（岩土工程专业论文）高填土桥头下phc管桩承载性状研究.pdf

r e s e a r c ho nt h eb e h a v i o ro ft h ep h cp i l e u n d e r h i g h - f i l l i n gb r i d g e h e a d ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n gs h i z h o u s u p e r v i s e db y p r o f j ip e n g s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g m a y2 0 10 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。 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：导师签名： 辔生日 期：坦丝：矽 摘要 摘要 沿海高速公路常见的桥头软基处理方法之一是打设路堤桩( e m b a n k m e n tp i l e s ) ， 这种方法能较好的控制工后总体沉降和差异沉降，并且适合快速填土。预应力高强混凝 土桩( p h c ) 较其它路堤桩桩型具有多种优势，已成为一种先进的处理措施。但在实际 工程中，p h c 管桩单纯承受竖向或水平荷载的情况很少，往往同时承受两者的综合作用 ( 即倾斜荷载) 。高填土桥头下的桩基其实质也是受倾斜荷载作用的桩基。由于倾斜荷 载下桩基的工作性状极其复杂，现有规范和研究的应用仍具有一定的局限性。对于倾斜 荷载作用下p h c 管桩工作性状的研究则更少。因此，本文在前人研究的基础上进一步 研究该问题，以期能对以后工程提供参考。 本文是以崇启大桥北桥头p h c 管桩课题为背景。首先对高填土桥头下( 亦即倾斜 荷载作用下) p h c 管桩的工作性状进行了理论分析，再应用f l a c 3 d 数值分析软件对 其进行模拟计算。本文主要研究内容和研究成果归纳如下： 1 综合分析国内外已有的相关研究，探讨了p h c 管桩分别在竖向荷载、水平荷载 和高填土桥头下( 即倾斜荷载作用下) 的工作性状及破坏机理，并列出了确定倾斜极限 荷载的简易方法以及计算桩顶位移和转角的经验规范公式： 2 建立了倾斜荷载作用下p h c 管桩的挠曲微分方程，并根据假定条件代入相关参 数，再应用微分方程中的幂级数方法对其进行了解答，最后所得的参数方程式便于工程 计算应用； 3 结合工程实际，本文应用f l a c 3 d 数值分析软件对高填土桥头下多层地基中 p h c 管桩的工作性状进行了探讨，并进一步研究了影响桩基工作性状的因素。结果表明： ( 1 ) 在相同倾斜荷载角度、相同桩长条件下，三种不同桩径的各项位移和转角随 荷载和桩径的增大而略有区别，但是各项位移和转角差值整体差别不大； ( 2 ) 在同一桩长条件下，桩顶各项位移和转角均随倾斜荷载及其角度的增大而增 大。因此，桩长越长，倾斜荷载角度越小，桩顶各项位移和转角越小，亦即承载能力越 高。 4 通过将本文研究方法所得结果进行对比，发现理论计算与数值模拟较为吻合。 这说明本文推导的理论计算结果和所得的数值模拟结果在工程实际应用中具备一定的 适用性。 关键词：p h c 管桩；倾斜荷载；理论分析；f l a c 一3 d 模拟 a b s t r a c t ab s t r a c t s t r i k i n ge m b a n k m e n tp i l e st r e a t m e n ti so n eo ft h ec o m m o nm e t h o d so fs o f ts o i li m p r o v i n ga t b r i d g eh e a di nc o a s t a le x p r e s s w a y ；i tc a l lc o n t r o lt h eo v e r a l lp o s t - c o n s t r u c t i o na n dd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t , a n di ss u i t a b l ef o rf a s t - f i l l i n g p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ( p h c ) p i l e t r e a t m e n th a sav a r i e t yo fa d v a n t a g e st h a nt h eo t h e rs e l e c t e ds t y l eo fe m b a n k m e n tp i l ea n dh a s b e c o m eas o p h i s t i c a t e dt r e a t i n gm e t h o d