（岩土工程专业论文）偏斜预应力管桩承载力性状的研究.pdf

摘要 摘要 预应力混凝土管桩是预应力技术与离心制管技术相结合的产物，由于其具有 诸多的优点而在软土地基城市建设中获得日益广泛的应用。然而，打桩过程中由 于受到施工因素的影响，常常导致预应力管桩偏斜。目前对于偏斜预应力管桩单 桩和偏斜预应力管桩群桩承载性能的研究还不多，如何正确评价偏斜预应力管桩 的承载能力，仍一直困扰着科研和工程技术人员。 本文首先对偏斜预应力管桩单桩的工作性状进行研究。基于数值方法的基础 上，对b 0 w l e s 方法分析偏斜预应力管桩单桩进行改进，桩与土之问工作机理采 用荷载传递函数法，避免了现场测量的限制。用f o r t r a n 程序进行编程，用该程 序分析了偏斜预应力管桩单桩承载力的影响因素。结果表明偏斜桩的承载力不仅 与其偏斜值有关，且与土层的性质关系密切，从而论证了规程规定管桩的允许偏 差为1 的局限性。 其次，利用有限元分析软件a n s y s 建立了偏斜预应力管桩单桩力学模型，通 过对多层土体例题计算结果分析，得出该模型计算结果与f o r t r a n 程序计算结果 相吻合，说明用a n s y s 软件建立模型分析偏斜预应力管桩工作性状具有一定的合 理性，可以采用a n s y s 来分析偏斜预应力管桩群桩的工作性状。接着分析偏斜预 应力管桩群工作性状的影响因素，得出一些有意义的结论。 最后，通过工程实例，分析偏斜预应力管桩单桩与群桩工作性状的区别，结 果表明：偏斜预应力管桩单桩与群桩之间的工作机理明显不同，从而得到了一些 对偏斜预应力管桩加固处理具有指导意义的措施。本文的结论对偏斜预应力管桩 工作性状的进一步研究和工程应用有一定的帮助。 关键词：偏斜预应力管桩，桩土相互作用，荷载传递法，有限元，网格划分， 协调变形。 三至三! ! 奎兰三兰堡圭兰堡篁耋 a b s tr a c t 晰t ht h et e c l l l l i q u eo f p r e s t r e s s i t 】喀f o r c ea n dc e n 椭m g a l t e c h n i q u e ，an e w t y p eo f p r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e - p i l eh a sb e e np r e s e n t e d i ti se 耐e n s i v c l yu s e dn o w a d a y si n t h ec i t i e si n 删c hs o nc l a yf o u n d a t i o ni sc o 肌n o nb e c a u s eo f “sv 撕o u sa d m a g e s h o w e v e r i ti so f 【e ns l o p i n g 访s o f tc l a yd u r 抽gd r i v i n gp i l e s t h ev e r t i c a lb e a r i i l g c 叩a c i t yo ft h es l o p i n gp r e - s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e p i l ei sd i 腩r e n t 、v i t ht h cv e n i c a l p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e p i l e t h e r ei sk s sr e s e a r c h 枇u tt h eb e a r i i l gc a p a c i t y b e l l a v i o ro ft h es l o p m gp r e - s t r c s s e ds 抽g l ep i l ea n dt h es l o p i n gp r e s t r e s s e dp i p e - p i l e g r o u p i ti sp u z z l i i l gs c i e n t i f i cr e s e a r c l l e 档锄de n g i n e e r sa b o u th o wt oe v a l u a t eb ea r ：m g c 印a c i t yb e h a v i o ro f t h cs 1 0 p i n gp r e - s t r e s s e dp i p e p i l ec o 仃e c t l y f i r s t l y ，i nt h i sp 印e r ，t 1 1 eb e a r i i l gc a p a c “yb e h a 啊o ro ft h es l o p i t l gp r e - s t r e s s e d s i r 唱l ep i p e p i l ei ss t u d i e d b a s e do nn u m e r i c a la n a l y s i s ，b o w k sm e t h o di si m p m v e d b ye m p l o y i n gt h el o a dt r a n s f e r 缸1 c t i o no fp i l es h 心s