用浅基础。 特别是对于带桩基础的闸室结构。当采用天然地基的浅基础不能满足水闸地基基 础设计的承载力和变形要求时，可以采用桩基础，将荷载传至地基持力层。 基础将荷载传至深部土层。桩基础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，能适应较差地质情况上的高、重、大的水工建筑物的要求。在 近代水工建筑物的发展中，桩基础起了越来越重要的作用。 桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础形式之一唰。世界 上最早发现的桩，距今约有1 2 0 0 0 年，是在智利古文化遗址中发现的。在我国陕 西半坡村遗址中发现，先人在7 0 0 0 年前就已经采用木桩插入土中以支承房屋。在 漫长的人类历史发展过程中，桩基的类型和施工工艺都有了很大的发展和变化， 特别是近代，由于新材料和新的施工机械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了条 件。桩基础已经成为高层建筑、大型桥梁工程、码头和石油海洋平台等最常用的 基础形式。 传统方法上桩基础水闸底板下桩的根数和尺寸是根据底板底面以上的全部荷 载来确定【3 1 ，并未考虑桩间土的作用，造成了一定程度的浪费。事实上大量实验研 究表明，对于摩擦型桩，复合地基等基础形式，桩间土也承担了一部分的荷载， 因此有必要研究带桩基础水闸底板以及桩基础的应力和应变以及荷载分担比为设 计提供依据。水闸是低水头的挡水建筑物，与工民建的建筑物相比，所受的水平 荷载较大，水平荷载更要引起充分的重视，因此本文主在研究荷载分担比的时候， 主要以水平荷载及其分担比作为侧重点。 扬州大学硕士学位论文 1 2 桩及桩基础分类 部结构 承台 桩 ( a ) 低承台桩基础( b ) 高承台桩基础 图1 1 桩基础示意图 桩基础简称桩基，通常由桩体与连接桩项的底板组成。当底板底面设于地面 以下时，底板称为底桩底板，相应的桩基础称为低台桩基础，见图1 1 ( a ) 。当底 板底面高于地面时，底板称为高桩底板，相应的桩基础称为高台桩基础，见图1 1 ( b ) 。低台桩基础常用于陆地的工业与民用建筑，而高台桩基础在海洋与港湾等 水域工程结构中有较广泛的应用。水工建筑物下的的桩基础，经常受到渗流的作 用，因为经常处于水下，当用于砂土、砂壤土地基时应注意渗透变形的问题。 1 2 1 按桩体材料分类 按桩体材料可分为木桩、混凝土桩、钢桩及组合材料桩等。 1 ) 木桩 以木材制桩，常选用松木、杉木等硬质木材。木桩在古代及上世纪初有大量 应用，随着建筑物向高、重、大方向发展，木桩因其长度较小、不易接桩、承载 力较低以及在干、湿度交替变化环境易腐烂等缺点而受到很大限制，只在少数工 程中因地制宣地采用。 2 ) 混凝土桩 混凝土桩是工程是工程中大量应用的一类桩型。混凝土桩还可分为素混凝土 桩、钢筋混凝土桩及预应力钢筋混凝土桩三种。 素混凝土桩受到抗压强度高而抗拉强度低的局限，通过地基成孔、灌注方式 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 成桩，一般只在桩承压条件下采用，不适用于荷载情况复杂多变的情况，因而其 应用已很少。钢筋混凝土桩的长度主要受到承装方法的限制，其断面形式可以是 矩形、圆形等：可以是实心的，也可以是空心的。也有因土质变化而采用的变断 面的桩体。钢筋混凝土桩以抗压、抗拉强度均较高的的特点，可适应较复杂的荷 载的荷载情况，因而得到广泛的应用。 预应力钢筋混凝土桩通常在地表预制，其断面多是圆形的。由于在预制过程 中对钢筋混凝土施加预应力，使得桩体在抗弯、抗拉及抗裂等方面比普通的钢筋 混凝土桩有较大的优越性，尤其适用于受冲击荷载与振动荷载的情况，在海港、 码头等过程中已有普遍使用，在工业与民用建筑过程中也在逐渐推广。 3 ) 钢桩 对于建在软地基上的高重结构物，近年来开始采用大直径开口钢管桩，宽翼 缘工字钢及其他型钢桩也偶有采用。 钢桩的主要优点是桩身抗压强度高、抗弯强度也很大，特别适用于桩身自由 度大的高桩码头结构：其次是其贯入性能好，能穿越相当厚度的硬土层，以提高 很高的竖向承载力；另外，钢桩施工比较方便，易于裁接，工艺质量比较稳定， 施工速度快。 