黄土地区单桩极限承载力预测及计算_pdf

1、 第1页西南交通大桩基由于其巨大的工程应用价值而受到广泛的研究，尤其是单桩竖向极限承 载力是桩基设计中的一个重要参数。静载荷实验是确定桩基极限承载力的最 基本的方法，但在实际操作中的试桩往往不严格按照规范要求，致使许多工程 中的试桩并未达到真正的破坏，也就不能准确得出单桩竖向极限值。 近年来，预测法作为确定桩承载力的一种方法，得到了广泛应用。采用预测 法的经济效果是十分明显的，它意义明确，计算简单，建模效果好，解释性 强，同益成为工程技术人员和经济管理工作者的实用工具。与传统的方法相比， 在试验设备、工作条件、或试验费用上，均有明显的优越性。采用预测法所带 来最大的技术经济效益还在于可以及时地

2、给设计提供合理的桩承载力数值，充 分利用桩的承载力，节约工程造价。 本文首先分别介绍了黄土地区桩的工作性状分析并在此基础上总结出影响单桩极限承载力的各种因素，其次介绍了狄色系统理论的部分知识。然后根据 灰色系统理论的预测模型，建立了预测单桩竖向极限承载力的非等步长GM(1，1) 模型、自调整型非等步长GM(1，1)模型和带残差修F的非等步长GM(1，1)模型。同时利用matlab实现了编程，并对实际资料进行了处理，证明了该模型能够满 足工程的需要。并且带残差修F的非等步长GM(1，1)模型精度较高。 关键词：度检验；狄色系统理论；狄色预测；基桩极限承载力； GM(1，1)模型；精 西南交通大学

3、硕士研究生学位论文 第2页AbstractPile foundation has been studied because of its practicalwidelyvalues，Theultimatebearing capacity of single pileseriouslyisimportant parameter inallpilefoundationdesignThe field vertical load test of ais the most basicsinglepilemethodof determiningthe ultimate bearingofit，Howeve

4、r,some tests do capacitynot meet theof the codeThis means that in docases，themanypilesnotstandar，dreach the failureAs a result，theachievedexact value of ultimate bearing capacitycannot beAstO determinatemethodthecapacity of pile，predictionhasa waybearingbeen widelyused theseeconomic effect is very c

5、lear,definite in meaning，yearsItssimple in calculating，wonderful in the modeling effect and good in explanation，SOtool initisthe field of engineering and economicnowadaysbecoming a practicalmanagementCompared withtraditionalhas definitewhethermethods，itadvantageinconditionfor the testingUsing predic

6、tiontesting equipment，workor expenditurethe most technical economicwith reasonable dataeffect，providing designcan givecapacity，bringing into play pileS bearing capacity completely,thusof pileS bearingcan save the engineering costThis paper，firstly,introduces the transferring machanism of load which

7、thepileisandsummsarize the factors Which influence the ultimateofundergonecapacityinof information about singlepileloessSecondly,it given parts Grey system theoryThirdly,agroup of prediction models that canthe ultimatepredictbearingofare established by thecapacityasingle pilegray system theory,inclu

8、ding Non-equi step GM(1，1)model(NEGM)，Self-AdjustingNEGM andSelf-AdjustingNEGM with ResidualErrorModificationThen，|lhe corresponding programsarewritten by MATLAB models can meet thedata verifies that these a practicallanguageAndengineeringNEGM withproject requirementMoreover the Self-AdjustingResidu

9、al Error Modification has themost high accuracywords：KeyUltimateGreysystem theory Grey predictionbearingcapacity of single pileGM(1，1)model precision inspection 第1页西南交通大学硕士研究生学位论文 绪论第1章桩是一类古老而又应用广泛的工程结构。“在人类有历史记载以前，就己经 在地基土不利的河谷及洪积区采用了这种基础工程方法；在许多不同的文化时 期的初期，都可以找到有桩基的房屋。据历史文物遗址的挖掘揭示，在我国的浙 江省宁波市附近的河姆