i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h es i t u a t i o no fp h c p i l e o n l yb e a r i n gv e r t i c a l o rh o r i z o n t a ll o a d i n gi sr e l a t i v e l yn l r e f u r t h e r m o r et h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fp i l e su n d e ri n c l i n e dl o a d sa r ee x t r e m e l yc o m p l e x ，n o to n l yt h ea p p l y i n go f e x i s t i n gs t a n d a r d sa n ds t u d i e ss t i l lh a sa c e r t a i nl i m i t a t i o n , b u ta l s ot h e r ea r eaf e wr e s e a r c h e s o nt h ei n c l i n e dl o a dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fp h c p i l e s t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fp r e v i o u s w o r k , t h e s ea r es t u d i e df u r t h e ri nt h i sp a p e ri no r d e r t op r o v i d er e f e r e n c ef o rf u t u r ep r o j e c t s o nt h eb a c k g r o u n do ft h ep h c p i l e ss u b j e c to fn o r t hb r i d g e h e a di nc h o n g q ib r i d g e ，t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fp h cp i l e su n d e rh i g h - f i l l i n ga r ea n a l y z e dw i t ht h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n , a n ds i m u l a t e dw i t hf l a c 一3 d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a f t e ra c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fr e l e v a n ti n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cr e s e a r c h , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a i l u r em e c h a n i s mo fp h c p i l eb e a r i n gt h ev e r t i c a l ，h o r i z o n t a la n d i n c l i n e dl o a da r ed i s c u s s e d ，a n dt h em e t h o do fd e t e r m i n i n gt h et i l tl i m i tl o a da n dt h e e x p e r i e n c em e t h o da n ds t a n d a r df o r m u l ao fc a l c u l a t i n gt h ep i l ed i s p l a c e m e n t sa n dr o t a t i o n a n g l ea r el i s t e d ； 2 t h ed e f l e c t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o no fp h c p i l ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea s s u m p t i o n so f r e l e v a n tp a r a m e t e r sa r ei n c o r p o r a t e d t h es o l u t i o no ft h ee q u a t i o ni sg i v e nb yt h ep o w e r s e r i e sm