（岩土工程专业论文）兰溪电厂工程桩竖向承载力的研究.pdf

摘要 在桩基础的设计体系中，解决承载力是一个关键性问题。而沉降特性是确定 承载力的重要指标，单桩沉降方面的理论分析方法主要有荷载传递法、弹性理论 法、剪切变形传递法、数值分析法、其它经验简化法等五个方面。理论分析方法 不如现场原型试验直观和准确，但具有经济、快捷、预测、定量对比的优势，其 中荷载传递法是利用桩荷载试验资料进行分析、确定荷载传递函数，依靠其数据 运算得到荷载一沉降曲线，由此分析桩的工程力学性能。 本文结合我国目前工程实践和现行规范规定，从浙江兰溪市某典型静荷载实 例出发，在深入分析竖向荷载作用下单桩的荷载传递过程、变化规律和荷载一沉 降特性之后，依据不同土层呈现出不同应力应变关系，应用桩的侧摩阻力和沉降 位移的改进荷载传递模型，计算桩顶沉降分别处于弹性、弹塑性或塑性等不同状 态时所对应的桩顶荷载值，推导出桩顶沉降与承载力之间的一系列公式，用以模 拟桩一土相互作用机理，从而实现以桩顶沉降量来控制桩的承载力的设想。 利用本文工作方法，只需土的一般物理力学性能指标即可建立实用性较强的 荷载传递函数，进而估算单桩的q s 曲线。当缺乏某地的静荷载试验资料时， 利用该法可了解桩基的沉降特性；或在静荷载试验之前预估试桩的极限承载力和 加载等级时，可以提供有效的帮助，具有较好的实践价值。 关键词：单桩承载力沉降荷载传递模型侧摩阻力 a b s t r a c t t or e s o l v eb e a r i n gc a p a c i t yi st h ek e yp r o b l e ml nt h ep i l ey o u n d a t i o nd e s i 零t s y s t e m b u tt h es e d i m e n t a t i o np r o p e r t yi st h ei m p o r t a n ti n d e xt oc o n f i r mt h eb e a r i n g c a p a c i t y , p r i m a r yt h e o r ya n a l y s i sm e t h o d so fs i n g l ep i l ea l e 1 0 a d 自 a n s f e ，a p p r o a c h e l a s t i ct h e m ym e t h o d , s h e a r i n gd e f o r m a t i o nt r a n f f e ra p p r o a c h ，n u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o da n do t h e r e x p e r i e n t i a ls i m p l i f i e dm e t h o d s ，e t h et h e o r ya n a l y s i si sn o t i n t u i t i o n i s t i ca n de x a c tt h a ni n - s i t ut e s t , b u ti t 话s u p e r i o rt oi n - s i t ut e s ti ne c o n o m i c q u i c k , p r e d i c t a b l e ，q u a n t i f i e d t ol o a dt r a n s f e r a p p r o a c h ，i t i s a n a l y s i s e d a n d c o n f i r m d et h el o a dt r a n f f e rf u n c t i o nt h r o u g hp i l el o a dt e s tp r o f i l ea n dt h r 0 7 劝t h e f u n c t i o nt og e tl o a d - s e d i m e n t a t i o nc u r a e s ot oa n a l y s i st h ee n g i n e e r m g p r o p e r t i e so f t h ep i l e t h ep a p e rc o m b i n ed 甜，c o u n t r ye n g i n e e r i n gp r a c t i c er e c e n t r ya n dt h ec r i t e r i o n r u l e sn o w , b e g i n n i n g f r o mt h ec l a s s i cs t a t i cl o a di n s t a n c e ，”l a n x ic i t yo f z h e f i a n g p r o v i n c e ，妒p rd e e p l ya n a l y s i s t h el o a d t r a n s f e ，p r o c e s s ，t r a n s f o r m a t i o n d i s c i p l i n a r i a n a n d l o a d - s