（巖土工程專業(yè)論文）自平衡試樁承載特性研究.pdf

摘要 摘要 自平衡試樁( o - c e l l 試樁) 是一種新的靜載荷試樁方法，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：不 需要反力平臺(tái)，在實(shí)際工程中應(yīng)用越來越廣，但相應(yīng)的理論研究工作滯后。自平 衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)的荷載傳遞的機(jī)理存在差異，本文編制了單樁軸對(duì)稱非線 性有限元計(jì)算程序，研究自平衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)的荷載傳遞差異，重點(diǎn)針對(duì) 超長樁下的差異研究。采用荷載傳遞法推導(dǎo)得到自平衡試樁荷載一曲線的完整解 析解( 樁側(cè)土采用雙折線模型、樁端土采用三折線模型) ，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了解 析解的合理性，并探討解析解的應(yīng)用。 通過研究得出以下結(jié)論： 1 傳統(tǒng)載荷和自平衡加載下，樁軸力和樁側(cè)摩阻力分布、樁周土傳遞函數(shù) 存在差異。 2 傳統(tǒng)載荷和自平衡加載均達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，有限元計(jì)算得到粘性土中自 平衡試樁的上段樁向下總摩阻力與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)產(chǎn)生的向上總摩阻力基本相等， 砂性土中自平衡試樁的上段樁向下總摩阻力略小于傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)產(chǎn)生的向上總 摩阻力；自平衡與傳統(tǒng)載荷加載下極限側(cè)阻力比值沿深度變化，在荷載箱處達(dá)到 最大：雖然側(cè)摩阻力的分布存在差異，但是自平衡試樁得到上、下段樁極限承載 力總和略小于傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)的到極限承載力，偏于安全。 3 超長樁按變形控制確定單樁的極限承載力時(shí)，自平衡和傳統(tǒng)載荷加載下 下段樁承載性狀存在較大差異，自平衡荷載箱越靠近樁端、樁越長、樁直徑越小、 樁周土強(qiáng)度越高，兩者的差異越大。自平衡與傳統(tǒng)載荷下樁端力樁端位移近似 呈直線關(guān)系，兩者樁端割線抗壓剛度接近，自平衡與傳統(tǒng)載荷的樁端割線抗壓剛 度比值約為1 2 0 ，比值對(duì)荷載箱離樁端距離、樁長、樁直徑、樁周土的變化不敏 感，兩種加載方式下端阻力的差異主要表現(xiàn)為樁端位移的差異。因此對(duì)于超長樁， 從變形角度考慮，自平衡試樁下段樁的承載力結(jié)果直接作為單樁極限承載力的一 部分，高估了變形控制下下段樁的承載力，存在不妥，應(yīng)當(dāng)考慮樁身壓縮變形的 影響。 4 應(yīng)用自平衡試樁解析解，研究沉渣對(duì)自平衡試樁的影響，說明白平衡試 樁對(duì)沉渣有嚴(yán)格的要求；另一方面由于自平衡加載對(duì)沉渣的敏感性，可以用來檢 查灌注樁實(shí)際清孔效果，而傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)長樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮影響到沉渣的判 斷。 5 應(yīng)用自平衡試樁解析解，可以預(yù)估荷載箱的位置。 6 應(yīng)用自平衡試樁解析解可把自平衡試樁結(jié)果轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)載荷曲線( 稱荷 摘要 載傳遞解析轉(zhuǎn)換法) ，和實(shí)測傳統(tǒng)載荷曲線吻合較好，具有較高的精度；荷載傳 遞解析轉(zhuǎn)換法和荷載傳遞位移協(xié)調(diào)法得到擬合傳統(tǒng)載荷曲線比較接近；相比其他 轉(zhuǎn)換方法，荷載傳遞解析轉(zhuǎn)換法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：理論完整、不需實(shí)測傳遞函數(shù)、 簡單實(shí)用。 關(guān)鍵詞：自平衡試樁，有限元，超長樁，變形控制，荷載傳遞，位移協(xié)調(diào)，解析 解 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo - c e l lp i l et e s t i n gm e t h o d ( o p t ) i san e wa x i a ls t a t i cl o a dt e s t so f p i l e ， w h i c hh a su n i q u ea d v a n t a g e - - n or e a c t i o ns y s t e m i th a sf o u n da ni n c r e a s i n g l yw i d e u t i l i z a t i o ni np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，b