（岩土工程专业论文）大直径桩竖向荷载传递理论分析.pdf

摘要 摘要 超高层、大跨度建筑的发展要求提高基础的承载力，为大直径桩的应用与研 究提供了契机。大直径桩不但具有很高的承载力和较小的变形，而且还具有使用 灵活、计算简洁、施工方便、节省材料等优点，因而被工程上日益广泛地采用为 首选的深基础型式。通过理论分析研究新的确定大直径单桩竖向承载力的计算方 法以指导工程实践，具有非常重要的实际意义。 由于大直径桩的荷载传递机理和变形特征与普通中、小直径桩存在着明显的 差异，因此，用中、小直径桩计算理论来分析大直径桩是不合适的。正是由于大 直径桩的承载力很高，因而对大直径桩的现场试验研究受到诸多限制，使得试验 成果和经验资料相对较少，理论研究也就相对滞后。本文在结合以往的试验成果 及试验数据的基础上，基于国内外关于大直径桩问题的研究现状，对大直径桩的 竖向荷载变形机理进行了研究，分析了大直径桩的工作性能及单桩的荷载传递机 理，讨论了对单桩在竖向荷载作用下的传递性状以及桩侧阻力和桩端阻力的影响 因素和它们之间的相互强化影响。 本文以剪切位移法为基础，考虑桩一土共同作用，并结合荷载传递系数法和 弹性理论法，推导出了在多层地基中大直径桩的荷载传递矩阵，在桩端应用双曲 线荷载传递模型来考虑土的非线性影响，考虑桩端土的尺寸效应，对加载过程中 土的剪切模量进行了修正，并对模型中的参数进行了分析讨论。 结合工程实例采用荷载传递矩阵计算了多层地基条件下桩的荷载一沉降曲 线，且与实测结果符合较好，该方法较好地吸收了剪切位移法、荷载传递系数法 和弹性理论法的优点，并能考虑多层地基和土的非线性变形特点，同时利用该方 法对影响荷载沉降曲线的参数进行了分析，证明该方法对大直径桩竖向承载力计 算的可行性，验证了理论的合理性。 关键词大直径桩荷载传递桩侧摩阻力桩端阻力荷载传递矩阵 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v e l o p m e l l t so fs u p e rh i g h s eb u i l d i n g s 卸dl a 唱es p a l lb u i l d i n g sd e m a n d i m p r o v 锄e n t so fb e a r i n gc 印a c i t yo ff o u n d a t i o n s ，w h i c hp r o v i d eo p p o r h 】n i t i e sf o r a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fl a 玛ed i 锄酏e rp i l e s l a 唱ed i 锄e t e rp i l e sn o t0 n l yh a v e b 瞰e rs 仃0 n gv e n i c a l l y1 0 a d e db e 撕n gc 印a c i t ) rw i t hl e s sd e f o n i l a t i o n ，b u ta l s oh a v e s o m eo t h e ra d v a n t a g e s ：f l e x i b l ei na p p “c a t i o n ，s i m p l ei nc a l c u l a t i o n ，c o n v e n i e n tf o r c o n s t n l c t i o n ，a n de c o n o m i c a li nm a t 丽a l sc o n s 啪p t i o n ，e t c ，s ol a 唱ed i a m e t e rp 订e s a r ew i d e l yu s e da st h ef i r s tt y p eo fd e e pf o 帅d a t i o n si ne n 百n e e r i n g i ti sm u c hm o r e s i g n i f i c a n tt od e c i d et h er e a s o n a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o do fv e n i c a l l yl o a d e db e 撕n g c 印a c i t yt h r o u 曲m e o r e t i c a lr e s e a r c hw h i c hc 锄b eu s e di ne n g i n e e n gp r a c t i c e i ti si m p r o p e rt oa n a l y s el a 唱ed i a m e t e rp i l e sw i t ht h et h e o r yo fm e d i u m s m a l l d i a m e t e rp i l e sd u et ot h eo b v i o u sd i f 琵r e n c e si nt h em e c h a n i s mo f1 0 a dt r a n s f e ra n d d e f o 咖a t i o nc h a r a c t e r sb e t w e e n1 a r g ep i l e sa