e t h o da n dt h ef m a le q u a t i o ni sc o n v e n i e n tt oc a l c u l a t ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ；3 i nc o m b i n a t i o nw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp h cp i l ei nl a y e r e d g r o u n da n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r su n d e ri n c l i n e dl o a d sa l ed i s c u s s e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n u s i n gf l a c 一3 d t h er e s u l t ss h o w t h a t ： ( 1 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es a m el o a da n g l ea n dp i l el e n g t h , t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h e r o t a t i o na n g l ed i f f e r e n c ei sn o ts i g n i f i c a n t 、析廿1p i l ed i a m e t e r ( 2 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es a m ep i l el e n g t h , t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h er o t a t i o na n g l e o ft h ep i l et o pi n c r e a s e sw i t ht h el o a d sa n di t sa n g l e t h e r e f o r e ，t h el o n g e rt h ep i l el e n g t h , t h e s m a l l e rt h ea n g l eo fl o a d ，t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h er o t a t i o na n g l ea r es m a l l e r , t h a ti s ，t h ep i l e c a p a c i t yi sh i g h e r 4 c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h er e s e a r c hm e t h o d s ，i ti sf o u n dt h a tt h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sm o r ec o n s i s t e n t i ts h o w st h a tt h er e s u l t so ft h i sp a p e r h a v ec e r t a i na p p l i c a b i l i t yi ne n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：p h cp i l e ；i n c l i n e dl o a d s ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；f l a c - 3 ds i m u l m i o n i i 3 1 概述2 3 3 2 基本假定2 3 3 3 管桩挠曲微分方程的建立2 4 3 4 微分方程的幂级数解答2 5 3 5 本章小结2 9 第四章高填土桥头下p h c 管桩性状f l a c 3 d 分析。3 0 4 1 概述3 0 i l l 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章结论与展望一6 2 5 1 主要结论6 2 5 2 展望6 3 参考文献6 4 驾【谢6 8 攻读硕士期间发表的论文6 9 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 为适应国家经济持续稳定的增长，我国高速公路建设也进入了一个前所未有的高速 发展阶段。由于沿海高速公路沿线地质条件比较复杂，且大多数地基承载能力低，所以 在修建道路时，还需要修建大量的桥梁。在高速公路与桥梁的连接段，即桥头段，通常 还需要将路基加高加宽。