u tt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h eop tl a g si np h a s e t h e r ei sd i f f e r e n c eo fl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mb e t w e e nt h eop ta n dt h et r a d i t i o n a l a x i a ls t a t i cl o a dt e s t so fp i l e ( t a s l t p ) t h en o n l i n e a ra x i ss y m m e t r yf e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) p r o g r a mo fs i n g l ep i l ew a se x p l o r e dt os t u d yt h ed i f f e r e n c e ， e s p e c i a l l y i n s u p e r - l o n gs i n g l ep i l e as e t o f a n a l y t i c a le q u a t i o n f o r t h e l o a d i n g s e t t l e m e n tc u r v eo ft h eo p tw a se s t a b l i s h e dt h r o u g hl o a dt r a n s f e r - - b i l i n e a r l o a d - t r a n s f e rf u n c t i o ni np i l el a t e r a ls o i la n dt r i l i n e a rl o a d - t r a n s f e rf u n c t i o ni np i l et o e s o i l ，a n dw a sv e r i f i e db yh i s t o r ye n g i n e e r i n gc a s e t h ea p p l i c a t i o no fa n a l y t i c a l s o l u t i o nw a sd i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sf o l l o w 舔： 1 b e t w e e nt h eo p ta n dt h et a s l t p , t h e r ei sd i f f e r e n c eo fp i l ea x i a lf o r c ea n d s h a f tr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o n ，a n ds o i ll o a d - t r a n s f e rf u n c t i o ns u r r o u n d i n gp i l e 2 w l f i l et h el i m i ts t a t ei sr e a c h e di nb o t ht h eo p ta n dt h et a s l t p , t h er e s u l to f f e mp r o g r a mi st h a tt h et o t a ls h a f tr e s i s t a n c ef o r c eo f u p p e rp i l e ( a b o v et h el o a dc e l l ) o ft h eo p ti sn e a r l ye q u a lt oo n eo ft h et a s l t pi nc l a y e ds o i l ，t h ef o r m e ri ss l i g h t l y s m a l l e rt h a nt h el a t e ri ns a n d ys o i l t h er a t i oo fu l t i m a t es h a f tr e s i s t a n c eo ft h eo p tt o o n eo ft h et a s l t pi sv a r i a b l ea l o n gt h ep i l e ，a n dr e a c h e st h ep e a ks e a l t h el o a dc e l l t h e r ei sd i f f e r e n c eo fs h a f tr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o n ，b u tt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f p i l ef r o mt h eo p t i ss l i g h t l ys m a l l e rt h a no n ef r o mt h et a s l t p 3 w h i l et h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ei sd e t e r m i n e db ys e t t l e m e n ti n s u p e r - l