（岩土工程专业论文）泥岩地基水平抗力系数研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：击匆葛哇， 2ojo 年6 月2 2 e t 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 、函即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：牺易拣， 导师签名：毵锄乙径_ 2 。卜年6 月日 泥岩地基水平抗力系数研究 摘要 泥岩在广西广泛分布。广西第三系泥岩中有相当一部分具有膨胀性，又 称为膨胀岩。第三系泥岩是“似岩非岩，似土非土”的岩石和土之间的过 度类型，强度介于岩石与土之间，按工程分类归属于软质岩石。由于对泥 岩的特殊物理力学性质认识不足，在第三系泥岩滑坡勘查及治理设计中不 能进行较为正确的评价和分析，给许多实际工程造成了巨大的经济损失。 因此，研究泥岩参数的确定问题具有重要的理论意义及实际工程指导意义。 抗滑桩承受的主要是水平荷载，桩在水平力作用下的工作机理有别于 竖向力作用下的工作机理。在横向荷载作用下，桩产生挠曲变形，随着挠 形的发展，桩侧岩土体受挤压而产生抗力，这一抗力将阻止桩身挠曲 的进一步发展，从而构成复杂的桩土相互作用体系。目前，对于这个 作用体系的理论研究方法有多种，如弹性地基梁法中的m 法，计算模 计算过程简单，计算结果与实际较为符合，因此，m 法在工程设计中得 较为广泛的应用。在m 法中，桩基在水平荷载作用下的变形和内力与 岩土水平抗力系数中比例系数m 的取值有关，而进行现场单桩水平静 验确定比例系数m 是最为可靠的方法，但试桩不仅费时费力，且费用 ；相关规范中给出的m 值取值范围比较大，对于设计人员来说取值带 大的随意性，因此，可以通过室内模拟试验来确定相应土层的m 值， 层相近地区的抗滑桩设计提供参考数据。 本文在总结了国内外研究成果的基础上，通过室内的水平静载模拟试 验对南宁盆地的泥岩m 值取值问题进行了较为系统的研究，同时结合a n s y s 软件的数值模拟，以及规范给出m 值进行对比分析，给出了南宁盆地泥岩 的m 值参考值，并讨论了桩身应变特性及影响地基岩土m 值的因素，得出 以下重要结论： 1 ) 对于处于同一场地两根桩，由于施工质量和桩径的不同，计算出的 m 值结果会有较大差异。 2 ) 用a n s y s 模拟水平静载试验，采用w i n k l e r 模型进行模拟，将土体 与桩之间的相互作用简化为一系列离散的弹性弹簧，不考虑土体的拉力及 塑性影响，其结果和按规范计算的m 值十分接近，可为今后数值简化模拟 提供参考。 3 ) 比较室内模型试验和a n s y s 数值模拟结果，对可能的影响因素进行 分析，并对南宁盆地泥岩m 值的取值提出建议。出于设计安全考虑，建议 南宁泥岩m 值取值为2 6m n m 4 。 关键词：泥岩抗滑桩模拟试验m 值数值分析 i i t h er e s e a r c ho fm u d s t o n eh o r i z o n t a l r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t a b s t r a c t m u d s t o n ei sw i d e l yd i s t r i b u t e di ng u a n g x i g u a n g x it e r t i a r ym u d s t o n e w i t hac o n s i d e r a b l ep a r to ft h ee x p a n s i o n ，a l s ok n o w na ss w e l l i n gr o c k t e r t i a r y m u d s t o n ei s n o n - r o c kl i k er o c k ，l i k es o i lo fn o n - l a n d b e t w e e nt h er o c ka n ds o i l o v e rt h et y p e ，i n t e n s i t yr a n g i n gb e t w e e nr o c ka n ds o i l ，a c c o r d i n gt op r o j e c t c l a s s i f i c a t i o na t t r i b u t a b l et os o f tr o c k b e c a u s eo fs o m es p e c i a lp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm u d s t o n ec a nn o tb ec l e a r l yk