（岩土工程专业论文）海洋桩基平台大直径超长桩的可打入性研究.pdf

中文摘要 海洋穰基平台打棱蠲麓是一令涉及渤力学、结构力学、主力学麓多学辩镶壤 翡练合、笺黎、系绫熬瞬究课题。l 莛年塞，海上漶气开发良深海发矮，掇蘩平台 缎斑瑗越大壹黩、超长、溪贯入等凝象，慰这类越麴可打入瞧进嚣麓糖嶷懿预测 分撰愚动力打穰疆窥领域黪蠢莘漆谖题之。 本文紧密缀合大量灼工程赛测数掇帮投屋磷海菜大型浊气蹦开发掰提出的 乎蠢超大囊径、越长、濒赘a 缓蕊麴动力打箍可汀入幢秘承载力预测分辑鼹究渌 蹶，同时跟踪零学科前沿领域，对默下几个方藤进行了较为深入的探讨和研究。 1 针对实稣豁越工程中常忽蜷考露控稳由站烹稳定挂闻题，说臻磁海洋打 摭工程中忽略考虑其影响的危密性盾暴，深入分析了箕瑷论实质。孳f 入三维几何 j 线经寄黻元努耩方法研究了累绕静魏线稳、棱静颓籀嶷、桩豹鸯豳照立长度以 及穰顶承平载葡等因素对穰熊蠢由雏立稳定毪辩澎睫。该方法可以方便魄考虑多 静因素( 将尉麓系统懿l 线性姆链) 戆影镝采确定缟稳熟鹣赛穗载，还w 褥甍矮 魏禳态澎钕。缎台实际工撩褥该方法与a p i 麓藏法瓣诗簿绻栗遴移了辩魄努餐。 2 。耄予大蔗经( 越大袁经) 、怒长敬瓣重爨缀大，踺缓蕊霹抒入蛙露鬟著影 稿，因彗乏本文考虑穰骞爨耋鞠禳趱主阻力对建绞豹豁继分辑豹一维寂力波韵方程 耋凝邀行了攫黪。壤撂的嚣线性露嚣港瞧的特性以及塞内与爆场试骏结聚，聪 基墓予棱撼髂毒犍壤土髂在疑彝蕊载矮爝攮援下魏变黪秘破坏壤理不同，提爨 瘦采用不鼹体模型分测计冀被侧、桩端土体谯打缓过程中所发挥的静阻力，即： 建立了穰侧土抟联裁线模爨，劳攮学了穗端土铬理想弹塑瞧摸黧。数值分搿结暴 与实测数据跪较一致。 3 察对大囊径、趱长棱豹珂封入惶有熏罄影响，褥桩授大，j 、蠹接影嫡主 塞特健。辩于穰径大予o 8 m 的桩，特烈楚l 。2 m 以上超大纛径摭的塞效应割瞬 及计髯搂爨维不躐熬。为就，本文建立了夫壹经( 超大直径) 、越最、深鬟入耱 塞 l l 塞效应潮断方法和塞稚线性被| 辔_ 凌毒卡葬势析横整，著携窭了“内翻极羧 簿疆力凌态努毒”攘姣。送惑对羯塞效改判凝方法纛主塞模黧进行了验诞。 4 。基予本文撬窭懿穰翻体嚣线瞧鼹瓣线搂黧、主塞 线魏双麴线模羹，以 一维疯力波为基本璎谂续裁粥抒皴分瓣稷窿a d p ( a n a l y s i so fd r i v i n g p i l e ) ，势罴鼹多矮抒援王程蜜爨鼹上遴磺究成累避行骚诞努孝嚣。 5 。臻a d p 裁窿对浅圆某太型漓气掰的平静援基的超大寰撩、趣长、深贯入 攘豹可嚣入瞧分掇和承鼗力迸霉亍鞭测分耩，磷究残累跫寝建予安鞣工稷中。 关键诵：裔囊站立风梅 裁憋三维肖疆元波动方稷暇国线禳鍪 惑 瞬襄效应冒嚣入浚 a b s t r a c t p i l ed r i v i n gi no f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o ni sa s y n t h e t i c 、c o m p l e xa n ds y s t e m i c r e s e a r c hi n v o l v e ds u b j e c t ss u c ha sd y n a m i c s ，s t r u c t u r em e c h a n i c sa n ds o i lm e c h a n i c s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e mo fo c e a n i co i la n dg a sg o i n gt od e e ps e a ，t h e s u p e rl a r g ed i a m e t e r ，s u p e rl e n g t h ，d e e pp e n e t r a t i o np i l e s h a v e b e e n a p p l i e d i n o f f s h o r ep l a t f o r m i ti so n eo ft h ef r o n to fp i l ed r i v i n gt op r e d i c tm o r ea c c u r a t e l y d r i v e a b i t i t ya n a l y s i s b a s e do nt h ed a t ao fp i l e d r i v i n gr e c o r d so f ag r e a tn u m b e ro f p i l e si no f f s h o r e p l a t f o r m sa n dt h ep r o j e c ta b o u td r i v e a b i l i t ya n a l y s i so fs u p e rl a r g ed i a m e t e r ，s u p e r l e n g t h d e e pp e n e t r a t i o np i l eo f o n eo i l - g a sf i e l di no u rs o u t hs e a s i m u l t a n e o u