（岩土工程专业论文）钻孔灌注桩单桩竖向承载特性数值模拟研究.pdf

摘要 桩基在现代建筑工程中被广泛使用。目前单桩的竖向承载力特性方面尚 有许多问题需要进行深入研究。本文采用三维有限元数值模拟方法对钻孔灌 注桩进行了模拟分析，重点研究了单桩桩身沉降及桩身变形、单桩承载力特 点、单桩地基位移场和应变场等几个方面，对单桩承载力特性进行了深入的 分析和讨论。通过分析得出以下主要成果： 通过对不同条件下( 桩长、长径比、桩周土体特性、桩端土体特性) 桩 身沉降变形的模拟分析，提出了合理桩长概念，分析了单桩桩项沉降与桩长 的关系，提出了用沉降桩长( s l ) 的关系法及q s l 法来确定合理的桩 长。这对单桩的理论研究以及工程实际应用具有参考意义。 分析了不同条件下( 桩长、长径比、桩端土体特性) 桩身侧摩阻力和桩 端阻力分布规律，提出了桩端阻力发挥特性，得出了单桩桩端沉渣控制厚度， 分析了桩端强化侧阻的变化规律以及其成因。对于端承桩与摩擦桩在工程设 计与工程实测的承载特性不一致现象进行了数值计算，分析显示设计安全系 数是造成这种问题的主要原因。这一成果对桩基的设计与施工具有指导意义。 分析了单桩桩基位移场和应变场的分布特点，对单桩桩基底部区域竖向 位移突变的成因进行了分析：提出了用单桩沉降来确定单桩的影响范围的方 法；根据桩周土体应变场特点对桩周地基进行了区域划分。 利用三维有限元方法分析了钻孔灌注桩的q s 曲线，模拟结果显示采用数 值方法模拟单桩承载力与结合钻孔灌注桩的静载试验成果是相符的，表明数 值计算结果是合理的。 关键词：钻孔灌注桩、承载力、侧摩阻力、桩端阻力、位移场、应变场 a b s t r c t p i l ef o u n d a t i o n sa r ew i d e l yu s e di nc i v i le n g i n e e r i n g t h e r ea r es e v e r a lp r o b l e m so nt h em e c h a n i c so f v e r t i c a lb e a t i n gc a p a c i t yf o ras i n g l ep i l e i nt h i st h e s i s ，c o m p u t a t i o ne l lt h eb o r e h o l ec a s t - i n - p l a c ec o n c r e t e p i l e ( b c c p 、i sp e r f o r m e db y3 ds t a t i cn o n l i n e a rf e m m e c h a n i c so f b e a r i n gc a p a c i t yf o rs i n g l ep i l ei sd e e p l y a n a l y z e df r o mt h ea s p e c t sa sf o l l o w s ：t h es e t t l e m e n ta n dt h ed e f o r m a t i o no f as i n g l ep i l e ，t h eb e a r i n gc a p a c i t y c h a r a c t e r i s t i c so f as i n g l ep i l e ，t h ed i s p l a c e m e n tf i e l da n dt h es t r a i nf i e l df o rs i n g l ep i l ef o u n d a t i o n t h em a i n r e s u l t sa y el i s t e do sf o l l o w s ： t h er e a s o n a b l el e n g t ho fas i n g l ep i l ei sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o no ft h es e t t l e m e n t a n dt h ed e f o r m a i l o no f as i n g l ep i l ev a r i n gw i t hs o m ef a c t o r s ( t h el e n g t ho f p i l e , t h em i l eo f l e n g t ht od i a m e t e r o f p i l e , t h e t y p e o f s u b s o i la r o u n d p i l e ，t h es o i lc h a r a c t e r i s t i c s n e a r p i l e t i p ) t h er e l a t i o n so f s e t t l e m e n to f a s i n g l ep i l et o pa n dl e n g t ho f as i n g l ep i l ei sa n a l y z e d t h ed e t e r m i n a t i o nm e t h o do f r e a s o n a b l ep i l el e n g t hi s g i v e no u tb yt h er e l a