如果路基下存在深厚的软土层且地基强度不高，桥头段往往会 产生沉降、沉陷坍塌等现象。这不仅会降低汽车运行速度和舒适性，而且会造成交通事 故，影响道路的正常使用和运营，明显降低道路的经济效益和社会效益，因此必须有效 地对桥头软基进行处理。 常见的桥头软基处理方法之一是打设路堤桩( e m b a n k m e n tp i l e s ) ，这种方法能较 好的控制总体工后沉降和差异沉降，并且适合快速填土。路堤桩可采用碎石桩、挤密砂 桩、石灰桩、二灰桩、水泥土搅拌桩、木桩、混凝土灌注桩和预制混凝土桩等。特别是 预应力高强混凝土桩( p h c ) 具有单桩承载力高、运输吊装接桩方便快捷、施工速度快、 施工文明、现场整洁等优点。除此以外，和其它桥梁桩基桩型相比，p h c 管桩不仅可以 满足桥梁桩基的要求，而且其造价低廉、经济性较好( 见表1 1 ) 。因此，该桩型已成 为一种先进的处理措施1 1 1 1 2 3 。 表1 1p h c 管桩和其他桩型主要指标比较 主要指标p h c 管桩 沉管灌注桩 钻孔灌注桩人工挖孔桩 侧阻力和端阻力主要靠侧阻力承侧阻力和端阻力主要靠端阻力承 主要承载力方式 共同承担受荷载共同承担荷载受荷载 常用桩径( 外径) ( m m ) 3 0 0 8 0 03 0 0 8 0 0 8 0 0 _ 8 0 0 砂、砾石夹层 可穿越土层9 0 米的砂夹层 穿越性好穿越性好 g 0 m 硬岩土、密实砂层 进入持力层软质岩、强风化岩中微风化岩中微风化岩 和碎石层 造价3 2 l 元k n6 1 l 元瓜n8 8 1 元瓜n5 8 7 元l ( n 在工程实际中，单纯承受竖向荷载或水平荷载p h c 管桩的情况很少。基桩除承受 上部传送的竖向荷载外，往往受有不容忽视的水平荷载，如结构物自重和使用荷载的偏 心产生的弯矩；吊车、火车、汽车等的制动力产生的水平力；风、波浪、潮水产生的水 平力；地震产生的瞬时水平力等。在这些荷载综合作用下，即斜荷载作用下，桩体会产 生内力分布和位移。因此，在高层建筑、桥梁、重型工业厂房等桩基设计计算中，均不 容忽视【4 】。 崇启大桥北桥头启东段为高填土桥头，因此桥头下的p h c 管桩要承受水平和竖向 荷载的综合作用，即承受倾斜荷载作用。本文以此出发对倾斜荷载作用下p h c 管桩的 东南大学硕+ ：学位论文 工作性状进行了详细的理论分析和数值模拟计算，以期为以后进一步研究该问题提供参 考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水平荷载下基桩的研究现状 水平荷载下基桩的工作性状极其复杂。长期以来，人们往往偏重于研究桩基在承受 竖向荷载时的工作性能，而对水平荷载下基桩的工作性能研究较少。2 0 世纪初，国内外 学者对水平受荷桩的工作性能及其内力和变形的计算方法以及足尺试桩开始进行探讨。 2 0 世纪6 0 年代起，管桩和大直径钻孔桩的普遍应用，促使该研究的广泛开展并发展了 水平承载桩的作用机理和分析计算的多种方法，也积累了大量的水平静载试验桩数据， 为大直径桩的迅速发展奠定了理论基础。 1 水平荷载下基桩的内力及位移 r a e s 5 1 、冈甜q 及布罗姆斯1 7 1 8 1 等假定桩侧土体地基反力为线性分布，根据作用在桩 上的外力及其平衡条件求解桩的水平抗力，即极限地基反力法。由于在确定桩的水平抗 力时假定桩侧土体处于极限平衡状态，不考虑地基的变形特性，因此不适宜于一般桩基 变形问题的研究，多用于埋入深度较小的刚性桩。 我国学者张有龄【9 】假定桩侧土地基系数沿深度为一常数，将w i n k l e r 地基上梁的分 析方法引入基桩的水平受荷分析，导出基桩内力及位移分析的解析解，但该法假定条件 尚欠合理，目前已逐淘汰。目前国内应用最为广泛的m 法，其假定桩侧土地基系数随深 度呈线性增加。该方法始见于1 9 3 9 年n b y p o d h 用它来计算板桩墙的平面问题，1 9 6 2 年由k g 西林引入我国，但该法假定地基系数随深度无限地增长，与实际情况不符。 日本久保浩一【1 0 】假定地基系数沿深度呈抛物线增加，其指数n = o 5 。横山幸满【l 、 王伯惠【1 2 】及交通部科学研究酣1 3 l 等分别采用积分方程、微分算子及有限元等方法给出了 桩身内力及位移的解答。我国陕西省交通科学研究所在分析了若干桩基的实测结果以 后，认为地基系数随深度按0 1 o 6 次方增大。竹下淳【1 4 】对刀为其它正整数时的解答进 行了探讨；横山幸满和王伯惠则分别给出了水平荷载下基桩挠曲微分方程式的通解，即 指数疗可为任意数值，两种解答虽推导时所利用的数学手段不同，但其结果一致。此外， 王伯科1 5 】又在上述基础上系统地导出了各种刚、柔性桩、变截面桩、高桩承台、低桩承 台计算的所有公式，使桩基水平力计算方法达到了高度的统一。吴恒立 1 6 1 1 7 1 则提出了计 算水平受荷桩的双参数法，将指数刀作为变量求得通解，使计算的结果与试桩更为吻合。 