（岩土工程专业论文）软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究.pdf

软土地基中抗拔桩的受力和变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 摘要 本文以中山花园、拱宸桥运河广场等浙江软土地区抗拔桩静载试 验为背景，对抗拔桩抗拔承载力计算、上拔量计算、抗拔桩侧阻发展 机理进行了分析研究。 首先介绍了抗拔桩的破坏模式，并在此基础上分析研究了的等截 面抗拔桩单桩极限承载力计算。并结合实测资料，在对等截面桩侧摩 阻力曲线进行幂函数数学模型拟合的基础上提出了抗拔桩承载力计 算的计算式，分析结果表明：本文提出的计算式具有很好的计算精度。 对扩底抗拔桩的受力和变形机理进行了分析，并在此基础上探讨 了影响抗拔桩极限承载力和上拔量的主要因素。 运用幂函数数学模型对抗拔桩q s 曲线进行模拟，并在此基础 上提出了对锚桩抗拔极限承载力预估的方法。利用桩的静载实测资 料，对浙江软土地区抗拔桩和承压桩侧摩阻力的差异做了对比分析， 并得出它们的比值为0 8 左右。 利用有限元对影响抗拔桩q s 曲线的主要因素进行了分析，且 对抗拔桩设计提出了几点建议。 关键词：抗拔桩、极限承载力、上拔量、破坏模式、桩体变形模量、 侧摩阻力 软土地基中抗拔桩的受力和变形性状研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t a t i c l o a dt e s t so ft e n s i o np i l e si ns o f tg r o u n d l y i n go i lt h ep r o v i n c eo fz h e j i a n gs u c ha sz h o n g s h a ng a r d e n ，g o n g c h e nb r i d g e c a n a lp i a z z a ，e t c ，t h ec a l c u l a t i o n so fa s c e n d i n gd i s p l a c e m e n t ，d e v e l o p i n gm e c h a n i s m o f t h es i d ef r i c t i o na n du t m o s tb e a r i n gc a p a c i t yo f t h et e n s i o np i l e sa r es t u d i e d f a i l u r em o d e so ft h et e n s i o np i l e sa r ei n t r o d u c e df i r s t b a s e do nt h ef a i l u r e m o d e s ，t h eu t m o s tb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o n so fs i n g l eu n i f o r m - s e c t i o np i l ea r e a n a l y s e da n ds t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i s ed a t a ，o n em e t h o dt o c a l c u l a t i n gu t m o s ts i n g l e - p i l eb e a r i n gc a p a c i t y i sp r o v i d e da f t e rs i m u l a t i n gt h e u n i f o r m s e c t i o np i l e s i d ef r i c t i o nc u r v eb yp o w e r - f u n c t i o nm a t hm o d e l s a n a l y s e i n d i c a t e st h a tt h em e t h o dp o s s e s s e sg o o dc o u n t i n gp r e c i s i o n t h es f f e s sa n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fe x p a n d i n g - b o t t o mt e n s i o np i l e si s a n a l y s e d t h e np r i m a r yf a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h eu t m o s tc a p a c i t ya n da s c e n d i n g d i s p l a c e m e n t ，a r eo f f e r e da n dd i s c u s s e d t h eq - sc u r v e sw h i c hd e s c r i b er e l a t i o n so fl o a da n dd i s p l a c e m e n ta r es i m u l a t