e d i m e n t a t i o n p r o p e r t i e s o f t h es i n g l e p i l eo n t h ev e r t i c a l l o 鲥 b yt h ed e f e r e n ts t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pp r e s e n t e db yt h ed e f e r e n ts o i ls t r a t a , a p p l i e d m o d i f i e dl o a dt r a n s f e rm o d e lo ft h es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n ds e d i m e n t a t i o n d i s p l a c e m e n t u s i n gm o d i f i e dm o d e lt oc a l c u l a t et h ec o r r e s p o n d i n gp i l et o pl o a d q u a n t i t yw h e n 打i sj ”t h ee l a s t i c , e l a s t i c - p l a s t i co rp l a s t i cs i t u a t i o n d e r i v eas e r i e s f o r m u l ab e t w e e nt h ep i l et o ps e d i m e n t a t i o na n dt h eb e a r i n gc a p a c i t y , u s i n gi tt o s i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n ds o i l , t h e r e b yt or e a l i z et h ed r e a mt o c o n t r o lt h e p i l el o a db e a r i n gb yt h e p i l et o ps e d i m e n t a t i o nq u a n t i t y t h r o u g ht h et h e o r yo f t h ew o r k , t h es o i la v e r a g e p h y s i c a lm e c h a n i c p r o p e r t i e si s o n l yn e e d e dt oc o n s t r u c tp r a c t i c a ll o a dt r a n s f e r f u n c t i o n , f u r t h e rt oe s t i m a t et h eq - s c u r v eo fs i n g l ep i l e w h e nt h es t a t i cl o a dt e s tp r o f i l ei nc e r t a i np l a c e ，u s i n gt h i s m e t h o dt ok n o wt h es e d i m e n t a t i o np r o p e r t i e so ft h ep i l ef o u n d a t i o n ；o rw h i l e p r o e s t i m a t e t h e # m i t e d b e a r i n gc a p a c i t y a n d l o a d g r a d eb e f o r e t h es t a t i c t e s t ，i t m a y p r o v i d ee f f e c t i v eh e l pa n d p r a c t i c ev a l u ei sb e t t e r k e y w o r d s ：s i n g l ep i l e ，b e a r i n gc a p a c i t y , s e d i m e n t a t i o n , l o a dt r a n s f e rm o d e l ，s i d e f r i c t i o nr e s i s t a n c e 创新点声明( 硕士) 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：( 1 ) 利用桩侧摩阻力和沉降位移的改进荷载传递模型， 以桩顶沉降量控制桩的承载力，突破单桩工作性状的半经验分析方法。( 2 ) 应用数学模型对试验结果进行计算，计算值与试验值基本吻合，为试验分 析提供一种新的途径。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：幽日期：2 迦：1 2 ：1 辽宁工辑技术大学f 稃顼十专业擘忙论文 1 绪论 1 1 桩基工程发展概述 1 1 1 桩基础简史 当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形和稳定性方面的 要求时，往往需要采用深基础，深基础主要有桩基础、地下连续墙和沉井等类型，其中桩 基础是一种最为古老且应用最为广泛的基础形式。 