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摘要 大直径灌注筒桩承载性状研究 摘要 本文采用解析算法，就考虑土芯作用下的筒桩竖向承载力计算、筒桩在竖向与水平 向力同时作用下的性状分析、双排桩海堤筒桩结构内力与位移计算等三个方面展开了较 为深入细致的研究。主要工作和研究成果如下： 1 考虑筒桩土芯分担荷载以及筒桩与土芯内摩阻力发挥情况，采用弹塑性荷载传递 函数推导出了筒桩的竖向荷载一沉降关系的解析表达式，并计算得到任意截面桩身轴力 及内外侧摩阻力的表达式。计算表明：土芯顶端分担的荷载以及筒桩内侧摩阻力随着桩 顶荷载、桩土模量比、筒桩内外径比的变化而变化；在单桩荷载一沉降曲线中，、c h 和女越大，桩项极限承载力越大，对应桩顶沉降量也越大。 2 在现行m 法假设的基础上导出了筒桩单桩在竖向集中荷载、水平向荷载、桩身 自重以及桩内外侧摩阻力耦合作用下的计算公式，首次把自由段荷载的作用耦合进来。 计算表明：桩身弯矩值和桩身变位随着桩顶轴力p 的增大而提高，当基桩自由长度和竖 向荷载较大时，p 一效应不可忽略；桩身自重以及桩周内外摩阻力对桩身弯矩和桩身 变形的影响很小，数量级在1 酽，计算时可忽略他们其对桩身内力的影响：随着埋入深 度的增大，桩身最大弯矩和桩顶水平变位都增大，但是埋入深度增大一定值，桩身弯矩 和桩身变位趋于稳定：桩顶水平变位和桩身最大弯矩随着各参数桩项弯矩或桩顶水 平力、自由长度、桩身弹性模量和水平地基抗力系数、自由段荷载等的增大而增大，其 中，桩项水平力对桩身最大弯矩和桩顶水平变位的影响最大。 3 介绍了几种筒桩海堤的结构型式，并应用结构位移法求解了双排桩海堤各桩的等 效桩顶荷载。对桩顶挠度系数、桩顶刚度系数、顶板的位移和转角进行了求解，最后将 作用于筒桩海堤的荷载等效至各桩头。 4 计算了施工期荷载作用下单桩受力、海堤旌工期短暂作用效应组合以及正常使用 下作用效应的持久组合3 种工况下的桩身弯矩和桩身水平变位。计算表明：正常使用下 作用效应的持久组合工况下靠陆侧桩身有最大值弯矩；旌工作用效应的短暂组合工况下 靠陆侧桩身弯矩是从桩顶至桩头逐渐衰减的。分析了桩间距e 、排间距最的变化对筒桩 海堤荷载传递性状的影响。 塑兰查兰丝主兰堡堡兰 ：竺! 兰! 旦 关键词： 灌注筒桩；承载性状：荷载传递；自由荷载；解析解：双排桩 l l a b s t r a o t l o a db e a i u n gc h a r a c t e r i s t i cs t u d i e so f l a r g e d l u e t e rt u b u l a rp i l e su s l n g c a s l 一i n p l a c ec o n c r e t e a bs - 嗣r a c t c o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g ed i a m e t e rc a s t - i n - s i t ut u b u l a r p i l e si sd i f f e r e n tf r o mt h a to fo r d i n a r yc a s t - i n - p l a c ep i l e so rs t e e lp i p ep i l e s ，w h i c hb r i n go n t h ep a r t i c u l a r i t yo ft u b u l a rp i l e sb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c u s i n ga n a l y t i c a la r i t h m e t i c ，t h r e e a s p e c t sh a v eb e e ns t u d i e dt h a ta r et u b u l a rp i l e sv e r t i c a lb e 撕n gf o r c ec o n s i d e r i n gs o i lc o r e s f u n c t i o n ，t u b u l a rp i l e sb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i cu n d e rv e r t i c a la n dt r a n s v e r s el o a d ，a n ds t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to fd o u b l e - r o w p i l es e aw a l l sp i l e s t h em a i no r i g i n a lw o r ka n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 w i t he l a s t i c - p l a s t i cl o a dt r a n s f e rf u n c t i o n ，as e to fa n a l y t i c a le q u a t i o n sf o rt h ea x i a l l o a d s e t t l