o i l t h ep r o g 删mi sd e s i g n e di 1 1 t h es o r w a r eo ff o r t i t h ei i l n u e n c 吨觚o r so nb e 批gc 印a c i t yb e l l a v i o ro f t h es 1 0 p i n gp r e - s t r e s s e ds i n g l ep i p e p i l el l a sb e e ns t l l d i e db ye m p l o y i n gt h ep r o g r 孤 t h cr e s u hi t l d i c a t e st h tt h cb e 撕n gc a p a c 时o ft h es l o p i l l gs i n g l e p i l en o to n l yh a s r e i a t i o nw n ht h es l o p i l l g s i t u a t i o n ，b u ta l s oh a sr e l a t i o n 、v i t ht h es o i ln a t u r c a c o n c l u s i o nc a i lb em a d et h a t1 o fs l o p eg i v e nb ys p e c i a t i o na b o u tp i p e p i i ei sn o t p e r f e c t s e c o n d l y ，t h es o n w a r ea n s y sw a su s e dt ob u i l dt h em e c h a n i c a ln l o d e lf o rt h e s l o p i n gp r e s t r e s s e ds i i l 9 1 ep i p e p i k t h ec o m p u t a t i 0 衄l r e s u l t so f m e c h a n i c a l 1 0 d e li i l v a r i o u ss o i la g r e ew e l lw i t ht h ec o 1 p u t a t i o n a lr e s u l t so fp r o g r 锄i ti sr e a s o l l a b l ef o r u st oe m p l o yt h cm e c h a l l i c a lm o d e lt or e s e a r c ht h eb e h a v i o ro f t h e s l o p 抽gp r e s t r e s s e d p i p e p i l e m o r e o v e r ，t h eh n u e n c i n gf k t o r so nb e a 血gc a p a c i t yb e h a v i o ro f t h cs 1 0 p i i l g p r e g 心e s s e dp i p e p i l e 伊o u ph a sb c e ns t u d i e db ye i n p l o y i i 培t h ep m g r a ma n ds o r n e g u i d a b l ec o n c l u s i o i l sa r eo b t a i n e d 弛a l l y ，t h ea u t h o rh a sa i l a j y z e dt h ed i 虢r e n c eo f b e a r 啦c 印a c 时b e h a v i o r b e t w e e nt h es l o p i n gp r e s t r s s e ds i n g l ep i p e - p i l e 孤dt h es l o p i n gp r e s t r e s s e dp i p e p i l e g m u p t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti ti sr a t h e rd i 旋r e ma b o u tt h eb e a r i l l gc 印a c 畸b e l l a v i o r n b e t w e e nt h es l o p i n gp r e - s t r e s s e ds i l l g l ep i p e p i l ea n dt h es l o p i i 唱p r e 。