（岩土工程专业论文）静压桩沉桩挤土效应和桩间土固结特征理论分析.pdf

摘要 静压法施工是当前应用较为广泛的沉桩工艺，具有很多优点，但也有较多的 理论和工程问题需要解决。本文对静压桩施工过程中，沉桩挤土产生的位移、应 力和超静孔隙水压力分布，以及成桩后单桩桩周和群桩桩问土体固结规律展开研 究，主要包括下述内容： 1 综合考虑桩长有限、地面自由、终孔孔壁形状、孔壁位移边界条件和土 体材料非线性，应用变分原理推导位移、应变和应力场解答，并应用经典土压力 和小孔扩张理论、模型试验数据和现场沉桩试验实测数据对研究结果进行对比验 证： 2 借鉴砂井地基固结的研究思想。首先建立单桩和群桩的针对正交各向异 性土体固结问题的数学模型。然后，通过对实际桩基工程的渗流边界条件和初始 超静孔隙水压力分布条件的分析，用数学物理方法求解得到问题的解答。最后， 通过土体固结与桩承载力的时效性之问的关系，验证了解答的合理性和适用性。 3 综合考虑位移变分法得到的应力场，以及上述的桩周土体固结级数解 答，重点研究沉桩后桩周土体中的初始超静孔隙水压力分布规律。同时，结合 工程实例，对沉桩挤土的位移、应力、超静孔隙压力分布规律和成桩后孔压消 散的完整过程进行较为系统的研究和验证； 4 使用坐标变换方法，得到满足位移边界条件，包括孔壁边界、直线边界 和无穷远处边界的位移函数。然后，根据几何方程和物理进一步得到问题的应变、 应力解答。最后，通过极限运算以及算例的有限元计算结果的比较分析对理论结 果进行验证分析。 【关键词】：静力压桩、空间轴对称、位移变分法、固结级数解、超孔隙水压力、 平面应变问题、坐标变换 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no f j a c k e d - i np i l e si saw i d e l y - u s e dt e c h n i q u eo f p i l ee n g i n e e r i n g a tp r e s e n lt h ej o bp r a c t i c eh a sm a n ym e r i t s ，b u tm a n yt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l p r o b l e m ss t i l ln e e dt ob es o l v e d i nt h i sp a p e r , s o i ld i s p l a c e m e n t , s t r e s sf i e l d sa n d e x c e s sh y d r o s t a t i cw a t e rp r e s s u r ed u et op i l e j a c k e da r ee x p l o r e db a s e do nt h ea n a l y s i s o f t h ep i l es i n k i n gp r o g r e s s t h eu n d e rm e n t i o n e dc o n t e n t sa r ei n c l u d e d ： i s o i ls q u e e z i n gm o d e ld u et op i l es b n k e ni s c o n s t r u c t e d ，c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to ft h ef i n a ls h a p ea n dd i s p l a c e m e n tb o u n d a r yo fp i l ew a l l ，s t r e s sf r e eg r o u n d s u r f a c e , t h ef i n i t eo fp i l el e n g t ha n dn o n - l i n e a ro f s o i lm a t e r i a l s u c c e s s i o n a l l y , s o i l d i s p l a c e m e n l , s t r a i na n ds t r e s ss o l u t i o n sa r eo b t a i n e db a s e do nv a r i a t i o np r i n c i p a l l 硒lc o m p a r i s o n sa r em a d et op r o v et h er e a s o n a b i l i t yo ft h es o l u t i o n su s i n gp a s s i v