（道路与铁道工程专业论文）多年冻土地区钻孔灌注桩竖向承载力研究.pdf

摘要 我国是世界第三大冻土分靠国，约2 2 的国土被多年冻土所占据。多年冻土地区土 体冻胀融沉剧烈，冻融循环频繁。在这样恶劣的自然环境下，作为桥梁基础的主囊形式 之一的钻孔灌注桩，有的整桩冻拔，甚至被拔断，有的不均匀下沉导致了上部结构变 彤，影响桥梁外型的美观和行车的通顺性。因此，研究多年冻土地区钻孔灌注桩的竖向 承载力有着很重要的现实意义。本文介绍了国内外对于冻土学、单桩的荷载传递机理以 及桩土接触面单元的研究现状和发展趋势。系统地介绍了多年冻土的工程特性、单桩荷 我传递的理论分析方法，总结了目前单桩竖向承载力的计算方法。本文借鉴桩土相互作 川的基本脞论，考虑多年冻土特殊的物理力学性质，采用目前流行的大型有限元分析软 件a n s y s ，建立了多年冻土地区桩基冻土相互作用的模型。在此基础之上，本文主要 进行了以下三方面的工作：第一，根据有限元模型的计算结果，分析多年冻土地区单桩 和周围土体中的应力、应变分布以及单桩的荷载位移曲线。并且通过昆仑山多年冻土桩 基试验场的实验桩的数据与有限元模型的计算结果进行对比分析，验证有限元分析的准 确性。第一山了= _ | ! = i 前的各种参考文献t p ，对于有限元模型中的各种参数的驶值进行具 体地闸述的不多。闻此_ 奉叟全l 酊分析了对汁算结果影响较大的接触单元实常数，以及模 拟土体的d p 材料中的粘聚力、内摩擦角、膨胀角、桩土接触面的摩擦系数对单桩的荷 载位移曲线的影响。通过这部分的详细分析可以为今后的有限元模型中参数的选取提供 青价俏l 勺参考。第一l ，桩的荷载一沉降关系j i l 线( p s 曲线) 是桩受力特征的宏观表 现，1 ) i lj l b i j f 究桩的p - s 曲线特征是揭示桩受力机理的重要途径之一，本文考察了桩长、 桩径、0 的氏径比、桩体的弹性模量、泊松比、以及桩端土体的弹性模量变化时，对桩 的p s 曲线的影i 晌。通过这部分的分析将对多年冻土地区桩基础的设汁有重要的参考价 值。 关键词多年冻土：桩土相互作用；竖向承载力：单桩荷载传递；本构关系 a b s t r a c t f h ed i s t r i b u t i o no l p e r m a f r o s ti nc h i n ai st h et h i r dl a r g e s ti nt h ew o r l da n d a b o u t2 2 p e , c e n to ft h ec o u n t r ya r eo c c u p i e db yt h ep e r m a f r o s t t h ee n v i r o n m e n ti np e r m a f r o s tr e g i o ni s i n c o n v e n i e n c ef o rb r i d g ee n g i n e e r i n g ，t h es o i ls w e l ls e r i o u s l yf o rs a k eo fl o n gt e r ml o w t e m p e r a t u r ei nt h ep e r m a f r o s ta r e aa n ds u b s i d eg r e a t l yi nc a s eo ft h et e m p e r a t u r er i s eb e y o n d z e r o a c c o r d i n g l y , b r i d g es u b s t r u c t u r ei nt h ep e r m a f r o s ta r e aa r eu s u a l l yd e s t r o y e db yt h e a b o m i n a b l ee n v i r o n m e n t t r a f f i ct r a n s p o r ti np e r m a f r o s ta r e ai ss e r i o u s l yi n f l u e n c e db yt h e d e f o r m e db r i d g ee n g i n e e r i n g b o r e dp i l e ，a sam a i nf o r mo fb r i d g es u b s t r u c t u r e ，i sa l s ow i d e l y u s e di nt h ep e r m a f r o s ta r e a t h e r e f o r e ，i ti si m p e r a t i v et or e s e a r c ht h eb o r e dp i l ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t yi np e r m a f r o s ta r e a ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c hs t a t u si nq u oa n d d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ei