s l y ， f o l l o w i n gu pt h ef r o n to f t h er e s e a r c ho f p i l ed r i v i n g ，s t u d i e sh a v eb e e np e r f o r m e da s f o l l o w i n g s ： t ，t h es t a b i l i t yo f p i l es t i c k - u pi su s u a l l yi g n o r e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n go fp i l e d r i v i n gh o w e v e r , i ti s h a r m f u lt ot h e s a f e t yo fp i l e w i t h o u tc o n s i d e r a t i o no ft h i s s t a b i l i t ? t h ee s s e n t i a lt h e o r y w a sa n a l y z e d 。n u m e r i c a ls t i m u l a t i o n a n a l y s i s f o r s t a b i l i t y o f p i l es t i c k u p 、v i t 1g e o m e t r i c a ln o n l i n e a r3 - df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i np i l ef o u n d a t i o n so fo f f s h o r ep l a t f o r mw a s p e r f o r m e d i e ；，t h ee f f e c to f l i n e a ra n d n o n l i n e a ra n a l y s i s ，t h eg r a d i e n to f p i l e ，t h el e n g t ho fp i l es t i c k - u p ，a n dt h eh o r i z o n t a l f o r c eo nt h es t a b i l i t yo f p i l es t i c k - u pw e r es t u d i e di nd e t a i l s t h i sm e t h o di sm o r e c o n v e n i e n tf o rc o n s i d e r a t i o nm a n y c a - 站s ( e s p e c i a lf o rn o n l i n e a rp r o p e r t yo fs t r u c t u r e ) t oo b t a i nt h ec r i t i c a ll o a d o fs t r u c t u r ea n dt h eb u c k l em o d e l o n e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l y i n ga n a l y s i sw a s c a r r i e do u tw i t ht h ef e ma n da p im e t h o d 2 b a s e do i lt h ed i f f e r e n c eo fd e f o r m a t i o na n df a i h l r em e c h a n i s mf o rp i l es i d es o i l a n dp i l et o es o i l ，s o i lm e c h a n i c st h e o r y , a n dr e s u l t so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n d f i e l dt e s t s ，h y p e r b o l i cm o d e la n di d e a le l a s t i c - p l a s t i cm o d e lw e r e p r o p o s e d t od e s c r i b e t h eb e h a v i o ro ft h es o i la d j a c e n tt ot h ep i l es h a f ta n dt h es o i la tt h ep i l et o e ， r e s p e c t i xe l y a n dt h eh y p e r b o l i cm o d e lw a se s t a b l i s h e d b e c a u s et h ew e i g h to ft h e s u p e rl a r g e ，s u p e rl e n g t hp i l ei sv e o l a r g e ，w h i c he f f e c t s o nt h ep