e m e n tc u r v eo fc a s t - - i n - - s i t ut u b u l a rp i l eh a v eb e e nd e d u c e dt od e t e r m i n et h ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ea c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n to f t h ep i l et o p t h ed i s t r i b u t i o ne q u a t i o n s o fa x i a lf o r c ea n df r i c t i o na l o n gp i l ec a nb eg o t t e n 1 ts h o w st h a tf o r c es o i lc o r eb e a r e da n d f r i c t i o nw i l lc h a n g ef o l l o w i n gt h ep i l et o pl o a d ，p i l ea n ds o i le l a s t i c i t ym o d u l u sr a t i oa n d p i l e si n n e ra n do u t e rd i a m e t e rr a t i o i ns i n g l ep i l e sl o a d s e t t l e m e n tc u r v e ，t h el o n g e rp i l e l e n g t hi so rt h eb i g g e rqa n di 。i s ，t h eb i g g e rt h eu l t i m a t er e s i s t a n c eo f t h ep i l ei s ，t h e nt h e b i g g e rt h es e a l e m e n ti s 2 o nt h eb a s i so f m m e t h o d ，c o u p l i n gf o r m u l a sh a v eb e e ng o r e nw h e ns i n g l ep i l ei s l o a d e du n d e rt h el o a dc o m b i n a t i o no fv e r t i c a lf o c u sl o a d ，t r a n s v e r s el o a d ，p i l e ss e l f - w e i i g h t a n di t si n n e ra n do u t e rf r i c t i o n a n df r e el o a di sc o n c l u d e di nf o rt h ef i r s tt i m e i ts h o w st h a t p ae f f e c tc a n tb ei g n o r e dw h e nt h ef r e e l e n g t ha n dv e r t i c a ll o a da r eb i g a n dp i l e s d e a d w e i g h ta n di t sf r i c t i o nh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nd i s t o r t i o na n db e n d i n gf o r c ea l o n gp i l e 1 1 1 et o pt r a n s v e r s ed i s t o r t i o na n dt h em o s tb e n d i n gf o r c eh a v et h es a l n ec u r r e n tw i t ht h et o p b e n d i n gf o r c e ，t h et o pt r a n s v e r s ef o r c e ，f r e el e n g t h ，p i l e sd i a m e t e r , e t e ，i nw h i c ht h et o p t r a n s v e r s ef o r c eh a st h eb i g g e s ti n f l u e n c eo np i l e sm o s tb e n d i n gf o r c ea n dt h et o pt r a n s v e r s e d i s t o r t i o n 3 s e v e r a lk i n d so fs e aw a l ls t r u c t u r e sa r ei n t r o d u c ei nt h i sp a p e r , e q u i v a l e n tp i l et o pl o a d o fe a c hp i l eo f d o u b l e r o w - p i l es e aw a l lw a sg o t t e nb yt h em e t h o do fs t r u c t u r ed i s p