（岩土工程专业论文）纵横向荷载作用下排桩的性状研究.pdf

摘要 摘要 当建筑场地浅层地基不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，也不宜采用地 基处理等措施时，往往采用深基础方案。桩基作为地基与基础的一种重要基础形式， 在工程中的应用及其广泛。随着大跨度桥梁、港口码头、近海平台和高层建筑的高速 发展，纵横向荷载同时作用下基桩的受力分析同益重要。纵横向同时作用下桩与土的 相互作用机理十分复杂，影响因素众多，国内外对该问题的研究，目前限于纵横向同 时受荷桩极限荷载的确定，试验资料较少，且以单桩研究为主。而在实际工程中，基 桩常常以排桩形式出现，本文通过模型试验、公式拟合以及数值模拟开展了如下的 工作： ( 1 ) 查阅大量有关桩基研究的国内外文献，综合分析前人的研究成果，指出各种 研究方法的特点与适用性。 ( 2 ) 进行了一定量的室内模型试验，从试验数据出发，对纵横向荷载作用下排桩 性状进行分析；讨论前桩、中桩以及后桩之白j 的关系。 ( 3 ) 以实测数据为依据，从理论分析出发，给出排桩弯矩函数拟合公式，推导出 桩身剪力、土反力的计算式；编制由实测弯矩值来推求桩身弯矩函数、桩身剪力以及 土反力的f o r t r a n 程序。 ( 4 ) 阐述有限单元法的基本原理，介绍了a b a q u s 处理三维问题的方法与特点，确 定了数值模拟方案，在考虑自j 距、桩数、桩径、桩长、土体模量等因素变化的工况下 进行大量数值计算，得出定性结论，并与模型试验的结论相验证，为实际工程的设计 提供定性参考结论。 关键词：排桩、纵横向荷载、受力性状、模型试验、弯矩函数、有限元 a b s t r c t a b s t r a c t w h e ns h a l l o wg r o u n dc a nn o tf u l f i l lt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nn e e d sa n d s o i lt r e a t m e n ti sn o ta p p r o p r i a t e ，d e e pf o u n d a t i o ni st h eb e t t e rm e t h o d d e e pf o u n d a t i o ni s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o u n d a t i o nt y p e s ，w h i c hi su s e di ne n g i n e e r i n gw o r l d w i d e a st h e c o n s t r u c t i o no fl o n g - s p a nb r i d g e s ，p o r t sa n dp i e r s ，s e a s i d ep l a t f o r m sa n dt a l lb u i l d i n g s ，t h e m e c h a n i c a la n a l y s i so fp i l e su n d e ra x i a la n dl a t e r a ll o a di sm u c hm o l ei m p o r t a n t t h e m e c h a n i c so fp i l ea n ds o i li n t e r a c t i o nw h e np i l ei su n d e ra x i a la n dl a t e r a ll o a di sv e r y c o m p l e x ，a n dm a n yf a c t o r sm a yi n f l u e n c et h a ti n t e r a c t i o n al i t t l el i t e r a t u r ei sl e l a t et ot h i s p r o b l e m ，o fw h i c hs o m er e s e a r c h e sa r ea b o u tt h eb e a r i n gc a p a e i t yu n d e ra x i a la n dl a t e r a l l o a d ，m o s t l yo fs i n g l ep i l e s i np r a c t i c e s ，p i l e so f t e na p p e a l a sp i l eg r o u p s t h r o u g hm o d e l t e s t s ，f u n c t i o nf i t t i n ga n dn u m e r i e a is i m u l a t i o n ，t h ew o r kc o n d u c t e di sl i s t e db e l o w ： l i t e r a t u r ea b o u tp i l e si ss t u d