s t r e s s e dp i p e p 订e g r o u p t h e r c f o r e ，s o i n cg u i d a b l em e a s u r e st h a i lc a i lg u i d et h ee n g i n e e r st or e m f o r c e a n dp r o c e s st h es l o p i n gp r e s t r e s s c dp i p e - p 沁a r eo b t a i l l e d t h cr e s u h s 、i nb eh c l p 如l f o re n g 沁e r i n ga p p l i c a t i o na n dm o r er e s e a r c ha b o u tt h eb e h v i o ro ft h es l o p i n g p r e s t r e s s e dp i p e p i l e k e yw o r d s ：s l o p i i 培p r e s t r c s s e dp i p e p i l e ，i r l t e 掣a l e da c t i o n so fp i l ea i l ds o 遗 1 0 a d 订a i l s f e ra p p r o a c 也f “t ee k m e m ，伊试p l o t t i n g ，c o n s i s t e n td d b m m t i o n i i i 第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 桩是深埋在土层中的柱型构件，其发展过程历史悠久，早在新石器时代，人 类就通过打入木桩或竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发 现了这种原始社会遗址，在国外，距今1 2 0 0 0 年历史的智利古文化遗址中就已 经发现了桩的雏形。1 。正如文献 3 所指出的：“在人类有历史记载以前，就已经 在地基条件不好的河谷及河流洪基地区采用桩基作为基础的工程方法，在不同文 化时期都可以找到以桩作为基础的房屋。”在我国，到了宋朝，桩基技术已比较 成熟，现今上海的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年代所修建 的桩基建筑物n ，。 随着社会的发展，城市人口越来越多，造成城市土地使用紧张，建筑物层数 不断增加。同时伴随交通事业的飞速发展，跨海大桥的兴建，人类开始对桩的要 求往预制、深长及高承载的方向发展。由于预应力管桩是采用先张法预应力工艺 和离心成型法制成的以一种空心体细长混凝土预制构件，既可以提高单桩承载力 高，又具有良好的抗裂性、抗冲击疲劳性及贯入性，且具有对桩端持力层起伏变 化大的地质条件适应性强、桩身耐打、穿透力强、成桩长度不受施工机械的限制、 设计选用范围广、现场制作方便及造价经济等优点，于是预应力管桩开始应运而 生。 我国应用预应力管桩最早的地区应是台湾省，大约是在6 0 年代开始被应用 的，那时主要应用于铁路工程和桥梁工程中，大规模应用是在8 0 年代，预应力 混凝土管桩在我国大陆应用的历史已有三十多年了，但真正得到迅速发展的还是 近十多年的事情。预应力管桩的应用主要在广东和华东地区，广东预应力管桩的 应用占了全国的7 0 多，它受到越来越多设计人员的欢迎，是我国各种预制方桩 理想的更新换代产品。 置于地基土中的预应力管桩属于细长结构，若桩周地基土发生的水平位移， 可导致桩发生挠曲甚至弯断。根据桩基与周围土体的相互作用，可将水平荷载桩 分为两类：一类为桩基直接承受外荷载并主动向土中传递荷载，称为“主动桩”； 广东工业大学工学硕士学位论文 另一类为桩基由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生的水平位移而对其产生 影响，所承受的是由桩周土水平位移所产生的水平荷载，d eb e e r “1 将其称为“被 动桩”。偏斜桩是指随着桩周土的水平运动，桩与土之间产生的水平压力导致桩 身产生水平向挠曲和弯矩，而致使桩偏斜或弯曲断桩的被动桩。偏斜桩承受竖向 荷载的性能与竖直桩相比有较大的差异。 预应力管桩常常受到施工的影响，使桩身偏斜，如桩周软弱土层侧向流动， 使管桩变形、偏移，形成偏斜预应力管桩。形成偏斜预应力管桩的工程原因可归 结为下述两点： 一是施工过程，如桩基础的施工一般是先将桩送至设计标高，然后再进行基 坑开挖，这一施工过程常常导致土体发生变形，从而产生显著的地基沉降和水平 位移。研究表明，在软土地基中，这类水平位移可达开挖深度的l 2 ，甚至更 大“1 。因而，深基坑开挖所引起的软粘土地基侧向流动将引起很大的作用于桩上 的侧向压力，足以使较大尺寸的桩产生变形，甚至破坏，这是偏斜预应力管桩形 成的主要原因。 形成偏斜预应力管桩的另一个工程原因是一些软弱土地区的桩撑建筑物，由 于周边荷载作用或其邻近打桩等施工影响，如压桩机对桩的影响，导致桩周软弱 土层侧向运动，引起基桩横向挠曲，致使竖向承载力下降，当布桩较密时，先打 的桩容易被后打的桩挤斜，挤动及上抬，桩基质量得不到保证。 预应力管桩偏斜造成的工程事故屡见不鲜，如中山市有个工程事故：某商住 楼l 、2 、3 区工程需要加固的桩占总数的4 4 ，其中桩身偏斜1 2 共2 9 3 条， 桩身偏斜2 3 共1 0 5 条，桩身偏斜3 4 共2 2 条，桩身偏斜4 4 5 共6 条， 需要加固的桩总共有4 2 6 条，如果不正确评价偏斜桩的承载力，只对其进行补桩， 其费用相当高，而且影响工期进度。 对本工程桩进行单桩竖向抗压静载试验，偏差为4 5 的桩进行单桩竖向抗 压静载试验，其竖向承载力均满足设计要求。从其试验的结果来看，桩本身并没 有断裂或损伤，这给我们留下一个悬念，如何正确评价偏斜预应力管桩的结构承 载力及工作荷载下其可能发生的挠曲变形和承载力变化，这是许多专家共同关注 的问题。