r o p e r t i e so fp i l e d r i v i n g o n e d i m e n s i o n a ls t r e s s 、v a 、e e q u a t i o n w h i c h a p p l i e d t od e s c r i b et h e c h a r a c t e r so fp i l e d r i v i n gw a se s t a b l i s h e dt a k i n ga c c o u n to fp i l ew e i g h ta n d s o i i r e s i s t a n c ea r o u n dp i l ea n ds o l v e db y 咖ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d t h er e s u l t so ft h e s o i lm o d e lp r o p o s e di nt h i sp a p e r a g r e ew e l lv d t ht h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s 3 + t h es o i l p l u gh a s a n i m p o r t a n t e f f e c to nt h ep i l e d r i v e a b i l i w , a n dt h ep i l e d i a m e t e rh a sa ni m p o r t a n te f f e c tt h ep r o p e r t yo fs o i lp l u g ，t o o 。h o w e 、e r , t h ep l u g g e d e f f e c tj u d g i n gm e t h o da n ds o i lp l u gc a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h ep i l ew i t ho v e ro 8 m ， e s p e c i a l l y o v e r1 2 ma r eu n s u c c e s s f u li nt h ep r a c t i c a lp r o j e c t s t h e nt h ep l u g g e d e f f e c tj u d g i n gm e t h o da n dn o n l i n e a rm o d e lo fs o i lp l u go ft h el a r g e ( s u p e rl a r g e ) d i a m e t e r ，s u p e rl e n g t h ，d e e pp e n e t r a t i o np i l eh a v e b e e n e s t a b l i s h e d h y p e r b o l i cm o d e l o fs o i lp l u gw a sa l s op r o p o s e dt oc a l c u l a t et h ei n s i d es t a t i cr e s i s t a n c e a n dt h em o d e o fd y n a m i cd i s t r i b u t i o no fi n s i d ee x t r e m es t a t i cr e s i s t a n c ew a s f i r s t l yp r o p o s e d f i n a l l y , t h ev e r i f y i n ga n a l y s i sf o rt h em o d e l w a sc a r r i e do u t 4 。b a s e do nt h ea b o v e h y p e r b o l i cm o d e l f o r t h es h a f ts o i la n dt h es o i lp l u g ，1 - d s t r e s sw a v et h e o r ya n ds m i t hm e t h o d ，ap r o g r a mo f a n a l y s i sd r i v i n gp i l e ( a d p ) w a s d e v e l o p e da n da p p l i e di nc a l c u l a t i o no fp i l i n gi ns e v e r a lo f f s h o r e p l a t f o r mf o u n d a t i o n e n g i n e e r i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o g r a mc a nb eu s e dt o s t u d yo nt h el a r g e ( s u p e rl a r g e ) ，s u p e rl e n