（岩土工程专业论文）新型pcc桩结构直立式海堤技术开发及其抗弯性能研究.pdf

摘要 摘要 本文针对未来围海工程的特点，为在低滩深厚软基上筑堤，保证海堤的安全以及工期 的要求，建筑高标准的海堤，在总结前人的基础上开发了p c c 桩结构直立式海堤，对其抗 弯性能进行了研究，主要完成了如下工作： l 、概述了海堤发展历史和研究现状、桩受水平荷载的计算理论和方法以及存在的一 些问题，论述了开发p c c 桩结构直立式新形海堤和研究其抗弯的重要意义。 2 、开发了新型p c c 桩结构直立式海堤技术，设计了新的海堤断面型式，并论述了这 种新型海堤的优点。 3 、假设p c c 联体桩为刚性桩，在自由工作状态，考虑桩的实际工作状态可能出现的 绕顶转动、绕底转动和平移的位移形式，改进了自由支承法的计算方法，使计算更加符合 实际。 4 、假设p c c 联体桩为弹性桩，考虑土的塑性交形，修正了赵明华的n e w m a r k 法，并 与试验数据比较，验证了其正确性，并用它分析桩土参数的变化对桩的位移和弯矩的影响。 5 、在合田良实公式的基础上，提出适合本海堤波浪力的计算方法，对海堤受波浪力 的大小与完全直壁的进行了比较，得到海堤所受波浪力比完全直壁的小的结论。 6 、用有限元对海堤加土工格栅和锚碇结构的措旅进行模拟，分析了土工格栅和锚碇 结构对海堤弯矩和水平位移的影响。 关键词：p c c 桩海堤水平荷载土压力 复合地基反力法有限元土工格栅 锚锭结构 竺墅璺一 a b s t r a c t f o c u s i n go n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i k ee n g i n e e r i n go f t h ef u t u r e ，t og u a r a n t e et h es e c u r i t yo f d i k e ，m e e tt h et i m el i m i tf o rap r o j e c t , t h i sp a p e ri st od e v e l o pt h ee r e c td i k eo fc a s t - i n - s i t u c o n c r e t et h i n w a i lp i p ep i l ea n dc o n d u c tar e s e a r c ho ni t sm o m e n tr e s i s t a n c ei no r d e rt ob u i l d d i k eo ns o f ts o i la n dd e e pw a t e rl e v e l t l l i sp a p e rc a m e so u tt h ef o l l o w i n gt a s k s ： 1 s u m m a r i z i n gt h eh i s t o r ya n dp r e s e n t s t a t eo fd i k e ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r i e sa n d m e t h o d so ft h e l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s o m ep r o b l e m s a r er a i s e d a n dt h e i m p o r t a n c eo f d e v e l o p m e n t o f e r e c td i k eo f p c ci sd i s c u s s e d 2 d e v e l o p i n ge r e c t d i k eo fp c c ，m a k i n gt w ok i n d so ft h ed i k e ，d e v i s i n gt h ec o n s t r u c t i o n m e t h o d sa n d t e c h n i q u e so f t h ed i k e ，e x p o u n d i n g i t sm e r i t s 3 w h e nt h ej o i n e dp c ci su s e da sr i g i dp i l e ，a n da tt h es t a t eo ff r e er o t a t i o n ，r o t a t i o na b o u t t o p ， r o t a t i o na b o u tb a s e ，t r a n s l a t i o na r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n c o m p u t a t i o n a lm e t h o d sh a sb e e n i m p r o v e d 4 w h e nt h e j o i n e dp c c i su s e da sf l e x i b l ep i l e t h ep l a s t i cs t r a i ni sc o n s i d e r e d z h a om