n dc o m m o nm e d i u m s m a l ld i a m e t e r p i l e s t h es i t et e s t i n gc a nb er e s 研c t e dj u s tb e c a u s eo ft h es 仃o n gv e n i c a l l yl o a d e d b e a n gc a p a c i t ) ，w h i c hc a nl e a dt or e l a t i v e l yl e s st e s td a t a ， a sw e l la st h er e l a t i v e 1 a gf o rt h ea c a d 锄i qr e s e a r c h ，w i t ht h ef o m e re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd a t a ，t h et h e s i s h a sa na 1 1 a l y s i s0 nt h ev e i t i c a l l y1 0 a d e dd e f o m l a t i o nm e c h a n i s mo fl a 唱ed i 锄e t e r p 订e s b a s e do nd o m e s t i ca n df o r e i g nt h er e s e a r c ho ft h es t a t u sq u oo nt h ep r o b l 锄so f l a 玛ed i 锄e t e r sp i l e s ， t h ew o r k i n gb e h a v i o u ra n dt h em e c h a n i s mo f1 0 a dt r a n s f e ro f l a 唱ed i 锄e t e rp i l e sa r ed i s c u s s e d ，as t u d yi sm a d eo nt h ei n f l u e n c ef a c t o r sw h i c hc a n h a v ea ne f f e c to nt h el o a dt r a n s f e rc h a m c t e r s ，p i l es i d e 衔c t i o na n d p i l e e n dr e s i s t e n c e a sw e l l a st 1 1 ee f 绝c t s ，h i c ha r ec a u s e db ys 仃e i l 班h e n e dn l u t u a l l y t h el o a dt r a n s f 酹m a t r i xo fl a 唱ed i 锄e t e rp i l e si n1 a y e r e ds o i l si sd e d u c e d r e l a t e dt 0t h ep i l e s o i li n t e r a c t i o nb a s e d0 nt h em e t h o do fs h e a r - c u td i s p l a c e m e n t w h i c ha r ec 0 m b i n e dw i t ht h ec o e f 辑c i e n tm e t h o do f1 0 a dt r a n s f b r ，a n dt h et h e s i sh a sa l l d i s c u s s i o no nm o d e lp a r 锄e t e r s ，n o n l i n e a ri n f l u e n c eo fs o i li st a k e ni n t oa c c o 加tw i t h m eh y p e r b o l i cm o d e lo fl o a dt r a n s f 醯a tp i l ee 1 1 d ，弱w e l la sm es i z ee f f e c t ，a n dt h e s h e a r - 叫m o d u l a ri sm o d i f i e dd u r i n gv e i t i c a l l yl o a d i n g i n t e 伊a t e dw i mo n ep r q e c t ，1 0 a d 衄n s f hm 撕xi su s e dt oc a l c u l a t et h e 1 0 a d d i s p l a c e m e n tc l h v eo fa1 a 唱ed i 锄e t e rp i l eu n d e rv e r t i c a l l yl o a d i n g ，w h ic _ hi s b e t t e ra c c o r i l e dw i t hm em e a s u r e dr e s u l t s t h em e t h o dc a i lw e l la b s o r bt h e s 仃o n g p o i n t so ft h es h e a r c u td i s p l a c e m e n tm e l