由于土的物理性质极为复杂，采用w i n k l e r 假定难以正确表达，因此日本港湾技术 研究所的久保、林【l s 】【1 9 】等人进行了大规模的实验，认为采用非线性弹性模型来表示，可 以更广泛地说明桩的动态，但其解析解非常困难，文献则以现场实测的弯矩分布为依据， 得出水平承载桩弯矩沿桩身分布的表达式用以描述或拟合现场试验数据资料，其比假设 土反力分布的各种解析解更接近实际情况，也可用于由实测弯矩求p - y 曲线的反分析或 在设计阶段由边界条件估计水平承载力的反应特性。m ec l e l l a n d 和f o c h t 2 0 j 假定地基反 2 第一章绪论 力与所在位置土的固结不排水三轴压缩试验结果有关，用逐次渐进计算求得其收敛解。 竹下淳给出了由数值积分为手段的逐次渐近法。 m a t l o c k 2 1 1 、r e e s e 和c o x l 2 2 1 等人把m ec l e l l a n d 提出的桩侧水平地基反力与土的不 排水三轴试验所得的应力应变关系曲线加以引申，提出按实际的应力应变关系进行计 算，称为p - y 曲线法，是目前最为流行的计算方法。 随着计算技术及微机的高速发展，数值计算方法日益为广大工程界所接受。如赵明 华瞄1 的n e w m a r k 数值法，周铭 2 4 1 的定点系数法；b o w l e s t 2 5 】的有限差分和有限单元法； p o u l o s 2 6 】的弹性理论解，其假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中，土的弹性系数( 杨 氏模量e 。和泊松比。) 为常数或随深度按某种规律变化，以m i n d l i n 方程估计水平荷载 下桩微段中心处的桩周土位移；以及宰金璋【2 7 1 2 8 1 的有限元一有限层法等，不仅适用于线 弹性地基反力法，也同时适用于非线性地基反力法的计算。 2 多层地层水平受荷桩研究 早在2 0 世纪6 0 年代，国外学者d a v i s s o n 和g i l l 2 9 就已利用模拟计算机对层状地基 中基桩的内力及位移等进行了较深入的探讨，并通过大量数值分析，对多层地基中基桩 的受力性能提出了具有重要工程指导意义的结论；此后，竹下淳【1 4 j 和我国王伯惠【3 0 】分别 根据桩两端边界及土层界面处桩的内力和位移连续条件，建立联立方程组，利用幕级数 求得了多层地基水平受荷桩内力和位移计算的解析解，对层状地基水平受荷桩的分析具 有一定的理论价值；b o w l e s 2 5 】采用有限单元法给出了多层地基水平受荷桩的数值解； p o u l o s 2 6 在假定土体为连续弹性介质体基础上给出了相应的数值分析解；p i s e l 3 1 1 1 3 2 】【3 3 1 利 用m i n d l i n 位移函数分别导得了双层地基中桩顶固接和自由情况下相应的计算机解。此 外，国内学者周铭、宰金璋以及赵明华【蚓等也相应进行了较深入的探讨，并得出了一些 具有工程指导意义的结论。 尽管国内外学者已先后提出不少数值分析及幕级数求解方法，但为了工程实用，我 国多采用地基比例系数换算法，即将多层地基比例系数换算为一个相当于均质土层时的 比例系数，再以均质土层情况求解桩身内力及位移。该换算法虽计算简单，但忽视了桩 身位移这一重要影响因素，导致计算结果误差较大。赵明华等【3 4 】通过理论分析和大量数 值计算结果的回归分析，提出按桩身挠曲变形的大概形状及深度综合加权换算，给出了 一套计算精度较高的换算公式；杜运兴等【3 5 1 在赵明华f 3 4 1 研究的基础上进行了修正和完 善，使换算方法得到了简化。此外，鲁子爱1 3 6 1 等也对多层地基水平荷载桩的地基系数分 布问题进行了较深入的探讨。 3 桩基的水平承载力研究 基桩的水平承载力，不仅取决于桩侧土质或地质条件的水平抗力，还与桩的截面尺 寸、弯曲刚度、桩身材料强度、桩顶桩端约束条件以及桩的入土深度等因素有关。因此 在确定桩的水平抗力时，必须考虑桩和土的共同作用，即桩- 土体系的变形条件。所以， 桩基的水平抗力或承载力的确定要比桩的竖向承载力复杂得多。 横山辛满1 1 1 文献【3 7 】赵明华【3 8 1 等认为，在水平荷载作用下，刚性短桩( a h 2 5 ，a 为 桩土变形系数) 与弹性桩( a h 2 5 ) 的变形或受力性状不同。弹性桩的水平抗力主要 3 垄塑奎堂堡圭堂垡丝兰 由桩身的抗弯能力，即桩身材料强度所控制而刚性短桩除受桩材抗弯强度控制外，还由 桩周土体的水平抗力或桩在土中的稳定性所控制。为此，在水平受荷桩的设计中，将刚 性短桩与弹性桩分开，采用不同的设计计算方法和要求。文献f 3 7 l 指出，桩在最大水平荷 载作用下应满足两个条件： ( 1 ) 桩周土不致因桩的水平位移过大而丧失其对桩的固定作用，亦即在水平荷载 下的桩长范围内的土大部分仍处于弹性工作状态； ( 2 ) 在此水平荷载下，容许桩截面开裂，但裂缝宽度不应超出钢筋混凝土结构容 许的开裂限度，且卸载后裂缝能闭合。大量试验研究表明，满足上述条件的水平位移约 为4 “i i l l n 。 最能实际反映基桩水平承载能力的方法是水平静载试验。国内外学者对基桩的水平 静载试验进行了大量的现场及室内模型试验。