e d b yp o w e r - f u n c t i o nm a t hm o d e l s a n dt h em e t h o dt of o r e c a s tu t m o s tb e a r i n gc a p a c i t y o fa n c h o r - h o l dt e n s i o np i l e si s o f f e r e d a c c o r d i n gt ot h es t a t i c l o a dt e s t sd a t a ，t h e d i f f e r e n c e so fs i d ef r i c t i o n sa b o u tt h et e n s i o np i l e sa n dt h ep r e s s i o np i l e sa r e c o n t r a s t i v e l ya n a l y s e d t h er a t i ob e t w e e nt e n s i o np i l e s s i d ef r i c t i o na n dp r e s s i o n p i l e s s i d ef r i c t i o ni sc l o s e dt oo 8 t h e p r i m a r yf a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h eu t m o s t c a p a c i t y a n da s c e n d i n g d i s p l a c e m e n t ，a r ec o n s t r u e db yu s i n gt h ef e m a n ds o m es u g g e s t i o n sa b o u th o wt o d e s i g nt e n s i o np i l e sa r em a d e k e yw o r d s ：t e n s i o np i l e s 、u t m o s tb e a r i n gc a p a c i t y 、s e t t l e m e n t ；f a i l u r em o d e 、 a s c e n d i n gd i s p l a c e m e n t 、p i l ed e f o r m a t i o nm o d u l u s 、s i d ef r i c t i o n i i 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 1 1 工程背景 第一章绪论 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 由于生产日益发展，建( 构) 筑物的基础承受上拔力的情况愈来愈多。而 利用桩基来提供抗拔力是较为常用形式，这种受拔力的桩称为抗拔桩。以下基 础就常用抗拔桩来满足工程要求的抗拔力：( 1 ) 高压输电线塔；( 2 ) 电视塔 等高耸建筑物：( 3 ) 承受浮托力为主的地下结构，如深水泵房，地下室或其他 工业建筑中的深坑；( 4 ) 在水平荷载作用下出现上拔力的建( 构) 筑物； ( 5 ) 膨胀土或冻胀土地基上的建筑物；( 6 ) 海洋石油的钻采平台及洋面或潜 水系泊系统的桩基； ( 7 ) 高层建筑物主楼与裙楼连接处的桩基。 抗拔桩作为抗拔基础的一种主要形式，相对于其它抗拔基础，有着很多突 出的优点： 象重力式基础和深埋式锚板抗拔基础，其抗拔承载力主要取决于回填土的 土料以及压实质量。首先取决于回填土的抗剪强度；其次是基础的上拔容许变 形量要求严格控制时，还取决于回填土的压实密度和变形模量。由于开挖基坑 时对地基土的扰动很大，回填土的均匀度和力学指标不好控制掌握，这些都对 发挥原状土的强度和变形特性不利；而对于抗拔桩，无论是挖孔、机扩孔或者 灌注桩，桩周土相对地未受扰动或者扰动较少，其强度和变形特性与原状土相 差不多，有利于发挥原状土的强度和变形特性。 同时，抗拔桩还具有不需要开挖基坑，埋设后又要回填土等施工工序，有 效缩短工期等优点。 进入2 1 世纪后，随着高层建筑和基坑工程的大量涌现，抗拔桩使用越来越 多。而现在为止还没有成熟的有关抗拔桩的计算设计理论。 相比于抗压桩，抗拔桩在荷载作用下的荷载传递机理及计算方法是不太成 熟得多。迄今抗拔桩设计方法仍处借鉴抗压桩设计方法阶段，即以桩的抗压侧 摩阻力值导入一个经验折减系数后作为抗拔桩侧摩阻力值以估算抗拔承载力。 抗拔桩的抗拔承载力由桩侧抗拔力阻力、桩重和桩底部在受到上拔荷载作 用时形成的真空吸力三部分组成。但是真空吸力在总抗拔力中占的比例较小， 并且往往在受荷后期可能会消失而常常不计。t o m l i n s o n ，m j ，认为粘土中桩的短 期抗拔侧摩阻力一般与抗压侧摩阻力相等，但短桩( l d = 5 ) 的长期抗拔侧摩阻 力会小于抗压侧摩阻力。当为圆柱性桩时，3 4 个月后长期抗拔承载力可降低 o 5 左右。其原因可能是由于上拔荷载作用下初期在桩底产生的真空吸力的消失 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 及孔隙水压力的产生与消散使土层内水分向桩转移而使粘土发生软化的缘故。 