预应力管桩在我国的应用，可以说是应用超前，理沦滞后，目前偏斜桩 的受力机理极少有人进入深入的分析和研究，特别是偏斜单桩与偏斜群桩受力机 理的区别更少有人研究，所以目前还没有一套合理的理论来计算偏斜预应力管桩 第一章绪论 的承载力，但工程中出现斜桩问题屡见不鲜，广东省建筑科学研究院近几年所处 理和接受咨询的偏斜预应力管桩事故就有3 0 例左右，主要发生在中山、东莞、 江门、南沙等，因此，很多工程师已迫切需要一套合理的理论和方法来解决斜桩 问题。 根据广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程规定，桩身垂直允许偏 差为1 ，但是该标准并没有考虑桩与承台的相互作用，在一定的条件下，群桩 中对于偏斜值不大且偏斜方向各异的斜桩可以承受一定的水平荷载，对于抗震结 构反而有利。 另一方面，偏斜桩是与承台连在一起共同承担上部结构传来的荷载，它的承 载力还跟群桩的布置和土的性质有密切的关系，如果单从桩的偏斜度和单根偏斜 桩的承载力来判断其承载力，并不是很合理。需要把多根偏斜桩、承台与土当作 一个整体来考虑，爿胄符合客观事实，在有些情况下，还必须考虑地基梁的作用。 因此正确评价偏斜桩的承载力及工作荷载下可能发生的挠曲变形，对保障工 程的安全使用和经济性具有重大的意义，具有很高的工程应用价值。 1 2 预应力管桩特点 1 2 1 预应力管桩的分类 预应力管桩桩节由圆筒形的预应力混凝土桩身和两端的钢端板及钢板圈组 成，它是预应力技术与离心制管技术结合的产物。管桩持力层一般选在强分化岩 层中，桩尖进入强风化岩层l 2 m ，一般可满足设计承载力要求。在我国，预应 力管桩主要从三方面分类： ( 1 ) 产品品种：预应力管桩按强度分为预应力混凝土管桩( p c ) 、预应力高 强混凝土管桩( p h c ) 和预应力混凝土薄壁管桩( p t c ) 。p c 桩的离心混凝土等 级不得低于c 5 0 级，一般为c 6 0 ；p h c 桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。 ( 2 ) 产品规格：预应力管桩按外径为3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 、 8 0 0 和l o o o r n m 。 ( 3 ) 预应力管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。 一些常用预应力高强混凝土管桩的规格和力学性能见表”1 l 一1 。 广东工业大学工学硕士学位论文 表1 1p h c 管桩的规格及力学性能 t a b l e 1 - 1s p e c n c a t o n sa n dm e c h a n 王c a lp r o p e m e s0 f p h cp i p e p i l e 抗裂弯矩 极限弯矩 桩身结构竖向 外径壁厚混凝土强度 型号 检验值检验值承载力设计值 d ( m m )t ( m m ) 等级 m 。( k n m )m 。( 1 ( n m )r 。( i a2 33 4 a b2 84 5 3 0 07 0c 8 01 2 5 0 b3 35 9 c 3 8 7 6 a 5 2 7 7 a b 6 3 1 0 4 4 0 09 5c 8 02 2 5 0 b 7 51 3 5 c8 71 7 4 a9 91 4 8 a b 1 2 l 2 0 0 5 0 01 0 0c 8 03 1 5 0 b 1 4 4 2 5 8 c1 6 63 3 2 a9 91 4 8 a b 1 2 l 2 0 0 5 0 01 2 5c 8 03 7 0 0 b 1 4 4 2 5 8 c1 6 6 3 3 2 a1 2 51 8 8 a b 1 5 42 5 4 5 5 0 1 0 0 c 8 03 5 5 0 b1 8 23 2 8 c2 1 14 2 2 a1 2 51 8 8 a b1 5 42 5 4 5 5 01 2 5c 8 04 1 5 0 b1 8 23 2 8 c2 1 l 4 2 2 a1 6 42 4 6 a b2 0 13 3 2 6 0 01 1 0c 8 04 2 5 0 b2 3 94 3 0 c2 7 65 5 2 a 1 6 4 2 4 6 a b 2 0 1 3 3 2 6 0 0 1 3 0c 8 04 8 0 0 b 2 3 94 3 0 c2 7 65 5 2 4 第一章绪论 1 2 2 预应力管桩的优缺点 管桩承载时主要有如下优点。“1 ： l 、单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 c 8 0 之间，桩身 强度高，并可打入中密密实的砂砾层及强风化层，桩端持力层经过强大的挤压 而极大地改变受力性能，因而可以获得较大的单桩设计承载力。 2 、持力层起伏变化大的地质条件适用性强。因为管桩节长长短不一，搭配 灵活，接长方便，可随时根据施工现场持力层深度的变化来调整接桩长度，减少 截桩，节约用桩量。 3 、桩身耐打，穿透力强。由于管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩 身可承受较大的压力或冲击力而不破裂，可以穿透较大的压力或冲击力而不破 裂，可以穿透5 6 米厚的密集砂隔层。 4 、成桩质量较可靠。