n o w n ，i nt e r t i a r y m u d s t o n el a n d s l i d ei n v e s t i g a t i o na n dt r e a t m e n td e s i g nc a nn o tb et h ec o r r e c t a s s e s s m e n ta n da n a l y s i so fm a n yp r a c t i c a lp r o je c t st oc r e a t eh u g ee c o n o m i c l o s s e s t h e r e f o r e ，t h ed e t e r m i n a t i o no fp a r a m e t e r so fm u d s t o n eh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e b e a r i n gp i l e si sm a i n l yh o r i z o n t a lf o r c e ，t h ep i l eu n d e rah o r i z o n t a lf o r c et o v e r t i c a lf o r c ew o r k i n gm e c h a n i s mi sd i f f e r e n tf r o mt h ew o r k i n gm e c h a n i s m u n d e r i nt h eh o r i z o n t a ll o a d s ，p i l eg e n e r a t ep i l ed e f l e c t i o n ，w i t ht h ed e f l e c t i o n o ft h ed e v e l o p m e n t ，p r o d u c t i o np i l es o i lc o m p r e s s i o nc a u s e db yt h er e s i s t a n c e ， t h er e s i s t a n c ew i l ls t o pt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f p i l ed e f l e c t i o n ，t h u sc o n s t i t u t e ac o m p l e xp i l e - s o i li n t e r a c t i o ns y s t e m c u r r e n t l y , t h er o l eo f p i l e s o i ls y s t e mf o r t h et h e o r yo fm e a n s ，s u c ha st h ee l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mm e t h o di nt h em m e t h o d , c a l c u l a t i o nm o d e l sa n dc a l c u l a t i o np r o c e s si ss i m p l e ，t h er e s u l t sw i t h t h ea c t u a lm o r ec o n s i s t e n t ，t h e r e f o r e ，mm e t h o di n e n g i n e e r i n gd e s i g nh a v e b e c o m em o r ew i d e l ya p p l i c a t i o n i nt h em m e t h o d ，p i l ei nt h eh o r i z o n t a ll o a d s d e p e n d so nt h ed e f o r m a t i o na n di n t e r n a lf o r c ec o e f f i c i e n to fl a t e r a lr e s i s t a n c eo f i i i p i l er a t i oo ft h es e l e c t i o nc o e f f i c i e n tm ，w h i l et h ec a l mw a t e ro n s i t ep i l el o a d t e s tt od e t e r m i n et h ep r o p o r t i o no fc o e f f i c i e n t smt h em o s tr e l i a b l em e t h o d ，b u t