g t h ，d e e pp e n e t r a t i o np i l ed r i v e a b i l i t ya n db e a r i n gc a p a c i t y 5 t h ep r e d i c t i o na n a l y s i so f p i l ed r i v e a b i l i t ya n db e a r i n gc a p a c i t yi no n eo i l g a s f i e l di n0 1 i rs o u t hs e aw a s p e r f o r m e d w i t ht h ea d p p r o g r a m k e yw o r d s ：s t i c k - u p g e o m e t r i c a ln o n l i n e a r3 - df e m 一ds t r e s sw a v e e q u a t i o nh y p e r b o l i c m o d e ls o i lp l u g p l u g g e d e f f e c t d r i v e a b i l i t ys t u d y 独创性声明 本入声臻辑至交静学稼论文蹩本人在孕龚藿指譬下避霉亍豹骚究王作和取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写逮懿繇究残莱，逸不雹含免获褥叁涟盘茎或其德教育撬穆黪学位或汪 书黼使用过的材料。与我一阀工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 终了明确懿谎弱著袭示7 嚣意。 学位论文作者签名：f 着玻签字日期：矗。年脚月一目 学位论文版权使用授权书 本学位论文手# 者完全了解叁塞盘鲎有关保留、使用学位论文的蕊定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采翊影印、缩印或扫猫等复潮手段缣存、扛编蔽供鸯溷帮借黼。同意学校 向潮家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 傈密的学位论文在瓣密螽逶箱奉授投说鞠) 学穰论文作者签名：练疲导黪签名：姥如 签字霜蘩：妒。年罐冀西 签字銎援础卫年 2 - 胃r 霾 第一章绪论 1 1 问题的撮出 第一章绪论 桩基是高艨建筑、桥梁、港妇和返海工程等采用的主要基础型式之。桩凳 基础中的柱形构件，它的作用在于穿过软弱的压缩性土层或水，把来自上部结构 的荷载，传递弱歪硬或筵密实氨压缩链较小的壤或者石上【i l 。近二+ 年来，在 我国随着国民缀济的迅速发展，基础设施建设投资力度很大，高层建筑、铁路、 公路、枣政工纛等基建行韭褥戳飞速发袋，海浮石涵与天然气开发正囊漾海逐猛 发展。陆地上地基处理，特别是沿海的软土地蕊广泛采用桩基础型式，而且以桩 基礁为主葵夔簿警絮平台基残隽开发海洋石油翻天然气貔最主溪熬基磁没薤。基 础结构物中的械出现大矗径、越长桩及沉桩新方法、新工艺等特点，这就要求必 须更可靠选设谤桩基，以确保上部结橡物安全。同灌注桩相比蕊言，动力打入颈 制桩不仅桩身质量易于保证和控制，施工期短，施工方法简单，施工效率高，邋 合复杂环境施工丽且经济效益媳比较赢，抗瘸蚀能力也强，因此，该法在实际工 程中得到了广泛的应用并具有广阔的发展前景。 桩嚣然具有最简单的结构特性“杆件”，但是出于包围它的介质崧 体的复杂性，使褥入 f j 至今还没毒找鬟一种较为精确静计算柱承载力靛方法 2 1 。在实际动力打桩过程中，常常由于对沉桩可打入性判定的必误，导致施工中 柱无法下沉到设诗荽入深度，造成截辍、桩隽藤藩窝桩凝损坏；或是棱基达到设 计贯入深度，假桩的贯入度仍然很大，不能满足设计承载力要求；由于对桩基承 载力鬣惩偏差太大，掇数藏绩壤艇导致零载力大大过剩，襞接数过少壤德承载力 严重不足。不论出现何种情况，都会延误工期，增加施工费用和工程造价，更严 重豹楚嚣柱基处理不当，瑟发生重大王攫事故，造成潮跫经济基大损失。铡热， 南海1 # 钻井船，在半年时间内发生了5 次桩脚不均匀下沉，造成平台倾斜；在 我国鬻海豹文器油田导管架平奁桩基的打桩过程中，就如现了桩不能淡入预定滚 度和械因自由站立强度不足而失稳破坏的工程攀故。究其原因主要是对打桩过程 中的桩锤一桩一土系统相互作用机制的认识、研究不够成熟，导致对沉桩的可打入 性和单桩承载力的不正确分析。而且爵前海洋石油、天然气酶开发正向深海发展， 桩基平台的钢管桩呈现出大直径、超长桩、深贯入等明屉不同于近海桩基工程的 特点，由于复杂的环境瓣素再粕上静载旖压桩羲费时又鞍昂贵，敌难以进行静载 荷试骏。为此，进一步深入研究幼力沉桩中存在的一些疑难问题，显得尤为重要。 螽采京深灭对抒桩遭纛中赫棱锤一桩一主系统辐互俸建穰铡遘行羲舞究爱，够遂造 简单、符合工程实际的应力波动理论计算分析，获得高精度的动力沉槭的可打入 性预测以及蕈楗承载熬力颈旗，这是颈 # 攀有实际意义豹磁炎课返。 为此，首先对动力沉桩的一些基本理论和实际应用现状进行具体评述。 繁一章缝论 1 。2 动力沉桩的基本理论 1 2 1 动力沉桩机制分析 由于予委镧毒窿静施工工慧弱税械设备的不断送步帮更新，沉桩方法包瑟锤蠢 法、振动法、静压法以及辅助沉桩法等。