o n gs i n g l ep i l e ，t h e r ei se n o r m o u sd i f f e r e n c eo ft h eb e a r i n gb e h a v i o ro fl o w e r p i l e ( b e n e a t ht h el o a dc e l l ) b e t w e e nt h eo p t a n dt h et a s l t p l e s sd i s t a n c ef r o mt h e l o a dc e l lt op i l et o e ，m o r el e n g t ho fp i l e ，h i g h e rm o d u l e so fs o i la n dl e s sd i a m e t e ro f p i l e ，l a r g e rt h ed i f f e r e n c eb e c o m e s t h et i pr e s i s t a n c e - d i s p l a c e m e n tc h i v ei sa l m o s t l i n e a ru n d e rb o t ht h eo p ta n dt h et a s l t p t h er a t i oo fs e c a n tc o m p r e s s i v er i g i d i t y o fp i l et o eu n d e rt h eo p tt oo n eo fu n d e rt h et a s l t pi sa b o u t1 2 0 i ti sr e l e v a n t i n v a r i a b l e t h ed i f f e r e n c eo fp i l et i pd i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h eo p ta n dt h et a s l t p d e t e r m i n e st h ed i f f e r e n c eo ft h ep i l et i pf o r c e t h u s ，i nv i e wo fs e t t l e m e n tc o n t r o l ，i ti s n o tp r o p e rt h a tt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fl o w e rp i l eo ft h eo p ti s d i r e c t l y i i l a b s t r a c t r e g a r d e da sap a r to fo n eo fw h o l es i n g l ep i l e t h ec o m p r e s s i v es e t t l e m e n to fp i l e s h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n 4 碭ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h eo p ti sa d o p t e dt os t u d yt h ei m p a c to ft h e s e d i m e n to fb o r e dp i l e t h eo p ti ss t r i c tw i t ht h et h i c k n e s so ft h es e d i m e n t b e c a u s e o ft h es e n s i t i v e n e s so ft h e0 p tt ot h es e d i m e n t ，t h e0 p tc a ni n s p e c tt h ee f f e c to f c l e a n i n gt h es e d i m e n to fb o r e dp i l e w h e r e a s t h es h 心r e s i s t a n c eo fs u p e r - l o n gs i n g l e p i l eu n d e rt h et a s l t ph a sa ni n f l u e n c eo nt h ea s s e s s m e n to ft h es e d i m e n t 5 t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h eo p tc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h el o c a t i o no fl o a d c e l l 6 t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h eo p tc a nb eu s e dt ot r a n s f o r mt h er e s u l to ft h e o p ti n t ot h el o a d - s e t t l e m e n tc u r v eo ft h ep i l ei fi tw e r et o p - l o a d e d ( 1 0 a dt r a n s f e r a n a l y t i c a ls o l u