i n g h u a s n e w r a a r km e t h o dh a sb e e nm o d i f i e d a f t e r c o m p a r i n g 、析t l l t h e e x p e r i m e n t a ld a t a , t h e c o r r e c t n e s so ft h en e wm e t h o di sv a l i d a t e d t h en e wm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c e o f t h ep a r a m e t e r o f p i l ea n ds o i lo nd i s p l a c e m e n t a n dm o v e m e n to f t h e p i l e ， 5 b a s e do nt h eg o d af o r m u l a r , t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d so fw a v ep r e s s u r e ，w h i c hi sf i tf o r t h ed i k e ，a l ep u tf o r w a r d ac o n t r a s tb e t w e e nt h ed i k ea n dd i k em a d eo fa b s o l u t ee r e c td i k ei s m a d e n 地c o n c l u s i o ni st h a tw a v e p r e s s u r eo f t h e d i k ei ss i n a i l e rt h a nt h a to f a b s o l u t ee r e c td i k e 6 a n a l y s i so fm e a s u r e so fa d d i n gg e o t e x t i l ea n da n c h o r i n gt ot h ed i k ei sm a d ew i mf i n i t e e l e m e n tm e t h o d k e y w o r d s ：p c c ；d i k e ；l a t e r a l l yl o a d e d ；s o i lp r e s s u r e ；e l a s t i c - p l a s t i cs u b g r a d er e a c t i o n ；f m i m e l e m e n t m e t h o d ；g e o t e x t i l e ；a n c h o r i n g 苎= 里堕堡。 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国是世界上人口、资源、环境形势最为严峻的国家之一，面临着人1 2 1 增长和耕地减 少的双重压力“1 。过去我国主要通过流域内开荒扩大耕地面积，但山地开荒、树木砍伐、 湖泊围垦、沼地疏干所带来的水土流失，使得降水无法涵养；湖沼降低蓄洪、滞洪的能力， 导致洪涝灾害。我国已不再提倡通过开荒增加耕地面积的做法了，而且要封山、育林、种 草。我国沿海城市发展迅速，工业用地激增，城市的发展受土地缺少的影响日益加剧。另 一方面，我国的海涂是潜在的土地资源，只要规划科学、开发合理并与保护生态环境相协 调，就能有很大的发展。 海涂资源的开发利用方式多种多样，如发展粮食及经济作物的农业围垦：利用海水、 太阳能和沿海滩涂晒制海盐：海水养殖：沿海工厂的生产和生活用地：沿海城市所建的开发 区：热电厂的灰坝：港口的陆域：机场等工业用地；海滨浴场等旅游场所：房地产及相关产 业。 随着海滩的开发，海岸防护工程也日益得到重视，海堤就是其中重要的一种基本防护 设施。海堤在浙江和苏南一带称海塘，在苏北一带称为海堰，在珠江三角洲地区称为基围， 河北称为海挡。海堤在海岸或河口地区沿岸线修建的直接护岸工程，它能保护天然岸线免 受潮流、波浪冲刷而发生侵蚀，从而保护沿岸地区免遭江海潮流的袭击”3 。 在我国，海堤兴建很多，5 0 年来围海面积全国达到t 2 0 0 0 k m 2 。在国外，荷兰、日本、 美国都进行了大量的海堤建设。如荷兰的须德海工程、三角洲开发工程，荷兰计划在北海 水深2 5 m 处建造面积为3 0k 秆的工业用人工岛；日本近4 0 年兴建的海岸防护工程保护了 1 5 0 0 0 k m 海岸线，约占日本海岸线总长度的一半；其用了十年的时间填筑成面积4 3 6 k m 2 的神户人工岛。 未来5 0 年，围海的特点主要是低滩围海、人工岛和连岛工程有较大的发展。过去5 0 年，全国的围海速度约为每年2 3 0 2 4 0 k m 2 ，高滩资源所剩无几，未来只有向中低滩围海。 这就是说海堤将在水位很深的地方建筑，中低滩围海工程造陆具有动力强、围堤高、技术 难度大、投资力度强的特点。围海工程多在软土地基上筑堤，易发生坍滑事故o 3 “1 。如何 快速地在软弱地基上建筑稳定安全的堤防，直接影响着人民的生命财产和国民经济的发展， 是目前迫切需要研究解决的课题。 