i e dt og e tc o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fp r e v i o u sr e s e a r c h e s ， a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b i l i t yo f r e s e a r c hm e t h o d sa r ep o i n t e d m o d e lt e s t sa r ec o n d u c t e d ，a n df r o mt e s td a t a , t h eb e h a v i o ro fp i l eg r o u p su n d e ra x i a l a n dl a t e r a ll o a di sa n a l y z e dw i t ht h er e l a t i o no f e a c hr o w o f p i l e sd i s c u s s e d 。 a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a , f r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em o m e n tf u n c t i o no f r o wp i l e si s f i t t e d ；f o r m u l af o rs h e a rs t r e s sa n ds o i lr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o ni sg o t af o r t r a np r o g r a m w h i c hc a l lc o m p u t e rm o m e n t f u n c t i o n ，p i l es h e a rs t r e s sa n ds o i lr e s i s t a n c ei sw r i t t e n t h ep r i n c i p l e so ff e ma r ep r e s e n t e d ，a n dt h em e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i c so fa b q u a s c a l c u l a t i n g3 dp r o b l e m si si n t r o d u c e d b yc o n s i d e r i n gs p a c e ，p i l en u m b e r , p i l ed i a m e t e r , p i l el e n g t ha n ds o i lm o d u l u s , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns c h e m ei sd e s i g n 。b yc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t sw i t hm o d e lt e s td a t a , q u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n sa r ec o m eu p ，w h i c hc a l l p r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rd e s i g n si np i l ed e s i g n k e y w o r d ：r o wp i l e ，a x i a la n dl a t e r a ll o a d ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r , l a b o r a t o r ym o d e lt e s t s ， m o m e n tf u n c t i o n , f e m 儿 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同 事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 小小| p 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研 究生院办理。 论文作者。签名) ：三丕：丝移旷年；月，节日 第一章绪论 第一章绪论 当建筑场地浅层地基不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，也不宜采用地基处 理等措施时，往往采用深基础方案。深基础主要有桩基础，沉井和地下连续墙等几种类型， 其中以桩基础的历史最为悠久，应用最为广泛叱 桩基作为地基与基础的一种重要基础形式，在工程中的应用及其广泛。