p i l ed r i v i n gi sn o to n l yt i m ec o n s u m i n g ，a n de x p e n s i v e ；t h es a m et i m e ，r e g u l a t e t h ev a l u eo fm g i v e ni n t h er e f e r e n c er a n g ea n dr e l a t i v e l yl a r g e ，g r e a tf o r d e s i g n e r s o fr a n d o m n e s s ，t h e r e f o r e ，c a nt h el a b o r a t o r yt e s tt oo b t a i nt h e c o r r e s p o n d i n gs o i lmv a l u e st op r o v i d er e f e r e n c e f o rs i m i l a ra r e a sf o rt h e f o r m a t i o no fb a s ed e s i g n e d t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dt h er e s e a r c hb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h e w o r l d ，t h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o no fw a t e rc o n t a i n e dq u i e ta r e ao fn a n n i n gm v a l u e so ft h ep a r a m e t e r so fs h a l eam o r es y s t e m a t i cs t u d y , c o m b i n e dw i t h a n s y ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n ds p e c i f i c a t i o ng i v e smv a l u e sw e r ec o m p a r e d ， g i v e nt h ev a l u em o fm u d s t o n ei nn a n n i n gr e f e r e n c ev a l u e ，a n dd i s c u s s e dt h e i m p a c to fp i l es t r a i na n dm v a l u e so fs o i lf a c t o r s ，d r a wt h ef o l l o w i n gi m p o r t a n t c o n c l u s i o n s ： 1 ) a tt h es a m es i t ef o rt h et w op i l e s ，a sh a v ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nq u a l i t y a n dt h ep i l ed i a m e t e r ，t h ec a l c u l a t e dmv a l u eo ft h er e s u l t sw i l lb eq u i t e d i f f e r e n t 2 ) a n s y ss i m u l a t i o nw i t hc a l ml e v e ll o a dt e s tu s i n gt h ew i n k l e rm o d e l s i m u l a t i o n ，t h es o i la n dp i l ei n t e r a c t i o nr e d u c e dt oas e r i e so fd i s c r e t ee l a s t i c s p r i n g s ，n o tc o n s i d e rt h ep u l lo fe a r t ha n dp l a s t i c i t y , t h er e s u l t sc a l c u l a t e db y s t a n d a r dmv a l u ei sv e r yc l o s et oi t ，c a np r o v i d er e f e r e n c ef o rf u t u r es i m p l i f yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 ) c o m p a r i s o no fm o d e lt e s ta n da n s y ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n a l y z et h e p o s s i b l ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n d m a k er e c o m m e n d a t i o n st ov a l u eo ft h e n a n n i n gb a s i nm u d s t o n em v a l u e f o rt h ed e s i g ns a f e t yc o n s i d e r a t i o n s ，t h e p r o p o s e dv a l u eo fn a n n i n g m u d s t o n emv a l u e si s2 6m n m 4 k e y w o r d s ：c l a y ；p i l e s ； m o d e le x p e r i m e n t s ；m v a l u e ；n u m e r i c a l a n a l y s i s i v 目录 摘要”一一i a b s t r a c t ，i i i 第一章绪论1 1 1 选题依据及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 水平承载桩的理论研究2 1 2 2 水平承载桩水平抗力系数研究4 1 2 3 水平承载桩的模型试验研究4 1 3 本文研究内容6 第二章单桩在水平荷载作用下的工作性状和计算7 2 1 单桩水平荷载作用下的工作性状7 2 1 1 荷载一位移关系7 2 1 2 刚性桩和弹性桩8 2 1 3 桩的相对刚度9 2 2 单桩水平荷载下的计算方法10 2 2 1 桩的挠曲微分方程1 0 2 2 2 线性地基反力法1 l 2 2 3 非线性分析方法1 9 第三章桩的室内水平静载试验2 6 3 1 试验原理2 6 3 1 1 关于试验的相似性说明2 6 3 1 2 试验的原理介绍2 6 3 2 试验目的及内容2 7 3 2 1 试验目的2 7 3 2 2 试验内容2 7 3 3 试验设备和试验方法2 8 3 3 1 试验设备2 8 v 3 3 2 试验方法3 0 3 4 试验具体步骤3 1 3 5 试验测量数据及分析3 2 3 6 泥岩m 值的确定3 7 3 7m 值的取值说明3 8 第四章单桩在水平荷载作用下的数值模拟3 9 4 1 数值计算概述3 9 4 2 有限元法理论及a n s y s 简介4 1 4 2 1 有限元法理论概述4 1 4 2 2a n s y s 简介4 2 4 3 单桩横向荷载下的数值模拟4 4 4 3 1 计算模型的确定4 4 4 3 2 前处理4 6 4 3 3 加载与求解4 8 4 3 4 后处理4 9 4 4 数值模拟与室内试验结果对比5 5 4 4 1m 值对比5 5 4 4 2 桩身应力结果对比5 5 4 4 3m 值影响因素分析5 6 第五章结论与展望5 8 5 1 结论5 8 5 2 展望5 8 参考文献0 0 000 10 00 6 0 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表的论文6 6 v i 广西大学硕士学位论文泥岩地基水平抗力系数研究 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 滑坡是岩土体沿其内部软弱面或软弱带作整体、缓慢、间歇滑动的一种不良地质现 象，是山区建设工程中经常遇到的自然灾害。滑坡可以堵塞河道、中断交通、掩埋厂矿， 给人们的生产生活造成巨大损失。因此，对滑坡的治理工作有着重要的意义。 抗滑桩是治理滑坡的一种有效的支挡措施。抗滑桩可以根据滑坡的滑动情况设置于 滑坡的适当位置，一般完全埋置在地面下，有时也可露出地面。抗滑桩是凭借桩与周围 岩土体的共同作用，把滑坡推力传递到稳定的底部地层来平衡滑坡推力。与滑坡治理的 传统措施，如排水、减载、挡土墙等相比，抗滑桩施工相对简便，抗滑能力大，治理效 果突出，因而在滑坡治理工程中被广泛采用。 广西地处云贵高原东南边缘，山多地少。地势由西北向东南倾斜，四周山地环绕， 呈盆地状。在陆地总面积中，山地、石山和丘陵的面积占到7 0 左右，是全国山区较多 的省份之一。同时广西是全国降水量最丰富的省区之一，降水量丰沛且季节分配不均， 干湿季分明，4 - 9 月为雨季，总降水量占全年降水量的7 0 - 8 5 ，强降水天气过程较 频繁，因此极易发生泥石流、滑坡等自然灾害。 泥岩，在广话广泛分布。广西第三系泥岩中有相当一部分具有膨胀性，又称为膨胀 岩。