由于工厂生产，桩身质量稳定可靠，加上管桩的耐打 耐压性，只要桩基施工时操作规范、认真，成桩质量各种桩基中最可靠的。 5 、设计选用范围广。由于管桩规格多，常见规格0 3 0 0 0 6 0 0 ，既适用于 多层建筑，也适用于高层建筑，且在同一建筑物基础中，还可根据桩荷载的大小 采用不同直径的管桩，既容易解决设计布桩问题，也可发挥每根桩的最大承载力， 并使桩基沉降均匀。 另一方面，预应力管桩也有它的局限性和缺点唧“，主要表现在： 1 、打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去的条桩较多，同时基坑开 挖时，若每次开挖的深度及开挖的顺序不当时，易产生桩体倾斜。 2 、对下面一些地层条件不宜采用预应力管桩。”。 ( 1 ) 障碍物、老基础及孤石较多的地层不宜采用。桩尖接触到孤石或地下 障碍物石，桩身会突然偏离原位产生大幅倾斜，甚至会折断桩身，造成断桩现象。 ( 2 ) 石灰岩地区( 岩溶发育的地区) 。由于石灰岩地区岩溶较发育，造成的 石芽和石沟使基岩岩面起伏变化极大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩是水溶 性岩石，不存在强风化层，基岩表面直接是新鲜的岩石，强度高。在这样的地质 条件下进行管桩施工，桩长很难控制，容易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳 定性差等现象。 ( 3 ) 有坚硬夹层且不能作持力层时不宜应用或慎用。有些场地存在有一层 广东工业大学工学硕士学位论文 或多层次密实状态的砂砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持 力层，桩基必须穿越此坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩施工遇到这些夹 层时，要么穿不了，要么破损率很高，不能保证工程的质量。 ( 4 ) 从软弱地层突变成坚硬地层。在上软下硬、软硬突变的地层中，采用 锤击法进行预应力管桩施工时，由于缺少一层“缓冲层”，桩尖一接触硬岩层， 贯入度就立即变小甚至为零，使得管桩桩身容易破损，另外，由于桩端进入持力 层深度浅，桩的稳定性差，当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤动 及上抬，桩基质量得不到保证。 由上述管桩缺点和局限性可知，预应力管桩在施工过程中或遇到不适宜的地 质条件容易造成管桩偏斜，对桩身产生弯矩，如果管桩偏斜值较大就难以满足其 抗弯承性能，如何正确评价偏斜预应力管桩的结构承载力及工作荷载下其可能发 生的挠曲变形和承载力变化，正是本文所研究的目的。 桩受土体的水平力作用后，桩与土之问产生的水平压力导致桩身产生倾斜或 弯曲，桩偏斜后桩身轴线与水平面之间的夹角在桩身各段有可能一样，也可能不 一样，本文所提及的偏斜桩假设桩身轴线与水平面之间的夹角在桩身各段一样， 把偏斜桩假设为直线倾斜的，也即预设管桩倾斜后桩身开始没有弯矩，进而研究 桩顶受载后桩的工作性能。 1 3 研究现状 1 3 1 偏斜桩单桩的研究现状 ( 1 ) 弹性地基梁解释法 在这种方法中，桩被认为是由一系列互相之间无联系的弹簧在侧向支撑的竖 直梁，以桩土水平位移差值乘以土的地基反力系数作为桩侧荷载，由梁的挠曲微 分方程来求解桩的挠度和内力。 假定地基侧向反力系数女。与土的深度无关，无轴向荷载作用的运动土中桩的 挠曲微分方程为： 争“a 胪旷。 ( 1 1 ) 第一章绪论 式中巳、，分别为桩的弹性模量和截面惯性矩：z 为桩截面深度b 为桩宽： 儿为深度z 处桩截面水平位移；“不考虑桩的存在时深度z 处的土体水平位移； 七；为地基侧向反力系数。 当土体的水平变位“被确定以后，对于给定的边界条件，可得微分方程( 1 1 ) 的解。从而可得桩身弯矩为： w 垆鸣警 ( 1 2 ) 若桩顶作用有竖向荷载晶，则弯曲桩的水平位移由虬增至儿+ y ，此时可推 得桩的弯矩计算公式为0 2 1 m 一驾尸 ( 1 s ) 弹性地基梁法可以获得问题的精确解，并已有形成的计算机程序求解( 1 1 ) 。 但目前尚无合适的理论方法确定土的水平位移“，为提高计算精度，一般都采用 现场测量的方法，这使得该方法的应用受到限制。 ( 2 ) 弹塑性力学方法 弹塑性力学方法将桩周土视为均质弹性介质，其应力和变形满足弹性半无限 体内作用有水平力的m i n d l i n 解答，而土中的桩满足薄梁的挠曲微分方程，通过 桩一土接触面上的应力平衡和桩土位移协调解桩的挠曲和内力。 该方法首先由p o u l o s “”“”( 1 9 7 3 ) 提出，他利用有限差分法解决了设置在变形 模量e 。、屈服压力为p 。的理想弹塑性材料中的单桩问题。桩土之间的相互作用 力由m i n d l i n 方程求得，并通过桩土位移协调把桩土体系有机地结合在一起。此 法假设桩受水平荷载时桩一土界面土体为线弹性，并认为土反力达到极限值时土 体屈服，因而可以分析桩周土体运动时桩的弯矩和变位。 运用弹塑性力学方法需确定土的弹性模量e 。、土的屈服压力p 。及无桩时土 的水平位移。l c a n i z o 和m m e r i n o ( 1 9 7 7 ) 给出了表格以确定在特征长度为b 、不 同竖向基本荷载下线弹性半无限介质中的水平位移。当实际土体可以简化为均质 一各向同性弹性体时，以上方法是有实用价值的。