（岩土工程专业论文）沉箱钢管桩逆作法复合基础水平承载性能试验研究.pdf

m o d e lt e s ts t u d yo nt h e l a t e r a lb e a i u n gp r o p e r t i e so f c o m p l e xf o u n d a t i o n so f c a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w n o r d e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n gz h a o s u p e r v i s e db y p r o f g o n gw e i m i n g c o l l e g eo f c i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n2 0 1o 东南大学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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，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，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 0 2 ) 为依 合基础的 水平静载 法复合基 础水平承载性能进行分析研究，主要工作如下： 1 通过对沉箱钢管桩逆作法复合基础的水平静载荷室内试验数据的处理分析，研 究逆作法复合基础的水平承载性能； 2 采用m a t l a b 编写的m 法和p - y 曲线法计算程序对单桩、带沉箱单桩、单桩逆 作法复合基础进行分析，与室内试验实测数据对比表明：o m 法计算得到的力作用点位 移、桩身位移、最大弯矩点深度与实测结果吻合良好，但在弯矩最大值的计算上，带沉 箱单桩、单桩逆作法复合基础计算误差要大于单桩；在力作用点位移、桩身位移计算 上，p - y 曲线法计算误差大于m 法计算误差，在最大弯矩值、最大弯矩点深度计算上， p - y 曲线法计算误差与m 法计算误差相当；现有p - y 曲线法均未考虑竖向荷载对浅层 土体本构的影响，在单桩逆作法复合基础计算上误差较大； 3 依据现有的p - y 曲线计算公式、本文单桩逆作法复合基础水平静载荷试验数据和 收集到的桩基水平静载试验数据，提出了适用于黏性土中逆作法复合基础的p - y 曲线经 验公式，并用本文的试验进行验证： 4 根据逆作法复合基础的特点，提出了适用于沉箱钢管桩逆作法复合基础的水平 承载力计算公式，并用本文的试验进行验证，同时采用该方法对琼州海峡跨海通道沉箱 钢管桩逆作法复合基础原型方案水平承载性能进行分析； 5 采用有限差分软件f l a c 3 d 对沉箱钢管桩逆作法复合基础水平承载性能进行数 值分析，并与室内试验结果进行对比，以验证该软件模拟计算的可靠性。 关键词：沉箱钢管桩逆作法复合基础水平荷载室内模型试验p - y 曲线f l a c 3 d a b s t r a c t m o d e lt e s ts t u d yo nt h el a t e r a lb e a r i n g p r o p e r t i e so fc o m p l e xf o u n d a t i o n so f c a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e r g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f g o n gw e i m i n g d e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h es u b j e c tw h o s ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n di sc o n s t r u c t i o no ft r a n s q i o n g z h o us t r a i t s b r i d g er e l i e so nt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a np r o j e c t s ( 8 6 3 p l a n ) ( p r o j e c t n u m b e r ：2 0 0 7 a al lzl0 2 ) f u r t h e rd i s c u s s e dt h es