为此我们开发了p c c 桩结构直立式海堤4 1 ，p c c 桩结构直立式海堤是一种新型结构形 式的海堤，是海岸带保护与利用的一种创新技术。所谓p c c 桩是指大直径现浇混凝土薄壁 河海大学硕士论文 管桩( t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n g c a s t - i n - s i t uc o n c r e t e ) ，其桩径为ol o o o m1 5 0 0 帆， 并正在向更大直径的方向发展，壁厚在1 5 0 - - 2 0 0 栅，不论打入岩土中的桩体部分，还是超 出地面的桩柱体( 包括在水中) 全部采用现场浇灌的素混凝士或钢筋混凝土，一次成型完 成。p c c 桩技术的关键部分别由刘汉龙教授和谢庆道教授等在长期从事工程实践和科学研 究中创造发明的，已经获得了中国国家发明专利权眦”。p c c 桩已经在各种工程的地基处理 中德到广泛的应用”4 1 。p c c 桩结构直立式海堤用钢筋混凝土p c c 桩联体打设形成整体的 支挡结构，堤身软土地基则采用素混凝土p c c 桩形成复合地基或真空预压技术进行加固。 p c c 桩联体结构做为支挡结构，其要受到海浪和填土的作用，它的抗弯性能将是整个 海堤结构稳定的保证，对其受弯的研究与桩受水平荷载的研究类似，海堤承受的波浪力是 非常大的，往往超出桩受水平力时正常的位移，只从它承受波浪力可看作主动桩，从承受 联体桩结构后的填土压力看又有被动桩的成分。所以其受力机理比较复杂，需要研究。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 海堤的研究现状 我国对海涂的开发和利用，有悠久的历史。我国的黄河、淮河平原、长江下游平原、 珠江三角洲、辽河下游平原等，共有1 4 1 5 万平方公里的土地面积属于古海湾沉积形成 的滩涂区域。这些区域地势平坦，土地肥沃，气候适宜。自东汉以来相继兴建了规模宏大 的钱塘江海堤、苏北海堤、浙东海堤、闽粤海堤等，到了唐代已建成海堤长达数千公里， 成为世界上最古老、最长的海岸防护工程。但海堤多建在平均高潮位以上的后海滨地区， 堤身低薄，仅一两米或稍高。宋以后，开始围垦前海滨的滩地。随着生产的发展，人们从 消极的防御变为与海争地，在沿海兴建用于农业、制盐等的围海工程；各个地区的海堤工 程，根据动力条件的不同，修建规格各有特色。同时根据各地的建筑材料的来源不同，做 到困地取材。新中国成立后，在修复加固、加高培厚原有堤防的同时，为缓解沿海地区地 少人多的矛盾，进行了大量的围海工程，缓和了沿海地区国民经济各部门对土地资源的需 求，特别是在耕地、盐田、养殖业、港口城市和工矿企业等主要的用地矛盾上，发挥了重 要的作用。如上海正在修建的东海大桥。我国建国后为改善一些海岛的交通，兴建了一些 海堤式陆岛通道工程，最早兴建的是厦门连陆工程一一集美海堤，后来，福建东山岛修建 八尺门海堤，浙江玉环岛修建楚门大堤与大陆相连，广东东海岛，海陵岛、三灶岛。高栏 岛均修建海堤并陆。以海堤把海岛与大陆相连，等于把海岛合并为大陆，使交通不便，缺 水缺电的海岛并为大陆，经济面貌迅速改观，大陆的沿海城市也有了发展用地，港口也可 以修筑在岛上，航行水深会更加大，可提高通航能力。 国内新型海堤设计与旌工技术的研究开发工作尚处于起步阶段，各种海堤断面的提出 2 第一章绪论 和各种材料的应用“。1 都是结合拟建海堤场地地基的情况、施工条件、当地所产材料的情 况、对海堤的要求等综合考虑的，他们从以下三个方面考虑而作出的探索。”。1 技术是否 可行；2 经济和政策是否支持；3 环境的影响。 由于滩涂的大面积开发和连岛工程的兴起，促使围海工程在低滩上进行，如果是在软 基低滩上筑堤，就需要解决地基基础的软弱问题以及所受波浪荷载比较大的问题。 目前在深厚软基上常用的筑堤技术主要是堆石堤和管袋吹砂堤两种，现简要介绍它们 的优缺点。 l 、堆石堤。堆石堤主要由堆石棱体与防渗土体组成，适用于其下部地基土质较好和 海底土质条件较好的海区，如若海区水深较大、软土较厚的地段，海堤的坡度要求更小， 这就会迸一步加大抛石量，大大提高投资成本：堆石堤在深厚软基上也将产生巨大的工后 沉降，目前一般使用塑料排水板进行处理，如图1 一l 。塑料排水板打入到软土地基，可以 形成竖向的排水通道，使固结时间变短，但即使是采用塑料排水板处理地基软土，除造价 不菲外，且不能解决长期的沉降问题。因此某些围海工程则采用爆破排淤法加固地基，爆 破法可以用爆炸的方法将海堤的地基中淤泥除去，但是旅工的费用比塑料排水板更大，施 工对间增长，施工存在一定的危险性，而且其排淤的质量难以控制，监测工作也比较困难， 爆破使淤泥和爆炸物混合在海水里，造成环境污染等问题。并且堆石堤的石料一般是从当 地的山区开采而来，如上海等当地没有石料资源的地区，长途运输石块是不经济的做法。 石料的开采对于当地的环境也是一种破坏。 图l 一1 堆石堤海堤断面图 2 、管袋吹砂堤。此法于近年来在长江口等地使用成功，目前上海的东海大桥施工中 也有采用。其优点是施工期较短，质量比堆石堤较易控制、投资较低，但亦受自然条件限 制，如遇海区底质砂源较远、砂土中含泥质较高、水深较大、基底淤泥质软泥厚度较大等 不良条件时，吹砂充管袋的技术上将有困难。如果细颗粒成分的淤泥土不能充分从管袋中 排出时，管袋筑成围堤的堤芯将会产生长期沉降变形。