钢桩的最大缺点是价格昂贵，目前只在特别重大的或特殊的工程项目中应用。 另外，钢桩尚存在环境腐蚀等问题，在设计与施工中需做特殊考虑。 4 ) 组合材料桩 整个桩长分段采用木材、钢材或混凝土材料时，这种桩型称为组合材料桩。 一般在地下水位以下用木材或钢材，而桩上段多采用现场浇筑混凝土而成桩，常 用于特殊地质条件及施工技术等情况下。 1 2 2 按施工方法分类 按施工方法预制桩和灌注桩两大类： 1 ) 预制桩 预制桩是指在桩体投入地基之前在预制场或现场制作的桩。预制桩成桩质量 4 扬州大学硕士学位论文 比较稳定、可靠。预制桩除木桩、钢桩外，目前大量应用的是钢筋混凝土桩。预 制桩的长度比较灵活，只受制桩设备能力限制，但可以分段制作然后在设桩的过 程接桩；其断面依材料类别也有很大的灵活性，但多用方形及圆形两种。预制桩 根据设桩方法尚可分为打入桩、压入桩、振沉桩及旋入桩等。 i 旷落锤 物 千 ( a ) 打入( b ) 压入 ( c ) 旋入( c ) 振沉 图1 2 预置桩施工方法 ( 1 ) 打入桩 打入桩是靠机具动力冲击将桩体挤入地基土中的，如图1 2 ( a ) 。古代木桩都是 人工打入的，而现代打入桩则采用各种专门打桩机械，如柴油锤打桩机等。 打入桩施工在桩身内引起很强的拉、压应力波，因而对桩身材料强度及成桩质量 要求较高。打入桩对土的排挤作用较大，尤其在饱和软土地基中会引起土体侧移 及隆起，对邻近建筑物及设施易及设施易造成损坏。同时，打桩还存在强烈的振 动及噪声等环境问题。因此，采用打入桩应对桩身质量、环境因素等有较充分的 把握，以免出现难于补救的工程事故。 预钻孔打入桩是在解决上述各种不利问题是常采用的一种打桩技术。为了减 少震动，尤其克服较大的成桩阻力，先在地基桩位处钻一浅孔或较细的桩孔，然 后再将桩体打入。这在打桩遇到局部硬土层或透镜体面难以穿越时常有采用。预 钻孔打入法，方便了施工，但也使桩挤土的效应减少，使桩的承载力有一定的损 失，这在桩基设计时应预先估计到。 ( 2 ) 压入桩 压入桩是靠专门的压桩机以静力将预制桩挤入地基中。压入法施工几乎不存 在打入桩那样的振动与噪声问题，但沉桩能力小于打入法，因而适用于对桩承载 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 力要求不很高的情况，如对既有的建筑物的基础进行托换加固等，见图1 2 ( b ) 。 ( 3 ) 旋入桩 旋入桩是在桩端设一螺旋板，利用外部机械的扭力将其逐渐转入地中，见图 1 3 ( c ) 这种桩身的桩身断面一般较小，而螺旋板相对较大，在旋入施工过程中对 桩侧土体的扰动较大，因而主要靠桩端螺旋板承担桩体轴向的压力或拉力。 ( 4 ) 振沉桩 振沉桩即振动沉入桩，利用振动沉桩机械的上下振动而将预制装成如地基中。 这种施工方法基本上介入打入法与压入法之间，如图i 3 ( d ) 所示。 2 ) 灌注桩 灌注桩是在施工现场桩位处先成桩孔，然后在孑：l p 4 设置钢筋笼等加劲材料、 灌注混凝土而形成的桩。灌注桩无需像预制作、运输，因而比较经济，但施工技 术较复杂，成桩质量控制比较困难。 灌注桩按具体成孔方法可分为钻孔、冲孔、挤孔及爆破等多种类型。沉管灌 注桩与打入桩具有类似的挤土效应外，其他各种灌注桩均属于非挤土性桩。在成 孔过程中，对地基土应力有释放作用，这是灌注桩承载力有释放作用作用，这是 灌注桩承载力比预制桩低的主要原因之一。在饱和软粘土地基及松散砂土地基中， 非挤土型灌注桩极易造成塌孔现象，因而必须采取可靠的护壁措施。灌注桩现场 施工质量的稳定性受到土层条件、成孔技术及天气条件的影响较大，适时有效的 施工管理十分必要的。 ( 1 ) 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩是各类灌注桩中应用最为广泛的一种。随着我们中高层建筑的大 量兴起以及大型桥梁、码头等的建设，对桩基单桩承载力要求常达( 2 0 0 0 - - 5 0 0 0 ) 斟，而打入桩因成桩能力较小以及振动与噪声等问题应用越来越小，灌注桩直径 一般可达( o 3 - - 2 0 ) m ，而桩长变化更大，可为数米至一两百米，因而可适应多 种土层条件，提供相应承载力。钻孔灌注桩还可在桩端处利用硬土层的承载能力。 ( 2 ) 沉管灌注桩 沉管灌注桩属于有套护壁作业桩，可分为振动沉管桩和锤击锤击沉管桩两种。 6 扬州大学硕士学位论文 这两种桩型在我国目前有广泛的应用，主要是因为施工速度快且造价较低。在饱 和软粘土地基中，沉管成孔的挤土效应比较明显，而且套管沉入与拔出要适时小 心，否则易造成混凝土缩颈甚至断桩等现象。 ( 3 ) 挖孔桩 挖孔桩可采用人工或机械挖孔。人工挖孔时按每挖一段就浇制一圈混凝土护 壁，到桩底处可扩孔。挖孔桩径大，可直视土层情况。 1 2 3 按功能分类 桩基按其功能可分为承压桩、抗拔桩、横向受荷桩等类型。 1 ) 承压桩 承压桩是指承受轴向压力荷载的桩。通常承压桩是垂直设置的，其承载机理 与土的接触面将轴向力传给桩周土体。土对桩侧表面的竖向抗力称为摩擦力，而 桩端处的竖向抗力称为端阻力。承压桩根据土体提供的侧摩擦力与端阻力的相对 比例，又可分为摩擦桩和端承桩两类。 ( 1 ) 摩擦桩 摩擦桩上的竖向荷载完全或主要靠桩侧摩擦力承担，这是分别称纯摩擦桩或端承 摩擦桩，见图1 3 ( a ) 。 ( 2 ) 端承桩 端承桩的竖向荷载完全或主要靠桩端阻力承担，见图1 3 ( b ) ，这是分别称为 端承桩或摩擦端承桩，工程实践中，设在深厚软土中的长桩，其端阻力可忽略不 计，是典型的纯摩擦桩；如果桩段达到中等强度或坚硬土层中，这种桩常属于端 承摩擦桩或摩擦端承桩；桩段进入稳定岩层，上部图土层软弱或不稳定时，桩属 于典型的端承桩。为了提高桩基承载力和结构的稳定性，要求桩尖落在硬土层内 的一定深度处，故纯摩擦桩应用较少。 2 ) 抗拔桩 桩在承受轴向拔出荷载时称为抗拔桩，如图1 3 ( c ) 。竖向设置的抗拔桩，其抗 拔力主要由土对桩向下的侧摩阻力来提供。抗拔桩在输电塔架、地下抗浮结构及 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 码头结构中有较多的应用。 3 ) 横向受荷桩 横向受荷载系指在桩项或地面以上主要受地震力、分风力及波浪等水平荷载 的桩用于港口码头、输电塔架等结构物中，如图1 3 ( d ) 、( e ) 。有时为了更有效地 抵抗水平荷载设斜桩。 很厚 土层 层很 ( a ) 摩擦桩 皮摩阻力 承我力的 要部分 阻力可 略不计 擦阻 略不 ( b ) 墙承桩 ( c ) 抗拔桩 ( d ) 横向受荷桩 ( e ) 横向受荷桩 图1 3 桩按功能分类 1 2 4 按桩径大小分类 桩径d 8 0 0 m m 的桩称为大直径桩。 1 3 桩基础及桩土相互作用研究现状 桩土相互作用问题，一直是学术界比较棘手而热门的话题。棘手是因为桩和 土的物理特性相差较大，在地震作用的桩与土之间可能会产生张开和滑移等非线 性特性，使得问题更为复杂。热门是因为桩基础的应用比较广泛，对较差的地基 适应性较强，在地基处理中应用较为广泛。 自二十世纪2 0 年代开始桩基的研究以来，桩基的理论与技术有了很大的进展，以 至于无法一一列出其中的许多工作，本文仅仅简略从四个方面介绍一下桩基的部 分研究成果。 1 ) 连续介质力学方法 连续介质力学方法是基于连续介质力学理论和框架来建立的桩基力学特性分 析的数学模型，其中，桩基和土体的材料可以是弹性的、粘弹性和弹塑性材料等。 8 扬州大学硕士学位论文 这种理论和方法概念清楚理论性强，因而得到广泛的应用，比较流行。喇i m i 【4 】首 先将连续体模型来模拟土体，以后众多学者对对这一理论方法进行了进一步的研 究。m a r i e 和p o u l o s l 5 - 7 1 假定土体为连续弹性体，在弹性半空间中得到了竖直和水 平荷载作用下的土体位移的m i n d l i n 积分解，讨论了单桩的力学特性。n o v a k s l 基 于平面应变假设，将土体看成线性粘弹性半空间，首先运用连续介质力学理论， 研究了在线性粘弹性土体的假设下桩土的相互作用，并在其后的文献【9 o 】发展了 这一理论。n o v a k 和a b o u l e l l a 在假设桩土完全接触不分离和小变形等条件下， 求得桩周土体的动刚度和阻尼参数的表达式。程昌钧1 1 1 , j 2 等将桩一土系统看成一个 嵌入桩基的粘弹性半空间，在空间柱坐标系中建立了非线性动力学特性，考查了 参数对桩基动力学的影响。