（道路与铁道工程专业论文）多年冻土地区钻孔灌注桩横向承载力的研究.pdf

摘要 摘要 随着西部大开发战略的实旅，广阔的冻土区建设中将不可避免地遇到越来越多的冻 土工程问题，这些问题亟需解决。因此，研究多年冻土地区钻孔灌注桩的横向承载力有 着很重要的现实意义。本文首先介绍了国内外对于多年冻土、桩土相互作用的研究现状 和发展趋势，系统地介绍了多年冻土的工程特性，总结了目前单桩横向承载力的理论分析 方法。借鉴当前桩土相互作用问题的研究方法和成果，结合冻土自身的特殊性质，重 点解决单桩与多年冻土的相互作用问题。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 行了以下兰方面的工作： 1 根据有限元模型的计算结果，分析多年冻土地区单桩变形和周围土体中的应 力、应变分布。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，验证有限元模型和相关系数的正确性。 2 考察了桩长、桩径、桩体的弹性模量、地基土的弹性模量变化时，对桩的水平 承载能力的影响。通过这部分的分析将对多年冻土地区桩基础的设计有重要的 参考价值。 3 分析了冻土温度对桩基承载力的影响和竖向荷载的作用下对水平承载力的影 响。 关键词：多年冻土、桩土相互作用、本构关系、有限元、横向荷载 a b s t r a c t w i t ht h ew e s td e v e l o p i n gp l a n ，m o r ea n dm o r ep r o b l e m so ff r o z e ns o i le n g i n e e r i n gw i l l b ei n e v i t a b l ye n c o u n t e r e dd u r i n gc o n s t r u c t i o n si nv a s tc o l dr e g i o n s ，s u c hp r o b l e m sn e e db e s o l v e dq u i c k l y 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 el a t e r a lh e a r i n gc a p a c i t yi n p e r m a f r o s ta r e a t i l 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 dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t 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 ti nc h i n aa n da b r o a da n ds u m m a r i z e st h e m e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h eb o r e dp i l eu n d e rl a t e r a l1 0 a d o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hm e t h o d s a n dr e s u l t so 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 l c h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a f r o s t ，t h ei n t e r a c t i o no fs i n g l ep i l ea n dp e r m a f r o s ta r ee m p h a s i z e d a f 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 f t h ef i n i t ee 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 e st h r e ea s p e c t so fw o r k s f i r s t l y , o nt h er e s u l t so ff i l l i t ee l e m e n tm o d e lc r e a t e db ya n s y s a n a l y z et h ed e f o r m i n g o fs i n g l ep i l ea n dd i s t r i b u t i n go fs t r e s sa n ds t r a i no fs o i la r o u n dp i l ea n dv e r i f yt h es i n g l ep i l e e x p e r i m e n ti nk u n l u n s h a np e r m a f r o s tz o n e s e c o n d l y , s t u d yc h a n g eo fp i l e sl e n g t h ，r a d i u