e s o i lp r e s s u r et h e o r ya n dc l a s s i c a lc e mr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gd a t a 2 b o r r o w i n g i d e a sf r o ms a n dd r a i nt h e o r y , t h et w o d i m e n s i o n a ls o i l c o n s o l i d a t i o na r es t u d i e di ns a t u r a t e da n do r t h o g o n a la n i s o t r o p i cs o i la r o u n da n d a m o n gs l m k e np i l e s c o n s i d e r e dt h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o no f e x o e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ec a u s e db ys e t t i n gp i l e s t h ep r o g r e s s i o ns o l u t i o n sc a nb e f o u n db yu s i n gm e t h o d so fm a t h e m a t i c a lp h y s i c si nd i f f e r e n te v i r o n m e n t s t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep r o g r e s s i o ns o l u t i o n sa n dt h ec o n s o l i d a t i o nd e g r e ev a l u e s w h i c ha r ed e d u c e df r o mt h ep r a c t i c a lb e a r i n gc a p a c i t ys h o w st h a tt h ep r o g r e s s i o n s o l u t i o ni sr e a s o n a b l e 3 t h ec o n t r i b u t i n go fi n i t i a le g c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea r ea n a l y z e d ， c o n s i d e r i n gt h es t r e s sf i e l do fc h a p t e rt w oa n dt h ep r o g r e s s i o ns o l u t i o n so fc h a p t e r t h r e ec o m p r e h e n s i v e l y s u c c e s s i o n a l l y , t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ha n dc e r t i f i c a t i o na r e c a r r i e do u tf o rt h ec o m p l e t ep r o g r e s so f p i l es i n k i n gi n c l u d i n gg e n e r a t i o no f t h ef i e l d s a n d d i s s i p a t i n go f e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e , c o m b i n i n g 、i t l lt h ee n g i n e e r i n g c a s e 4 c u r v ec o o r d i n a t et r a n s f o r mm e t h o di su s e dt or e s e a r c ht h ep l a i n - s t r a i n n o n - a x i s s y m m e t r i c a lc e ma n dp i l e - s i n k i n g i n d u c e ds o i l s q u e e z i n ge f f e c t t h e t h e o r e t i c a ls o l u t