h i k m e t 将土体看成无限延伸的土体片，研究在组合荷 载作用下，半刚性连接和部分埋入桩的自由振动。 近年来，胡育佳等 1 3 , 1 4 分别在土体的材料非线性和几何非线性的条件下，把桩 土系统看成是在一个无限大的圆柱形弹性介质中嵌入圆截面桩基，并将其作为一 个整体利用弹性力学的理论建立该耦合系统非线性力学行为分析的数学模型，其 中，在桩土系统的连接面上桩基和土体的位移和应力满足适当的连接条件。提出 了求解这类具有间断性条件的空间轴对称桩土耦合系统的控制方程的无网格 g a l e r k i n 方法( e l e m e n tf r e eg a l e r k i nm e t h o d ，e f g m ) 和微分求积法( d i f f c r e n t i a l q u a d r a t u r em e t h o d ，d q m ) 及微分求积单元法( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r e e l e m e n t m e t h o d ，d q e m ) ，并求得了几何非线性条件下，层状介质中桩土耦合系统的d q e m 解；同时根据在土体材料非线性条件下得到的e f g m 解，提出了群桩非线性相互 作用影响因子的概念及计算群桩非线性整体沉降的方法。 随着多孔连续介质力学理论的深入研究，饱和土和非饱和土中桩基力学行为 的研究也开始受到越来越多研究者和工程师的关注。早期，饱和土中桩基力学行 为的研究大都将饱和土近似为泊松比为0 5 的单相介质，a p i r a t h v o r a k i j n 5 】应用b i o t 固结理论分析了饱和土中桩基横向变形的初值和终值两种极限情况。比较系统研 究饱和土中桩基力学行为是近十年才开始的。z e n g 和r a j a p a k s e 0 6 1 首先在频域内研 究了饱和土中垂直受载单桩的动力响应，王建华【1 7 1 等研究了土体固结和流变对垂 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 9 直振动桩的影响，李强等【1 8 j 给出了饱和土中桩基纵向振动复阻抗的解析解，j i b 等 f i g 、陆建飞和王建华【2 们、陆建飞2 1 1 研究了饱和土中单桩水平运动的动力行为，杨军 【2 2 】等给出了饱和土中水平振动桩辐射阻尼的一个简化算法，w a n g 和z h o u 2 3 、 m s o l 2 4 j 等研究了饱和土中群桩的若干问题。研究发现，土桩界面间的渗透率对 桩基刚度有显著的影响；群桩的动力阻抗对频率的依赖性较单桩更为敏感；桩基 附近的孔隙水压依赖于桩间距和上部结构质量等因素，孔隙水压既可大于，也可 小于自由场处的孔隙水压。 前几年，程昌钧将连续介质力学的建模方法进一步推广到流体饱和多孔弹性 和粘弹性土中桩基力学行为分析，建立了流体饱和多孔弹性土中桩基力学行为分 析的数学模型，发展了相应的d q m 和d q e m ，并分析了流体饱和多孔弹性土中 端承桩的动力学特性。 人们认为，在求解桩土相互作用问题时，连续介质力学模型是比较合理的， 此类模型的概念清楚、公式直接，可应用到弹塑性问题、粘弹性问题、饱和土问 题及稳定状态和瞬时地下水渗透等问题中，还能够更有效地分析群桩的力学特性， 但是一般在理论分析、数值模拟等方面比较困难，特别是在分析由几何和材料引 起的非线性问题时，具有更高的难度。虽然，在相关方面的研究已获得了一定的 成果，但是仍然有许多基本理论、数值模拟方法及工程应用等问题值得深入的研 究。 2 ) 地基响应法 地基响应法是将桩基看成一种梁柱结构，土体对桩基的作用力表述为一系列 的方程，包括各种广义w i n k l e r 地基模型、地基反力系数法等。 w i n k l e r 地基模型是把桩周的土体离散为一个个单独作用的弹簧，某一弹簧受 力时，仅该弹簧发生与作用力成正比的压缩而与其他弹簧无关。这种把地基看成 非连续介质且地基反力系数在整个位移过程中均为常数的假定虽和实际不太符 合，但与其他些较复杂的解析方法相比较，在许多情况下，特别是当基础的容 许位移值较小时，这种方法仍可得出比较接近实际的结果。