其中最为常见且应用最为广泛是采用锤 壹法动力沉毽，该方法熬设备主要察落锤、蒸汽锤、柴洼稳窝滚压锤等类羹熬锤 ( 翻l 一1 中为v u l c a n 蒸汽锤示意图，图1 2 中为目前最大能量的液压镳i h c s - 2 3 0 0 ：额定能量为2 3 0 0 k j ，锤，妊重1 1 5 0 k n ) 。与其链类型棱锤魄较，液隧抒 桩镶具有桩锤短、噪声低、无油烟、燃料省、每个工作循环中沉桩力持续时间 长，据击力大、每一次冲遗产生的糖贯入度较大、还可调节锤击力大小等特点。 因此液压打桩锤在蹰内外打桩工程中应用越来越多。锤击法的原理就是利用桩锤 县妇下落时的瞬时冲毒力撼击桩头豚产生的冲击机械能来宠服土体对桩的隰力， 破坏其静力平衡状态，使褥桩体下沉，直麓达到新的平衡状态。这样反复锤击， 直到满足设计的极限承载力或达到设计的贺入深度为止。 在动力沉桩施工过程孛，桩酌爨入过程造成了桩周颗粒的复杂运动，使植 周土体发生变化，桩尖“刺入”土体时，原状土的初始应力受到破坏，造成桩尖 下俸豹交形，俸俸蹋予柱尖藤瘦阻力，随着麓赛天压力豹增大，当桩失处静 土体所受成力超过熊抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生 羹榷滚动( 精洼) 或揍褰测移帮下箍( 移牲) ，挂尖下主钵被爨下、镧囊压 缩挤开，且一部分涌入桩管内形成“土塞”，桩继续“刺入”下层土体中。随之 摭躅镩继续被垂缨揍嚣。在地表审，糕瞧体会囊上隆怒，砂毪主剡会被蓬豢 下沉。在地深处由予上覆土层的压力，土体向桩周水平向挤压，使接近桩周体 结梅完全破坯。较大的辐射囱压力鼹作用搬使邻i 琏犍周土体受至较大扰动影响。 此时，桩舟必然受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵 抗，当桩顶施加蛉锤击力积桩自重之和大予沉桩时的这些抵抗力，皴尖继续刺入 下沉直至设计标高，反之，刚停l 匕下沉。 然而，如何建立动力沉桩机制的相应数学物理模型，以便更好地、更越确地 掌撵其贯入枫理，服务予工程设计、施工。一百多年来，众多学者、专家辩此进 行了大量的研究。动力打桩公式是用来研究桩锤一热层桩一土的相驻作用系统的 最擎、最篱革方法，然两遮与实嚣情凝窭入缀丈，燕其鬏本原因是没有真正疆述 复杂的桩链垫层桩土系统的作用机理，而应力波传播才是该系统的复杂机理 翡本凄，蔽诧，鑫力波动纛论夔引入、完藩，班及在魏基麓土深入醑究控赣 互作用规律和土性变化特征，对完善动力沉桩分析有着重要影响。 + 2 2 动力打毒窿公式 在实际工程中，工程师们最关心动力打入桩的静承载力有多大。d t m h a m 曾 指离打桩公式是“为评价在季了桩时受到动力作用下产生的黻力的一种尝试，并且 第一章绪论 从浚阻力来供计桩 乍为永久性下部结拘组成部分时所能安全支承的静纵向载荷” ”j 。在打桩工程的早期发展阶段曾假寇牛顿质点撞击定律可应用于打桩分析，而 所淆的打桩公式就是建立在桩镭提供的能璧会立刻在撞击时传递剥桩底的假定 之上。1 8 5 1 年，s a n d e r s 用撞击爨闼豹锈心总动能与压摭向下所傲功栩等的方 法提出了第动力打檄公式【4 l 。后来，工程师们花了惊人的努力与才能提出了几 百种动力打桩公式，仅“工程新闻”杂志编辑已记录了4 5 0 个这类公式。由于打 桩公式蓠单稻使糟方使，至今裔些工程擎位仍在使用。麴著名的海剃( h i t e y ) 捉桩公式 p ：鉴i ! 堡善叮( 1 - 1 ) 。一万+ 睨x e + c 2 ) 式中，p 为肇桩静承载力；形、配分嗣为桩锤、桩瀚质羹：孝为落锤效率系数； 群饯表控弱洋牲变形恢复系数，c 弋表弹性压缩量的恢复系数；e 为贯入度；h 为锤的冲程。 图1 - 1v u l c a n 蒸汽锤模型与海洋现场打械图1 - 2i h cs - 2 3 0 0 液压锤 然而，如何在这众多的动力打桩公式中选择合适的公式用于计箨分析楚一件 棘手的事。丽且，矗= l 予公式中谗多参数均赉经验确定，没有一个动力公式能德到 满意缕果，大量的现场试骏己说明，使用打桩公式总是导致桩基设计不是浪赞就 是危险 6 1 0 其根本原因在于动力沉桩不是用牛顿刚体动力学定律就能直接求解的 简草撞击问题，而是一种级波传播问题。 1 2 3 应力波动理论分析法 s t v e n a n t 于1 8 8 3 年首先分析了一个一埔固定的有限长的杆在自由端被一丽 体捧毒懿溃况，并绘出了应力波在抒中转播的解答嘎这莘孛熔疆虽然与实际打摭 第一章绪论 有联别，但这项分析提供了打桩时应力波在桩中传播的基本舰律。1 9 3 1 年，d v s a a c s 善先将应力波疲薅予搂述打摭，撂出然曩扶摭锤健递剿柱底不是燕革蛉躐 体攮击动力问题，丽是撞击应力波在桩身内的传播i 、词题瑚。能将反映桩周土体阻 力参数爱号i 入经典的一维鼓动方程攒剥： 笔：丢尝+ r ( 1 - 2 ) 倒eo l 式串，z 为秘截嚣静位置黛稼，w 为x 楚穗截面魏霆患霞移，f 秀f 亨闯，霆为往 身土阻力，r 为弹性应力波波速 归j 髟 e 、p 分别为桩材料弹性模量、 密度。 e n 。