s ，e l a s t i c i t ym o d u lo fp i l ea n ds o i li n f l u e n c e o nb e a r i n go fb o r e dp i l eu n d e rl a t e r a ll o a d ，w h i c hc a nb ev e r yu s e f u lt op e r m a f r o s ta r e ap i l e f o u n d a t i o nd e s i g m t h i r d l y , a n a l y z ef r o z e ns o i l st e m p e r a t u r ea n dv e r t i c a ll o a d si n f l u e n c eo nb e a r i n go f b o r e d p i l eu n d e rl a t e r a ll o a d 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 ，c o n s t i t u t i v eb e h a v i o r , f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，l a t e r a ll o a d s i i 1 1 引言 1 绪论 我国幅员辽阔，有着广大的国土面积，其中约2 2 3 被多年冻土所占据，包括季节冻土 在内的冻土面积占国土面积的7 5 i ”，是世界第三大冻土分布国。我国多年冻土分为高 纬度和高海拔多年冻土。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藏高原、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、黄岗梁山、五台山、太白山等。其中青藏高 原的多年冻土分布面积达1 5 0 l o s k m 2 ，占我国多年冻土总面积的7 0 ，为中低纬度地 带海拔最高、面积最大的多年冻土区。高海拔多年冻土的形成与存在，受当地海拔高度 的控制【2 】。 多年冻土地区桩基础的研究涉及到冻土学、传热学、桩基础的设计与计算、桩一土 相互作用等多个方面，是一个涉及面比较广、综合性比较强的问题。作为工程建筑基础 的冻土本身强度、承载力均比普通土高，然而冻土对环境的依赖是十分敏感的。在目前 温室效应、气温持续上升、生态破坏等环境变化影响下，已有连续多年冻土退化成非连 续的岛状冻土，低温冻土退化成高温冻土。随着西部大开发战略的实施，国家经济中心 发展向西部的转移，广阔寒区建设中不可避免地将会遇到越来越多的冻土工程问题。西 部广阔寒区的多年冻土、季节性冻士的工程特性、力学特性与热学特性问题是诬部青藏 铁路、公路、南水北调等大型、超大型水利工程、交通工程将要面临的又一主要岩土力 学问题f 3 l 。由于冻土的特殊性以及对外界环境的敏感性，致使这些工程的病害率居高不 下，维修和维护的费用大大超出了人们的想象。到1 9 9 6 年，穿越冻土带的俄罗斯第一 条西伯利亚大铁路的病害率已高达4 0 5 。而我国东北地区穿越冻土的铁路的病害率也 不低于1 3 。在青藏公路跨越多年冻土的南北界、岛状冻土和高温冻土区，天然地面下 年平均气温处于吸热状态，冻土本身处于退化状态，致使每年都要重复进行大量的维 修。为保护多年冻土的生存环境，以及为保证寒区工程在运营期间内的稳定性，寒区工 程必须采取特殊的设计措施及施工方法。因此，近年来直接为工程建设服务的冻土工程 研究愈来愈受到各国重视。对冻土力学性质的研究，不但具有理论意义，而且对解决工 程难题具有直接的现实意义，其必要性和紧迫性显而易见。 1 2 冻土地区桩基类型及特点 多年冻土路基的设计原则总体上可归纳为两个 4 1 ： 原则i 一多年冻土路基在建设过程中和建筑物运营的整个时期保持冻结状态，即保 护冻土设计原则。 原则i i 一允许多年冻土路基在运营过程中融化或在建设开始前将多年冻土融化至预 定深度，即允许融化原则。 在深季节冻结区或高含冰量多年冻土。如果建筑物在冻土敏感地基上，桩基可提供 很多优点，桩基施工对热动态干扰最小，可使结构物免受季节冻胀位移和季节下沉位移 的影响，以及免受多年冻土哪怕是有限的退化的影响，桩能把结构物荷载传送到结构物 整个使用期内土支承强度保持相对稳定的深度【5 l 。 在不良地质条件如饱冰、富冰冻土，青二藏铁路设计方案之一为旱桥方案，即以桥 代路，以保证路基的稳定性。旱桥基础通常为桩基或柱基，桩基通常又为摩擦桩。早桥 的桩基属于多年冻土地区架空通风桩基础，桩身材料为混凝土。多年冻土地区混凝土桩 有以下三种，各有优缺点【6 】。 1 钻孔打入桩 适用于不含块石和漂石的由粘性土、砂性土和卵砾石土所构成的塑性冻土地基。其 优点是：前期承载力较高，可以连续施工；对桩周地温的扰动较小，回冻较快。缺点 是：需要配备打桩设备；桩的平面位置和标高不易控制，不利于拼装化；受施工机械限 制，桩径不大。 2 钻孔插入桩 适用于各种岩性和冻土条件的地基。其优点是：适用于各类冻土地基：施工设备较 简单：桩位及标高容易控制，有利于承台、梁的拼装化；对初始温度低的地基，能较快 回冻，连续施工。