i o no f t h es o i ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sf i e l da r ed e d u c e du n d e rc e l l a i n d i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s l i m i to p e r a t i o na n dt h ec o m p a r i s o nm a k i n g b e t w e e nt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n df e mr e s u l t sp r o v et h er e a s o n a b i l i t yo ft h e s o l u t i o n s 【k e yw o r d s 】：p i l ep e n e t r a t i o n , s p a c ea x i s s y m m e t r i c , v a r i a t i o np r i n c i p a l , s o l u t i o n b yp r o g r e s s i o n , e x c e s sp o r e w a t e r p r e s s u r e , p l a i n - s t r a i np r o b l e m , c o o r d i n a t e t r a n s f o r m 前言 静压法施工是近年来得到广泛使用的沉桩工艺。静压法施工有无噪音、无震 动、质量易控制等特点，具有很强的实用性。但静压桩是一种挤土桩，挤土作用 将对桩基础本身和周围环境产生一系列影响，引发一系列工程问题。所以本文研 究压桩施工在单桩桩周和群桩桩间土体中引起的的位移、应变、应力和超静孔隙 水压力的分布和变化规律，对静压桩的施工、相应防护措施的选择有较大的指导 作用，并可能提高工程的经济效益，具有较重要的意义 首先，建立沉桩挤土的力学模型，用变分原理得到沉桩挤土造成的位移和应 力场，并进一步分析了沉桩结束时饱和粘性土中的超静孔隙水压力的分布规律； 其次，根据对桩周和桩间土体的初始孔隙水压力分布规律和孔压边界条件的分 析，建立桩间土体固结的定解条件，并应用数学物理方法求解，得到反映土体固 结规律的解答；最后，应用坐标变换方法，研究基于非轴对称边界条件下的沉桩 挤土问题，得到一些有意义的结论。 主要创新： 1 考虑土体材料的非线性、地面自由、桩孔实际形状和桩有限长的特点， 应用非线性材料的变分原理，得到桩孔扩张造成的桩周土体中的位移和应力场理 论解答，并对其分布规律进行了分析和验证； 2 通过对沉桩引起的桩周和桩间土体超静孔隙水压力分布和变化规律的分 析，对单桩和群桩等问题，分别建立其固结问题的定解条件。应用数学物理方法 对定解问题进行求解，得到相应问题的级数解答，并应用相关实测资料对解答进 行分析验证； 3 根据位移变分法得到的应力场，研究沉桩后桩周土体中的初始超静孔隙 水压力分布规律，并结合工程实例，对沉桩引起的位移、应力场、超静孔隙压力 分布规律和消散的完整过程进行较为系统的研究和验证； 4 应用坐标变换方法，采用双极坐标研究基于非轴对称边界条件下的沉桩 挤土问题，得到特定边界条件下，圆孔扩张问题的位移和应力解答。 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 年月目 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) ； 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1概述 1 1 1 静力压桩的发展概况与基本特点 静力压桩法是指使用静力压桩机对预制桩施加压力，当压力与地基土对桩的 极限阻力相平衡时，桩被压入土中的一种沉桩工艺。静力压桩施工法在2 0 世纪 6 0 年代开始在上海研究应用，2 0 世纪8 0 年代，随压桩机械与环保意识的增强得 到进一步的发展，随后，压桩机实现系列化，压桩技术更加成熟，用此方法施工 的桩长可达6 0 米以上，设计压桩力可达7 0 0 0 8 0 0 0 k n 。相对于其它桩型，静压 桩具有下述优点1 1 ，2 】： 1 施工时无噪音，适合在市区及其它对噪声有限制的施工场地施工，如： 附近有学校、医院和住宅区等； 2 施工时无振动，适合在其它重要建筑物和精密仪器或设备房附近施工； 3 静力压桩施工避免锤击法瞬间的大应力，且桩的施工过程中一般不出现 拉应力，所以桩的断面可以减小，桩的配筋率与砼强度标号都可降低。