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桩承载力自平衡测试转换方法研究 ( 硕士学位论文) 岩土工程专业研究生：鲁良辉指导教师：龚维明教授 东南大学士木工程学院 摘要 桩自平衡测试法是一种新型的静力试桩法，相对于传统试桩法具有技术先 进、测试自动化、省时、省力、安全可靠和不受场地条件限制等优点。但是自平 衡法测试结果与传统静载荷测试结果存在一定差异。 本文总结分析了国内外桩承载力自平衡测试结果向传统静载荷结果的转换 方法，并简要阐述了桩自平衡测试法的荷载传递机理。在此基础上提出了考虑转 换系数和桩身压缩变形的简化转换方法。 通过对几十组自平衡桩与传统静载荷桩测试结果的对比分析，采用数值计算 方法，统计得出简化转换系数的取值范围及影响因素，可供工程设计人员使用。 比较分析了实际工程中精确转换法和简化转换法结果，汪明了简化转换方法可运 用于工程实际中 利用a n s y s 有限元软件，模拟在相同条件( 相同桩径、相同氏度、相同土层) 下，自平衡桩与传统静载荷桩的荷载位移关系与i e 负摩阻力关系。剥简化转换结 果与有限元模拟计算结果，进行了比较，取得了较为满意的效果。从理论上验证 了简化转换方法在工程运用中的可行性。 【关键词】桩自平衡测试法转换方法对比分析有限元 简化转换法精确转换法转换系数 s t u d yo nc o n v e r s i o nm e t h o do fs e l f - b a l a n c e dt e s tm e t h o d f o rd e t e r m i n i n gb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e s p e c i a l t y ： g e o t e e h n i e a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：l ul i a n g h u i s u p e r v i s o r ：p r o f g o n gw e i m i n g c o l l e g eo fc i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s e l f - b a l a n c e dl o a d i n gp i l et e s ti san e ws t a t i cl o a dt e s t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls t o i c l o a dt e s tm e t h o d ，i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa d v a n c e dt e c h n i q u e ，a u t o m a t i ct e s t ，t i m e s a v i n g ， l a b o r s a v i n g ，s a f e t nc r e d i b i l i t y , l o w e rs i t er e q u i r e m e n th o w e v e r t h e r ei sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e n t h eo b t a i n e dr e s u l t sf r o ms e l f - b a l a n c e dm e t h o da n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h ec o n v e r s i o nm e t h o d sf r o ms e l f - b a l a n c e dr e s u l t st ot r a d i t i o n a lp i l eh e a dl o a d s e t t l e m e n t a r es u m m a r i z e di nt h i sp a p er f u r t h e r m o r e ，l o a dn a n s f e rm e c h a n i s mi sa l s oi n t r o d u c e db r i e f l y b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e d ，as i m p l i f i e dc o n v e r s i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d ，i nw h i c ht h e c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o na n dc o n v e r s i o nc 0 8 币c i e n ti sc o n s i d e r e d b a s e do nt h ec o n t r a s t i v et e s tr e s u l t