缺点是：对初始温度较高的地基，回冻时间较长，前期承载力低，不 能连续施工：受施工机械的限制，桩径也不大。 3 钻孔灌注桩 由于低温早强混凝土的试验成功，使多年冻土地区采用钻孔灌注桩成为可能。适用 于多年地温低于0 5 的各类冻土中。其优点是：承载力太；施工设备较简单，并且能 充分利用当地的砂石料。缺点是：对桩周地温的扰动较大，回冻时间较长，不能连续施 工。 1 3 国内外的研究现状和发展趋势 前苏联在1 9 世纪6 0 年代后，随着西伯利亚的开发，铁道的建设，开始对冻土进行 广泛的研究。在1 9 0 4 1 9 1 4 年间修建的阿穆尔铁路常因冻融影响而损坏，每年要耗费 大量的资金维护，促使进一步对冻土工程地质的研究，并在后来的贝加尔阿穆尔铁路 干线修建中完成了大量的冻土研究工作。前苏联在冻土力学、冻土温度状况、计算等理 论分析方面有其独到的见解，对冻土学研究有很大的借鉴作用。6 0 年代末欧美国家也陆 续开展了冻土的物理力学性质的研究，美国陆军部冷区研究与工程实验室【6 】在费尔班克 斯多年冻土区，根据工程所在环境的特殊性，在低温早强混凝土的试验成功以前，在多 年冻土区优先使用钻孔插入桩。 加拿大u n i v e r s i t yo f m a n i t o b a ( 马尼托巴大学) 的p u s w e w a l a 等【7 】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【8 】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。 k w b 1 0 g a r 和d c s e g o 9 , 1 0 1 在加拿大盐质永久冻土区进行了单桩载荷试验，发 现回填材料的不同，可使得桩与回填材料相接触界面的强度比回填材料与冻土相接触界 面的强度大，这样桩的承载力受回填材料与冻土相接触界面的剪切强度所控制，承担荷 载的表面积增大，可充分调动冻土的剪切强度，对于给定的桩，不加大桩的尺寸即可增 加桩的承载力。 s s v y a l o v 、m e s l e p a k 、m vl u n c v 【l i 】，介绍了试验室和现场在冻土中单桩和 群桩的承载特性，表明土变形的特征受桩间距和土的性状影响，对于大间距，群桩的承 载能力由群桩中单桩的承载力和单桩的数目所决定，对于小间距，关系是不确定的而且 需要对桩的沉降进行特殊的分析，提出了基于理论研究的单桩和群桩沉降公式，强烈表 示通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土的流变特性。 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 年代起，中国冻 土工作者为冻土地区一系列工程修建作了大量工作，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。在冻土的描述、类型划分、以及冻土 的工程特性等方面取得了一定的研究成果。 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。铁 道部科学研究院谣北研究所励国良、赵西生、王化卿和铁道部第一勘测设计院陈卓怀【1 2 1 在青藏高原进行了多年冻土地区桩基试验研究，包括钢筋混凝土钻孔打入桩、钻孔插入 桩、钻孔灌注桩，探索了施工工艺、回冻过程、适用条件及工程评价，提出了多年冻土 地区桩的水平、垂直荷载试验方法，利用试验中得出的实测位移、弯矩数据，采用差分 并结合优选的方法，反算出了地基系数的分布及各种设计参数，供有关工程使用【1 3 】。 中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室张建明、朱元林、张家懿 1 4 1 ，对冻土中模型桩在动荷作用下进行了沉降试验研究，试验结果表明，冻土中桩的沉 降过程主要是冻土在剪应力荷载作用下的流变过程。桩的沉降速度随冻土温度的升高而 增大，随桩表面粗糙度的增大而减小，随地基刚度的增大而增大等与普通中桩承载特 性相似的规律。当冻土中含水量达到饱和时，桩的沉降速度最小，当荷载水平较高时。 对应于动荷下的沉降速度小于静载。随着荷载水平的降低，动载与静载对沉降速度的影 响效果逐渐接近。 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，引入时间因子，考虑多维情况，探索建立融化固结的物理模型1 1 5 l 。 总之，我国冻土研究在紧密结合生产实践中发展起来，以中国科学院兰州冰川冻土 研究所( 现改名为中国科学院寒区早区环境与工程研究所) 为中心，已形成为一个包括 普通冻土、冻土物理力学及工程冻土学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。 桩基础作为基础工程，历史悠久，应用广泛。但过去相当长的时期内，把它的功能 局限于传递上部结构竖向荷载给下部地基的作用，这是由于：1 ) 一般的房屋基础，水平 荷载不大，靠承台基础和基础前面的土抗力或底部的摩阻力就足以抵抗，所以在设计时 仅考虑竖向荷载；2 ) 人们往往假定作用在桩基上的水平荷载由斜桩来承担，因而在许多 大型桩基工程中，经常设置较多的斜桩，例如，桥梁桩基础、港口码头桩基础等，但 东北林业大学预士学位论文 这种斜桩的设置给桩基的施工带来不便和麻烦。 