l a c e m e n t 1 1 1 浙江大学博士学位论文 2 0 0 5 年9 月 f i r s tp i l et o pd i s t o r t i o nc o e f f i c i e n t ，t o pr i g i dc o e f f i c i e n t ，t i pb o a r d sd i s p l a c e m e n ta n di t s c o m e ra r ec a l c u l a t e d ，t h e nt h el o a d sa c t i n go nt h et i po ft h es e aw a l la r ee q u i v a l e n tt oe a c h p i l et o p 4 b e n d i n gf o r c ea n dt r a n s v e r s ed i s t o r t i o na l o n gp i l ea r ec a l c u l a t e di nt h r e ek i n d so f w o r k i n gc o n d i t i o n s ，w h i c ha r es i n g l ep i l eu n d e rl o a di nc o n s t r u c t i o np e r i o d ，f u g a c i o u sl o a d d o m i n oe f f e c tc o m b i n a t i o ni ns e aw a l lc o n s t r u c t i o np e r i o da n dp e r m a n e n tl o a dd o m i n oe f f e c t c o m b i n a t i o ni nc o m m o nu s i n gp e r i o d i ts h o w st h a tp i l eh a st h eb i g g e s tb e n d i n gf o r c ev a l u e u n d e rt h et h i r dw o r k i n gc o n d i t i o n ，b e n d i n gf o r c ed e c r e a s ea l o n gt h ep i l ef r o mt h ep i l et o p u n d e rt h es e c o n dw o r k i n gc o n d i t i o n i n f l u e n c eo fc h a n g e so fp i l es p a c eb e t w e e na n dr o w s p a c eb e t w e e n t ol o a dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fs e aw a l li sa n a l y z e d k e yw o r d s ：c a s t i n p l a c et u b u l a rp i l e s ；b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c ；l o a dt r a n s f e r ；f r e el o a d a n a l y t i c a ls o l u t i o n ：d o u b l e - r o wp i l e s l v 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 大直径现浇混凝土薄壁筒桩又称沉管灌注筒桩( 本文后面简称简桩) ，就目前沉桩 能力及其性状而言，筒桩适用于饱和软土、锻粘土、粉土中。筒桩的外径d 在中8 0 0 m m 中1 5 0 0m m ，壁厚t 在1 0 0m m 2 5 0i l l n ，桩体全部采用现浇的素混凝土或钢筋混凝土 一次成型完成。筒桩技术为旌工机械采用振动沉模、现场浇筑混凝土的一次性成桩技术， 可快速加固较软弱地基使其满足各类工程设计要求。这项技术在我国东南沿海软弱粘性 上地区已得到较广范围的应用，已应用于海洋工程( 如温州鹿西岛双排桩防浪堤和广州 大亚湾石化工业区双排桩海堤) 、交通道路工程( 如杭州绕城高速公路、杭宁高速公路 软基处理) 、工民建工程( 如杭州市罗马公寓) 和水利i ：程( 如上海浦南东片出海阐导 流堤) 等。 存软弱地基处理中，筒桩在振动成桩过程中大量土不是挤向周围而是被内管套入其 中，并且内管上部有溢出通道，受挤土只是少数，它属于弱挤土桩；并且从混凝土构件 抗弯能力计算可知，断面中心部位混凝土所起的作用也可忽略不计，受力并不需要全断 面，筒桩用合理的材料获取有效的结构效应。筒桩汲取钻孔灌注桩桩径大，桩长可调节 和沉管灌注桩设备简单，旌工速度快等优点，又克服钻孔灌注桩泥浆护壁的泥皮减弱了 侧摩阻力，桩端的沉渣减弱了桩端承载力，施工进度慢和沉管灌注桩挤土常导致桩身缩 颈、离析和断裂缺点，并且具有良好的结构和经济性能，从而具有较大的经济、社会效 益和广阔的市场前景。但是由于其本身施工工艺的限制，例如内、外两层钢套管接桩的 困难，所以筒桩施工深度受单节钢套管的限制，在深厚软土地区，桩端往往不能达到良 好持力层；另外在软土、特别是具有深厚软粘土的海洋工程应用中，灌注混凝土时，混 凝土总是挤向土芯而造成混凝土充盈系数大大提高，从而增大经济指标。