但该方法不适用非均质土体。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 数值方法 由于工程实践中遇到更多的是非均质土、成层土以及桩和土的非线性等无法 采用解析解的问题，因而随着计算机技术的迅速发展，数值计算方法逐渐成了首 选的方法。该类方法将桩和土介质均采用有限差分、有限元、边界元等离散数值 模型来模拟，以便更灵活地采用土的非线性应力应变关系来描述桩周土的特性。 b o w l e s “5 1 ( 1 9 8 2 ) 提出了将桩顶作用有任意荷载的桩视为弹性地基内的梁柱 单元的有限元矩阵分析法。该方法适用于桩侧向地基反力系数随深度呈各种变化 的情况，可用于分析桩身全部埋入土中或部分埋入土中的直桩的变形和内力。但 该方法在确定桩侧摩阻力时需用仪器进行桩荷载试验测量沿桩身各点的应变s 来 得到，需现场测量。 王桂钦、茜平一“”对b o w l e s 方法进行了改进，给出了能考虑桩周土蠕变特 性的竖向荷载作用下被动弯曲桩进一步变形和内力分析的有限元计算方法。该方 法考虑的地基反力模型为k u p p u sa i i l y 和b u s l o v ( 1 9 8 7 ) 提出的水平荷载桩桩周土 一维粘弹性蠕变模型。7 1 ： 三：；e x p ( 三一1 ) 上e 。 ( 1 4 ) 对上式进行积分，可得应变s 为： 5 云+ 志卜一纠 民( 1 _ 三) 磊i 1h 。玎”j j 2 s “+ g 。 ( 1 5 ) 目为土的初始模量，近似等于弹性模量点0 ；s 。，为弹性应变；占。为粘性应 变。 定义2 寺，可得： 丘，( ，f ) = e 。 h x 忙t 纠 ( 1 6 ) 第一章绪论 式中：e ，为随应力和时间变化的蠕变模量。 将式( 1 _ 6 ) 用于分析水平荷载桩时，由于水平荷载桩的水平地基与桩周土中 的剪应力成正比，则可用桩的水平地基反力p 代替( 1 6 ) 式中的r 来进行蠕变分 析。此时桩被视为宽度为6 、支撑在粘弹性弹簧上的梁，起水平挠度为： “= “。f + “甜 ( 1 7 ) 式中：= 加t ，为桩的弹性挠度，k 为桩周土弹性地基反力系数： z ，。= 加七。，为桩的蠕变挠度，女。为f 时段桩周土蠕变反力系数，按下 式计算： k = 女。( 1 一上) ( 1 8 ) pu j 式中：p 。，为地基土极限水平反力。 运用该方法需要确定土的粘滞系数叩、土的极限模量e 。、土的极限抗力f 桩周土弹性地基反力系数、桩周土极限地基反力系数k 、地基土极限水平反 力p 。，由于需要确定的参数多，这使得该方法在实践工程中的应用受到限制。 除了上面理论计算之外，国内外一些研究者做了室内试验。赵学勤等人 ( 1 9 8 1 ) 研究了斜桩水平承载力问题，采用原位试验的方法，测试了斜一斜、斜 一直、直一直有承台双桩以及直桩的桩顶荷载一位移和桩身应变，并采用c 法分 析了实测资料。研究结果认为，同样水平荷载作用下斜一斜双桩的水平位移比直 一直双桩约小了一半，组合斜桩( 斜一斜双桩) 的单桩水平位移是单个直桩的1 3 ， 研究结果认为组合斜桩的水平承载力明显优于直桩合斜一直双桩。 m e y e r h o f ( 1 9 9 5 ) 及s a s t r y m e y e r h o f ( 1 9 9 5 ) 采用模型试验的方法研究 偏心以及倾斜荷载作用弹性桩的荷载一变形规律，结合以前研究的成果，给出桩 顶极限弯矩和极限剪力的经验公式。m e y e r h o f y a l c i n ( 1 9 9 3 ) 及m e y e r h o f ( 1 9 9 5 ) 采用模型试验的方法研究了斜桩在倾斜荷载下的受力一变形特性，给出斜桩不同 倾角以及荷载不同倾角桩顶水平位移和径向位移随荷载变化曲线。 z h a n g 等人( 1 9 9 9 ) 用离心机在砂土中做水平荷载斜桩模型试验，给出了不 同相对密度不同内摩擦角砂土中不同倾角斜桩水平荷载一水平位移曲线，这些曲 线有相似的规律，但这些结果同人们习惯性的结论不完全一致。 上述试验研究，得到了许多规律性的认识，对斜桩的研究作出了重要贡献， 但很少在工程实际中得到验证，还很难指导工程设计和施工。 广东工业大学工学硕士学位论文 本文也在b 0 w l e s 方法上进行改进，桩与土之间工作机理采用荷载传递函数 法，假设桩一土之间存在相对位移，桩一土相互作用力是相对位移的函数，以模 拟桩一土之间的塑性作用，避免了现场测量的限制，也避免了测定多参数所带来 的麻烦和误差，在实践工程中有应用价值。 1 3 2 偏斜桩群桩的研究现状 群桩分析是一个非常复杂的问题，它涉及到众多因素，一般说来，这些因素 包括群桩几何尺寸( 如桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等) 、成 桩工艺、桩基施工与流程、土的类别与性质、土层剖面的变化、荷载的大小、荷 载的持续时间以及承台设置方式等。但是对于其中的不少因素，人们尚未开展试 验。有斜桩群桩的承载力问题，就更加复杂了。对于有斜桩的群桩基础的分析计 算即理论计算，目前极少文献报道，而对于把地基梁与群桩作为一个体系来分析 的更少有文献涉及。 马远刚、茜平一在上面所采用的数值方法分析偏斜单桩的基础上，通过引入 群桩影响系数和采用有限元与有限差分相结合的方法进行多桩分析，用c 1 e s e r 差分格式将桩离散，采用有限元确定土位移分布，采用有限差分方法确定桩的工 作性状。