早在史前的建筑活动中，人类远祖就在地基条件不良的河谷及沼泽地带采用木桩以支 承房屋。1 9 8 2 年，在智利发掘的文化遗址所见到的桩距今大约有一万二干至一万四千年。 我国浙江余姚县河姆渡原始社会遗址出土的桩距今大约有六七千年。秦代的渭桥、隋朝的 郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城、西安溺桥、北京御河桥及上海龙华塔， 山西太原的晋祠圣母殿等，都是我国古代桩基的典范。在清代 工部工程做法等古文献 中对桩基选料、排列布置和施工方法等作了具体的规定。在英国也保存有一些罗马时代 修建的木桩基础建筑物。 随着人类历史发展和科技进步，桩基的材料，类型和工艺都有了很大的发展和变化。 】9 世纪2 0 年代，开始使用铸铁桩修筑围堰和码头。十九世纪后期，钢、水泥、混凝土、 钢筋混凝土相继问世，应用于桥梁、房屋等上部结构。接着均被成功地用作制桩材料。由 于灌注桩的许多优点，使其在桩基础中所占比例越来越大，我国已建的桩基础最大桩径达 5 m ，最大入土深度超过百米。 目前，桩基础己成为建筑物的主要基础形式之一，广泛应用于高层建筑和桥梁、码头、 石油海洋平台、动力设备基础等工程中。 1 1 2 桩基础技术现状与发展趋势 桩基进入现代化阶段以来，有了很大的发展，具体表现在如下四个方面吐 1 单桩设计承载力越来越大，达到了以“万k n ”设计的水平( 润扬大桥单桩承载力 高达1 2 0 0 0 0 q ) 。 2 向小桩发展。随着树根桩、锚杆静压桩相继问世，小桩得到了空前发展。小桩基本 属于摩擦型桩且桩距较大，故可充分利用桩间土的承载力，使桩基的经济性最佳。 3 复合地基理论、疏桩理论、桩基与上部结构共同作用理论、打桩动力学、桩的水平 抗力及抗震理论、桩基无损检测理论、桩基环境效应理论等相继问世并向完善的目标发展， 4 随着工程技术的不断发展，桩工机械也趋向于专业化和复杂化，桩基新品种、施工 辽中上程披术j ：学i 。程礤_ 一专业学位睦文 工艺和使用范围也在不断地发展着。 未来工程建设将促使桩基技术逐步朝下述趋势发展l q ： 1 可靠而有效的方法将代替费时、费钱的现场静载试验，无公害施工技术将代替现在 伴随有振动、噪音、排土以及污染等的成桩工艺，特别是自动化技术将在桩基施工中显示 它非凡的作用。 2 工程实践中涌现出新的支护结构和深基础，例如桩墙、格栅状群桩护壁、圆筒式环 形支护结构等将在桩基设计和施工中被进一步分析、论证和完善。 3 化学灌浆处理与桩基工程紧密结合，如桩侧桩端土层加固等将为桩基技术的发展开 创一个新时代。 4 桩基技术中一系列的特殊问题，例如膨胀土中桩的设计与施工、基岩埋藏很深的软 土地基中大荷袭桩承载力的提高与保证、桩承载力的时间效应、沉桩施工控制的简单可靠 方法、特殊桩型( 树根桩、斜桩、桩墙、桩与其它构件联合结构等) 的工作机理和应力与 位移的计算、用以描述打桩性状的波动方程的困惑、桩基施工的环境效应以及桩的压屈 分析等，其中大部分可获得满意的解决。 随着人们对桩的承载性能、设计方法、检测技术等不断探索研究，新的桩型和设计施 工方法不断呈现施工技术和机械设备也不断得到改进与发展、互相促进，使桩基础技术 蓬勃发展。由于桩基础的工作性能涉及到极其复杂的桩土相互作用，而且其地位和作用十 分重要因此桩基成为工程界的重要课题，不论在我国或在国际上桩基础均成为岩土工程 领域令人关注的科技热点之一。 1 2 桩基设计理论研究现状 由于地层地质和使用条件的复杂多变，桩型，尺寸和工艺的发展，给桩基承载性能、 设计理论和方法的研究不断的提出了新课题，对于常规问题也仍在不断深化认识完善之 中。 事实上，基桩竖向承载力研究和设计计算理论远远落后于桩基础的实践。1 打z a g h i ( 1 9 4 8 1 在理论土力学( t h e o r e t i c a ls o i lm e c h a n i c s ) t 2 1 和他与p e c k ( 1 9 4 8 冶著的工程实用土力 学( s o i lm e c h a n i c si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ) w 中明确将基桩承载力分成桩侧摩阻力和桩端阻 力两部分，并根据土性指标来确定基桩的竖向承载力。随着桩基础的广泛应用。有关桩基 竖向承载力的研究也日益深入。然而，由于在桩基础施工过程中桩土间复杂的相互作用， 荷载作用下的单桩和群桩的性状只能通过土工试验和基于基桩荷载试验结论的半经验分 析方法而粗略地估计出来。 近几十年来，基桩竖向承载力的研究方法一般可分为三类即：一类是不考虑土力学原 辽宁一i ：桴挫术太学工桴碗七专业学佛论文 理的经验方法。如s c l m a e r t m e n n ( 1 9 7 5 ) 1 6 j 的静力触探试验( c p d 公式、m e y e r h o f f l 9 5 6 ) 引的 动力触探试验( s p n 公式和t o m l i n s o n ( 1 9 5 7 ) 8 的a 法。