筒桩是一种新 型桩型，其施工工艺和作用机理有待于在实践应用中不断改进和完善。 由上可知，筒桩有别于一股实心桩的结构特点，进行竖向荷载和水平向荷载作用下 筒桩单桩和排桩的研究工作既有理论意思又有实际工程应用价值。 浙江大学博士学位论文 大直径灌注筒状受力性状研究 1 2 国内外研究现状 我国沿海及内地湖泊地区存在大量的软土地层等不良地质条件，软土地基普遍存在 的承载力和沉降等问题，考察当前软弱土地基处理方法的适用性和局限性的基础上，发 展了筒桩技术。其理论研究与工程实践是紧密结合的。 1 2 1筒桩应用研究现状 1 竖向荷载下筒桩的研究现状 桩基础设计满足两个方面的要求，其一是桩身结构强度满足要求：其二要求桩与地 基土之间作用是稳定的，并且满足上部结构的强度和变形要求。即桩受到建筑物传递来 的竖向和水平向等各种荷载作用，土能提供给桩足够的承载力，同时桩不产生过量的沉 降和变形或过大的沉降差。竖向承载力与变形汁算是工程中最关心的其中两个问题。在 筒桩的竖向承载力研究方面，温淑莲等( 2 0 0 2 ) 、朱向荣等( 2 0 0 3 ) 、刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 提出了一些简化计算方法并用于实际工程设计。为了分析筒桩竖向荷载作用下的荷载传 递性状，叶俊能( 2 0 0 3 ) 、费康等( 2 0 0 4 ) 、张晓健等( 2 0 0 4 ) 、姜陈钊( 2 0 0 4 ) 、郭平( 2 0 0 5 ) 、 龚迪快( 2 0 0 5 ) 等进行了室内外试验、解析理论和数值计算( 如f e m ) 等研究工作， 使筒桩竖向承载力计算有了较大进展。 温淑莲等( 2 0 0 2 ) 探讨了用于软基处理的筒桩竖向承载力计算方法。提出桩承载力 由桩外侧摩擦力、桩内侧摩擦力和桩端阻力三部分组成，其中桩外侧摩擦力取值可参考 钻孔灌注桩的取值；对于桩端阻力，认为与钢管桩相似，考虑底端闭塞效应，桩端阻力 p = a 。仃。a ，其中五。为桩底端闭塞效应系数，取o 5 ；盯。为桩端阻力值，参考钻孔灌注 桩取值；a 为桩端面积。用该计算方法所得的结果与实际观测值进行了比较，结果之间 的差值约为实际观测值的2 0 左右，于是认为该计算方法基本符合实际情况。此种方法 没有考虑桩内侧摩擦力的影响，认为桩内侧摩擦力为零。 朱向荣等( 2 0 0 3 ) 提出了筒桩承载力的经验计算公式，认为筒桩单桩竖向极限承载 力由桩侧摩阻力、桩端阻力和土芯端阻力三部分组成。桩侧摩阻力和桩端阻力的取值可 参考桩基规范，而土芯端阻力缘= r l , q p k a ，其中珥为桩端阻修正系数，取0 1 ；q m 为 参考沉管灌注桩的极限桩端阻力标准值；a ，为土芯截面积。此种方法修正系数r l , 范围太 大，取值带有很大的不确定性。 刘汉龙等( 2 0 0 3 ) 提出了振动沉模大直径现浇管桩复合地基的概念。但在计算复合 2 第一章绪论 地基中管桩的承载力时，认为管桩承载力由桩外侧摩擦力和桩端阻力两部分组成，将内 摩擦力作为安全储备。 为了更深入了解竖向荷载下筒桩的荷载传递性状，国内一些学者做了大量的室内外 试验、解析理论和数值计算( 如f e m ) 等研究工作。室内外试验研究方面，周平等( 2 0 0 3 ) 从设计、施_ 下、加固效果等方面介绍了杭宁高速公路采用现浇混凝土薄壁筒桩加固桥头 路堤软基的应用情况。结果表明筒桩具有良好的群桩基础承载力性能及有效防止软土地 基侧向滑移的能力，对高填方路堤具有良好的抗滑性能；刘芝平等( 2 0 0 3 ) 介绍了现浇 混凝十薄壁管柱技术以及在南京大厂区高填土市政道路软基加固中的应用。通过现场测 试沉柱过程中地面水平位移和桩周土压力的变化，发现薄壁管柱侧向挤- = 效应小；朱向 荣等( 2 0 0 3 ) 介绍了筒桩的成桩设备、施工j l ：艺，认为筒桩在饱和粘土或软粘土地基应 用优势明显。通过两个场地1 2 组试桩的静载荷试验，对筒桩承载特性进行了分析和研 究：张晓健等( 2 0 0 4 ) 通过自行研制的加载系统和量测系统装置，对砂土中筒桩进行了 宰内模型试验。试验所得的荷载沉降曲线结果与采用s e e d 和r e e s e 提出的双曲线荷载 传递函数计算的结果进行了比较，认为采用该试验装置进行室内模型试验研究是切实可 行的，荷载传递函数仍然适用于筒桩，弗且认为筒桩内摩阻力是存在的。建议今后的试 验通过改变壁厚、管径及桩长等参数，或把内部砂土取出来进一步研究桩芯土的性状。 解析理论和数值计算方面，叶俊能( 2 0 0 3 ) 首先利用荷载传递法，考虑桩内土芯内 侧摩阻和端部土塞作用得出筒桩沉降的弹塑性半解析解。然后利用有限元程序与半解析 解对比，分析探讨了影响筒桩荷载一沉降性状的主要因素。但在求解过程中做了很多假 设如筒桩顶面有盖板情况下土芯顶端不分担荷载，全部由筒桩来承担，大大限制了其应 用的范围；随后朱向荣等( 2 0 0 4 ) 采用双折线荷载传递函数，认为内侧摩阻与外侧摩阻 同样荷载传递性状的基础上推导了筒桩竖向荷载一沉降曲线的解析表达式。这种分析方 法与筒桩顶部有盖板或砂垫层的荷载传递性状是不一致的；费康等( 2 0 0 4 a ) 通过有限 元方法研究了筒桩的荷载传递机理。