当桩基的位移比较大 时，土体的非线性变得比较突出，这时土体的反力与位移之间的线性关系假设不 l o 扬州大学硕士学位论文 再成立，而且随着载荷的增大，线弹性地基反力法也不能准确地反映桩土之间的 相互作用，不能反映出最大弯矩所在位置向桩体深度方向发展的规律，从而推动 了w i n l d e r 模型的发展，出现了各种广义的w i n k l e r 模型【2 5 1 ，这些模型的出现，在 很大程度上能够更精确地描述土体对桩基的作用。胡安峰和谢康和【2 6 j 基于广义动 力w i n k l e r 模型研究了水平载荷下单桩的动力响应。黄茂松【2 7 】等采用广义动力 w i n k l e r 模型模拟了桩土间的动力相互作用，并采用传递矩阵法考虑了土体的分层 特性，研究了层状地基中群桩的水平振动特性。基于w i n k l e r 地基模型的研究思路， c a i 和w a n g 2 8 】在孤立子内波引起的载荷的作用下，研究了桩基的动力学特性，这 种分析方法可以用来研究在波浪力作用下平台桩的动力学特性。n o g a m i 和 n o v a k 2 9 | 、e 1n a g g a r 和n o v a k t 2 5 】相继对动力w i n l d e r 地基梁模型开展了一些研究。 他们认为，该模型的局限性是仅通过水平弹簧和水平阻尼器来考虑土体对桩基的 动力作用，较难反映土体中应力波的传播及软化、液化等土体动力学性状变化最 近，h u 等将广义w i n k l e r 模型系统地推广用来研究了在非线性弹性、粘弹性、弹 塑性地基上具有初始位移和间断性条件的桩基大变形分析的静动力学响应问题， 得到了一些有益的结论。 基于广义w i n k l e r 模型的桩基非线性动力学特性研究也越来越受到研究者的 关注，m a t l o e k t 3 0 1 和r e e s e 等【3 i 】考虑到土体抗力集度p 的非线性特点提出了反力 挠度曲线法，即p y 曲线法，并被列入美国a p i 规范。p y 曲线是指在水平力作 用下，地面下某个深度z 处土体的反力p 与该点桩基挠度y 之间的关系曲线，它 综合反映了桩周土体的非线性、桩基的刚度和外载荷作用的性质等特点，p y 曲线 能如实地把地基的非弹性性质，以及由土体地表开始的进行性破坏现象反映到桩 基的计算中，p y 曲线不仅可应用于静力的短期载荷和循环的反复载荷，也适用于 任意尺寸、刚度和嵌固状态的桩基，在发生了弹性变形以至产生塑性变形和达到 或超过剪切破坏时的内力和变位计算。在海域工程结构中，p y 曲线法已有较广泛 的应用，它克服了单一参数法( 如m 法) 计算水平承载桩，所得挠度、转角和桩 身最大弯矩不能同时与桩基的实测数据和边界条件很好吻合的缺点，解决了桩基 发生大变位时土压力和位移呈线性关系的求解方法与土体的实际非线性反映不相 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 l l 适应的问题，能比较全面地反映桩基的工作性状。一般要求，由p y 曲线法求得 的桩基变位或内力应同由弹性力学方法求得的结果相协调，还应使地基反力系数 法所用的地基反力系数同由p y 曲线求得的土模量相一致。 p y 曲线法认为沿桩身各深度处，可根据土体的实际情况确定出土体抗力集 度p 与挠度y 之间的非线性关系曲线。由于这种方法是根据模拟实际桩土相互作 用提出的，关键问题是建立一族p y 曲线。r e e s e 等【3 1 1 、o n e i l 3 2 1 等通过由经验或 试验得到的土体对桩基的特殊曲线来描述土体的非线性作用，对桩土的非线性行 为进行了研究。0 n e i l 3 3 1 等、b o g a r d 和m a t l o e kp 4 1 、b r o w n 3 5 1 等提出和改进了修 正的地基响应法。k r a f t 3 6 】等、g a z i o g l o u s 和o n e i l l 3 7 1 试图得到一些理论曲线来描 述不同性质的土层。n o g a m i 3 s 矧】等提出了传递矩阵法。f o c h t 和k o c h l 4 0 i 将p y 曲 线与弹性理论结合起来，利用p y 曲线法计算单桩的水平位移并考虑桩土载荷位 移关系的非线性性质，利用弹性理论考查群桩中各桩的相互作用。