如g l e s e r f 3 9 1 分别对桩顶嵌固和自由的竖直 桩进行的现场水平荷载试验；k u b o 4 0 】在砂土中进行的室内模型钢桩水平荷载试验；我 国黄埔江大桥的现场钢管桩水平荷载试验【4 1 】以及黄河洛口公路桥梁钻孔灌注桩的现场 水平荷载试验【4 2 】等等。目前，我国已完成的各类现场足尺水平荷载试桩已逾数百根，为 工程实践积累了丰富的经验。此外，卢世深和林亚超【4 3 】以及刘金砺【删等对基桩的水平荷 载试验方法及成果分析等进行了较深入的探讨；胡玉山【4 5 】通过大型嵌岩钻孔灌注桩水平 荷载试验，提出了一种适用于嵌岩桩的线性数学模型。 1 2 2 竖向荷载下基桩的研究现状 1 单桩竖向承载力研究 单桩竖向承载力主要取决于三个方面：( 1 ) 由土的强度决定的桩最大支承能力： ( 2 ) 由土的变形性质决定或上部结构容许变形约束，保证桩不发生过大沉降的最大支 承能力：( 3 ) 桩身结构强度所能提供的承载能力。 一般情况下，桩周土的侧向约束足以阻止桩的侧向变形与失稳，可不考虑纵向弯曲 问题：但在液化土或极软土等特殊情况下，侧向约束可能丧失或极其微弱而必须计入桩 的纵向弯曲的影响。宰金璋，宰金珉【拍】对长期荷载作用下的钢筋混凝土桩、预应力混凝 土桩、素混凝土桩和钢桩等分别作了相应的规定，桩身纵向弯曲对桩身结构强度的影响 以稳定系数缈( 为桩长径比的函数) 来反映。 理论上对桩的单桩竖向承载力的分析，是将桩视为深埋基础，假定不同的地基土破 坏模式，运用塑性力学中的有关极限平衡等理论，求解出深基础下地基土的极限荷载( 即 桩端反力的极限值) ，再考虑土对桩侧的摩阻力，求得桩的竖向极限承载力。 对桩端阻力的计算，通常以刚塑性体理论为基础。假定不同的破坏面形态，可得到 不同的桩底下地基土的极限承载力公式，如t e r z a g h i ，m e y e r h o l f , 别列赞采夫，v e s i c 等，其具体推导和系数的表达式可参考有关文献【3 7 】【3 8 1 1 4 7 1 。 关于桩侧极限摩阻力的确定，根据其表达式所用系数的不同，通常可归纳为口法、 法和彳法1 3 7 1 锅1 。口法( t o m l i n s o n ) 属总应力法，可用于计算饱和粘性土的侧阻力； 4 法( c h a n d l e r ) 为有效应力法，可用于粘性土和非粘土的侧阻力计算；五法( v i i a y v e r g i y a & f o c h t ) 则综合了口法和法的特点，用于粘性土的侧阻力计算。 侧阻和端阻与它们所在位置处的桩土间相对位移密切相关，并随位移的增长而逐渐 发挥。从2 0 世纪6 0 年代以来，桩基研究和分析中曾采用过常值模式、线性模式、弹塑 性模式和非线性三阶段模式等，而后者比较符合桩土作用性状的模式，受到国内外岩土 工程界的重视。 试验表明，当桩的埋深达到某一深度后，桩侧和桩端阻力不再随深度的增加而提高， 该深度称为临界深度。桩的临界深度与土的种类、桩径及土本身的极限压力有关 4 9 1 。 f o r a y ，v e s i e 、m e y e r h o l f 等人对桩的深度效应进行了较深入的讨论。 此外，p o u l o s 5 0 】对竖向荷载下桩基的受力性状分析理论及应用、桩的设计理论和方 法等进行了较深入的讨论，并对分析基桩竖向承载力的有限元法、边界元法以及视桩土 为独立水平薄片的简化分析方法进行了比较，提出了有限元法可利用土体构成的各种模 型，考虑土体的非均质性和各向异性，更深入细致地了解了桩的受力性状，但由于实际 工程问题的复杂性和需要考虑的岩土参数过多而未必适用。边界元法把土体的性状特性 归于界面单元，通过单元块的形式体现土体的效应特征，被众多研究者所应用，并广泛 用于工程实践，具有较好的发展前景。 目前，有关竖向荷载作用下基桩受力性状的理论分析和试验研究仍处在不断发展之 中。如郭伟栋【5 l 】采用荷载传递法给出了荷载传递近似解，其与严格的连续体介质数值解 比较非常一致；此外，房卫民和赵明华等1 5 2 髓过对桩承载机理及部分工程实测 s 曲线 的分析，提出三折线桩侧阻荷载传递函数模型，导出由沉降量控制桩的竖向极限承载力 计算公式；修朝英【5 3 1 、赵明华等【5 4 】还对基桩极限承载力的预估做了大量的工作。 2 桩的屈曲研究 基桩的屈曲( 或称纵向挠曲) 分析，是一个极为复杂而又具有实际工程意义的问题。 大量试验研究表明，当基桩自由长度较大时，很可能发生屈曲破坏，尤其是软弱土层中 的桩基，更应考虑屈曲分析。因此，在桥梁、港口桩基工程中，纵向挠曲是设计所必须 考虑的问题之一。 f o r s e l l 和g r o m h o l m 等首先开始对基桩的屈曲问题进行前期研究1 5 引。以后，不少研 究者进行了一系列的试验探讨工作。如b r a n d t z a e g 5 6 】等的现场钢轨桩试验；k l o h n 5 7 1 等 的现场木桩试验；以及l e e s 8 1 的室内模型钢、铝桩试验等。