sw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d t h ec o n v e r s i o nc o c 所c i e n ta n d t h ei n f l u e n c ef a c t o r sa r eg i v e n m o r e o v e ht h et e s tr e s u l t sg a i n e df r o mt h es i m p l i f i e dc o n v e r s i o n m e t h o da n dt h ea c c u r a t ec o n v e r s i o nm e t h o da r ea n a l y z e dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m p l i f i e d c o n v e r s i o nm e t h o dj sc r e d i b l e a n s y si se m p l o y e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a da n ds e t t l e m e n tb o t hi nb a l a n c e d p i l e sa n di ns t a t i c1 0 a dp i l e s a sw e l la st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ni o a da n ds i d er e s i s t a n c e a l lt h e s es i m u l a t e dp i l e sa r ei nt h es a m ec o n d i t i o n ( t h es a m ed i a m e t e ql e n g t ha n ds o i ll a y e r ) t h er e s u l t sg o tf m mf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ec o n s i s t e n tw e l lw i t ht h o s eo b t a i n e df r o m s i m p l i f i e dc o n v e r s i o nm e t h o d t h es i m p l i f i e dc o n v e r s i o nm e t h o dm a yb ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：s e l f - b a l a n c e dt e s tc o n v e r s i o nm e t h o d c o n t r a s t i v ea n a l y s i s ， f i n i t ee l e m e n t s i m p l i f i e dc o n v e r s i o nm e t h o d c o n v e r s i o nf a c t o r s 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。 研究生签名：盔丝日期： 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 括于0 登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲华翩虢鳓一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着高层建筑、桥梁工程、海洋工程建设项目的增多，桩基础的应用量越来越大。如何 正确评价单桩的承载能力，选择合理的设计参数是关系到桩基础是否安全与经济的重要问 题。 确定承载力的方法主要有以下几种：1 ) 原犁试验法：2 ) 静力学计算法；3 ) 原位测 试法：4 ) 经验法。桩原型试验法是直接在桩身上进行试验，以取得单桩承载力，也称为直接 试验法，所得数据较为真实、可靠。 传统的原型试验法有动力测桩法和静载试验法。动力测桩法是指在桩顶施加一动态力 ( 动态力可以是瞬态冲击力或稳态激振力) ，桩一士系统在动态力的作用下产生动态响应，采 用不同功能的传感器在桩顶量测动态响应信号( 如位移、速度、加速度信号) ，通过对信号 的时域分析、频域分析或传递函数分析，判断桩身结构完整性，推断单桩承载力。动力测 桩法又分为低应变动测法和高应变动测法，低应变动测法作用在桩顶的动荷载远小于桩的使 _ i = j 荷载，能量小，只能使桩土产生弹性变形，无法使桩土之间产生足够的相对位移或使土阻 力充分发挥，主要用于检测桩身完整性，无法测得极限承载力。与静载荷试验方法相比，高 应变动测法简单，费用低，宜于增加检测比例，提高检测结果的代表性，但其依据应力波传 播原理，动态成分高，测试结果的可靠性较差，只熊做为一种检验承载力的手段。 