10、渡遗址，发现最早的桩的雏形，距今己有七千多年的 历史，在世界上也属罕见【11。 11单桩极限承载力研究现状 桩基因其具有许多独特的功能，而日益广泛应用于高层建筑、重型厂房、桥梁、近海工程等诸多领域，成为工程建设中很重要的一种基础类型。如何确定桩承载力一直是桩基工程的重要课题。迄今为止，确定桩承载力的方法大体可分为三类21：1)是通过对实际桩进行现场试验来确定，如静载试验，动力测 桩法等；2)是通过对桩荷载传递机理进行分析，建立适当得求解单桩极限承载力得力学模型，分别求得桩底阻力和桩身阻力后相加求得；3)是利用交叉学科知识，建立各种预测单桩极限承载力模型。 111静载试验 单桩承载力最直接最可靠

11、的检测方法是静荷载试验。我国与许多国家现行地 基基础规范和工程实践均将静荷载试验置于优先地位，作为工程中的标准试 验方法，并是其它检测方法的比较依据。由于这种方法费时费钱，故不可能在 每项工程中都采用。对于重要的建筑工程以及新型桩，则宜进行静载试验131。鉴于在桩的施工中产生土体的扰动和土压力的变化，为了使试验能反映真实的 的承载力值，一般要I刨歇至少一、二周时I旬进行静载试验。对于砂土间歇时f白J 可以短些，软土则应长些。灌注桩的间歇时间还应满足混泥土达到设计标号的 时间要求。 试验装置主要包括加压部分和桩顶沉降观测部分。静荷载通常由安装在桩 顶的油压千斤顶提供。千斤顶的反力通过锚桩承担，或

12、由压重平台的重物来平 衡。测量桩顶沉降的仪表主要有百分表及精密水准仪等。百分表安装在基梁上。 桩顶则相应设置沉降观测点。 以荷载增加方法划分，静荷载试验法主要有：慢速维持荷载法、快速维持荷载法，等贯入速率法、循环加载卸载试验法及其他试验方法，如跑桩法等。(1)慢速维持荷载法该法是沿着很久的方法，具体操作是：按一定要求将荷载分 级加到试桩上，每级荷载维持不变直至桩顶下沉量随时间增量达到某一规定的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页终止试验条件时，便停止加载，再分级卸载直至零。(2)快速维持荷载法试验加载不要求下沉量的相对稳定，而以等时间间隔连续加载。快速加载下得到的极 限荷载乘以一定的修正系

13、数可转换成慢速加载时的极限荷载。(3)等贯入速率法试验加载时，保持桩按等速率贯入土中，按荷载贯入曲线确定极限荷载。(4)循环加载卸载试验法此法在国外用得较广泛，可细分为：a)在慢速法中以部分荷 载进行加载卸载循环；b)对慢速法中的每一级荷载进行加载卸载循环；C)对快 速法中的每一级荷载进行加载卸载循环。 根据试验记录，可绘制各种试验曲线，如荷载桩顶沉降曲线(P。S)曲线(图i-I)荷沉降时间(对数)(Slogt)曲线(图I-2)等，并有这些曲线的特 征判断桩的极限荷载。具体方法参见文献51。 025沉降S 沉降S 图i-i单桩荷载沉降(PS)曲线图1-2单桩Slogt曲线 静载荷试桩法的缺点是

14、明显的，即成本高、工程量大、工期长等。随着高 层建筑的兴建，静载试验所测承载力吨位也越来越大。然而试验的反力装置仍 停留在堆载和锚桩传统方式。堆载和锚桩法费时费力，。成本高。造成静载荷试 桩法费钱费时的主要原因是需要设置专门的反力系统，如测试一根灌注桩的承 载力，大约需要四根同样的灌注桩锚桩提供的反力，试验成本成倍增加。如果 用堆载反力系统，则运输和安装费用也占很大的比例。另外，试桩占用施工场 地，影响了其它施工工序的进行，也是许多业主感到难以接受的问题。所以， 针对反力系统所存在的问题，文献7介绍一种新的静载方法。美国西北大学 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页Jorj Osterber

15、g教授研究成功的、近年来在美国广泛应用的一种静载荷试桩新 技术刈sterberg测桩法(桩底加载法)。它最大特点是桩底加载，并能直接 测得桩侧阻力和桩端阻力，且试验装置简单，不需锚桩及反力架，不占用施工 场地，费用低(可比传统方法节约2575)。 112动力测桩法 桩基础的质量和承载力的确定，目前工程界除了使用静载试验方法外，还常 用动力测桩法。动力测桩法一般是在桩顶作用一动荷载，如瞬态竖向作用力或简 谐振动力等，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应【4】。在桩侧安装力、速度、加速度或位移传感器，以量测桩土系统的振动响应，用波动理论分析和研究应力 波沿桩土系统的传递和反射，并用以下三种方法对所采集