自5 0 年代以后，高层建筑、公路和铁路上大型桥梁及大吨位码头等大型工程的不 断兴建，要求人们采用大直径的桩，以满足巨大荷载的需要。然而，设置大直径的斜桩 在施工技术上存在困难，施工机具上存在问题，同对应看到，从灌注桩诞生以来，由于 灌注桩的桩径和桩身刚度较大，桩顶和承台的嵌固条件较好，使得竖直桩桩基的水平承 载能力有较大提甜- ”。所以对水平荷载作用下的桩基的研究很具意义。 近几十年来，人们对承受水平荷载的桩基进行了不少的研究，积累了许多宝贵的数 据和重要的成果，桩基设计思想也得到了不断的改进。研究横向受荷桩的工作性状，实 质就是研究桩和土间的相互作用问题，由于桩土体系相互关系错综复杂，影响因素较 多。随机性比较大，许多工程都耗费大量的财力靠试桩来解决承载力问题。本着不做试 桩，或仅作少量单桩试验，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；铁路和公路桥梁首先采用了m 法、c 法，但上述方法均为单一参数法，对桩在 地面处的挠度、转角和桩身弯距及其所在位置与试桩实测值只能凑合到较近似的程度 ”埘。8 0 年代吴恒立教授提出了综合刚度原理的双参数法。改进了上述各法的缺陷和不 足，但必须要有试桩资料。7 0 年代美国石油涛会广泛采用p y 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 y 曲线；8 0 年代我国也对p y 曲线 进行了研究，并引入到海上桩基工程的设计。p 叫曲线法保证了桩土之间的变形协 调，适用于线性与非线性，静载与循环荷载，避免了现行单一参数法的缺陷，只要有土 工指标，在不作试桩的情况下，均可获得与桩的实际受力相近的成果。8 0 年代后，随着 计算机的迅速发展和广泛应用，以有限元、边界元等为代表的许多数值分析方法发挥了 越来越大的作用，它数学逻辑严谨，物理概念清晰，使大量科学技术难题的数值求解成 为可能。其中有限元法在岩土工程中的应用解决了若干从未解决过的问题。对岩土工程 而言，有限元法常常是一种灵活、实用和有效的手段，有限元法可以方便地考虑层状土 和土非线性本构关系，能给出任何位置的位移和应力状况，更重要的是可以用计算机模 拟许多试验难以解决的问题i l ”。是目前被认为比较先进和有前途的方法。 1 4 本文的研究内容和研究方法 桩基础是土木工程中主要的基础形式之一。过去人们对水平力桩的研究主要是通过 实验方法和理论分析来进行的，随着计算技术和土本构理论的发展及微机性能的改善， 数值分析方法逐濒成为一牵争应用广泛的桩的硬究方法。本文借鉴当前桩的横向承载力问 题的研究方法和成果，结合冻土自身的特殊性质，运用a n s y s 的力学分析模块功能， 建立桩土相互作用的有限元模型，进行了以下三方面的工作： 1 根据有限元模型的计算结果，分析多年冻土地区单桩变形和周围土体中的应 力、应变分布。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，验证有限元模型和相关系数的正确性。 2 考察了桩长、桩径、桩体的弹性模量、地基土的弹性模量变化时，对桩的承载 能力的影响。通过这部分的分析将对多年冻土地区桩基础的设计有重要的参考 价值。 1 绪论 3 分析了冻土温度和竖向荷载的作用下对水平承载力的影响。 2 多年冻土地区钻子l 灌注桩的基本理论 2 。1 冻土的基本理论 2 。1 1 冻土的描述 冻土是指温度等于或低于0 c ，且含有冰的各类土体或岩石【2 0 1 。如土中含水量很少或 矿化程度很高为重盐溃土，虽然负温很低，但也不含冰，其物理力学特性与未冻土完全 相同，故不能称之为冻土，只有其中含有冰其力学特性才发生突变1 2 ”。冻土是多相和 多成分的复杂体系，冻土的基本成分是：固体矿物颗粒( 矿物或矿体骨架) 、冰( 粘塑 性冰包裹体) 、液相水( 未冻水和强结合水) 和气态包裹体( 水气和空气) 田j 。与其它 土类相比较，其最大的特点就是在热力学方面的不稳定性。根据冻土的冻结时间和冻结 状态可分多种类型。按冻结时间可分为季节冻土和多年冻土。季节冻土是受季节的影 响，呈周期性冻结、融化( 冬季冻结，夏季全部融化) 的土；季节冻土按其结构形式， 又可分为；蹩体结构、层状结构、网状结构、扁豆体和楔形冰结构。多年冻土是冻结状 态持续两年或两年以上的土( 岩) 。常存在地面下一定深度，其上部( 接近地表部分) ， 往往受季节性影响，冬冻夏融；这部分称为季节融冻层( 即活动层) 。冻土按水平分布 又分为连续多年冻土和岛状多年冻土。按冻结发展趋势则分为发展型冻土和退化型冻 土。 2 1 2 国内外冻土类型划分 目前国内外对冻土类型的划分基本上按两种方法进行：一是根据冻土的基本物理性 质和含冰特征进行分类；二是根据冻土的特殊工程性质进行分类。 各国在这方面均做了大量工作，积累了丰富的资料。冻土的分类已从定性向定量发 展，分类的方法正处在从单项规程到综合规范，由部门标准向国家标准和国际标准方向 的过渡 美国主要根据土的基本物理性质和含冰特征进行分类。冻土的分类分为三个部分： 第一部分，土的分类与土的统一分类系统相一致，与冻结状态无关；第二部分，将由冻 结状态造成的土的特性加到冻土的描述中去；第三部分，对冻土中出现的厚层冰( 厚度 大于2 5 r o b ) 进行描述。 