桩基静载荷试验法采用接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，荷载作用于桩顶， 桩顶产生沉降，可得到单根试桩的q - $ 曲线，还可获得每级荷载下桩顶沉降随时间的变化 曲线，当桩身中埋设有量测元件时，还可以直接测得桩侧各土层的极限摩阻力和端承力。但 静载荷试桩法的缺点是成本高、t 程 革大和工期k 等。若采用堆载试桩法 须解决几百上千吨的载荷来源，运输 和堆放问题：若采用锚桩法，必须设 置多根锚桩和反力大粱，费用昂贵， 时间较长，且易受吨位和场地条件限 制。如大型桥梁工程中桩多在坡地和 水中，而且吨位较大，难以测试，以 至得不到准确的承载力数据，所以设 计较为保守，造成承载力的浪费，图l 一1 为堆载法的试验装置。 ， j 钢硅 l 脚fi 中试桩 图l l 堆重平台试验装置 自平衡测试法是一种新型的静载试桩方法，通过在桩身埋设荷载箱，沿垂直方向向上向 下加载，用桩侧阻力作为桩端阻力的反力来测试桩的极限承载力。自平衡测试法的试验设备 有荷载箱、加载汕泵、高压油管、测杆、百分表和基准粱，图1 2 为加载设备示意图。 第一章绪论 基准粱 百分表 油管 位移棒 护管 荷载辅 电动油泵 图1 2 加载发各示意图 计算机采集系统 试验时，在地而上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位 促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥，图1 - - 3 ( a ) 为试验示意图，由于加载装置简单，多根桩可 同时进行测试。 荷载箱中的压力可由压力表测得，荷载箱 的向上、向f 位移由位移传感器测得。可根据 读数绘山如图l 一3 ( b ) “向上的荷载一位移 幽”及“向下的荷载一位移图”，根据两条p q 曲线及相应的s 一留、s 一塘q 曲线，可分别求得 荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段 桩极限承载力经一定处理后与下段桩极限承 载力相加即为桩极限承载力。 段桩 载箱 段桩 ( a )( b ) 图1 3 试验示意图 白平衡测试法仍然是一种静力试桩法，但由于加载的方式不同，有效解决了传统静载试 桩法庞大而昂贵的反力装置具有以下一些特点”： ( 1 ) 装置较简单不占用场地，不需运入数百上千吨物料，不需构筑笨重的反力架，可 多根桩同时测试，试桩准备工作省时、省力、安全。 ( 2 ) 该方法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚的分出侧阻力与端阻力的分布 和各自的荷载一位移曲线。 ( 3 ) 试验费用省，尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费 用的3 0 - 6 0 。 ( 4 ) 由于试验方便、费用低、时间省，该法有利于增加试桩数量，扩大检测面。 ，一 r 。j 第一章绪论 ( 5 ) 试验后试桩仍可作工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力注浆。 ( 6 ) 在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该 法更显示出它的优势，如水上试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、斜桩、嵌岩桩、抗拔桩等， 这些都是传统试桩法难以做到的。 对比传统的单桩竖向抗压静载试验，自平衡测试法无论从所需的设备、经费、测试方法、 工期以及施_ 场地条件等诸多方面均具有明显的优越性。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 12 1 自平衡测试法在国内外发展概况 t i t 平衡测试法亦称o s t e r b e r g c e l l ( 简称0 c e l l ) 试桩法，美国西北大学o s t e r b e r g 教授 于2 0 世纪8 0 年代中期首先将此技术用于工程实践删，并推厂到世界各地。该法在欧洲、日 本、加拿大、香港及新加坡等国已得到了广泛使用，并建立了相应的规程。近二十年来，在 儿十个国家，不同的土层、岩层条件下进行了几百项试验，应用于多种桩型，包括钻孔灌注 桩、钢管桩、预制混凝士桩及矩形( 或条形) 壁板桩等。 随着经验和试验资料的积累，o - c e l l 测试法已成为一种硼f 究打入桩和钻孔灌注桩工作 性能的有力工具”1 。目前，o - c e l l 测试法主要用于以下研究领域： ( i ) 各种因素对桩侧摩阻力和桩端阻力分布的影响 ( 2 ) 研究侧摩阻力的时间效应 ( 3 ) 测得分段桩侧极限摩阻力和极限端阻力。 ( 4 ) 进行水平载荷试验 史佩栋从2 0 世纪9 0 年代相继发表多篇文章介绍了该方法在国外的应用平u 发展情况 ”1 。国内对- j 二这种方法的理论研究目前还处于探索阶段。清华大学李广信教授指导博十和 硕士做了大量的理论研究和模型试验，分析研究了桩在不同加载方式下摩阻力的发展机理 ”“】，从理论上对桩底托桩的承载机理进行了初步的研究。东南大学翟晋”“”6 1 等用有限元 法对三种加载方式桩的工作特性进行了探讨，分析了三种受载方式下上段桩侧摩阻力的大小 关系及白平衡测试时上下桩段的相互影响。 