f u no fs e t t l e m e n ta n dp i l el e n g t h ( s - l ) a n dt h er e l a t i o no fl o a d s e t t l e m e n ta n dp i l e l e n g t h ( q s - l ) t h i si sm a i ni n n o v a t i o no ft h i st h e s i sa n di t i su s e f u lf o rt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f p i l ef o u n d a t i o n t h ed i s t r i b u t i o nr u l e so ft h el a t e r a lf i i c i l o n g mr e s i s t a n c eo fp i l ea n dt h et i pr e s i s t a n c eo fap i l ea r e a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o no f t h es e t t l e m e n ta n dt h ed e f o r m a i l o no f as i n g l ep i l ev a r i n gw i t hs o m e f a c t o r s ( t h el e n g t l lo fp i l e ，t h er a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e ro fp i l e , t h es o i lc h a r a c t e r i s t i c sn e a rp i l et i p ) t h e e x e r t i o nm e c h a n i c so f t i pr e s i s t a n c eo f ap i l ei sg i v e no u lt h er e a s o n a b l et h i c k n e s so f t h es e d i m e n tu n d e rt h e p i l et i pi sg a i n e d t h et r a n s f o r m a t i o nr u l e so ft h el a t e r a lf r i c t i o n a lr e s i s t a n c es t r e n g t h e n e db yt h ep i l et i p8 r e a n a l y z e d t h ed i 强嚣a l c 器o f b e a r i n gc a p a c i t yb e t w e e nf r i c t i o np i l ea n de n dl o a dp i l ea i ea n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h ec a u s ei st h es a f e t yf a c t o ro f p i l ed e s i g n t h er e s u l t sc a nb eo f f e r e dt ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o no f p i l ef o u n d a t i o n 1 1 1 e ya l ea n a l y z e d t h a t t h e d i s t r i b u t i o nr u l e s o f t h e d i s p l a c e m e n t f i e l d a n ds t r a i n f i e l d o f a p i l e f o u n d a i l o n t h e e n u s a i l o n so f t h e m u t a t i o n o f t h e d i s p l a c e m e n t i n t h ea r e a o f a p i l e t i p m e e g i v e no u t t h e m e t h o d f o r t h e d e t e r m i n a t i o no f t h e i n f l u e n c e r a n g e o f as i n g l e p i l e i s g i v e no u t b y t h e d i s p l a c e m e n t o f a p i l e f o u n d a t i o n ，t h e a r e ao f t h ep i l ef o u n d a t i o ni sm e a s u r e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es o i ls t r a i nf i e l da r o u dap i l e t h eq - sc l l r v e so fb c c pa l es i m u l a t e dw