同时若遇较厚的软土地基，则同样 河海大学硕士论文 需对软土层爆破排淤或塑料排水板或土工格栅等方法加以处理如图l 一2 。士工格栅沿海堤 的断面铺设，可以改善海堤的应力分布状态、减小海堤的不均匀沉降、限制海堤的水平位 移，但土工格栅自身会随时间而蠕变，并且在土体的长期变形下，海堤同样留下长期沉降 的后遗症。在上海的东海大桥施工中由于用砂量较多，一些海区砂源少，所以只有从较远 的地方运送，为在软基上控制沉降和不均匀沉降，其底部的加筋土工布也比海堤的堤脚宽 出几十米，增加了成本。管袋吹砂还会造成海水的污染。堆石堤和管袋吹砂法筑堤的工程 特点比较见表1 1 。 图l 一2 管袋吹砂海堤断面图 表l l 堆石堤与管袋吹砂堤的工程特点 承载力要施工控 求 材料来源长期变形工期环境影响 制 对海域有 地基承载 石块从附近山上开 质量易 因处理深度有 旌工一定污染， 堆石堤采，当地没有石源限，不能解决长 力高控制期长对开采区 时，运费较大期沉降问题 有污染 在含泥质较高、水 软土底质，则同 管袋吹 要求一定 深较大、基底淤泥 样需对软土层爆 的地基承 质软泥厚度较大等质量易 破排淤或塑料排 旌工对海域有 砂堤不良条件时，吹砂控制 水板等方法加以 期短污染 载力处理，因而同样 充管袋的技术上将 有困难 留下长期沉降的 后遗症 4 随着国民经济的发展，对于海堤的标准要求越来越高。围海工程有时需要很短的时间 苎= 兰堕堡 来完成海堤建设，以取得经济效益；从经济考虑，海堤的工程量也应该小、海堤本身占= 地 也要少；围海工程有时需要控制堤身的沉降量和不均匀沉降以便在堤身上修筑等级较高的 公路；在一些地区，台风的影响非常的大，海堤还要能经受住海浪的袭击：并且随着经济 的发展，人们对于环境的重视，修筑海堤时就应该选择对海区无污染和对材料来源地没有 生态破坏的方式。以往的堆石堤和管袋吹砂法筑堤方法对于处理深厚软基都存在着一些缺 陷。这就需要开发一种新型的海堤来解决以上种种问题。 1 2 2 桩的抗弯研究 过去在水工建筑物中，水平力一般由斜桩或叉桩承受，实际上，只要直桩有一定的入 土深度，保证地基土对桩产生一定的弹性抗力和嵌固作用，直桩也能承受水平力。随着科 学的发展，6 0 年代初起大直径桩应用越来越广泛，不少学者研究发展了水平承载桩的作用 机理和分析计算的多种方法并积累了一些水平静载试验桩的资料。 1 2 2 1 极限地基反力法 r a s e 。”在1 9 3 6 年提出了极限地基反力法，冈部、b r o m s 等对其进行了发展。这种方法 最初是从象沉井那样的刚性结构物的应力问题中导出的，由于在确定桩的横向抗力时假定 桩侧土体处于极限平衡状态，不考虑地基的变形特性，因此该法不适用于一般桩基变形问 题的研究，即不能用于长桩和含有斜桩的桩结构物的计算。 1 2 2 2 弹性分析法 p o u l o s 利用m i n d l i n 位移函数，此法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中并假定 土的弹性系数e 。或为常数或随深度按某种规律变化。计算时将直径为d ，长度为，的桩分 为若干段，根据半无限体中承受水平力并发生位移的m i n d l i n 方程估算微段中心处的桩周 土位移，另据细长杆的绕曲方程求得的位移，并用有限差分分式表达。令土位移和桩位移 相等。通过每一微段处未知位移的足够多的方程来求解。p o u l o s 按此原理获得了桩头的 位移p 和转角护的计算公式： 桩头自由时 桩头嵌固时 并制有、o 、厶。、k 等因数同桩的柔度因数= 耳乓，4 及长径比f d 竺驴 旦驴 k 日一彤 日一驴 日一彤 k k 肛 忙 肛 河海大学硕士论文 的关系图线供查用。 式中日、m 分别为作用于桩头的水平荷载和力矩； ，胛、，州分别为柱头自由时桩仅受水平荷载和仅受力矩作用时的地面处位移的 影响系数： o 、o 分别为柱头自由时桩仅受水平荷载和仅受力矩作用时的地面处转角的 影响系数。 弹性理论法的最大缺点是不能计算得出桩在地面以下的位移、转角、弯矩以及土压力 等，其次是e s 值的确定比较困难。但是它能够考虑在水平荷载作用下的桩土间出现的脱 离和土的局部屈服等，有助于桩土性状的进一步探索。在作水平承载桩的深入详尽的计算 之前，用弹性理论法的已有的参数解作初步的分析设计，可由参数解较方便地查得桩尺寸、 桩刚度和土的压缩性等因素对水平承载桩性状的影响。 承受水平荷载的桩或板桩，可以看作垂直放置的梁。引入w m k l e r 地基法，假定士为 弹性体，w i n t d e r 系数在深度方向变化，列出方程，用梁的弯曲理论求桩的水平抗力。 1 2 2 3 弹性地基反力法 设竖直桩全部埋入土中( 图1 3 ) ，在断面的主平面内， 地表面桩顶处作用有垂直于桩轴线的水平力日。和外力矩7 - 矗。选择地面桩轴中心处为坐标轴的原点0 ，取桩的中心 轴及与中心轴相垂直的方向为z 轴及j ，轴，以向下及水平力 风作用的方向为坐标轴的正方向。 假设土体一点的变形与其垂直位置上别的点的交形没 有关系，即把桩周土离散为已个个单独作用的弹簧，某弹 簧受力时，仅该弹簧发生变形而与其它弹簧无关。 从桩上取出d x 单元体，单元体的上下断面均为水平的， 则作用在这个单元上的力如图l 一4 所示。