n t e r a c t i o no fp i l ef o u n d a t i o ni np e r m a f r o s ta n ds i n g l ep i l el o a d t r a n s l i ：r t h ep e r m a f r o s te n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o do fs i n g l e p i l e l o a dt r a n s f e ra r es y s t e m i ci n t r o d u c e da n dt h ec o m p u t em e t h o do fs i n g l ep i l ev e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t yi ss u m m a r i z e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hm e t h o da n dr e s u l t s o ft h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i lc u r r e n t l y ，c o m b i n e dw i t ht h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so f p e r m a f r o s t ，af i n i t ee l e m e n tm o d e li sc r e a t e db ym e a n so fa n s y s o nt h eb a s i so ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l ，t h i st h e s i sm a i n l yc o n s u m m a t et h r e ea s p e c t so fw o r k s i nt h ef i r s tp l a c e ，t h e r e s u l to ff i n i t ee l e m e n tm o d e lc r e a t e db ya n s y si sv e r i f i e db yt h es i n g l ep i l ee x p e r i m e n ti n k u n l u n s h a np e r m a f r o s tz o n e t h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t u si np i l ea n ds o i li sa n a l y z e dt h r o u g h t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o du s e di nt h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i li s t e s t i f i e da c c u r a t ea n dc r e d i b l e i nt h es e c o n dp l a c e ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fs i n g l e p i l el o a da n dd i s p l a c e m e n tc u r v eb r o u g h tb yt h ec h a n g eo fc o n t a c te l e m e n tp a r a m e t e ra n ds o i l p a r a m e t e rs i m u l a t e db yd pm a t e r i a li na n s y s t h er e s e a r c hc a nb ec o n t r i b u t e dt os e l e c tt h e a p p r o p r i a t ev a l u eo fp a r a m e t e ri nf i n i t ee l e m e n tm o d e l a tl a s t ，i ti sw e l lk n o w nt h a ts i n g l ep i l e l o a da n dd i s p l a c e m e n tc u r v em a n i f e s tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fp i l e i no r d e rt or e a s o n a b l y d e s i g nt h ep i l ef o u n d a t i o ni np e r m a f r o s ta r e a ，t h ei n f l u e n c eo fl o a da n dd i