16、的信号进行分析和处理：1)时域波形分析；2)频域波形分析；3)传递函数分析，从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力。按测试时土的动应变大小，动测法又可分为低 (小)应变动测法和高(大)应变动测法两类。1低应变动测法 低应变动测法测桩时，土应变基本处于弹性阶段。用于确定单桩承载力的低 应变动测法主要有： 1) 球击频率分析法球击法假定桩为具有弹性支撑的刚体，桩周土及桩端十 为无质量的弹簧，当桩体在单脉冲激振力作用下产生振动时，土桩将一起振动， 由此求得桩体的自振频率和响应频率，然后结合桩周土的内摩擦角和桩土各自容重 估算单桩承载力。 2) 共振法此法利用桩土体系在纵向力振动下，频率逐渐递增，测量桩

17、土的共振频率和振动波在体系中的传播特性，由此计算桩体弹性系数及刚度系数， 进而推算单桩承载力。 3) 机械阻抗法此法或采用扫频激振的方法进行稳态激振，或采用冲击方法进行瞬态激振，测取桩土体系的动刚度巧，按下式估算单桩容许承载力=S巧W，式中，W为桩的动静对比系数，S为容许沉降。 另外还有水电效应法和动力参数法等。至于低应变法能否用来确定桩承载 力，一直是一个争论焦点。而有些学者则认为，使土产生足够大的塑性变形是 用任何方法直接测定桩承载力的必要条件，低应变法根本没有也无法在一定程 度上激发桩周土的阻力并加以实测，实测的仅是桩土系统的某些动力参数，然后经过经验来估算承载力，所提供的桩承载力绝非实

18、测的承载力。低应变法的不可靠性已经受到了很大的关注，有学者归纳其原因为：测试方法，测试设备 有待改进：所依托的理论模式本身有问题。总的来说，现在工程界对于低应变 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页法估算桩承载力持 态度者占主导地位，强烈要求加强桩基检测工作管理， 对桩基检测单位进行资格审查。1991年12月，云南省建委颁发了云南省建筑桩基检测管理暂行规定，明确规定低应变法提出的单桩承载力不得作为设计依 据。 2高应变动测法 国内外普遍采用高应变动力试桩方法(PDA)51主要有： 1)波动方程法此法采用重锤敲击桩顶，使桩产生贯入度。以一维波动方 程为基础，将桩土系统简化为分离单元模式，以锤速

19、或实测锤击力作为初始条 件，用计算机程序进行计算，顶测单桩极限承载力。 2)锤贯法此法根据桩被贯入时的贯入阻力来反映承载力的大小。试验时 每桩落距由低到高击512击，量测每锤的动荷载Q。和相应的贯入度S。，当用Q 一S。曲线法分析时，可以和静荷载试验的QS曲线一样确定极限承载力。 3)波形拟合法此法用实测锤击时桩身的力波及速度波输入计算机进行迭 代计算，将桩土系统简化为离散质弹模型，以桩顶实测速度波(或力波)作为边界 条件，假定桩和土的参数，求解波动方程，反算桩顶力波(或速度波)，和实测波 形进行拟合比较，如两者不吻合，则重新调整桩土参数，直到两者吻合程度满意 为I上，认为此时各参数为最佳值，

20、最终求得承载力。中国建研院地基所的FEIPlI|lAPC程序即属此法。 另外还有动力打桩公式法、CASE法、TNO法及静动试桩法等。由于高应变法测桩时，桩周土己达到塑性变形，克服了低应变法最易受指责的缺陷， 所以被认为是一种可行的确定桩承载力的方法。但动测法是通过短暂的瞬念荷载 预测桩的长期荷载，由于土的阻尼作用，必然产生动阻力，在确定静阻力时要扣除动阻力部分，同时计算过程都是把桩土系统用一定的模式进行简化，另 外， 还有别的原因，所以，动测法的精度是无法和传统静载压桩试验相比的。具体说，高应变法误差的主要来源有：(1)测试误差：(2)计算误差：(3)与桩土相 互作用机理不符合时引起的误差：(