t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，i e l 1 a s t ) t h et r a n s f o r m a t i o nc u r v ei sc l o s e t ot h e m e a s u r e m e n tl o a d s e t t l e m e n tc b i v ea n dt h el o a dt r a n s f e rd i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nc u r v ef r o mt h eo p t c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r st r a n s f o r m a t i o nm e t h o d , t h el t a s th a ss o m ea d v a n t a g e s - - i n t a c t t h e o r y ,n od e m a n do ft h em e a s u r e d l o a d t r a n s f e rf u n c t i o n ，s i m p l ya n dp r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：0 - c e l lp i l et e s t i n gm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s u p e r - l o n gp i l e ， s e t t l e m e n tc o n t r o l ，l o a dt r a n s f e r , d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t e ，a n a l y t i c a l s o l u t i o n i v 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位敝儲(chǔ)繇p 辛 砂年多月鏟日 椴淼虢枷狄躲弘f w 1 7 j - 年；月鄉(xiāng)日 觸年專月鏟日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 第一章緒論 1 1 概述 第一章緒論 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑、大跨度的橋梁等工程項(xiàng)目越來 越多，對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的要求越來越高，單樁極限承載力上千噸的不在少數(shù)，如 東海大橋副通航孔單樁極限承載力為6 0 m n ，杭州灣跨海大橋單樁極限承載力 為1 5 8 m n 2 1 ，甚至有的單樁極限承載力已達(dá)到上萬噸( 潤揚(yáng)長江公路大橋單樁極 限承載力達(dá)到1 2 0 m n ) 【3 4 】。現(xiàn)有的各類規(guī)范均強(qiáng)調(diào)單樁靜載荷試驗(yàn)是確定單樁 極限承載力最可靠的方法，但是高極限承載力導(dǎo)致采用傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)費(fèi)用昂貴 ( 傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)是指荷載在樁頂部施加，反力裝置采用錨樁、堆載平臺(tái)或錨樁 堆載聯(lián)合反力裝置，這種試驗(yàn)方法以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)) ：或者特定的試驗(yàn) 條件下( 如跨?；蚩缃髽驑痘?，無反力裝冕的施工條件) 傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)難以操 作，對(duì)傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)提出挑戰(zhàn)。 自平衡試樁( 國外稱o c e l l 試樁) 是美國o s t e r b e r g 博士1 9 8 4 年開發(fā)出來的一 種新的靜載荷試驗(yàn)方法，它的基本原理：將裝有千斤頂?shù)暮奢d箱放置于樁底或樁 的下部適當(dāng)位置( 該深度上下的承載力相當(dāng)) ，荷載箱以上樁段發(fā)揮的側(cè)摩阻力與 荷載箱以下樁段的側(cè)摩阻力 和端承力互為反力，見圖1 1 。 自平衡試樁思路【5 1 最早由日 本的中山和藤關(guān)于1 9 6 9 年提 出的，1 9 7 3 年g i b s o n 與 d e v e n n y 用該方法測定在鉆 孔中混凝土與巖石間的膠結(jié) 應(yīng)力，1 9 8 4 年美國圖1 1 is 、 q - 麓m 自平衡試樁原理示意圖 o s t e r b e r g 對(duì)該方法進(jìn)行開發(fā)，1 9 8 7 年首先在橋梁鋼樁中成功應(yīng)用，后來逐漸推 廣至各種樁型，并加以開發(fā)進(jìn)入商用。由于o s t e r b e r g 的杰出工作，該法以 o s t e r b e r gc e l l 試樁聞名于世，簡稱o c e l l 試樁。