s p l a c e m e n tc u r v e ， b r o u g h tb yt h ec h a n g eo fp i l e sl e n g t ha n dr a d i u s ，i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h er e s e a r c h r e s u l tw i l lb ev e r yu s e f u lt op e r m a f r o s ta r e ap i l ef o u n d a t i o nd e s i g n k e y w o r d s p e r m a f r o s t ； i n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i l ；v e r t i c a lc a r r y i n g c a p a c i t y s i n g l ep i l el o a dt r a n s l i r ；c o n s t i t u t i v eb e h a v i o r 1 1 引言 1 绪论 地球上多年冻土面积约占陆地面积的2 0 ，其主要分布于欧洲及贬洲的北部、北美 洲、北极洋大陆架，以及中纬度地区的高山、高原等地区。我国是世界第三大冻土分布 国，多年冻土面积约为2 1 5 x1 0 6 k m 2 ，即约2 2 的国土面积被多年冻土所占据。我国多 年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴 安岭，面积为3 8 3 9 万平方公里。高海拔多年冻土分布在青黻高原、阿尔泰山、天山、 祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地。如长白山、黄岗粱山、五台山、太 白山等。其巾青藏高原的多年冻土分布面积达1 5 0 1 0 6 k m 2 ，占我国多年冻土总面积的 7 0 ，为i 1 低纬度地带海拔最高、面积最人的多年冻土区。高海拔多年冻土的形成与存 在。受当地海拔高度的控制。 青减公路格尔木至拉萨段长1 1 4 7 k i n ，其中6 3 2 k m 穿越尘念环境恶劣，地质条件复 杂的高原多年冻土区。该段1 9 5 4 年仞通车，当时全线修筑了些临时性桥梁，全线几 乎没有涵洞，限于当时的经济、技术条件，桥梁基础形式主要为天然扩大浅基础，这些 桥梁在运营过程中相继出现基础冻胀、融沉等稳定性问题。1 9 7 3 1 9 8 5 年国家对青减公 路按一级公路标准进行改建，全线修建了永久性桥梁与涵洞，同时开展了多年冻土地区 钻孔灌注桩的研究，并在工程中应用。多年冻土地区的地质勘探表明，多年冻土的厚度 有数米、数十米、甚至达百米之深，多年冻土地区的自然条件极其恶劣，土体冻胀和融 沉剧烈、循环冻融频繁，沼泽、冰锥、冰丘较多。当初设计桥涵时对多年冻土认识不 足缺少科学合理设计多年冻土地区桥梁基础的方法，设计经验不足，采取的措施不 当，使些桥梁基础出现不同程度的冻胀和融沉，有的整桩冻拔，甚至被拔断，有的基 础f o c 导敛j ：郜结构变形。多年冻上地区的“罗锅桥”“耍龙桥”便是这种冻害的典 型表现。这些冻害现象严重影响正常的交通运输，危害人民群众生命财产安全，给国家 和人民造成巨大的经济损失。 、 钻孔灌注桩基础山于其承载能力高，桩顶沉降位移小，适应性强等优点广泛地应用 j ：建筑、桥梁、水利等行业，足我国多年冻土地区一种主要的桥梁基础形式。但是出于 桩底移( 渣厚度椰性质，桩侧泥皮厚度，孔壁形状，多年冻土回冻时间长短，混凝土的水化热 及施工工艺、技术水平等不易检测丽易被忽视的因素的影响，即使在相同的地质条件 下，相同桩径桩长的两根桩的承载力也有较大的差异。这样使得多年冻土地区钻孑l 灌注 桩基础的极限承载力的确定成为困扰桩基设计人员的一个难题。 。多年垛l ：地区钻孔灌注桩的竖向承载力的研究涉及到冻土学、传热学、桩基础的设 “j 汁钟：、 ! i i ：一i ：扪】f f f l ：f t 】等多个方面，足一个涉及f f i 比较广、综合性比较强的问题。 不仅对我国多年冻土地区公路桥梁工程设计、施t 及后期养护维修具有普遍现实意义， 也会为多年冻土地区工业与民用建筑、铁路、水利等基础设施的建设提供重要参考价 值。同时通过实际二i ：程的推广应用，可提高多年冻七地区桥梁构造物的质量和耐久性， 东北林业大学碗上学位论文 延长使用寿命，减少工程维护费用，提高公路运营效率，并可以带来较好的经济与社会 效益。 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 1 2 1 冻土学研究现状概述 解决多年冻土地区工程设计、施工、养护的冻土问题是冻土学研究的最终目的。近 年来，冻土工程研究在渠道、输油( 气) 管线、道路、水利等方面均取得明显进展。至 今，在我国已基本形成包括普通冻土、冻土的物理力学和工程冻土的较完整的冻土学研 究体系，从定性到定量，从宏观到微观，从理论到实践，进入全面发展的时期。 我国在5 0 年代首先从东北地区开始了系统的冻土学研究工程。6 0 年代，中国冻土 工作者为冻土地区一系列工程的修建做了大量工作，并在室内外系统开展了研究冻土物 理力学和热学性质的试验。