21、4)桩未动时的误差：(5)时效问题等。 以应力波理论为基础的高应变法，特别是其中采用实测波形拟合法，目前己被国际上公认为最先进的动测法。但是分析计算中不少桩土参数仍靠经验决定。能否将参数的选值与土工常规试验联系起来，并以新的数学模型更好地模拟桩端周围土体受力后的性状，。是进一步提高高应变法精度的关键。 尽管目前国内“公认”高应变法的误差为-4-20I 61，但1992年9月在荷兰海牙举行的第四届基桩应力波理论应用国际会议上，公布了lO家均有一定国际声誉的，基桩测试公司参加的用高应变法预报基桩承载力的测试竞赛结果171。试 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页桩为5根方形预制桩，入土深度115

22、19 m。其中4根桩，要求各参赛公司用他们常用的测试设备经过实地测试后提出荷重沉降曲线。然后进行静载试验。第五 根桩只进行静载试验，不进行动测试验，以了解动测试验对静载试验的影响。 10家公司的动测试验结果不能令人满意。比如有一根桩，各家公司预报的最大承载力 为90510kN，变幅很大，而静载试验结果是340kN。 113半经验半理论公式法 半经验半理论求解单桩极限承载力公式是通过分析桩土相互作用关系、 桩的荷载传递机理并结合大量的工程实测数据，然后再进行大量的简化和假设得 到的。国内外许多岩土专家对此进行了大量有益的探索，提出了许多灼见的数学 模型Ist11。鉴于桩基类型众多，地质条件千变力

23、化，他们所提出的数学模型也非常的多，下面主要介绍一下常用模型或常用桩型。 单桩的轴向荷载是通过桩侧摩阻力和限承载力只也由这两部分提供，即 阻力来支承的，因此，单极的极 只=只。+兄式中 只。桩端总极限承载力：气桩侧总极限摩阻力。 为了便于计算，假定同一土层中的摩阻力是均匀分布的。 验公式如下： 于是得到只的经(1-2)只=Ai+吒A 式中 t桩侧单位面积上土的极限摩阻力： D，桩端上的极限承载力： A；各土层中的桩周表面积： A桩端横截面面积。 桩侧总摩擦力和桩端总极限承载力的极限值，可查阅地基基础设计规范 或通过静力触探试验确定。 钻、挖孔灌注桩是目日仃使用最为广泛的一种桩型，早在1950年

24、钻孔灌注桩 出现以前，就广泛采用巴塔列夫经验公式来确定由土阻力而定的单桩容许承载力。该公式假定桩周土的极限摩阻力自地面至深度2m处为三角形变化，2m以下则为常数，公式形式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 P=flJ(L-I)m+Aoo+K Y(L-2)】 第6页(13) 式中：111为安全系数，对于永久性桥梁，取m=2；f为桩侧土的极限摩阻力， 当桩下沉于多层不同特征的土中时，f按各土层的深度加权计算：u为桩身周长； L为桩的入土深度；A为桩底支承面积；为桩底土的容许承载力；K为随土的 类别而定的系数；Y为土的容重。 60年代中期，我国开始了钻、挖孔灌注磨擦桩的工程实践以及单桩承载力计算的

25、研究，通过“百桩试验”，制定了桩侧土的极限摩阻力和桩底土抗力的有关参数。最新的建筑桩基技术规范(JGJ94-94)采用以可靠性理论为基础的概 率极限状态设计法，改变了己往统一取安全系数为定值的方法。各类基桩竖 向承载能力的极限状念表达式见式(卜4，卜5)： (14)YONR(15)R2，pq。ki+7，P Ap qpk对于软岩地区的钻孔灌注桩，建筑桩基技术规范(JGJ94-94)，嵌岩桩单 桩竖向极限承载力标准值，出桩周土总侧阻，嵌岩段总侧阻和总端阻三部分组 成： 2 Q。k Q，k+Q，k+0 Dk (I一6)其中：ust为土的总极限侧阻力标准值。 u rt为嵌岩段总极限侧阻力标准值。 VP

26、k为总极限端阻力标准值。 由于地层岩性的不同。单桩承载力的实际工作性状也不尽相同。文献221 根据实测资料对软岩地区的单桩承载力的确定方法进行探讨，综合考虑嵌岩段侧 阻力与端阻力之间的相互协调对嵌岩段所能提供的承载力的影响，提出一种 新的计算计算嵌岩段的总阻力方法。 ， 5 T1(，gh，Tr+Ed f。4)(i-7)pQqy式(卜7)中右边括弧中的第一项表示嵌岩段提供的侧阻力，第二项表示嵌岩 段提供的端阻力，括弧外的系数反映了在桩端沉降量较大时嵌岩段侧阻力与端阻 力相互协调的程度。式(I-7)中的几项系数与桩顶沉降有直接关系： F，为侧阻力修正系数，与桩端沉降及嵌岩比有关； 西南交通大学硕士