t r e s sm e c h a n i s mo fc o m p l e xf o u n d a t i o n so f c a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e ri nd e e pw e a k g r o u n da n dd e e pw a t e ro fd e p t ho v e rf i f t y m e t e r s w i t hi n d o o rm o d e lt e s t t h el a t e r a lb e a r i n gp r o p e r t i e so fc o m p l e xf o u n d a t i o n so f c a i s s o n - s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e rw a ss t u d i e d t h em a i nw o r ki sa sf o i l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gt e s t i n gd a t ao fc o m p l e xf o u n d a t i o n so fc a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w n o r d e ru n d e rl a t e r a ls t a t i cl o a d t h eb e h a v i o ro ff o u n d a t i o nu n d e rl a t e r a l l o a di ss t u d i e d 2 t h ep r o g r a m si n c l u d i n gmm e t h o da n dp - ym e t h o da r ew o r k e do u tw i t hm a t l a b l a n g u a g e s i n g l ep i l e ，s i n g l ep i l ew i t hc a i s s o na n dc o m p l e xf o u n d a t i o no fc a i s s o n s i n g l es t e e l p i l ei nt o p d o w no r d e ru n d e rl a t e r a l l o a di sa n a l y z e db ym m e t h o da n dp - ym e t h o d c o m p a r e d w i t ht h er e s u l t so ft e s t ，t h ef o il o w i n gr e s u l t sc a nb ec o n c l u d e d ：( 1 ) t h ed i s p l a c e m e n to ft h e a c t i o np o i n ta n dp i l eo fl a t e r a li o a dc a l c u l a t e db ymm e t h o da r ei ng o o da g r e e m e n tw i t h t e s t i n gd a t a b u te r r o ro ft h em a x i m a lm o m e n to fs i n g l ep i l ew i t hc a i s s o ni sm a x i m a l ；( 固t h e e r r o ro ft h ed i s p l a c e m e n to ft h ea c t i o np o i n to fl a t e r a li o a da n dt h ed i s p l a c e m e n to fp i l e c a l c u l a t e db yp - ym e t h o di sw o r s et h a nt h ee r r o ro fc a l c u l a t i o nb ymm e t h o d b u tp r e c i s i o no f c a l c u l a t i o no ft h em a x i m a lm o m e n tb yp - ym e t h o n da n dmm e t h o di sc l o s e ；( 固t h ec o m p l e x f o u n d a t i o no fc a i s s o n s i n g l es