i t ht h e3 dn o n l i n e a rf e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o da r ei na g r e e m e n to nt h er e s u l t sb a s e do nt h es t a t i c st e s to fb c c et h er e s u l t ss h o wt h a t n u m e r i c a lc a l c u l a d o ni sc r e d i b l e k e y w o r d s ：b c c p , b e a r i n gc a p a c i t y ，f r i c t i o n a ll a t e r a lr e s i s t a n c eo f p i l e ，p i l et i pr e s i s t a n c e ，d i s p l a c e m e n t f i e l d ，s t r a i nf i e l d 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。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。也不包含为获得河海大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对 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。 学位论文作者签名： 兰箧。：兰! ! 龟签字日期：2 0 0 6 年厂为日 学位论文使用授权说明 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，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本人学位 论文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。 学位论文作者签名：邀釜生签字日期：2 0 0 6 年厂月日 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一节桩基础历史及应用简介 桩基础是一种历史悠久的建筑基础型式，也是一种应用广泛、发展迅速、生命力强大 的现代建筑基础型式。在以现代高层建筑为特征的大型土木建设工程中，都会广泛使用到 桩基技术。桩基础已经成为在土质不良的地区修建各种建筑物所广泛采用的基础形式，特 别对于高层建筑、重型厂房和具有特殊要求的构筑物，即使是土质良好，桩基也被普遍采 用。 1 桩基技术的发展 地基基础是项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。世界文化古国的远古先 民，早在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺【啦】。最早使用的是木桩， 早在新石器时代，人类就开始在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住所。1 9 7 3 年考古 学家在浙江钱塘江南岸7 0 0 0 年前的河姆渡文化遗址发现了较多的木桩和木构建筑遗迹， 其形式有圆木桩、方木桩和板桩，这是我国发现的最早的桩基工程【2 l 。到汉朝已用木桩修 桥，而到宋朝人们己利用桩基技术修建高塔和宫殿这一类较重要的建筑物了，山西太原的 晋祠圣母殿就是一例。在英国也保存有一些罗马时代修建的木桩基础的桥和居民点。 近年以来，桩基础在地基基础工程中获得更广泛的应用。随着水泥工业的出现和发展， 钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝士桩和钢筋混凝土桩。但在初级阶段， 所采用的混凝土强度和钢筋强度都比较低，钢筋混凝土的计算理论也尚未建立，那时的钢 筋混凝土桩，无论从桩型或桩基工程的施工技术来看，都是处于较低的水平。2 0 世纪2 0 年代特别是第二次世界大战以后，桩基的理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也 不断扩大，出现了形形色色、花样繁多的桩型，例如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混 凝土桩以及钢桩等。桩从古老的、简陋的形式发展为现代桩基的各种不同体系的工程中， 桩的型式、规格和工作特性都发生了质的变化。 随着生产水平的提高和科学技术的发展，桩的种类和型式、施工工艺以及桩基设计理 论和设计方法等，都在不断演进和发展。 2 桩基础的受力特性及应用 桩是深入土层的柱型( 或杆型) 构件，与连接桩顶的承台组成桩基基础，起到将上部 结构的荷载穿过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层的作用。在 一般民用基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载。但是在河港、桥梁、高耸结构、石油 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一节桩基础历史及应用简介 桩基础是一种历史悠久的建筑基础型式，也是一种应用广泛、发展迅速、生命力强大 的现代建筑基础型式。