在一般的建筑 基础工程中桩基主要承受竖向荷载，但是在河港、岸坡、高桩码头、高耸塔型建筑、近海 钻采平台、桥梁等工程中，还需承受水平向荷载1 2 j ，在现实生活的很多工程中，桩基往往 同时承受竖向和水平向荷载。 第一节桩基础的概述 i 1 i 桩基础的发展简史 桩基础是一种古老的基础形式，早在有文字记载前【3 j ，人们就在地基条件不良的河谷 及沼泽地带打设木桩以支承房屋。在智利发掘的文化遗址所见到的桩距今大约有一力二千 至一力i 四千年的历史。我国历史上最早的桩基距今已有7 0 0 0 多年，据历史文物遗址的挖 掘揭示，我国历史上最早的桩是在浙江宁波市附近的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑 的基础是由圆木桩、方木桩和板桩三种形式组成的桩基础。我国上海龙华塔、山西太原 的晋祠圣母殿、杭州湾的石砌岸壁、南京的石头城、北京御河桥及西安灞桥等，都采用了 木桩基础。在清代工部工程做法等古文献中，就对桩基选料、排列伟置和施工方法等 更是作了具体的规定1 5j 。 桩基的使用经历了漫长的历史年代它的发展主要从成桩的材料和成桩的工艺方法两 个方面来讨论。 1 1 1 1 成桩材料的发展 人类最早使用的是木桩，距今已有上万年的历史，到1 9 世纪2 0 年代，开始使用铸铁 板桩修筑围堰和码头。2 0 世纪初，美国开始使用各种型式的钢桩，特别是h 型钢桩极为 受到重视。二次大战后，随着冶炼技术的迅速发展，无缝钢管被广泛用于桩基。随着混凝 土和钢筋混凝土的发展，混凝土灌注桩开始应用，接着又出现了钢筋混凝土预制桩；到 f 海人学硕上学位论文 5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，混凝土钻孔灌注桩得到了广泛的应用1 6 1 。 1 1 1 2 成桩工艺的发展 从成桩工艺的发展过程看，最早使用的桩基施工方法是打入法，打入的工艺从手锤到 自由落锤，然后发展到蒸气驱动、柴油驱动和以压缩空气为动力的各种打桩机，此外还发 展了电动的震动打桩机和静力压桩机。随着人工挖孔桩1 7 1 ( 1 8 9 3 年，美国) 和钻孔灌注桩 的出现，钻孔机械不断改进，出现了适用于地下水位以上的长短螺旋钻孔机，适用于不同 地层的各种j 下、反循环钻孔机、旋转套管机等。此外，为了提高灌注桩的承载力，还出现 了扩大桩端直径的各种扩孔机，以及在孔底和周边压浆的新工艺等。 1 1 2 桩基的分类 为了满足结构物的要求，适应地基的特点，在工程实践中已经形成了各种类型的桩基 础。桩和桩基可以按以下几个方面进行分类，其目的是为了掌握其不同的特点，供设计时 选择和利用呻j 阻”j 。 ( 1 ) 按桩的使用功能分：轴向抗压桩、轴向抗拔桩、横向受荷桩以及复合受荷桩。 ( 2 ) 按桩土相互作用特点分：摩擦桩和端承桩。 ( 3 ) 按成桩材料分：木桩、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩、管桩和复合桩等。 ( 4 ) 按成桩方法分：预制桩和灌注桩两大类。 ( 5 ) 按挤土程度分：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩。 ( 6 ) 按桩径大小分：小直径桩( 直径小于2 5 0 m m ) ，中等直径桩( 直径2 5 0 8 0 0 m m ) 、 大直径桩( 直径在8 0 0 r a m 以上) 三类。 ( 7 ) 按桩轴方向分：竖直桩和斜桩。 ( 8 ) 按承台底面位置分：低承台桩基和高承台桩基。 此外，按桩身截面可以分为圆型桩、多边形( 三角形、四边形、六边形等) 桩、异形( 十 字型、x 型、树根型等) 桩、螺旋桩等；根据桩的长度可以分为短桩和长桩，一般来说， 桩长工 3 0 m 称为长桩，l o r e 3 0 m 称为中长桩， 一( 重新连接 i y 亟堑 塑堕壹困 i 口巫互至受匾墅困 圈2 8 试验采样漉程田 一塑 一样时一一采定一一时于一一定用一 一 要一 一 主一 卜 一 样一 一 采一 一样动一 + 丽翌 一扫用一 一 要一 一 主一 河海人学烦l ：学位论文 2 4 4 桩身截面弯矩的量测 试验中桩身的弯距用桩身实测的应变值通过计算来推求桩身截面的弯距。应变测试的 方法一般是在桩身主筋上焊接弦式钢筋计或粘贴电阻式应变片，由于本试验是室内模型试 验，模型桩尺寸较小，因而采用在桩身表面粘贴电阻式应变片来量测桩身应变值，粘贴好 的应变片做好严格的保护措施，密封、防潮、防震动以及防止应变片和导线损坏。为更好 地量测与弯距有关的弯曲应变，各测试断面的测点布置在远离中性轴的位置。 第五节试验准备工作及步骤 2 5 1 模型桩的制作 本次模型试验的模型桩由于尺寸较小，制作起来难度较大，若想真实模拟现场打桩的 情况，即在室内模型槽砂土中用振动沉模的办法来制作模型桩，在实验室现有的条件下是 难以进行，况且如果采用振动沉模的方法，桩身的量测元件( 应变片) 无法粘贴，因而通过 试验手段来探求桩身的受力性状就难以实现。 