t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e ru n d e rl a t e r a li o a d c a l c u l a t e db y p r e s e n tp - ym e t h o di sn o ta p p r o p r i a t e 3 a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp - yc u r v em e t h o d ，t e s t i n gd a t ao fc o m p l e xf o u n d a t i o n su n d e r l a t e r a ls t a t i cl o a da n dc o l l e c t e dt e s t i n gd a t ao fp i l eu n d e rl a t e r a ls t a t i cl o a d e m p i r i c a lf o r m u l a o fp - yc u r v ef o rc o m p l e xf o u n d a t i o no fc a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e ri nc o h e s i v es o l l w a sc a r r i e do u t t h e nt h ef o r m u l aw a sv a l i d a t e db yt e s t i n gd a t ai nt h ep a p e r 4 t h ee m p i r i c a lf o r m u l aa p p l i e do nc a l c u l a t i o no fc a r r y i n g c a p a c i t yo fc o m p l e x f o u n d a t i o no fc a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e rw a sc a r r i e do u t t h ef o r m u l aw a sv a l i d a t e d b yt e s t i n gd a t ai nt h i sp a p e r , t h e nt h eb e h a v i o ro fc o m p l e xf o u n d a t i o no fc a i s s o n s t e e ip i l ei n t o p d o w no r d e ru s e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft r a n s q i o n g z h o us t r a i t sb r i d g ew a sa n a l y z e d 5 u s i n gf l a c p r o g r a mt oa n a l y z et h eb e h a v i o ro fc o m p l e xf o u n d a t i o n so f c a i s s o n s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e ru n d e rl a t e r a l i o a d a n dc o m p a r i n gw i t ht e s t i n gd a t a k e yw o r d s ：c o m p l e xf o u n d a t i o no fc a i s s o n - s t e e lp i l ei nt o p d o w no r d e r ；l a t e r a ll o a d ；m o d e l t e s t ；p - yc u r v e ；f l a c 3 d 2 1 1 试验目的4 2 1 2 试验方案4 2 2 试验仪器、设备及装置5 2 2 1 试验场地及试验材料5 2 2 2 试验装置7 2 3 试验加、卸载及量测方法一8 2 3 1 加载与卸载8 2 3 2 量测方法8 2 4 试验过程8 2 5 单桩水平荷载试验9 2 5 1 荷载位移关系9 2 5 2 桩身弯矩1 0 2 5 3 桩身位移1 1 2 5 4 土抗力分布。ll 2 6 沉箱水平荷载试验1 3 2 7 带沉箱桩基础的水平荷载试验l3 2 7 1 荷载位移关系1 4 2 7 2 弯矩分布规律15 2 7 3 桩身位移1 7 2 7 4 土抗力分布，l9 2 8 沉箱钢管桩逆作法复合基础组合加载试验2 0 2 8 1 荷载位移关系2 0 2 8 2 弯矩分布规律2 2 2 8 3 桩身位移2 4 2 8 4 土抗力分布一2 6 2 9 群桩效率分析2 8 2 1 0 本章小结。