另一类是基于现场土工试验数据进行 分析的方法，如b u r l a n d ( 1 9 7 3 ) 9 和m e y e r h o f ( 1 9 7 6 ) 4j 的，法及f l e m i n 甙1 9 8 5 ) i o l 的有效应力 法。第三类是利用精细的土工试验( 室内及现场试验) 得到的相关参数，并利用复杂的土力 学原理进行计算，如m e y e r h o f ( 1 9 6 3 ) i l l j 的塑性解、c o y l e a n d r e e s e ( 1 9 6 6 1 2 】及k x a f 【0 9 8 0 心 的非线性荷载传递分析、p o u l e sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) p j 的非线性边界元分析、d e s a i ( 1 9 7 4 ) t l 和 j a r c l i n e ( 1 9 8 6 ) 1 1 6 】的非线性有限元分析以及考虑成桩效应的有限元分析方法。 1 3 研究意义 1 , 3 1 问题的提出 桩基础研究中，沉降计算始终是难点与热点。在大型建筑设计中，按基桩的沉降量来 控制基桩承载力更为合理和可靠，目前德国己将按桩顶沉降量计算非粘性土和粘性土中基 桩允许荷载的方法纳入其设计规范川，我国在这方面也做了一些工作，但也存在许多需改 进的地方，原因在于地基土与桩基础共同作用的复杂性，目前的分析仍不足以完全揭示桩 基沉降的规律。在现场试验确定桩基承载力的方法中，为了把试桩作为工程桩使用，不允 许将试桩压至极限破坏状态，这给桩的极限承载力的判断造成一定困难，因此，如何利用 实测静葡载试验到达破坏荷载以前的桩顶沉降量s 来预估桩顶荷载，非常具有实际意义。 为此，本文结合浙江兰溪某工程试验数据进行了深入的分析和研究，以桩顶沉降量为 控制指标，以较成熟的荷载传递模型为计算依据，通过预测计算为该工程桩基承载力的判 断提供有效的依据。 1 3 2 兰溪发电厂试桩工程静荷载试验概况1 1 q 1 试桩区工程地质条件 厂址场地位于浙江省兰溪市东南部的灵洞乡石关村附近，南金衢盆地红层剥蚀残丘， 微地虢单元表现为平原，主要为水田与养殖珍珠塘，渠道、水沟纵横交错，地形相对平坦， 地势低洼，地面标高一般在2 6 5 3 2 6 m 左右。根据现阶段工程地质钻探资料，试桩区的 岩土层性质自上而下分述见土的工程物理指标见表1 - 1 。 2 试桩概况 本次试桩竖向静载荷试验共9 组试桩，均为钻孔灌注桩，三种不同的桩径：s 卜1 # 、s 卜2 、 s 卜3 试桩桩径1 0 0 0 m m ，桩长为1 3 5 m ，入中风化层5 ，s 2 一l # 、$ 2 - 2 1 t 、s 2 3 # 试桩桩径 8 0 0 m ，桩长为1 2 5 m ，入中风化层如，s 3 一l # 、s 3 2 # 、s 3 3 试桩桩径6 0 0 r m ，桩长为6 舶， 入圆砾层2 m t 按慢速维持荷载法的静载试验，得到了荷载与沉降数据( 如试桩s 2 2 # 数据 辽4 ，l 舅 技术大学工稃硕士专业学位论文 见表i - 2 ) ，试验成果见表1 3 。 表卜1 各土层的物理力学性指标汇总表 古水 重度 孔隙饱和蘸性塑性 压缩 地基南载 地统 蛊 比 度 指教 指数 模量力特征值 层地层计 蝙名称指 号标 ， s illp e i 一2厶 ( 州，一) ( “) ( )( ) ( b )( 枷) 素填土推荐值 1 8 o o 平均值 2 4 8l m l l0 7 3 98 6904 3 11 126 0 4 粉质 标准羞 400 7 2仉1 1 83 10 3 1 4互b b 变异系数0 1 6 2 00 3 80 1 6 000 0 507 2 7 02 4 6 粘土 修正系数1 0 8 909 7 91 0 8 8o 9 8 i1 4 2 6o8 5 右 标准值 暂1墙7 【0 8 0 58 5 20 6 1 59 6 榜质撮大值 2 i 81 9 7 005 5 48 65 b - l 粘土最小值 1 7 31 90 005 0 87 l7 攉砾砂 平均值 1 9 41 9 4 006 2 17 97 0 ，0 2 91 3 ，9 7 2 0 1 3 0 细砂 b 一2 推荐值 1 80 0 9 0 棍圆砾 c淤泥质粘土 平均值 5 8 01 58 017 9 l o09 1 22 2726 36 5 一g o n 粘土 平均值4 35埔9 01 鹳t鼢403 1 32 5683 s1 4 0 最大值 2 8l1 96 008 0 88 85 e细砂 最小值 2 19 1 7 2 0 06 2 77 i 1 平均值2 5 01 8 ，3 3o 7 9 08 1 5l o5 51 呻 f 卵石混粉质粘土推荐值 2 10 01 6 0 0 2 5 0 g - 0全风化将砂岩推荐值 2 00 0 1 5 0 0拍0 c , - l 强风化耪砂者推荐值 2 10 02 8 0 6 - 2 中风化哿砂岩推荐值 2 10 07 0 0 g 3微风化粉砂岩推荐值8 0 0 1 4 研究思路及技术路线 本文结合我国目前工程实践和现行规范规定，从浙江兰溪市某典型静荷载实例出发， 在深入分析竖向荷载作用下单桩的荷载传递过程、变化规律和荷载一沉降特性之后，依据 不同土层呈现出不同应力应变关系，利用桩侧摩阻力和沉降位移的改进荷载传递模型，计 算桩项沉降分别处于弹性、弹塑性或塑性等不同状态时所对应的桩顶荷载值，推导出桩顶 沉降与承载力之间的一系列公式，用以模拟桩一土相互作用机理，从而实现以桩顶沉降量 来控制桩的承载力的设想。 