本试验采用钢管作为模型试桩，根据设计方案准备i 日j 距为3 d 、6 d 以及8 d 的排桩三 组，其长度为7 7 c m ；另准备间距为6 d 、长度为6 7 c m 和5 7 c m 的两种工况的模型试桩，模 型桩的外径为2 0 r a m ，壁厚1 脚- ，按照试验所需的桩长尺寸截断，并选好承台钢板，在专 业机构车床精加工而成，同时清沈钢管内外侧。 由前人研究可知，桩表面的粗糙程度对桩极限阻力的影响较小，因此，试验中对 桩表面的粗糙程度并不进行处理。另外，对于空心钢管，为防止试验时土料从钢管底端进 入钢管而影响桩周土的应力状态，试验前用塑料封管将其底端封住。 2 5 2 桩周土体的装填 2 5 2 1 桩周土的准备 由于土的模拟比较困难，本次试验采用同一土质( 风干砂土) 条件下进行排桩的对比试 验。在试验前，将砂土先通过筛子过筛，以便去除较大颗粒及其它杂质，从而模拟排桩在 均匀土体中的承载特性。以下是通过室内试验得到的砂土的参数：含水率脚为1 1 2 ，砂 的最大干密度和最小干密度分别为1 3 9 9 c m 3 和1 6 6 9 c m 3 。 第一章纵横向倘载作用下 非树模型试验 2 5 2 2 桩周土的装填 由于试验条件限制，试验时，砂土的装填是按质量均等地分成若干份加入到模型槽中， 要求均匀对称地装土，并且进行振捣密实，经振捣密实后每层土的厚度控制为8 c m 左右， 且每次要求土的上平面为水平，加上层砂土时将砂面刮毛，以免认为分层。由于模型槽体 积较小，在装土时振捣密实不方便，很难将填土振捣得很密实。为了保证填土能够固结稳 定，据文献土工计算原理( 钱家欢，殷宗泽) ，在桩周土加装完6 小时后进行试验。 2 5 3 模型桩的埋设 试验中常用的埋置方法有两种，即埋置式和压入式。采用埋置式主要用来模拟现场非 挤土桩的施工，且不考虑施工对周围土体产生的影响，方法为先将砂填到预定桩端高度， 再将模型桩放入并固定，继续将砂装到预定桩顶高度即可；而压入式主要用来模拟挤土桩， 方法为先将砂填到预定桩顶高度，再用特殊机械将桩压入。本次试验考虑到主要是模拟模 型桩在纵横向同时受荷下受力性状，而不考虑其成桩方式对其影响，再之，为了防止压入 式方法对桩身原件造成损坏而导致试验失败，故本试验采用埋置式方法。 先挖出模型槽内的砂土，放置并固定模型桩到指定位置和高度，然后均匀对称地分层 装填砂土并振捣密实，每次要求砂的上平面为水平，装上层砂土之前将砂面刮磨，以防认 为地基土分层。 在模型桩的埋设过程中，有一个注意事项就是保证桩的垂直度，在本试验过程中，先 在桩的埋设位置安置一根基准梁，同时采用重锤悬挂法来保证桩的垂直度，在装砂的过程 中也要求小心谨慎。 2 5 4 电阻应变片的粘贴 应变片( r = 1 2 0 欧，k = 2 0 6 ) 的粘贴是应变电测技术中的一个关键环节，粘贴质量 的好坏直接关系到测量的结果。本试验中应变片的粘贴工作量很大，技术难度要求较高， 重复使用困难，如操作不当则会有测点因应变片不能被激活而失效，导致测量工作的失败。 试验中严格按应变片粘贴工艺要求粘贴应变片。试验前先将模型桩粘贴应变片，对粘贴好 的应变片进行绝缘检查，用7 0 4 硅胶对应变片进行防潮防水处理。为了研究模型桩桩身的 弯矩情况，应变片的粘贴位置是在模型桩远离中性轴的表面间隔8 c m 贴一个应变片，接法 采用单片多点公共补偿接法。 目前应变片的粘贴剂主要采用5 0 2 胶、环氧，以及甲乙胶，5 0 2 胶一般用于钢筋、混 凝土等弹模较大的材料，环氧一般用于弹模较小的材料。本次试验采用5 0 2 胶粘贴。 在粘贴应变片之前，先将模型桩测点附近表面用砂纸打磨，除去表面杂物及铁锈，然 后用棉签蓖取丙酮反复清洗表面，直至棉签不再发黑为止。粘贴时先在粘贴位置涂一层 河海人学硕上学位论文 5 0 2 胶，涂胶后迅速粘贴应变片，同时将引线稍稍拉起使之与桩表面脱离绝缘，再在应变 片项部o 5 c m 处用5 0 2 胶粘贴引线端子。待应变片及端子粘牢后进行引线的焊接，焊接时 将应变片引线和导线分别固定在端子的两侧焊点上，注意保证焊接质量，焊点表面焊锡要 保持圆润光滑。在固定的位置贴完应变片后，在其表面涂上7 0 4 硅胶进行保护，并且放在 阴凉处风干2 4 小时。为了保证数据的j 下确性，在试验前还要对风干好的应变片进行了电 阻检测，不合格的应变片要重新粘贴1 7 2 j 。 2 5 5 测试前的准备 在试验前将应变仪预热1 0 分钟左右以保证仪器的j 下常工作；百分表安装在基准梁上， 并保证表头与桩身严密接触，量测各百分表到土层表面距离：应变片导线接到电阻应变仪 上，准备做试验。 开始做加载试验，在施加第一级荷载之前，先检查各个桩身测试元件，运行程序，检 测并且平衡测点，确保各个电阻应变片全部被激活，并进行加载前的电阻应变值调零处理。 第六节本章小结 根据前文对排桩受力性状的分析，结合实际情况，本章主要介绍了纵横向荷载共同作 用下排桩室内模型试验的情况。首先首先根据试验目的与内容确定了试验方案和试验中判 断模型桩破坏的条件：接着按照试验方案加工制作模型桩，清理试验槽，量测模型桩的抗 弯刚度，做好试验前的各项准备工作。 本试验采用了d h 3 8 1 6 应变采集系统采集数据，文中介绍了该系统的特点和适用性； 绘制数据量测的流程图。