3 0 第三章沉箱钢管桩逆作法复合基础水平承载理论分析与研究3 l 3 1 水平承载单桩的计算方法3l 3 1 11 7 法3l 目录 3 1 2p y 曲线法3 4 3 2 单桩、带沉箱单桩、单桩逆作法复合基础计算结果3 8 3 2 1m 法计算结果3 8 3 2 2 p - y 由习线法计算结果4 0 3 2 3 单桩逆作法复合基础p 吵曲线拟合公式计算4 2 3 3 带沉箱群桩和群桩逆作法复合基础水平承载理论研究4 5 3 3 1 群桩效率法4 6 3 3 2p ，曲线折减法4 9 3 3 3 地基系数折减法4 9 3 4 逆作法复合基础水平承载力计算方法5 0 3 5 本章小结5 2 第四章沉箱钢管桩逆作法复合基础水平承载数值模拟分析5 3 4 1 拉格朗日法和f l a c 3 d 软件简介5 3 4 1 1 拉格朗日法简介5 3 4 1 2f l a c 3 d 软件简介【5 7 】5 3 4 2 竖向模型试验数值模拟模型的建立5 4 4 3 水平向模型试验结果验证与分析5 6 4 3 1 模型的建立。5 6 4 3 2 模型试验结果验证与分析。5 6 4 4 本章小结6 2 第五章结论与展望6 3 5 1 主要成果总结6 3 5 2 研究展望6 4 致谢6 5 参考文献。6 6 作者简介6 9 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 按照国家高速公路网络规划的总体要求 1 1 ，渤海湾、台湾海峡、琼州海峡等都 将修建跨海通道，而跨海桥梁是解决跨海峡通道最有竞争力的手段。由本课题研究单位 等组成的联合体已完成了琼州海峡跨海通道规划研究，目前正着手进行琼州海峡跨海通 道的预可行性研究。琼州海峡建设条件最好的西线通道水深超过5 0 m 的水域宽度约有 6 k m ，地基软土覆盖层厚度达3 0 0 m 以上，受水深条件、软土地基及船撞力等控制，传 统的群桩、沉井等深水基础已很难适应琼州海峡通道的建设条件，国外仅希腊r i o n 大桥 ( 主跨5 6 0 m ) 成功应用了沉箱和桩的复合基础，该桥一个基础设置了2 5 0 根直径2 m 的 钢管桩，基础规模巨大。琼州海峡主通航孔桥跨径在1 2 0 0 - - 2 5 0 0 m 之间，r i o n 大桥的基 础型式已难以适应琼州海峡桥梁建设要求。为此课题组提出一种新型桥梁基础i 、沉箱 钢管桩逆作法复合基础。 本文研究的目的是通过沉箱钢管桩逆作法复合基础室内模型试验、水平承载桩理 论研究和三维数值计算全面分析和研究逆作法复合基础水平承载性能，为今后沉箱钢 管桩逆作法复合基础设计应用提供依据。 1 2 沉箱钢管桩逆作法复合基础简介i l j 1 2 1 沉箱钢管桩逆作法复合基础的基本概念 逆作法复合基础在高层建筑基础中有所应用。 传统的桩基设计中建筑物荷载均由桩基承担，认为天然地基即桩问土不承担荷载。 而实际观测到桩基的桩间土分担了部分荷载，承台已直接参与工作，建筑物的实有安全 系数大大超过设计值。设计中考虑桩土共同作用，使桩间土分担部分外荷载，是桩基优 化设计、降低造价的重要途径之一。 为了解决琼州海峡深水厚覆盖层的沉降问题，并降低工程造价本课题借鉴高层建筑 逆作法基础，提出“水下巨型沉箱+ 钢管桩的逆作法复合基础”概念。主要设计思路为， 在陆地预制巨型沉箱基础( 桩位预留孔洞) 一海床清淤、抛石形成垫层一沉箱浮运、下 沉、接高直至海床面一沉箱内钢空腔灌水一完成沉箱顶板浇筑一桥塔及上部结构施工一 上部结构施工的同时，通过预留孔洞水下沉桩( 钢管桩与沉箱连接前，沉箱承受全部荷 载) 一上部结构施工完成后，抽空钢空腔内的水，钢管桩与沉箱连接为整体( 钢管桩参 与共同受力) 。 1 2 2 沉箱钢管桩逆作法复合基础的优点 在深水软土的条件下，桥梁基础采用沉箱一钢管桩逆作法复合基础有如下优点： 考虑桩土一沉箱共同作用，沉箱基础承受竖向荷载，钢管桩控制基础沉降并与沉 箱共同参与抵抗水平荷载，两者分工协调，力学模型清晰明确； 在完成沉箱施工后，上部结构施工和钢管桩的沉桩同时进行，从而有效地缩短了 施工周期；灌水的沉箱在施工期间可完成较大的沉降，以发挥海床的承载力，因此钢空 腔的浮力可抵消约5 万吨的竖向力，可大大减少钢管桩的数量。 东南大学硕士学位论文 采用逆作法的深水软基复合基础可有效控制沉降，使工后沉降显著减小，较好地 满足结构功能要求。 1 3 水平承载桩计算方法现状 水平承载桩的计算方法【2 】根据地基的不同状态分为极限地基反力法、弹性理论法( 包 含弹性地基反力法) 、弹塑性地基反力法；根据得到的途径分为经验法、理论法，理论 法有可分为解析法、半解析法、数值分析法等。 