前苏联( roct2 5 1 0 0 8 2 ) 主要根据冻土的相对含冰量、冰胶结程度、含盐量、有 机质含量来划分。根据相对含冰量将冻土分为含冰冻土( i 0 4 ) ，根 据冻土中冰的胶结程度分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土；当冻土中易溶盐含量超过 一定数值时称为盐溃化冻土( 含细粒土砂：0 1 ：亚砂土：0 1 5 ；亚粘土：0 2 ；粘 土：0 2 5 ) ；当冻土中有机质含量超过一定数值时，称为泥炭化冻土( 粗颗粒土：3 ； 粘性土：5 ) 。 2 多年冻土地区钻孔灌注桩的基本理论 中国( g b - 冻土工程地质勘察规范) 的冻土分类是在对国内外冻土分类进行大量调研 的基础上提出的，主要有以下几个方面的内容： ( 1 ) 冻土按基本物理性质的分类和定名基本上采用美国的分类系统，但在第一部分 土的分类标准中采用中国的“土的分类标准g b j l 4 铲9 0 ”代替统一分类系统。 ( 2 ) 冻土按含冰特征分为：少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含士冰 层。 ( 3 ) 冻土按易溶盐含量或泥炭化程度的划分基本上沿用前苏联的分类标准。 ( 4 ) 坚硬冻土、塑性冻土及松散冻土的划分按以下标准：坚硬冻土：口0 0 1 m p a - 1 ： 塑性冻土：g o o i m p a ；松散冻土：w 3 。( 口为压缩系数，w 为总含水量) 。 目前中国公路工程规范对冻土类型的划分从本质上来说采用的是根据冻土的特殊工 程性质进行分类的方法，其主要根据冻土的粒度成分及总含量并考虑冻土的融沉特性将 多年冻土分为：少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层5 种类型【2 3 1 。 2 1 3 冻土的工程特性 冻是温度敏感性土体，在冻土地区的工程建设中不可避免地会遇到土层处于冻 缩、未冻结、正冻结、正融化和已融化等不同状态。在冻土区的地基比在融土区具有 显著的可变性和复杂性。理解和掌握冻土的工程特性是进行冻土区工程建设的基础。 ( 一) 冻土的物理性质 冻土是由坚硬的矿物颗粒( 土颗粒) 、粘塑性冰、液态未冻水和气体组成的复杂的 多相体系；对于四相体系的冻土而言，可用以下四个基本指标进行其物理性质和状态评 价。 ( 1 ) 天然未扰动冻土重度，即单位体积的冻土重： ( 2 ) 冻土的总重量含水量，由冻土中未冻含水量和冰含量组成； ( 3 ) 冻土的土颗粒重度，即单位体积的土颗粒重； ( 4 ) 冻土的未冻水含量( 未冻水质量与干质量之比值) ，或代替以冻土中的相对含 冰置( 冻土中冰重与全部水重之比) 。一定类型的土，其未冻水含量主要取决 于温度条件，可用安德森一泰斯公式表示： 式中：既一未冻水含量 睨= 聊 ( 2 1 ) 埘，n 特征参数，n 一般为负值； 口温度的绝对值。 冻土的第二组物理特征值是热物理性质，可用导热系数k 、比热c 和潜热( 焓) 三个基本指标进行其物理性质和状态评价斟】。 ( 二) 冻土的力学特性 冻土的强度与变形特性与其他类型土的最大差别在于其中冰的存在，冻土的力学特 性主要取决于其中胶结冰的性质。冰的强度随温度的降低而增加，并随冰晶的结构构造 ：= ：= ：。，。壁型堕墼些塑垒坠。：。 变化而变化。冰的强度随应变速率的增大而增大，其破坏类型上表现为由塑性转变为脆 性。冰的这些特性导致了冻土具有类似的特征。 冻土的强度受温度、压力及加载速度等因素的影响：当温度降低时，冻土的强度随 之增加；当荷载作用历时延长时，颗粒间胶结冰产生塑性流动而具有流变性，使冻土的 瞬时强度大而长期强度小：随应变速率的增大，冻土强度增大，破坏类型由塑性破坏向 脆性破坏转变。 冻土在平面剪切下的极限( 破坏) 强度与正压力有关，即它不仅受粘聚力的制约， 而且受内摩擦力的制约，并且在不太高的压力下( 1 m p 1 5 m p ) 可用一个正压力和具有 负温及荷载作用时间有关的可变参数的一次方程描述，即 7 ，= c p ，+ o t g q a 。，( 2 - 2 ) 在各种温度下冻土的抗剪强度的测定结果表明，冻土的温度愈低，其抗剪强度一无论是 总量还是分量( 内摩擦角矿及粘聚力c ) 也愈高。例如。对冻结粘土( w o = 3 3 ) ，当 日= 一l 。c 时，妒= 1 4 ；而当0 = - 2 4 c 时伊= 2 2 4 。当温度接近0 。c 时，冻土的内摩擦 角实际上等于未冻土的内摩擦角，而粘聚力则比未冻土大得多。 冻土的弹性交形取决于矿物颗粒及冰的结晶晶格的可逆变化、未冻水薄膜的弹性及 存在于冻土和永久冻土中数量不等的封闭气泡的弹性。永久冻土的弹性模量随着外压力 的增加而减小，并随温度的降低而增大。冻土的弹性模量受其负温值( - - t ) 的影响最 大。当冻土的温度不太低( 一1 0 ) 时，可认为冻土的弹性模量与负温呈线性关系。 当压应力为0 2 m p a 时，试验得出三种典型含冰冻土的弹性模量为： 对冻结砂： e = ( 0 5 + 2 1 t ) x 1 0 3 ( m p a ) ( 2 - 3 ) 对冻结粉质土； e = ( o 4 + 1 4 t ) x 1 0 3 ( m p a ) ( 2 4 ) 对冻结粘土：e = ( o 54 - 0 2 3 t ) x 1 0 3 ( m p a )( 2 5 ) 冻土的泊松比可通过直接测量纵向和横向变形计算而得。