1 9 7 8 年以来我国冻土研究进入了新的全面发展时期，对多 年冻土地区的考察和抗冻害问题的研究更加深入。通过参与冻土区的水文地质和工程地 质工作，以及专门组织的区域冻土考察，区域冻土的工作已初步查明我国多年冻土区面 积约2 1 5 1 0 6 k m 2 ，确立了我国的世界第三冻土大国的地位。 一冻胀研究是目前我国冻土研究中最热门的课题之一。7 0 年代以来，前前后后在我国 设立的与冻胀有关的观测站在2 0 个以上。大量的室内外研究使我国的冻胀研究有较快 的发展，以往的工作已摸清了冻胀沿深度的分布规律，为基础浅埋提供了依据，对各种 影响因素与冻胀之问的关系总结出了不少经验公式，并已提出了多种土的冻胀分类方 案。 冻土强度和蠕变的研究己提出了冻土强度及破坏特征，冻土及地下冰的蠕变规律， 以及冻土承载力及长期强度确定方法，并在第一台国产低温三轴仪上进行了系统的冻土 三轴压缩和蠕变试验。近年来还提出了冻土蠕变热力学模型及冻土蠕变破坏准则的一般 形式。目前，诈在尝试引入热力学理论、断裂理论、损伤理论、位错理论和冰一水相平 衡等邻近学科的理论。丌展多方面的试验，采用宏观统计与揭示微观物理本质相结合的 方法，探索建立冻土本构关系、应力松弛及蠕变的物理模型。 冻土融化压缩性的研究主要集中于一维情况下的冻土融沉系数和已融土压缩系数与 土的粒度成分、含水量和干容重之间关系的研究，得到了一批经验、半经验公式，并在 此基础上提出了冻土融化下沉性的分类。该方面研究的进一步深入，尚需考虑孔隙水压 力、冻土组构等因素，引入时捌因子，考虑多维情况，探索建立融化固结的物理模型。 【2 l 冻土学的研究工作为寒区工程的建设奠定了良好的基础。桩基础是应用比较广泛的 一种基础类型，钻孔灌注桩作为桩基础的一种重要形式，己成为我国各地高层建筑、铁 路公路大桥特大桥、城市地铁立交和港口码头等结构物的最常见的基础形式，在寒区工 程中也得到了广泛使用。在多年冻土地区，中小桥涵均有严重的冻胀现象发生。在现场 试验和理论分析方面，国内外的许多学者开展了大量的工作并取得了丰硕的成果。 对此，相继丌展了桥涵地基土的冻胀性研究、桩基础抗冻拔等课题的研究，对桩基 绪论 础与冻土之间的热平衡关系，垂直与水平承载能力、设计计算方法、参数选择和适用范 围进行了较为深入的探讨。 我国从8 0 年代起，对多年冻土地区桩基础的应用开展了大量试验和研究工作。在 青藏高原多年冻土地区建造了五道梁、清水河d l 和昆仑山三个桩基础试验场。励国良等 人对试验数据进行了系统的归纳和总结，得出了一些很有实用价值的结论。1 4 j 中幽科学院兰州冰川冻土研究所的科技研究人员对青臧高原地区的多年冻土进行了 长达几十年的观测和研究。世界上海拔最高、通过地区多数为多年冻土的青藏铁路的建 设中广大的建设者和科技人员对出现的实际问题提出了许多可行方案。 前苏联是最早- 丌展冻土工程研究的国家之一，研究成果达世界领先水平，出版多部 专著。近年来，美国科学院极地研究局成立了多年冻土研究委员会，美国陆军部寒区研 究与工程实验室自上世纪四十年代丌始有计划地调查研究多年冻土地区的工程建筑问 题，其专题报告对多年冻土区构造物基础的设计、施工及其监测等方面作了广泛论述。 加拿大以及北欧国家对冻土也进行了大量的研究。 加拿大u n i v e r s i t yo fm a n i t o b a ( 马尼托巴大学) 的p u s w e w a l a 等1 5 j 建立了冻土与结 构物相互作用的计算模型，p o l y t e c h n i q u ec o l l e g eo fm o n t r e a l ( 蒙特利尔技术学院) 的 f o r i e r o 等f 6 j 对富冰冻土中横向受荷桩基的分析和设计方法进行了讨论。 1 2 2 单桩荷载传递机理研究现状撅述 虽然桩基的应用可以追述到几千年以前，但十九世纪术以前，桩基的设计计算完全 基于经验，有关桩的近代文献是从“桩与打桩”( p i l ea n dp i l ed r i v i n g ) 的发表丌始的1 7 j 。 在文中首次对桩的承载力从理论上进行分机。以后的许多学者在实践的基础上，发展和 丰富了桩基理论： 太沙基( t e r z a g h i ) 在1 9 2 5 发表的经典著作土力学中，有一章详细论述了打入桩 附近土的变形及孔隙水压力、桩的静态承载力、动态承载力和沉降。 a s v e s i c ( 1 9 7 0 ) 1 8 j 对桩土体系中荷载传递的机理，现有的荷载传递分析方法进行了 总结和评述。 g g m e y e r h o f ( 1 9 7 6 ) t 9 1 在总结一些桩的实测资料的基础上，对砂土、粘土和非均质 土中的打入桩和钻孔桩的桩端阻力、侧摩阻力的发挥性状，群桩的承载力，桩的沉降等 进行了理论分析和总结。 磺lj f 学满( 1 9 7 7 ) 出版了桩基的计算方法与算例，书中对于三维桩结构物的计算， 桩的负摩阻力及群桩效应的考虑，桩结构承受波浪、潮流、风的作用力，以及关于承受 地震力和其它动力作用的海洋建筑物的动念反应计算作了详细的介绍。 