计算分析时，筒桩采用了线弹性模型，土体采用摩 尔一库仑弹塑性模型，桩土间的接触采用c o u l o m b 摩擦模型，考虑了土体的自重初始应 力场。计算结果和静载试验的结果进行了对比，验证了该有限元分析方法。其中分析结 果认为桩顶部桩身应力较小，有一个随着深度增加而增大的长度区问，这是与实际情况 不相符的；费康等( 2 0 0 4 b ) 基于荷载传递法，考虑土塞的作用，提出了一种筒桩单桩 性状的简化分析方法。内外桩土界面上的相互作用模型采用了s m i t h 提出的弹塑性模型， 桩体和土塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟，桩结点和土塞结点之间通过弹 簧与滑块连接，从而在分析中可以考虑土塞和桩的相互作用。采用该方法分析了模拟了 3 浙江大学博士学位论文 大直径灌注筒状受力性状研究 荷载一沉降曲线，计算了桩的内外摩阻力及十芯和桩身的轴力，与现场试验和有限元计 算结果进行比较：姜陈钊( 2 0 0 4 ) 应用p l a x i s 程序分析了筒桩单桩的衙载一沉降曲线 的特征、桩壁内外侧摩阻力的分布、桩端阻力的分布、桩的竖向荷载传递以及孔压消散 规律等：张晓健等( 2 0 0 4 ) 通过自行研制的加载系统和量测系统装置，埘砂土中筒桩进 行了室内模型试验。试验所得的荷载一沉降曲线结果与采用s e e d 和r e e s e 提出的双曲 线荷载传递函数计算的结果进行了比较；龚迪快( 2 0 0 5 ) 通过解析算法，研究了计算内 侧摩阻力的筒桩荷载传递机理。其前提是存在闭塞效应，具有很大的局限与不确定性。 汪鹏程等( 2 0 0 4 ) 应用圆孔扩张理论，分析了筒桩施工挤土效应，并通过比较，得 m 筒桩施工挤土效应远远小丁普通沉管灌注桩或预制实心桩，筒桩可内外承担摩阻力， 承载力高，挤土效应小。筒桩可以显著减小沉桩时的挤士，并且桩径越大，效果越显著。 对于大直径筒桩来说，存在闭塞效应的起始条件及相应情况f 确定桩端阻力，以及 上芯与筒桩内侧摩阻力大小的确定仍然是筒桩设计中一个悬而未决的问题；建立桩顶沉 降与桩基竖向承载力的关系，采用以桩顶沉降量为筒桩设计的控制指标，可在很大程度 上避免桩基的差异沉降，其理论及试验研究均有待深入开展。 近几年来，对竖向荷载下筒桩受力性状进行了广泛而深入的研究，其研究成果大多 集中在工程实录和有限元模拟，有限元等数值分析方法虽然功能强大、适应性强，可较 全面地模拟桩一土相互作用机理，但计算量过于庞大而且复杂，难以实用，且计算参数 的选择和前期建模等工作也有很大难度：由于尺寸效应等因素室内模型试验研究结果不 能正确反映筒桩荷载传递机理，而现场试验则不易测得工作条件下土芯的应力分布、内 侧摩阻力的发挥方式和程度；工程中应用的经验公式则往往直接套用钢管桩和预应力管 桩中桩端土的闭塞效应等效法，不能合理解释简桩土芯作用机理；而己有的解析解的一 些假设条件则大大限制了其使用范围，甚至有些假设条件是不合理的。另外，在地基处 理中，筒桩土芯中是否存在闭塞效应、以及闭塞效应的起始条件及相应情况下桩端阻力 的确定，以及土芯与筒桩内侧摩阻力大小的确定是筒桩设计中有待解决的一个问题。为 了适应工程需求，采用以桩顶沉降量为筒桩设计的控制指标，建立桩顶沉降与桩基竖向 承载力的关系，可在很大程度上避免桩基的差异沉降，其理论及试验研究均有待深入开 展。进行考虑上述因素的解析解研究，对于了解包括土芯在内各参数对筒桩沉降和承载 力的影响、以及对改善工程设计都有现实意义。 2 水平向荷载下筒桩的研究现状 目前筒桩应用在海洋工程和水利工程中已有报道，如温州鹿西岛防浪堤和广州大亚 湾石化工业区海堤，上海浦南东片出海闸导流堤，但是关于筒桩水平荷载下的研究却少 4 。 第一章绪论 有报道。新型筒桩海堤逐渐应用在东南沿海软土地基围海工程中，郭平，王哲等( 2 0 0 4 ， 2 0 0 5 ) 介绍了小排距双排筒桩海堤结构( 排距为8 倍直径以内) 的施工工艺并分析了其 设计讣算原理；陆海源( 2 0 0 4 ) 介绍了大排距双排筒桩海堤结构的施工工艺并分析了其 设计计算原理。它们均是将海堤结构作为重力式挡土结构进行分析。 1 2 2 竖向和水平向荷载共同作用下基桩的研究现状 随羞我国 程建设的高速发展，在高层建筑、桥梁工程、海洋工程、新型海堤护岸 等r 程中桩基应用的日益广泛，基桩在倾斜荷载( 竖向、水平向荷载组合构成倾斜荷载) 作用f 的受力分析研究日益受到重视。在实际工程中基桩单纯承受竖向或水平向荷载作 用的情况很少，往往同时承受竖向和水平向荷载的作用。如桥梁 程中汽车制动力、船 舶或漂流物等对桥墩的撞击力等与车辆和桥梁自重等竖向荷载的组合；高层建筑的娥萄 载、地震力与竖向荷载的组合；海堤等维护结构的土压力、波浪力与车辆、行人荷载的 组合；或由于某种特定条件下使基桩承受倾斜荷载作用。有时竖向荷载是控制荷载，有 时水平荷载又成为控制荷载。基桩在倾斜荷载作用下，一方面水平分力将使桩身产生较 大的弯矩和挠曲变形，另一方面，竖向分力也将由于桩身挠曲变形而产生一附加弯矩， 即所谓的“，一”效应，这一附加弯矩又将影响到桩身挠曲变形的增加。此外，桩侧 土体的抗力分布也非常复杂，因此倾斜荷载下桩的受力性状远比单一竖直或水平荷载单 独作用复杂。由于该问题的复杂性，工程中往往采用简化的计算方法，即将桩顶竖向和 水平向分力分开单独计算，然后再按小变形叠加原理合并其计算的内力和位移，并在桩 身截面强度验算时将截面弯矩乘一偏心距增大系数加以修正。