试验得出三种主要类型冻 土( 砂土、粉质亚粘、粘土) 的泊松比，见表2 一l 所示。 这些数据表明，温度t 对冻土的泊松比u 具有重要影响。当温度r _ 0 时，i i 接 近0 5 ，而当温度较低时，接近固体的数值脚】。 表2 - 1 冻土的泊松比 2 多年冻土地区钻孔灌注桩的基本理论 2 。2 水平承载桩的计算理论分析 研究水平承载桩不外乎要解决如下问题：桩的极限承载力；桩的变形和位移情况。 长期以来，人们对水平承载桩的桩土相互作用机理进行了不断的研究和探讨，在不同理 论的指导下，提出了众多的计算方法。 2 2 1 水平承载桩的工作状态和破坏机理 水平承载桩的工作性能是桩一土相互作用的问题。不论是完全埋置桩或是部分埋置 桩( 桩的上段露出地面以上) 都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载和 力矩的作用下受弯，桩身产生水平变位和弯曲应力。外力的一部分由桩本身承担。另一 部分通过桩传给土体，促使桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形 的进一步发展。 当水平荷载较小时，这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要为弹性 的，即桩周土处于弹性压缩阶段，随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产 生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程度 或桩周土失去稳定时，桩土体系便趋于破坏。 桩一土体系的这一相互作用与桩、土的相对刚度有关。第一种情况( 图2 - la ) ，当桩 径较大，入土深度较小或周围土层较松软，即桩的剐度远大于土层刚度，桩的相对刚度 较大时。受横向力作用桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，如不 断增大横向荷载，则可能由于桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载的能力而破坏。 因此，基桩的横向允许承载力可能由桩侧土的强度决定。 第二种情况( 图2 - l ”，当桩径较小，入土深度较大或周围土层较坚实，即桩的刚度 较小时，由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度的 增大而减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载的影响。形成一端嵌固的地基梁，如 不断增大横向荷载，可使桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了 桩或结构物的允许变形值，因此，基桩的横向承载力将由桩身的抗弯强度或侧向变形条 i 鼹倒1 1 i 怨磁 l l , t - t 1 倒例 兰! 的桩为弹性长桩，一般情况 口 口 下，桥梁桩基础的桩多属弹性桩，本文也以讨论弹性长桩为基础。 国内外计算弹性长桩的方法很多，常用弹性地基反力法，假定桩为弹性体，并服从 虎克定律，桩的位移与桩的长度比较很小，用梁的弯曲理论来求桩的水平抗力，设单位 面积上土抗力p 的表达式为； p ( x ， = k x 4 y 6( 2 2 3 ) 式中j 卜由土的弹性性质决定的系数，与指数a 、b 的取法有关； 工泥面下的深度； j ，桩的挠度。 根据b 的取值，又可分为b = l 线弹性地基反力法和6 1 时的非线性弹性弹性地基反力 法。 2 多年冻土地区钻孔灌注桩的基本理论 ( 1 ) 线弹性地基反力法 为保证桩基的正常工作，工程上一般对桩在地面的允许水平位移作了一定的限制， 一般规定桩在泥面处的允许水平位移为6 8 1 0 m m 。在水平位移较小的情况下，桩身任 一点的土抗力p 与桩上任一点的侧向位移y 之间可视为线性关系，取b2 1 ，那么 p ：戤4 y 。水平地基系数磁定义为桩发生单位挠度时作用在桩单位面积上的土抗力， 所以k 。= k x 4 。根据蚝取值的不同又分为常数法( 张有龄法) 、m 法、c 法、k 法、和 吴恒力教授提出的的综合原理下的双参数法。 a ) 常数法( 张有龄法) 该法假定地基反力系数与深度无关而为定值( 蚝取常数) ，则土抗力p 仅与桩的位移 j4 y 成正比，p o ，y ) 一母代入微分方程式日每丰+ b l p ( x ，y ) - 0 得： “ j4 ， e 1 * + b l g y 。0 ( 2 - 2 4 ) a x 张氏法数学处理简单，k 只要根据土质确定，工程运用方便。但按照张氏法的假定 得出的结果必然是：由于地面处的桩身位移最大，得出地面处的土抗力最大，显然不符 合实际。张氏法只适用于超固结粘性土和表面紧密的砂性土，而对于砂土和正常固结粘 土，则存在较大误差。对于多层地基中的桩，由于在嵌固点以上的土层土质并不相同， 计算水平地基反力系数时需进行试算，计算较繁，使用受到限制。