o d ， r a _ t i om e t h o do fl o a dt 啪s f e ra i l d e l a s t i ct h e o r e t i c a lm e t h o d ，a n dn o n l i n e a rd e f o n n a t i o nb e l l a v i o r so fl a v e r e d f o u n 捌o n sa n ds o i la r ec o n s i d e r e d ，a n da tt h es 缸n et i m ep a r a m e t e r sw h i c hh a v e e f r e c t so nt h el o a d d i s p l a c 锄e n tc u i 、r ea r ea n a l y s e dw i t ht h i sm e t h o d a 1 1t h e s ec a n i l i 北京工业大学工学硕士学位论文 p r o v et h em e t h o di sf e a s i b l ea n dt h et h e o r ) ，i sr e a s o n a b l et ot h eb e a r i n gc 印a c i t yo f a v e r t i c a l l y1 0 a d e ds i n 9 1 el a 唱ed i 锄e t e rp i l e 1 ( e yw o r d s ：1 a 略ed i 锄e t e rp i l e ，l o a dt r a n s f e r ，p i l es i d e 衔c t i o n ，p i l e e n d r e s i s t a n c e ，1 0 a dt r a n s f e rm a t r i x l v 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：碎牟日期：雌互 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j t 塞工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇粹新躲穆 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 大直径桩按尺寸的分类及其特点 桩是一种埋入土中、截面尺寸比其长度小得多的细长构件，是地基岩土的增 强体。桩基就是把桩和桩周岩土连成一体的地基。桩是增强体，而岩土就是基体， 研究表明桩的承载性状在很多方面与其几何尺寸( 桩直径、桩长) 有关。 对桩按直径进行分类，各国( 地区) 和各专业的分类标准不尽相同，主要施 工习惯及桩型承载性状等不同而区分i lj ，例如，我国香港地区将j 6 0 0 m m 的灌 注桩视为大直径灌注桩；我国建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 将d 8 0 0 m m 的灌注桩视为大直径桩；而在港口工程预应力混凝土大直径管桩设计与施工规 程( j t j j 2 6 1 9 7 ) 中则将d 1 2 0 0 n 埘的预应力混凝土管桩视为大直径管桩；王 伯惠等针对桥梁灌注桩基础，将d 2 5 0 0 m m 的灌注桩定义为大直径灌注桩1 2j 。国 内建筑工程中，大直径桩( l d p s l a r g ed i 锄e t e rp i l e s ) 一般是指直径大于8 0 0 m m 的桩，而在我国桥梁工程上则把直径大于或等于2 5 m 的桩定义为大直径桩。工 程实际中，对于直径大于3 m 的桩，为节约材料，通常做成空心形式，称为大直 径空心桩【2 别。英、美等国在桥梁工程上广泛使用的大直径钻孔灌注桩 ( l d b p s l a r g ed i a m e t e rb 0 r e dp i l e s ) ，一般是指直径超过7 6 0 i i 姗的桩【4 j 。 桩按长度通常分为四类：短桩、中长桩、长桩、超长桩。目前，没有一种严 格的划分界限，有时很难分清楚。一般规定为：桩恤2 0 r 1 1 为短桩，2 0 1 1 1 上 3 5 m 为中长桩，3 5 m l 5 咖为长桩，5 0 m 为超长桩1 5 j 。 由于大直径桩增大了桩侧和桩端面积，从而使得单桩的极限承载能力得到显 著提高，同时，由于桩径的增大，对于同样长径比的桩，可使得桩的设计长度增 大，以解决软土地区浅层不良地质条件下的基础设计问题。近年来，在建筑工程 领域中，很多大跨、高层、重荷载建筑基础广泛采用一柱一桩的大直径桩基形式。 显然，这种基础比通常采用的一柱多桩( 小直径桩) 具有施工方便、节省材料、无 须承台、受力明确和计算简单等优点。在桥梁工程中，更是为了克服水下多桩施 工和承台浇注的困难而广泛采用大直径( 或超大直径) 桩或单桩基础，与传统的中 小直径桩以及大直径钢管桩等相比，大直径桩基础具有以下8 大特剧6 】： 1 、大直径桩( 除大直径钢管桩外) 均为非挤土桩，施工时噪声小、无振动， 对周围环境的影响小，对周围建筑物和构筑物危害小。 