显然，该计算方法不能充 分考虑桩土抗力的发挥特性，不能准确评价倾斜荷载作用对桩身位移和内力的影响，具 有一定的局限性。在水平向荷载较大或倾斜角度较大时，或在土质较软时，该问题尤为 突m 。 倾斜荷载下基桩受力即竖向和水平向荷载同时作用，为了计算倾斜荷载下基桩的极 限承载力和分析其受力性状，国内外一些学者进行了室内外试验、解析理论和数值计算 ( 如f e m ) 等研究工作。目前的主要研究可分为理论分析和试验研究两个方面。 1 倾斜荷载下纂桩的理论分析 横山幸满( 1 9 7 7 ) 给出了地基系数为常数时基桩在倾斜荷载作用f 的解析解答，并 指出，对承受竖向和水平向荷载同时作用下的桩，严格地说应力叠加原理是不适用的。 在此基础上，范文田( 1 9 8 6 ) 对地基系数为常数时倾斜荷载作用下基桩进行了理论分析， 5 。 浙江大学博士学位论文 大直径灌注筒状受力性状研究 给出了基桩侧向位移、转角、弯矩及剪力的解析解答，指出竖向压力对柔性桩受力和变 形的影响足比较显著的，是与桩身的j ：k 应变、桩身材料和地基土性质以及桩身横截面的 几何形状和尺寸等有关。 b a n e r j e e 和d a v i s ( 1 9 7 8 ) 应用边界元法，对强度随深度线性增长的非均质地基土 中的l 司时承受竖向和水平向荷载的单桩进行分析，与试验结果吻合很好。 王用中、张河水( 1 9 8 5 ) 以m 法为摹础，运用有限元法对郑州黄河大桥倾斜荷载作 用f 的基桩进行了计算和探讨。 赵善锐( 1 9 8 7 ) 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倾 斜荷载作用下弯曲桩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。求解微分方程时仍是采用地 基系数为常数。 赵明华( 1 9 8 7 ) 在m 法假设基础上，采用幂级数解给出了考虑桩身自重、桩侧摩阻 力时倾斜荷载作用下柔性桩的解析解答。在此基础上，赵明华、侯运秋、彭文祥等人 ( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 对倾斜荷载下基桩的受力分析做了进一步的深入探讨，提出了相 应的简化分析方法；吴鸣、赵明华等( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 首先采用层状各向同性弹性半空间 地基模型，运用有限元一有限层法分析倾斜荷载下桩土共同作用，提出大变形条件下， 桩与土共同工作的计算模式及竖向承载力的变化：随后，赵明华( 2 0 0 2 ) 采用了改进的 有限元一有限层法，引入了地基加权网l 度的概念，使分析倾斜荷载下基桩的计算模式及 承载力变化更趋合理。 m e y e r h o f ( 1 9 8 9 ) 指出，倾斜荷载下基桩的受力特征可以按桩土相对刚度系数k ，的 大小划分为罔l j 性桩和柔性桩分别计算。砂土中按桩头固定程度的不同k ， o 0 1 o 1 或 粘土中k 。 0 0 1 时为刚性桩，砂土中k 。 0 0 1 o 1 或粘土中k 。 o 0 1 时为柔性桩。 m e y e r h o f 等首先进行了刚性桩在倾斜荷载下的极限承载力性状研究( 1 9 7 2 ，1 9 8 1 ，1 9 8 3 ， 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) ，对单桩、群桩在砂土、粘土或者多层混合地基中进行了不同倾斜 荷载作用的室内模型试验研究及理论研究。t k o u m o t o ，m e y e r h o f 和s a s t r y ( 1 9 8 6 ) 从 倾斜荷载下条形基础承载力理论出发，推导了利用倾斜系数和桩竖向极限承载力相结合 确定刚性桩倾斜极限荷载的简化的计算方法，其理论计算与试验结果吻台良好，后来 m e y e r h o f ( 1 9 8 9 ) 将此方法推广到柔性桩倾斜极限承载力的计算中。在刚性桩研究成果 基础上，随后对柔性桩在倾斜荷载下的极限承载力性状进行了研究( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ，1 9 9 0 ， 1 9 9 1 ，1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) ，对承受变化倾斜荷载的模型桩为单桩、群桩，在砂土、粘土单层 或多层情况下进行了大量研究工作。柔性桩的性状比刚性桩更加复杂，较简单的方法是 6 第一章绪论 利用刚性桩“有效埋置深度”方法，将柔性桩等效为一定长度的刚性桩，然后利用求解 刚性桩有关理论求解柔性桩。 刘金砺( 1 9 9 0 ) 对桩顶竖向荷载对水平向承载力的影响进行了论述，该影响取决于 水平向荷载卜 桩的破坏机理，对桩身强度较高的钢管桩、预制钢筋混凝u 七桩，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，使桩身由受弯状念转变为偏压状态，从而提高桩的水平向 极限荷载。 2 倾斜荷载下基桩的试验研究 在2 0 世纪7 0 年代，美国基础工程手册报道了p e t r a s o v i t e s 和a w a d 的模型试验 ( 1 9 6 8 ) 。