1 9 9 6 年東南大學(xué)土木工程學(xué)院 對(duì)該方法進(jìn)行研發(fā)，稱該方法為自平衡試樁，在江蘇省形成地方標(biāo)準(zhǔn)。 第一章緒論 自平衡試樁與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)相比，具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 測試裝置簡單，基本不需反力平臺(tái)，不占用施工場地，試驗(yàn)操作較方便、 安全； 2 ) 試樁時(shí)間短( 試驗(yàn)時(shí)安裝快速) ，費(fèi)用省，盡管荷載箱為一次性投入使用， 但對(duì)高承載力的試樁相比傳統(tǒng)靜載荷可節(jié)約3 0 _ _ 6 0 ，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié) 梨6 】，單樁極限承載力在8 m n 時(shí)兩者的測試費(fèi)用相當(dāng)，但單樁極限承載 力越高，自平衡試樁的優(yōu)勢越明顯，見圖1 2 ； z 暑 聲 廳 8 i- c o n v e n t i o n a i _ 0 - c e l l q f 1 01 0 01 0 0 0 t e s tl o a d m n 圖1 2自平衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)法的造價(jià)比較 3 ) 可以測試極限承載力較高的樁，國外測試的單樁極限承載力達(dá)1 5 0 m n 7 引，國內(nèi)潤揚(yáng)長江公路大橋、東海大橋和杭州灣跨海大橋均采用自平衡試 樁，其中潤揚(yáng)長江公路大橋單樁極限承載力達(dá)1 2 0 m n t 玉4 j ； 4 ) 可應(yīng)用于傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)難于進(jìn)行測試的地方，如河流的橋墩樁基、岸 邊樁基及其它堆載或錨樁實(shí)施有困難的工程； 5 ) 荷載箱的位置可靈活設(shè)置，可多個(gè)荷載箱配合使用，測得特定范圍的樁 極限承載力，適合用于研究：可以分別測得樁側(cè)摩阻力和端阻力；樁承 載力的時(shí)效問題研究( 對(duì)設(shè)備合理保護(hù)，一次投入可長期監(jiān)測，這是傳統(tǒng) 載荷試驗(yàn)無法比擬的) 【8 l 。 自平衡試樁目前正處于快速發(fā)展階段，已在中國、美、英、日本、新加坡 等多個(gè)國家得到應(yīng)用，至1 9 9 8 年文獻(xiàn)反映共完成約3 0 0 根試樁( 1 0 個(gè)國家) 【刀， 至2 0 0 1 年文獻(xiàn)反映共完成約6 0 0 根試樁( 1 5 個(gè)國家_ ) 【8 l 。至2 0 0 2 年，國內(nèi)東南大 學(xué)土木工程學(xué)院應(yīng)用自平衡試樁已做了上百例工程1 9 j 。 2 第一章緒論 1 2 研究綜述 自o s t e r b e r g 博- 士1 9 8 4 年開發(fā)出o c e l l 試樁，推廣使用至今有2 0 多年。國內(nèi)李 廣信等于1 9 9 3 年首先將0 c e l l 試樁介紹到國內(nèi)并展開研究；龔維明等于1 9 9 6 年立 項(xiàng)研究0 c e l l 試樁，并稱為自平衡試樁，逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 1 2 1 自平衡試樁的數(shù)據(jù)處理 自平衡試樁的數(shù)據(jù)處理有一個(gè)發(fā)展過程。o s t e r b e r g 等將上段樁( 荷載箱以上 的樁段，簡稱上段樁) 極限承載力( 扣除上段樁的自重) 加下段樁( 荷載箱以下的樁 段，簡稱下段樁) 極限承載力得到樁的極限承載力7 】：龔維明( 1 9 9 8 ) 1 0 1 等根據(jù)文獻(xiàn) 【6 9 】中抗拔樁的系數(shù)，結(jié)合工程實(shí)踐，將荷載箱上段樁極限承載力( 扣除上段樁的 自重) 除以修正系數(shù)加下段樁極限承載力得到樁的極限承載力，修正系數(shù)粘性土 和粉土取0 8 ，砂土取0 7 。 o s t e r b e r g ( 1 9 9 8 ) t 7 】提出采用經(jīng)驗(yàn)法把自平衡試樁結(jié)果轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載荷曲 線，即：假定樁為剛性，根據(jù)荷載箱上下位移同步的原則擬合( 當(dāng)向上位移或向 下位移較小時(shí)，采用雙曲線法延伸相應(yīng)的曲線) ，按等位移進(jìn)行對(duì)應(yīng)的荷載箱上 段樁荷載( 扣除自重) 和下段樁荷載疊加，得到等效傳統(tǒng)靜載荷荷載與位移曲線。 歐洲對(duì)經(jīng)驗(yàn)法提出修正【i o 】：對(duì)于短樁l d 2 0 ，將荷載箱上段樁荷載( 扣除自重) 乘1 5 ；s c h m e r t m a n n ( 1 9 9 6 ) 1 9 _ ；f 【i f e l l e n i u s ( 1 9 9 9 ) t 1 2 1 對(duì)經(jīng)驗(yàn)法擬合傳統(tǒng)靜載荷曲線 提出改進(jìn)意見：考慮樁身的變形。