此外，静 压施工不会使桩项碎裂，还可以节省锤垫、桩垫等缓冲材料，节省材料，提高经 济效益； 4 静压预制桩一般在工厂中制作，其质量较可靠。在压桩过程中可以全程 记录压桩力，可以较正确、较容易的估计单桩承载力； 5 施工文明，场地整洁。不会发生冲孔灌注桩与钻孔灌注桩中出现的泥浆 排放污染问题，也不要挖孔桩所需的抽水、堆土与运土设备； 6 施工速度快，工期短。 同时，静压桩的挤土也对环境或工程场地产生一定的影响，归纳起来，有下 述几个方面【习： 1 沉桩可引起的地基土侧向位移，将对邻近的建筑物基础或地下设施产生 挤压力，从而产生一系列不良后果，如：邻近桩桩身弯曲或断桩，地下管线弯曲、 变位或开裂。虽然可以通过预钻孔、隔离沟和隔离墙等措施加以部分避免，但这 些措施多具有经验性，尚没有严格的沉桩理论的指导，所以静压桩施工以上影响 仍然无法完全避免； 2 压桩可能造成地面隆起，并可能对已入土的邻桩产生竖向拉拔力，使桩 体向上移动，桩底悬空，削弱桩基承载力； 河海大学博士学位论文 3 先压入的桩可能使地基土产生挤密作用，一方面可以使土体密实度增大， 从而提高了地基承载力；但另一方面可能产生后续施工压桩力增大的负面影响： 4 沉桩过程中和成桩后超孔隙水应力的产生和消散，将对土体强度和地基 承载力产生很大的影响，而对于这种影响，目前理论上解释还不完善； 5 基坑开挖与压桩施工的相互影响。由于施工进度的要求和场地面积的限 制，往往在两个相邻场地间，甚至同一个场地同时进行压桩施工和基坑开挖，压 桩施工产生的挤土作用，使基坑坑壁发生水平位移，坑壁的水平位移又会影响桩 的定位，这种耦合作用给桩基设计与施工带来很大的难度； 以上所列静压桩的优点和缺陷只是实际存在的优点和缺点的一部分，但由 此，人们可以看出对静压桩的沉桩机理及挤土效应研究的必要性。 1 1 2 静压桩挤土效应机理 静压桩在贯入过程中，造成桩周土体的复杂运动和土的力学性质的改变。 压桩过程中，桩体贯入视为匀速直线运动( 准静态) ，压桩力、桩的自重与地基土 对桩的极限阻力相平衡。随着压桩力的增大，桩尖下土体被竖向和侧向挤压，地 表处的土体可能向上隆起，桩尖附近的土体被挤压，产生侧向和竖直向位移，并 产生扰动和重塑。在桩身附近离地面约四倍桩径深度范围内，土体发生一定的隆 起，当贯入深度较大时，由于上覆土层的压力，土体主要沿径向向外挤开，在临 近桩尖附近，土体有竖向及径向移动。图1 1 给出了沉桩后桩周土体中形成的几 个物理力学性质不同的区域f 4 】。 图1 1 桩周土分区 1 区：强烈重塑区，紧贴桩身，在沉桩过程中经历了大应变，且由于桩身拖曳， 2 第一章绪论 结构完全破坏； 2 区，塑性区：受沉桩影响严重，土体产生大应变和塑性变形； 3 区，弹性区：受沉桩影响产生附加应力与应变，但土体变形处于弹性阶段； 4 区：该区不受沉桩影响； 5 区，桩端塑性区：产生大应变和塑性变形。 1 2 研究现状 静压桩沉桩机理和挤土效应研究，主要研究沉桩过程中，桩周土中的应力场 与位移场以及孔隙水压力的分布随时间和空间的变化规律包括下述三个方面： 1 理论分析：主要包括圆孔扩张法( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，c e m ) ，应 变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ，s p m ) ： 2 数值计算方法：有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f e m ) 和有限差分法 ( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 等； 3 试验分析：包括室内模型试验，现场试验。 1 2 1c e m 研究进展 b i s h o pa n dm o t t 习建议将圆孔扩张极限压力理论用于沉桩挤土性状研究，随后 在岩土工程领域里得到了广泛的应用，如：用来分析桩的承载力、旁压试验、静 力触探等土工问题。相对于其它分析方法，圆孔扩张理论在静压桩沉桩机理的研 究中不仅应用更广泛，而且较为成熟。 圆孑l 扩张理论是在研究金属压痕问题时提出的，它将孔周金属分为塑性区、 弹性区两个区域，而在岩土工程中，由于土的压硬，剪胀以及软化等特性，应用 于岩土的圆孔扩张理论更为复杂，好多情况下不可简单的划分为两个区域，更难 以用某一种力学模型或本构模型来模拟所有的岩土力学行为。以下简述圆孔扩张 理论的研究和应用现状。圆孔扩张理论的共同假设条件为： 1 土体是连续、均匀且各向同性材料； 2 土体内具有均布的初始应力。 应用圆孔扩张理论来研究工程中的孔扩张问题，并得出相应问题的解决办法 或模型，即( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，c e m ) 。