m j t o m l i n s o r t ( 1 9 7 7 ) 在收集世界各地有关桩基础的设计、施工和科研资料的基础 上，出版了专著桩的设计与施工( p i l e d e s i g na n d c o n s t r u c t i o n p r a c t i c e ) 。 h gp o u l o s 和e h d a v i s e ( 1 9 8 0 ) 应用线弹性理论。对桩在竖向、侧向荷载作用下的 f l ：状，机一筏摹础的惟状等进行分析，并出版了非常有影响的桩基的分析和设计 ( p i l ef o u n d a t i o na n a l y s i sa n dd e s i g n ) 。 有关桩基的文献很多，本文仅对竖向荷载作用下，单桩荷载传递分析的一些理论方 法进行总结。常用的主要有：弹性理论法、荷载传递法、剪切位移法、数值计算法、和 混合法等。 研究竖向荷载下的单桩荷载传递机理，就是研究竖向荷载下桩土体系的荷载传递， 侧阻和端阻的发挥程度与破坏机理。可以说，对这些问题的研究和认识还在不断的深化 和发展。传递函数法能较好反映桩侧土的层状非均质性和非线性，因而在单桩分析中广泛 应用，但没有考虑桩的连续性。弹性理论法用单一的模量参数去反应分层的、非线性的土 压缩特性。忽略了桩的加筋和遮盖作用，在工程应用上受到较大限制。剪切位移法可方便 地考虑层状土情况，且参数少便于计算，但对桩土滑移和桩桩相互影响的非线性尚待进一 步研究。有限元法是一种强有力的数值计算方法，克服了其它方法在理论上的局限性。 从原则上讲，它可以在计算中同时考虑影响桩基性能的许多因素，如土的非线性、固结 时效性以及动力特性等；但是由于在具体计算时，所需参数多，准备工作复杂，计算量 大，费用昂贵等原因，因此在桩基尤其是在群桩基础的分析当中采用较少。然而用有限 单元法来分析群桩基础共同作用的主要机理，并以此作为指导原则来指导实际工程和校 核工程的实用计算方法，却有着重要的实际意义。v e s i c 指出，对土的基本应力、应 变、时间关系知识贫乏，这可能是目i j 有限元受到的最大限制，即有限单元法的计算分 丰斤结果的可靠性依赖于土的本构关系的真实性。 1 2 2 1 弹性理论法 比较完整的弹性理论法是由p o u l o s ( 1 9 6 5 ) 1 1 0 , 1 1 j 等人提出的，随后p o u l o s ( 1 9 8 0 ) ”j 将 弹性理论法的理论和运用总结归纳为比较成熟和完善的体系，并给出了一系列的系数图 表，供工程设计使用。弹性理论法的基本假定是：桩被插入在一个理想均质的各向同性 的弹性半空嵋j 体内，土的弹性模量e 。和泊松比、不因桩的存在而变化；桩的周边粗糙 而桩底平滑。由于桩与土之恻保持接触，因此具有桩身位移等于毗邻土位移的相容条 件，在计算中，认为桩与土的径向变形甚小，可忽略不计，而只考虑桩在竖向荷载下的 竖向变形。巴特非尔得和巴纳尔奇( b u t t e r f i e l da n db a n e r j e e1 9 7 1 ) 、达波洛尼亚和罗奠尔 迪( d a p p o l o n i aa n dr o m u a l d i1 9 6 3 ) 、瑟曼( t h u r m a n1 9 6 5 ) ，国内学者陈竹昌( 1 9 9 3 ) f 1 3 1 、 刘会砺( 1 9 8 9 ) 1 ”i 等也进行了一些研究。 1 2 2 2 荷载传递法 又称传递函数法，它是西得( s e d d ) 和里斯( r e e s e ) 于1 9 5 7 年提出的。这种方法的基本 概念是把桩划分为许多弹性单元，每个单元与土体之间用非线性弹簧联系，以此来模拟 桩土之间的荷载传递关系。其问题的实质是寻求一个能实际反映桩土共同作用机理的且 形式简单的传递函数，并用适当的方法求解荷载传递的基本微分方程。但它的缺点是桩 任意点的位移只与该点的剪应力有关，而与桩身的其它点的应力无关，因而没有考虑土 体连续性的作用，不适用于群桩分析。荷载传递法的关键是得到实测的传递函数，西得 ( s e e d ) 并1 里斯( r e e s e ) 在三轴试验中测定粘土与模型钢桩间的传递函数关系，考依尔 ( c o y l e ) 现场进行十字板剪切试验测定传递函数。另外h e y d i n g e r 和o n e i l l ( 1 9 8 2 ) ”引， v e s i c ( 1 9 7 0 ) 1 8 1 ，国内的冯国栎( 1 9 8 4 ) i 6 1 _ 嬲( 1 9 9 5 ) 1 17 1 ，李镜培( 1 9 9 0 ) l 。8 1 和赵善锐( 1 9 9 1 ) ，李作勤( 1 9 8 9 ) t 2 0 等也对传递函数进行了研究。 近几年有某些学者对此方法进行改造，提出了“改进荷载传递法”并运用于工程实 际。李大展( 1 9 9 4 ) 【2 l 】，阳吉宝( 1 9 9 7 ) 【2 2 】运用位移协调的荷载传递法对超长桩的荷载传递 机理进行了研究。虽然在解决桩土位移不协调方面有缺陷，但对于超长桩荷载传递机理 研究束搅是个重大的突破。 1 2 2 3 剪切位移法 剪切位移法最初由c o o k e ( 1 9 7 4 ) 1 2 3 1 在试验和理论分析基础上提出来的，用于分析均 质、弹性地基中纯摩擦刚性桩问题。