雷斯( 1 9 3 6 ) 【3 j 首先假定桩侧土地基反力为现行分布，根据作用在桩上的外力及其 平衡条件求解桩的水平抗力，此即为极限地基反力法。冈部( 1 9 5 1 ) 、布罗姆斯( b r o m s ， 1 9 6 4 、1 9 6 5 ) 、斯奈特科( s n i t k o ) 相继提出了不同的地基反力线性分布形式。物部( 1 9 5 2 ) 和恩格尔则提出了地基反力假定为2 次曲线分布的极限地基反力法。日本港湾构造物 设计标准( 1 9 6 8 ) 则假定地基反力为任意分布( 部分近似为直线) ，提出挠曲曲线法。 上述方法适用于刚性桩的计算，对于实际工程中应用较多的弹性桩并不合适。将桩 作为竖放在弹性地基上的梁按文克尔( e w k n k e r ) 假定进行求解，是最早提出、也是研 究最多的方法。中国学者张有龄( 1 9 3 7 ) 假定水平地基系数沿深度为常数，求出弹性长 桩内力和位移分析的解析解，通常称为常数法，也有称为张氏法或c 法。该法曾流行过 段时问，但假设的条件不够合理，现逐渐不用。b 安盖尔斯基( 1 9 3 7 ) 提出k 法： 假定地面处水平地基系数为零，沿深度逐渐增大( 增大深度未给出，一般按凹形抛物线 考虑) ，到桩身第一弹性零点处增人到k ，再往下则为常数。该法也曾在我国广泛应用， 目前也因其存在不足而逐渐不用。k c 西林( 1 9 6 2 ) 提出了水平地基系数由地面处为零 沿深度线性增加的m 法，是目前应用较广的方法。久保( 1 9 6 4 ) 提出假定水平地基系数 随深度的0 5 次方( 沿凸抛物线) 增加，1 9 7 4 年我国交通部组织的钻孔桩研究协会组根 据桩基实测结果分析，推荐采用该法，称为c 法，但此法未得到推广。横山幸满( 1 9 7 7 ) h j 和王伯惠( 1 9 7 8 ) p 】分别给出了水平荷载下基桩挠度曲线微分方程的通解，可以考虑 水平地基系数随深度变化的指数为任意数值的情况。吴恒立( 2 0 0 0 ) 提出综合刚度原理 和双参数法，将水平地基系数随深度变化的指数也作为待定参数，通过两个待定参数的 调整使计算结果更好地符合实际情况。 对于非线性地基，采用文克尔地基难以正确表达。日本港湾研究所的久保( 1 9 6 4 ) 和林宫岛( 1 9 6 3 ) 假设土抗力与水平位移的0 5 次方成正比，提出了分别适用于s 型地 基和c 型地基的计算方法，统称为港研法。马特洛克( m a t l o c k ) ( 1 9 7 0 ) 【6 j 与里斯考克 斯( r e e s e c o x ) 7 - s 等人( 1 9 7 4 ) 在试验和麦克莱伦特( m o c l e l a n d ) 的研究基础上，提 出了根据土工指标求得桩的实际应力应变关系的p y 曲线法。此法目前已成为流行的 计算方法。韩理安( 1 9 9 9 ) 【2 j 根据国内众多的现场试桩资料进一步完善了p y 曲线的土 抗力分布形式，采用相似理论的计算方法提出了n l 法，该法已纳入港口工程桩基规 范( j t j 2 5 0 9 8 ) 局部修训w 。 水平荷载作用下群桩的工作性状与单桩有较大不同，其计算方法的研究也较多。波 洛斯( p o u l o s ) 利用弹性理论的明德林解来求得群桩中各桩的相互影响系数。福奇特 ( f o c h t ) 将p y 曲线与弹性理论结合起来，利用p y 曲线法计算单桩的水平位移来考虑 桩土体系荷载位移关系的非线性性质，利用弹性理论考虑群桩中各桩的相互作用。布隆 ( b r o w nd a ) 和杨克己则用p y 曲线折减系数法考虑群桩效应的影响。采用群桩效率法 2 蔓二垦堑堡 考虑群桩效应的研究也比较多。玉置修( 1 9 7 1 ) 、宫本、明纳斯基( z n a m e n s k y ) 、刘金 砺( 1 9 9 0 ) f l o l 等分别提出了效率系数的计算方法。韩理安( 1 9 8 4 、1 9 8 6 ) 1 2 j 利用极限平 衡条件推求处水平承载力的群桩效率，2 0 0 0 年又提出了利用水平地基系数的折减系数计 算群桩的地基系数折减法，该法已纳入港口工程桩基规范局部修订【9 1 。 水平承载桩同时承受竖向荷载( 或直桩承受倾斜荷载) 时，作用较为复杂。横山幸 满( 1 9 7 7 ) 给出了地基系数为常数时基桩在倾斜荷载作用下的解答。范文田( 1 9 8 6 ) 在 上述解答的基础上，进行了理论分析。赵明华( 1 9 8 7 ) 在m 法的假设摹础上导得了轴向 与横向荷载综合作用下柔性桩的解析解，并与侯运秋等人( 1 9 9 9 ) 一起进一步提出了相 应的简化解法。