东南大学士木工程学院与江苏省建设厅、南京市建筑质瞌站合作于1 9 9 6 年首先在国内 将此项技术推广应_ | = | j 到实践，于1 9 9 9 年制定江苏省地方标准桩承载力白平衡测试技术规 程( d b 3 2 t 2 9 1 1 9 9 9 ) ，并获两项国家专利。在2 0 0 2 年又将其列入建设部重点推广项目。 同年，被国家科技部评为重大科研成果，科技部发文要求各部门( 包括交通部) 推广应用该 技术。 目前该法在江苏、河南、浙江、云南、上海、福建、安徽、辽。r 等省市的房屋建筑及桥 梁等桩基检测中得以应用，已完成二百多例工程，其中包括大革国家重要t 程，如东海大桥、 杭州湾跨海人桥、新乡一郑州高速公路黄河特大桥工程、润扬长江公路大桥、云南元江大桥、 上海吴淞1 2 1 越江塔等。并在此实践基础上发丧了多篇论文“】，在白平衡测试技术和理论 研究中取得了极大的成果。 在润扬长江公路大桥工程中成功地进行了1 2 0 0 0 吨大直径钻孔灌注桩静载荷试验，首次 将白平衡法应用到桥梁特大吨位桩基静载荷试验中，取得了显著的经济效益。同时进行_ r 在 第一苹绪论 同一根桩中埋设二只荷载箱的自平衡法测试技术研究，解决了双荷载箱施工与测试难题，测 出了可以考虑特定土层( 液化层、冲刷层) 的竖向承载力( 国内空白) 。该项技术还用于中 科院台肥分院等离子体所h t - - 7 u 主机大厅改造t 程的3 根试桩、杭州湾跨海大桥试桩a l 等静载荷试验中，获得了桩身上、下段的极限侧阻力以及极限端阻力，这是传统静载方法无 法做到的，满足了特殊的设计要求。采用自平衡法对新乡一郑州高速公路黄河特大桥工程、 杭卅l 湾跨海大桥工程和苏通大桥工程中的大直径人吨位后压浆钻孔灌注桩进行了承载力试 验研究。 1 22 自平衡转换方法的研究 自平衡测试法相比传统静载试验具有很大的优越性，但这种方法存在一个最大的问题是 桩的摩阻力方向是向下的，亦即是负摩阻力，与实际工程中桩的受力状态相反。传统载荷试 桩法仍是最可靠、准确的方法，旧为它与基桩工作状态最为接近。如何将自平 斯测试结果转 换为静载荷结果成为国内外学者研究的重要课题，对自平衡测试技术的推广应用具有重要意 义。 将自平衡测试结果向传统静载结果转换，即将自平衡法所测得的向上、向下两条q 曲线转换为等效的桩顶静载荷q s 曲线，如图1 - - 4 。 o s t ， s qi 今 0 s q ( a ) 自平衡争s 曲线 ( b ) 转抉q s 线 圈1 4 试桩q - s 曲线的转换 目前，国l = 】外转换q s 曲线的基本原理有两种：一是根据向上向下荷载相同的原则拟台； 二是根据向上向f 位移相同的原则拟合。 方法一：等值荷载叠加法，具体过程如图1 5 。 日本建筑研究促进会简化试桩方法研究委员会发表了1 6 组试验桩用白平衡测试法和用 传统静载试桩法进行比较研究的结果。1 ，采用此方法将白平衡测试结果转换为桩顶加载结 果。国内也有一些学者支持此方法”“，但此方法使用并不普遍a 4 第章绪论 q s = s + s 0 厂= 里：9 j j 旦 q ( a ) 自平衡q - s 曲线( b ) 转换q 心曲线 图l 一5 方法一q 书转换曲线 方法二：0 s t e r b e r g 于1 9 9 8 年提出的等值位移叠加法”。 该法基于以r 假定： 1 桩是刚性的，桩身不可压缩； 2 向上运动桩体的侧坶阻力位移曲线与传统的槛项荷载试验得到的侧摩阻力 位移曲线分量相同； 3 自平衡试验测得的端阻力位移曲线和传统试验测得的端阻力位移曲线相同。 在向上的o + 心+ 曲线上，任选一点得到桩侧摩阻力值。在向下的q s 曲线上找到相同 位移值对应的端阻力值。由于假设桩体不可压缩，在桩顶荷载曲线中，桩顶和桩端具有相同 的位移。在桩顶加载试验中，产生相同位移时的荷载就等于对应的侧摩阻力与端阻力之雨i ， 具体过程如图l 一6 。 s + 0 s o s - s + = 矿 q = q - + q + ( a ) 自平衡q 书曲线 ( b ) 转换g - s 曲线 图】一6 方法二9 心转换曲线 方法三：考虑附加弹性压缩的修正等值位移叠加法”。 附加弹性压缩的修正等值位移叠加法先假设桩为刚体，在自平衡测试中桩的位移包括桩 的刚体位移和自平衡荷载所引起的部分弹性压缩。按上述向上向下位移相等的原则，叠加桩 端阻力和桩侧阻力( 如图1 - - 7 ) ，得到一条初始转换曲线( 如图l 8 ) 。然后再用桩顶加载下 的附加弹性压缩对初始转换曲线加以修正，如图1 - 9 。 塑二兰堕堡一 d 20 30 图l 一7自平衡测试曲线 图1 8 初始转换曲线 05 0 0 1 - 0 01 5 0 02 0 0 0：0 3 0 0 03 5 c 04 0 0 04 5 0 0 5 0 0 05 5 0 0 图1 9 修正转换曲线 方法四：考虑白平衡桩综合转换系数k ，通过位移叠加荷载的方法”。 该法考虑了自平衡桩综合转换系数墨将自平衡桩的桩侧摩阻力和桩端阻力转换为等效 受压桩的桩恻摩阻力和桩端阻力。其原理比较容易理解，a g , d l 博地应用较多。具体过程如 图l t 0 ，理论公式如下： p = k p + k 妒s s = s = s - 式中，p 。