第三系泥岩是“似岩非岩，似土非土 的岩石和土之间的过度类型，强度介于岩石 与土之间，按工程分类归属于软质岩石【l 】。由于对泥岩的特殊的物理力学性质认识不足， 在第三系泥岩滑坡勘查及治理设计中往往不能进行较为正确的评价和分析，给许多实际 工程造成巨大的经济损失。例如：南宁市青秀山青环路滑坡采用抗滑桩进行治理，但治 理后抗滑桩被剪断，导致治理工程失效；南宁市城南垃圾处理场滑坡治理后又多次出现 滑动；南宁市5 0 0 k v 邕州变电站泥岩滑坡采用抗滑桩进行治理后，桩顶产生最大达8 0 a m 的位移，导致治理工程失效；某公司在广西上思县新建两条水泥生产线，在典型的膨胀 性泥岩中进行大规模的挖方和填方工程，形成了大量的泥岩边坡，后经抗滑桩进行治理， 整个边坡治理工程几乎全部失效，桩项最大位移达1 m 多。以上所列仅为广西部分较为 典型的膨胀岩滑坡及边坡难以治理的情况。在造成工程事故的众多原因中设计参数取值 不当是主要的原因之一，如果计算模型再准确，而没有计算参数的合理确定，也不会得 出好的计算结果。因此，研究泥岩参数的确定问题具有重要的理论意义及实际工程指导 意义。 作用在桩上的荷载一般有两种：竖向荷载和水平荷载，桩在两种荷载作用下的工作 机理是不一样的。桩的竖向抗压强度一般比较高，所以在桩受到竖向荷载时，桩身受压， 桩所承受的的荷载就通过桩传递给了桩侧岩土和桩端岩土，这时，桩的竖向承载力由岩 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 土的强度确定。但桩的水平抗拉、压强度比较低，所以当桩受到水平荷载时，桩身将产 生水平位移和弯曲应力，桩所承受的水平荷载除了桩身要承担一部分外，其余的都通过 桩身传递给了桩侧岩土体，这时，桩的水平承载力由桩侧岩土的水平抗力和桩身材料强 度共同确定。 桩在水平荷载作用下将产生水平向位移，桩身同时发生挠曲变形，随着水平荷载 的加大，桩将挤压桩侧的土体，桩侧的土体也将产生抗力来阻止桩的挤压，这一过程就 构成了水平荷载桩的桩土作用体系。 桩侧岩土体的水平抗力系数中的比例系数m 的取值与桩在水平荷载作用下产生的内 力及变形密切相关。虽然现场单桩水平静载试验是确定比例系数m 的最有效的方法，但 现场试验不仅费用昂贵，且费时费力。因此可以通过其它的一些方法，如室内模拟试验 来确定相应土层的m 值，为地层相近地区的抗滑桩设计提供参考数据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水平承载桩的理论研究 上世纪3 0 年代以前，人们对桩的研究主要集中于承受竖向荷载的桩，而对承受水 平荷载的桩几乎没有研究，水平承载桩真正的被国内学者研究始于上世纪3 0 年代。 在水平承载桩的工作机理、变形和内力的计算方面，张氏法是由张有龄先生于1 9 3 7 年提出的，张氏法规定桩侧土的地基系数不受岩土体深度的影响，沿着岩土体深度的增 加是一个常数，由于此法简单，且在一定程度上符合实际，因此有很长一段时间在日本 流行。 上世纪5 0 年代，土的抗力开始受到学者们的注意，在土抗力方面，前苏联学者安 格尔斯基的方法是人们普遍采用的方法，但是由于当时的科学技术水平及土抗力理论研 究水平的制约，水平承载桩的实践有很大的局限性。 上世纪6 0 年代，一些具有较大抗弯刚度、较大桩长的大直径钻孔桩和管桩开始在 工程中使用，桩的水平承载性能也有了很大的提高，对水平承载桩的作用机理研究也有 了较大的发展。在这期间不仅积累了一定量的桩的水平静载试验数据，而且发展了多种 的分析计算水平承载桩的方法。这时期的理论和实践表明，一定刚度的桩不仅能承受较 大的竖向荷载，而且能够承受较大的水平荷载。m 法和张有龄法被当时的港口工程桩基 规范采用，m 法和c 法被铁路和公路桥梁设计规范采用。i n 法、c 法和张有龄法只有单一 的参数，所计算的桩的弯矩、挠度以及转角与实测值有一定的差异，不能够完全符合。 上世纪7 0 年代，p - y 曲线法开始流行开来，挪威以及美国石油协会在海上平台桩的 设计中都采用了此法。 上世纪8 0 年代，p - y 曲线法开始进入我国，并在海上桩的设计中得到使用。p - y 曲 线法不同于m 法、c 法和张有龄法，它避免了只有单一参数的弊端，保证了桩与土体间 2 广西大学硕士学位论文泥岩地基水平抗力系数研究 的变形协调，是公认的比较先进的方法。另外，双参数法和综合刚度原理的解析解也由 重庆交通学院的吴恒立教授完成，对m 法、c 法进行了改进。 上世纪9 0 年代，随着计算机技术的快速发展，使得用计算机对实际工程的模拟成 为可能，各种数值模拟软件开始在全世界推广开来，极大地提高了包括水平承载桩在内 的各种工程桩的研究水平。 