由于应变的量测是本试验的一个重要内容，其数据的准确性与应 变片的粘贴质量直接有关，在本章中还重点介绍了应变片的粘贴步骤和注意事项。 第三章试验结果整理。，巧矩函数模拟 第三章试验结果整理与弯矩函数模拟 通过排桩的室内模型试验，可以得到以下一些直接或间接的数据：排桩在纵横向荷载 作用下分级水平荷载条件下桩的水平位移、桩身弯矩、桩顶转角以及它们之间的关系曲线， 并由此可以看出排桩在这些条件下的工作性状。 第一节桩的位移数据整理 3 1 1 分级水平荷载下桩的水平位移 由于桩的相对刚度较大，承台的刚度也很大，承台与桩是刚性连接，荷载的加载的位 置比较低，桩在荷载作用下弯曲的曲率较小，因此近似利用上下百分表的位移读数按线性 插入推算出桩在纵横向荷载作用下的位移。 图3 1 ( 问距3 0 、竖向力o n ) 桩位移 图3 2 ( 问距3 d 、竖向力1 7 6 4 n ) 桩位移 图3 3 ( 问距3 d ，竖向力3 5 2 8 n ) 桩位移田3 t ( 问匝、竖向力5 2 9 2 n ) 桩位移 河海人学硕士学位论文 图3 5 ( 间距6 d 、竖向力o n ) 桩位移 图3 7 ( 间距6 d 、竖向力3 5 2 8 n ) 桩位移 圈3 9 ( 埋深2 8 d ) 桩位移 圈3 6 ( 问距6 d 、竖向力1 7 6 4 n ) 桩位移 图3 8 ( 间距6 d 、竖向力5 2 9 删) 桩位移 图3 1 0 ( 埋深2 3 d ) 桩位移 田3 1 1 ( 问距曲、竖向力o n ) 桩位移圈3 1 2 ( 间距8 d ，竖向力1 7 6 删) 桩位移 3 0 第三章试验结果整理。，矩函数模拟 田3 1 3 ( 间距8 d 竖向力3 5 2 8 n ) 桩位移图3 1 4 ( 间距8 d 、竖向力5 2 9 2 n ) 桩位移 由试验所得的数据可以看出，试桩在地面处的位移随着水平荷载的变化有着明显的变 化规律，当水平荷载逐步增加的时候桩的水平位移也在非线性地不断增加，同时竖向荷载 的变化对试桩的影响也是比较明显的。在试验的过程中，设定认为当桩的地面位移达到 8 m m 的时候试桩处于临界破坏状态。 3 1 2 各工况下桩的临界水平位移与极限水平荷载的关系 在桩的侧距、入土深度和抗弯刚度不变的情况下，桩的极限水平荷载随着竖向荷载的 增加而增加，即在同一水平荷载情况下，竖向荷载的存在在一定程度上会减小桩的水平位 移，竖向荷载的压应力会抵消部分弯曲拉应力，提高桩的极限水平荷载。表3 1 和图3 1 5 3 1 7 表示了在不同竖向荷载条件下，桩破坏时极限水平荷载与桩水平位移的关系。 表3 1桩临界破坏时的水平荷载 圈3 1 5 水平荷载与位移关系图( 问距3 d )图3 1 6 水平荷蓑与位移关系图( 问距6 d ) 河海人学硕：学位论文 图3 1 7 水平荷载与位移关系圈( 间距8 d )图3 1 8 不同桩长水平荷载与位移关系图 在桩的入土深度、竖向荷载、抗弯刚度不变的情况下，桩破坏时水平荷载随着桩问距 的增加而增加，这是因为排桩中各桩之间有相互影响，在水平荷载作用下会产生一个水平 位移，桩间土体受扰动而松动，引起水平荷载的降低，桩距较小时桩与桩之间影响较大， 即中后桩明显受到前桩的影响，土抗力降低，从而导致水平承载力降低，随着桩距的增大， 桩间影响减弱，故水平承载力也得到提高，图3 1 9 3 2 2 表示了桩间距和桩破坏时极限 水平荷载之问的关系曲线。 图3 1 9 不同间距水平荷载与位移关系c o n )图3 2 0 不同间距水平荷载与位移关系( 1 7 6 4 n ) 圈3 2 1 不同间距水平荷蓑与位移关系( 3 5 2 8 n )囝3 2 2 不同问距水平荷载与位移关系( 5 2 9 2 n ) 在桩的间距、竖向荷载、抗弯刚度不变的情况下，桩极限水平荷载随着桩入土深度的 增加而增加，这说明桩的长短与其产生的水平抗力有直接关系，且影响比较明显，表3 2 第二章试验结果整理j 巧舒函数模拟 和图3 1 8 表示了桩的入土深度和桩极限水平荷载之问的关系曲线。 表3 2 桩破坏时的极限水平荷载 从图表可以看出，在其它条件不变的情况下，如果桩的入土深度较小，则桩的水平位 移在较小的水平荷载下就达到临界破坏位移值，而随着桩长在一定范围内的增加，桩的极 限水平荷载也有较大明显的提高，可见，桩越长其产生的水平抗力也越大，能抵抗的水平 荷载也越大，但是当桩长达到一定长度后，再增加桩长而水平抗力的增加幅度就很微小， 这说明在纵横向荷载共同作用下排桩也存在一个有效桩长。 第二节桩身实测弯矩结果 3 2 1 分级水平荷载下各桩的桩身弯矩 根据实测桩身的应变值和桩的率定资料，计算桩身弯矩。由材料力学弯曲理论盯= 竽 得：肘：竺 y 武中； ，一力矩( 一册) ； f 一麻变值； 一桩得牢定抗弯h q 度( 磁一册2 ) ； y 一模型桩的内半往( ) ，= 0 9 c m ) 由实测应变通过计算可得到各工况下各桩桩身的弯矩分布，试验结果表明，当桩日j 距、 桩径、桩长不变的时候，在竖向力存在的前提下，竖向力的变化对桩身的弯矩变化影响不 大，因此在竖向力变化的情况下，各工况下桩身的弯矩图相类似，以下就列举一些在代表 性荷载下的各桩桩身弯矩。 