p 。分别为自平衡测试法中上段桩侧摩阻力和下段桩端阻力 自平衡桩侧摩阻力和桩端阻力与传统静载桩的转换系数，试桩时一般取t 对于短桩( 埘2 0 ) 或桩侧土刚度较大( e 一5 0 m p a ) 时，取局，2 15 ，飓2 l 6 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) 如，聪分别为 1 0 ，k s = 1 o ； 0 。 蔓二童笪兰 _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ s = s 一- s + 0 i s ( a ) 自平衡9 矗曲线 ( b ) 转换9 心曲线 。 图l 一1 0 方法四q 墨转换曲线 1 2 3 存在的问题 目前应用较广的是采用向上向下位移相同的原则拟合。使用方法二进行转换，经试验证 明是偏于安全的1 ，但此方法未考虑桩身的弹性压缩，认为桩底与桩顶位移相等，简单的通 过位移叠加荷载，计算结果不十分精确；方法三虽然考虑了桩身的弹性压缩，但却未考虑臼 平衡桩与静载桩正负摩阻力的著异，大量试验证明这种差异是确实存在的；方法四考虑了采 用转换系数k 来近似将白平衡桩的荷载转化为等效受压桩的荷载，比较容易理解，但却未考 虑桩! ：! 的弹性压缩，自平衡桩和传统静载桩桩顶位移与桩底位移间的关系，这在长桩中是不 容忽视的。而且对于转换系数k 的取值也缺乏明确的试验数据。 1 3 本文所作的主要工作 1 分析总结了自平衡法的受力机理，通过与传统静载荷桩受力机理比较，提出了考虑 桩身压缩变形的自平衡法试验结果转换为传统静载法试验结果的简化转换方法。 2 自平衡测试经过儿年的实践应用，完成了一系列重要： 程和特大桥桩的测试，积累 了大量的白平衡桩与堆载试桩的对比资料。在此基础上通过数值分析方法刘自平衡桩利传统 静载荷桩测试结果进行了比对，统计分析出可供实际应用的转换系数k 值。 3 利用a n s y s 有限元软件模拟了在相同条件下，自平衡桩和静载荷桩的荷载位移关系 和正负摩阻力关系，对简化转换结果与有限元模拟计算结果进行了比较，并讨论了影响k 值的因素。 4 通过对苏通_ 人桥自平衡试桩测试结果用简化转换法和精确转换法得到的等效桩琐荷 载位移曲线和同一场地静载荷试桩测试结果的比较，验证了简化转换方法的有效性。 苎三童i ! 塑壁垩垫垄里丝坌塑 一 第二章自平衡桩承载力理论分析 2 1 荷载传递基本规律 国内外学者对丁自平衡桩的荷载传递机理做了人量的试验研究，主要集中_ 丁白平衡桩与竖向受 压桩及抗拔桩受荷机理的对比分析上。三种加载方式下的荷载传递筒图如图2 1 所示。 ( b ) 抗拔桩 ( c ) 自甲衡桩 图2 一l 荷载传递简图 2 1 1 桩顶压桩桩土体系的荷载传递规律 对于竖向受压桩，桩顶受到竖向荷载后桩身压缩产生竖向位移，桩侧表面受到土向上的摩阻力， 桩身荷载通过发挥出米的侧阻力传递到桩周土层中去，从而使桩身荷载与桩身弹性压缩均随深度递 减。随着荷载增加，桩端出现竖向位移和桩端反力。桩端位移加火了桩身各截面的位移，并促使桩 侧摩阻力进一步发挥。当整个桩身上的侧摩阻力全部发挥到极限后，继续增加荷载，所增大的荷载 全部由桩端阻力来承担，直至桩端阻力达到极限，变形急剧增大而破坏。 桩侧阻力和桩端阻力发挥过程就是桩、土体系荷载的传递过程。总体趋势是靠近桩a - 上部土层 的侧阻力先于下部十层发挥，而侧阻力先于端阻力发挥出来。 p o u i o s ( 1 9 7 1 ) 提出如下因素影响下的桩土体系荷载传递的变化规律”j ： 1 、桩端土与桩周_ 十的刚度比e 6 e , 越小，桩身轴力沿深度衰减越快，即传递到桩端的荷载越少a 若桩的k 细比l 直| 定在2 5 ，e j e , = i 时，对匀质土，桩端阻力占总荷载的5 ；e j e ；= 1 0 0 时，为6 0 ， 再增加，影响却不大。 2 、桩士刚度比e p e ，增大，桩端阻力所占比例增大，但大于1 0 0 0 后，不再变化。 3 、桩的长细比增大，桩端阻力下降，l i d 4 0 后，趋下零。大丁1 0 0 后，可忽略不计。 2 1 2 自平衡桩桩土体系的荷载传递规律 对于自平衡桩，由于荷载箱将桩身分为两段，一段向上加载，一段向下加载，其桩侧阻力与桩 端阻力儿乎同时发挥，而且互为平衡，其荷载传递分上下桩段分析。 自平衡下段桩荷载传递与乐桩相似，由于荷载箱的埋设位置通常接近于桩端，f 段桩近似丁受 压短桩，表现出较多的端阻性质，桩顶荷载由桩端阻力和小部分桩侧阻力承担，其p s 曲线与压桩 r 第二章自平衡桩承载山理论分析 相似。 与常规静载荷试验相比，自平衡上段桩摩阻力方向是向下的，亦即是负摩阻力。这与实际_ t 程 中桩的摩阻力方向相反，而与抗拔桩的侧阻力方向相同。在最初几级荷载下，由于桩身混凝土的弹 性压缩，桩产生相对于土层的向上位移，由此桩侧表面产生向下的摩阻力，桩身荷载通过发挥出的 桩侧摩阻力从t - 向上传递到桩周土层中去，这一阶段与压桩的开始阶段相似。随着荷载增加，负摩 阻力从桩底到桩项逐渐发挥，这与抗拔桩负摩阻力自上向f 产生相反。由于土层是上部松散、下部 紧密，负摩阻力的分布呈现上部小，下部大的情况，而且下部摩阻力首先发挥出来。桩身变形和轴 力也与压桩不同，是从下向上逐渐减小，当轴力传递到上部土层时，由于桩顶是临空面。