r a n d o l i o h ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) p 4 3 5 】和n o g a m i l 2 6 1 分别对剪切 位移法进行了研究。该方法是把桩身和桩尖变形分别计算。对于桩身部分，假定桩受荷 时桩身周围t 体以承受剪切变形为主，剪应力通过环形单元向四周传递桩侧周围土体 的变形i - n 见为同心的圆杜体。这一假定己被c o o k e ( 1 9 7 4 ) 的桩试验结果和f r a n k 和 b a g u e l i n 等人的有限元分析所证实合理f 2 7 1 。对于桩底部分，则按一般弹性理论方法计算 其变形。r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 认为桩尖犹如一个刚性压块，建议采用b o u s s i n e s q 公式 求解。曾涌( 1 9 9 0 ) t 2 s l 考虑到桩尖以下为层状地基土时，用分层总和法计算其位移，其中 竖向应力用m i n d l i n 公式计算。然后考虑以桩底平面为界的上、下交界面上两层土的变 形相容条件，求解桩的轴力、位移和摩阻力等。对于群桩分析，与弹性理论法一样，从 两根桩情况着手分析，然后扩展到群桩分析。 与弹性理论法相类似，剪切位移法未能考虑土的非线性及非均匀性，但有相当多学 者对其进行了改进及其推广。赵锡宏和曹名葆( 1 9 8 5 ) 1 29 】在r a n d o l o h 和w r o t h 的研究基础 卜，提m 了一个比较全面的分析方法，以考虑桩周土的软化、强化对桩基的影响。杨嵘 昌和宰会眠m i 在将剪切位移法推广到塑性阶段从而得到桩周土非线性位移场解析解表达 式的基础上，与层状介质的有限层法和结构的有限元联合运用，给出群桩与士和承台非 线性共同作用分析的半解析半数值方法。 1 2 2 4 数值计算法 由于上述三种方法当中，不能全面的考虑土的复杂力学性质，不能计算桩侧桩端土 的位移、应力的分布数值计算方法自然被引入到桩土荷载传递的分析中。目前较为 成熟的数值计算方法包括有限元法、边界元法等。 一、有限元法 近年来有限元方法广泛应用于岩土工程研究的各个领域。特别是土的本构关系 ( 如弹性非线性的d u c a n c h a n g 模型、考虑岩土剪胀性的次弹性变模量i z u m i k a m e m u r a 模犁、等向硬化的弹塑性c a m b r i d g e 模型等) 与计算机数值计算方法的结 合，使桩土体系荷载传递规律、桩侧阻桩端阻发挥性状、桩周桩端土中的应力位移分布 等的研究达到一个新的水平。 从理论上讲，它在计算中能同时考虑影响桩性能的许多因素：如土的非线性、非均 匀性、圃结时问效应、动力效应等，并能考虑桩土问产生滑动的情况。 一i 同研究者针对不同的土性、桩型及其它因素，采用不同的方法，主要体现在两方 面：一是单元类型不例：二是土的本构关系不同。 e l l i s o n ( 1 9 7 1 ) 引1 首先使用二维轴对称有限单元法来分析硬粘土中钻孔灌注桩的荷载 传递机理，按轴对称问题考虑，采用三角形单元，矩形单元及连接结点的弹簧组成的组 合模型，。“ 勺本构关系采用实测的三折线模型。首次在桩侧和桩端运用了接触面单元， 通过接触面单元l 卜接触面问的位移差，成功地分析了桩端以外土的拉裂现象，并指出 破裂带不会伸展到桩尖的上侧。 d e s a i ( 1 9 7 4 ) t ”l 在研究砂土中桩土体系性状时，采用矩形等参单元，土的本构关系采 乐北林业人学坝i j 学位论义 用d u n c a n c h a n g 模型，接触面单元的应力一应变关系采用双曲线模型。 o t t a v i a n i ( 1 9 7 5 ) | ”j 将三维有限单元用于分析3 3 和5 x 3 的群桩分析，并且也证实 了_ 桩尖外有小范围的拉应力区。 r a n d o f p h ( 1 9 7 8 ) t ”】等在分析受竖向荷载单桩沉降时。采用精确三角形单元，土的应 力应变关系按剪应力传递方法确定。 p o t t s ( 1 9 8 2 ) t 3 4 1 等在研究置于正常固结粘土中的单桩时，考虑各种排水条件，分析土 中的有效应力，按轴对称问题考虑，采用8 节点等参数单元，土的本构关系采用修正的 剑桥( c a m b r i d g e ) 模型。 陈阿孙和周红( 1 9 8 7 ) t j 用有限元法模拟挖孔灌注桩纯摩擦桩的实测荷载沉降曲线。 分析时，对接触单元刚度系数采用叠代法计算，来考虑刚度系数随剪应力增大而减小。 计算时，在桩土之间引进了节理单元以模拟土的剪切面进入塑性状态后的剪力和位移。 倪新华( 1 9 9 0 ) t 3 6 】较详细研究了桩基的三维有限元分析，把有限元和无限元结合起 来，并考虑土的非线性、固结等许多因素。 l r o c h a n i s 等人( 1 9 9 1 ) 1 3 7 悃有限元讨论了单桩和群桩的三维、非线性特征，特别讨论 了桩土之间的滑移，桩和土单元采用2 7 结点三维矩形等参元，桩土接触面采用1 8 结点 二维接触面单元，土体根据位移条件按线弹性或d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性材料考虑。并根 据有限元结果，提出了单桩和两根桩的近似计算法。 