辽宁+ f 科技术大学r 辑硬士七丑! 学协论文 表12 兰溪发电厂s 2 2 # 试桩静载试验荷载与沉降数据表 苛重( k n ) 桩顶沉降量( 衄)变形 本次回 s p 加荷卸荷累计本次沉降 累计沉降 珊k n ) 弹 2 4 0 0 2 4 0 0 0 3 8o3 , 80o d o l 5 8 1 2 0 03 6 0 00 z 9 0 们00 0 0 2 4 2 1 2 0 04 8 0 00 糟 l 。4 60 0 6 鹊 1 2 0 0 6 0 0 0 o 7 2 2 1 80 o o 0 0 1 2 0 07 2 0 0o 鸵3 i o0 0 0 0 7 6 7 】z o o8 4 0 01 8 j4 9 4o ( 1 5 3 3 1 2 0 09 6 0 02 ，7 977 300 0 2 3 2 5 1 2 1 0 8 0 039 21 l 石50 0 0 3 2 6 7 1 2 0 0 1 2 0 0 05 ，1 81 e s j00 0 蚰1 7 2 4 0 0 9 6 0 01 6 1 2 2 4 0 0 7 2 0 0l j0 2】5l o 4 8 0 0 1 6 t1 3 4 9 2 4 0 02 4 0 02 1 4 1 1 3 5 2 4 0 002 6 l87 4 表卜3 兰溪发电厂试桩静载试验成果表 桩桩长 桩径 试验最大荷载静载所得单桩竖向程限荷载对应桩 号( m )h 由( 矾)极限承载力( k 吣顶沉降量( m 心 s 1 - 1】35 l 0 0 01 4 0 0 0| 4 0 0 03 5 5 6 s 1 - 21 3 5 1 0 0 0 1 4 0 0 01 4 0 0 0 “1 4 s 1 - 31 3 51 0 0 01 4 0 0 01 4 0 0 03 5 6 4 $ 2 - 11 2 58 0 09 1 0 09 1 0 0b 5 6 s 2 21 2 58 0 01 2 0 0 01 2 0 0 01 68 3 s 2 3 1 2 5 8 0 0 1 2 0 0 01 2 02 5 2 7 5 3 - 16 0 6 0 03 0 0 0 z 2 0 0 4 0 0 0 5 3 26 0 6 0 0 3 6 0 02 4 1 0 4 0o o s 3 - 36 o 6 0 0 3 0 0 01 7 0 04 0 根据上述研究思路，本文技术路线如下： 1 对桩基础的研究与应用现状进入广泛深入的调研，收集资料，概括竖向荷载作用下 辽1 ，挥技术j 、学l 程硕士号廿学值论文 桩土体系荷载传递过程和规律，初步明确本文的研究主题竖向荷载下按沉降变形确定 单桩承载力。 2 分析比较沉降计算的各种方法，最终确定选择荷载传递函数法。列出现有荷载传递 分析法中各种桩身和桩端荷载传递函数的公式，明确公式中各计算参数意义，取值范围和 获得方法，比较各公式计算精度，判断求得解析解的计算量。 3 结合浙江兰溪市某典型静荷载试验，在桩身埋设钢筋应力计，对桩身应力进行实测， 求得分层土的荷载传递规律：根据实测荷载传递的散点图，拟合成解析表达式；在荷载传 递模型基础上，应用桩身侧摩阻力的计算模型三折线模型，桩端阻力的计算模型 双折线模型。 4 利用荷载传递函数计算单桩承载力，主要利用迭代法计算，考虑桩身处于承载力极 限状态下，用桩端轴力向桩顶递推桩身第1 个截面上的轴力值。考虑桩身处于非极限状态 时，从桩项处土体变形处于弹性、弹塑性、塑性等状态时p s 近似关系，计算桩身各单元 的变形量，估算桩顶荷载。 。 5 根据桩顶沉降的计算误差，估算桩顶承载力估值的增量，判断得到桩顶荷载极限值。 并将结果与实测试验桩数据相互验证，不断修正直至得出较完善的结果，从而实现按桩顶 沉降量计算桩顶荷载值的目的。 具体技术路线如图卜1 所示。 辽宁工程技术大学j ：程硕士专业学位论文 圉卜i 技术路线图 7 辽宁程技术大学t 程破i 寺业学位论文 2 竖向荷载下单桩沉降计算方法综述与评价 单桩竖向极限承载力反映桩在竖向承载力作用下，不丧失稳定、不造成破坏、 不产生过大变形时的最大荷载，它是桩基础设计中一个最基本内容。由于桩是一 种非常复杂的力学体系，其大小取决于桩身所处的地质情况和桩本身的性能等， 工程设计方法上至今仍处于半经验半理论的状态。目前规范所采用的桩基承载力 公式基本上是按桩周摩阻力与桩底反力作简单的代数迭加来建立的不能反映出 桩的沉降特性，也即不能反映桩土体系的主要机理。 对桩基础沉降性状和机理分析研究的主要方法分为试验研究方法和理论分 析方法两大类。试验研究方法主要是现场测试及对比分析，理论分析方法是利用 一些较成熟的理论，通过数值计算来揭示研究对象的规律性变化。