龔維明【l0 1 等對(duì)經(jīng)驗(yàn)法提出修正：將荷載箱上 段樁荷載( 扣除自重) 乘系數(shù)k ，根據(jù)南京部分自平衡試樁與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)對(duì)比結(jié) 果，反演得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：k 取值范圍1 o 1 6 ，后來又提出考慮上段樁的樁身 變形【1 3 】：并且提出用荷載傳遞位移協(xié)調(diào)法( 稱精確轉(zhuǎn)換法) 擬合傳統(tǒng)靜載荷曲線： 假定荷載箱以下樁段承載力位移量關(guān)系和荷載箱以上不同深度的樁側(cè)摩阻力 變位量關(guān)系與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)是相同的，利用荷載箱下段樁承載力位移量關(guān)系和 側(cè)得傳遞函數(shù)，用位移協(xié)調(diào)法擬合得到傳統(tǒng)靜載荷曲線。 1 2 2 自平衡試樁的驗(yàn)證 國內(nèi)外大量的對(duì)比試驗(yàn)己證明【1 4 】：粘性土中自平衡試樁的上段樁向下總摩 阻力與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)產(chǎn)生的向上總摩阻力基本相等；砂性土中自平衡試樁的上段 樁向下總摩阻力略小于傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)產(chǎn)生的向上總摩阻力。日本學(xué)者【7 】用自平衡 試樁和傳統(tǒng)靜載荷試樁分別對(duì)預(yù)制樁和灌注樁作一系列的對(duì)比試驗(yàn)，研究上述兩 3 第一章緒論 種試驗(yàn)方式下的側(cè)阻力和端阻力差異、試驗(yàn)結(jié)果差異。實(shí)測試驗(yàn)研究表明，兩種 試驗(yàn)方式下的端阻力位移曲線基本一致、上段樁總側(cè)阻力位移曲線吻合較好、 采用位移協(xié)調(diào)法把自平衡試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)靜載荷曲線與實(shí)測靜載荷曲線一致。 p e n g 等( 1 9 9 9 ) t 6 1 在新加坡做一組自平衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)比較，用經(jīng)驗(yàn)法擬合 得到曲線與實(shí)測傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)曲線符合較好。f e l l e n i u s ( 1 9 9 9 ) 1 2 1 在菲律賓馬尼拉 用自平衡試樁測試巴特列樁( 樁長2 8 m ，截面2 8 5 m x o 8 5 m ) ，通過有限元模擬自 平衡試樁得到相應(yīng)的參數(shù)，然后用有限元計(jì)算傳統(tǒng)靜載荷下的側(cè)摩阻力的分布， 和自平衡試樁側(cè)摩阻力的分布吻合較好。劉朝鋼等( 19 9 6 ) 【1 5 】和方磊等人( 19 9 8 ) 【1 6 1 將大型三軸試驗(yàn)儀改造成樁模型試驗(yàn)裝置，對(duì)自平衡試樁和傳統(tǒng)靜載荷試樁作比 較研究，兩者試驗(yàn)得到模型樁的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。 1 2 3 兩種加載方式樁承載性狀的差異 自平衡試樁和傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)施加荷載的位置不同，樁的荷載傳遞存在明 顯的差異。自平衡試樁，荷載箱以上樁段樁周土對(duì)樁的側(cè)摩阻力的方向向下( 方 向同抗拔樁，但荷載傳遞機(jī)理有別于抗拔樁) ，而傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)和實(shí)際工作狀 態(tài)樁周土對(duì)樁的側(cè)摩阻力方向一般向上，實(shí)踐證明自平衡試樁得到荷載箱以上土 的側(cè)摩阻力要小于傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)得到土的側(cè)摩阻力。國內(nèi)一些學(xué)者研究了自平 衡試樁和傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)的荷載傳遞差異。黃鋒( 1 9 9 8 ) 【1 7 1 8 1 等利用n g 滲水力土 工模型試驗(yàn)對(duì)用砂土分別做過在三組傳統(tǒng)靜載荷法、自平衡試樁、拔樁模型樁對(duì) 比試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，對(duì)于中密砂，拔樁時(shí)側(cè)摩阻力平均值為傳統(tǒng)靜載荷時(shí)的 o 4 2 倍，自平衡試樁時(shí)側(cè)摩阻力平均值為傳統(tǒng)靜載荷時(shí)的0 4 7 倍；不同深度下 比值不同，自平衡試樁模型試驗(yàn)淺部的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)靜載荷時(shí)側(cè)摩阻 力，深部兩者的比值約為0 7 5 ；自平衡試樁上段樁的側(cè)阻力和軸力主要集中在荷 載箱附近，離開荷載箱較小距離( 約2 0 樁長) 側(cè)阻力和軸力急劇降低，隨后降低 幅度趨于緩和，這種分布模式與傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)具有明顯的差異。