二、边界元法 边界元法也称为边界积分方程法，它的基本思想是基于格林公式的应用，把在区域 上的积分转化为区域边界上的积分。这种思想由来已久。可以追溯到1 9 世纪2 0 年代。 早期的应用主要在于位势理论和流体力学，常称为格林函数法。而且当时的主要动机在 于理论上推导出解的积分公式而不是为了数值计算的目的。这种方法作为数值计算方法 丌始于2 0 世纪6 0 年代，这与电子计算机的发展和广泛使用密切相关，也与近代数学理 论的发展密切相关。 早期的边界积分方程法( b i e m ) 只是把偏微分方程的边值问题归化为边界积分方程的 公式化过程，而近代的边界积分方程法不仅包含了各种方式的边界归化过程，更重要的 是包含了求边界积分方程数值解的各种形式的离散化技术。英国s o u t h a m p t o n 大学的 b r e b b i a 于1 9 7 9 年提出了边界元法( b e m ) ，这一称呼表明边界元方法作为一种与有限差 分法、有限单元法并列的偏微分方程的数值解法已经取得了独立的地位。 边界元法是在经典的边界积分方程法的基础上吸收了有限元离散化技术而发展起来 的。它的主要优点是可将空间的维数降低一维，且只要求边界上定义在节点上的一定值 就可以计算区域内所需要的任意指定点的有关物理量，从而节省数据的准备工作量和计 算量。所以它特别适用于无限区域的问题，由于只对边界离散，离散化误差仅仅来源于 边界，区域内有关物理量可以由解析公式的离散形式直接计算，计算精度可以提高，这 对应力集中问题较为适应。这种方法在工程技术上得到了广泛的应用，用边界元法编制 的计算机软件不断出现，在很多方面已成为工程计算的重要手段。目前边界元法的研究 己经扩展到许多学科领域，随着应用研究的深入，边界元法将得到进步的发展。 许多研究者都曾将这种方法用于桩基特性的分析。b u t t e r f i e l da n db a n e r j e e ( 1 9 7 1 ) 州 域甲分析了带刚一陀承台的放智1 ：均匀弹性：j ：体i - 的群桩，随后，b a n e r j e ea n d 绪论 d a v i s ( 1 9 7 8 ) 1 3 9 1 p o u l o sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) t 坨】等均应用该方法对桩基进行了理论分析，并分析 了g i b s o n 士中的单桩和群桩。k u w a b a r a ( 1 9 8 9 ) t 4 0 l 假定筏板为刚性，分析了埋置于均匀 弹性土体中的可压缩性群桩，他的分析结果表明，在弹性条件下，筏板通常只分担小部 分荷载。p o u l o s ( 1 9 9 3 ) 1 4 i j 则进一步发展了k u w a b a r a 的分析理论，分析时限制筏土之间的 接触压力并允许桩达到极限承载力。 目前采用边界元法解决桩基计算问题时尚存在不少困难。首先是非线性土介质区域 的基本解难以寻求，其次是密集佰桩桩基要划分的予域太多，因此边界面积与区域面积 的比值太大，原则上不应在主要受力区内( 亦即桩顶到桩端的桩长范围内的区域) 采用 边界元离散方案。 以上介绍的理论分析方法的基本思路都是先对桩土单元进行离散，以力的平衡和位 移协调为条件，对桩土荷载传递的性状进行分析。所不同的是，弹性理论法和剪切位移 法视桩土为不同的弹性介质，传递函数法能考虑土的非线性特征，数值计算法则能更进 一步考虑的各种复杂特性。总的来说上述方法基本局限在对桩土的应力、应变及相互 关系的分析上。 除了以上介绍的一些分析方法，近年来的一些新的研究方法的应用也引起了关注： 如m a a b u k i e t a ( 1 9 9 9 ) h 2 j 等应用神经网络系统对桩基的工作特性进行了分析；曹茂 森( 2 0 0 3 ) 等【4 w 探讨了m a t l a b 语言环境下r b f 神经网络在深层搅拌桩复合地基承载力建 模中的应用，针对建模中的网络参数优化、样本集重构等技术问题进行了深入的研究。 提出一种以泛化预测值为目标函数对参数进行优化的技术路线，并提出在样本少的情况 下通过合理插值重构样本集可以提高预测精度。 著名美籍学者方晓阳( 2 0 0 0 ) 卅近年提出了一种新的理论，称为粒子能场理论。所谓 能场是指一个能量对另一个能量的反应，也就说是能量的影响区域，粒子能场是粒子面 力和体力的结合。目| j i 粒子能场理论己覆盖了岩土工程问题和方法的大部分领域，例 如，利用粒子能场理论进行抗剪强度分析、先期固结压力和沉降的分析、土坡稳定和滑 坡的分析等。完全有理由认为可用粒子能场理论进行桩土荷载传递的分析，因为桩土荷 载传递过程也可理解成桩顶荷载和沉降产生的能( 功) ，以深入土中的桩体为介质传入 土中的过程。 罗战友( 2 0 0 1 ) h 叫结合对狄色系统理论的理解和实际的工程情况，在桩静载荷试验的 q s 曲线分类的基础上首次提出了预测桩极限承载力的s g m 和q g m 模型。s g m 模 型适用于“渐变型”桩的极限承载力的预测。提出了“渐变型”桩的终止加载标准，并 在此基础上建立了s g m 模型和残差模型r s g m 。q g m 模型是在对指数曲线规律分析 的基础l ，结台扶色理论提出的。