河海人学颂r l ：学位论立 圈3 2 3 ( 问距3 d 、竖向力o n ) 前桩弯矩 田3 2 5 ( 阃距3 d 、竖向力o n ) 后桩弯矩 图3 2 7 ( 间距3 d 、竖向力5 2 y 2 n ) 中桩弯矩 图3 2 4 ( 问距3 d 、竖向力o n ) 中桩弯矩 图3 2 6 ( 间距3 d 、竖向力5 2 9 2 n ) 前桩弯矩 圈3 2 8 ( 问距卸，竖向力5 2 9 2 n ) 后桩弯矩 图3 2 9 ( 问距印、竖向力1 7 6 删) 酋桩弯矩田3 3 0 ( 问距6 d 、竖向力1 7 6 蛐) 中桩弯矩 3 4 第三章试验结果整理j 巧矩函数模拟 围3 3 1 ( 间距印、竖向力1 7 6 4 ) 后桩弯矩 图3 3 3 ( 问距帅、竖向力3 5 2 8 n ) 中桩弯矩 图3 3 5 ( 间距曲、埋深2 8 d ) 前桩弯矩 图3 3 2 ( 间距8 d 、竖向力3 5 2 8 n ) 前桩弯矩 图3 3 4 ( 间距8 d 、竖向力3 5 2 8 n ) 后桩弯矩 图3 3 6 ( 问距6 d 、埋深船d ) 中桩弯矩 图3 3 7 ( 同距6 d 、埋浑2 8 d ) 后桩弯矩图3 3 8 ( 问距印、埋深2 3 d ) 前桩弯矩 - 3 5 扣海人学鳓i 学位论文 田3 3 9 ( 问距6 d 、埋槔2 3 d ) 中桩弯矩 图3 4 0 ( 间距6 d ，埋深2 3 d ) 后桩弯矩 从各桩的弯矩图总体可以看出，随着水平荷载的增加，各桩的弯矩也是逐渐增大，桩 身的最大弯矩值一般出现在桩入土深度的l 3 1 2 范围内，且弯矩达最大值后，随着桩 埋深的增加弯矩值快速减小。总体而言，在问距和竖向荷载不变的情况下，中桩的最大弯 矩值深度要略低于前桩的最大弯矩值深度，但是后桩的最大弯矩值深度与中桩相比几乎没 有太大变化，这是由于排桩中前桩的“屏蔽效应”一般只是对邻桩有较大的影响。 试验中，对于白j 距6 d ，竖向荷载为3 5 2 8 n 的工况进行了不同桩长的模型试验，由试 验数据可以看出，随着桩长的减小，弯矩最大值位置有所降低，桩达到最大弯矩值后收敛 更为急剧，没有测到负弯矩的存在。 3 2 2 排桩在极限水平荷载下的桩身弯矩比较分析 由试验的几种工况可知，桩在不同1 日j 距、不同桩长乃至不同竖向荷载的情况下，试桩 达到临界破坏时的极限水平荷载是不同的，桩在临界破坏状态下前桩、中桩以及后桩的桩 身弯矩图如下： 围3 4 1 ( 问距3 d 、竖向力o n ) 备茬弯矩 圈3 4 2 ( 闯歪3 d 、竖向力1 7 6 捌) 各桩弯矩 第三幸试验结果整理- o 弯矩函数模拟 图3 4 3 ( 问距3 d 、竖向力3 5 2 8 n ) 各桩弯矩图3 4 4 ( 间距、竖向力5 2 9 2 n ) 各桩弯矩 由图3 4 1 3 4 4 可以看出，在竖向力增加的情况下，各桩桩身弯矩略有增长，由此 可见竖向荷载的存在对桩身会带来一定的附加弯矩但影响较小。从图中也可以看出，中桩 的弯矩要比前桩的弯矩小，而后桩的弯矩略小于中桩的弯矩，这是排桩中前桩的“屏蔽效 应”和“边桩效应”的共同体现。同时我们也发现，在桩的入土深度较深的时候，前桩、 中桩以及后桩的弯矩接近相同，也就是说在桩的埋深较大处，排桩的弯矩“屏蔽效应”和 “边桩效应”己不再明显。 圈3 4 5 ( 间距6 d ，竖向力1 6 4 n ) 各桩弯矩图3 蚰( 问距8 d 、竖向力1 7 6 4 n ) 各桩弯矩 由图3 4 2 、3 4 5 和图3 4 6 可以看出，在桩距变化的情况下，| j i 桩、中桩和后桩之问 的弯矩分配情况也发生了比较明显的变化。随着桩距的增加，中桩与后桩之日j 的弯矩值越 来越接近，也就是说，随着桩距的增加，前桩对后桩的影响越来越小。 河海人学顾j 学位论文 囤3 4 7 ( 问距6 d 、埋深3 3 d ) 桩身弯矩图3 柏( 问匿6 d 埋深2 8 0 ) 桩身弯矩 圈3 ，4 9 ( 间距6 d 、埋深2 3 d ) 桩身弯矩 由图3 4 7 3 4 9 可以看出，在竖向荷载和桩的间距不变的情况下，随着桩长的减小， 桩达到临界破坏时出现最大弯矩值的位置有所降低，同时山于桩长的减小，导致桩的极限 水平荷载也在降低，因而最大弯矩值也有所减小。从图中还可以看出，随着桩长的减小， 中桩和后桩在桩顶处的弯矩也减小，中桩相对于前桩的弯矩值减小幅度有所增加，而后桩 相对于中桩的弯矩值减小幅度却有所降低。 第三节位移与转角关系 由量测系统中二个百分表的位置以及表之间的距离可以计算得到不同荷载下桩项的 转角，由于地面以上桩的部分没有土压力的存在，而且距离较短，因此在计算过程中近似 可以认为地面以上桩的弯曲变化忽略不计，即认为桩顶的转角和地面处桩的转角相等。由 试验数据及图表对比可以发现，分级水平荷载下桩地面处转角变化规律和桩地面处的位移 变化很相似，在此不一一列举。 在本试验中，由地面处水平位移来控制桩项的水平极限荷载，并且桩的水平位移值不 是很大，考虑到小变形的特点，故将地面处的水平位移和地面处桩的转角进行拟合分析， 各试桩的。