p - y 曲线法、张氏法和m 法都是以w i n k l e r 地基模型为基础的计算方法，w i n k l e r 地基模型用一系列离散的弹簧来代替桩与土体间的相互作用，而桩的内力和位移则根据 弹性地基上梁的挠曲微分方程来求解。张氏法和m 法是将地基土作为弹性体，没有考虑 土的非线性；而p - y 曲线法虽然考虑了土的非线性，但却忽略了桩身刚度、桩头约束以 及土的成层性对地基土的影响。 承受水平力的单桩的刚度性状与承载性状是桩与土共同作用的结果，影响单桩刚度 性状与承载性状的因素比较多。群桩的承载性状与承台的刚度、桩的排列以及桩的数量 有关；单桩的承载性状与土的工程性质和桩的刚度有关。但是，当前还不能完全清楚地 认识桩与土的共同作用。所以在以后的研究中，需要对桩与土的作用机理做更深一步的 研究。 根据前人的研究资料，试验室模型试验和现场试验是研究横向承载桩采用较多的试 验方法。由于试验设备条件、土质扰动、尺寸效应等原因使横向承载桩的某些特性不能 正确反映，这是室内重塑土的小比例模型试验存在局限性的重要原因；对于现场试验来 说，因耗资巨大也不可能大量使用。 随着科学技术的发展，数值方法的求解技术和应用都有了较大的发展，由于数值方 法在很多的工程设计计算中都取得了不俗的成就，因此受到了工程界广泛的关注，也日 渐成为岩土工程界研究工程问题的有效手段之一。目前，数值模拟同试验结果结合起来 能取得很好的技术效果和经济效益，它在一定程度上取代了较为昂贵的现场试验。 由于有限单元法能够可靠并有效地分析水平荷载作用下桩与土的相互作用以及土 的性状，因此，有限单元法被广泛地应用与桩基工程中。在桩基工程中，钻孔群桩以及 侧向小变形弹性桩的极限承载力都可以用有限单元法来模拟；在模拟时，桩的特殊边界 约束条件、土的非线性、动力效应和固结效应等影响桩的很多的因素都可以被考虑到。 有限元方法能够有效地计算土与筏板的相互作用、计算桩和桩周土的应力和应变、并能 够模拟三维空间中桩与土的几何形状；还能够有效地模拟土的连续性和桩土界面行为。 随着边界元、无穷元等耦合方法的使用以及科技飞速发展带来的信息技术的日新月 异，使横向承载桩在计算机上的有限元分析变成现实。由于计算参数的选取能通过合理 的参数反算及试验结果获得，使得计算模型问题可以通过岩土本构模型研究的进展而逐 步解决。计算精度和前后处理的工作量也由于网格的合理划分以及部分网格的计算机自 动处理而得到较好的协调。因此我们可以预见，在桩的水平承载力和变形特性的研究甚 至辅助工程计算方面，有限元一无穷元耦合方法是相当有前途的。 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 1 2 2 水平承载桩水平抗力系数研究 从上世纪3 0 年代对水平承载桩的研究开始到现在已经有8 0 多年的历史，8 0 多年来 对地基水平抗力系数的研究已经取得了丰硕的成果： 对地基土水平抗力系数中的比例系数m 的确定最有效的方法是进行现场水平静载试 验，这也是相关桩规范中规定的方法。但试桩不仅费时费力，且费用昂贵。因此许多的 科研人员力图通过其它的一些方法来求得地基土的m 值，总结有以下一些方法： 1 李俊、强士中、李小珍【8 2 】等在没有现场试桩资料的情况下，根据动力触探击数， 获得土层的变形模量，然后计算得到了地基系数的比例系数m ，并用计算实例对这一理 论进行了验证，降低了按公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 建议表格取 值的任意性。 2 王旭东、黄力平、阮永平、徐建龙【8 0 】等提出了一种建立在弹性抗力法基础上的地 基土水平抗力系数中的比例系数i l l 值的反分析方法。他们根据基坑施工监测资料，用非 线性单纯性方法反演地基土的i l l 值，并实例分析证明了该方法简单可靠，易于实际工程 应用。 3 孙勇【5 5 】等通过大量试验和理论分析，在b a g u e l i n 公式的基础上推导出水平地基 系数的公式，提出了一套用幂函数模拟水平地基系数的逐步回归的方法，获得了较好的 效果。同时，推导出这种情形下的弹性地基梁法的解析解公式。并给出了一个计算实例， 说明将旁压试验引入抗滑桩设计是可行的，值得推广研究和应用。 4 林华国、唐世栋【5 6 】等根据3 8 个扁铲侧胀试验孔近4 0 0 0 份数据的实测资料求得上 海地区软土层的侧向基床反力系数，分析和归纳出各土层侧向基床反力系数值的范围及 其随深度的变化规律，并将计算值与相关规范参考值作比较，为上海地区水平受荷桩、 基坑工程和隧道工程的设计提供依据。 5 邢恩桥、许国辉、杨俊杰【j r 7 】等利用天津地区地层大量静力触探资料与地基土状态 数据，利用统计分析回归方法，总结出地基土的液性指数与静力触探参数锥尖阻力及摩 阻比问的关系式，针对天津的地层土体，给出利用静力触探资料查用m 值的表格，为桩 基的设计计算提供依据。 