其上无土 层支撑，在变形发展过程中，上部士层越来越松散，桩顶、桩底位移变大，桩侧与桩侧土将产生较 大滑移，摩阻力达到极限而破坏。 东南大学翟晋等【15 j 通过有限元理论分析得到自平衡桩土体系荷载传递性状随有关因索变化的一 般规律： 1 桩土相对刚度比e 以 易佤直接影响桩土的衙载传递，图2 - 2 是不同桩士刚度比下轴力分布图，图2 3 为不同桩土 刚度比下摩阻力分稍图。当日伍，越大，轴力由平衡点向上衰减越慢，越接近线性，相应桩身平均轴 力越大，各截面桩土f 目相互滑动趋于一致，摩阻力变化曲线也较平缓；当昂佤较小时在自平衡作用 点附近的土层产生应力集中，下段桩的轴力衰减很快，迅速传递到下部十层中去，只有少部分轴力 传递到上段桩，下部摩阻力很大，但在o 2 5 l 范围内衰减很快，以上摩阻力占总摩阳力的比值很小。 图2 - - 2 不同桩土刚度比f 轴力分布嘲 图2 3 不同桩土刚度比下摩阻力分布图 2 桩侧下层土与上层士的刚度比e b e , 当e j e , 较小时，桩侧土层趋于同一材料，桩侧摩阻力与土的有效应力和侧压力系数有关，上下 土层分担荷载较均匀，轴力变化较均匀；当e j e , 较大时，下部摩阻力的水平较高，传递到上部的轴 力较小，上部提供的摩阻力只占总量的一小部分，如图2 - - 4 ，2 - - 5 。上段桩轴力曲线与下段桩轴力 曲线的总体斜率不同，分界面在土层变化处，刚度比越大，斜率变化越大。 o 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 i 第二章自平衡桩承载力理论分析 图2 4 不同土层刚度比下轴力分布图 图2 - - 5 不同十层刚度比f 摩阻力分布图 3 桩的长狰比u d 桩的长径比l f d 对上段桩的位移影响较大，相同直径的桩，l f d 较小时，桩的位移以刚体位移 为主，桩的弹性压缩量较小，随着l d 的增加，刚体位移越来越小，i 面桩身压缩量的比重增大。从 陶2 - - 6 中可以看出，当l d 6 0 时，桩的位移几乎全由桩身压缩组成，桩体位穆很小且下降幅度很 小。可见对于很眭的摩擦桩或摩擦端承桩，白平衡测试时，对于上段桩的位移要重视桩的压缩量对 测试结果的影响。 02 0 3 04 05 06 0 图2 - 6l d 对上段桩位移的影响 2 2 自平衡桩破坏形态 单桩静载荷实验所得的荷载一沉降( q s ) 关系曲线可大体分为陡降型平i l 缓变型两类形态。 对桩底持力层不坚实、桩径不大、破坏时桩端剌八持力层的桩，其q s 曲线多呈“急进破坏”的 陡降型，相应于破坏时的特征点明显，据之可确定单桩极限承载力g 。对桩端为较高强度土层，桩 身为低强度土层，沉降随荷载增长逐渐扩展的桩，则旱渐进破坏”的缓变型。 1 0 d 0 0 0 0 m 圯 h m 博 驰 驰 第二章自平衡桩承载力理论分析 桩底托桩的破坏形态与抗拔桩相似，抗拔桩的破坏形态大致可以分为三大基本类型【2 8 】：沿桩土 界面剪破：与桩长等高的倒锥台剪破；复合剪切面剪破，如图2 7 所示。 ( a ) 界面剪切破坏 ( b ) 倒锥台破坏( c ) 复合剪切面破坏 图2 7 抗拔桩的破坏形态 比较常见的是第一种沿桩十界面剪破。只有软岩中的粗短灌注桩才可能出现完整通长的倒锥体 破坏。复合剪切面常在硬粘土中的钻孔灌注桩中出现，而a 往往桩的侧面不平滑，凹凸不平，粘上 与桩粘结很好，倒锥体士重不足以破坏该界面上的粘着力时才可形成这种滑动面。东南大学做了一 百多例白平衡试验表明【段托桩多为沿界面冲破，主要破坏形式还是沿桩土侧壁界面的圆柱形剪 切破坏，还没发现第二、第三种破坏形态。因此上段桩托力主要用于克服上段桩自重和上段桩侧摩 阻力。 下段桩的破坏模式与受压桩相似，由于下段桩桩身较短，变形类似短桩。桩的破坏形态主要受 桩端土性质的影响，不同的桩端土破坏模式不一样，对松砂或软牯土，出现刺入破坏：对密砂或硬 粘土，出现整体剪切破坏或局部剪切破坏。 2 3 不同加载方式下桩侧摩阻力的关系 自平衡上段桩的负摩阻力是南于桩底托桩引起的，与桩顶压桩引起的j e 摩阻力和桩顶拔桩引起 的负摩阻力均不同。 国内外学者对桩顶压桩、桩顶拔桩和桩底托桩二种加载方式下的桩侧摩阻力进行了现场试验、 模型试验和有限元数值分析。 o s t e r b e r g 教授介绍了在日奉做的现场试验研究”“，验证了自平衡法的有效性。试桩桩径0 5 m ( 1 6 英尺) ，桩k9 m ( 3 0 英尺) 。在这个试验中，荷载箱被放置在桩底，一个经标定过的千斤顶安 装在桩顶，于是桩体就被固定住j ，荷载箱加载所洲得的即桩端阻力。图2 8 给出了传统试验方 法和自平衡法测得的端阻力曲线。在同一场地的另。个试验中，先后做了桩被桩底荷载箱顶出和桩 顶荷载箱向下压桩的试验，此处不考虑端阻力。图2 - - 9 给山r 顶出和下压试验测得的侧摩阻力曲线。 o s t e r b e r g 教授认为这些试验结果是对自平衡测试法有效性的进一步证明，说明该方法与传统方法 从根本上是致的。 第二章自平衡桩承载力理论分析 桩端阻力( k n ) 桩侧摩阻力( k m 翘口4 0 口e 。