由于 p o e h t k o c h - p o u l o s 综合法理论性强，因而不失为是一种计算群桩力学特性的方法。 1 9 8 4 年，田平和王惠初等 4 1 , 4 2 1 利用上海近郊的饱和粘性土完成了一系列不同 尺度的受横向载荷桩的现场试验，提出了粘土中横向静载桩p y 曲线新的统一法 和粘土中横向周期载荷桩的p y 曲线统一法。章连洋和陈竹昌【4 3 i 等通过室内模型 试验，讨论了粘性土中p y 曲线的计算方法。程泽坤 4 4 , 4 5 l 基于p y 曲线法考虑桩 土相互作用的高桩结构物，对水平力作用下高桩结构物进行了分析。胡立万1 4 6 1 等 用p y 曲线法计算了板桩结构。杨国平和张志明【4 7 1 对大变位条件下水平受力桩的 p y 曲线进行了研究。 近些年来，人们对桩基非线性振动问题研究的兴趣大增。b a l a c h a n d r a n t 4 3 i 等总 结了结构中的非线性相互作用现象，包括带有相互联系振荡器的结构的自由振动。 e ln a g g a r 和n o v a k t 2 5 1 研究了在瞬态动力载荷和简谐载荷作用下桩基的横向响应， 考虑了桩土交界面上的不连续条件和不同阻尼方式下的能量耗散。n a y f e h 和 l a c a r b o n a r a 4 9 讨论了在非线性弹性基础上欧拉伯努利梁的振动的近似分析方法， 研究了主共振和次谐波共振。王奎华和谢康和t 5 0 】得到了有限长桩基受迫振动问题 的解析解，王腾【5 1 1 等得到了任意变截面桩基纵向振动的半解析解，刘东甲f 5 2 】研究 扬州大学硕士学位论文 了非均匀土体中多缺陷桩基的轴向动力响应问题，黄雨等【5 3 】综述了近几年桩基抗 震研究的现状，王奎华和应宏伟l 硎探讨了广义v o i g t 土模型条件下桩基的纵向振动 响应及应用。胡春林1 5 6 】等在假设桩基和桩周土体材料为非线性弹性和线性粘弹性 材料的情况下，综合利用复模态分析法、多时间尺度法、g a l e r k i n 方法及非线性动 力学中的方法系统研究了非线性弹性和线性粘弹性桩基的轴向自由振动和受迫振 动及横向自由振动，发现了一些新现象，揭示了一些新规律。 p y 曲线或q s 曲线法原理简单、计算可信度较高、实用范围较广，特别是 对于复杂工况条件下桩基力学特性的研究，有较大的用途。由于是通过试验得到 土体对桩基的作用力，因而能够较好地刻画桩土系统的实际工况条件，可以得出 在轴向载荷分布、沉陷值、弯矩和剪力等方面较令人满意的结果，但是由于其试 验成本昂贵，故只能在少数重大工程中得到应用，并且具有一定的地域特性。 3 ) 相关的数值计算方法 不管是采用连续介质力学方法还是地基响应法来建立桩基力学行为分析的数 学模型一般都是十分复杂的，特别是非线性数学模型，直接得到问题的解析解或 半解析解是很困难的，因此常常采用各种数值计算方法来模拟桩基的力学特性， 其研究内容和成果也是桩基研究内容中最为丰富的一部分。主要的数值计算方法 包括有限元方法、样条有限元方法、边界元方法和它们相组合得到的混合方法等， 对于动力学问题，还经常采用各种类型的摄动法、复模态分析法、多时间尺度法、 g a l e r k i n 平均化方法以及非线性动力系统中的方法等。b u t t e r f i e l d 和b a n e r j e e 【5 7 l 应 用m i n d l i n 基本解建立了弹性土体的边界积分方程，并应用边界元法求解了桩土 相互作用的问题。e l l i s o n 等l 强1 、g h r i s t i a n o 等【5 9 1 、r a n d o l p h o 硎、f a r u q u e 和d e s a i t 6 1 】 利用有限元方法研究了轴向力作用下桩基的力学特性问题。m u q t a d i r 和d d s a i l 6 2 l 利 用三维有限元模型求解了双曲型本构模型条件下桩土的相互作用。k u h l e m e y e d 6 3 l 首先在频域内利用有限元方法对线弹性桩土系统的动力响应问题进行了分析。 