目前理论分析 方法主要有荷载传递法( l o a dt r a n s f e ra p p r o a c h ) 、弹性理论法( e 1 a s t i c 耶m a r y m e t h o d ) 、剪切变形传递法( s h e a r i t l gd e f o r m a t i o nt r a n s f e ra p p r o a c h ) 、有限元法 口i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、边界元法国o u a d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 等数值分析方法及 其它规范、经验方法，也有学者将上述基本理论混合使用，形成了相对更加简化、 更加有效的混合法( h y b r i dm * t h o d s ) 。就岩土材料本身的物理力学性质的可变性 和不确定性而言，对桩基承载机理进行理论定量研究，虽然不如现场原型试验直 观和准确，但与现场原型试验法相比理论定量计算方法除了具备经济快捷和预 估分析的优点外，还有定量对比分析的特长和优势。 下面将详细论述单桩沉降理论计算方法并进行简单评价。 2 1 荷载传递分析法 s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 首先提出荷载传递分析法( u a ) ，用来分析桩的荷载传 递规律及其沉降计算呻j 。这种方法的基本概念是把桩划分为许多弹性单元，称 为离散单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系( 图2 - 1 ) ，以模拟桩土问的 荷载传递关系。桩端处土也用非线性弹簧与桩端联系，这些非线性弹簧的应力一 应变关系，即表示桩侧摩阻力吼( 或桩端抗力霉，) 与剪切位移，间的关系( 吼j 或 口。j ) ，这一关系就称作为传递函数。 辽宁r 科技术入学i 程硕士专业学t 蔓论文 莲 p h 也i o 娜他 p n h d pe n 图2 1 桩土相互作用及荷载传递的计算模式 ( a ) 试桩受力示意圈c b ) 桩体徽分段受力示意臣 根据桩上任一个单元体的静力平衡条件得： 鱼警；u q ( 2 - 1 ) 。 式中【，桩截面周长； ， ，( ：) 在深度：处桩身轴向力； g m ，证深度z 处微小桩段止内征侧庠阻力。 桩单元体产生的弹性压缩d s 为： 出：些娑( 2 - 2 ) a ，占， 或= d s ：_ ! f p ( 力( 2 - 3 ) 甄乏。石p ( 力 式中4 ，砟桩的截面积及弹性模量 将式( 2 - 3 ) 求导，并以式( 2 1 ) 代入得： 万d 2 52 硒u ae ， ( 2 叫) 出2 。 7 公荩( 2 - 4 ) 即传递函数法的基本微分方程，其求解取决于传递函数g s 的 形式目前根据求解微分方程( 2 - 4 ) 的途径不同，分成两种计算方法，解析法 和位移协调法。 辽宁i 程拄术丈学：程坦j 专业学位论土 2 1 1 荷载传递解析法 荷载传递解析法，是由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 圳和佐滕悟( 1 9 6 5 ) 驯等提出，将传递 函数简化假定为某种曲线方程，然后直接球解平衡微分方程( 2 - 4 ) 。得到p ( z ) 和 窜r - 要确定解析法桩身荷载传递函数，一般先对桩基静载试验和室内模型桩试验 获得的资料进行统计分析，在此基础上导得与土性或桩参数相关的表达式，反过 来重现桩的受力现场。常用的具有代表性的荷载传递函数模型有：k e z d i 的指数 曲线模型、佐滕悟的线弹性全塑性模型、g a r d n e r 的双曲线模型、k r a f t 的理想荷载传递曲线m 、陈龙珠的双折线硬化模型川、房卫民的三折线模型嗍、 徐和模型陆】，陈竹昌模型，何思明广义传递模型陋1 等。 2 1 2 位移协调法 位移协调法由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 州、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 嘲等提出， 他们采用实测或通过实验方法得到传递函数，然后建立各单元桩的静力平衡条件 及位移协调条件求解。 位移协调法是应用实测的传递函数，因此不能直接求解微分方程( 2 - 4 ) 。这 时可将桩划分成许多单元体，考虑每个单元的内力与位移协调关系，求解桩的荷 载传递及沉降量。其计算步骤如下： 1 己知桩的特征值( 桩长l 、截面积一，、弹性模量e ，) ，以及实铡的桩侧 传递函数( 吼( 二s ) 曲线，如图2 - 2 。 2 将桩分为h 个单元，每单元长上2 的大小取决于要求的计算精度： 当n = l o 一般可以满足使用要求。 p 阼。 l i 圈2 - 2 位移协调法孽h 兰 d 。彭一幛睦 一 耻。 j 工宁：；一稃技术人学t 程硕七专业学位论文 3 假定桩端处单元底面产生位移“，从实测桩端处土的传递函数曲线中求 得相应于时的桩侧摩阻力乳值， 4 由位移引起的桩端阻力p 。采用如下几种方法近似计算： n 2 警 ( 2 ) n 2 u a l p q ，址，虚拟的桩端换算长度。 ( 3 ) a = 矗，屯和4 为桩端处的地基反力系数和桩截面积。 5 假定第h 单元桩中点截面处的位移为( 般2 屯) ，然后从实测的传 递函数( 吼，) 曲线上，求得相应于时的桩侧摩阻力值。 6 。