地面处位移一转角”的拟合图如下： 第二章试验结果整理j 竹锕函数模拟 圈3 5 0 ( 间距3 d ，竖向力o n ) 转角位移关系圈3 5 1 ( 问距3 d 、竖向力 7 6 4 n ) 转角位移关系 圈3 5 2 ( 间距3 d ，竖向力3 5 2 8 n ) 转角位移关系 图3 5 3 ( 间距3 d ，竖向力5 2 9 2 n ) 转角位移关系 图3 5 4 ( 间距6 d 竖向力3 5 2 8 n ) 转角位移关系 圈3 5 5 ( 问距6 d 、竖向力5 2 9 2 n ) 转角位移关系 圈3 5 6 ( 间距8 d 、竖向力o n ) 转角位移关系圈3 5 7 ( 问距b d 、竖向力1 7 6 a n ) 转角位移关系 3 9 河海人学顾l 学位论文 图3 5 8 ( 问距6 d 、埋深2 8 1 ) ) 转角位移关系 圈3 5 9 ( 阃距6 d 、埋深2 3 1 1 ) ) 转角位移关系 从以上各图我们可以看出，在各恒定的工况下，桩地面处位移和地面处转角有着较好 的线性相关关系，符合小变形的特点。以上各图拟合的相关系数都在0 9 8 5 以上。 第四节排桩实测弯矩函数拟合 目前在纵横向受荷桩试验过程中直接量测土反力p 相对比较困难，往往是由实测弯矩 来推求出p 。在排桩的研究过程中，我们通常假定桩基是满足弹性梁方程的，桩身的弯矩 肘与桩的剪力q 、土压力p ( x ) 、位移y ( x ) 等有着密切的关系，因此如果在实测数据的基 础上拟合一条弯矩函数，最大限度地逼近这些实测点，这样就可以将沿桩长若干个问断的 实测点联系起来，形成一个连续变化的函数m ( x ) ，便于对问题的分析同时也可以部分消 除实测数据中某些点的观测误差。 3 4 1 排桩弯矩函数的拟合与剪力、土反力表达式 纵横向同时受荷桩的弯曲特征方程可以描述为： 日参+ 尸万d 4 y = - p s 一 式中：y 为桩身水平位移；p 为士雎力； 工为桩的埋深： e 为桩的弹性模量；，为桩截面的惯性矩： p 为纵向荷载 本文以实测数据为依据，在理论分析的基础上采用l s t o p t 数学分析软件进行大量的函 数遴选，拟合出排桩的弯矩函数公式： 第二章试验结果整理。j 弯矩函数模拟 m i ( 加击矿。( a s i n t + b 删) = ( 史7m 力 ”z “， s z f _ 1 ( k u ) “ f ) l x ， 式中：口、a 、b 为待定常数；，为桩k ，k 为桩材影响系熬，对于不同的桩町取小同的值，对于奉试验而言，取 k = o 7 5 ；刀表示为荷载方向的持数，在本文中m 为前桩弯矩，m 2 和肘川表示中桩和后桩的奄矩 公式中前桩的弯矩公式( 吖1 ) 是在纵横向荷载作用下解析解的形式基础上，通过调整 系数，完善表达式并多次试算的基础上拟合出来的，中( 后) 桩的弯矩公式综合考虑了桩位 和深度的影响而拟合的。 根据分析可知，基桩弯矩的分布可由( 式4 - 2 ) 来反映，由力学关系等式可知，通过对 弯矩函数的微分或积分来求得桩身剪力、土反力以及基桩变形的分布。 在深度z 处的桩身剪力表达式为： = 掣2 南p 1 删i n f 硪o s f ) + 南p 1 俩s f f 。s j n f f 。一。 = 击e r 一例删s i n f 小膨圳删h 肼= ( 尚) ：击( 南) 2 在深度x 处的土反力表达式为： 河海大学硕【：学位论文 比d ：尝掣：掣 出。d 呵 = 南e 【( 一例埘s i n f + ( 一筇圳删】f + 而1 p 一户【( 一脚一印川一( 一声+ a ) s i n t t 3 4 + 南e 胡【( 一例一跏i n f + ( 一胚圳c o s 牡 = 南e 巾如2 ) 2 - ( f ) 2 一们州2 肌) 2 ) 口枷 + i 1 _ e 一卢如1 2 ( f 。) 2 ) 爿+ ( 2 ( f ) 2 一( f ) 2 一犀。归 c o s f 她，。= 以南) 2 = 寺( 南 3 同理我们可以推导出中桩、后桩的桩身剪力和土反力计算式： 鲥加掣= ( ( 襄7 砷，) 、伽= 2 、3 、4 ) 3 5 = ( 襄7 劬，+ ( 襄7 灿圳 p n ( j ) ：_ d2 m f ( x ) ：掣生 d l x 。出 = 南n + ( 密7m 圳l = ( 密7 卅z - ( 密7 卜) + ( 囊 赤n y 在奉文中：q 1 ，q 2 、q 3 为前桩，中桩和后桩的剪力；p 1 、p 2 、p 3 为前桩、中桩和后桩的士反力 基桩位移表达式为：y ( 曲：击肛( 工) 出出 3 7 第二章试验结果整理j 弯矩函数模拟 3 4 2 弯矩函数拟合曲线与实测弯矩曲线的比较 根据以上理论分析，按照( 式3 2 ) 求弯矩值，参数口、a 、b 的确定般要求解超越 方程。在本文计算过程中，编制f o r t r a n 程序，通过遴选控制的范围来确定参数的值。 试验实测弯矩值、参数值以及弯矩拟合公式计算值分别见表3 3 、表3 4 以及表3 5 。 