a n g e l i d e s t u j 等发展了这种有限元方法，在一定的条件下提出非线性粘弹性的线性 化计算方法，并对非线性桩土系统进行了研究。a r i s t o n o u # 5 l 利用有限元方法系统 研究了在弹塑性模型下桩土滑移、问隙等对桩土相互作用的影响。p o u l o s l 6 , 7 】、p o u l o s 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 和d a v i s 6 6 在侧向循环载荷作用于桩头的条件下研究了非线性土体对桩基动力响应 的影响，在桩基附近区域采用有限元模型，而在稍远处则采用一致边界矩阵来体 现辐射效果，同时采用一种等效线性化技术来估计土性随应变水平的变化。m a k r i s 和g a z e t a s 6 7 j 、k i m u r a 醒l 等、b a d o a i 和m a k l - i s l 6 9 j 、w u 和f i n n l 7 0 7 、g u i n 和b a n e r j e e l 7 羽、 a k i h i k o ”j 等利用有限元方法对群桩问题、水平力作用下的桩基力学等问题进行了 研究，取得了一系列的研究成果。赵振东f 7 4 l 等分析了桩头作用有侧向脉冲动载荷 时桩。土系统的非线性动力学性质，采用了一个三维显式有限元程序d y n a 3 d 来 计算单桩的动力响应。h s u e h t 7 别等用有限元程序a b a q u s 分析了非线性桩土结构 体系的横向运动特性。p o u l o s 7 6 】用有限元方法进行了液化土中桩的地震性能分析。 l i u 等 7 7 1 用有限元方法进行了柔性群桩和土之间相互作用的非线性分析。 a n a n d a r a j a h 等用现场试验资料，结合等效线性有限元方法分析了桩和土之间非线 性相互作用。t a n g 和s a t o 7 9 1 用h a d a p t i v e 有限元方法进行了桩基和土体非线性相 互作用分析。傅旭东和称晓平 鼬1 运用非线性摄动随机有限元方法分析了单桩承载 力的可靠度。s e m i t s l l 在空域内采用杂交边界元方法，时域内采用隐式差分格式， 研究了在激励载荷作用下群桩的动力学特性。近年来，有人应用边界元有限元耦 合法，边界元差分耦合法，有限元无限元耦合法等联合求解了桩土相互作用问 题 a 2 , s 3 l 。 有限元方法是解决桩基力学问题的较一般的方法，在模拟桩土结构相互作用 等方面有独到之处。人们利用有限元应用软件，可实现各类工程结构的应力场、 应变场、温度场以及动力响应分析的定量计算，对施工中碰到的实际问题，可利 用计算机进行模拟和优化，从而大大缩短设计周期、节省材料、减少施工时间、 提高工程结构的稳定性和安全性。 4 ) 试验方法 模型试验和现场试验是桩基力学特性研究的另一类主要的研究方法，因为各 种类型的试验结果不仅可以用来检验理论分析和数值模拟结果的正确性，同时， 试验也是理论分析的先导，试验还可以发现新现象，因此，试验研究和理论分析 与数值模拟是相辅相成的。 1 4 扬州大学硕士学位论文 如何用现场模型试验来验证理论研究成果非常重要，这方面已经引起了许多 研究者的重视，并已取得了不少的成果。例如，r e e s e 等1 3 、o n e i l l 等【3 2 1 通过试验 得到的土对桩的特殊曲线来描述土的非线性作用，根据试桩资料提出试桩地区p y 曲线与现场及室内试验参数的关系，对桩土的非线性行为进行了研究。为了描述 非线性岩土阻抗挠度的模型，1 9 8 6 年美国石油研究所根据粘土和砂土的试验结果 得到的p - y 曲线，并指出了静态和循环加载的区别，成为人们广泛应用的结果。 国内，田平和王惠初等 s 4 , s s l 、章连洋和陈竹昌断l 也进行了相关的试验研究，给出了 饱和粘性土和粘性土中p - y 曲线统一表示法和计算方法。n o v a k 8 】利用小模型桩进 行了桩基动力特性试验研究。n a b i l l 8 7 1 、o k a h a r a l 8 8 j 等和r o l l i n s 等【i 用试验方法研究 了受横向载荷作用的砂土和粘土中的桩基的力学特性。 