溫慶博等【1 9 】做 了對(duì)幾組原型試驗(yàn)對(duì)比自平衡試樁和傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)的荷載傳遞差異，由于事先 估計(jì)不足，自平衡試樁中荷載箱往下位移過大和荷載箱行程的限制，荷載箱以上 的樁段的側(cè)摩阻力未達(dá)到極限，但仍得到有益的結(jié)論：傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)下側(cè)摩阻 力沿深度成中間大、兩頭小，自平衡試樁下側(cè)摩阻力沿深度在荷載箱位置最大、 樁頂處最小：將自平衡試樁向上荷載和位移曲線用雙曲線延長，按變形控制5 4 第一章緒論 直徑，得到自平衡試樁時(shí)側(cè)摩阻力平均值為傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)時(shí)的0 8 5 倍( 試樁位 置樁周土為粘質(zhì)粉土) 。 黃鋒等人( 1 9 9 8 ) t 5 2 0 】應(yīng)用有限元法( 土體采用d u n c 鋤c h 鋤g 模型，樁土接 觸面采用g o o d m a n 接觸面單元) 對(duì)傳統(tǒng)靜載荷法、自平衡試樁、拔樁下樁的側(cè)摩 阻力進(jìn)行研究探討，將有限元計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，提出了不同加載方 式下樁側(cè)摩阻力的影響因素：樁身變形的泊松效應(yīng)、樁周土的應(yīng)力變化和剪脹性、 樁周土主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)、邊界條件不同：并根據(jù)傳統(tǒng)靜載荷法和自平衡試樁應(yīng)力 路徑的差異，提出傳統(tǒng)靜載荷宜采用三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，自平衡試樁宜采 用三軸伸長試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。針對(duì)有限元計(jì)算模型中未能反映土的剪脹性和主應(yīng) 力方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的差異，杜廣印等人( 2 0 0 0 ) 2 1j 基于彈性理論推導(dǎo)出剪脹性和主應(yīng) 力方向旋轉(zhuǎn)影響系數(shù)公式。翟晉( 2 0 0 0 ) 【2 2 1 、龔維明等( 2 0 0 2 ) 【9 】應(yīng)用有限法( 土體采 用d r u c k e r - p r a g e r 彈塑性模型，樁周土用低模量單元替代接觸面單元) 研究三種工 況( 傳統(tǒng)靜載荷法、自平衡試樁、拔樁) 下不同樁周土模量的側(cè)摩阻力的差異；翟 晉【2 2 】研究自平衡試樁下樁土剛度、樁長徑比對(duì)側(cè)摩阻力和位移的影響。翟晉【2 2 l 、 龔維明等【9 1 、程寶輝( 2 0 0 3 ) 【2 3 1 應(yīng)用有限元( 土體采用d r u c k e 卜p r a g e r 彈塑性模型) 研 究自平衡試樁荷載箱上下段樁的相互影響，分析結(jié)果表明：荷載箱上下段樁存在 相互影響、相互影響隨著樁端樁側(cè)剛度比和樁長徑比的增大而減少；相互影響量 較少，從工程應(yīng)用角度考慮可以忽略相互影響。許宏發(fā)等( 2 0 0 3 ) 口j 應(yīng)用有限元( 土 體采用d r u c k e r - p r a g e r 彈塑性模型) ，對(duì)抗拔樁和抗壓樁機(jī)理做對(duì)比分析，得出抗 拔極限側(cè)阻力小于抗壓極限側(cè)阻力，其比值在0 7 - 0 9 之間，并指出抗拔樁具有 “越拉越松 ，而抗壓樁具有“越壓越緊 特性的結(jié)論。 1 2 4 軸向荷載下樁工作形狀的理論研究方法 根據(jù)已有的文獻(xiàn)，樁頂施加荷載下樁的工作性狀的理論研究最多，麗自平 衡試樁下樁的工作性狀僅有少數(shù)研究。研究軸向荷載下樁的工作性狀的理論研究 方法有：彈性理論法、剪切位移法、荷載傳遞法( 位移協(xié)調(diào)法和解析法) 。彈性理 論法由于計(jì)算較復(fù)雜，在分析樁的工作性狀應(yīng)用較少。剪切位移是c o o k e ( 1 9 7 4 ) 在試驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上提出，r a n d o l p h 和w r o t h ( 1 9 7 8 ) 得到比較成熟的剪切位 移解答，該理論解在研究抗拔樁的變形中得到應(yīng)用【2 5 2 6 1 。 荷載傳遞法由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) f 2 7 1 最早提出，根據(jù)實(shí)測或試驗(yàn)得到傳遞函 第一章緒論 數(shù)、假設(shè)不同傳遞函數(shù)，分別通過位移協(xié)調(diào)法或解析法研究軸向荷載作用下樁的 工作性狀。