通过分析可得 到微分方程为： 豇害：袁训) 式中e 是桩材料的弹性模量：j 是桩的惯性矩：彤称 为抗弯刚度。 6 图1 3 桩的受力图 m _ 7 s 一固兰盟 再石 图1 - 4 单元体力的平衡 第一章绪论 设单位面积上土抗力p 的表达式为p ( x ，力= m ( x + x o ) “y b 式中m 由土的弹性性质决定的系数，与指数n 、b 的取法有关； x 泥面下的深度； h _ 段定从地面以上算起的长度 y 桩的挠度。 根据i 1 、b 不同的取值，可引申出各种不同的方法。 常数法。我国张有龄假定桩侧土地基土反力系数沿深度为一常数，将w i n k l e r 模型 引入桩基的水平受荷，导出桩基内力及位移的解析解，它在日本曾应用较为普遍。但根据 这种假定，由于地面处桩身侧移最大，得到桩身侧向土抗力最大的结论，于现场实际情况 有出入，特别对于非粘性土和正常固结土差异较大，现在己逐渐淘汰。h s i u n gy m m 2 “ ( 1 9 9 7 ，2 0 0 3 ) 考虑土体的弹塑性情况下得到粘土中桩的最大位移和最大弯距的简化方法 和解析解，对常数法是一个改进，使之变为复合地基方法。 m 法。其假定桩侧土地基系数呈线性增加，它克服了常数法地基土反力系数为常数的 缺点，能较好地反映地基系数随深度变化的情况。法是运用较为广泛的计算方法，前苏 联、英、美、中等国已把该法列入了规范之中。在实测试桩发现，m 值并不是一个确定的 参数，它是随着水平荷载的增大而减小，这主要是由于桩侧土体的非线性引起的，即桩周 土体随着外荷载的增大发生软化。地基系数脚值一般由试桩资料得出或查地基系数表，但 m 值的范围较大，即便由试桩得出，其也随荷载的增大而减小，因为在实际中，选择不同 值会对分析结果有较大的影响。王梅等“1 ( 2 0 0 2 ) 通过大量的模型试验结果的分析，提出 了非线性r f l 法，m 值由两个参数控制。 c 法。日本九保浩一( 1 9 6 4 ) 假定地基系数随深度呈抛物线增加，横山幸满( 1 9 7 7 ) 、 王伯惠汹1 ( 1 9 7 8 ) 及交通部科学研究院等给出了桩身内力及位移的解答。 对于n 的不同，为便于应用，横山幸满( 1 9 7 7 ) 和王伯惠( 1 9 7 8 ) 分别给出了横向荷 载下桩基绕曲微分方程式的通解，即n 为任意数值的解。 线性弹性地基反力法的解答有三种方法： ( 1 ) 解析解法 当桩顶的变位、转角、弯距和剪力已知时，对于任意m 和r i ，吴恒立( t 9 8 5 ，2 0 0 0 ) 求得了下列普遍解瞎蛸o 】 w = 州咖鲁跑) + 箍c ( 咖箍d ( a x ) 其中d = 等， a ( a x ) 、b ( a x ) 、c ( 饿) 、d ( 盘) 是与a ，x ，n 有关的系数。对w 求导就 7 河海大学硕士论文 可以得到转角、弯距和剪力公式。 水平承载桩计算中一般只知道桩顶的作用力m o 和q o 。然后根据桩底的约束条件求出 和岛。 ( 2 ) 半解析解法 解析解法精度较高，且有大量的图表可以查用，但在多层地基，桩身抗弯刚度变化的 情况下，只能用近似的方法先化为单一地基和单一抗弯剐度。而半解析解，由于引入一些 数值计算的手段，运用计算机来处理大量的计算，可以模拟桩侧地基系数沿桩身成各种规 律变化的情况，且计算精度可以任意控制，无需查取图表。其方法有周铭的连续梁解法跚1 ， 宰金璋的有限元一有限层混合解及有限差分法。”、沈珠江的指数级数解法。“、赵明华的 纽玛克法”。 上述都是单参数法。单参数法由于只有一个待定参数，应用于弹性长桩的计算时尚存 在一些不足之处。为克服这个缺点，国内吴恒立”3 ( 2 0 0 0 ) 提出了双参数法，该法使地面 处桩的挠度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等主要工程指标与实测值吻合，但该法必 须在有试桩资料的情况下使用。谢耀峰3 ”( 2 0 0 2 ) 用模型试验得出循环水平荷载下的双 参数的解答。 当桩身侧移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身的侧向位移之间可以按非线性关系考 虑，此时b 不为l 。其中最具有代表性的是日本港湾研究所提出的港研法，取b = o 5 。根 据地基的特性，港研法有分为水平地基系数为常数的林一宫岛法和水平地基系数沿深度线 性增长的久保法。n = 2 3 ，b = 1 3 时，为n l 法。由于非线性微分方程很难用解析法或近 似法求解，因此港研法采用由标准桩得到的标准曲线和相似法则来计算实际桩的受力状 态。弹性地基反力法的分类见表卜2 。 1 2 2 4 复合地基反力法 土体其实是非线性的，因此在水平荷载下的桩基分析也应考虑土体的非线性性质。在 塑性区采用极限地基反力法，在弹性区采用弹性地基反力法，根据弹性区与塑性区边界上 的连续条件求桩基的水平抗力。其中有长尚法、竹下法、布罗姆斯法、m a t l o c k 法”1 。m a t l o c k ( 1 9 7 0 ) 从现场试验提出软粘土地基桩侧土压力p 与桩侧位移y 之间的关系曲线，r e e s e 阻8 1 ( 1 9 7 5 ) 对打入砂土中的桩进行了侧向荷载试验和分析，从而形成尸一y 曲线法。