在以现代高层建筑为特征的大型土木建设工程中，都会广泛使用到 桩基技术。桩基础已经成为在土质不良的地区修建各种建筑物所广泛采用的基础形式，特 别对于高层建筑、重型厂房和具有特殊要求的构筑物，即使是土质良好，桩基也被普遍采 用。 1 桩基技术的发展 地基基础是项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。世界文化古国的远古先 民，早在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺【啦】。最早使用的是木桩， 早在新石器时代，人类就开始在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住所。1 9 7 3 年考古 学家在浙江钱塘江南岸7 0 0 0 年前的河姆渡文化遗址发现了较多的木桩和木构建筑遗迹， 其形式有圆木桩、方木桩和板桩，这是我国发现的最早的桩基工程【2 l 。到汉朝已用木桩修 桥，而到宋朝人们己利用桩基技术修建高塔和宫殿这一类较重要的建筑物了，山西太原的 晋祠圣母殿就是一例。在英国也保存有一些罗马时代修建的木桩基础的桥和居民点。 近年以来，桩基础在地基基础工程中获得更广泛的应用。随着水泥工业的出现和发展， 钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝士桩和钢筋混凝土桩。但在初级阶段， 所采用的混凝土强度和钢筋强度都比较低，钢筋混凝土的计算理论也尚未建立，那时的钢 筋混凝土桩，无论从桩型或桩基工程的施工技术来看，都是处于较低的水平。2 0 世纪2 0 年代特别是第二次世界大战以后，桩基的理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也 不断扩大，出现了形形色色、花样繁多的桩型，例如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混 凝土桩以及钢桩等。桩从古老的、简陋的形式发展为现代桩基的各种不同体系的工程中， 桩的型式、规格和工作特性都发生了质的变化。 随着生产水平的提高和科学技术的发展，桩的种类和型式、施工工艺以及桩基设计理 论和设计方法等，都在不断演进和发展。 2 桩基础的受力特性及应用 桩是深入土层的柱型( 或杆型) 构件，与连接桩顶的承台组成桩基基础，起到将上部 结构的荷载穿过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层的作用。在 一般民用基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载。但是在河港、桥梁、高耸结构、石油 河海大学硕士论文 第二节单桩承载力特性研究现状及本文工作 现在工程界与理论界普遍认为桩基的承载力发挥情况就是桩的侧阻力与端阻力的发 挥情况。而目前现行规范中计算桩基承载力的公式只是这两项简单的相加，没有反映出荷 载是如何传递的，更不能反映出端阻力与侧阻力的关系。因此，合理的确定桩的侧阻力分 布情况以及桩的侧阻力与桩的端阻力如何分配这一问题是很有意义的。目前，有很多专家 学者关注于桩基承载力的研究，以及与其相关的桩的侧阻力、端阻力、荷载传递方式的研 究，并取得很多丰硕的成果。但是，目前对于桩的承载力特性研究还不成熟，同时，很多 问题的研究还不深入。因此，本文针对桩的承载力特性方面的一些问题进行深入的研究。 1 单桩承载力特性的研究方法 目前桩基的研究方法主要包括：l 、工程实例分析；2 、试验分析；3 、理论分析；4 数值分析等方法。其它还有一些新的方法，比如采用图像技术等。对于桩的侧阻力的研究 方法也不外乎是这几种。以下简要介绍各种方法的主要特点。 1 1 工程实例分析的方法 这种方法主要是对于已经建成的工程进行长期的观测，综合各个工程的观测结果采用 统计学手段进行相应的分析工作。采用这种方法，要收集大量的工程资料，这对于个人进 行研究是比较困难的。同时，由于各个工程给出的资料不一定都满足需要，因此这种研究 方法具有一定的局限性。 1 2 试验分析的方法 试验分析的方法【0 1 直观可信，可以直接反应出所研究问题的特性。目前广泛应用的 包括室内模型试验、常规试验、现场原位观测以及离心机模型试验等。试验的方法是其它 研究方法开展的基础。因此，试验方法占有特别重要的地位。但是进行试验研究需要大量 的科研经费，这对于我们国家现在经济状况来说并不是很适合。因此，将试验方法与其它 的方法综合运用，将更加科学合理。 1 3 理论分析的方法 桩基础工程应用已有上千年的历史，而真正进行桩基础理论研究仅有一两百年的历史。 尽管如此，人们对桩基础理论的研究已经取得了长足的进步。理论分析的方法，主要是指 经典的理论分析方法【 1 3 1 。现在较为成熟的研究方法有：解析法，简化方法，经验方法 等。比如以p o u l o s 【4 8 1 方法为代表的弹性理论法，c o o k e f 4 明( 1 9 7 9 ) 提出的剪切位移法，s e e d 和r e e s e 【5 川( 1 9 8 4 ) 提出的荷载传递法等，其中荷载传递法又分为两种，一种为s c e d 和 河海大学硕士论文 时，桩顶荷载通过桩身传到桩底，桩端阻力也随桩顶旋加的荷载增大而增大，当桩侧摩阻 力全部达到极限之后，所增加的荷载则全部由桩端承担。