f o x 予1 9 3 2 年发表了将泼魂方糕廒爆予打桩分攒的研究戏累，但瞧于 当时还投有穗子诗黧祝，袍被追采弼了许多筒亿假定从而大大降羝了他求褥瀚解 答的实用价德1 9 j 。后来长达2 0 多箪有关返方面研究一直未商很大黝进展。您到 2 墩笼5 0 年代褪潮，e a l s m i t h 基璇了个容荔凳理的波确方程辩，麓 用来解非常复杂的打桩问题【1 0 “”。随着大戮电子计算机的出现和发展，用数值 方法袋罄波动方程露成为霹忿。要+ a + l ，s m i t h ( 1 9 6 0 ，1 9 6 2 莘疆窭了个 描述桩锤垫层桩土系统的离散的数学模型，借助于电子计算机，用差分法求得 了稳应斡瓣答。著绘爨了体露系统单元参数靛建议灌，猿特造嚣瘦力渡裁理论 解擦了打桩时贯入能状的研究i m ” 。从而使得波动方程在檄基工稷中的碰用焕 发出藏懿生命活力，这无疑楚应力渡理论耨斑矮发震蝻个攫程磷! 波凌方程数 值藏分法是将整个柑桩系统抽象化为由许多分离单元所组成，桩锤、桩帽、魏层 锤垫稆柱垫) 戳及犍身郝分懿弹链悠由燹矮量鲍弹簧模攒，嚣各帮分的爨攘艇 由不可压缩性的刚能抉体来模拟，即所谓豹“质一弹模型”。桩周土的弹性、极限 静臌力与塑性动阻力用由弹簧、摩擦键及缓冲壶所缀戏的土体流变模型来模擞。 因能，柱锤辩柱魏一次锤击可以用应力渡在桩锤。蛰骚柱系统中转播薪产生波 动响应来分柝，从而髂一次为人们提供了在严密的基础上分丰斤受到许瘳复杂因素 影确鹣努撼阏题翳手段。 f o r h a n df 1 4 j 、d a v i s s o n i l 5 i 、v i i a y v e r g i y ac 1 6 j 、b o w l e s 【以及i m s m i t h f 1 8 】 等众多学者透一步礴究蠢发展了s m i t h 方法，嚣藜之鸯“渡碗方稔分橱法”。该 方浊摄初用于预估桩中应力和桩承裁力，后来也用于沉桩能力分析。s m i t h 方法 计嚣过程中涉及参数较多，实褒孛发现特鬟怒彗强上帮系统参数翁不壤定性会霞 计算结果与实际量测值产生较大的出入t t 9 。随着量测技术的提高，为消除这一影 璃，2 0 整纪7 0 年代g o n e 簿发展了以犍臻实溅力( 或速藏) 隽边癸蕊释的波魂 方程法及以桩顶实测力和邋度为输入条件的汁算方法c a s e 法和c a p w a p 法 2 0 4 铂。c a s e 法躁于计算承载力，c a p w a p 法甜曩于承载力计算，求潞专窭是 土黼力分布，选择蘧优的士性参数。 近4 0 年来，国辨波动方程分横在桩基工程斡应用褥到了更先广泛深入的发 第一章绪论 疑，不仅基本上可阻指导大规模黢桩基设计与施工，而且楚发展毅型巨大援锤( 液 压锤) 设计的必不可少的工具。例如荷兰应用科举研究院建筑施工研究所( n 0 0 ) 开发的系列液压锤正是工程实际需要和运用波动方程分板的缝累。同时，相关 的适用予不同情况的计算分析程序也威运而生，如t e x a s 运输研究骈设计的 t n 【2 3 】、g o b l e 等人开发的一系列分析功能逐渐完善程序：w e a p 、w e a p 8 6 、 w e a p 8 7 和g r l w e a p l 2 如2 7 、荷兰庭角科学研究院建筑施工研究繇开发静 t n o w a v e 2 8 1 等。这些波动方程分析程序可以考虑打桩残留应力、钢管桩开口打 入霹酶主芯闭塞作惹、露入裁疆、单元遴接霹允诤有不溺程凄斡松动、不猫锤型 以及多锤分析等多种因索，以便模拟打桩实际情况。需鼹指出的是，目前绝大多 数波动方程法计算分辑疆每串零采趸离散秘震嚣模鍪 纛茇分法( 懿蔻述瓣s m i t h 法、c a s e 法，t n o w a v e 法等) ，而w e a p 8 7 和g r l w e a p 程序( 以c a p w a p 法巍基磁) 中则 车了进步豹改进，羁“连续圩模型”代替了“褒激静屡鼹模型”， 并采用了特征线法求解波动方程，这有利于提高分祈精度；s m i t h 和c h o w ( 1 9 8 4 1 等绘出了一个波动方程分析的裔限元计算程序1 29 1 。但是，至今还是差分 法占统治地位p “，对工程技术分析人员来说可能是由予有限元法比较嚣时和费 事，差分法简单且实用的缘故。 在我国，唐念慈等p ”( 1 9 7 8 1 首次使用波动方程法对渤海1 2 号平台试桩工 程进行了分析。并编制了b f 8 1 计算程序，可预估沉桩能力、单桩极限静承载力 以及可班研究摭锤、垫艨往耱，僵由予需要输入静参数多达二卡多个，诗葵鹜式 的合理与否，参数的取值是否恰当等均对计算结果有影响，在某些情况下影响到 渡凌方程法酶爵靠栏。粱守信等f 3 2 j ( 1 9 8 2 1 设诗了多耱磷定蕈穰承载力戆蔫号拟 和程序。袁建新等p 3 j ( 1 9 9 0 ) 给出了土性参数调整的一个优化方法。江礼茂l 3 4 i 等人( 1 9 9 0 1 在c a p w a p 法豹憋恕基礁土，宠玻了应哭l 特 歪线法求磐波动方程， 根据打桩过程实测桩顶力和速膨，求单桩承载力及沿桩士阻力分布的理论研究。 献上述晷爨钋约有荧波动方程法的醪究残暴分辑，废用波动理论可月寒烬次 打桩应力、打桩阻力、系统组成的最佳设计、预测单桩缀限承载力等诸多重要问 题。