7 0 年代美 国石油协会广泛采用了p j ，曲线来设计海上平台的桩基，挪威在海上平台的桩基设计中 也采用了p 一】，曲线。p y 法是目前最流行的水平受荷桩计算方法。p 一】，的迭代过程比 有限元和有限差分快。但是合适的p y 曲线是不容易得到的，并且没有考虑桩的特性的 影响。不同性质的土，其p y 曲线的具体做法和特点是不同的，国内外许多学者也开展 8 第一章绪论 了这方面的研究。 8 0 年代河海大学在上海黄浦江大桥现场试桩的基础上对其进行修正，用双曲线表示粘 性土常规三轴试验中的主应力差和轴向应变的非线性关系。n a b i lf ，i s m a e l ( 1 9 9 1 ) 分析了在水泥砂中桩的p y 曲线性状。d y s o ng j 和r a n d o l p hm f 1 进行了一系列离心 机模型，研究砂土中桩的安装模式和桩端情况( 开口和闭口) 对p r 曲线的影响。t a kk i m 和n a k - k y u n gk i m “2 1 在试验的基础上提出了考虑相对密度、桩头约束情况( 固定和自由) 和桩的入土方式( 预埋和转入) 的p y 曲线。j e a n l o u i sb r i a u d ”( 1 9 9 7 ) 提出用旁压 试验曲线得到p y 曲线的简化方法m 。j b a n d e r s o n 和f c t o w n s e n d “( 2 0 0 3 ) 评价了 标贯标准贯入试验( s p t ) 、静力触探试验( c p t ) 、膨胀计试验( d m t ) 、旁压试验( p _ i t ) 和土的一般力学参数预测的p y 曲线。a s h o u r 和g n o r r i s “5 ”“( 1 9 9 7 ， 2 0 0 0 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 提出s w 法，s w 法假设桩前是一个三维受被动力的土楔，其基本思想是 把土的应力一应变关系和一维弹性地基梁联系在一起。s w 法在p y 的基础上考虑了桩的 特性( 包括宽度，形状，抗弯刚度，桩头条件，桩间距) ，真正考虑了桩土的相互作用。m h e l n a g g a r 和m n o v a k ”“( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 提出了瞬时动力作用下的非线性模型，能考虑多 层土体和能量的消数过程，并考虑了群桩的影响。 1 2 2 5 数值计算方法 在桩和土介质采用有限元、有限差分、边界元等数值模型模拟时，桩和土都可以方便 的采用非线性关系描述。其中也发展了很多方法，如赵明华。”的纽玛克数值解，周铭8 ” ( 1 9 8 2 ) 的定点系数法，宰金璋。4 ( 1 9 8 7 ) 的有限元一有限层法等。c h e n ，c y 。“( 2 0 0 1 ) 用有限差分法( f l a c ) 、s k u c u k a r s l a n ”1 ( 2 0 0 3 ) 用杂交元数值法对侧向受苟桩进行了研 究。现主要介绍有限单元法和有限差分法。 1 有限单元法 有限单元法在岩土中使用越来越广泛，在桩受水平力的应用中，也有很长的研究历史， 有限单元法将桩划分为梁单元，将土体划分为平面三角形、四边形、或空间六面体等单元， 在桩与土体之间设置接触面单元以模拟桩土之间产生间隙或土体被压缩的情况。 有限元法分析解题的过程为： 1 ) 连续体的离散化。将连续体分割成等价的有限元组合系统。在基坑支护的分析 中，需要模型化的土体范围一般是不能明显确定的，在水平和垂直方向上可能是无限 大或半无限大的土体介质，但在实践上只考虑有意义的范围内的土体； 2 ) 选择位移模式( 场变量模型) ； 9 河海大学硕士论文 3 ) 按虚功原理( 或交分法) 推导劲度矩阵，建立平衡方程： 4 ) 建立整个离散化连续体代数方程式组： ( k 3 6 = f r ) 式中辟q 整体劲度矩阵； ( 6 卜一各结点的位移； r 卜一结点荷载。 并引入几何边界条件，在结构的边界处位移式给定的，按此适当修改上述方程； 5 )用直接法或迭代法解算结点场变量矢量( 单元结点的未知位移) ； 6 )由结点位移计算土介质与墙体结构单元的应变和应力。 有限单元法模拟桩受水平力，如果输入的参数不正确，所得结果也是无用的。随着科 学的发展，大型的有限元软件也越来越成为我们研究问题的有力工具，如p l a x i s ，其在土 木工程岩土领域中有了很广泛的应用，运用它来研究问题，无疑是一个很好的工具。 2 有限差分法5 ” 有限差分法与有限元法是两种不同的方法。有限单元法是 将连续的单元划分为若干单元的离散体，根据力的平衡和位移 的协调，解得桩各部分内力和位移，它属于物理上的近似，如 果划分的单元愈多，所得结果愈精确。有限差分法是将弹性桩 分成若干单元，用差分法代替桩身弹性曲线微分方程中的导数 式，属于数学上的近似。 如图1 5 ，将入土部分的桩沿长度方向分为力段，每段长 乜各结点编号分别为0 ，1 ，2 ，露，然后在桩顶以上和桩 底以下各加两个虚拟的点子，如图1 - 6 。我们知道，桩在水平 荷载的作用下，挠曲微分方程可写为： 嘉( 尉警) + e y - 0 i i- 2 - 1 o 惑，瓢? i - 2 i - 1 - 廿l i 主卜2 f l 一 尝竺苎挚弯刚度日为常数时，根据中心差分公式可得上式的差 图l 一5 桩的离散图 分形式为： 。 