2 、如采用大直径人工挖孔桩，则不需要大型设备，施工简单，可以下孔直接 检验桩端土的性质以及桩孔内的土层和岩层性质，采用人工清底，不存在沉渣现 北京工业大学t 学硕上学位论文 象，或作必要的原位试验，这有助于保证桩身质量和桩的承载力。采用大直径桩， 可减少水下作业，加快施工进度，综合经济效益得到显著提高。 3 、大直径桩直径大，入土深，现有机具和人工挖掘都能进入各类地基，且能 把桩嵌入于各类新鲜基岩，这均为打、振、压入式桩所不及。 4 、大直径灌注桩可以采用扩大底部的形式，更好的发挥桩端土的作用。 5 、大直径灌注桩单桩承载力高，随地质条件、桩身尺寸和混凝土强度等级不 同，往往可达数千至数万千牛顿，常可以设计一柱一桩，不需桩顶承台、大大简 化基础结构。 6 、大直径灌注桩除能承受较大的竖向荷载外，由于桩身刚度大，还能承受较 大的横向荷载，增强建筑物的抗震能力；它能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护 桩以及地铁或建筑物地下室基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地下 室的承重墙等永久性结构使用。 7 、大直径灌注桩通常布桩间距大，群桩效应微小，对桩的沉降及其对邻桩和 周围地基的影响，估算也更为简便。 8 、大直径灌注桩，可以采用较小的配筋率，低至o 2 ；它与预制桩相比可节 省钢材1 2 2 3 ，不包括因不需要承台及不致发生截桩等情况而获得的节省。目 前我国大直径桩每立方米桩身造价大约为预制桩的2 3 。同时，根据桩身受力特 点的需要，可设计成变截面或大直径空心形式，更能节约材料，其经济效益也是 十分明显的。 大直径桩与中、小直径桩相比具有很多的优点，同时在荷载传递机理方面也存 在着很大的差异，如表1 1 所示。由于上述差异存在的原因，所以按普通中、小 直径桩理论来分析大直径桩是不合适的。因此，根据大直径桩的变形特点，探索 其荷载传递规律；研究相适应的分析方法和理论是非常必要的，这也正是本研究 的基本出发点。 表1 1 大直径桩与中、小直径桩的主要差异 1 2 大直径桩的发展概况 近代桩基技术起源于1 9 世纪末，其后，桩基技术和桩身材料发生了很大的 变化，2 0 世纪2 0 年代，美国开始采用各种型式的钢桩。2 0 世纪3 0 年代，随着 2 第1 章绪论 混凝土和钢筋混凝土的发展，世界上出现了钢筋混凝土沉管灌注桩。第二次世界 大战以后，美国和日本为了建造石油钻井平台和海港建筑等海洋结构，开始采用 大直径钢管桩和钢筋混凝土钻孔灌注桩。2 0 世纪5 0 年代以后，随着世界各国高 速公路的迅速发展和桩基施工技术的进步，桥梁工程上开始大量采用大直径桩基 础。 大直径桩的发展首先是为适应生产需要，从矿产开掘而逐渐兴起的。据有关 文献资料介绍，早在1 8 世纪，德国用冲击钻和迪转钻先后打出直径为4 5 m 和 1 5 m 矿山钻井至今己有1 4 0 余年。1 9 世纪末，美国开始将大直径桩用于建筑和 水利等基础工程上，并逐渐推广运用。2 0 世纪中叶，南美委内瑞拉首次在马拉 开波法特大桥的基础中采用旋转钻浇注混凝土灌注桩。2 0 世纪7 0 年代初，日本 在本洲一四国联络线的桥梁深基础中采用大直径桩型式( 钻孔直径为3 6 m ) ，并将 桩底置于海底岩层上，之后又于2 0 世纪7 0 年代中期完成了大鸣门大桥，其桥墩 基础为直径达4 m 及7 m 的海底钻孔灌注桩。据文献报道，日本在海洋和港口建 筑中采用的钢管桩，最大直径达2 5 m ，桩长4 5 m ；桩长最大者达2 7 4 5 m ，桩径 1 8 2 9 m ，入土长度达9 6 m 。新加坡从7 0 年代开始，采用大直径灌注桩基础建造 3 0 5 0 层的高层建筑，其中桩径最大者达5 8 m ，桩长达4 0 1 0 0 m ，单桩承载 力达2 0 0 2 5 0 m n ( 2 2 5 万吨) ，1 9 9 2 年，美国采用大直径钻孔灌注桩的工程费 用约为8 亿美元，而到1 9 9 7 年则超过了l o 亿美元，且这一增长主要集中于桥梁 桩基工程领域。在欧洲，非挤土桩与挤土桩的应用比例己接近2 ：3 ，其中大直径 钻孔灌注桩占桩基工程总量的1 5 。迄今挖孔桩的最大直径达8 m ( 如湖南浏阳 天马大桥、奥地利某工程中) ，钻孔桩的直径逾4 m ( 世界多数国家) ，挖孔桩 的入土深度逾4 0 m ( 英国等) ，钻孔桩已逾1 5 0 m ( 日本等) 。 我国自2 0 世纪8 0 年代以来，随着城市超高层建筑以及交通干线上大跨度桥 梁等建( 构) 筑物的修建，为满足上述结构的大跨、高层、重荷载及不同复杂地质 条件的要求，工程上越来越多地采用大直径桩基础，多高层建筑，大跨度建筑、 大型桥梁的发展都要求提高基础的承载力，如新近修建的苏通大桥为提高单桩承 载力，对桥下桩基即采用了直径为2 5 0 0 3 0 0 0 m m ，长度5 7 5 m 1 1 8 m 的大直径 灌注桩。据不完全统计，我国年用桩量达1 0 0 万根以上，其中，大直径桩的年用 量达2 0 万根以上【2 7j 。我国自1 9 5 5 年开始在武汉长江大桥和南京长江大桥先后 以管柱钻桩下到基岩持力层，之后于2 0 世纪6 0 年代初，在河南采用人工冲击钻 或迪转钻成孔的混凝土灌注桩在桥梁上成功应用，进而推广至全国。后来，随着 我国大型钻机的问世，桥梁桩基钻孔直径才有逐渐加大的趋势。