对于稠度指标愈小的土( 往往是超压密粘土层) ，这种长期承载力降低的现象 愈明显。 抗压桩的桩侧摩阻力常被称为正摩阻力，而抗拔桩侧阻力和前者的作用方 向相反，称之为负摩阻力。通常认为抗拔桩侧摩阻力小于抗压桩侧摩阻力。但 是实测结果往往相互矛盾，抗拔桩侧摩阻力可以小于、等于甚至大于抗压桩的 侧摩阻力，可见其内在规律远非象估计的那样简单。而现行抗拔桩设计中，都 认为抗拔桩侧摩阻力小于抗压桩侧摩阻力。 我国对在砂质土层的钻孔桩进行荷载试验得到的实测资料分析后，得出抗 拔桩侧摩阻力为抗压桩侧摩阻力的0 1 6 0 - 3 4 ，入土深度愈浅比值愈小。 江苏地区淤泥粉质粘土层采用潜水工程电钻施工的钻孔灌注桩( 桩径 6 0 0 m m ，桩长2 0 m ) 得到资料显示，拔压侧摩阻力比值为o 6 一o 8 。 从粉沙中的冲吸式等截面钻孔灌注桩( 桩径4 5 0 r a m ，桩长1 2m ) 的抗拔侧 摩阻力与抗压侧摩阻力比值为0 9 左右。 我国港口工程技术规范规定了一个从抗压桩侧阻力确定抗拔桩侧阻力的折 减系数0 8 。 上述比值有较大离散性，原因是多方面的： ( 1 ) 抗压桩的桩侧摩阻力有的采用实测值，有的选用经验方法划分的数值， ( 2 ) 灌注桩施工难以控制，计算桩径与实测桩径有较大出入，而桩侧即使只 有不大的突出部分也能使抗拔承载力有明显提高， ( 3 ) 土层的多样性等。 影响单桩抗拔承载力的因数是多方面的，主要因数有： ( 1 ) 桩的类型及施工方法； ( 2 ) 桩的长度： ( 3 ) 地基的类别： ( 4 ) 土层的形成历史： ( 5 ) 桩的加载历史； ( 6 ) 荷载的特性； 因此在确定抗拔桩承载力时，首先要区分各种情况，考虑各种因数，盲目套 用一种方法可能是错误的。而目前某些规范采用抗压桩侧摩阻力导入折减系数 以确定抗拔桩承载力的做法显然不够妥善。深入研究抗拔桩的受力性状，能更 好的指导抗拔桩的施工与设计。这是本研究课题的意义所在。 辕土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 1 2 研究现状 抗拔桩按照其所处的土层，可以分为两种：一是砂土地基中的抗拔桩；二 是软土地基中的抗拔桩。按桩的形状大致可以分为等截面抗拔桩和非等截面抗 拔桩，其中非等截面抗拔桩主要是扩底桩。 刘祖德( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 比较系统的介绍了抗拔桩基础，对抗拔桩基础受力 性状和应用范围等做了较详细的介绍。史鸿林等( 1 9 9 6 ) 在现场大直径钻孑l 灌 注桩的原型抗拔试验基础上，对桩的抗浮安全度、荷载传递机理和抗拔桩对其 周围土体的影响等进行了研究。杜广印等( 2 0 0 0 ) 对抗拔桩的侧阻和抗压桩的 做了对比研究，在一定假设的基础上得到了影响侧阻的预测公式，在一定程度 上揭示了抗压桩和抗拔桩侧阻有所差异的原因。 黄锋等( 1 9 9 9 ) 对砂土中的抗拔桩位移变形进行了分析，采用桩周土变形 模式反映桩基荷载传递规律，推导出抗拔桩荷载位移关系的理论解，同时，黄 锋还对土的剪胀性对桩侧摩阻力的影响做了简化模型分析，得出了剪胀性对抗 拔桩和承压桩侧摩阻力的不同影响。何思明( 2 0 0 0 ) 对抗拔锚板破坏特性及抗 拔承载力做了分析，给出了长方形锚板和圆形锚板在垂直荷载作用下的破裂面 参数方程，并对破裂面参数的取值做了分析研究。何思明( 2 0 0 1 ) 在国内外众 多抗拔桩原位及室内测试资料的基础上，建立了抗拔桩桩周土体的破裂面方 程，在此基础上研究了抗拔桩的极限承载力，并提出个极值原理。吴建华 ( 2 0 0 1 ) 、徐晓波及王龙华( 2 0 0 1 ) 分别对抗拔桩的设计进行了讨论。 b a l l a ( 1 9 6 1 年) 以及m e y e r h o f 和a d a m s ( 1 9 6 8 ) 研究了抗拔桩的破裂 面，并指出，在极限抗拔荷载作用下，抗拔桩破裂面在桩端处与桩表面相切， 而在地表面，破裂面与水平面成4 5 。一e 2 的夹角。茜平一等的研究结果 ( 1 9 9 2 ) 也表明，在铅直荷载作用下，抗拔锚板两侧土中的破裂面呈对称的喇 叭形，其切线方向在板边缘近似垂直，在地表处，无论是砂土还是粘质砂土均 接近4 5 。一e 2 。 k h a d i l k a re ta 1 ( 1 9 7 1 ) 研究了扩底桩的破裂面和极限抗拔承载力；在室 内模型试验中，为方便观测破裂面的几何形状采用一面为玻璃的钢柜；在钢柜 中放置染色的成层砂土，观察砂土在试验过程中的变化。跟据观察结果，闭合 的破裂面的形状可用对数螺旋线来表示，并用k s t t e r 的微分方程表达沿破裂面 的应力求得上拔荷载的数学表达式。m u r r a ya n dg e d d e s ( 1 9 8 7 ) 指出， k h a d i l k a re ta 1 的分析中没有考虑沿破坏面的摩擦力的方向，因而求得的上 拔力结果是无效的。 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 c l e m e n c ea n dp e p e ( 1 9 8 4 ) 调查研究了砂土层中横向应力作用下的多螺旋 锚杆的使用和上拔情况。