27、研究生学位论文 第7页。为施工对侧阻力影响的修正系数，与施工工艺有关，表示桩体混凝土与 基岩的接触程度：对于用正循环回转成孔的桩体而言，此值可取为085； t为单位侧摩阻力标准值：当桩体嵌固于软岩中时，可取此值为软岩单轴抗 为与沉渣厚度及桩端沉降有关的的端阻力修正系数，在实际的工程中因为沉渣厚度不能精确控制，故可按施工工艺和桩端沉降的不同而作出相应的规定； rl为表示桩端阻力与桩侧阻力发挥程度的修正系数，与桩端沉降有关。 膨胀灌注桩是近年来国外新研究出的一种桩型，膨胀灌注桩中的水泥中掺 入一定比例的专用膨胀剂，使混凝土产生体积膨胀。它对周边土起挤压作用， 使其孔隙率减少，水份降低，内聚力增大，

28、进而提高了桩与土的摩擦力。还有， 由于膨胀混凝土的体积膨胀是三维膨胀，桩底的次渣和底土也同时受到挤压而 致密， 底部的承载力也相应提高，降低或消除了颤动效应。所以膨胀灌注桩对 于提高桩基承载力，降低沉陷效果显著，具有极其广阔的发展自，J景。因而F在 引起国内外工程界和理论界的密切关注。目前，国内外关于膨胀灌注桩的研究， 尚处在材料研制与工程试应用的阶段。工程应用刚刚起步，实测数扼积累尚有 待时F1。因此，关于膨胀灌注桩的承载力提高值一般很难事先准确估计。 114交叉学科方法 依据计算模型对桩基承载力进行分析时，必须定量研究三种不确定性因素， 即土性参数不确定性、几何参数不确定性和计算模型不确定

29、性。许多岩土科技工 作者独辟蹊径，抛丌纯力学方面的研究，借鉴并应用跨学科领域知识，提出确定 单桩承载力的新方法，为岩土工程研究注入了清新的空气。文献1317考 虑了三种不确定性因素，通过计算机随机模拟试验的方法提出了确定桩基承载力的概 率分布方法。考虑桩土之间的关系很难全面准确地确定，文献18、19利用狄色理论中GM(1，1)模型预测桩基极限承载力。由于通过残差辩识总可 以使预测值与试验值很好地接近，这样可根据荷载试验中的压力与沉降曲线自仃 部分试验数据，用狄色理论预测曲线的后部分，达到较高的预测精度。人工神 经网络(NN)尤其是BP神经网络可以模拟任意复杂的映射，并具有非线性优化功12单桩极

30、限承载力研究面临的困难 桩基工程是一门既赋理论内涵而又工程实践性很强的学科。它一直沿用材 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页料力学、弹粘塑性理论、土力学等传统科学为基础的确定性求解方法，并未达 到恰如人意的效果。这是因为在桩基工程中有以下问题存在。 1数据有限：在进行单桩极限承载力研究时，确定桩的单桩极限承载力的实测数据非常重要，若要获得可靠的数据，大量的静载试验必不可少，但从费用、时间、工程状况等角度来考虑很不切实际。因此单桩极限承载力的数据非常有限，我们未能获得足够的数据用于理论分析。有限的数据早已成为单桩极 限承载力分析的一个“瓶颈”问题，所以目前为止还不能建立套满意的确定单桩极限承

31、载力的力学模型。 2. 数据不精确：在研究单桩极限承载力时，土的工程性质起决定性作用。 众所周知，桩深埋地下，属于隐蔽工程，桩周土的工程性质不能直接得到。沿桩身的土中应力分布，随桩长与桩径之比不同而产生不同的变化。因此土工试验时不可能完全模拟土体的实际受力情况，所得到的也就不可能精确。 3. 参数非确定：影响单桩极限承载力的因素很多，很复杂。有可以量化的因素：如桩的材料性质、结构尺寸，土的工程性质：但许多不可量化的因素对单桩极限承载力也有一定影响，-如施工工艺，施工机械，施工过程中造成的桩周土的扰动。不可量化的因素不能在数学模型中体现，即使是可量化的因素，由于桩士结构的复杂性，模型的提m都是在