梅耶霍夫( m e y e r h o f ，1 9 7 6 、1 9 8 3 ) 和塞斯崔( s a g r y ，1 9 9 0 ) 分别讨 论了倾斜荷载作用下柔性桩的极限承载力及其受力特性。韩理安( 1 9 8 6 ) 和刘金砺( 1 9 9 0 ) 考虑了小位移情况下竖向荷载对提高水平承载桩抗拔和抗弯能力的有力作用。 1 4 本文主要研究内容 1 通过对沉箱钢管桩逆作法复合基础水平静载荷试验数据的处理分析，研究逆作 法复合基础的水平承载性能： 2 采用m a t l a b 编写的m 法和p y 曲线法对单桩、带沉箱单桩、单桩逆作法复合基 础进行分析，并与室内试验实测数据对比； 3 依据现有的p j y 曲线计算公式、本文单桩逆作法复合基础水平静载荷试验数据和 收集到的桩基水平静载试验数据，提出了可适用于黏性士中可考虑竖向荷载对浅层土体 本构影响的逆作法复合基础p ) ，曲线经验公式，并用本文的试验对其进行了验证； 4 采用有限差分软件f l a c 3 d 对逆作法复合基础水平承载性能进行数值计算，并与 室内试验结果进行对比，以验证该软件模拟计算的可靠性。 东南大学硕士学位论文 第二章沉箱钢管桩逆作法复合基础水平承载模型试验研究 在桥梁工程中，基础除了要承受较大的竖向荷载外，往往由于波浪力、风力、震动 力、船舶撞力以及车辆荷载的制动力等原阂使得基桩承受较大的横向荷载。在过去很长 一段时间内，对于桩基础的研究更关注于其在竖向荷载作用下的工作特性，对水平荷载 作用下桩的受力和变形特性的研究相对较少。而截至目前，国内外对逆作法复合基础这 种新型基础的水平向承载性能的研究还未见诸于文献报道。为此，设计并制作了一系列 模型试件，对水平荷载作用下的沉箱钢管桩逆作法复合基础进行研究。 2 1 试验目的和方案 2 1 1 试验目的 ( 1 ) 通过单桩水平荷载试验，研究桩顶自由的单根钢管桩在水平荷载作用下承载性 能； ( 2 ) 通过带沉箱的单桩、两桩及四桩基础的水平荷载试验，研究在水平荷载作用下 的沉箱钢管桩基础的水平承载性能、沉箱对桩的约束作用和对钢管桩承载力的影响， 以及桩距为6 倍桩径的条件下桩与桩之间的相互影响； ( 3 ) 通过单桩逆作法复合基础、两桩逆作法复合基础、四桩逆作法复合基础试验， 用于研究同时作用有竖向荷载和水平荷载时的逆作法复合基础水平承载性能的变化。 2 1 2 试验方案 本次水平向模型试验共制作了7 个模型试件，包括：l 根单桩，带沉箱单桩、两桩及 四桩基础各1 个，单桩、两桩及四桩逆作法复合基础各1 个。具体试验分组情况列于表2 1 。 表2 1模型试验分组情况单位：m n l 水平向荷载试验分别按如下具体方案进行： ( 1 ) 水平荷载作用下的单桩试验。将桩压入土中静置7 天后，通过特制量程为1 0 k n 液压千斤顶施加加载，位移传感器测量桩顶、加载点及泥面处位移，用于研究单桩在水 平荷载作用下，桩顶自由情况的承载性能： ( 2 ) 水平荷载作用下的沉箱钢管桩基础试验。首先安置好沉箱，再通过沉箱顶面 预留的桩孔将钢管桩压入，然后进行沉箱与钢管桩的封桩，封桩完成后，利用钢筋混凝 土试验槽的槽壁作为反力支撑，在沉箱侧面中点处逐级施加水平荷载，带沉箱两桩基础 沿沉箱长边方向施加水平荷载，通过位移传感器测量沉箱项面竖向位移，沉箱侧面力作 4 垩三童塑笪：塑笪苎望堡鲨塞全茎型查兰墨垫堡型堕墅翌壅 用方向的水平位移，研究水平荷载作用下，带沉箱时钢管桩单桩及群桩的水平承载性能。 ( 3 ) 水平+ 竖向组合荷载作用下的逆作法复合基础试验。首先进行竖向荷载的施加， 按第三章所述的竖向荷载作用下逆作法复合基础的试验步骤分别完成压桩、封桩过程， 封桩完成后，当竖向荷载达到预定加载值时，保持竖向荷载不变，再在沉箱侧面逐级施 加水平荷载，通过位移传感器测量沉箱顶面竖向位移，沉箱侧面水平位移，研究桩顶嵌 固程度、竖向荷载作用对基础水平承载性能的影响。 2 2 试验仪器、设备及装置 2 2 1 试验场地及试验材料 ( 1 ) 混凝土试验池 在单一均匀土体中进行试验更有利于准确探求一般规律，试验选择在独立的3 m 3 m x 4 5 m 的混凝上池中进行，如图2 1 所示。与池壁相连的是钢反力架，能提供2 0 0 t 的 反力，对池中的土体不产生影响。 图2 1 试验池实物图 ( 2 ) 模型桩 根据试验场地，加载设备确定模型几何相似比为l ：5 0 ，i i p l m ：l p = l ：5 0 ，本试验主要 模拟的是直径2 m ，2 5 m m 壁厚，长细比为4 0 ，桩长8 0 m ，最大桩间距为6 d ( 桩直径) 钢 管桩。 