现有很多的c e m 的模型，总体 上可以分为以下三个类别： 1 线性或非线性弹性模型； 2 弹塑性模型包括：理想弹塑性模型、应变硬化和应变软化模型； 3 河海大学博士学位论文 3 粘弹性和粘弹塑性模型。 圆孔扩张的力学模型如图1 2 。设空心球壳( 球孔扩张) 或圆柱筒( 柱孔扩 张) 区域的初始内径和外径分别为a o ，b o ，初始应力为p 0 ，当半径为口0 的孔壁上， 法向压力由初始压力风增大到p 时，此时研究区域的塑性区半径为c ，内径和外 径分别变为a ，b ，如图1 2 示，此过程称为圆孔扩张。 当6 0 哼m 时，即表示无限土体中初始半径为的小孔扩张问题。 图i 2 圆孔扩张的力学模型 根据力学模型的边界条件，上述三种c e m 模型都可以分为： 1 a 。 o , b o o ，6 0 a 。：y u ，h s 1 0 1 和y ua n dh o u l s b y 1 1 1 给出了基于 m o h r - c o u l o m b 屈服准则的大应变解答； 3 a 0 o , b o m ( m o ，6 0 o , b o 寸0 0 时， 已建立的应变硬化和应变软化模型种类较多，但有代表性且应用较为广泛的应该 是剑桥大学s c h o f i e l da n dw r o t h 所建立的临界状态模型( c r i t i c a ls t a t em o d e l ， c s m ) ，剑桥模型以及以此为基础建立起来的其它模型，主要包括： 1 s c h o f i e l da n d w r o t h i b l 给出了适合正常固结和超固结粘土的，临界状态塑 性模型； 2 a t k i n s o na n db r a n s b y _ 【】给出了适合正常固结和轻度超固结粘土的临界状 态塑性模型，该模型克服了s c h o f i e l da n dw r o t h 的解答不符合实际的较高的土的 强度； 3 m u i rw o o d t ”】给出了基于修正剑桥粘土屈服函数的临界状态模型，该模 型适用于正常固结和超固结粘土的不排水圆孔扩张问题； 4 c o l l i n sa n d y u 1 6 1 给出了饱和粘性土不排水圆孔扩张问题的一般解。 以下简述上述解答推导的一般过程，推导过程使用的变量与常数见临界状态 模型参数图1 3 。由饱和粘性土不排水圆孔扩张过程中土体的体积不变可得： r t1 r “一r o “= 口“1 一a o “1j 声铲镑= i ( | i + 1 ) 万a 卜 ( 1 - 1 6 ) l j 式中：a o ，a 如图1 2 ，分别为桩周某一质点的初始状态和扩孔后的径向坐标。 k = 2 为球形孔扩张，k = 1 为圆柱形孔扩张。 第一章绪论 v j r 在塑性区，使用屈服函数式( 1 1 7 ) 与非关联流动法则式( 1 1 8 ) 。 虿= 厂( 芦7 ) ( 1 1 7 ) 芸：g ( 歹，) ( 1 1 8 ) 谬。”7 式中：对于不排水圆孔扩张问题，总体积应变为零，所以： 兰 兰 伊+ 伊= 。j 伊= 伊。i 石p t 丽，声2 南； ( j ：掣+ 去掣； 虿：与，芦，： ，露：与，吞：导； p tp-ptp | g = 彰一西= 警。 根据式( 1 1 6 1 1 8 ) 和应力边界条件、弹塑性边界处的连续性条件，求解 可得饱和粘性土不排水圆孔扩张问题的统一解： ，= + ，( 芦) 一，( 届) ( 1 1 9 ) 热砸弘惦一赢p 。 由式( 1 1 9 ) 可知，当： 9 河海大学博士学位论文 虿= ，( 歹) ，鼍= g ( f ) 厂 中的厂，g 取不同函数，即取不同的屈服函数和流动法则时，得到不同的解答。 屈服函数和流动法则是与歹有关的函数，随f 的变化而改变a 当引通芦增大而 增大时，即为土的应变硬化，反之即为软化。 其它边界条件下应变硬化和应变软化临界状态模型： 1 对于a o 0 , b o - - - h o o ：y u 1 7 】推导了超固结粘性土的排水条件下，圆孔扩张 问题小应变的解答。 2 对于- - - o o ，a o = 0 时：c o l l i n se ta 1 i s l 推导了粘聚力c = 0 的砂土，排水 条件下的半解析解。d a v i se ta 1 【1 9 j 推导了圆柱形小孔，不排水扩张的大应变解析 解。 上述考虑了土体的特有属性，对圆孑l 扩张理论分析方法做了较为详细的阐 述，此外现阶段对于线性 2 0 ，2 1 ，2 2 】问题或非线性弹性模型【2 3 2 4 、理想弹塑性【2 1 ，2 5 】 模型、饱和粘弹性土体固结问题和粘弹塑性模型【2 6 ，2 7 , 2 8 t g 有较多的研究。