该试验采用人造金刚砂( 密度3 9 5g c m 3 ，内摩擦角3 7 5 。，孔隙率4 8 ) 作为地基土，模型桩最大长度为5 0c m ，直径1 3 1 5c m ，通过试验得出了不同荷载倾 角f 的极u 艮承载力。 有关倾斜荷载作用下基桩的试验研究，m e y e r h o f 和s a s t r y 等人做了大量工作。他们 首先分析了倾斜荷载下刚性桩的极限承载力和位移( 1 9 6 0 ，1 9 6 3 ) ；接着在均质土和双 层地基土中对刚性垂直桩和斜桩及小型桩进行了模型试验( 1 9 6 5 ，1 9 7 2 ，1 9 7 3 ) ；然后， 又进行了较大规模的刚性模型桩试验( 1 9 8 3 ，1 9 8 5 ，1 9 8 6 ) ；此后，在刚性桩的研究基 础上，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( 1 9 8 9 ，1 9 9 0 ，1 9 9 1 ，1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 。m e y e r h o f 等人对柔性桩的 研究工作，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。研究成果主要可分为理论和实测两部分。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实测工作，以及与理论分析值的比较，其工程桩分别设 置在砂土、粘土单层或多层土中。m e y e r h o f 等人( 1 9 8 1 ) 通过大量实测资料分析比较， 应用极坐标系得出了确定倾斜荷载下极限承载力的椭圆表达经验公式( 式1 2 ) ，试验结 果表明，倾斜极限荷载q 0 随倾角目的增大而减小。m e y e r h o f 等人通过对倾斜荷载下群 桩研究，得出了一些规律性的描述。 f 丝! ! ! 玎+ f 螋 2 ：1 ( 1 - 2 ) l q v jl q h j 式中q v 、q h 分别为竖直和水平极限承载力。 赵明华、侯运秋、吴鸣等人( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 以铝管在砂箱内进 7 浙江大学博士学位论文大直径灌注筒状受力性状研究 行了变化的桩长、桩身截面、设置倾角、桩顶自由长度以及双层地基等情况下4 i 同倾斜 荷载作用卜的室内模型桩试验。通过试验分析，提出了倾斜荷载作用1 - 基桩承载力与倾 角的椭圆曲线关系式，对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。 文松霖( 2 0 0 4 ) 进行了倾斜荷载作用下扩底模型桩的试验研究，初步查明了不同荷 载组合作用下扩底桩的承载力机理和屈服包络线的基本特性。 由于实心桩和钢管桩在倾斜荷载下的研究起步较早，其研究成果丰硕，这就为筒桩 倾斜荷载下受力性状的研究提供了一些理论和经验方面的借鉴。目前，倾斜荷载下基桩 性状研究大多限于试验研究，其成果多为定性描述和试验公式：关于这方面的理论研究 也没有考虑桩基自由段水平向荷载的影响。而在一些支护工程和海洋工程中，自由段往 往作用着各种荷载，如波浪力、土压力等等。丌展倾斜荷载作用下自由段作用有任意荷 载的单桩和群桩研究，具有较高的理论价值和工程实际意义。 1 2 3 双排桩支护结构研究现状 “双排桩”本身是一种没有明确结构概念的提法，排桩之间可以并无连接、只是地 基土填充，也可以是由结构构件连接：可以承受竖向荷载，也可以用来承受水平荷载。 _ _ 程中常用的双排桩结构，指的是双排桩支护结构，是在地基土上打设具有一定排间距 的两排桩，桩可以成矩形排列或三角形排列，桩间采用某种结构型式连接( 目前多采用 桩顶用联系梁或盖板连接) ，主要用来承受水平荷载的一种支护结构型式。国外首先进 行了大排距双排桩结构( 排距大于8 倍桩直径) 的理论和试验研究( m a s a t o s h is a w a g u e h i ， 1 9 7 4 ；大堀晃一，1 9 8 4 ；菊池喜昭等，1 9 9 1 ) ，在我国，2 0 世纪9 0 初，开始进行小排距 双排桩结构的研究。目前，该结构在基坑支护、边坡防护、临时围堰等工程领域广泛应 用，并逐渐应用于围海岸堤、防波堤、码头等海洋结构建筑中。 m a s a t o s h is a w a g u c h i ( 1 9 7 4 ) 首先对大排距双排桩结构进行了理论研究工作，提出了 双层板桩的理论解。把地基土上面部分的板桩和排桩问填砂作为弹性复合体，地基部分 作为弹性水平地基弹簧将其模型化，地基上部利用水平微段力的平衡，建立了双排板桩 结构的两个基本偏微分方程，并按六种边界条件进行了解析求解。 大堀晃一( 1 9 8 4 ) 对m a s a t o s h i 的方法做了改进，考虑了地基表面上充填砂的剪应力 在地基中的传播及支护内侧( 基坑开挖边或海堤临海边) 板桩打入土部分的挤土作用， 并对其的应力一应变关系进行了非线性处理。大堀晃一、蒋司喜博等( 1 9 8 4 ) 对大排距 双排桩结构做了小型和大型的模型试验对比，证明桩间有充填砂的结构产生的位移比没 有充填砂结构的明显减小；桩入土越深、板桩刚度越大、墙的宽高比越大、充填砂越密 r 浙江大学博士学位论文 大直径灌注筒状受力性状研究 行了变化的桩长、桩身截面、设置倾角、桩顶自由长度以及双层地基等情况下不同倾斜 荷载作用下的室内模型桩试验。