这些试验均指出在软弱土层 中桩的屈曲破坏是可能的，有必要提出一套既精确又简便的计算方法，因此在理论上也 相应提出了一系列的解答，如较典型的有d a v s s m n 5 9 】【6 0 l 等人的模拟计算机解； r e d d y 6 1 】【6 2 1 等人的能量法解答；p o u l o s l 2 6 1 的弹性理论解；以及b o w l e s l 6 3 1 的有限单元解答。 随着我国水利、港口、桥梁工程中桩基的高速发展，设计理论与水平日益提高，在吸取 国外理论及试验分析的基础上，亦提出了适用于我国工程应用的一些计算方法，如胡人 礼【6 4 1 ，沪煤工【6 5 】的经验公式及能量法；赵明华【6 6 i i 6 7 1 【6 8 】【6 9 】针对我国桩基工程可能出现的 九种边界条件，利用能量法求解，并在大量数值分析的基础上，提出的简化实用计算公 式：赵明华与王季柏【7 0 j 对基桩计入摩阻力情况下的屈曲分析进行了探讨和比较。结果表 5 东雨大学坝七学位论文 明，桩侧摩阻力对屈曲分析影响极微，通常可忽略不计。此外，我国各设计手册或规范 也做出了相应的规定。然而，有关桩群的屈曲分析由于其复杂性，至今尚缺乏较深入的 探讨。 3 单桩的沉降分析 要解决桩基的沉降计算，首先必须解决单桩的沉降计算。竖向荷载下单桩的沉降量 主要由三部分组成：( 1 ) 桩本身的弹性压缩量；( 2 ) 由于桩侧摩阻力向下传递，引起 桩端土体压缩所产生的桩端沉降量；( 3 ) 由桩端荷载引起桩端土体压缩所产生的桩端 沉降量。 影响单桩沉降量的主要因素有桩的长度、桩与土的相对压缩性、土的剖面、荷载大 小、荷载持续时间、桩侧桩端各自分担的荷载比以及桩侧阻力沿桩身的分布图式等。当 荷载较小时，桩端土尚未出现明显的塑性变形( 刺入变形) ，桩侧土与桩之间无滑移产 生。此时，桩端土体压缩特性可用弹性变形来近似表示；当荷载较大时，桩端土将出现 明显的塑性变形，导致单桩沉降的组成及其特性发生明显的变化。此外，桩身荷载的分 布还随时间而变化，即荷载传递存在时间效应。一般情况下桩身荷载随时间的推移有向 下部和桩端转移的趋势。 有关基桩沉降分析的研究较多。以弹性理论为依据的桩性状分析方法最具代表性， 这些方法的共同特点是以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响应，假定地基为半无限弹 性体，不考虑成桩对土体初始应力状态的影响，采用半无限体内施加荷载的m i n d l i n 方 程求解。各种分析方法的主要区别是各单元桩侧剪应力沿桩身的简化分布模式不同。 d a p p o l o n i a 和n u 册a n 【7 l 】以作用于桩轴线上的集中应力来代替各单元桩侧剪应力 沿桩身的分布；n “捌以作用于桩段中间圆截面的均布应力来代替；p o u l o s 和d a v i s t 7 3 1 【7 4 】 及m a t t e s 和p o u l o s 【7 5 】等则以均匀分布于桩周圆环上的线荷载来代替，其与桩的实际工 作状况最为符合，特别是在桩较短的情况下。此外，我国各现行设计规范多采用简化计 算，其假定桩顶沉降量由桩身压缩变形和桩端土的压缩变形两者所组成。 f r a u 【l k 【7 6 】通过对单桩的实践总结提出，在设计荷载下，桩顶有代表性的沉降量为： 打入桩0 0 0 9 d ，钻孔灌注桩0 0 0 6 d ；而b r i a u d 和t u c k e r t 7 7 】通过统计分析表明，在o 5 倍 极限荷载作用下桩顶沉降量约为0 0 1 2 5 d 或者更少。国内学者何颐华等【7 8 】【7 9 】【】也分别对 大直径扩底桩、层状地基中的单桩以及多支盘钻孔灌注桩基础等的沉降分析进行了较深 入的探讨。 1 2 3 倾斜荷载下基桩的研究现状 基桩在倾斜荷载( 或竖向、水平荷载同时) 作用下，不仅其水平分力将使桩身产生 较大的弯矩和挠曲变形，竖向分力也将由于桩身挠曲变形的出现而产生一附加弯矩( 即 所谓的“p 一 效应) ，而这一附加弯矩又将影响到桩身挠曲变形的增加。此外，桩 侧土体的弹性抗力分布也非常复杂，因此倾斜荷载下桩的受力性状比单一竖向或水平荷 载下要复杂得多。由于这一问题的复杂性，在工程中往往采用简化的计算方法，即将桩 顶竖向分力和水平分力分开计算，然后再按小变形迭加原理计算桩身的内力和位移，并 6 笙二童堡丝 在桩身截面强度检算时将截面弯矩乘以一偏心距增大系数加以修正。显然，这一计算方 法没有考虑土抗力的发挥特性，难以准确评价倾斜荷载作用对桩身位移和内力所产生的 影响，而且只适用于线弹性小变形情况，具有一定的局限性。在水平荷载较大或倾斜角 度较大且土质较软的桩基础中，该问题尤为突出。 目前，对倾斜荷载下基桩的受力研究通常是将倾斜荷载分解为竖向和水平荷载同时 作用，其主要研究可分为理论分析和试验研究两大方面。 1 倾斜荷载下基桩的理论分析 横山幸满1 给出了地基系数为常数时基桩在倾斜荷载作用下的解答，并指出对承受 竖水平荷载同时作用下的桩，严格地说应力迭加原理是不适用的。