国内， 胡中雄，候学渊【2 9 1 、李雄，刘金励【3 0 】等将饱和土中压桩的挤土效应问题视为半 无限土体中柱形小孔的扩张问题，应用弹塑性理论求出沉桩瞬时的应力和变形。 王启铜 3 1 增提出考虑土体拉压模量不同时的柱形孔解答。蒋明镜3 2 ，3 3 】提出应变 软化的一次跌落模型，从而有利于考虑土体的实际变形特性，如剪胀等。 1 2 1 3 空间轴对称c e m 研究进展 因为平面轴对称和球对称c e m ，求得的位移和应力是一维的，所以便于考 虑土的材科非线性与几何非线性，可以考虑贯入课题中的土体弹塑性变形、应变 硬化、软化、粘弹性和粘弹塑性，以及贯入过程中初始应力状态的影响。一直以 来平面轴对称和球对称c e m 是分析沉桩贯入问题和挤土效应研究的最有力的手 段之一。 平面轴对称和球对称c e m 的缺点是：应变场、应力场仅仅依赖径向坐标， 不符合沉桩过程中实际形成的位移场和附加应力场。为考虑竖向压缩与剪切影 响，k o u m o t 0 【3 4 1 认为旁压试验中的贯入问题可采用空间轴对称平衡方程式 ( 1 2 0 ) 。 + 旦! 里+ ! ! 二鱼：0 o z7 ( 1 2 0 ) + 挈+ 鱼：， o z ， 1 0 第一章绪论 陈文【3 5 荆用此结论将桩的贯入视为半空间圆柱形孑l 洞的挤压扩张过程，并分 析了应力边界条件，求解空间轴对称方程得到圆孔扩张理论解答。 通过对实测资料的分析，假设孔壁径向压力i 和摩擦力k 沿着z 方向线性 增加，得应力边界条为： 见。p o + 半z 2 p o + 巧，一 ( 1 2 1 ) 乇= 一f o 一孚z = 一e + 巧+ ，口f g 元) 宾中，t 和戎为桩土界面的祜聚力和摩擦角，k p 为被动土压力系数。 岛 i i 簪文h 上下 z 图1 4 空间圆孔扩张 不考虑土体体力，采用应力函数m = a z 2 i n r + b z i n r 得到弹性区应力和位 移的解答为： 塑性区采用m o h r - c o u l o m b 屈服准则，得到的弹、塑性区交界处的径向位移公式 圹半 掣饼2 啪s i n 一卅字母( 面l + s i n 伊) 一一g 卜 功 却 茑西# ，口丝， 丝广教 河海大学博士学位论文 与球对称和平面轴对称的解答相比，上述解答可以考虑贯入过程中，桩孔壁 剪应力和剪应变的影响，但桩仍然是半无限长的，特别是无法考虑桩尖附近的沉 桩挤土特性。目前，对空问轴对称问题的研究还不完善，还没有达到工程应用的 要求。对于岩土材料的各种特有的属性尚无法考虑，研究成果和应用还不能与球 对称和平面轴对称的研究结果相提并论。对空间轴对称问题的研究有待进一步深 入。 1 2 1 a 平面应变问题c e m 研究 在城市建设中，特别是在密集的建筑群中间沉桩施工时，实际的工程项目的 桩基础所处的环境通常是非轴对称的，有必要研究非轴对称条件下的桩土作用机 理，来验证基于轴对称理论所设计的基础工程的合理性和提高桩基设计水平，例 如：判断非轴对称的影响是否已超出土的材料非线性或几何非线性影响。 由于该问题的复杂性，以及进一步考虑桩土作用的几何非线性和材料非线性 的难度较轴对称问题大的多，在圆孔扩张理论中的研究很少。文献( 3 6 ，3 7 】阐述了 某些边界条件下，非轴对称平面应变问题的弹性解，但对于很多实际的工程边界 条件，现阶段还没有现成的解答。 沉桩挤土中存在的下述需要分析研究的问题： 1 避免沉桩对周围环境( 包括地下管道、已有建筑物的基础、道路等) 的影 响，而在施工场地和已有建( 构) 筑物之间修隔离墙、开挖隔离槽、设置应力释放 孔和预钻孔沉桩等，形成非轴对称的边界条件。 2 施工场地本来存在非轴对称的边界条件，如：场地靠近边坡或场地地质 条件突变等天然存在的非轴对称问题。但目前对以上问题的分析与采用的解决方 法是经验性的，缺少理论依据。 1 2 2 应交路径法( s p m ) b a l i g h ，8 ，3 9 1 认为圆孔扩张法用于对旁压试验结果的分析是正确的，但将其应 用到深基础问题的分析不合适，并提出适用于深基础问题的研究方法为应变路径 法( s p m ) ，该方法认为在深层贯入的土体变形的计算中，在不考虑土体本构模型 的条件下，仍有足够的精度。在均质、各向同性的土体中，利用一个点源( s o u r c e ) 和一个均匀的竖直方向的流场相结合，模拟出一个光滑的、圆头桩的沉桩过程图 1 5 。首先利用流速沿着流线对时间积分得到位移场，再由几何方程得到应变， 进而由物理方程得到应力。 第一章绪论 图1 5 应变路径法示意图 b a l i g h 提出的应变路径法如图1 5 ，设土体中的圆孔径向扩张具有体积扩张 速度v ，并用流速势函数o 表示为： 。