调查研究结果表明，如果使用前后、上拔过程中及破 坏时通过对受力的应力单元采取有效措施，螺旋锚杆的使用可以增加锚杆周围 的剪应力，并且这种剪应力在密实砂土中有极其明显的增加。根据锚杆的使用 和上拔情况，他们认为，应力在砂土中会有极大的增长，上拔力取决于砂土的 密实度和锚杆的相对深度比( 锚杆的深度和锚杆直径之比) 。 k u l h a w y ( 1 9 8 5 ) 介绍了浅层锚杆的静态上拔性状，讨论了螺旋锚杆的使用 技术及其对破坏面发展的影响。他评价了破坏模式并讨论了沿观察到的破坏面 的剪力对上拔使用过程的影响。对单螺旋锚杆，k u l h a w y 认为，沿破坏面的剪 力取决于摩擦角和锚杆周围土体的应力状态。m i t s c ha n dc l e m e n c e ( 1 9 8 5 ) 对 比了砂土中多螺旋锚杆的室内和现场试验结果；根据试验结果，他们认为决定 极限上拔承载力的因素如下：砂土的密实度，锚杆的安装和相对深度比。 g h a l ye ta 1 ( 1 9 9 1 ) 研究了不同类型砂土中螺旋锚杆模型室内试验结 果，试验在前人研究的基础上做了一定的改进，并对群锚的性状进行了研究。 a s h r a fg h a l y ，a d e lh a n n a m i k h a l lh a n n a ( 1 9 9 1 ) 在地表面时破裂面与水平 面夹角为4 5 。一舻2 的条件下，研究了锚板在砂土中的抗拔性质。a m h a n n a 和 a m g h a l y ( 1 9 9 2 ) 进行了超固结比对上拔承载力的影响研究。a s h r a f g h a l y & a d e lh a n n a ( 1 9 9 4 ) 研究了单锚和群锚的破坏模型，并对单锚的极限抗 拔力和群锚的极限抗拔力计算做了研究：a s h r a fm g h a l y ，s a m u e lp c l e m e n c e ( 1 9 9 8 ) 对斜锚的抗拔也做了研究，并对斜锚的水平抗拔力的计算做了推导。 对抗拔桩承载力的计算公式探讨，首先是从无粘性土中的抗拔桩开始 的。1 9 5 2 年，别列赞采夫( b e r e z a n c e v ) 从广义库仑破坏条件由通用的平衡方 程出发，假设桩侧土为轴对称变形，采用哈尔一卡门( h a a r - - k a r m a n ，1 9 0 9 ) 塑性状态，求得圆柱形抗拔桩承载力的理论计算双曲线公式。 美国的k u l h a w yf h 教授所领导的研究小组曾对等截面抗拔桩基础问题 进行了持续广泛的研究。认为等截面抗拔桩基础主要破坏形态为沿着桩一土侧 壁界面上发生土的圆柱形剪切破坏。在某些条件下也可能发生倒锥台剪破，或 者混合剪切面破坏。 s t e w a r t j ，p 和k u l h a w yf h 汇集了多人的研究成果后提出了确定倒锥形 体深度的方法。认为这主要和土的抗剪强度和原位土应力及l d 有关。 各国规范规定的抗拔承载力计算方法差异很大，下面略作介绍： 4 软土地基中抗拔批的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 丹麦规范认为粘性土中打入桩用静力公式估算其抗拔承载力出入太大，一 般应通过试验确定。只有对规范中规定的所谓低等级和正常等级工程才允许用 一般所谓静力公式估算。 日本港湾协会编的港口建筑物设计标准对于确定打入桩的抗拔承载力 有较详细的规定。原则上要通过抗拔试验以求得单桩的抗拔承载力。不得已才 根据静力公式估算，对于软粘土中摩檫桩，规范认为压入时和上拔时的桩侧摩 阻力基本一致，而桩端阻力有很小，也可以根据抗压试验结果确定抗拔承载 力。 我国铁路、公路桥涵设计规范均规定仅容许桩在组合荷载作用下承受拉 力，并按下列公式确定其抗拔承载力： e l 2 0 3 u + l + 邱+ w ( 1 1 ) 式中 t 。桩在竖向压力作用下的桩周土对桩的正摩阻力： u ，l 分别为桩的周长和长度； w 桩身自重，地下水以下按有效重度计算。 不难看出，如按常用安全系数为2 考虑，上式即认为桩侧土的摩阻力在抗 拔时和抗压时的比值的0 6 。我国港口工程及电网系统工程有关规范对上述比值 一般采用o 6 一o 8 ，并明确规定对钢筋混凝土打入桩一般取0 8 ，入土较浅时， 应适当降低。 目前抗拔桩的极限承载力p 。还常用以下几种方法计算： 方法一： p 。= u l f u + w( 1 2 ) 式中，u 为桩周截面周长；l 为入土深度；w 是桩重；f u 为桩侧单位面积上的 平均摩阻力。 在粘性土中，f u 可用a 法( 推荐用此法) 或法估算。 a 法： f u = a c 。( 1 - 3 ) 式中，a 为桩周的粘着力系数， 对钻孔灌注桩： a = 1 0 - 0 0 0 7 5 c 。( 1 4 )( c 。 8 0 k n m 2 ) 法： f u = f c ( 1 6 ) 为桩拔，压摩阻比。其中c 。单位为k p 。 方法二： 当假设抗拔桩为倒锥台破裂面时( 如图1 一b 所示) 可用以下公式计算： 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状耐f 究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 p 。