同时该法也不适用于 大变位重复荷载作用下的桩。 协c 法：地基系数沿深度按凸形抛物线变化( d o 5 ) 百 该法假定地基系数蚝= k x “5 ，桩土相对刚度系数t = d 詈，由陕西省交通科学 v 五d l 研究所1 9 7 4 年提出，在公路部门应用较多。 c 1k 法：地基系数沿深度按凹形抛物线变化 k 法假定水平地基反力系数蚝在第一弹性零点以上呈凹曲线分布，在第一弹性零 点以下为常数。由于凹形水平地基反力系数图式过低估计了近地面的桩侧土抗力，所以 由k 法计算所得的弯矩偏大。同时当桩的入土深度愈大时，由k 法计算所得的桩顶水平 位移和转角反而愈大，这与桩的实际工作性状不符。k 法由前苏联学者安格尔斯基在四 十多年前提出，曾被我国桩基工程采用。 d 1m 法：假定水平地基反力系数随深度按线性增加 m 法假定地基系数k h = m x ，由图2 2 及式( 2 5 ) 可知，在深度z 处，p ( x ，y ) = o x y 岛，而= k h y ， 得 彤窘= 一砒y ( 2 - 2 5 ) 桩侧土抗力的计算霓度 已知 y 2 y 。，、 - - 塞，m 丸，【出扛o ) 1 日鲁；m 。f 出2 0 ) ” 1 日窘= q o ，j 式( 2 3 s ) y 口- 个四阶线性变系数微分方程，可以利用幂级数展开的方法求解。 的解为幂级数 r 2 - 2 6 ) 该方程式 y 2 荟叩 ( 2 2 7 ) 式中a i 为待定系数。对式( 2 3 7 ) 求1 至4 阶导数，并带入式( 2 - 3 5 ) ，经推倒( 文献【2 9 】) 可得 ) ，a ) ，。4 + p _ a a ob i + 孑m = o 。“。+ 面q oqntma a 一口。乜 詈毗小詈即是c ：+ 急。：aaa 。匕la 。e l 旦a 2 e l 嘲小詈马+ 嘉c 3 + a - 岛e i d 3 品- y o a 4 + - b 4 + 而m oc 。+ 刍。 r 2 - 2 8 ) 并可将桩顶仅作用单位水平力日。= 1 时地面处桩的水平位移6 口。和转角6 枷，桩顶作用 单位力矩肘。t 1 时桩身地面处的水平位移d 口j i r 和转角6 。对于桩至于非岩石地基中的 情况( 2 2 9 ) ： 式中的a l 、b 1 、c l 、d 1 、a 2 、b 2 、c 、d 4 等系数，以及b a d 4 一b 4 d 3 、 呜d 。一a d 3 、4 c 。一a 。c ：等值均可查文献【2 9 】附表二：k = 三当了1 0 ，其中c o 为桩底 础 土的竖向地基系数，。为桩底全面积对截面重心的惯性矩，为桩的平均截面惯性矩， ：耋兰鎏圭垫譬兰銎耋鎏兰兰量銮耋篓 。一 口= ；= 浯，b 1 桩在垂直于夕 力作用平面的计算髋 占：_l(b3d4-b4d3)+ch(b2d4-b4d2) 。鲫 口3 e 1 ( a 3 8 4 一a 4 8 3 ) + c ( 一2 丑4 一 曰2 ) c 一1 ( a 3 d 4 一a 4 d 3 ) + c ( 一2 d 4 一a 4 d 2 ) 。 o r 2 e ( a 3 8 4 一a 4 8 3 ) + c ( 4 2 鼠一a 4 8 2 ) 。 一 1 ( b 3 c 4 一b 4 c 3 ) + c ( 岛c 4 一b 4 d 2 ) 。叫 口2 e ( a 3 目一a 4 8 3 ) + c ( 一2 8 4 一a 4 8 2 ) 6 口e ( a 3 或一a 4 8 3 ) + c ( a 2 8 4 一a 4 8 2 ) 当风、m 。已知时，即可求得地面处的侧向位移y 。和转角 r 2 3 0 ) ( 2 - 2 9 ) 然后根据式( 2 3 8 ) 求得地面下任意深度处桩身的侧向位移y 、转角妒、桩身截面上的弯 矩m 和剪力q 。 m 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。但m 法仅能反映土的弹性性能，也就是说，在桩身变位不大时，能很好地反映桩 土相互作用：在桩身变位较大时，桩侧土体进入非线性工作状态，此时按m 法计算所得 泥面处位移、桩身最大弯矩及其位置与实测值有一定的差异，并随外荷载的增大，这种 差异也随着变大。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m 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。 e ) 综合刚度原理和双参数法 以上的常数法、m 法、c 法、k 法等方法均属于单参数法，单参数法由于只有一个 待定参数，它们都有一个共同的缺点，即桩在地面处的挠度、转角、桩身最大弯矩及其 位置不能同时很好地符合实测值，只能凑合到较近的程度。其原因是待定参数的数目不 够，或选择得不恰当所致。为了克服上述方法的缺点，重庆交通学院的吴恒立教授提出 了综合刚度原理豹双参数法。 综合刚度原理的双参数法假定水平地基反力系数k 。= 开二，代入桩的挠曲微分方 程，可得： l孓j 加 叭： 卅 叫 日窘叫掀0 、 删鸟e 毒， q 。3 j 可导得与式( 2 - 3 8 ) 形式一样的解。不同的是，当n 为不同值时，a 。、b 。、 c 4 、d 4 的表达式均不同( 当= l 时，即为m 法) 。由此根据式( 2 - 3 9 ) 可求得相应的 、。