桩采用薄壁钢管模拟，弹模约为e 2 1 2 g p a ( 由试验实测所得) ，直径为d = 4 0 m m ， 壁厚0 8 m m ，桩长为1 6 0 0 m m ，由于桩采用后压入的方式进入土中，为了保证压桩过程 中应变片和导线不损坏，需将桩沿桩长方向剖开，将应变片及导线布置在钢管内壁，并 采用强力a b 胶保护，该类型胶具有粘结牢固，密封性好，防高温等优点，待胶体凝固 后，用小型电焊机将两半桩点焊合成一整体，经强度试验，焊接后焊缝强度满足要求， 焊缝与桩体变形一致，满足试验要求。此外，在桩顶位置焊有圆板形桩帽，桩帽顶面刻 有深7 m m ，宽1 2 m m 的槽，保证压桩过程中，千斤顶置于桩帽上，导线不被压坏，桩实 体如图2 2 所示。 图2 2 桩内壁贴应变片、涂胶及桩实物图 5 东南大学坝士学位论文 ( 3 ) 沉箱 原型设计的逆作法复合基础中的沉箱基础为绝对刚性体。为了保证试验模型中沉箱 相对桩的刚度为绝对刚性，试验采用6 0 m m 厚的钢板模拟沉箱，实测数据表明沉箱刚度 满足绝对刚性要求。 ( 4 ) 土的模拟 图2 3 重力夯分层夯实土样 本系列试验采用粉质粘土为试验土，填土厚度为4 m 。每填2 0 c m 用8 0k g 的重力夯( 如 图2 3 所示) 将土分层夯实，严格控制土的含水量、每层填土的高度与夯实后的高度，以 保证土样的均匀性。 ( 5 ) 试验加载系统 通过刚性反力架和混凝土池鼙用电动油压千斤顶进行加载，加载值由精密油压表控 制。如图2 4 所示。 图2 4 加载系统电动油压千斤顶和油泵 ( 6 ) 数据采集系统 试验采集数据有桩身各截面应变、桩顶位移、桩侧位移、沉箱板顶竖向位移、沉箱 侧水平位移。其中，应变和土压力数据采用d h 3 8 1 6 静态应变采集仪采集，各位移沉降 数据采用d y 2 0 位移采集仪采集。试验数据最终通过计算机自动采集、显示和处理。如 图2 5 所示。 6 试验加载精度。 进行水平+ 竖向组合荷载作用下的逆作法复合基础试验时，由于沉箱顶面作用有竖 向荷载，为保证在水平荷载施加的过程中，竖向千斤项施加于沉箱顶面的力的作用点位 置始终保持不变，需保证竖向千斤项与反力架之间能够自由滑动。在千斤顶顶面制作一 圆钢板，与千斤项连为一体，圆钢板顶面刻有深5 m m 圆形凹槽，内填入o s m m 的钢珠( 如 图2 8 所示) ，钢珠与上部反力架相接触，水平荷载作用时，钢珠能自由滚动，竖向千斤 项随沉箱一起发生水平位移，从而保证了竖向加载点的位置始终不变。 图2 7 水平向荷载试验用千斤项 7 东南大学硕士学位论文 图2 8 滚动支座 2 3 试验加、卸载及量测方法 2 3 1 加载与卸载 水平向荷载试验加载方法可分为单循环连续加载法和多循环加载法两大类。采用多 循环加载法是为了模拟实际结构物的受力形式，但由于实际荷载情况异常复杂，很难达 到预期目的。此外多循环荷载的施加给位移特别是内力的测量带来许多不稳定的因素， 大大影响测试精度。因此本试验采用单循环连续加载法，每级荷载加载量为预估最大荷 载的i 1 0 ，每级卸载量为加载量的二倍。加载每级维持2 0 m i n ，卸载每级维持l o m i n ，每 间隔5 m i n 钡1 读一次。卸载到零荷载时维持3 0 m i n ，间隔l o m i n 测读一次。 2 3 2 量测方法 水平向试验量测内容主要包括位移和桩身应变的采集。位移采用电子位移传感器测 量，数据经电脑采集后自动记录。电阻应变片选用基底为8 x 4 4 m m 、电阻值为1 2 0 0 2 q 、具有一定防水性的聚胺脂精密级应变片，应变片测试灵敏系数为2 0 8 。用5 0 2 胶水粘 贴。测出应变后，经计算和修正得到桩身弯矩、桩身挠度等。应变片采用半桥接线法， 水平荷载试验中对每根桩位于泥面下6 0 c m 范围内区域的应变片进行加密，并在压桩之前 对桩测量截面的抗弯刚度进行了整桩率定，应变片布置如图2 9 所示。本试验模拟的钢 管桩需通过沉箱预留桩孔压入土体中，桩顶露出泥面6 c m 。 桩顶桩底 (- 图2 - 9 应变片布置示意图( 单位：c m ) 2 4 试验过程 根据前述的试验方案和加载方法进行加载试验，加载过程中同时对试验现象进行观 察( 土体表面变化特征等) 。部分试验过程照片如图2 1 0 所示。 8 ( c ) 单桩逆作法复合基础c f t 0 1 组合加载( d ) 两桩逆作法复合基础c f t 0 2 组合加载 图2 1 0 水平试验照片 2 5 单桩水平荷载试验 作为后续试验研究与分析的基础，首先进行了单桩水平荷载试验。单桩入土深度为 1 6 m ，泥面以上自由段长度为0 2 m ，加载过程中分别对桩身应变，桩顶位移、泥面及力 作用点的位移进行了测量。通过对数据的整理和分析可得以下成果： 2 5 1 荷载位移关系 由位移传感器可测得每级荷载作用下的力作用点的位移，同时根据桩身各截而应变 片数据，按桩的挠曲线可推导出公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，计算出桩身各测量截面的转角及 水平位移值。