= ( 0 5 k ：t a n6yh ) nd h( 1 7 ) 式中：k 。为土压力系数：6 为桩土外摩擦角；y 为土体有效重度；h 为桩 的埋设深度：d 为桩直径。 1 3 本文的研究内容 根据工程实践的需要和目前对抗拔桩的研究现状，本文作了以下几个方面 的工作： 1 从实测资料出发，通过对已有研究成果的对比分析，对抗拔桩的荷载传 递机理和受力特性做进一步的研究； 2 参考已有成果，利用实测资料，寻求预估抗拔桩极限承载力的较理想的 计算方法； 3 对影响抗拔桩承载力的因素分析，提出合理设计抗拔桩的方法。 4 利用有限元，对抗拔桩受力与变形特性进行分析，对如何提高抗拔桩极 限承载力和减少上拔量做定性分析，并提出设计抗拔桩的几点建议。 5 由现场试验出发，得出抗拔桩和承压桩侧摩阻力的关系和他们的比值。 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 第二章等截面抗拔桩的受力与变形特性 2 1 等截面抗拔桩破坏形态 无论是设计还是抗拔桩的理论研究，确定抗拔桩的破坏形态都是关键的一 环，同时也是困难的一环。因为抗拔桩的破坏形态和许多因数有关。对于等截面 抗拔桩，破坏形态可以分为三个基本类型： 1 沿桩一土侧壁界面剪破，如图2 1 a 所示； 2 与桩长等高的倒锥台剪破，如图2 1 b 所示； 3 复合剪切面剪破：即下部沿桩一土侧壁面剪破，上部为倒锥台剪破，如图 2 1 c 所示；或者为在桩底与桩身相切，沿一定曲面的破坏，如图2 1 d 所示。 图2 1 抗拔桩破坏形态 关于破坏形态形成机理，刘祖德做了比较全面的陈述 4 9 1 ： 比较常见的破坏形态是第1 种( 图2 1 a ) 。只有软岩中的粗短灌注桩才可能出 现完整通长的倒锥体破坏。倒锥体的斜侧面也可呈现为曲面。复合剪切面常在硬 粘土中的钻孔灌注桩中出现，而且往往桩的侧面不平滑，凹凸不平，粘土与桩粘 结得很好。倒锥体土重不足以破坏该界面上桩一土的粘着力时即可形成这种滑 面。事实上，在硬粘土内，上拔过程中沿桩身不同深度处自上而下地逐步出现若 干例锥形裂缝。它们就是可能出现局部倒锥体土块随桩体一起上拔的产生诱因。 美国k u l h a v c yf h 教授所领导的研究组曾对等截面桩基础上拔问题进行 了持续广泛的研究。结果表明，这种桩的主要破坏形态还是沿着桩一土侧壁界面 上发生土的圆柱形剪切破坏，一般使侧面阻力达到最大值所需的基础滑移不超过 1 3 r a m 。然而也不尽然，在一定条件下也可能转化为混合剪切面滑动形式，其机理 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 如下：当刚施加上拔荷载时，沿着满足摩尔一库伦破坏条件的区域在土中出现间 条状剪切面，如图2 2 a 所示。每一剪切面空间上又呈倒锥形斜面。这时尚不可 能有较大的基础滑移运动。随着上拔力的增加，迫使界面外土中出现一组略与界 面平行的滑裂面，沿着它们基础产生较大滑移( 见图2 2 b ) 。这种滑移剪切最终 发展成为桩基的连续滑移( 见图2 2 c ) ，即沿圆柱形的滑移面破坏。但某些情况 下，在连续滑移剪切破坏发生前，问条状剪切面也会直接导致基础破坏。这将产 生混合式破坏面，即在靠近地面呈一例锥形面，而下部为一个完整的圆柱形剪切 面。 s t e w a r t ，j p 和k u l h a w y ，f h 汇集了多人的研究结果后提出了确定倒锥 形体深度的方法( 图) 。由图可知：在土的抗剪强度和原恢土应力较高的情况下， 那些上l d ( 桩的长径比) 值比较小的基础往往易形成倒圆锥形破坏面。例如当 y l e = 0 5 ，l d = 2 5 时，锥形体的深度约等于0 3 l 。图中l 为桩长， = k t a n j ( 侧压力系数乘以外摩擦系数) ，y 为土的有效重度；e 为土的不排水 抗剪强度。 燃她案 ( a )曲)( c ) 图2 2 界面外土中剪切破坏面的发展过程 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙江大学硕上学位论文2 0 0 3 年2 月 图2 3 钻孑l 灌注桩上拔时倒锥形破坏面的发展( 引自s t e w a r t ，jp ) 2 2 桩侧摩阻力的发挥 2 2 1 桩侧摩阻力的发挥过程 在抗拔桩的应用和理论研究中，等截面抗拔桩都走在前面。等截面抗拔桩因 为施工方便，工艺简单等原因，现在广泛的应用在建筑工程中。 等截面桩受上拔荷载时，通过桩身将荷载传递到土上的规律类似于其受压 时，但是所有的应力正负号则与之相反，桩侧摩阻力的方向也相反。桩身拉应力 开始产生在桩的顶部。随着桩顶向上位移的增加，桩身拉应力逐渐向下部扩展。 当桩顶部位的桩土相对滑移量也达到某一定值( 通常小于6 至1 0 m m ) 时，该界 面摩阻力已发挥出其极限值；但桩下部的侧摩阻力还没有充分发挥，随着荷载的 增加，发生侧摩阻力峰值的桩土界面不断往下移动；当到达一定荷载水平时，桩 下部侧摩阻力得到发挥引起抗拔力增加量等于桩上部由于过大位移而产生的总 侧摩阻力的降低速度时；整个桩身侧壁总摩阻力也已经达到了峰值，其后桩的抗 拔总阻力就将逐渐下降。 桩土间表现为摩擦阻力，土与土问表现为剪切应力。 2 22 桩侧摩阻力达到峰值与上拔量的关系 1 桩径的影响 关于桩侧摩阻力达到峰值与桩顶上拔位移量的关系，主要与土质、桩的长度、 桩与土的界面特性有关。