关于a 、b 、c 、d 及其一、二、三阶导数的数值以及 如口、6 如、屯。、声。等值均已由计算机程序算出并打印成表格，详见文献【1 8 】。 综合刚度原理下的双参数法计算步骤如下： 1 、 假定一为某值，通过参考文献【1 8 】的公式和程序可求得该疗值时的a 、 旦、c 4 、d 。和相应的、a 2 、 将上述所得的、和己知的( 包括试桩实测到的) y o 、o 、m o 。等代入 煦： h p + m 0 6 刚 一( 风+ ) 陀- 3 2 ) 求得口。 3 、 经验算，当属于弹性长桩( 口h 4 5 ) 时，将口代回式( 2 2 4 ) 的任一式，均 可得到考虑桩土共同作用的桩综合刚度彤。 4 、 上述求得的值和已知的值代入式( 2 2 3 ) 求得桩身各截面处的位移、转 角、弯矩、和剪力值。若桩身最大弯矩及其位置与实测值拟合良好，表 明假设的r 值合适。否则重新假n 值，重复上述计算，直至满足要求。 综合刚度原理下的双参数法的实质，就是通过调整两个参数脚和疗的值来改变水平 地基反力系数如的分布图式，使之能较好地符合桩在地面处的位移条件和桩身最大弯 矩及其所在位置的实测，从而提高了弹性长桩的设计水平。该法比常数法等单一参数法 有了很大的发展和改进。实践证明，综合刚度原理下的双参数法能较好地解决单一参数 法存在的问题，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。 线性弹性地基反力法的基本假定之一是桩侧地基土符合土反力随水平位移成正比线 性增加，因而当荷载水平较高，桩侧土出现较大塑性区时，应用这种方法出现的偏差较 大。 ( 2 ) 非线性弹性地基反力法 当桩身侧移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间按非线性考虑，即 b l ，此时为非线性弹性地基反力法。其中最有代表性的是日本港湾研究所提出的港研 法。根据地基的特性，港研法又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。由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解，因而，港 研方式有一套特殊的方法。总的来说，这类方法求解比较困难，且优点不明显。故本文 不再对这类方法作更多的介绍和阐述。 无论是线性弹性模型还是非线性弹性模型，都意味着桩基在卸载后，土体仍能恢复 到原来的状态，承载能力不受应力历史和应力路径的影响，与桩变形较大时的实际结果 不相符合。 3 、 弹塑性地基反力法( 复合地基反力法) 长桩桩顶受到水平荷载作用后，桩侧的土体从表面开始屈服，塑性区从地表面逐渐 向下扩展，再往下则为弹性区，形成弹塑性复合地基。该法在塑性区。采用极限地基反 力法，而在弹性区，则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 解桩的水平抗力，由于对塑性区和弹性区水平地基反力分布的不同假设，该法又有长尚 法、竹下法、斯条特科法和p y 曲线法，而目前应用最为广泛的是p y 曲线法。 横向葡戴施加前a - a 截面上土压力的分布 p y 图2 4 地面下莱深度处的土压力分布图图2 - 5 泥面下桩身各点处的严j ，曲线 试验表明，桩在水平力作用下，桩身任一点处的桩侧土压力与该点处桩身挠度之间 的关系，实际上是非线性的，如图所示，自地面下x 深度处的一薄层，在施加水平力 前，该薄层的土压力分布如图2 - 4 a 所示，桩周各点土抗力相等，施加水平力后，设深 度x 处的桩挠度为e 该薄层的土压力分布如图2 4 b 所示，里椭圆形，沿桩周将士压力 积分，得合力p ，p f 曲线就是在水平力h 作用下。泥面下深度x 处的士抗力与该点桩 的挠度y 之间的关系曲线，它综合反映了桩周士的非线性，桩的刚度和外荷作用性质等 特点，沿桩泥面下任一深度处的p 量，曲线如图2 5 所示。 p 叫曲线法考虑了土的非线性特性，既可用于小位移，也可用于较大位移情况的 求解：既可用于静力的短期荷载和循环反复荷载的计算，也适用于任意尺寸、刚度和嵌 圆状态的桩在桩侧土体发生了弹性变形以至产生塑性变形和达到或超过剪切破坏时的内 力和变形的计算，p y 曲线的确定一般有以下几种方法： ( 1 ) 现场实测 现场实测出桩身弯矩m ，再用如下关系求出桩身挠度y 和桩周土抗力p ： y = 瞧d x ( 2 - 3 3 ) ：d 2 丁m一34)p t , z = ：丁 。 式( 2 4 4 ) 需对弯矩值m 求两阶导数，由于求导运算对误差较为敏感，实测弯矩的微 小误差都将会给士抗力p 带来很大的误差，因此该法对实测弯矩的精度要求很高。一般 在计算之前需对所测弯矩值进行拟合，得出一条与实测弯矩最为接近的平滑曲线，再对 m 进行微分和积分运算往往能得到较为满意的p 、y 值。 另一个可现场确定p y 曲线的方法是f r y d m a n 等人于1 9 7 5 年提出的，他们使用 了压力计试验的结果，得到了糟度足够的两根预压力砼试桩的p y 曲线，b a g u e l i n 等 人于1 9 9 7 年也讨论了用压力计试验结果求的桩的p r 曲线方法的。 ( 2 ) a p i 规范法【3 0 j 在现场试验有困难时，也可用