表3 3 实测弯矩值 入土 3 d _ 0 n3 d 1 7 6 4 3 d _ 3 5 2 8 n 3 d - 5 2 9 2 n6 d - 1 7 6 4 n8 d 一1 7 6 4 n 深度( 3 8 0 n )( 3 9 3 n )( 4 0 4 n ) ( 4 2 2 n )( 5 6 0 n ) ( 6 9 2 n ) 4 册1 4 6 41 4 8 41 5 1 21 6 0 31 1 1 02 4 0 4 1 2 硎 2 2 2 12 3 1 22 3 5 52 3 6 22 1 2 4 3 7 1 3 2 0 c m2 5 6 5 2 6 5 5 2 7 5 5 2 8 3 22 7 0 9 4 2 6 4 前 2 8 2 3 7 72 4 7 62 6 3 42 6 6 52 6 4 63 8 4 3 3 6 c m1 6 8 71 8 9 12 0 2 21 9 7 8 2 0 8 6 2 8 2 8 桩 4 4 0 m7 o o9 1 29 5 09 0 01 0 3 31 3 5 0 5 2 硎0 9 81 4 31 1 01 1 01 8 0l6 0 4 7 0 26 0 76 8 56 8 54 0 78 1 2 1 2 c m1 2 8 41 2 3 01 2 6 71 3 5 41 1 4 81 7 5 3 2 0 c m1 6 8 l1 6 9 ij 7 4 41 7 8 41 7 1 92 3 8 2 中 2 8 c m1 6 8 61 8 4 81 9 3 71 9 6 21 9 6 32 5 2 2 3 6 e m1 4 0 71 5 8 61 5 2 41 6 5 l1 5 9 2l 6 0 桩 4 4 e m 6 4 67 9 28 5 38 1 08 5 8 9 7 4 5 2 o 9 3 1 1 5 o 9 1 0 9 41 3 1 1 2 3 4 硎5 1 75 0 85 0 75 4 73 6 l7 8 2 1 2 c m9 9 41 0 4 29 5 21 1 3 29 0 51 5 0 4 后2 0 c p n1 2 4 51 2 9 41 3 2 l1 3 9 11 4 0 02 0 3 2 2 8 硎1 3 9 4 1 4 9 1 1 5 9 31 4 9 0 1 6 0 6 2 2 2 2 桩3 6 硎 1 1 5 21 2 6 51 1 5 31 2 8 01 3 0 51 7 9 7 4 4 硎5 4 67 0 17 6 07 6 98 2 09 7 4 5 2 c 小0 7 7 0 8 9 0 7 80 8 3 1 0 l1 2 3 河海人学硕上学位论文 表3 4 待定参数值 表3 5 挥桩弯矩拟合公式计算值 入土3 伊_ 0 n3 d - 1 7 6 43 d - 3 5 2 8 n3 d - 5 2 9 2 n 6 d - 1 7 6 4 n8 d _ 1 7 6 4 n 深度 ( 3 8 0 n )( 3 9 3 n )( 4 0 4 n )( 4 2 2 n )( 5 6 0 n )( 6 9 2 n ) 4 册1 4 6 41 4 8 41 5 1 21 6 0 3 1 1 1 0 2 4 0 4 1 2 c m2 2 0 72 2 4 42 3 0 82 4 0 92 1 0 23 6 5 3 2 0 2 5 6 5 2 6 5 52 7 5 52 8 3 2 2 7 0 94 2 6 4 前 2 8 硎2 4 0 62 5 6 72 6 9 62 7 1 72 7 5 14 0 1 5 3 6 硎1 6 8 71 8 9 12 0 ，2 21 9 7 82 1 0 12 8 2 7 桩 4 4 c m6 6 78 1 689 98 3 7 9 4 l1 1 2 6 5 2 0 5 00 ，7 40 8 70 7 30 9 l0 8 6 4 硎6 6 66 7 56 8 87 ，3 050 59 7 6 1 2 c m 1 3 3 0 1 3 8 4 1 3 8 21 4 1 51 2 7 21 9 5 2 2 0 c ，玎1 7 4 51 8 0 71 8 7 41 9 2 7 1 84 3 2 5 8 9 由 2 8 c m1 7 8 01 9 o l1 9 ，5 02 0 1 12 0 3 62 6 5 2 3 6 m 1 3 2 91 4 ，9 11 5 9 41 5 5 9 1 6 4 41 9 8 9 桩 4 4 5 5 26 7 67 8 76 9 47 7 98 3 2 5 2 硎0 6 0o 8 5o 7 60 8 1o 9 80 9 1 4 硎 4 3 6 4 4 2 4 5 14 7 8 3 3 l6 7 l 1 2 删9 7 79 9 51 0 4 31 0 4 79 4 l1 5 1 6 后2 0 册1 3 6 71 4 1 5 1 4 6 8 1 5 0 91 4 4 32 1 2 7 2 8 c m1 4 4 71 5 4 51 6 2 21 6 3 5 1 6 5 52 2 6 2 桩3 6 硎 1 1 1 l1 2 4 61 3 ，3 31 3 0 31 3 8 51 7 4 4 4 4 硎4 7 25 7 86 7 35 9 36 6 67 4 7 5 2 删0 5 10 8 10 6 6o 6 80 8 80 9 l 基桩实测弯矩值曲线与弯矩函数拟合值曲线的对比列于图3 6