= 兰c o s 妒，= a 蝴三 刀z 则桩周土各点的径向和轴向的速度为： vs i n 1a o h 一一 4 冗矿 r 勺z vc o s 1a o h 一 4 xp 2，a r 式中：矿为体积扩张速度。 在轴向速度谚上叠加轴向均匀流速u ，叠加后可得最终的流速势函数为： 。2 = 缈。一l u 2 因为叠加了竖向的流场，所以与基于球对称和平面轴对称的c e m 相比，s p m 对桩体贯入的模拟更接近实际情况。s p m 基于流速势函数的分析，可以更直接 的得到土体中位移分布。 s p m 也存在一定的不足： 1 由于采用流场来分析土体中桩体的贯入问题，土体颗粒被视为和流体相 似的无粘性的材料；而实际上土体与流体相比，性质上有较大的差异，如粘性， 塑性和剪胀性等等。s p m 法得到的解答中，有效应力解答有可能不满足土体的 本构关系，总应力解答可能不满足平衡方程； 河海大学博士学位论文 2 由于采用无限土体的假定，不存在地基土的表面，而实际上存在地面， 即应力自由面，在桩贯入过程中还会产生地面的隆起。在深贯入问题中，由于高 围压的存在，桩体可以近似看作在无限介质中的扩张，因此s p m 法只适合于深贯 入的分析； 3 土体中竖向速度记上叠加竖向均匀流速u ，适用于体积不可压缩的流 体，并不完全符合实际，因此s p m 只能近似处理粘土中的不排水贯入问题，在捧 水情况和摩擦型土中应用缺乏依据。 在b a li g h 提出s p m 后，h o u l s b y t 4 0 1 ，t c h 4 1 】和t c h h o u l s h y d 2 尝试将s p l l 应用到浅基础中，采用m i s e s 届服准则，并考虑平衡方程，用有限差分法分析锥 形贯入计贯入问题。s a g a s e t a 4 3 1 吸收了s p m 贯入过程中土体运动形成无旋的速度 场的假设，用点源和流场求解位移场的基础上，提出源一汇( s o u r c e - s i n k ) 法模 拟沉桩过程：将士体中不排水贯入过程，看作一个点源在无限土体中匀速下沉形 成柱状孔的过程，贯入过程会在土体的应力自由边界上产生正应力和剪应力。 s a g a s e t a 采用两种方法，如图1 6 ，抵消边界上的应力： 1 镜像为汇，可抵消边界上的正应力，但这样也使边界上的剪应力加倍， 所以还必需引入剪应力的修正项。 2 镜像为源，可抵消边界上的剪应力，但这样也使边界上的正应力加倍， 所以还必需引入正应力的修正项。 原无限土体中的s p m 得到的位移叠加镜像的源或汇产生的位移，再叠加相 应的应力修正项引起的位移，就可得到土体中任一点由于贯入引起的位移。c h o w 和1 e h f “】用叠加方法求出了桩周土体的竖向位移场式( 1 2 4 ) 。 ( 五z ) = ( 五z ) + ( x , z ) ( 1 2 4 ) 式中：( 纠= 篙 州：一l o ) 2 心+ 厶) 2 一- 2 ( x 2 + z 2 ) - ； 以埘= 击m 钔+ 州考等务d 9 s a g a s e t a d 5 】对点源一汇法进行总结，提出s s p m ( s h a l l o ws t r a i np a t hm e t h o d ) 。 在s s p m 中，通过源一汇法求得位移场，并利用位移率的概念进行大变形分析， 但由于修正应力引起的位移没有考虑大变形的影响，所以所进行的大变形分析只 是局部的。 s s p m 考虑了土体的表面影响，可以应用于浅层贯入问题，是s p m 的发展。 1 4 第一章绪论 但它也有缺点，首先是，s s p m 研究的对象为饱和土体不排水贯入情况，由体积 守恒得到的位移解答，因此无法考虑土体的体积应变。其次，土体被假定为线性 材料，用叠加原理来处理应力、位移等求得最终解答，而实际上土体不是线性材 料，由此得到的解答不一定合理。朱宁m 】结合应变路径法对现有的球孔扩张法进 行改进，得到了半无限空间下球孔扩张产生位移解，以此解答为基础，得到静压 桩施工产生的挤土位移场的理论解答，具有较大的理论和工程意义。 实际问题： 些堕鐾 无限介质中： 0 2 0 0 仨i o 一 一0 2 - 2 0 0 缸一问题 埘雯 馏o = 0 勺 生一一一 + 生羔：实际问题 1 2 3 有限单元法( f e m ) 图1 6 源一汇叠加 应用有限元法模拟桩体的贯入过程，可以解决沉桩过程中的几何和材料双重 非线性问题，当采用较复杂的土体本构模型和边界条件时，求解析解、半解析解 或近似解是很困难的，应用有限元法可以克服这方面的问题。 1 2 3 1 小变形f e m 分析 沉桩模拟的有限元分析首先由j ec a a e 一4 7 】提出。在研究中采用的土体模型 有理想弹塑性和修正剑桥模型，将土体视作两相物质，应用b l o t 理论分析其固结 一 一 一 1 拦 法 地一 樾 堂 河海大学博士学位论文 过程。