32、大量假设和简化基础上的。不同 的模型使用不同的参数，从而导敛参数使用的混乱，更加增加了参数的非确定性。 4. 模型给不准：正是由于上述三种因素的分析以及桩土作用关系复杂性，桩的荷载传递机理还不能很好掌握，每一种数学模型都是仅仅适用与特定的情况。即使同一中桩型在同一地质条件下，也存在模型给不准的问题。 13本文的研究意义与内容 桩基是各类建筑物基础的一种常用型式。随着我国工程建设事业的蓬勃发展，铁路、公路、港口码头及城市建设得到了迅速发展。桥梁、塔架、重型构筑物、堤坝、高层建筑及海上采油平台以及核电站等工程大量采用桩基础，桩基础往往是最基本的基础形式。但是由于影响单桩竖向极限承载力的因素很多且

33、不稳定，因此，如何合理地确定桩的承载力，充分发挥桩基的技术经济效益， 始终是工程设计施工人员十分关心的问题。确定单桩承载力的静荷载试验与动测法等，也有一定的缺陷，如费用高，时间、人力消耗大等或以一定的计算模型及经验公式为基础，由于这些模型和公式都对实际情况作了些简化和假设， 因此测试结果误差有时比较大，那么能否找到一种更为合适的改进方法，以便能较简便而准确地预测桩的极限承载力，对工程界来说具有极为重要的现实意 第9页西南交通大学硕士研究生学位论文 义。灰色预测作为预测法的一种，得到了广泛的研究。采用预测法的经济效果 是十分明显的，它与传统的方法相比，在试验设备、工作条件、或试验费用上， 均有明

34、显的优越性。 本文研究的主要内容是：首先研究黄土地区桩的工作性状分析并在列出影 响单桩极限承载力的各种因素，其次介绍了其次介绍了灰色系统理论的部分知识。然后根据灰色系统理论的预测模型，建立了预测单桩竖向极限承载力的非 等步长GM(1，1)模型、自调整型非等步长GM(1，1)模型和带残差修正的非等步长GM(1，1)模型。并且利用Matlab编写三种模型的计算程序，并对实际资料进行 了处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0页第2章影响单桩极限承载力的因素分析 21黄土地区竖向荷载下单桩的工作性状分析 黄土是我国西北地区的主要区域性土，由于其独特的成因i颗粒及化学成分、结构特点等，黄土具有

35、一系列独特的工程性质。主要表现为黄土具有较高的结构强度，常表现为超固结性质。 土是非线性材料、241，其应力应变间的关系十分复杂，目前表达岩土 本构特性的方法大概有三类：对土的给定应力应变关系用曲线拟合、插入法 或数学函数法表示之：用非线性弹性理论，即将曲线分段线性化，根据非线性弹 性理论进行计算(增量法或迭代法)：按弹塑性理论，即将土的变形分为弹性变形 和塑性变形，分段按弹性理论和塑性理论。文献23对工程实测的应力应变曲线进行拟合，并选用双折线模型。但是，双折线峰值点的选择具有一定的任意 性。在拟合时，在分析实测的桩侧阻力传递函数曲线外，还考虑了工程桩试验报 告中极限承载力下各层土的侧阻力综

36、合取值表建议的峰值强度，运用最d-乘法进行线性回归拟合成双折线。 黄。卜应力应变关系通常用三轴试验测试，一般表现为硬化型和软化型。其中硬化型的硬化强度(q)随垂直应变增大而增大；软化型：首先强度随垂直应变增大而增大，为硬化段，达峰值强度(g。)后，强度随垂直应变增大而减小， 为软化段。峰值强度(日。)和峰值应变(E。)随围压增大而增大，软化特性衰减， 而塑性性质增加。 原状黄土具有较大结构强度，其应力应变曲线随着成因和受力状态而不同。Q1和Q，黄土的应力应变曲线均呈不同程度的软化型，土体呈脆性断裂和塑性破坏：Q和Q4黄土质地比较松软且孔隙发育，当湿度较小时仍具有较高的结构强度，其破坏形式受侧限