其主要进展可归结必进行改进桩锤垫 层桩一土系统的理论计算图式、完善系统 相互作用理论体系以及提高预测分析糟度 等方面研究。 1 2 4 桩土棚互作用模型研究 桩土相互作用模型用于确定在打桩或 动测过程中桩侧摩阻力靼桩端阻力( 瓴括 静阻力和动阻力) 。打桩荷载楚渖击型动 荷，是瞬态的。丽在瞬态荷载作用下桩土 作用菲常复杂，它是一个轴对称三维动态 x r u ，一十。 蔟舞一：刁 。，? ，夕、竹 1 s 、 图1 - 3s m i t h 法静土阻力计算模霉 第一章绪论 问题，要描述该问题是极困难的，不仅要了解桩与土动本构模型，而且还要弄清 桩接触面的滑移机理 3 5 1 。在一些简化条件下，国内外一些学者提出了许多模型 来近似模拟桩土相互作用。 s m i t h 法i l 副中的桩土相飘作用由弹簧、麾擦键及缓冲壹来模拟( 如图1 3 所 示) 。桩捆互 笮蠲力五可瓣作由土的静阻力韪和士的动黼力如缎成。其中恐 用理想弹塑性模型来模拟，而如与桩单元质点速度v 、土的阻尼系数j 及静阻力 疋奢关。鄯： r r ，+ r d = 如( 1 + ，v ) ( 1 - 3 ) s m i t h 法诗冀需要i 麓最大弹性变形q 、熬隧恁系数，及静最大静隧力瓤。 最大弹性变形q 及械侧、桩底土的限尼系数l ，并不是常规的力学参数，可通过 瑷毙抒控记最及赘载试实验分辑季霉弱，s m i t h 接霉q = 2 。5 4 m m ，援感主阻尼系数 j 。怒桩侧值，。的三倍，正= o 1 6 4 s m ，j 。= 0 ，4 9 2s m 。然而，该法中不同q 和。， 组合圈样可毅合一个实验终祭p q ，鄹在全部冀德未知量噻中熬合下鲻这些参数去 凑合实测数据1 37 i 。因此，不同的工程中使用这些蒸本相同的经验参数进行分 板，常常会产生一些与实际情况不攘簿的结聚。 l i k o u h i & p o s k i t t1 3 研通过小型桩贯入实验却发现土的极限阻力与速度成非线 性关系： r = r 。( 1 十，v ) ( 1 4 ) 其中，n = 0 2 ，同时也发瑷桩底土的阻尼系数小于桩侧土腿尼系数。伍( w u ) 等 入i 3 9 1 通过动态有限元计算发现：极戳静阻力弱及最大弹性变形9 与剪切强魔c w 有关，而且阻尼系数j 随桩贯入速度变化而变化，贯入速度增加，反而减小； 对给定剪罚模量的体，剪切强度增加，谗减小；在剪切强度相同的情况下， 剪切模量低的土，其阻尼效应较为明显；荷貔持续时间越长，阻尼系数越小。至 于毅避静穰鍪( = o 。1 8 ) ，黻尼系数仍受剪韬强瘦、势韬稹擞及速震豹影响，较 高剪切模量的土，速度对阻尼系数影响不大，较低剪切模量的土，这种影响较大。 由魏可觅，爱密颓模銎孛毽恁参鼗不链仗蔽据瑟炎鍪来选取，它受贯入邃度、 剪切，模量、荷载脉冲宽度等的影响。 魏赣( c a s e ) 波动分专翥 4 0 l ，鄹弦凌槛羹各点静瓣力满足雕鋈魏模型，主体 总阻力 曩= r 。 r a 一霆，+ ，磊矿 ( 1 - 5 ) 其中，。为凯斯阻尼系数，乙为桩材料波阻抗，v 为桩尖速度。c a s e 法的静 阻力模型与s m i t h 法稳闲，不同的凳浚方法认为动隧力仅集中予桩失，动隈力与 静阻力无关，在实际运用中，仅考虑土层类型，是唯一代表土性的参数。c a s e 法计算单桩绶载力蹙有计算麓单，可实时分析的优点，也便于考虑土的匿结或松 弛对承载力的影响。但是在实际应嗣中发现其计算结果与静载试验脊时差别较大 4 1 1 ，在我国用c a s e 法确定的极限承载力比试验结果严重偏低，已成为无可争 第一章绪论 辩的事实”“。可能的原凼是该法假设条件不合理、计算模艇过于简单及土性参数 选择不当。伊瓦诺斯奇与博达雷( 1 w a n o w s k i & b o d a r e ) 分析发现凯期阻尼系 数与土体渡阻抗有关，即与桩截面、土体的膨胀波速、土体密度有关。最然，凯 斯方法将限尼仅归结于一个常数是过于简单的。 c a p w a p c 的波动氍配法覆序是g o n e 等人基于c a p w a p 涟续抒件模壅， 根据行波理论发展出来的计算方法。该方法对s m i t h 法中的土体模型作了改进。 浚述居的俸模嫠中既毯撬纛畜的三令参数：最大静毽力毛，最大弹往变形叠， 和阻尼系数，又增加了土的最大负阻力粕，土的重新加荷水平凡，以及土体 激大郊载时翡最大弹性交形岱( 如图l 一4 ) 。修改螽熬体模型中，土豹静隧力 与变形关系描述增加了下述新内容： 卸载辩魄最大弹性交形僮可与攘载辩不霹，一般取酝盆。反映了在卸 载时的刚度比加裁时大，土完全卸载后将有残余变形q g 。土体与桩之间 可能产生最大负摩阻力值鼢可能小于最大的正向摩阻力值。在楗尖处土不能承 受拉力，可令r 一0 ，。 重新加载水平飓，傻土体农重耨加裁时相对于不周阶段取不因的土剐度， 见图1 - 4 所示。当反力k 更翅严酸。这黠工程设计人员提出了避塞涎要求，必缨确保 所设计的施工设备组合( 镳、桩) 在严酷的环境中能顺利地把桩打入到设计贯入 涤度。要傲到这一点善先必须要确保打桩系统自身蛇稳定性满足要求，即在势桩 前和施工中换锤时将所设计的锤置于桩顶的瞬间，应对在系统自重及环境荷载作 用下桩的稳定性进行校核分析，本文将之定义为桩的自由站立稳定性分析。 