近二十年来，大 直径钻孔或挖孔灌注桩在我国桥梁工程上得到了广泛的应用。 大直径桩在工程上虽然得到了广泛的应用，但是国内外对大直径桩( 特别是 直径大于1 5 m 以上的桩) 的研究却不多见。究其原因，主要是由于大直径桩的承 载力很高，要获得桩完整的现场静载荷试验资料是很不容易的。事实上，从现已 北京工业大学工学i 页七学位论文 公开报道的大直径桩的现场静载试验资料来看，一是与大直径桩的应用相比，静 载试验资料非常有限；二是在这些有限的试验资料中，真正能做到桩基破坏阶段 的试验很少。目前，工程上验证大直径桩承载力的方法大致可分为两类，一是对 直径小于1 5 m 的桩仍采用现场静载试验法，二是对于直径大于1 5 m 的桩往往只能 采用间接方法来综合确定。所谓的间接方法包括经验公式法、桩基动测法、用小 桩试验资料推算大桩法和桩的荷载传递分析法等。自s e e d 和r e e s e 佟l 于1 9 5 5 年首 次提出桩身荷载传递函数的双曲线模型以来，用荷载传递法研究小直径桩的荷载 传递机理取得了长足的发展，但对大直径桩的荷载传递研究，国内外尚不多见。 p o u l o s 、c a j l m b a l 9 9 7 年用荷载传递法研究了直径为1 2 m 的嵌岩桩的侧摩阻力， 取得了较好的结果【9 】。w e id o n gg u o 和m a r kr a n d 0 1 p h l 9 9 8 年对用荷载传递法分 析桩的可靠性进行了深入的研究，对影响桩的荷载传递的诸因素进行了深入的分 析和探索【1 0 1 。针对泥岩中的大直径钻孔灌注桩的沉降和变形预测，d e l p a k 进行了 系统的分析和研究，并提出了考虑土和桩身材料非线性的大商径钻孔灌注桩的沉 降预测方法【1 1 l 。b r a n d l 在试验研究的基础上，对大直径桩( p i l e ) 和大直径墩( p i e r ) 的极限承载力进行了综合分析和论证【1 2 1 。 因为大直径桩的承载力大，很难通过常规的静载试验方法得出大直径桩完整 的p s 曲线和桩的极限承载力，因而，也就不能通过静载试验来了解大直径桩 的荷载传递规律，这也就是目前大直径桩研究理论远落后于它的应用的根本原 因。小直径桩的p j 陆线一般为陡降型曲线，而大直径桩的p s 曲线呈缓降型， 因此，用小直径桩的静载试验资料来模拟和推求大直径桩的荷载一沉降关系，理 论上存在诸多问题。通过静力触探和标贯试验测定土的参数，用经验公式来计算 大直径桩的承载力，由于试验方法对结果的影响很大，而且对大直径桩的桩径影 响修正，目前工程界也未形成一致的意见。因此，经验公式计算结果也只能是对 大直径桩承载力的粗略估算。 目前，在满足承载力的前提下，桩基设计往往以变形作为控制条件；同样， 桩基现场静载试验中对桩的承载力评估也是以变形作为依据的。因此，桩在荷载 作用下的沉降是桩基础研究热点。所以，判断大直径桩的极限承载力的准则几乎 都是以变形量控制【1 3 1 ，确定合理的变形计算模式是确定大直径桩的极限承载力的 前提，并且认为，对于大直径桩桩端土不存在类似小直径桩桩端刺入性沉降，而 只存在压缩性沉降。实际工程中的桩基础均是按沉降和承载力双控准则进行设计 的，大直径桩则主要是以沉降控制的【1 4 1 。因此，对于大直径桩根据其荷载传递规 律来研究承载力和沉降的关系是很有必要的。刘金砺认为，大直径桩的荷载一沉 降曲线均呈缓变型特性，其破坏特性均呈渐进破坏【l5 1 。这一点也己被大量的现场 静载试验所证实。显然，普通中、小型桩与大直径桩的荷载传递机理是有明显差 异的，用中、小直径桩理论来分析大直径桩是不可靠的。 4 第1 章绪论 1 3 大直径桩竖向承载力的确定方法 宏观上看，桩基础竖向承载力由土和桩身材料强度两方面因素控制。由桩、 土的荷载传递机理可知，桩基竖向承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成，若忽略二 者的相互影响，则基桩竖向极限承载力可表示为： q = q 蹦+ g 。 目前，大直径桩单桩承载力的确定方法大致可分为直接法和间接法两类。直 接法是对桩进行现场试验，包括现场静载荷试验法和动力测桩法等：间接法是通 过其他手段获得单桩的端阻力和侧阻力，并由此确定单桩承载力。 1 3 1 直接法 1 3 1 1 静载荷试验法 静载荷试验是确定单桩承载力的基本方法，也是最直接最可靠的检测方法。 大直径桩的p s 曲线关系一般呈缓变型。大直径钻孔灌注桩的极限承载力取值应 由变形控制来确定，可取桩顶沉降s = 4 d 6 衄n 所对应的荷载值，或者0 0 3 0 0 6 d ( d 为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值) 所对应的荷载。对于沉降不 敏感的结构物桩基础，一般可取s = d d j d 对应的荷载为承载力允许值或设计值。 对于沉降敏感的结构物单桩基础，宜按等变形的准则确定不同直径桩的承载力设 计值。许多国家的地基基础设计规范和工程实践都将该方法置于优先的位置，并 作为与其他方法比较的依据。 该方法的缺点是成本高、工程量大、时间长。传统的单桩载荷试验方法有两 种，一是堆载法，二是锚桩法。前者必须解决几百吨甚至数千吨的荷载堆放及运 输问题，后者必须设置很多根锚桩及反力大梁。对于大直径桩来讲，由于其承载 力非常大，工作难度更大，费用也更高。