37、压应力的影响比较大。当围压仉小于结构强度时，应力应变关系曲线是软化型或弱硬化型，相应地会有剪胀、剪缩情况：当围压吼大于结构强度时，土的结构在均压固结时就遭到部分破坏，剪缩现象 显著， 其应力一应变曲线是硬化型， 土的强度随着塑性应变增大而提高： 当围压吼等于结构强度时，土在剪切过程中剪胀、剪缩现象较小，应力应变关系曲线是理想塑性型。 黄土的这种软化和硬化现象可从另一个角度柬解释：在进行试桩试验时， 通常是在丌挖了一定深度的基坑罩进行的。由于上部土层的丌挖，试桩过程是 西南交通大学硕士研究生学位论文第11页在桩周土处于超固结状态下进行的，这种由于开挖造成的超固结比，随着埋深 的增大而减小。三轴试

38、验结果表明，超固结土的应力应变关系与密实的砂土相似，剪切试验过程存在峰值效应，此效应随土的超固结比的增大而增强。 超固结粘土剪切破坏后结构凝聚力丧失，其强度降低，表现为软化特性。即使 没有开挖的影响，由于黄土的结构强度较高，黄土也常表现出超固结性质，有 时这两种因素还会迭加起来。 211桩侧摩阻力的性状 桩身受荷下沉时，由桩土间摩阻力带动桩周土向下位移，相应地在桩周环 形土体中产生剪应变和剪应力。该剪应变和剪应力一环一环地沿径向向外扩散，在离桩轴nd(n=815，d为桩的直径，n随桩顶竖向荷载和土性而变)处剪应变减 小为零251，如图2-1。 、jnd (影响-g围)一桩l100)QS曲线全程

39、受侧阻性状制约；短桩(Ld10) 和支承于较硬持力层上的短至中长扩底桩(Ld25)Q。S曲线前段同时受侧阻和 端阻性状的制约；支承于岩层上的短桩QS曲线全程受端阻制约。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5贾22影响单桩极限承载力的因素分析 单桩垂直承载力，或取决于桩的材料强度，或取决于土的支承力。如果土对桩的支承力大于桩身材料强度，则桩的承载力应根据材料的最大承压强度计算。例如，端承桩和长径比很大的超长桩。如果土对桩的支承力小于桩本身的材料强度，则桩的承载力只能由桩周土的强度和变形确定，多数摩擦桩属于这一情况。由于大多数桩的的单桩极限承载力由桩将就此重点讨论影响单桩极限承载力的因素。 2

40、21成桩工艺 同作用机理而确定的， 本节桩基的成桩工艺对桩的承载力有一定的影响，即使是在同一地质条件下施工相同类型的桩，不同的成桩工艺会导致桩的承载力存在很大变化。成桩的工艺 对桩基承载力的影响主要表现在不同的成桩工艺对土体的扰动不同，从而影响桩 的承载性能。 对于排土桩，施工中因需排上导致应力松弛，加之有时施工拙劣而扰动桩周 的地基土层，桩基的承载力所受的影响就比较明显。在粘土中打桩，粘土被压 密，从而在桩周形成了重塑区和压密区，靠近桩表面的重塑区的粘土强度大为降 低。桩打入硬粘土中，可引起桩一L段的桩侧十m现辐射状裂缝，地面水可进入裂 隙和缝隙，造成土的软化，从而使土的阻力减小，承载力降低

41、。在饱和粘土中打 桩，会引起很高的孔隙水压力，土的结构遭到破坏，抗剪强度大为降低，因而打桩时只有很小的摩阻力。但是孔隙水压力会逐渐消散，土逐渐固结压密，桩的 承载力在一个相当长的时间内会不断提高。如果是打入砂土中的桩， 将使桩周一定径向距离处和桩尖以下垂直处的砂土粒发生位移，并改变其密度。 桩身四周密实带的直径约为桩径的6倍，此带可能延伸到桩尖以下约5倍直径 的地方，桩尖以下不远处的密实带直径为桩径的78倍：当桩周为软土，而又要 穿越或贯入深厚砂层、进入坚硬持力层时，如用锤击沉桩，锤击力很大而横向阻尼又很小，这 时，桩在周期荷载作用下，不但产生很大的锤击应力，而且可能产生非周期横向振动，从而使