最后桩端岩( 土) 体亦达到极限强 度，桩即发生很大沉降而破坏，此时桩顶荷载即为桩的极限承载力。 因此，一般认为土对桩的支承力是由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分所组成，桩的极限 承载力( 或称桩的极限荷载) 就等于桩侧摩阻力极限值与桩端阻力极限值之和。但两者并 不同时发生，因为它们的发挥程度与桩土间的变形性状有关，各自达到极限值时所需要的 位移量并不相同。有关试验表明，只要桩与土之间有微小的相对位移，沿着桩身就会发生 荷载传递，产生桩侧摩阻力，且在不太大的相对位移值( 粘性土约为4 “m m ；砂性土约 为缸1 0 n l m ，或桩径的o 5 r 1 o ) 时，桩侧摩阻力即可充分发挥到极限值，桩端阻力的 发挥所需要的位移值与桩底下层土的性质有很大关系。对于坚硬土层及岩层，端阻力占桩 支承力的全部或绝大部分；对置于一般土层中的摩擦桩，桩端阻力要发挥到极限值，则要 比桩侧阻力达到极限值的位移大得多，一般可达桩径的l o 2 0 。通常是桩侧阻力先发 挥出来，然后桩端阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。试验得知：桩侧阻力和桩端阻力并 不随桩的入土深度增加而呈线性增大；当桩的入土深度超过一定值后，阻力并不随深度增 加而增大，这就是桩侧阻力或桩端阻力的深度效应。 2 2 单桩破坏模式 在轴向受压荷载作用下，单桩主要有以下几种典型破坏模式【1 7 】： ( 1 ) 当桩端支承在很坚硬的地层上，桩侧为软土层，且其抗剪强度很低时，桩身出 现纵向挠曲破坏( 图1 2 1 a ) ；这时桩的承载力取决于桩身的材料强度。 2一z 图l _ 2 一l土的强度对桩破坏模式的影响 ( a ) 桩身压曲破坏；( b ) 桩底出现整体剪切破坏的端承桩 ( c ) 桩的刺入破坏：( d ) 摩擦力已充分发挥的摩擦桩 5 r坠：r亘 hl；乇：_：斋 一 杀非巍一寸小m 第一章绪论 ( 2 ) 当桩材具有足够强度，桩穿过抗剪强度较低的土层，达到或沉入强度较高的土 层时，桩在轴向受压荷载作用下，桩底土体能形成滑动面，出现整体剪切破坏( 图1 _ 2 1 b ) ， 在p s 曲线上可找出明确的破坏荷载。 ( 3 ) 桩入土深度较大，桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将 会出现刺入式破坏( 图l - 2 1 c ) 。 ( 4 ) 当桩底端处的土层比较软弱时，桩上的荷载主要由摩擦力承担，端阻力不起作 用( 图l 一2 1 d ) ；在p s 曲线上，有竖向的切线，表明摩擦力已充分发挥，桩达到极限荷 载后产生较大的位移。 2 3 桩侧阻力的影响因素研究 桩倒阻力是桩与土体之间发生相对位移后，土体作用于桩身上的切向作用力。桩侧阻 力是桩基竖向承载力的重要组成部分。工程实践表明，桩侧阻力受到许多因素影响，也是 研究桩土相互作用的重点问题。但是，目前关于桩侧阻力的计算，现行各种规范都是根 据桩周土层的性质、桩的类型和桩的施工工艺等条件首先确定单位面积上桩侧土的阻力， 然后再由桩的侧面积计算出总的桩侧阻力。显然，这种方法不能反应出众多因素对桩侧阻 力的影响。因此，深入研究桩侧阻力及其影响因素对于确定单桩承载力具有重要的价值。 目前国内规范以查表方法确定粘性土桩的极限侧阻力时，普遍将液性指数作为主要的 依据。在其它条件不变的情况下，液性指数越小，桩的极限侧阻力就越大。然而，近年来 许多试验结果表明，单一的以液性指数来作出判断往往与实际情况相差甚远。文献【47 】实测 了西安黄土的液性指数与桩的极限侧阻力之间的关系，结果显示桩实际侧阻力的发挥比 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 所给出的值明显偏大，增大幅度在1 0 8 0 之间。 文献【1 0 】中也提供了江苏江阴某工程的试桩结果，表明实测桩的侧阻力与按规范查得的相 差较大。还有许多试验结果也对于以液性指数来确定粘性土桩的极限侧阻力提出了不同的 看法。因此，影响桩的侧阻力的因素很纠1 8 】，须进行综合评价。 现有的研究成果认为影响桩侧阻力发挥的主要因素有：( 1 ) 桩周土性质的影响；( 2 ) 桩土相对位移的影响；( 3 ) 桩径的影响；( 4 ) 桩土界面条件的影响；( 5 ) 桩端条件对桩 侧阻力的影响；( 6 ) 桩身刚度的影响。 ( 1 ) 桩周土性质的影响 桩周土体性质是影响桩的侧阻力的最直接的因素【1 9 2 0 1 。通常，桩的侧阻力随着桩周 土体强度的增大而增大。但是对于不同分类的土体，桩周侧阻力的分布形式不尽相同。 ( 2 ) 桩土相对位移的影响 桩的侧阻力的发挥是以桩土发生相对位移为前提的【l ”。一般是相对位移大，其侧阻 力就大，但是这个变化关系是开始为线性增加的关系，之后为非线性的，当桩土相对位 移达到一定程度之后，桩的侧阻力可以得到充分发挥，此时达到最大。之后根据土体的特 性，分为软化型和硬化型两种，软化型为在侧阻力达到极值后随着相对位移的继续增加， 6 河海大学硕士论文 侧阻力降低，最后稳定于某个数值；硬化型一般没有极值，而是随着相对位移的增加，侧 阻力趋近于一个极限值。 ( 3 ) 桩径的影响 桩的侧阻力对于大直径桩( 大于o 8 m ) 来说，随着桩径的增加而减小，但是对于不 同的土体，减小的规律不同m2 。 ( 4 ) 桩土界面条件的影响 这里主要体现在桩侧面的粗糙程度上，侧面很粗糙的桩，其侧阻力也比较大，侧面比 较光滑的桩，其侧阻力比较小2 2 1 。 ( 5 ) 桩端条件的影响 一般认为桩的侧阻力与桩的端阻力无关，是各不相干的，但是工程实践表明，桩端土 体的强弱对于侧阻力的发挥有很大的影响【1 9 r 1 7 川】，一般桩端土体比较坚硬时，侧阻力 能够得到很大的提高，因此，桩的侧阻力的发挥与桩的端阻力的发挥有着某种关系。 ( 6 ) 桩身刚度的影响 根据桩的荷载传递方式，可见桩主要是通过轴力的形式将荷载向下传递的，这样对于 不同压缩性能的桩来说，其传递荷载的能力也不同【2 卜3 0 】，因此其侧阻力的分布也就不同 了。 3 单桩承载力特性值得深入研究的几个问题 前人对于单桩荷载传递特性以及单桩侧阻力研究取得了很多重要成果，但是还有很多 需要继续加以深入研究探讨的问题。首先，以往所做的研究很多是在对于工程实例总结或 者是试验研究基础上得出的结论。由于条件所限，试验手段只能对于桩身及紧贴桩身的土 体的应力进行测量和推算。对于桩周一定范围土体的应力发展过程无法了解，因此不能完 全揭示单桩承载特性；其次，由于采用经典的理论分析方法，不能模拟桩土之问的真实 关系。因此采用此种方法也只是对桩身及紧贴桩身土体的应力进行测量和推算，并且在一 些特殊的问题中，采用经典的理论分析方法无法进行模拟分析。 本文从以下几个方面对单桩承载特性进行深入研究：( 1 ) 随着超长桩的出现，很多学 者对基桩有效桩长的课题进行了广泛的研究【3 4 叫”，并取得了一定的成果。大家普遍认为 在有效桩长以下桩身部分的侧阻力的发挥对于增加桩基的承载力以及降低桩基的允许沉 降量几乎没有什么贡献。但是如何界定桩的有效长度，以及在不同桩长时单桩的承载特性 是否相同，对此目前还没有得到普遍的共识。因此合理的界定合理桩长将对得到合理单桩 承载特性以及合理的选择桩长具有一定的指导意义。( 2 ) 单桩的承载特性一直受到学者的 关注，但是目前还有很多不完善的地方有待进一步研究，其中单桩桩端阻力发挥特性的研 究就是单桩承载特性研究的一个重要部分。另外桩端土体对于承载力有很大的影响，不但 对于桩的端阻力有影响，对于桩侧阻力也有影响2 卜2 1 ”。工程实践证明，桩端土体刚度 较大时，桩的侧阻力能够得到很大的提高。目前对这一问题的研究主要是来自于工程实测 7 河海大学硕士论文 第二章桩基本构模型及其有限元理论 第一节桩基材料本构模型 l 土体本构模型简介 在桩基工程中，地基土对桩基的工作性能有直接影响。土体种类繁多，且其性状都十 分复杂。大量的三轴试验说明土体材料的总应变是由不同性质的应变组成的，即把总应变 分解成几个部分，有如下的增量形式成立： d s = d ；+ d s ：+ d s ； ( 2 1 1 ) 式中d 白一总应变增量；如；弹性应变增量；如i 一塑性应变增量；晖蠕变应变增量。 各部分的应变增量根据它们不同的性质用相应的理论进行计算。 在岩土工程问题分析中，一般需要由加载的特点确定土体变形计算的主要部分。此外， 土体的围压、应力路径、各向异性和排水条件对土体的变形特性也有影响；加载速率不同， 土体的应力应变关系也会不同。由此可见，对于岩土工程问题的分析，应根据具体的加 荷特点和边界条件等，确定影响土体变形的主导因素，从而选用具有针对性的本构模型以 恰当描述所要分析问题的变形特性，以便为工程设计提供较为合理和客观的依据。 描述岩土类材料的应力应变性质最简单、最古老的方法是各向同性线弹性理论和广 义虎克定律。采用弹性本构模型，其基本特点是应力与应变的可逆性，或者在增量意义上 可逆。通常弹性本构模型用于单调加载且应力水平较低时，即偏离实验条件较近的情况下， 会取得较好、较精确的结果。但对于复杂的加载条件，如周期循环加荷的情况，往往会导 致能量不守恒。 采用塑性理论的概念解决土工计算问题是岩土工程研究上的一大进步，其历史可以追 溯到1 7 7 4 年c o l 啪n b 提出c o l u 砌b 屈服准则。建立在弹性理论和塑性理论基础上的各种 非线性弹性和弹塑性本构模型构成了岩土类材料本构模型的主体，并在许多岩土工程中得 到了普遍的应用以及不断的发展。目前常用的本构模型有：m o h 盯一c o l o l t l i l 模型【5 8 l 、d l l i l c 肌 一c h a n 2 模型【5 9 1 、剑桥模型【删等。 在单调加载情况和应力水平较低时，弹性模型求解能取得较好、较精确的计算结果。 土体在加载后期，应力一应变呈现明显的非线性关系，d l l n c a n c h a n g 模型就是土体弹性 9 河海大学硕士论文 以的表达式为： g，l j 旦l 塌哺 錾萋萎 ；蔓! ? 耋| 獭一缝熏麓； 翼鬟饕鬻鬟霾! s 一舞型影镛交! 囊蒂罱羹誓“甜。 渐瓣姜蠢焉蒜穰答篓谨l l ? 第鞘薹。基甜趟幕戮商掣裂拦2 蚍鸶1 8 ；她纠酲目鲢醐 确期1 畦妻一薹驼麓塑鄹酗氍扣塑r f 蠹j 娄* 爱滢；茎i 2 i l ：；， i 颡烈i 委二t 黜省型茎蓼囊；臣耋至萋蚕主囊! s 一闭哥涮矧孺疆。 承载特性研究具有重要的价值。 4 本文的主要工作 对于钻孔灌注桩来说，其单桩的承载力特性可以通过很多方面反映出来。