一。 y 。也_ l + ( 6 “分* 一瓴+ l + = o 式2 可以用于1 、2 、3 、r l 、n + l 点，得出n + 1 个方程。由边界条件可以得到4 个方程， 即可得到解答。 数值模拟可以处理复杂的边界条件或者复杂的土层条件，并且其单元长度可以是任意 1 0 第一章绪论 的。但数值模拟中单元必需要有足够的精度，计算时间比较长。 1 2 3 存在的问题 综上所述，今后在低滩上筑堤，在一些特定场地及环境条件下，传统的一些方法已经 不能满足要求了，这就需要开发出新的海堤；如在一些连岛工程中，海堤不仅仅是防浪的 设施，也需要有连接陆岛的交通功能，所以如果采用的方案会有很大的工后沉降，将会推 迟海堤上的公路建设，造成经济损失。由于在低滩深水围涂发展，围海技术越来越复杂， 传统简易的工程旋工方法难以保证海堤的安全以及工期的要求，应加强围海工程技术研 究，开发简单、经济的新技术。 新型p c c 桩结构直立式海堤技术也是基于此而研制开发的。p c c 桩结构直立式海堤与 现有的海堤断面结构上有很大的差别，其主要原因就是要发展深厚软基上，水深较大的情 况下筑堤技术。 海堤p c c 海堤作为一种高标准的新型海堤，需要探讨其断面结构，对其海堤的施工工 艺进行探讨，并要解决其沉降、抗弯、整体稳定等等一系列的问题，海堤是类似于板桩墙 的结构，在波浪力及土压力的作用下，p c c 桩受水平荷载作用，需研究其抗弯及水平位移。 这些问题都需要做理论分析和试验工作，本文着重研究其抗弯计算的分析。 1 3 本文的主要工作 本文的研究意义是在低滩深厚软基上筑堤，保证海堤的安全以及工期的要求，建筑高 标准的海堤；解决在受到波浪力等较大水平荷载作用时桩的抗弯及变形计算问题。本文结 合当前的研究现状和存在的问题，主要研究了以下几个问题： l 、开发了p c c 结构直立式海堤，讨论了其断面设计，并论述了它的优点。 2 、研究了p c c 联体桩的抗弯计算方法，考虑了桩的两种工作状态：假设联体p c c 桩 为刚性桩时，在自由工作状态，即桩的底端处于自由支承状态时，考虑桩的实际工作状态 可能出现的绕顶转动、绕底转动和平移的位移形式，改进了自由支承法的计算方法；假设 联体p c c 桩为弹性桩时，在底端自由或嵌固或介于两者之间的工作状态时，考虑土的塑性 变形，修正了赵明华的n e w m a r k 法，并与试验数据比较，验证了其正确性，并用它分析桩 土参数的变化对桩的位移和弯矩的影响。 3 、分析了p c c 桩直立式海堤的受力性状。在合田良实公式的基础上，提出适合本海 堤的波浪力的计算方法，得到海堤所受波浪力比完全直壁的小的结论。 4 、提出土工格栅和锚碇结构等减小海堤弯矩的措施，并用有限元对其进行了分析。 河海大学硕士论文 第二章新型p c c 桩结构直立式海堤技术开发 我国的海防工程历史悠久，规模宏大。如苏北的范公堤，杭州湾的钱塘江海堤，从土 筑到砌石，技术不断进步。就堤身材料而言，主要是当地的土、石料。就海堤的型式而言， 随堤基高程、风浪潮流大小、土质软硬、施工条件、材料来源及地方习俗的不同而异。新 型p c c 桩结构直立式海堤也是随着p c c 桩的应用推广和筑堤标准的日益严格而开发出的一 项新技术，本文在总结了海堤设计经验的基础上，从未来海堤的特点以及一些软基场地的 要求出发提出了新型p c c 桩结构直立式海堤。 2 1 联体p c c 桩技术 p c c 桩结构直立式海堤是由联体p c c 桩为主体的海堤，因而需要了解p c c 桩的一些技 术。所谓p c c 桩“”是指大直径现浇混凝土薄壁管桩( t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n g c a s t i n s i t uc o n c r e t e ) ，其桩径为mi 0 0 0 m 1 5 0 0 m m ，并正在向更大直径的方向发展， 壁厚在1 5 0 2 0 0 m m ，不论打入岩土中的桩体部分，还是超出地面的桩桂体( 包括在水中) 全部采用现场浇灌的素混凝土或钢筋混凝土，一次成型完成。此项新技术的关键部分由刘 汉龙教授和谢庆道教授等在长期从事工程实践和科学研究中创造发明的，已经获得了中国 国家发明专利权( 专利号分别为：z l9 8 2 3 3 4 4 0 0 和z l0 1 2 7 3 1 8 2 x ) “1 和美国国际专利 受理。p c c 桩的设计计算方法与沿用的大直径预制管桩相似。它具有旅工方法简单、造价 低、工程中质量易于保证等优点，目前已在国内不少工程中被采用，并取得了大量实践经 验和理论知识，大大丰富和发展了这项技术。如在杭州绕城高速公路、杭千高速公路、杭 宁高速公路、上海北环高速公路、江苏盐通高速公路、湖南常德高速公路、南京市政道路 等工程中都大量运用了p c c 桩技术，到目前为止，已旋工完成了5 0 0 0 多根p c c 桩，从旌 工质量检测及工程竣工之后的使用状况来看，都是优良的，不仅在工期和造价上均有大益， 而且在环境保护、美化景观方面均有大的改善空间，p c c 桩确有其特有的生命力；在水利 工程中，上海浦南东片出海闸导流堤工程就是用联体p c c 桩结构围堤建成的，这显示了联 体p c c 桩已经是一种比较可实现的施工方法。 