至于桩侧摩阻力达到峰值所需的桩顶上拔位移量是否和 9 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 桩径有关，存在着两种观点。第一种观点认为：上述两者存在着一定的函数关系， 例如l c ，r e e s e 通过试验得出两者存在以下关系：在坚硬的粘土的钻孔桩，下压 时桩土相对位移为0 5 2 d ( d 为桩径) 时桩的侧摩阻力达到峰值。由此推论， 认为上拔时相对位移要比下压时更大些，可取为2 5 d 。另一种观点认为：两者 基本没有关系，侧摩阻力与相对位移关系比较稳定。经过多年多人的试验分析， 证明桩径虽然有一定影响，但在工程应用有限的桩径范围内，其影响不大，两者 并非线性关系，所以可以认为第二种观点基本成立。 2 桩侧摩阻力与上拔量的近似解 当桩受到上拔荷载后，和桩接触的土由于桩土间摩阻力的存在而被带动，一 起向上产生位移。桩周的土体将产生剪应力和剪应变，该剪应变和剪应力一环一 环( 和桩同心的环形) 沿径向向外扩散，再离桩轴n d ( 1 1 为系数，d 为桩的直径， n 随桩的荷载水平、土性而变化，约# j ( 8 - 1 5 d ) 处剪应变变为零( r e n d o l p h & w r o t h 1 9 7 8 ；c o o k ee ta 1 1 9 7 9 ) ( 如图2 4 所示) 。离桩中心任一点r 处的剪应变为： ，：盟。堡：兰( 2 1 ) 咖毋g 式中e 一土的剪切模量，g = 岛2 ( 1 + 虬) ； e o 为土的变形模量； “，为土的洎松比。 相应的剪应力，可根据半径为r 的单位高度圆环上的剪应力总和与相应的桩 侧阻力q 。总和相等的条件求得： 2 ，r r r = 丌由。 ( 2 2 ) 剪应力为 “ o 2 万吼 ( 2 3 ) 将桩侧剪切变形区( r = n d ) 内各个圆环的竖向剪切变形加起来就等于该截面桩 的上拔量s 。将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 并积分： 善“姆2 善“- d r 眨a ， 得 o 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 s ：毕吼d l n ( 2 h ) ( 2 5 ) 止n 当桩摩阻力达到极限值q 。时对应得上拔量为s 。，则 s o ：毕d l n ( 2 ) ( 2 6 ) 也“ 图2 4 抗拔桩上拔量沿径向的分布图 3 上拔量与侧阻的微分方程 桩的模型如下图2 5 所示：每一个桩单元与土体之间用非线性弹簧联系，这 些非线性弹簧的应力应变关系，即表示桩侧摩阻力q 与桩位移( 上拔量) 之间 的关系。如考察一长为l ，截面面积为a ，周长为u 的单桩，桩顶作用竖向荷载 p 。在深度z 处取一长为d z 的微分桩段，受力情况见下图2 5 。 根据任一单元体的静力平衡条件，桩周侧摩阻力q ( z ) 和轴向力之间的关 系为( p 和q 方向相反) ： 软。f ：地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 图2 5 抗拔桩受力示意图 d e _ ( z ) ：一u q ( z ) ( 2 7 ) g i g 抗拔桩的极限承载力由三部分组成：桩的重量、桩身侧阻力和桩底的真空吸 力。在实际工程中，由于在长期荷载下土中水的渗透流动，真空吸力随时间推移 而消失，同时占的比例又很小而忽略不计。其中侧阻力对桩的极限承载力影响最 大。 如上图2 5 所示，任一深度z 桩身截面的荷载为： p ( z ) = p u n ( z ) a z 一缈2 z ( 2 8 ) 式中p 上拔总荷载： u 桩的周长。 桩的上拔量由两部分组成：桩身的拉伸量和桩端的上拔量 s o = s b + s 。 ( 2 9 ) 式中 s o 桩总的上拔量； 鼠桩端上拔量； 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 s 桩身的拉伸量。 各个截面的上拔量为： s ( z ) 2 品一可1 r p ( z ) 出 2 1 式中 e 。桩身弹性模量； a 桩身截面面积 将式( 2 7 ) 代入上式，两边求导得 嘶) - _ 等如 或者 p ( z ) ：一4 e ，a s - ( z ) ( 2 1 2 ) 盘 将( 2 1 2 ) 代人( 2 1 ) 纵加等可d 2 s ( z ) ( 21 3 ) 式( 2 1 3 ) 就是桩土体系荷载传递分析计算的基本微分方程。通过在桩身埋设应 力或者应变测试元件( 钢筋应力计、应变片、应力杆等) 利用式( 2 7 ) 或式( 2 1 2 ) 即可求得轴力和侧阻力沿桩身的变化曲线。 2 2 3 临界位移 1 临界位移与l d 关系 所吲i m 旧- , 界位移，是指桩侧摩阻力达到最大值时桩侧发生的最大竖向位移。 确定桩的i 晦界位移对桩的设计和对桩抗拔力的预估有很重要的意义。 现在使用的抗拔桩，绝大多数都是灌注桩，对灌注桩的临界位移，陈竹昌 承压桩等人进行了大量研究。认为l 缶界位移和桩的长径比l d 相关性很差，下图 2 6 ( a ) 为3 0 根不同长径比的灌注桩的临界位移分布图。灌注桩的临界位移大 体上在2 1 0 m m 的范围内变化，z 。= 6 5 m m 。