第n 单元桩顶面处轴向力只一t = 最+ q , u z l l 7 第n 单元桩中央截面处桩的位移：+ 血 式中血第”单元下半段桩的弹性压缩量，缸2 ( 只+ 只) j 戋 一第”单元桩中央截面处桩的轴向力，只= 委( 最+ 只。 8 校核s ：的计算值与假定值是否相符，若不符则重薪假定j ：值，直到计算值 与假定值一致为止，由此求得p ”只”。：和q 。值。 9 向上推移一个单元桩段，按上述步骤计算第n l 单元桩，求得。，j 0 及g 巾山值a 依次逐个向上推移，直到桩项第一单元，即可求得桩顶荷载岛及相 应的桩顶沉降量j 。值。 l o 重新假定不同的桩端位移，重复上述争呻步骤，求得一系列相应的p 一： 分布图及相应的吼：分布图。最后得到桩的晶一曲线。 2 1 3 荷载传递法的应用 荷载传递法概念明确，精度商、适应性强，一旦确定荷载传递函数后，只要 辽宁，栏让术土学= 程碗 专业学位论z 进行一些简单的数据运算便可得到桩的荷载沉降曲线# “，并由此分析群桩及单 桩的工程力学性能，在实际工程中有较大的便利和应用价值。而获得某地区可靠 的桩土传递函数模型，是用传递函数分析正确与否的关键。常用的传递函数模 型有：k e z d i 的指数曲线模型、佐滕悟( 1 9 6 5 ) 的线弹性全塑性模型、g a r d i l e 的双 曲线模型和k r m ( 1 9 8 u 提出的理想荷载传递曲线等。面位移协调法得到的传递函 数一般比较复杂，要从其它途径获得，如根据平衡条件和位移协调原则，经反复 试算以求得桩身轴向力和桩侧摩阻力。 目前，荷载传递分析法己被广泛地摊广应用到桩基础的各个方面。例如丘f f 钮， 戴国亮，郭忠贤，刘利民等分别将其推广应用于嵌岩桩、夯实水泥土桩、复合地 基的荷载一沉降性状分析阻邺1 j 2 l ：傅旭东等根据桩周阻抗三阶段理论，提出用 荷载传递计算单桩沉降可靠度的方法州。总之，将荷载传递法应用于桩基础沉 降分析时，如果具备标准化的地区性桩荷载试验资料和现成的计算机专用程序， 则分析工作就变得较为简单。 但是，荷载传递分析法也有一定的铍点和局限性。如该法只考虑了点剪应力 的影响，未考虑桩身各单元间的相互影响。再如钟岱辉，傅传国0 9 9 9 ) 阻j 认为： 传递函数法的位移协调法，桩尖位移等值法等相对于桩土荷载传递的过程和规 律来讲是一种逆序算法，当桩端位移很小或没有位移时，该法迭代收敛很慢。并 依据矩阵理论提出了用增量传递矩阵法分析桩与多层地基土非线性相互作用问 题。再如因为土有非线性，位移不能叠加，故荷载传递法不能用于群桩分析，田 美存等( 1 9 9 7 ) 例将荷载力叠加，运用分层位移迭代法，将荷载传递法进行群桩分 析；荷载传递法无法考虑由于桩侧摩阻力向下扩散在桩端以下土体产生的应力而 引起的土体压缩，郭忠贤等( 2 0 0 0 ) 先用双曲线来拟台桩侧摩阻力与桩土相对位移 的关系，由荷载传递法得到分段均匀分布的桩侧摩阻力，运用g e d d e s 公式分别 计算各段桩侧摩阻力在土中的竖向应力。然后叠加得到桩侧摩阻力向下扩散在桩 端以下土体产生的应力，计算夯实水泥土单桩的荷载位移曲线p “ 2 2 弹性理论法 弹性理论法通常把桩分成若干个均匀的受载单元，通过桩上各单元的桩位移 与邻近土位移之间的协调条件从而获得各单元受载太小的解。利用竖向荷载下桩 的压缩求得桩的位移，使用荷载作用于土体内某一点所产生的m i n d l i n 位移解 求得土的位移。 辽宁1 程技术夫学工样硕十专业学倚论文 2 2 1 弹性理论法分析原理 1 基本假定与简化 ( 1 ) 将土看作为均质的、各向同性的弹性半空间体，具有弹性模量e 。和泊松 比v j ，它们都不因有桩的存在而发生变化； ( 2 ) 将桩看作为长度l ，直径d 、底端直径d 的一根圆桩；桩顶与地表面齐平， 并作用有轴向外荷载p ；沿桩身圆周作用有均匀分布的剪应力f ；在桩端作用有 均匀的竖向应力口。； ( 3 ) 桩身侧面假定是完全粗糙的； ( 4 ) 考虑桩与其邻近土之间的竖向位移协调，忽略它们之间的径向位移协调。 2 土的位移方程 桩所有单元的土位移可用矩阵形式表示为 引= 詈k k f ( 2 - 5 ) j 式中母_ 土位移矢量， f ) 桩侧剪应力矢量， k 】土位移系数的方阵，由下式给出： k 】= l ： 1 2 lj n ： l ，k 阢】中各元素的数值表示半空间体内单位点荷载产生的位移，用m i i l d l i n 方 程进行积分求解d ”。 3 桩的位移方程 f ) = 舌砟髟k + r ) ( 2 ) 式中描 + 1 剪切瘟力矢量； 留j ”+ l 桩位移矢量； 毛毒南- 对于实心桩取1 ； k h 宁k k k k k k 辽宁工程拄术丈学i 程碗土专业学位论文 口，卜一桩作用矩阵( n + t t y 阵) ，由下式给出 阢】 舯，：鏊 料_ 臣o “。叫7 ( 2 7 ) 4 位移协调 根据桩界面普遍满足弹性的条件，即界面不发生滑移，则沿界面诸相邻点 的桩位移与土位移都相等，得： 小卜嚣盹卜 s ， 叫【，】一乏务阢叫 r ) ( 2 - 8 ) 式中p 卜一h + 1 阶的单位矩阵； 置桩的刚度系数，由下式给出：k = 鲁r k 是桩与土之间相对压缩性的指标盖值愈小，表明桩相对愈易压缩。 