毒嚣 ；嚣 ： 图2 8 桩端阻力对比 图2 - - 9 桩侧摩阻力对比 清华_ 人学李广信、黄锋【9 1 等采用大型渗水力模型试验、现场足尺试验、有限元数值分析及理 论分析等手段，对桩顶受压桩、桩顶受拔桩及桩底受托桩的荷载传递机理，尤其是侧阻力的发 挥机理进行了探索研究。认为在不同的加载方式下桩侧摩阻力的发展和分确i 存在较大的差异， 引起差异的内在机理在于：桩周土应力路径、主应力方向旋转、桩身的压缩和伸i 受、桩径的泊 松效应、土体的剪胀性、边界条件影响等 对桩顶受压桩，桩周士体单元的应力路径近似于常规三轴排水压缩试验时土尊元的应力路， 径，而桩项拔桩和底托桩的特征单元应力路径与三轴排水伸l 圭试验相似，即平均主应力减少， 偏应力增加。对桩周士体三轴压缩试验基本表现为剪胀，三轴伸长试验则表现为剪缩。压桩 桩周土剪胀引起桩周土正应力增加，引起侧阻的增加；托桩和拔桩桩周土剪缩引起桩周十正应 力减小，从而引起侧阻的减小。 桩项压桩、桩顶拔桩及桩底托桩将引起不同方向的主应力旋转，压桩为逆时针偏转，托桩 和拔桩为顺时针偏转，如劁2 - - 1 0 。压桩的偏转角大于托桩和拔桩。当桩周土单元中主应力方向 发生旋转时，将会引起压缩体变，从而引起桩周土体中应力场发生变化，进而对摩阻力产生影 响。 ( a ) 桩顶压桩 b ) 桩底托桩 图2 1 0 不同加载方式f 主应力方向旋转 二 。 叶 吐 笙三童里塑! ! 垦垫垄里堡坌塑 翟晋1 1 5 1 采用有限元计算手段分析了相同条件下( 相同桩径、相同桩周土、相同桩端土条件 下) 桩顶受压桩、桩顶受拔桩及桩底受托桩侧摩阻力，结果表明：相同条件下，桩土相对位移 相同时，桩底托桩的负摩阻力大于桩顶受拔桩的负摩阻力，小丁桩顶受压桩的正摩阻力，如图2 一1 1 所示。 i 丛 1 0 02 0 0 ( a ) e t e , = 2 0 ( k n ) 8 2 0 0 0l0 0 2 0 03 0 0 0 图2 114 ；同土层刚度比的庠阻力位移图 一正侧 阻 托桩 负侧 阻 一拔桩 负侧 阻 e s b e s ti 摩阻j ( k n ) ( d ) 巨舡。 正侧阻与负侧阻的差别与桩端土与桩周十的刚度比西e 及桩侧下层土与上层土的刚度比臣胆j 有关。桩端土与桩周土的刚度比越大，差别越火；桩侧f 层土与上层土的刚度比越大，差别越小。 这主要是由于压桩与托桩的边羿条件不同所导致的。压桩桩端土的刚度对桩侧上的约束作用影响着 压桩删摩阻力的发挥，e t , e s 越大相同位移所激发的侧摩阻力越大，使压桩正侧摩阻力与托桩负侧 摩阻力差异增大。由于压桩与托桩的桩侧摩阻力都集中于下部十层中，当桩侧下层土的刚度较大时， 能有效提高托桩的负摩阻力，而且桩侧下层土剐度增加会降低桩端：l 二与桩周土的刚度比，减小压桩 桩端士的刚度对桩侧士的约束作用，从而使压桩正侧摩阻力与托桩负侧摩阻力差异减小。 6 4 2 0 8 6 4 z 0 弱 加 临 加 i 加埔嵋h 他8 6 4 0 0 2 0 8 6 4 2 0 第三章白平衡测试结果向传统静载结果转换 第三章自平衡测试结果向传统静载结果转换 3 1 概述 自平衡测试法属于静载试验方法的范畴，虽与传统静载荷试验比较在施工方面具有显著的优越 性，但传统静载桩在荷载传递、桩土作用机理上与单桩的实际受荷情况基本致，是目前同内外应 用最多，也是最基本可靠的测试方法。 自平衡法测试结果有向上、向下两个方向的荷载一位移曲线，而传统静载桩只有向下的荷载一 位移曲线。一般认为白平衡向上的荷载位移曲线反映了桩侧土的受力特性，向下的荷载位移曲线反 映了桩端土的受力特性。而静载桩的q - s 曲线是桩侧与桩端土受力特性的综台体现。因此分析白平 衡法桩上、下桩段的受力特性，将自平衡法测试结果转换成传统静载荷结果，是该项技术得以推广 应用的一个重要问题。 通过第二章的分析可知，自平衡桩由于加载方式的不同，荷载传递机理与传统静载荷桩存在一 定的差异。自平衡上段桩侧负摩阻力，受各种因素影响，与传统静载荷桩止摩阻力是不同的，而f 段桩，似乎与静载荷桩的受力是一致的，但由于向上的托力通过上段桩身对周围土层产生向上的剪 切应力，降低了下段桩周围土层的有效自重应力，其应力场与堆载法相应部位桩周十层的应力场也 不同。因此有必要寻求一种简便可行的方法，通过大量的工程实洲数据，分析比较两种测试结果， 找山两种结果之间的换算关系，提供一种简化转换方法以方便工程设计人员应用。 要完成这样的转换要角早决两个关键问题： ( 1 ) 桩侧正负摩阻力的关系，即将自平衡上段桩的负摩阻力转换为传统静载桩的正摩阻力； ( 2 ) 桩项位移与桩底位移的关系，传统试桩法测得的是桩顶总沉降，且与桩实际工作类似，而 自平衡法中测得的是荷载箱处向上与向下的位移。 3 2 简化转换法基本原理 为将传统静载桩的荷载变位与白平衡桩对比，作下列假定： ( 1 ) 可将等效受压桩以自平衡点a 点为界分上下桩段进行分析，分别取上下桩段作为隔离体， 受力简图如图3 1 ： ( 2 ) 假设等效受压桩下段与白平衡下段桩的变位相同，假漫此时截面位移晶= sf ( 为a 点 处的截面位移) ，轴力为西； ( 3 ) 桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。 图3 2 为等效受压桩和自平衡桩上下桩段受力情况比较。 第三章自平衡测试结果向传统静载结果转换 a nq 厂 1 f 。 