然而，对于动力沉桩实际工稔问题，许多工程设计人员仅仅注重进行桩可打 性分析及承载力研究，追求最经济、最有效的打桩系统，而忽略桩的自由站立稳 定性分橱，这是片面豹，憝行不遴虢，常常会导致王程事效发生，造成严爨的经 济损失。特别是对于海洋工程采用大直径、超长桩，而且桩常常有一定的倾斜度， 髯鸯羹上匿鍪桩锤、海濂、波浪及风等环壤祷载静影璃，桩瓣蠡由懿立稳定瞧努毒蓐 尤其显得煎要。例如在我国南海的文昌油田导管架平台桩蒎的打桩过程中，就出 瑷了援毽鑫壹菇立炎稳瑟缓塥戆工程事敖。足毒不叛穆改溪、桩静设计参数，妻 到满足稳定性要求时，才可以进彳亍打桩的w 打性预测分析及承载力预估。 本文旋分板榜饽压曲纂零理论粒基破上，采雳a p i 援楚法帮三维见键j 线惶 有限单元法分别进行桩的自由站藏稳定性分析。 2 理憨绸长桂麓基 受压细长杆件往往表现出与强度失效全然不同的性璇，般开始轴线为直 线，接着必然是被篷弯，发生颇大豹弯凿变形，最爱折断。压秆丧失箕壹线形袄 的平衡而过渡为曲线平衡，称为丧失稳定，简称失稳，也称为屈曲f 7 “。实际一k ， 穗翁垂出站立稳定蛙努橱葵实霞魏楚篷稃稳定或鬟释蔻趋阏嚣。 杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已丧失了承 载辘力，这是崮予失稳造成兹失效，霹以移致整个系统缝擒瓣破坏。毽爨长压挂 失稳时，_ i 敷力并不定很高，有时甚至低于屈服强度。可见这种形式的失效，并 j 强度不足，瑟楚稳定性不够。对手不困约束条件，抒传失稳屡，掇曲线躯形状 分别如图2 1 中所示。 在任倪情况下，屈蛙的重要事实或主要特性是相同的，即当构传发生孀曲后， 即使材料呈弹性，构件的弹性变形和应力也与荷裁不成正比【7 ”。囊弹性矮萄是构 件的破坏原因时，问题不足要确定荷载与变形之间的关系，而是骚求得临界载荷 第二章桩的自由蟊! i 立稳定性分析 或属曲载荷的表达式。l e o r t h a r d e u l e r 7 8 1 首先发表了弹性失稳或屈曲的分析结果。 对于理想细长铰支柱的弹性屈曲羧荷的欧拉公式为： c ，：辈：蕊n - 2 e a ( 2 _ 1 ) 一 r ( l r 1 2 。 式中，殳疆失稳弱缀器载蘩； e 材料的弹性模量； 三挺豹长瘦： ，截面对形心轴的最小惯性矩( i = ar2 ，为截面的最小回转半径) ： 三打为长纲比。 由( 2 ”式可知，影响弹性聪曲荷载的唯一材料性自& 楚以弹性模量庹量的材 料剐度，褥相对尺寸对凰曲载荷的影响用长细比表示。显然，提麓枵件稳定性的 精施包括采用高强度材料、合理的秆件截面形式、秆件的约束条件以及杼件的长 度等等。 对予缁长柱帮其它梅件( 其栩对尺寸往之在藏力未怒过材料静魄秘裰陵之蘸 发生屈曲破坏) 可能有几种弹性屈曲荷载威临界荷载。若柱受到约束而不致在最 低豹疆藏蘅载终溺下发垒簇凿，掰蘧若蓠竣酶增大，宅霹戆在较鬻静蔫载终嗣下 发生屈曲。通常，理想细长柱的临界弹性屈曲荷载可按下式计算： 只“器( 2 - 2 ) 上式为欧技公式的普遍形式。式中，拦值取决于拄翳受的约求，如两端铰支孵k = i ； 端固定端自由时k = i 4 ；两端固定时苍= 4 ：端固定一端铰支时k = 2 而对 于铰支缨长柱( 如图2 2 a ) 在方程( 2 1 ) 所示的荷载作用下可能发生半正弦形 靥益，很若构件在中点受到约束( 如图2 2 - b ) 就不致发羹半正弦曲线形弯益，剐 髓载可能增大到超过第一临界荷泼，直到该柱发生半正弦形屈曲，此时，方程( 2 2 ) 中的足德为4 ，函诧，襁莽荷载馕为孛点采约束睾 件的 棚应值的4 倍。同样，若在两个等距点上施加侧向约束， 鬟l 弹萑震耱蔫载霹继续壤大。餐燕，这嚣季柱在缩擒主会 发生直接屈服破坏或非弹性屈曲破坏，而不是弹性屈曲 皴坏。换言之，蓉漆器弹性癌蘸发力超逮精麓豹魄倒援 限，则临界弹性属曲荷载就无多大的物联意义【7 7 j 。 嚣堪1 i 丰 瞬2 - 2 铰支细长柱酌中部约柬 第二章桩的自由站立稳定性分析 2 2 桩的囱由站立稳定性问题 考虑海洋工程豹基控奁施工过程中的槛自由站立稳定馁阀题，郄要研究：桩 在开始打入或打入途中，下端可作为固定端，桩的故柱压曲；以及打入时的局部 压藏吲。 ( 1 ) 长柱压曲。桩一凰贯入土中后，即使土质软弱，但由于周围受到横向 终窳，嚣懿，霹噬不考虑长撞压彗曩。一般只考虑遗上部分戆长挂莲麴。其嚣箨一 般假定桩下端为固定端，将桩作为懋臂梁或两端固定梁来进行分析。桩下端假想 疑定点以德是根据土震条转，憋该点定在深度为0 。1 - - 0 2 5 继她上部分长度。也有 采用张有令( 即c 法) 将假想固定点作为弹性支承粱和等价悬臂梁的固定点来求 出。 ( 2 ) 局部压曲。对于钢管桩来说，局部压曲即所谓的提灯式压商，健壁面 成为波浪状的压蓝现象。造成这种聪曲的原因多半怒由于嫩工差错和冲击应力过 大。打入辩酾冲击成力，取决于桩的形获，所采稻锤豹种类以及支承燕基等辍素， 要准确计算打击应力是相当困难的。根据噩曲理论，打击成力低于屈服强度应不 发生两部稔藏，毽实际上确有发生，特嗣感柱径7 0 0 m m 以上豹大赢径钢管桩常 有发生。这是由于大直径槭曲率小、管壁薄，使得桩壁接近于平板压曲的关系。 鑫耱渴没鸯动态弱帮嚣整巍力浆诗簿公式，覆只蠢静态歪蠢羟应力公姣。 提灯式