以上这些方法都是研究人员对m 取值方法的不同研究成果，丰富了对m 取值的研究 理论，其应用有待于进一步的实践证明。 1 2 3 水平承载桩的模型试验研究 模型试验、数值分析是对水平承载桩或抗滑桩进行研究的重要方法。二者各有其优 缺点。相对而言，数值分析方法方便且投资少，但其精确度对于桩一土相互作用参数、 土体特性等有很大的依赖性。模型试验能根据需要具体设定边界控制条件、桩土材料特 性，同时信息量大，可信度也较高，不仅如此还可以在此基础上进行数值模拟。但需要 4 广西大学硕士学位论文泥岩地基水平抗力系数研究 指出的是，模型试验也有其不足之处，要对抗滑桩应力一应变特性及变形过程进行准确 分析必须与其它研究分析手段相结合。 由于工程实践的需要，近年来国内外许多学者对桩在水平荷载作用下的变形状态作 了大量试验研究工作，其中有很多是通过模型试验进行的。如日本镍原、久保两人在砂 槽中进行模型试验，观察垂直桩的变形特性，给出了桩的水平荷载一变位曲线，桩在土 下部分的水平变位、弯矩以及地基反力分布曲线。美国桩基研究者结合阿肯色河的闸坝 工程就桩基的水平荷载与变形相互关系进行了模型试验研究。比利时和英国学者在高岭 土槽内，对不同直径铝制模型桩受水平荷载后的弯曲、位移特性作了分析【6 。 国内也有许多学者进行了桩的各种模型试验： 1 马骥【5 9 】等采用有机玻璃模拟抗滑桩，采用砂、黄油、机油和滑石粉以一定比例调 配而做成滑动面，同时保持桩前体的砂为疏松状态，而将滑床内的砂进行分层夯实至紧 密状态，在这样的试验条件下，对桩前体在不同极限抗滑力时抗滑桩的受力情况进行了 研究，同时，还对桩埋入滑动面以下的的不同深度时抗滑桩的受力情况和桩前滑体相应 的抗滑力、桩身的变位以及弯矩和抗力的变化情况进行了研究。 2 徐良德】等采用塑料薄膜做滑动面，以2 3 m m 的石英砂模拟含石较多的堆积层 滑坡或破碎岩体，抗滑桩则用四块有机玻璃粘结而成，同时模拟软弱基岩则用o 5 m 0 5 r e x1 2 m 的木屑、砂、石蜡混融体在设桩位置的滑动面一下进行设置。最后得出了在 抗滑桩上的下滑力和桩前滑体抗力以及锚固段地层反力在滑体为松散介质时的分布规 律。 3 马建林1 6 1 】对桩土破坏机理进行了研究，试验选用石英砂作为试验砂土，试桩材料 则采用空心硬铝。 4 李亮【6 2 】为考察在工作状态下抗滑桩的内力和变位，特别是桩间距对他们影响，他 采用重塑的长沙红粘土作滑体和滑床土，模型桩则用有机玻璃的粘性土中的抗滑桩试 验。 5 熊治文【6 3 】进行了深埋桩的模型试验和数值模拟，他采用天然黄土分层夯实作为滑 体，1 ：8 水泥土模拟滑床，同时选用2 5 0 号钢筋混凝土做模型桩，两层塑料薄膜模拟滑 面，在试验介质满足与原型滑体等强度的要求以及模型桩与实际抗滑桩混泥土强度相当 的条件下说明了深埋桩的适用条件和受力分布规律，同时也证明了桩顶深埋程度与桩受 到的滑波推力大小二者之间的关系。 6 曾德荣，范草原【叫等采用人工筛选去大于1 2 c m 的块石，逐层填满0 3 m 后用人工 夯实直至2 2 m ，模拟滑床则用l o c m 厚人工拌和的均匀的软塑状的粘土；试验时，在桩 顶1 0 o c m 位置设1 4 号的钢筋拉杆一根并施加6 k n 的预应力以模拟锚索，同时将应变片 贴在两组中的拉杆上。通过试验得出了该结构的受力情况以及抗滑桩的一些规律。 7 魏作安、李世海、赵颖【6 8 】等用厚度为l o m m 、宽度分别为1 0 、1 5 、2 0 m m 、长度为 3 0 c m 的有机玻璃板来模拟抗滑桩，用常规建筑用的干燥的中细砂来模拟滑坡体的材料， 通过变抗滑桩的几何尺寸、布置间距以及滑体的滑移面角等有关参数，研究抗滑桩与滑 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 坡体之间的相互作用。 8 李荣建、于玉贞、吕禾、李广信【6 9 】等使用铜质抗滑模型桩，采用一定黏度的甲基 硅油作为孔隙流体，通过抽真空法制作了饱和地基上的加固边坡模型。进行动力离心模 型试验，研究了地震作用下饱和砂土地基中动孔压、边坡变形与土体加速度和抗滑桩弯 矩的响应特征。 1 3 本文研究内容 众所周知，泥岩参数的合理确定具有重要的理论意义及实际工程指导意义。但是， 目前的岩土勘察报告中由于试验条件的局限，导致无法较好地提供各类土层的基床系 数，而某些相关规范提供的参数因选择范围过大使得设计人员取值时随机性很大。另外， 不同地区的土层的物理力学指标的差异很大。虽然通过现场单桩水平静载试验可以较精 确地确定桩侧岩土水平抗力系数中的比例系数m ，但试桩不仅费时费力，且费用昂贵， 不可能每一个工程都有条件做。因此通过室内模拟试验来求得相应土层的m 值，为地层 相近地区的桩设计提供参考值具有十分重要的实际意义。 