但如上所述，由于需要确定的参数多，这使得该方法在实践工程中的应 用受到限制，该方法不能考虑地基梁的影响。 z h a n g 等人( 2 0 0 2 ) 用离心机做斜桩群桩水平承载力模型试验，研究斜桩群 桩抵抗水平荷载的能力和特点。按照群桩中斜桩不同布置方式和倾角以及土的不 同相对密度，分别在桩顶加载不同的竖向荷载，发现桩顶竖向荷载作用对水平承 载力的影响很小。 浙江大学吕凡任( 2 0 0 4 ) 对倾斜荷载作用下斜桩基础工作性状进行研究时提 出了广义弹性理论法，该法在弹性理论法的基础上，假设桩一土之间存在相对位 移，桩一土相互作用力是相对位移的函数，以模拟桩一土之间的塑性作用，这种 方法可以分析斜桩以及有斜桩的群桩基础，但该法只分析斜桩受力时荷载和位移 的关系，并不能分析斜桩受力时的桩身弯矩。 第一章绪论 1 3 3 偏斜预应力管桩处理的研究现状 处理偏斜预应力管桩一般仅考虑其竖向承载力会不会因偏斜值过大而降低， 根据现场对偏斜桩的静载试验结果，如果其竖向承载力降低了，就补桩，如果没 有降低，则仅在管桩上部加插筋、灌混凝土芯，这些方法都没有考虑管桩因偏斜 造成抗弯能力不足的问题。常规的插筋、灌：占法，把空心管桩变成实心管桩，按 公式盯= 尝计算，其抗弯能力仅增加1 5 左右，效果不大。但是，桩身垂直偏 彬 斜值过大，会降低基桩的竖向承载力，桩身出现水平裂缝。降低耐久性；另一方 面，偏斜是在桩顶空载时发生的，偏斜桩在工作状态下，偏斜值会继续增加，产 生裂缝或裂缝进一步扩大，也是一个问题。桩基规范中的m 法计算公式，相应桩 顶面处的水平位移约1 0 m ，而偏斜桩时压弯构件，桩项的水平位移可达数十厘米 甚至更多。目前处理偏斜桩依然是老办法，倾斜无序的斜桩，若其桩身质量仍是 i 、i i 类桩，竖向承载力又仍能满足设计要求，该批桩可不作处理；若偏斜桩的 桩身质量仍是i 、i i 类桩，竖向承载力不足，则应补桩：若该偏斜的桩身质量为 i i i 、类桩，应考虑其耐久性问题，如不报废，可在桩问用水泥搅拌桩加固桩周 土层；基坑坍塌，挤压基桩，可能造成偏斜桩在同一方向倾斜，应考虑群桩失稳 的可能性，若采用纠偏方法，偏斜桩纠正之后，应再作桩身质量完好性检测。 基桩偏斜是目前带有普遍性的一项质量通病，上述处理没有考虑偏斜桩在群 桩中的整体效应，偏斜桩是与承台连在一起来共同承担上部结构传来的荷载，如 果单从桩的偏斜度和单根偏斜桩的承载力来判断其承载力，这并不是很合理。需 要把多根偏斜桩、承台与土当作一个整体来考虑，才能符合客观事实，在有些情 况下，还必须考虑地基梁的作用。为避免盲目性，保证耐久性，偏斜桩的受力机 理需要进入深入的分析和研究，特别是偏斜单桩与偏斜群桩受力机理的区别更需 深入研究，这样才能得到一套合理的理论和方法来解决斜桩问题。如何正确评价 偏斜预应力管桩的结构承载力及偏斜桩的处理问题，是实际工程中迫切需要解决 的问题，也是本文所研究的目的。 1 4 本文主要研究工作 对于偏斜预应力管桩的研究，还处于现场试验阶段，理论研究很少。由于 广东工业大学工学硕士学位论文 实际工程中预应力管桩偏斜问题屡见不鲜，本文对偏斜预应力管桩的工作性状进 行研究。本课题主要内容有两部分：第一，基于数值方法的基础上，对b o w l e s 方法分析偏斜单桩进行改进，桩与土之间工作机理改用采用荷载传递函数法，假 设桩一土之间存在相对位移，桩一土相互作用力是相对位移的函数，以模拟桩一 土之间的塑性作用，避免了现场测量的限制，最后采用f o r t r a n 程序进行有限元 编程，以此分析偏斜预应力管桩单桩的工作性能；第二，建立偏斜桩力学模型， 利用有限元软件a n s y s 实现该模型的计算，先用该模型分析偏斜预应力管桩单 桩，将该法的计算结果与f o r t m n 程序法计算偏斜单桩的结果进行对比，得出 该法计算结果与程序法计算结果基本上吻合，从而保证了用a n s y s 建立模型分析 偏斜预应力管桩具有一定的合理性，以此分析偏斜预应力管桩群桩的工作性能。 本文所研究内容的特点在于能够考虑补桩和地基梁对偏斜桩工作性状的影响，以 及深入分析偏斜单桩和群桩受力机理的区别，最后，得出一些对偏斜预应力管桩 加固处理具有指导意义的结论，其具体工作主要有： ( 1 ) 在分析土与结构物剪切试验所获得的摩擦力和位移关系曲线基础 上，假设桩一土之间存在相对位移，桩一土相互作用力是相对位 移的函数，以模拟桩一土之间的塑性作用，建立偏斜桩在荷载作 用下的分析模型，并给出模型参数的确定方法，编制偏斜单桩在 荷载作用下的有限元分析程序； ( 2 ) 分析偏斜预应力管桩单桩承载力的影响因素； ( 3 )利用目前流行的有限元分析软件a n s y s 建立偏斜预应力管桩模 型，用其体元粘结功能模拟土体分层特性，用d p 材料模拟土非线 性特性，同时考虑了桩体系影响范围，从而解决了边界条件的确 定问题： ( 4 ) 分析偏斜预应力管桩群桩承载力的影响因素； ( 5 ) 分析补桩加固对偏斜预应力管桩群桩承载力的影响； ( 6 ) 分析地基梁对偏斜预应力管桩群桩承载力的影响： ( 7 ) 通过实例分析偏斜单桩和偏斜群桩受力区别，采用本文的理论分 析对实际工程中偏斜桩加固处理进行指导。 