第二章新型p c c 桩结构直立式海堤技术开发 l 刀 n b 垦l 礤 j j f f 旦粒 闷 1 立面图侧面图 图2 - 1 振动体系正面、侧面图 振动套管成模大直径现浇薄壁管桩机具如图2 1 所示。设备基本组成包括：底盘( 含 卷扬机等) ； 龙门支架； 振动头：钢质内外套管空腔结构；o 活瓣桩靴结构；成模 造浆器等；混凝土分流器。 主要机械构成及作用 1 底盘：用1 2 0 工字钢焊接而成5 0 0 0 9 0 0 0 m m 的矩形框架，用于支撑和摆放所有装 置。 2 龙门塔架：与普通沉管桩和深层搅拌桩相比，振动沉模管桩在提升过程中，因环形 腔体模板受到管壁内外双向摩阻力作用，需要较大提升力。因此，塔架在施工过程中除满 足稳定性外，还要求满足较大的纵向压力的要求。 3 提升装置：由于沉管径大，提升力较普通沉管桩提升力要大。 4 加压措旌：在桩头满足强度要求的前提下，考虑现场提供动力在振动力不能满足沉 桩要求时，可以通过附加压力即依靠设备自重，使沉管带动桩头在边振动边加压下，迅速 沉桩。 5 环形沉腔模板：由两不同直径的钢管组合而成的同心环腔。在桩体不要求配置钢筋 河海大学硕士论文 情况下，可以将内、外管焊接固定，这样可以大大简化施工工艺。 机具工作流程是：在设备底盘和龙门支架的支撑下，依靠振动头的振动力，将双层钢 管组成的空腔结构及焊接成一体的下部活瓣桩靴沉入预定的设计深度，形成地基中空的环 形域，在腔体内均匀灌注混凝土，之后振动拔管，灌注于内管中土体与外部的土体之间便 形成混凝土管桩。成模造浆器在沉桩和拔桩过程中，通过压入润滑泥浆保证套管顺利工作。 活瓣桩靴在管桩打入时闭合，在拔桩时自动分开。混凝土分流器的作用使得沉管中的混凝 土均匀密实。现浇混凝土薄壁管桩的施工机械与振动沉管桩相近，但又有本质不同，其振 动沉管由两层钢管组成，内管与外管半径相差1 5 2 0 c m ，振动下沉时对桩侧土体排土作用 较小，并形成环形腔体模板，现浇注入混凝土，振动提拔钢管，同时混凝土从环形腔体模 板下注入环形槽孔内，从而形成沉管、浇注、振动提拔一次性直接成管桩的新工艺，保证 了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。如遇到较硬夹层，可利用专门设计的成模润滑 造浆器在沉桩过程中注入泥浆；在遇到砂性土层时，宣放慢上提的速度，软土层速度一般 可在l 3 m i n m 。 p c c 桩技术目前应用发展势头良好，己从原来的单体p c c 桩发展为联体p c c 桩，前者 可用在建筑物基础的单体深基础，后者以地下连续墙的形式解决基坑围护、护岸工程、隔 堤工程等。联体p c c 桩是将很多p c c 桩连成一个板桩墙结构，从而能达到一定的工程目的。 从p c c 桩到联体p c c 桩施工工序流程为： 1 利用特制的几根沉管如图所示依次打入土中，未设置钢筋笼的p c c 桩功能主要是防 渗和增加支挡的整体性。后一根桩模具在入土前套入前者的导接器中，再激振力送入，浇 注第一根时至少连续打入二根沉管。桩在海底面以 上可以加大桩壁厚度以提高其抗风浪的能力。 2 连续打入几根后，再在环形孔内下入要求的 钢筋笼，下放钢筋笼时要求有一定的垂直度，钢筋 笼的长度不需要是整个的桩长，而是按照计算联体 桩的受力而得到的。 3 对已下入钢笼的孔内依照p c c 桩的施工技术 浇注混凝土。 4 浇注后的所有桩形成如图2 2 所示的最终形 状即空心连续墙。 联体p c c 桩既是抵抗波浪力和土压力的结构， 又是种防渗的支挡结构。联体p c c 桩在水利工程 图2 - 2 联体p c c 桩成墙工艺流程 中已经得到应用，图2 - - 3 就是联体p c c 桩的现场施工图。 1 4 一一一一 第二章新型p c c 桩结构直立式海堤技术开发 图2 3 联体p c c 桩现场施工 2 2p c c 桩结构直立式海堤技术开发 本文探讨两种p c c 桩结构直立式海堤的断面型式，方案1 ：联体钢筋混凝土p c c 桩路 堤合一方案，( 素混凝土p c c 桩软基加固，以下称方案卜1 ；真空一堆载联合预压软基加固， 以下称方案1 - 2 ) ；方案2 ：联体钢筋混凝土p c c 桩路堤结合方案，( 素混凝土p c c 桩软基 加固，以下称方案2 1 ；真空一堆载联合预压软基加固，以下称方案2 2 ) 。现将这两种方 案及各自的特点叙述如下： l 、方案1 ( 堤路合二为一) 该方案是指在海堤范围内的两侧各打一排直立的p c c 钢筋混凝土p c c 桩与素混凝土p c c 桩进行联体，在联体p c c 桩之间设置路堤段，在联体p c c 桩两侧抛石。以p c c 桩挡水，以 路堤承载。其典型断面图见图2 4a ，平面图见图2 4b 。 根据路堤段地基加固处理方式的不同，本方案考虑了两种型式。 ( 1 ) 方案卜1 素混凝土p c c 筒桩基础加固方案 该方案是指在海底面以下部分每隔数米打一根素混凝土p c c 桩进行地基加固处理，素 混凝土p c c 桩壁厚比钢筋混凝土的薄，方型或梅花型布置。该方案的特点是，复合地基处 理效果好，沉降变形小。 ( 2 ) 方案卜2 排水板加真空一堆载联合预压基础加固方案 该方案是指在海底面以下部分，通过纵向的联体筒桩与每隔一定间距( 如3 0 - - 5 0 m ) 的横向临时