图2 1 l 所示为单桩的作用点力( 日) 与力作用点位移( 功) 关系曲线。从 图中可看出，实测的纾如曲线与由应变片计算所得的曲线基本重合，表明桩身应变测 试数据是可靠的。 ， q + l = e 一( t + l + ) j ( 2 - 1 ) = 只州- ( 钆+ 2 ) 丢 ( 2 2 ) 东南大学硕士学位论文 式中：a c , 、+ l 分别为f 、i + 1 断面弯曲应变； q 、只+ i 分别为f 、i + 1 断面转角； 只、只+ 。分别为f 、i + 1 断面横向位移； t f 单元的长度。 4 0 3 5 0 z 2 5 董：。 宰1 5 1 o 0 5 o - o 02468l o1 21 4 力作角点鲍位移j 备m 皿 图2 - 1 1 桩的挠曲线图 图2 1 2，关系曲线 从图2 1 2 可看出，桩顶自由时，钢管桩在水平荷载作用下的i 关系曲线没有 明显拐点，钢管桩具有很好的抗水平力性能，其水平承载力应由水平容许位移控制。当 水平荷载较低时，水平位移较小，这一时期的抗力主要由靠近地面的土层提供，土体处 于弹性压缩阶段。随着水平荷载的增大，桩的变形逐渐增大，力作用点的位移呈现出明 显的非线性增长。 2 5 2 桩身弯矩 在进行试验之前，对所有的试验桩都进行了整桩率定，建立各测试断面弯曲应变与 弯矩之间的关系，试验时可直接根各据测试断面所测得的弯曲应变求得其弯矩值，如图 2 1 3 所示。图2 1 4 为按2 5 4 节介绍方法经过五点滑移公式进行磨光处理后的弯矩图。 弯矩m ( n - m ) 穹矩m ( n 伍) 2 0 002 0 04 0 0600$00 2 0 002 0 04 0 06 0 08 0 0 0 2 一 0 4 置06 搿 墅o 8i 互1 星1 0 麓 1 2 1 4 o 2 一 o f 4 0 6 蓑。： l 厶 墨： 呈1 0 碧 l 一2 1 4 图2 1 3 由应变推算的弯矩图 图2 1 4 光滑处理后的弯矩图 从图中可以看出，弯矩分布有如下特点： ( 1 ) 弯矩沿桩身呈先增大后减小的非线性变化，加载初期，在距泥面下约0 1 5 m l o 蔓三童鎏笪：塑笪笙望堡鎏复全董型查! 垦垡堡型堕墼堕壅 的位置弯矩达到最大值，当水平荷载为3 8 k n 时，最大弯矩点的位置约为泥面以下0 2 m ， 随着荷载的增加，最大弯矩点的位置略有下移。 ( 2 ) 在泥面以下桩长范围内，明显的弯矩零点有两个。在泥面以下约0 7 m 的位置 处桩身弯矩出现第一个零弯矩点，且随着荷载的增加，土体的塑性区逐步向深层发展， 引起第一个零弯矩点也略有下移。在这个零点以下出现反向弯矩，在距泥面以下约l m 的位置，出现第二个弯矩零点，其下范围内的弯矩在整个加载过程中，基本为零，在设 计时可不考虑此部分的桩身弯矩，呈弹性长桩的受力特点。 ( 3 ) 整个加载过程中，弯矩沿桩身呈相似的分布形态，但同一截面弯矩的增量随 荷载增加呈增大趋势，这表明，对于钢管桩而言，只要材料强度许可，一般应以结构的 泥面位移来控制桩的承载力。 2 5 3 桩身位移 由测试得到的各断面弯曲应变按式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可推算得桩的挠曲线图，如图 2 - 1 5 所示。由图2 1 6 已知，推算得到泥面处挠曲线与实测值符合较好，表明所求得的 挠曲线有足够精度。由图3 - 9 桩身水平位移沿深度分布规律可看出，桩体发生侧向挠曲 的区域主要为桩身上半段区域，桩身水平位移存在两个位移零点。最大的水平位移发生 在桩顶处，随着深度的增加，水平位移迅速减小，在约0 4 m ( 1 0 d ) 深度处，出现第一 个位移零点，该位移零点随着荷载的增加逐渐下移至约0 5 m 处。在第一个位移零点以 下，桩身发生微小的反向挠曲，直至在约o 8 m 深度处出现第二个位移零点。由于第一 个位移零点以下位置，桩身的水平位移都很小，因此可将这个零点的深度作为单桩水平 位移的影响深度，在此深度以下的土层对桩的位移影响较小，而在影响深度以上的各个 深度处桩的水平位移将随着深度的减小、荷载的增加而增大。 位移( r a m ) 抗力( k p a ) - 2 02 4 681 01 21 4 2 0 01 0 001 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 。v v 一 o 2 0 4 ；06i f 1 0 8 t ；1 o i - 1 2 1 4 16 o 2 一 ； 鍪n 墨 g 翟 1 上j l _ 4 图2 1 5 桩身挠曲线图图2 1 6 桩侧土抗力分布 2 5 4 土抗力分布 要求得桩在各级荷载作用下所受到的土抗力p 的分布曲线，目前行之有效