第二章偏斜预应力管桩单桩的工作性状 第二章偏斜预应力管桩单桩的工作性状 2 1 引言 有限元法是一种可以求解复杂工程的数值方法，它是建立在现代计算机技术 和工程问题基本理论基础上，对理论推导无法解决、室内试验难以实旌的工程问 题进行“数值模拟”的一种研究手段，它具有几个突出的优点：( 1 ) 可以解决非 线性问题；( 2 ) 易于处理非均质材料、各向异性材料；( 3 ) 能够适应各种复杂的 边界条件。经过多年的努力，有限元法无论从理论上还是在实用技术上都趋于完 善，已成为有效求解各种实际工程问题的方法之一。 本章基于有限元数值方法的基础上，对b 0 w l e s 方法分析偏斜单桩进行改进， 假设桩一土之间存在相对位移，桩一土相互作用力是相对位移的函数，以模拟桩 一土之间的塑性作用，避免了现场测量的限制，最后采用f o r t r a n 程序进行有限 元编程，以此分析偏斜预应力管桩单桩的工作性状。 2 2 桩单元分析 b o w l e s 。”将偏斜桩划分为 个长为厶、直径为d 的单元( 见图2 一1 ) ，各单元 轴线假定为直线，与水平面的夹角为口。对任一结点，由静力平衡条件可写出： 只= 4 e ( 2 1 ) 式中：p f 结点外力，包括力和弯矩； 丘f 结点比例常数； f f 结点处桩身内力( 包括力和弯矩) 广东工业太学工学硕士学位论文 p 1p 1 一l a ) 实际偏斜桩 p ( 3 p ( 3 十1 ) ( p ( 33 ) ( 3 己) r 2 l ( 6 i ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) f 耻 (，吲川、陟善 q j q q 坐厶丝 = = 巧 巴 第二章偏斜预应力管桩单桩的工作性状 ( 2 1 5 ) 曩象i ) 弦 疋= 墨e 。j 此处k 为“土弹簧”系数，k = d - 厶一k 为地基反力系数。 由式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) ，可得出各单元在局部坐标系下的刚 度矩阵墨为： s ：= 丝丝。 工i三f 丝丝。 工上。 oo 坐 三。 0oo 0oo 000 00o 00o 00o 坐oo 三 0k 二 o 0ok ： ( 2 1 7 ) 对每一个单元建立蹦7 和4 删7 矩阵，再通过迭加形成整体坐标下总的爿剐7 矩阵，即得到总体刚度矩阵。 确定总体刚度矩阵后，通过求解式( 2 2 ) 、式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 、 和式( 2 7 ) ，即可求出偏斜预应力管桩在荷载作用下的内力和位移的增量值。将 计算结果与桩各结点处初始挠度和内力迭加，偏斜预应力管桩单元各结点总的内 力和位移。 2 4 桩的侧阻荷载传递函数及参数的选取 通常计算桩侧摩阻力由半经验的传递函数表示，较常见的有a k e z d i 、佐滕 悟、w s g a r d n e r 分别所提出的指数函数式、折线式( 弹塑性关系) 、双曲线式三 种形式呻1 ，见下图2 4 。 ( a ) 指数函数法：a k e z d i ( 1 9 5 7 ) 假定传递函数为指数函数曲线形式，即： 勺 气 型型厶 = = e 广东工业大学工学硕士学位论文 q s q s u 收 复 避 d 甜 q s q s u _ r 岛 世 趟 芒 0 位移 s us o s 。位移 s q s = k y z t g 曲 1 一e x p ( 一三羔) q 。：c 。s ( 当s s 。) a ) a l ( e z d i b ) 佐腾悟 q s q s “ r 望 粒 划 丹 0 位移s 。s l q s = a s ( 焉) f 嘻2 4s e v e m lg r a p ho f l o a dt r a n s f e r 矗m c t i o n 舻骢妒卜p ( _ 当 泣 式中： 世土侧压力系数； ”庐土的重度及内摩擦角： s 。桩侧土摩阻力充分发挥时的极限桩对相对位移； 与土的类别及密实度有关的系数。 t ：s 。墼 ( 2 1 9 ) i g o ( b ) 弹塑性关系，如图2 4 b ，佐滕悟( 1 9 6 5 ) 假定传递函数为理想线弹性 塑性关系： 当s s 。( g s 。( q = 瓯) 时，g = q 。= 常数 ( 2 2 1 ) 式中： c ，土的弹性阶段单位位移桩侧摩阻力； 9 0 桩侧摩阻力极限值； 2 0 第二章偏斜预应力管桩单桩的工作性状 s 。桩侧摩阻力达到极限值时桩土间的位移值。 ( c ) 双曲线，如图2 4 c ，w s g a r d n e r 假定传递函数为双曲线，即： ，( 专爿 亿z z ， 式中： k 、一均为试验常数。 近几年来，国内外的其他一些学者对传递函数进行了研究和探讨，提出了荷 载传递函数的一些计算方法和计算模式。潘时声( 1 9 9 1 ) 假定传递函数为双曲线 函数、指数函数和其他一些函数组合而成的复合函数啪1 ，即： 铲若+ 蒂+ 希托( 1 h 萨坞妒z 。) 式中： 口1 、2 吣6 6 均为常系数。 另外，我国岩土工程师和学者通过对试桩实验数据的分析、计算，总结出某 些区域相应于某种桩基形式的荷载传递函数关系及其中参数的确定。如西南交通 大学夏永承( 1 9 9 1 ) 得到的嵌岩桩的轴向荷载传递系数为幂函数，即： 石：) = 鼢； ( 2 2 4 ) 式中： 参数= z 4 参数口= + l z ，、口l 回归