首先是桩体 的沉降以及桩体的变形情况是能够比较直观的反映其承载力特征的，另外桩身的侧摩阻力 以及桩端阻力的分布规律是单桩承载力特性的核心所在。同时通过对单桩地基位移变形的 分析可以更深入的了解单桩承载力特性的实质。因此本文的主要工作就从这些方面入手来 研究单桩的承载力特点。本文的主要工作如下。 ( 1) 阐述了桩基本构模型及其有限元理论，并在此基础上修改了非线性有限元计算 程序，同时编写了数值分析前处理和后处理程序。 ( 2) 进行了竖向荷载下单桩沉降与合理桩长的数值模拟，通过模拟计算，对比分析 不同桩长、不同长径比、不同桩周土体、不同桩端土体下的钻孔灌注桩桩身沉降位移与荷 载的关系曲线变化情况，并提出了合理桩长概念，给出了采用s l 法及q s l 法来确定 合理桩长。 ( 3) 研究了竖向荷载下单桩侧阻力与端阻力分布规律，对比分析不同桩长、不同长 第二章桩基本构模型及其有限元理论 3 土体材料模型分析选择 通过多年的计算应用表明，特别是在变形比较小的情况下，邓肯非线性弹性模型能较 好地模拟桩基工程的变形性状。邓肯模型通过调整弹性系数近似地考虑土体的弹塑性变形 的特性，并用于增量计算，能反映应力路径对变形的影响。邓肯模型的参数可以利用常规 三轴试验测定，测试简单，经验比较成熟。但该模型不能反映压缩和剪切的交叉影响；而 且模型只考虑硬化，不能反映软化；也不反映各向异性。 理论上弹塑性模型比非线性弹性模型更能反映桩基土体的实际变形特性，可以较好地 反映地基土体的硬软化特性、剪胀性及中主应力和应力路径的影响。比如剑桥模型、沈珠 江双屈服面模型等。但对于塑性模型在有限元中的应用还处于探索的阶段，其参数确定也 较为困难，且不成熟，另外塑性模型计算的工作量也非常大。 综合考虑以上因素，在桩基工程中土体变形一般较小，采用非线性弹性模型即可以反 映其特性，而邓肯e b 模型恰好是在大量实际工程计算中得到验证的较好的模型，因此本 文选用邓肯e b 模型作为桩基土体的本构模型。 4 钢筋混凝土材料本构模型 钢筋混凝土结构是土木工程中应用最为广泛的一种结构。因此人们对其进行了大量的 研究，并在混凝土的本构模型和钢筋的相关理论领域均取得较大的成就。混凝土的本构关 系是指混凝土的应力应变关系。如何建立数学模型，既能很好反映各种受力情况下混凝 土的应力应变关系，又便于应用，这是研究混凝土本构模型的目的。目前在小变形的情况 下，比较常用的混凝土的本构关系是线弹性关系。而针对桩基础，虽然其桩身一般都在弹 性范围内进行工作，但是对于桩为长细的杆件结构，在受到轴向荷载较大的时候，其本构 关系就会表现为非线性。另外，桩顶沉降主要是由于桩身压缩引起的。在同一荷载水平下， 随着桩长的增加，桩身总压缩量加大，且弹性压缩量和塑性压缩量均增大；同时，在最大 荷载水平下，随着桩长的增加，桩身混凝土弹性压缩量占总压缩量的比例下降，而塑性压 缩量所占的比例增加。这是因为超长桩承受的荷载很大，在桩身上段钢筋混凝土应力应 变往往处于非线性弹性状态。采用单向受压情况下的本构关系可以反映桩身的钢筋混凝土 受力特征。据此，本文混凝土的本构关系采用非线性弹性模型。按照混凝土结构设计规 范( g b5 0 0 l o 一2 0 0 2 ) 中对于混凝土受压的应力- 应变曲线，有如下规定： 当s c 时 r 一 盯，= f l l ll 一二生ll ( 2 1 1 0 ) 。 l l 岛，l 当 ：麓鬈矽涨涨区 0单桩桩长 图3 - 2 - 2 8 相l 司加载f 土体3 中图3 - 2 - 2 9s l 法 单桩桩顶沉降量单桩桩长关系曲线确定合理桩长分区图 设定3 种不同土体的桩基，其算例设计详见本章沉降模拟计算部分。其中土体1 的强 度为最大，土体3 最小。经过计算得到了如图3 2 2 图3 - 2 2 8 所示的桩顶沉降与桩长的 关系曲线。从图中可以看出，对应于不同荷载情况下，桩项沉降与桩长的关系曲线几乎都 明显存在着一个拐点。将这些拐点连接起来，就得到了沉降与桩长( s l ) 网格线，我们 添加一条桩顼沉降控制水平线，这样就能够得到图3 2 2 9 所示的三个区域。我们分别定义 三个区域为桩长不足区、桩长合理区和桩长超长区。 当设计桩长落在桩长不足区时，表明此时设计的桩长不满足承载力要求或者不满足沉 降量要求。当桩顶荷载达到设计荷载的时候，桩周侧摩阻力已经达到了极限侧阻，桩端土 体基本形成了完整的塑性区，此时，桩基接近或达到了破坏状态。对于有沉降量限制要求 的桩基，当桩顶荷载达到设计荷载的时候，桩顶沉降量已经超过了允许沉降量。因此，设 计桩长落在此区域表明设计是不安全的。 当设计桩长落在桩长合理区时，表明此时设计的桩长能够满承载力要求或者能够满足 沉降量要求。当桩顶荷载达到设计荷载的时候，桩周侧摩阻力与桩端阻力发挥的程度较大， 同时又留有安全储备的余地，即桩周侧摩阻力已经达到了极限侧阻，而桩端士体尚未形成 完整的塑性区；或者桩周侧摩阻力与桩端阻力均未完全发挥。对于有沉降量限制要求的桩 河海大学硕士论文 基，当桩顶荷载达到设计荷载的时候，桩顶沉降量趋向于允许沉降量，但还未达到允许沉 降量。此时的设计桩长为合理经济的桩长。 当设计桩长落在桩长超长区时，表明此时设计的桩长能够满承载力要求或者能够满足 沉降量要求。当桩顶荷载达到设计荷载的时候，桩周侧摩阻力与桩端阻力发挥的程度很小， 留有安全储备的余地太大，即桩周侧摩阻力与桩端阻力均远没有发挥。对于有沉降量限制 要求的桩基，当桩顶荷载达到设计荷载的时候，虽然桩长增加了，但对于减小桩顶沉降量 作用不大。