根据目前水平承载桩的研究现状，结合室内的抗滑桩水平承载力试验，本文将就以 下几方面进行研究工作的开展： 1 ) 对桩在水平荷载作用下的计算方法和工作性状进行系统分析 本文总结了人们对水平承载桩的研究过程，并且详细地对桩在水平荷载作用下的计 算方法及其工作性状进行了分析。 2 ) 进行室内桩的水平静载荷模拟试验，并对数据进行分析 介绍了室内水平静载试验的全过程，包括试验原理、试验目的和试验内容的详细介 绍，以及试验设备、试验方法和试验过程的详细描述，并在试验的基础上根据模拟试验 数据绘制相关曲线并对试验结果进行系统分析； 3 ) 运用a n s y s 软件对水平静载试验进行数值模拟与分析 本文用a n s y s 软件模拟了理想场地情况下的水平静载试验，并对试验的过程进行了 系统的介绍，对试验的原理进行了分析，同时还将对试验参数选择进行说明。并将结果 与室内单桩水平静载荷模拟试验的结果对比，给出泥岩的参考值。 6 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 第二章单桩在水平荷载作用下的工作性状和计算 2 1 单桩水平荷载作用下的工作性状 2 1 1 荷载一位移关系 单桩从承担水平荷载开始一直到其破坏，根据前人大量的试验研究分析，一般情况 下可分成如下三个阶段( 图2 - 1 ) ： ， 垂 蔷 l 墨 务 2 0 加6 08 0 t 0 0 鼠 h ， 水平力鼢如 图2 1 水平力位移曲线 1 ) 第一阶段：直线变形阶段 桩在经受任一级水平荷载反复作用时，只要是在一定水平荷载范围内，桩身的变形 都会在一定的范围内，都会趋于一个定值，而且当荷载卸载的时候桩的变形大部分都可 以消失，桩身基本不会有残余变形，这时桩处于直线变形阶段。在直线变形阶段终点的 那个荷载就是临界荷载，记作日。 o ， 2 ) 第二阶段：弹塑性变形阶段 在荷载增量相同条件下，当水平荷载超过临界荷载h 后，桩的水平位移会明显增 o ， 大，桩身变形也加大；同时，随着反复的加卸载，桩顶的位移会逐渐加大，只不过位移 增量会随着循环次数的增加而呈减小。与上一个阶段相应，当卸载后，桩身将会有较大 部分的塑性变形，对应于该弹塑性变形阶段终点的荷载称为极限荷载，记作日。 u 3 ) 第三阶段：破坏阶段 7 广西大学硕士学位论文泥岩地基水平抗力系数研究 当施加于桩顶的荷载增大到一定程度时，桩的水平位移及桩的变形会突然增大，反 复循环的同一级荷载或者连续的加荷都会使位移增量加大。这个时候，桩和桩侧岩土体 都会发生破坏，并产生大大小小的裂隙。 实际上，由于土体的成分复杂，土在整体上呈现的是非线性的特征。就算是在第一 阶段的直线变形阶段，土体的位移一荷载曲线也不完全是直线，仅仅是近似直线而已。 由于桩身的强度和桩侧地基土的强度是控制桩的水平承载力的两大因素，桩的荷载一位 移血线会存在差别。由地基强度控制的桩由于土体受桩的挤压而逐步由弹性阶段进入塑 性阶段，由于这个过程是个循序渐进的过程，没有明显的分界点，因此在荷载一位移一 般不会出现明显的拐点【7 j 【l 引，后者在达到极限荷载后，继续增加荷载桩顶的水平位移增 大很快，会有明显的拐点出现在荷载一位移曲线上。 2 1 2 刚性桩和弹性桩 在水平力作用下，桩的工作性状随着入土深度、桩身强度和地基刚度不同而不同。 一般情况下可分为刚性桩和弹性桩两种情况： 图2 - 2 刚性桩与弹性桩 l m 时，6 0 = o 9 ( d + 1 ) ： 方形桩：当边宽b 1 m 时，6 0 = 1 5 b + o 5 ； 当边宽b l m 时，b o = b + 1 。 o ( 2 1 ) 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 一般情况下，桩的相对刚度系数和入土深度的关系可以作为划分刚性桩和弹性桩的 依据。当为刚性桩时：h 2 5 t ；当为弹性桩时，其h 2 5 t ，其中h 为实际埋置深度( 从 地面或冲刷线算起) 。 2 2 单桩水平荷载下的计算方法 2 2 1 桩的挠曲微分方程 , v o 遭 m + d m q 咔d o 吣 ( b ) 图2 4 桩土中部分的坐标系及力的正方向 在断面主平面内，假设竖直桩全部埋入土中，地表面桩顶处的作用有垂直于桩轴线 的水平力h o 和外力矩m 。在选定坐标原点和坐标轴方向的基础上，规定日。和的正 方向为图所示 图2 - 4 ( a ) ；如果在桩的任何一段上取出微小段d x ，则桩的剪力和弯矩 的方向如图 图2 - 4 ( a ) 所示。 推导挠曲微分方程如下： e l d 出 y 。+ b o p ( x ，y ) = 。 p ( x ，y ) = m ( x o + x ) 7 y ”= k ( x ) y ” ( 2 2 ) 式中： 1 0 广西大学硕士学位论文 泥岩地基水平抗力系数研究 p ( x ，y 卜单位面积上的桩侧土抗力； y 水平变位； x 地面以下的深度； 6 0 桩的计算宽度； 、m