2 2 2 弹性理论法的应用 早于二十世纪六十年代，许多学者开始丈量研究以弹性理论为基础的桩工作 性状分析方法。这些方法的共同特点都以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响 应并都使用了在半无限体内施加荷载的m i n d l i n 方程求解，主要区别在于对桩 侧剪应力分布作了不同的假定d 。】：t h u l m 锄和d a p p o l o n i a 以作用在各单元中点 处桩轴线上的集中荷载代替；n a i r 以作用在各单元桩段中点处的圆截面上的均布 荷载代替；p o u l o s 和d a v i sm d t t e s 和p o u l o s 等以作用在各单元桩段四周圆环面积 上的均布荷载代替。 o o o：o：!强一3 一 。；。阿 。；：卜、寸 一 0 o 1 ；o 0 o o ，o ；o o o ，o，；0 o 0 0 1 o ；o 0 0 辽宁下程拄术九学t 稃硕士专业学伊论文 大量的桩试验结果同弹性分析的对比表明，弹性理论分析在大多数方面能反 映桩基础在工作荷载下的性状。与常用的荷载传递法相比较，用弹性理论法得到 的单桩沉降其离散性要小。从分析问题涉及的深度和广度而言，弹性理论法还具 有如下的优点： 1 便于进行参数研究，能确定影响单桩沉降的重要因素； 2 ，单桩沉降分析很容易扩充到其他基本量的分析，如桩身压缩量，桩端沉降， 桩身相对荷戴，桩端楣对荷载，瞬间沉降与最终沉降等，并可作相应的参数研究； 3 以弹性连续介质理论为依据的单桩分析，只要通过简单的扩充便可进行群 桩分析。 因此，近几年采用该法计算单桩沉降的可靠性得到广大工程技术界的重视， 单桩和群桩的弹性分析在今天己发展成为一种可用于工程实践的、较为完善的理 论体系，并成为人们讨论单桩和桩基础性状的重要理论依据之一。 弹性理论法把土体看作线弹性体，用弹性模量凡和泊松比v i 两个变形指标表 示土的性能。叱的大小对分析结果影响不大，e s 则是关键的指标。但是e s 很难 从室内土工试验取得精确的数值，在工程上大都需要从单桩试验结果反求其值， 这使得弹性理论法的应用受到限制。在国内一些学者从事于弹性理论法的改进和 发展。刘金砺( 1 9 9 5 ) 通过粘土和软士中的原型和模型桩的单、双、群桩在竖向荷 载下的变形试验研究，对弹性理论法中的相互影响系数和沉降比的理论值提出了 修正方案仁9 】。陈竹昌和王建华( 1 9 9 3 ) 采用弹性理论分析搅拌桩的性能【柚】。 2 3 剪切变形传递法 2 3 1 剪切变形传递法的分析原理 c o o k e ( 1 9 7 9 ) 1 4 3 】提出了摩擦桩的荷载传递物理模型，如图2 - 3 所示。为简化 该模型作如下假定： 1 假定当荷载水平1 较小时，桩在轴向荷载p 作用下沉降较小，桩与土 之间不产生相对位移，桩沉降时周围土体也随之发生剪切变形，剪应力f 从桩侧 表面漶径向向四周扩散到周围土体中； 2 假定桩侧上下土层之间没有相互作用； 3 假定桩的沉降主要是由桩侧荷载传递而引起的，桩端承担的荷载计算中可 略去。 在图2 - 3 中，分析桩周土体中剪应力的传递过程。当桩顶承受轴向荷载p 并 珏宁工程技术，。学丁程颤l 二专业学位地上 发生沉降j 后，桩侧环形土单元a b c d 也随之沉降，并发生剪切变形为a b c d ， 将剪应力传递给相邻单元b c e f ，这一传递过程连续反应一直传至很远处的x 点， 该点处由于剪应交已很小可忽略不计- x 点与桩轴的距离为，肿= 怫。 x 图7 - 3 剪切变形传递法的桩身荷载传递模型 根据上述剪应力传递概念，可知距桩轴r 处土单元的剪应变和剪应力分别为 r = 譬，f = q 譬，桩侧沉降的计算公式为： 口口 2 盟g , , r h 尘r = 等畸) ( 2 。) 若假定桩侧摩阻力均匀分布，则桩项荷载矗= 2 _ o l r o ，土的弹性模量 e = 2 g ，( 1 + t ) 。假定土的泊松比一印5 时，则e = 3 q 代入公式( 2 - 9 ) 得桩 顶沉降量的计算公式： = 丢壶埘争告， c 枷， 其中，= 丢l i i ( 生) 上述c o o k e 提出的单桩沉降计公式( 2 - 9 ) 和( 2 1 0 ) ，由于忽略了桩端处的荷 载传i 排用，因此对短桩计算时误差较大，后来r a n d o l p h 和w 删叫1 9 7 s ) 1 4 2 】对剪 切变形传递法作了补充和修正，提出桩的影响半径r _ 与桩长及土层性质有关，并 按弹性力学方法补充了桩端沉降量屯的计算式： 旷掣- ( 2 - 1 1 ) 辽 1 程技术人学l 穗硕士专_ k 学位论文 式中目为桩入土深度影响系数，一般口卸8 5 l 0 。 2 3 2 剪切变形传递法的应用 剪切变形传递法计算简单。但忽略的影响因素较多例如地基的三向应力状 态、地基的成层性、土参数随深度的变化以及桩端沉降等，因此在桩基础设计中 单独使用该法的相对较少。但可将剪切变形传递法与其它方法结合起来使用，龚 维明等( 1 9 9 7 ) m 在群桩沉降实用计算方法中将荷载传递法与剪切位移法巧妙 结合起来，提出广义荷载传递法。 2 4 数值分析方法 随着计算机的高速发展和计算技术的进步，有限单元法( f e m1 、边界元法 ( b