由于小孔从半径为零开始扩张会造成计算中应变无穷大，所以小孔的扩张 从初始半径开始。由于只考虑平面应变问题，其有限元网格单元采用了圆环单 元，用此方法可计算排水或不排水沉桩过程中及成桩后任一时刻的桩周土压力及 孔压。 朱泓，殷宗泽【4 8 1 用空问轴对称有限元对沉桩过程进行了模拟，将沉桩过程视 为从具有初始半径的圆柱形空腔体扩张到2 的过程。彭劬f 4 9 j 采用空间轴对 称解，用剑桥模型对圆孔扩张问题进行了模拟。 施建勇【舯1 选用修正剑桥模型作为土体本构模型进行了分析计算，结果表明： 考虑土体的塑性性质和桩体贯入过程的挤土效应对分析桩周土体的应力和变形 是必要的，该研究采用小位移、小应变。为了反映大变形，在每一个增量计算结束 后，将有限元网格的坐标重新计算，重新生成劲度矩阵，代入下一次增量计算，这 种方法近似于修正的l a g r a n g i a n 法，但是应变的表示式仍然是次的，不同于大 变形理论的二次应变计算式。 1 2 3 2 大变形分析 为了考虑沉桩过程中的几何非线性问题，b a n e r j e ep k ，f a t h a l l a h r c 【5 l 】发 展了一套欧拉方程，利用应力和应变变化率之问的关系，用有限元法计算出沉桩 过程桩周土体中的应力和孔隙水压力。n y s 仃0 m 【蹋认为实际上在桩体贯入的过程 中应变很大，靠近桩周的土体应变更大，呈现出材料与几何的双重非线性，因此 用小应变假设不合实际，提出用大变形有限元分析桩体的贯入问题。c i v i d i n i & c r i o d a i s 3 1 、b u d h u & w u 5 4 1 在贯入体与土体之同设置无厚度单元对接触面进行模 拟，分别就粘土和砂土中的贯入问题进行大变形分析。上述用e u l e r i a n 方法考 虑沉桩挤土的几何非线性，由于e u l e r i a n 方法使用不方便，因此k i o u s i se ta 1 j 对之进行了改进；l i y a n a p a t h i m a e ta 【拍】采用近似e u l e r i a n 方法对沉桩过程进行 模拟。s i k o r a e t a l , 【5 7 】在l a g r a g i a n 算法的基础上，用时间积分的方法得到其有限 元解答。 c h o p r a ，m b s 8 】也认为桩贯入土体时，土体中( 特别是紧靠桩壁的土体) 的应 变不再是小应变，而应当考虑为大应交，同时考虑土体的塑性变形，建立了一种与 时间相关的大变形有限元固结分析方法t o t a ll a g r a n g i a n ( t l ) 法，由于t l 法 的刚度矩阵过于复杂，因此在分析中使用了u p d a t e dl a g r a n g i a n ( u l ) 方法，每一 增量步后修正参考构形，土体采用修正剑桥模型及有效应力原理，土中水的流动 服从达西定律，用b i o t 理论分析固结。在圆孔扩张及之后的固结分析中，仍然 1 6 第一章绪论 考虑平面应变问题。对于大变形分析的结果，经与r a n d o l p h , m f 【5 9 】的小变形结果 比较可知，分析结果与小变形有限元相差不大。 谢永利【删首先开展了土体固结的大变形研究。鲁祖统【6 1 1 用空间轴对称有限 元。考虑大变形，认为土体是服从摩尔一库伦屈服准则的弹塑性材料，用逐步给定 水平位移、竖向作用摩擦力及端阻力的办法，模拟了静力压桩过程，同时分析了因 沉桩引起的桩周土体强度和模量下降及桩侧阻力对分析结果的影响，建立了空间 轴对称问题、考虑大变形和弹塑性耦合的有限元方程，并对单桩压入饱和粘土中， 桩和土体的变形情况进行了研究。 针对静压桩这种特殊工况，除有限单元法外，也有学者采用了有限差分法和 离散元等方法来模拟桩贯入过程中，桩周土的应力和应变变化，如：l a r so s o d e r b e r g r l 6 2 1 、b a l i g h t 6 3 1 、h u 觚一6 4 1 以及w l l i t e 和b o l o n t 6 5 1 。 应该说，有限元分析在贯入问题的分析中有很大的发展潜力。从理论上来讲， 有限元法是工程计算中较为通用的方法，它可以较全面的反映土体中的应力、位 移和孔隙水压力情况。但在实际应用中还存在许多问题： 1 贯入的过程是桩、土相互作用的过程，因此对桩土之间的接触面的分析 十分重要，但目前有限元对这方面的问题没有较好的解决； 2 贯入过程是一个连续的三维扩张过程，有限元方法无法精确的模拟； 3 有限元的计算精度严重依赖于本构模型的选择，以及相应参数的确定。 现阶段，土工试验试样制备的难度较大，模型参数的确定有较大难度，因此有限 元的最终结果会产