近年来静载试桩的载荷量达到2 1 0 6 0 1 1 洲， 甚至超过1 0 0 0 0 0 k n 。 静力测桩法是一种仍在不断发展的可靠方法，今后的发展应考虑逐渐克服其 成本高、工期长、占用施工场地、试桩载荷小等缺点。 1 3 1 2 动力测桩法 较早的动力测桩法是a h i l e y ( 1 9 3 0 ) 的打桩公式法。该法通过建立锤击( 动荷 载) 与桩贯入度的关系式来确定桩的承载能力。d s a a c 1 9 3 2 ) 提出一种解应力 波波动方程的动力测桩法，后来e a s i l l i t h 做了进一步的研究，并将这种方法付 诸应用。现行的动力测桩技术是以应力波理论为基础发展起来的。该方法一般是 在桩顶作用一动荷载，使桩产生显著的加速度和土的阻尼效应，通过量测桩一土 5 北泵工业丈学工掌硕士学位论文 系统的振动响应，用波动理论研究应力波沿桩土系统的传递和反射，从而判断桩 身阻抗变化确定单桩承载力。动测法可分为高应变动测法和低应变动测法。以应 力波理论为基础的高应变法，特别是采用实测波形的拟合法，目前被认为是最有 效的动测法。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 土工常规试验参数联系起来，并改进桩端周围土体受力后性状的模拟是进一步提 高高应变法精度的关键。 对于大直径桩，由于承载力高，很难实现真正意义上的高应变。高应变法比 较适合于有静载荷试验结果作参考的一般工程桩的质量检验，真正作为确定单桩 承载力的方法还不够成熟。 低应变动力测桩法的理论研究尚不成熟，其能否用来确定单桩承载力是有争 议的。有些学者认为，使土产生足够大的塑性变形是直接测定桩承载力的必要条 件，低应变法无法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，所提供的桩承载力绝非实测的承载力。因此，工程界对于低应变法确定 桩身承载力基本持否定态度。 动测法确定桩的承载力是一种快速的方法，但可靠性有待研究，尤其是大直 径桩，用该方法确定承载力应谨慎。 1 3 1 3 自平衡测试法 自平衡测试法是确定单桩承载力的一种有效方法，尤其对于大直径桩效果更 明显。美国o s t e r b e r g 教授于2 0 世纪8 0 年代中期首先开展了桩承载力自平衡法 的研究。目前该方法在美国被广泛应用，近年在加拿大、英国、日本及香港也逐 渐推广，试桩承载力已经达到了1 3 3 0 0 0 k n 。龚维明等自1 9 9 6 年起对该法的关键 设备一荷载箱、位移量测和数据采集处理系统进行了研究开发，取得了显著的成 果。该方法的原理是在桩的中下部埋设一个荷载箱，沿垂直方向通过油压管加压， 随着压力增大，荷载箱将自动脱离，从而调动桩侧阻力及桩端阻力的发挥，直到 破坏。通过测得的两条向上、向下的p s 曲线就可比较准确地得出桩的抗拔承 载力及桩下段的抗压承载力，再经过换算，可以得到单桩的抗压承载力。 该方法构思巧妙，装置简单，可节省人力、财力，场地占用少，对场地的适 应性好，因此特别适用于堆载试验比较困难的地方，适用于承载力高的大直径桩， 具有很大的发展前途。 1 3 1 4 原位测试法 用原位测试法确定单桩承载力，国外应用较普遍。该方法主要的特点就是采 用小直径桩的静荷载试验所得到的荷载传递资料来间接确定大直径桩承载力，其 中最常用的有静力触探( c p t ) 法、标准贯入试验( s p t ) 法、旁压试验法( p m t ) 。 6 幕1 苹绪论 1 3 2 间接法 1 3 2 1 理论分析法 在工程设计中桩的承载力和沉降是两个基本参数。目前计算大直径桩沉降的 方法大体上可归纳为五种方法，即：荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法、有 限元法、简化方法。 l 、荷载传递法 这个方法的基本概念是把桩视为由多个弹簧单元体组成，每一单元体与土体 之间的侧摩阻力用一非线性弹簧代替，非线性弹簧的力和位移的关系就表示桩侧 摩阻力与桩土间相对位移的关系( 就是桩侧荷载传递函数) 。桩底端的土也用非线 性弹簧代替以表示桩端阻力与桩端沉降的关系。荷载传递分析法根据求解桩身荷 载传递微分方程的不同途径，再细分为荷载传递解析法和位移协调法两类。荷载 传递解析法该法假定传递函数为理想线弹塑性关系；位移协调法的实质是利用实 测的桩侧和桩端的荷载传递函数，考虑桩身各单元体位移与内力的协调关系以求 的桩顶荷载一沉降的关系曲线。前者是由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 【1 6 1 和佐藤悟( 1 9 6 5 ) 1 1 7 l 等先后 提出。常用的具有代表性的传递函数模型有：佐藤悟的线弹性全塑性模型1 7 1 、陈 龙珠等的双折线硬化模型【1 8 j 、房卫民等1 9 1 和何俊翘2 0 1 的三折线模型、k e z d i 的指 数曲线模型，还有g 卸d n e r 的双曲线模型和k r a f t 提出的理想荷载传递曲线f 2 1 1 ， 以及v i j a y v e 晤y a ( 1 9 7 7 ) 、徐和、陈竹昌提出的双曲线模型，而位移协调法是 由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 陋l ，c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 【2 3 】等提出的。 