42、桩身弯曲拉应力大幅度增加。套管护壁成桩桩 侧阻力很小。 钻孔灌注桩成桩大都有桩底沉碴，外荷载作用所引起的沉碴压密变形增加了附加沉降。由于孔底沉渣影响，发挥桩端阻力所需竖向位移更大，桩端分担的荷载也相应减小，桩的承载力就会变小。桩端嵌入峰硬基岩中的挖孔桩，由于清底好，桩不太长，桩身压缩和下沉量很小，桩的承载力受施工条件影响也 较小。 第1 6页西南交通大学硕士研究生学位论文 222土的工程性质 桩周土的工程性质是决定单桩极限承载力的重要因素之一，不同的桩周土，由于物理性质不同，它们的所提供的桩侧摩阻力和桩端阻力也不同。桩的摩阻力的大小与作用在桩侧的有效法向应力有关。桩侧土的剪切变形系数C。，也将

43、影响桩侧摩阻力的发挥。对于端承桩，C。值愈大，只要很小的桩身弹性压缩引起的相对位移，便能产生较大的摩阻力值，但是对于摩擦桩及摩擦支承桩，由 于桩尖向持力层的贯入，所以C。的变化对摩阻力的发挥就比较复杂，沿桩身的 不同截面位置会有完全不同的值。文献【30】特别指出桩侧土剪切变形系数C。，对桩侧摩阻力发挥的影响。对于端承桩，C，值愈大，越可能只要很小的桩身弹性压缩引起的桩士相对位移，便能产生较大的摩阻力值：但对于摩擦桩和摩擦端承桩，由于桩尖向持力层的贯入，C。的变化与摩阻力发挥的关系比较复杂，沿桩身不同深度的截面位置，会有完全不同的摩阻力值。 岩石中打入桩桩尖以下岩石是否发生下沉，并不取决于单块岩

44、石的强度， 而取决于岩石的整体强度、裂隙、节理(倾角与风化程度)。若岩石坚硬且节理呈封闭状同时是水平走向，则可维持极高的桩端荷载。若水平或基本是水平向的节理比较宽，则桩尖以下岩体可能有某些下沉，如岩床平而甚陡，且有裂丌的横向节理，则桩尖以下岩块可能会大量往下运动，但终打后不会有大的附1jU 沉降。 摩阻力kPa 050100 1502000o5伯0佰5E越赚加0筋50图2-2槛理想侧摩阻曲线 土层的分布对桩基的承载力影响也非常巨大，在不同的土层中，摩阻力的 第1 7页西南交通大学硕士研究生学位论文 发挥程度不同。单桩的侧阻力沿桩身的分布曲线大致呈单驼峰形或土丘形，如图22所示；在桩的顶部与上部

45、，单桩侧阻力较小；到桩的中下部，单桩的侧阻力达到峰值；到桩端，单位侧阻力较小。 223刚度与刚度比 桩的刚度较大时，桩身各截面处的位移基本接近。由于桩尖附近土的初始法向应力较土的抗剪强度大，所以桩尖处的摩阻力就较大。桩的刚度较小时， 则桩顶截面产生位移最大，所以上部摩擦力较大，下部摩阻力较小。当桩的刚度系数K5000时，实际上相当于刚性桩，其摩阻力接近于均匀分布，摩阻力 最大值发生在桩尖处。当K-50时，桩属柔性桩，此时摩阻力在桩顶处最大， 在桩尖处最小。当桩端土与桩周土的刚度比EEo时，荷载全部由桩侧摩阻 力所承担，属纯摩擦桩。在均匀土层中的纯摩擦桩，摩阻力接近于均匀分布。 当E。E1时，属

46、均匀土层中的摩擦桩，其荷载传递曲线和桩侧摩阻力分布与, 纯摩擦桩相近。当Ee=且为中长桩( 小， 下段近乎沿深度不变。即桩侧摩阻力上段可得到发挥， 下段由于桩土相对位移限小( 桩端无位移) 而无法发挥出来。桩端由于土的刚度大， 可分担60 以上荷载，属端承桩。桩、土的刚度比E。e愈大，桩端阻力所分担的荷载比例愈+ 大：反之，桩端阻力分担的荷载比例降低，桩侧阻力分担的倚载Llff,J增大。对于 E。肛。10的中长桩(Ld-25)，其桩端阻力接近于零。 224桩体结构尺寸与桩径与长径比 桩的长度对桩的承载力有较大影响。存在一个临界深度，当桩进入持力层的深度度h25)时，桩端土于桩周土的刚度比厶，桩土的刚度比厶p厶、扩底桩扩大头与桩身直径之比Dd对单桩极限承载力的影响均大大减弱13