此后，我国学者范文 田1 8 1 】在横上幸满解答的基础上，对承受倾斜荷载的基桩进行了理论分析，并指出竖向压 力对桩身水平位移、转角、弯矩及剪力的影响比较显著而不容忽视，并与桩身竖向力所 产生的压应变、桩身材料和土的弹性性质以及桩身的形状和几何尺寸等有关；王用中、 张河水【8 2 】贝0 以m 法为基础，运用有限单元法对郑州黄河大桥的基桩进行了计算和讨论， 取得了满意的结果；赵善锐提出了桩阻抗的三阶段模式，导出了不同竖向力和土抗力组 合时纵横弯曲桩四阶微分方程的通解和特解，然后利用状态矢量法增广转换矩阵进行迭 代计算，求解多层复合地基中变截面桩桩身的位移和内力。然而该解答求解桩的挠曲微 分方程采用的仍是“张氏法 。赵明华【8 3 】在小法假设基础上，采用幂级数解导得了考 虑竖向集中荷载、桩自重、桩侧摩阻力及水平荷载综合作用下柔性桩的解析解；此后， 赵明华与侯运秋等人在文献【q 【8 5 】的基础上，对荷载下基桩的受力分析做了进一步的深入 分析，提出了相应的简化分析方法。 此外，刘金砺1 4 4 对桩顶竖向荷载对水平承载力的影响进行了论述，该影响取决于水 平荷载下桩的破坏机理，对桩身强度较高的钢管桩、预制钢筋混凝土桩，其水平承载力 往往以水平位移控制，桩顶竖向荷载的影响一般可忽略不计：对配筋率较低的灌注桩， 其水平承载力以桩身强度控制，竖向荷载的影响比较明显：由于竖向下压荷载的压应力 会抵消部分弯曲拉应力，使桩身由受弯状态转变为偏压状态，从而提高桩的水平极限荷 载。国外学者m e y e r h o l f t 8 6 1 8 7 1 及s a s t r y t 8 8 1 分别讨论了倾斜荷载作用下柔性桩的极限承载 力及其受力特性；侯运秋【8 9 】也分别对倾斜荷载下基桩的极限承载力进行了较深入的研 究，并提出了相应的简化计算公式。 2 倾斜荷载下基桩的试验研究 有关倾斜荷载下基桩的试验研究，m e y e r h o l f 及s a s t r y 等人8 7 】【1 1 6 】【1 1 9 1 1 1 2 0 l 【1 2 1 1 作了大 量的工作，他们首先分析了倾斜荷载下刚性桩的极限承载力和位移；接着在均质土和双 层土介质中对刚性垂直桩和倾斜桩及小型群桩进行td , 规模模型试验；然后，又进行了 较大规模的刚性模型桩试验；此后，在刚性桩的研究基础上，m e y e r h o l f 等人又分别对 均质和双层土中偏心倾斜荷载作用下的小型垂直和倾斜桩以及桩群进行了大量的模型 试验研究。m e y e r l l o l f 等人【8 8 】【1 1 7 1 对柔性桩的工作性状的分析，建立在等效刚性桩的有效 入土深度的概念之上，主要用以分析桩的极限承载力和弹性位移。其研究成果主要可分 为理论和实测两大部分，后者主要包括钻孔桩、打入桩及一些大型群桩受力性状的现场 7 奎壹盔堂堡主堂垡丝茎 实测工作，以及与理论分析值的比较，其工程桩分别设置于砂土、粘土及层状土层中。 此外，m e y e r h o l f 等人通过大量实测资料分析比较，得出了确定倾斜荷载下极限承载力 的经验公式。经过几十年的不懈努力，对倾斜荷载下基桩受力分析的研究取得了丰硕的 成果。 为了进一步探讨倾斜荷载下基桩的受力分析，赵明华与侯运秋等人【8 5 】以铝管在砂箱 内进行了不同桩长、不同桩身截面、不同倾角、不同桩顶自由长度以及双层地基等情况 下倾荷载作用的室内模型桩试验。通过试验分析，提出了倾斜荷载下基桩极限承载力与 倾角的椭圆曲线关系式，对前述理论分析进行了验证，且理论分析与实测桩身内力吻合 较好。 1 3 本文主要研究内容 综上所述，国内外不少学者对桩基承受水平或竖向荷载作用已经进行了全方位的研 究和探讨，但是随着大跨径桥梁以及高层建筑的迅速发展，基桩的承载能力和桩身自由 长度也日益增大。因此，倾斜荷载或水平、竖向荷载同时作用下，桩基的受力分析和设 计理论的探讨已成为目前土木工程界亟待解决的重要问题之一。 目前，我国现行规范对倾斜荷载作用下基桩的受力分析仍采用将桩顶倾斜荷载分解 成竖向和水平荷载，再分别计算各种荷载单独作用下的效应，按小变形迭加原理计算桩 身内力和位移的简化计算方法，其带来较大的理论计算误差。此外，在对于基桩的受力 分析中，都基于w i n l d e r 地基模型，没有考虑土介质的连续性，存在很多不合理之处， 在大变形条件下更是如此。同时，对于倾斜荷载作用下p h c 管桩工作性状的研究还较 少。为此，本文结合现行规范和设计手册规定，以崇启大桥北桥头启东段p h c 管桩课 题为背景，对高填土桥头下( 亦即倾斜荷载作用下) p h c 管桩的工作性状先进行了理论 分析，再应用f l a c 一3 d 数值分析软件对其进行数值模拟计算。本文主要进行以下几方 面研究工作： 1 综述国内外对倾斜荷载作用下桩基工作性状的研究现状； 2 通过对国内外已有相关研究的综合分析，探讨p h c 管桩分别在竖向荷载、水平 荷载和高填土桥头下( 即倾斜荷载作用下) 的工作性状及破坏机理，并给出确定管桩倾 斜极限荷载的方法以及计算桩顶位移和转角的经验公式； 3 在前人研究的基础上，在考虑p h c 管桩管内土芯内摩阻力和管外侧摩阻力的前 提下，建立一个适用于计算倾斜荷载作用下p h c 管桩位移和转角的微分方程，并用幂 级数方法对其解