利用这种基本概念是把桩元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩一土之 间的荷载传递关系。桩端土处应力应变关系也用非线性弹簧与桩端联系，这些非 线性弹簧的应力一应变关系，即表示桩侧摩阻力f ( 或桩端抗力盯) 与剪切位移s 之间的关系( f s 或盯一s 关系) ，这一关系一般就称作为传递函数。 根据桩上任一单元体的静力平衡条件可得： 尘显：一材f ( z ) ( 1 1 ) 出 一 式中“一桩截面周长 桩单元体产生的弹性压缩凼为： 凼：一丛三丝( 1 2 )凼= 一旦型竺( 1 2 ) a p ep 式中：彳，、乓一桩的截面积及弹性模量 将式( 1 2 ) 求导，并以式( 1 1 ) 代入得： 堡：丝堕( 1 3 )_ - - _ 、_， d z l a p e p 7 北京工业大学工学硕士学位论文 图l l 荷载传递法桩的计算式 公式( 1 - 3 ) 就是传递函数法的基本微分方程，它的求解取决于传递函数的形 式。目前根据求解微分方程的途径不同，分成两种计算方法，第一种方法称为解 析法，是由k e z d i 、佐藤悟等提出，他们把传递函数简化假定为某种曲线方程， 然后直接求解平衡微分方程，第二种方法称为位移协调法，是由s e e d 和r e e s e ， c o v l e 和r e e s e 等提出，他们采用实测或通过实验方法得到传递函数，然后建立 各单元桩的静力平衡条件即位移协调条件求解。 从传递函数法提出至今已有4 0 年的历史，其间经过了佐藤悟( 1 9 6 5 ) 、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 、k e z d i ( 1 9 7 5 ) ，h 0 1 1 0 w a y ( 1 9 7 5 ) 、v i j a y v e r g i y a ( 1 9 7 7 ) 以及国内学者 陈竹昌、徐和、王旭东、何思明等人继承和发展，已提出了众多的荷载传递函数， 归纳起来，不外乎四种类型： ( 一) 基于双曲线模式的传递函数 1 、徐和方法【2 4 1 ，该方法主要针对软土地基提出来的，其表达式为： r，、 桩身传递函数为x 2 吒1 筛，6 5 + o 3 5 ( 乙z 打 “4 ) r1 桩底传递函数为：p = 见 6 + o 4 ( z 打 “5 式中，气、矾分别为桩侧、桩端的极限阻力； z 一瓦分别为桩侧极限剪切位移和桩端极限位移。 2 、何思明方法1 2 5 j ，该方法具有更广泛的适应性，不仅适合软土，也适用于 其它类型的岩土，同时它具有广义性，徐和法和佐藤悟法为其两个特例，其具体 表达式为： 桩端传递函数为：r = 气| ( 1 一善) + 孝zl ( 1 6 ) 8 第1 章绪论 桩身传递函数为：p = 乡亿一善) + f z 西肛】 1 7 ) 式中孝、f 为土性参数， 气、见分别为桩侧、桩端的极限阻力， 气、z 西分别为桩侧极限剪切位移和桩端极限位移。 3 、g a r d n e r ：方法【2 6 】，假定传递函数为双曲线关系，即： z ( z ) = 彳 式中后、彳一试验常数，彳= l _ + 1 怒m ( 二) 基于弹塑性模式的传递函数 ( 1 8 ) l 、佐藤悟方法：假定传递函数是线弹性全塑性关系，即 当s 2 5 时，上述各种因素的影响大大减弱，因此，很长的桩实际 上就是摩擦桩，用扩大端部直径来提高承载力是徒劳的，如图2 6 所示。 肿5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 图2 6 桩底面积对荷载传递的影响 北京丁业大学丁学顾一f j ! 学位论文 以上荷载传递的理论分析结果表明，单桩极限承载力所对应的某特定土层的 极限侧阻力r 。和极限端阻力g p 由于桩长与桩径不同，或桩端、桩周土刚度比不 同，或由于土层分布位置的不同，发挥值是不同的。因此，为了有效发挥土的承 载特性和取得最佳经济效果，在设计中必须运用桩土体系荷载传递特性，充分考 虑以上影响单桩荷载传递的因素，根据土层的分布和性质，才能够合理确定桩径、 桩长和桩端持力层。 2 3 大直径桩侧摩阻力的影响因素 桩侧阻力是桩基承载力中一个十分重要的方面，在荷载传递过程中，桩侧阻 力发挥水平不但与桩周土层的性质、桩一土相对位移、桩的直径和长径比、桩一 土界面条件有关，而且也与桩端土的条件有关，即桩侧阻力和桩端阻力是相互影 响和相互制约的。 2 3 1 桩周土的性质 桩周土的性质是影响桩侧阻力最直接的决定因素。一般来说，桩周土的强度 越高，相应的桩侧阻力就越大。在一般的粘性土中，桩侧阻力等于桩周土的不排 水抗剪强度；在砂性土中的桩侧阻力系数平均值接近于主动士压力系数。由于桩 侧阻力属于摩擦性质，是通过桩周土的剪切变形来传递，因而它与土的剪切模量 密切相关。超压密粘性土的应变软化及砂土的剪胀，使得侧阻力随位移增大而减 小；在j 下常固结以及轻微超压密粘性土中，由于土的固结硬化，侧阻力会由于桩 顶反复加荷而增大；松砂中由于剪缩也会产生同样的结果。