适用于“突变型”桩承载力的极限值预测。 1 - 2 3 接触面单元模型的发展及其特点 鉴于桩基和土体相互作用分析问题的复杂性，目前的研究方法主要是采用整体数值 分析法，因为该法能够综合考虑土体的非线性及多相系的瞬态问题。当士体与桩体相互 作用作为一个整体的力学问题束考察时，分析中的一个关键环节就是桩土相互作用界面 j ：的棱触j u j 题。 东北林业大学硕士学位论文 从数值方法的角度来说，接触分析大致分为三类途径【4 6 l ：一是迭代法或试验误差 法；一是罚途径【47 1 ；一是直接法，即是把接触问题处理成一个约束二次规划问题 4 s 4 9 。 在岩土工程问题中，被广泛使用的方法是在土与结构接触界面上构造不同形式的界面单 元来模拟两者相互作用的力学行为，即刚度位移元法1 5 0 1 5 1 】和内约束单元法( 拉格朗日乘 子法) 崎2 1 。其中l i 者的突出特点是在两接触材料的界面处人为地引入一类“粘连单元” 通过选择和迭代来调整这类单元的性质参数以近似模拟界面的力学行为。对于这方面的 研究，g o o d m a n 等、p e t e r s o n 【5 劓、z i e n k i e w i c z 等【5 5 1 、g h a b o u s s i 等5 6 1 、k a t o n a 等【5 7 】、 h e r r m a m a 5 8 1 、d e s a i 等【5 t 6 q 6 1 以及国内的殷宗泽f 6 2 j 、雷晓燕、杜庆华掣1 都做过大量工 作。 用这类方法进行桩土相互作用界面的接触分析时，对界面力学行为的模拟主要包括 两个方面的研究：一是接触面上的本构行为，尤其是剪应力与剪切变形之间的关系：一是 接触面单元，它是有限元计算中用以模拟接触面变形的一种特殊单元。这两方面关于这 方面的研究是相互关联的，接触面单元是为了表达接触面上的变形，接触面变形的表示 又要适应所选用的接触面单元。 关于接触面的本构关系，目前国内外普遍采用的是c l o u g h 和d u n c a n 等人提出的剪 应力与相对错动位移矧的双曲线模型。将它用于无厚度的g o o d m a n 单元，便提出了单 位切向劲度的计算公式。将它用于有厚度的d e s a i 单元，提出了相应的剪切模量计算公 式。此外b o u l o n 等人还提出了接触面变形的弹塑性模型，其切向变形仍然依据了直剪 试验的f o j ：关系曲线。关于直剪试验的f d ：关系曲线，由于是试验得出的，人们很少 怀疑它的可靠性，因而被广泛应用。 关于接触面单元，也已提出了好几种，最常用的有g o o d m a n 单元。这种无厚度四 结点单元，概念清楚能模拟接触面的滑移与张裂，但对受压情况，两侧材料会重叠。 为了避免重叠，法向劲度要取得很大，这又难免带来一定的误差。d e s a i 等人提出的薄 层四边形单元，可以较好地反映法向变形和切向变形以及应力的传递，但没有从理论上 阐明为什么取剪切模量、弹性模量和泊松比为三个独立参数。雷晓燕等在 m g k a t o n a ( 1 9 8 3 ) 约束单元的基础上提出了以接触面节点位移和接触应力为基本未知量 的二维和三维非线性接触摩擦单元其特点是仅考虑在节理界面处的约束及接触应力 而不额外引入节理面的弹性刚度参数，但同样也不计接触面厚度的影响。 出于土与混凝土接触面上的剪切错动未必恰恰沿两种材料的界面，也可能发生在土 体里，这时无厚度单元就不一定能真实反映接触面的变形特征。有厚度接触模型的代表 有d e s a i 的薄层四边形单元，殷宗泽等人的有厚度接触面单元，前者的缺陷前面已经表 述过。但后者是根据他们的接触面大尺寸直剪试验结果，提出了相对位移与剪应力的关 系曲线所以实际上是特定尺寸的试验剪切破坏过程逐步发展的客观反映，但绝不表示 接触面剪切变形的本构关系。为此，张冬霁( 1 9 9 8 ) 等人，摒弃其关系曲线，在进行一系 列接触面单剪试验的基础上，分析和探讨了接触面剪切破坏和变形的机理，提出当应力 水平较低时，接触面上的相对位移主要出“剪切错动带”内剪切变形引起，而当应力水 平趋近于1 0 时，接触面错动位移将占主导地位，接触面产生塑性流动，变形无限发展 致使破坏。据此提出了一种新的接触面模型1 6 “。 绪论 1 3 本文的研究内容和研究方法 如于多年冻土地区复杂恶劣的自然条件，造成了多年冻土地区桩基础的诸多病害现 象，影响了萨常的交通运输，给国家造成了极大的经济损失，对人民群众的生命见才产构 成了极大的威胁。因此研究多年冻土地区钻孔灌注桩的竖向承载力有着很重要的现实意 义。本文查阅了大量的有关单桩荷载传递以及桩土相互作用方面的参考文献，总结了目 前单桩竖向承载力的计算方法。借鉴桩土相互作用的基本理论，考虑多年冻土特殊的物 理力学性质，采用目前流行的大型有限元分析软件a n s y s ，建立了多年冻土地区桩基 冻 相互作用的模型。在此基础之卜。本文主要进行了以下三方面的工作： l 、根据有限元模型的计算结果，分析多年冻土地区单桩和周围土体中的应力、应 变分布以及单桩的荷载位移曲线。并且通过昆仑山多年冻土桩基试验场的实验桩的数据 与有限元模型的计算结果进行对比分析，验证有限元分析的准确性。 2 、由于目前的各种参考文献中，对于有限元模型中的各种参数的取值进行具体地 阐述的不