虽然如此，相比之下，由于各种因素的影响和条件限制，试验研究远不及理 论与计算分析那样广泛和深入，这使得许多理论研究结果仍然得不到试验验证， 难以直接指导工程设计。 1 4 工程实际简介 赵庄闸站工程位于赵庄镇南复新河支流太行堤河上，承担上游4 1 7 7 k i n 2 泄洪、 排涝和6 万亩农田灌溉任务，是我县复新河流域梯级水面二级控制工程。该工程 为闸、桥、站结合形式。水闸建成于1 9 7 7 年6 月，规模为中型，闸室为开敝式， 无检修便桥，闸门共9 孔，为钢筋混凝土平板结构，启闭机为螺杆式。抽水站共2 座，与水闸同时建成，规模为小( 1 ) 型，布置在节制闸下游消力池两侧翼墙内， 利用水闸消力池作为泵站进水前池，泵室为浆砌块石墩墙湿室型结构，出水池采 用侧向出水的竖井结构，出水廊道经交通桥台通向水闸上游翼墙处，每座安装2 台 立式轴流泵，设计抽水量4 4 m a s ，设计灌溉面积6 万亩，实际灌溉面积2 万亩。 交通桥建成于1 9 7 0 年，为5 孔双曲拱桥，每孔净跨l o 米，桥面净宽7 m 。 赵庄闸站工程桩基础处理采用直径8 0 0 m m 的钻孔灌注桩在闸墩底部，桩长约2 0 m ， 底板厚度为l m ，桩和底板均采用c 2 5 钢筋混凝土。本文对中间三孔闸室部分进行 应力应变分析以及水平荷载分担比及其产生原因进行分析研究。中间三孔的桩的 布置图如图1 4 所示。 邹东升桩基础水闸荷载分担比分析研究 图1 4 桩的布置图 1 5 本文主要工作 本文以赵庄闸为研究对象，利用通用有限元分析软件a b a q u s 来模拟桩一土 一底板共同作用，分析各种参数的变化对桩和底板在水平荷载下的分担比的影响。 同时把闸室和桩基础作为整体，进行静力和动力分析。本文主要作了以下工作： ( 1 ) 研究桩基础的桩的承载力，分别考虑底板和土有摩擦，底板与桩无摩擦两 种情况，研究施加同样的位移在考虑摩擦的情况下，水平承载力的提高情况。 ( 2 ) 对底板一桩群一地基土的相互作用机理进行分析，得出竖向荷载作用下桩 土整体及各部分的变形和应力变化，分析其产生的原因。然后分析不同的水平荷 载下( 竖向荷载不变) 桩和底板在水平荷载的分担比。以及不同的竖向荷载下( 水 平荷载不变) 桩和底板在水平荷载的分担比。 ( 3 ) 通过分析桩的布置、桩长、桩径及桩端土的性质这些参数，得出每一参数 对桩和底板在水平荷载的分担比的影响，比较各参数对桩和底板在水平荷载的分 担比的影响程度并分析原因。 ( 4 ) 考虑上部结构的影响，建立上部闸室模型，分析桩一土一上部结构共同作 用下各部分的应力变化，以及在上部结构的影响下，水平荷载的分担比。 ( 5 ) 研究桩一土一上部结构共同作用的基本动力特性，分析在地震荷载的动力 响应，以及此时的底板底部摩擦力的变化情况。 扬州大学硕士学位论文 第二章桩基础水闸底板对水平荷载分担比分析研究 2 1 桩一土一底板共同作用计算原理 2 1 1 有限单元法 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划 分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数 的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插 值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。 采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。在有限元方法中， 把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元1 9 0 l ，在每个单元内选择基 函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函 数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单 元上的近似解构成。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为 多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金 法，从计