通过试验分析，提出了倾斜荷载作用下基桩承载力与倾 角的椭圆曲线关系式。对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。 文松霖( 2 0 0 4 ) 进行了倾斜荷载作用下扩底模型桩的试验研究，初步查明了不同荷 载组合作用下扩底桩的承载力机理和屈服包络线的基本特性。 由于实心桩和钢管桩在倾斜荷载下的研究起步较早，其研究成果丰硕，这就为筒桩 倾斜荷载下受力性状的研究提供了一些理论和经验方面的借鉴。目前，倾斜荷载下基桩 眭状研究大多限于试验研究，其成果多为定性描述和试验公式：关于这方面的理论研究 也没有考虑桩基自由段水平向荷载的影响。而在。一些支护工程和海洋工程中，自由段往 往作用着各种荷载，如波浪力、土压山等等。开展倾斜荷载作用下自由段作用有任意荷 载的单桩和群桩研究，具有较高的理论价值和工程实际意义。 1 _ 2 3 双排桩支护结构研究现状 “双排桩”本身是一种没有明确结构概念的提法，排桩之间可以并无连接、只是地 基土填充，也可以是由结构构件连接；可以承受竖向荷载，也可以用来承受水平荷载。 工程中常用的双排桩结构，指的是双排桩支护结构，是在地基土r 打设具有一定排间距 的两排桩，桩可以成矩形排列或三角形排列，桩自j 采用某种结构型式连接( 目前多采用 桩顶用联系梁或盖板连接) ，主要用来承受水平荷载的一种支护结构型式。国外首先进 行了大排距双排桩结构( 排距大于8 倍桩直径) 的理论和试验研究( m a s a t o s h is a w a g u c h i ， 1 9 7 4 ：大堀晃一，1 9 8 4 ；菊池喜昭等，1 9 9 1 ) ，在我国，2 0 世纪9 0 初，丌始进行小排距 双排桩结构的研究。目前，该结构在基坑支护、边坡防护、临时围堰等工程领域广泛应 用，并逐渐应用于围海岸堤、防波堤、码头等海洋结构建筑中。 m a s a t o s h is a w a g u c h i ( 1 9 7 4 ) 首先对大排距双排桩结构进行了理沦研究工作，提出了 双层板桩的理论解。把地基土上面部分的板桩和排桩问填砂作为弹性复合体，地基部分 作为弹性水平地基弹簧将其模型化，地基上部利用水平微段力的平衡，建立了双排板桩 结构的两个基本偏微分方程，并按六种边界条件进行了解析求解。 大堀兄一( 1 9 8 4 ) 对m a s a t o s h i 的方法做了改进，考虑了地基表面上充填砂的剪应力 在地基中的传播及支护内侧( 基坑开挖边或海堤临海边) 板桩打入十部分的挤土作用， 并对其的应力一应变关系进行了非线性处理。大堀晃一、茬司喜博等( 1 9 8 4 ) 对大排距 双排桩结构做了小型和大型的模型试验对比，证明桩问有充填砂的结构产生的位移比没 有充填砂结构的明显减小；桩入土越深、板桩刚度越大、墙的宽高比越大、充填砂越密 有充填砂结构的明显减小：桩入土越深、板桩刚度越太、墙的宽高比越大、充填砂越密 。8 第一章绪论 实，其桩顶位移越小。在小型模型试验中效果显著的隔墙，在大型模型中效果不明显， 但在大型模型试验中，在隔墙和联系梁都有的条件下，桩顶位移能得到明硅的控制，同 时，板桩上的弯矩分布也更合理。 随后，菊池喜昭等( 1 9 9 1 ) 用离心机进行了用固化土充填的大排距双排桩结构的双 层扳桩护岸的小型模型试验。试验结果表明：在固化土与板桩壁面的一般接触条件下， 固化七的效果不是很明显，但在板桩与固化土充分接触时，桩项位移、板桩弯矩的最大 值均比充填砂时小，且在墙体宽度变宽或海底地基密实时，板桩弯矩的最大值和位移也 同时变小。 最近，我国学者开始对大排距排桩在基坑支护和海堤、码头等海洋建筑物中应用进 行了深入的研究。周国然( 2 0 0 3 ) 对1 9 8 9 1 9 9 0 连云港庙岭二期工程双排大直径预应力 管桩码头产生较大位移和内力的原因进行了分析( 桩顶最大位移1 4 1 8 e m ) ，在此基础上 提出了无承面板和分层填砂并水泥搅拌加固的结构工艺、【三上及大排距双排桩的计算方 法；并进行了离心机模型桩试验，关于墙顶水平位移的试验结果与通过作者提出方法进 行计算所得结果相差在2 0 以内。 在我国，进行的比较多的是小排距双排桩结构的研究和应用。2 0 世纪9 0 年代初中国 建筑科学院地基研究所与北京建工集团总公司共同开发了双排桩深基坑支护结构，后来 何颐华等建立了相应的计算模型( 将双排桩和联系梁作为底端嵌固的刚架结构，联系梁 看作刚体) ，在此称之为“建研院模型”。此后在“建研院模型”基础上一些学者建立了 多种计算土压力和桩体内力和变形的计算方法。实际工程应用中由于排架桩的顶节点的 构造配筋不同，可以分为桩顶固接、铰接或介于其问，这在选取计算模型时应该注意的。 蒋天涛曾对刚架护坡桩与双排桩进行过区分论述( 1 9 9 6 ) ，他针对双排桩工程事故，对 刚架护坡桩与双排桩护坡桩在概念、结构构造和力学三个角度进行了区分，认为它们之 间有本质差异，在设计中应该注意的。 刘钊( 1 9 9 2 ) 采用悬臂框架计算模型，计算土压力时分区考虑。基底以上部分后排 桩的桩背土压用主动土压力，将桩问土看作受侧向约束的无限长土体，且其水平向应变 为零，基底以下部分的桩侧抗力采用工程届常用的m 法计算；张