粘性土中桩侧阻力的 分布形式比较复杂，大部分情况下桩侧阻力随深度增加呈抛物线分布，图2 7 是 美国n e b r a s c a 洲中等到硬稠粉质粘土中试验得到的结果；而在伦敦粘土中进行 的钢管桩试验得到桩侧阻力随深度增加而增加，如图2 8 所示。 在砂土中，桩侧阻力一般呈抛物线分布，图2 9 是在印度进行的砂土中试桩 的桩侧阻力分布曲线，从中可以看出，随着作用在桩顶荷载的增加，桩侧阻力的 重心逐渐下移。 2 3 2 桩一土相对位移 桩一土间产生相对位移是桩侧阻力发挥的前提。在加载的开始阶段，桩一土 的相对位移较小，其应力应变呈直线关系，到达极限位移之后，剪应力不再增 加。对于密实的砂土或超压密的粘土，由于剪胀性及应变软化的结果，剪应力出 现峰值。根据应力一应变关系的不同，可以划分为加工软化型，非软化、硬化型、 2 4 第2 章大直径桩竖向荷载传递机理及影响因素 深度( - ) 0 5 1 0 1 5 2 0 图2 7 美国n e b r a s c a 粘土中桩侧阻力分布模式【剐图2 8 伦敦粘性土中桩侧阻力分布【5 0 l 加工硬化型等几种类型，如图2 - 1 0 所示。 乃矿深度( m ) 虾擎旦 2 填土 填土 填土 4 6 8 1 0 侧阻力( k p a ) 图2 _ 9 印度试桩得到的砂土中桩侧阻力分布模式【5 1 1 在各级荷载作用下，在桩身上部一定深度内桩侧摩阻力沿深度近似按直线分布， 超过该深度后近似呈抛物线分布。这说明桩侧摩阻力不但与土层性质有关也与土 层的分布深度有关。事实上，在桩身上部一定范围内桩土相对位移大于或等于 桩一土的极限位移，桩侧摩阻力达到了桩一土间的极限摩阻力，其大小与桩侧土 北京工业大学工学硕士学位论文 对桩的水平挤压力( 围压) 成正比，而通常认为这种围压是介于主动土压力和静止 土压力之间，它是与上覆土层的自重压力成正比的。因此，在桩身上部同一土层 中可以认为桩侧摩阻力是随深度按直线变化的。这一深度称为侧阻临界深度k ； 在桩身下部，当土层深度大于侧阻临界深度后，由于桩一土相对位移比较小( 桩 身的弹性压缩量较小) ，未达到桩一土的极限位移，桩侧摩阻力不再随土层深度 的增加而增加，而只随桩一土相对位移的增加而增加。而桩一土相对位移也是随 深度的增加而近似地按直线减小的。因此，在侧阻临界深度以下的桩身中，桩侧 摩阻力实际上是随深度按抛物线变化的。 根据美国桥梁标准规范a a s h l 0 9 3 版中钻孔桩的承载力与沉降关系曲线有 关资料显示：在桩底沉渣厚度可以忽略的情况下，桩侧极限阻力发挥时所对应的 桩顶沉降一般为桩径的0 5 ，而桩端极限阻力发挥所需要的桩顶沉降为桩径的 ( 5 2 0 ) 。这也就是说，桩侧阻力和桩端阻力发挥所需要的位移并不在一个数量 级。通常情况下，当桩的荷载达到极限承载力时，桩侧极限阻力己几乎全部发挥， 而桩端极限阻力还远没有发挥，一般为极限阻力的( 1 0 2 0 ) 。 不同的土具有不同的临界位移和极限摩阻力。随着土层深度的不同，桩侧土 对桩产生的侧压力的大小不同，桩一土间的相对位移形态就发生变化。对于加工 软化型土，桩一土相对位移达到某一值时，桩侧摩阻力不但不再随桩一土相对位 移增加而增加，甚至还会随之增加而减小。桩侧阻力达到极限值时所需要的桩一 土相对位移就称为侧阻临界位移。桩的侧阻临界位移与桩的类型和桩周土的性质 密切相关。 大直径桩的桩土临界位移对于直径大于1 o m 的桩，其桩一土临界位移不 仅数值很大，而且变化范围也很大。同时，大直径桩在桩端附近的桩侧土层具有 明显的加工强化特点，而且越靠近桩端，强化趋势越明显。根据日本m a s a k i r 0 k o i k e 等在砂与粘性土交互层中进行的d = 2 m ，上，- 4 0 m 的b e n o t o 桩试验，测得了 桩侧阻力发展过程曲线，可以认为：大直径桩极限侧阻力发挥所需要的位移大致 在( 2 5 ) d ( d 为桩端直径) 之间，也即4 0 1 0 0 i 衄。这显然与一般的桩有很大 的差别。 第2 章大直径桩竖向荷载传递机理及影响因素 口s q u 3 qs u 2 qs f 图2 1 0 不同类型土中桩侧阻力发挥性状 l 一加工软化型2 一非软化、硬化型3 一加工硬化型 总之，影响桩一土临界位移的因素是多方面的，它不但与土质有关，而且也 与土层分布情况、桩的类型及施工方法等有关。由于桩一土相对位移模型直接反 映出桩侧摩阻力的发展变化过程，即荷载传递过程，因此，合理地确定桩一土相 对位移模型是进行荷载传递分析的关键。 2 3 3 桩径的影响 图2 1 1 砂砾石层中大直径桩桩侧阻力与桩径关系曲线【1 2 】 在一般的土层中，对于中、小直径的桩而言，桩径对桩侧阻力的影响是可以 北京工业大学工学硕士学位论文 忽略的。但对于直径大于8 0 0 1 1 1 】m 的大直径桩，则就不完全相同了。对于粘性土 中大直径桩，其桩侧阻力随桩径的增大变化较小，对于无粘性的砂类土、碎石类 土中大直径桩，桩侧阻力最大值发挥所需要的位移远大于常规直径的桩，根据 b r a n d l 对砂砾石地层中直径1 8 m 的大直径桩桩侧阻力的研究，大直径桩的桩侧极 限阻力随桩径的增大呈双曲线型减小【5 ，如图2 1 1 所示。 非粘性土中的桩侧阻力存在着明显的尺寸效应，这种尺寸效应是由于钻、挖 孔时侧壁土的应力松弛所致。桩径越大、桩周土层的内聚力越小，侧阻降低的就 越明显。实际上，在粘性土中，对于直径大