这与预制桩的情况基本相似。 2 临界位移与土的强度关系 坟十地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕十学位论文2 0 0 3 年2 月 桩临界位移和桩侧土强度的关系，研究( m f c h a n g 。1 9 9 1 ) 表明：临界位 移一z o s 和桩侧土强度( n 。) 关系的可以用散点下图2 5 ( b ) 相应的回归曲线表 示。经过分析，可以用以下回归方程式来描述临界位移和桩侧土之间的关系： i ：监l ( 2 1 4 ) 5 一五百瓦“ 图26 临界位移( 引自m fc h a n g 1 9 9 1 ) 有上式可以看出，随着桩侧土强度的增加，灌注桩的临界位移不断增加 最后趋于一个确定的值。为了更好的说明上述问题，我们取n o ，= 1 0 和 虬。= 4 0 0 代人上式进行计算，得到相应的临界位移分别为3 0 0 r a m 和8 6 5 m m 其平均值为5 8 2 m m 。6 。为无限大时，临界位移为9 。i m m 。 所以临界位移可取为6 。0 n u n 6 5 r m n 。 2 3 桩侧阻力q ( z ) 的深度效应 下面提出临界深度的概念，为q ( z ) ( 侧摩阻力) 拟合和抗拔桩承载力的计算 提供依据。 在一定深度以上，桩侧阻力随着深度的增加，土中的竖向应力也随之增加， 土对桩的水平向的压力也相应的增加，根据库仑抗剪定律 f ，= c + 仃。t a n q ) ( 2 1 5 ) o 土的抗剪强度； c 土的粘聚力： 舐剪切滑动面上的法向应力； 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙江人学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 土的内摩擦角。 土的抗剪强度相应增大，从而引起桩侧摩阻力的增加。 当桩入土深度超过一定深度后，侧阻不再随深度增加而增大。这一深度就是 侧阻的临界深度。 桩侧阻临界深度的概念，最早由v e s i c 提出。k u l h a w a y 认为，存在临界深 度是由于桩土摩擦角随深度而降低及桩侧土侧压力系数随深度降低而引起的。对 长桩，则还有逐渐破坏理论的解释，即不同深度处，桩周土达到破坏不同步，小 深度处先达到破坏，大深度处后达到破坏，而较大深度处达到破坏时，小深度处 的土可能已处于软化状态，从而影响了侧阻的宏观表现。 桩的临界深度的存在，土的剪胀性也是其内因之一2 ”： 当垂直受力桩受荷载作用时，在桩周一定范围内( 不仅仅是紧贴桩身处) ，土 体将会发生剪胀( 或剪缩) ，实际上这部分土又无足够的空间去允许发生体积的真 正变化( 忽略地面的隆起或下陷) 。那么实际上是这范围的土体的平均主应力，尤 其是径向应力增加( 或减小) ，用应力增加而压缩的体积( 或用应力减小而回弹的 体积) 去“消化”体胀( 或体缩) 。这样，土体剪胀增加了应力，而剪缩降低了应 力，从而对桩侧摩阻力的发挥产生影响。 室内三轴试验证明“明一定密度的砂土，围压越小，剪胀越明显；当围压逐 渐增大到一定值时，不发生剪胀也不发生剪缩，即为常体积；当围压继续增大时， 则表现为剪缩。对一定密度的正常固结粘性土，即为常体积；当围压继续增大时， 则表现为剪缩。对一定密度的正常固结粘性土，在三轴剪切中都表现为剪缩，且 随着围压增大，剪缩越明显。 如果认为桩周土的密度沿深度保持不变，则对砂性土，桩周土的剪胀随深 度增加而减小，尔后在某深度处为常体积，即不发生剪胀剪缩，再向下则表现为 剪缩。亦即在常体积深度以上，剪胀引起侧阻的增加，增加率从上而下逐渐减小； 常体积深度处侧阻不变，常体积深度以下，剪缩引起侧阻减小，减小率随深度逐 渐增加。对粘性土，桩周土发生剪缩，且随深度剪缩逐渐增加，于是侧阻减小， 减小率随深度逐渐增加。设不考虑剪胀剪缩影响时桩侧阻力为三角形分布( 如下 图所示) ，如果考虑剪胀剪缩影响后，侧摩阻的分布如下图2 7 b 、c 曲线所示。 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙江大学硕上学位论文2 0 0 3 年2 月 考虑到桩周土剪胀性对侧阻的较大影响性，可以认为：土的剪胀性是侧阻存在临 界深度的重要内因之一。 国中 为不考虑翦胀性； b 为砂性土：c 为粘性土 图2 7 考虑剪胀后侧阻随深度变化图( 引自黄铯1 9 9 9 ) 现场试验表明，当抗拔桩桩长达到一定程度后，对于以上拔量控制的桩，再 提高桩长并不能提高桩的极限承载力，临界深度也是存在的，但由于所掌握的试 验数据有限，特别是对于粘土中的抗拔桩更是了解的更少，其机理和变化规律还 有待进一步探讨。而在抗拔桩设计和对桩抗拔力的预估中，必须对此引起高度重 视。 2 4 抗拔桩侧摩阻力的曲线模拟 241 抗拔桩侧摩阻力曲线 虽然抗拔桩和抗压桩的受力机理不尽相同，但试验得出( 王维雅，1 9 9 8 ) 抗 拔桩的轴向力和侧摩阻力沿桩深度的分布特点与承压桩相似。a p u e c h 等人应用 数值模拟的方法对一根打入匀质密实砂土中的1 4 m 的长桩( 桩径d = 3 0 c m ) 进行 了计算。设这桩的相对刚度较差( 桩土弹性模量比e e 。= 1 0 0 ) ，计算分析表明 桩侧摩擦是自上而下逐渐产生的，桩身荷载向土中的传递过程也符合一般下压桩 的规律。