此时的设计桩长存在很大的浪费，为不合理不经济桩长。 从图3 2 2 以图3 2 2 8 可以看出对于不同的土体，桩顶沉降与桩长关系曲线拐点的连 线的倾斜角度是不同的，当桩周土体强度较大的时候，桩长合理区与桩长超长区分界线倾 斜角度小，同时该直线在水平坐标( 单桩桩长) 的截距也较大，这样桩长合理区的范围就 相应的增大；而当桩周土体强度较小的时候，桩长合理区与桩长超长区分界线倾斜角度大， 同时该直线在水平坐标( 单桩桩长) 的截距也较小，这样桩长合理区的范围就相应的变小。 另外对应于不同荷载情况下，所需要的合理桩长是不同的。 4 - 3q ，s l 法确定合理桩长 图3 2 3 0 给出了终级加载下单桩桩顶单位沉降量承担的荷载桩长关系曲线。从图中 可以得到当桩长超过5 0 m 时，其桩顶单位沉降量承担的荷载随着桩长的增加几乎保持不 变。而对于图3 2 3 1 中，同样当桩长超过5 0 时，其桩顶单位荷载产生的桩顶沉降保持不 变。这在表3 2 一l 中同样也有印证。 盆8 0 0 o 。 ， 一- 靶 _ 。 曦e6 0 0 o 捌之 咎喜4 0 0 o 鎏鬟。o 。 k 岂 u u 0 1 0 2 03 04 0 5 06 07 0 单桩桩长m 图3 - 2 3 0 终级加载下单桩图3 2 01 终级加载下单桩 桩顶单位沉降量承担的荷载桩长关系曲线桩顶单位荷载产生的桩顶沉降桩长关系曲线 由图表中得出的特征，取曲线拐点处对应的桩长为合理桩长，如图3 2 3 0 和图3 - 2 3 1 ， 即利用q s l 关系曲线来确定单桩的合理桩长。 q s l 法确定合理桩长的步骤为 ( 1 ) 首先确定桩基的设计荷载： ( 2 ) 通过数值模拟计算得出单桩在设计荷载下的桩顶沉降变形量； ( 3 ) 绘制q s - - l 曲线或s q l 曲线； 第三章竖向荷载下单桩合理桩长 ( 4 ) 得出曲线上的拐点，其对应的桩长即为合理桩长。 表3 2 1终级加载下不同桩长单桩桩体沉降变形及桩身阻力统计表 桩长m 1 02 0 3 0 4 05 06 0 7 0 桩顶荷载l 【n 8 0 02 7 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 _ 0 桩端阻力桩顶荷载 o 6 7 6o 5 4 2o 3 6 8o 2 0 90 0 8 lo 0 4 4o 0 3 4 桩侧阻力桩项荷载 0 3 2 4o 4 5 8o 6 3 2 o 7 9 1 0 9 1 9o 9 5 6 o 9 6 6 桩顶沉降k n6 0 9 21 5 2 7 39 5 4 55 8 54 3 2 24 0 7 54 0 2 6 桩端沉降桩顶沉降 0 9 6 70 8 9 90 7 4 40 4 8 90 2 1 8o 1 1 50 0 7 0 桩身压缩桩顶沉降 0 0 3 30 1 0 10 ，2 5 60 5 1 10 7 8 20 8 8 50 9 3 0 桩项荷载桩顶沉降k n c m 1 3 1 31 7 6 83 1 4 35 1 2 86 9 4 17 3 6 2 7 4 5 2 桩顶沉降i 桩顶荷载t c m ( 1 0 4 ) 1 ( n 7 6 1 55 6 5 73 1 8 2 1 9 5 0 1 4 4 11 3 5 8 1 3 4 2 第三节小结 本章采用数值方法模拟了钻孔灌注单桩桩基在竖向荷载作用下的沉降变形规律，对钻 孔灌注单桩在不同桩长、不同长径比、不同桩周土体以及不同桩端土体情况下单桩桩体沉 降和变形规律以及产生的特性进行了详细的分析。并分析提出了合理桩长的概念以及确定 合理桩长的方法。通过本章的计算与分析可以得出以下结论。 1 、钻孔灌注单桩桩体沉降以及桩身变形与单桩的桩长、长径比、桩周土体和桩端土 体的软弱程度具有密切的关系。在桩长较长或长径比较大的情况下，单桩表现出来长桩的 特性，桩顶的沉降变形主要由桩身的压缩变形引起；当桩周土体( 桩端土体) 强度大的时 候，在其它情况相同的情况下，桩顶的沉降小。 2 、钻孔灌注单桩存在着合理桩长，合理桩长与桩顶施加的荷载以及桩周地基土体的 特性相关。通过对桩顶沉降的分析，得到了单桩的桩顶沉降与桩长的关系，提出了s l 法和q s l 法两种方法确定合理桩长。论述了s l 法中桩长不足区、桩长合理区与桩长 超长区等各自的特点，这对于单桩的理论研究及工程应用具有较大的价值。 河海大学硕士论文 第四章单桩侧阻力与端阻力分布规律 桩基础主要应用于承受较大的荷载，其中用桩来承受竖向荷载是其一个重要的功能， 而桩是通过两种渠道来传递竖向荷载的，其一是通过桩身与桩周土体发生摩擦来承受部分 荷载，其二是通过桩端压缩土体产生的反力来承受另一部分荷载。侧摩阻力与桩端反力的 发挥特性是非常复杂的，其影响因素也繁多，现在尚有许多影响因素的发挥特性还没有研 究清楚。对于单桩侧摩阻力以及桩端阻力的研究实质上就是对于单桩承载力特性的研究。 本章采用了数值手段模拟计算了软土地基中的钻孔灌注单桩在竖向荷载作用下的侧 摩阻力和端阻力。通过模拟的结果对比分析了不同条件下( 不同桩长、不同长径比、不同 桩端土体条件) 单桩的侧摩阻力以及桩端阻力的分布规律及产生的特性。另外对于桩端侧 摩阻力的变化规律进行了更深入的分析。同时通过数值模拟计算结果，对界定端承桩与摩 擦桩存在的问题进行分析。本章算例与上章算例相同，这里不再赘述。本章的研究为更合 理的进行工程设计与施工提供理论依据。 第一节单桩桩身侧摩阻力分布