协 t f f t i 图3 1 等效受压桩受力简图 1e l ? q 鼎 qs m ( a 1 等效受i i 桩 o5 b ) 自平衡桩 图3 2 等效受压桩和自平衡桩上下桩段受力情况比较 qs m p q 等效受压桩，桩顶受轴向荷载q ，桩顶荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。 段桩总摩阻力g 与下段桩总端阻力q 。之和， o = q + q 。 设桩顶荷载为l ( 3 1 ) q=lg、。打(3-2) 斤 鳞= i q 。，卵4 - o - ，a ( 3 3 ) ，j 自平衡桩由一对自平衡荷载( q = qf ) 施加于单桩自平衡点的下段桩顶和上段桩底，自平衡 上段桩桩底的托力由桩侧负摩阻力与桩自重来平衡，下段桩桩顶荷载由桩端阻力和小部分的桩侧阻 力提供。 q 2 q s + g p ( 3 4 ) q = i q s m d f ( 3 - - 5 ) q 下一i q 。d f + 盯，4 ( 3 6 ) 1 5 代扣鼎 胛n。就 瓦 。，弘 nu姐回 上段桩总摩阻力q ，与下段桩总端阻力q ，可分别表示为： g = k t 见= q ( 鲰一g ，) ( 3 7 ) q 。= k 1 q t ( 3 8 ) 将式( 3 7 ) ，( 3 - - 8 ) 代入式( 3 1 ) ，可得 q = q ，+ q p = k 上( q 上一g ，) + k t o v ( 3 - - 9 ) 式中，k 。、kr 一分别为自平衡上段桩与下段桩向传统静压桩转换的转换系数； 0 。、0 广分别为自平衡桩平衡点处向上及向下的荷载： g j 上段桩的自重。 本课题组经过试验研究认为在r 程中可不考虑上下段桩相互的影响作用”1 ，k 、k 规与上、 下段桩有关；而对于下段桩，当取kr = ，0 时，可以满足工程精度的要求，使世z = k ，则式( 3 9 ) 可简化为 q = k ( qrg，)+q下(3-10) 通过上式可实现将受压桩承载力用白平衡桩承载力表达的转换问题。式中的转换系数k 为经验 值，需经过大量的对比试验来确定。 实现了承载力的转换，还需要实现位移的转换。要将自平衡所测得的向上、向下两条少s 曲线 转换为等效的静载荷q 心曲线，必须将自平衡的荷载位移值转换为相同条件下静载荷的桩顶荷载位 移值。 根据假定( 2 ) 等效受压下段桩与自平衡f 段桩的变位相同，因此，只须分析等效受压桩上段的 荷裁变伉情况。其受力简图如e l3 - 3 ，等效受压上段桩桩顶荷载可表示为图3 3 ( b ) 桩端阻力和 i q3 - - 3 ( c ) 桩侧摩阻力相叠加。根据前面推导，上段桩桩底位移等于下段桩桩顶位移= s ，桩端 阻力为岛= q - 。 q水- 嘧s m u 十 1 q rq - ( a ) ( b ) nq - q f 陬 u 幽3 3 等效受压桩上段桩受力分析图 在竖向工作荷载作用下，单桩沉降s 由桩身压缩量墨和桩端沉降组成”，即 s = s ，+ s 如分别考虑桩侧摩阻力和桩端阻力对足岛的作用，品和品可表示为： s 。= s 。+ s ，6 6 ( 3 1 2 ) 第三章自平衡测试结果向传统静载结果转换 s b = sb s 七s hb(3-13) 式中 s ；i 一桩侧摩阻力 | 起的桩身压缩量； 墨6 桩端阻力引起的桩身压缩量； 品广由于桩侧荷载分布到桩端平面以下引起土体压缩所产生的桩端沉降； 6 由于桩端荷载引起土体压缩所产生的桩端沉降。 根据假定( 2 ) ，可近似认为岛= sf 。所蛆等效受压桩上段桩桩顶位移占应等于桩底位移s ， 与上段桩的弹性压缩量曼之和。 s = s t + s 。( 3 1 4 ) 等效受压桩上段的桩身压缩量s 为图3 3 所示桩端及桩侧简载两部分引起的弹性压缩变形之 和，根据假定( 3 ) ，用d a s 简化方法计算可得： = 茜 岛。等 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 式中，上为上段桩长度，易为桩身弹性模量，4 为桩身截面面积。 此时，对应的受压桩桩顶等效荷载按式( 3 1 0 ) 计掉，即： q = k ( q 上g 。) + q 下 ( 3 1 7 ) 与等效桩顶荷载q 对应的桩顶位移即为： 下+ 昔+ 掣 ( 3 1 8 ) 式中，g p 为上段桩自重。q ，、s ，即自平衡下段桩桩顶荷载与位移，可直接测定。对自平衡法 而言，每一加载等级由荷载箱产生的向上、向下的力是相等的，但所产生的位移量是不相等的。蚓 此，q 应该是对应于自平衡法q t s t 曲线中上段桩桩顶位移绝对值等于s 删的上段桩荷载，亦 即在自平衡法向上的qf st 曲线上使s = s 时所对应的荷载( 图3 4 ) 。由式( 3 1 0 ) 可计算 出sr 对应的静载桩等效桩顶荷载，而此时等效桩顶位移s 即s ，与上段桩弹性压缩量之和， 可由 式( 3 - - 1 8 ) 计算。重复上述步骤，根据不同的位移值s ，就可以得到一条换算桩顶加载曲线。 s 0 st 0 s = s f + 是 q = q 、+ k ( q t g p ) ( a ) 自平衡q - s 曲线( b ) 转换q s 曲线 图3 - - 4 q s 简化转换曲线 1 7 里三里望! 塑型堡苎墨旦堡竺整塾竺墨堡塑 3