只是应力的符号相反。而且土与桩的相对位移也是从桩顶逐步传向桩尖 的。其桩侧剪应力传递过程见下图2 8 。 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 0 02 5 05 0 0t 5 l0 0 图2 8 桩侧剪应力的传递过程( 引自a p u e c h ) 在抗拔桩的设计和对桩进行抗拔桩预估时，如果能求得侧摩阻力沿桩身的 分布，就可以求得抗拔桩的极限承载力。对抗拔桩侧摩阻力曲线的推求和拟合研 究工作，应以实测的抗拔桩侧摩阻力曲线为标准的，并且经过修正和平滑处理。 在工程中要测定桩身的侧摩阻力时，一般通过在预先在桩的竖向钢筋中埋设 钢筋应变计，测得钢筋的应变，通过下式求得桩的轴力： p ，j = a e i e , 。j ( 2 1 6 ) 式中s 第j 测点处的应变； e 桩身在第i 级荷载下的平均弹性模量； 爿桩截面积。 侧摩阻力可按( 2 7 ) 式求出，也可根据吼= 竺奠墨 专岸式推求。 由于实测的应变桩位、仪器等的影响，不可避免地产生误差，侧摩阻力曲线一般 要经过桩径修正，再进行平滑处理得到的。桩径修正系数等于该段桩径与平均桩 径比值的平方。( 朱国甫1 9 9 4 ) 中是先应用约束样条曲线拟合的方法对测得的应 变值进行校正，再由校正后的应变曲线求侧摩阻力曲线，该法具有一定的可取之 处。若不经过修正与平滑处理，得到的应力、应变及侧阻力曲线并不是光滑的曲 线，而是由一一些折线连接而成例如，下图为山水人家一根桩长为2 6 8 m ，桩径 为0 8 m 抗拔桩实测的侧摩阻力的折线图。 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 2 03 04 0 3 0 深度( m ) 图2 9 山水人家抗拔桩实测侧摩阻力折线图 2 4 2 对理想侧摩阻力曲线的拟合 关于侧摩阻曲线方程，有不少假定形式，如何能正确地反映实际情况，并且 与测量的结果相差很小是关键。若根据k e z d i 可类似地假定侧摩阻曲线为指数曲 线，可设曲线方程为 心小唧碡) 亿 式中k 土的侧压力系数； 伊分别为土的重度和内摩擦角，与土的类别及密实度有关； 鼠桩侧阻力充分发挥时的临界位移，一般视具体桩而定。 若假定侧摩阻曲线为抛物线，可设曲线方程为 心m z 腰一争 眩 式中 q 。桩侧的最大摩阻力； o 5 m 螨 加 篮 软土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 s o g 。发挥时对应的桩的深度： s 桩长范围内的深度值； k 控制参数。 下图2 1 0 a 是在一定荷载下的理想化的桩侧摩阻曲线，q 。为4 2 k n m 2 ，s 。 为3 2 m ：图2 1 0 b 是根据假定的抛物线方程，拟合出的桩侧摩阻曲线，取不同的 s 值，根据式( 2 1 8 ) 计算出相应的q 值，就可绘出拟合的侧摩阻曲线；图2 1 0 ( c ) 是根据假定的指数方程拟合出的桩侧摩阻曲线大致形状。 ( a ) 理想化曲线 ( b ) 抛物姥方程拟告 cc ) 指数方程拟合 图2 1 0 桩侧摩阻力拟合曲线 从上图的3 条曲线对比可见，理想的侧摩阻力曲线类似于单驼峰( 或土丘) 形，用 指数曲线来拟合，只是在开始部分接近，在达到g 。以后，不能收敛，只有一个 半开口曲线，不能正确地反映出侧摩阻曲线在桩下部明显降低，到桩端较小的特 征。用抛物线来拟合，比用指数曲线拟合要恰当些，在外形上与实测的摩阻曲线 具有一定的相似性，反映了侧摩阻力先增后减的变化趋势：在桩顶和桩上部单位 例摩阻力较小；到桩的中下部，桩侧摩阻力达到峰值；桩下部例摩阻力明显降低； 到桩端，单位侧摩阻力较小而且变化也小。若能选择合理的控制参数k ，得出的 结果比较接近测量值，所以具有一定的可行性。 用假定的抛物线方程拟合出该桩的理想侧摩阻曲线，若仅以弯曲的折线来代 表侧摩阻曲线无多大实际意义，只有经过拟合的曲线才更符合现实，一般要求光 滑或接近光滑就行。这在一定程度上滤去了测量过程的误差。经拟合后的侧摩阻 9 欤土地基中抗拔桩的受力与变形性状研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 力曲线较好地反映了摩阻力的局部变化和整体性，增加了侧摩阻力计算的可靠 度。 啪咆觯后一专对雕阻捌俐成微酬 摩阻力的实际情况，而且考虑了临界深度对抗拔桩极限承载力的影响。 2 5 抗拔桩极限承载力的计算 2 51 基本计算式 桩抗拔极限承载力只可被认为由以下两部分组成，即：桩侧摩阻力、和桩 的有效自重睨：基本计算公式为： 只= 只+ ( 2 1 9 ) 2 5 2 常用的抗拔桩计算方法 1 圆柱状剪切破坏时的抗拔承载力计算 沿桩土界面滑移破坏的计算，按理说必须掌握交界面上材料的抗剪强度。但 k u l h a w y 等人证实灌注桩实际破坏面一般出现在界面以外附近的土体内，而并非 直接在界面上，因此只需知道土的抗剪强度即可。 圆柱状剪切破坏时的桩抗拔承载力估算公式可写为： 只= 睨+ e r d i k y z t g o d z ( 2 2 0 ) 0 只桩极限承载力； 睨桩的自重( 地下水位以f 位有效自重) ； k 土侧压力系数； 妒土平均有效摩擦角： ，土的平均有效重度： l 桩长。 若在均质土中，并设应力