因荷載傳遞法能很好地反映樁土間非線性性狀及成層地基問題，且計(jì) 算簡便直觀等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究軸向荷載作用下樁的工作性狀應(yīng)用最多的一種分 析方法。實(shí)測傳遞函數(shù)一般難以得到，而室內(nèi)試驗(yàn)測得傳遞函數(shù)不能很好地反映 土體的實(shí)際應(yīng)力狀況，故荷載傳遞函數(shù)一般假設(shè)一定的函數(shù)形式：雙曲線、指數(shù) 函數(shù)、冪函數(shù)或若干個(gè)函數(shù)的組合。函數(shù)中的參數(shù)可根據(jù)其物理意義確定( 肖宏 彬等人【2 8 】) ，也可通過一個(gè)區(qū)域性的實(shí)測載荷試驗(yàn)，采用優(yōu)化方法( 張尚根和鄭必 勇采用改進(jìn)p o w e l l 優(yōu)化方法，對(duì)南京部分大直徑樁試樁得到土層的傳遞函數(shù)的參 數(shù)【2 9 1 ) 、灰色系統(tǒng)理論【3 0 l 確定。荷載傳遞位移協(xié)調(diào)法i 圭i s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 、c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 1 2 7 1 提出，根據(jù)傳遞函數(shù)，結(jié)合各單元樁的靜力平衡條件、樁身彈 性理論、位移協(xié)調(diào)通過迭代法求解。荷載傳遞解析法：通過給定傳遞函數(shù)和一定 的邊界條件，求解單樁微分方程。一般對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行簡化，便于求解微分方程。 簡化傳遞函數(shù)有佐藤悟的線彈性全塑性傳遞函數(shù)【3 l i3 2 】；陳龍珠等( 1 9 9 4 ) 1 3 3 】給出了 雙折線硬化模型解析解( 采用解析遞推法，即由彈性解得到的結(jié)果作為塑形區(qū)的 邊界條件) ；劉興遠(yuǎn)和鄭穎人在陳龍珠的解析解基礎(chǔ)上給出雙折線軟化模型解析 解；陳明中給出三折線模型的解析解；3 粼j ；( 1 9 9 9 ) t 2 5 】和張尚根等( 2 0 0 2 ) f 2 6 】假 定樁周土線彈性模型( 剪切模量為常數(shù)，前者分別考慮剪切模量與深度是否有關(guān)， 若有關(guān)假定為深度的冪函數(shù)) ，采用剪切位移得到傳遞函數(shù)，分別給出抗拔樁的 解析解。 1 2 5 超長樁下自平衡試樁的研究 高承載力樁測試中，相比傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)，自平衡試樁具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，高承載力樁中超長樁( 5 0 m ) 比例很高，上海地區(qū)超高層建 筑物的工程樁一般為超長樁，呂福慶( 1 9 9 6 ) p 4 j 分析的武漢7 l 根嵌巖樁約4 0 根為超 長樁。大量實(shí)測和模型研究表明超長樁在軸向荷載下單樁的工作性狀有其特殊 性：樁身壓縮量較大，張忠苗( 2 0 0 3 ) t 3 瓢3 6 】對(duì)軟土超長樁分析表明樁頂沉降主要由 樁身壓縮引起( 最大施加荷載下約占樁頂位移的8 0 ) ，樁身壓縮量較大不容忽 視，按變形控制確定單樁極限承載力時(shí)，樁端阻力不能完全發(fā)揮，且樁端阻力所 占比例隨長徑比的增加而減少。而自平衡試樁，因?yàn)楹奢d箱一般靠近樁端，樁端 阻力能得到較好的發(fā)揮。超長樁的自平衡試樁與實(shí)際受力下，荷載傳遞存在差異， 6 第一章緒論 而目前文獻(xiàn)未見這方面的研究。 1 3 問題提出及本文的主要工作 綜上所述，自平衡試樁作為一種新的靜載荷試樁方法，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 在實(shí)際工程中應(yīng)用越來越廣，但相應(yīng)的研究工作滯后。實(shí)踐證明自平衡試樁得到 荷載箱以上土的側(cè)摩阻力要小于傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)得到土的側(cè)摩阻力，但是自平衡 試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)的荷載傳遞的機(jī)理差異比較復(fù)雜，直接針對(duì)兩種加載方式下 的樁側(cè)土傳遞函數(shù)、側(cè)阻力分布規(guī)律對(duì)比研究較少，有待于進(jìn)一步研究。研究軸 向荷載下樁的工作性狀主要理論方法是荷載傳遞法，但是對(duì)自平衡試樁的工作性 狀研究較少。自平衡試樁在高承載力樁測試中，相比傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)，具有顯著 的優(yōu)點(diǎn)，高承載力樁中大部分是超長樁，如潤揚(yáng)長江公路大橋、東海大橋和杭州 灣跨海大橋主橋樁基均為超長樁，而超長樁端阻力在傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)下存在發(fā)揮不 足的現(xiàn)象，相反自平衡試樁因?yàn)楹奢d箱一般靠近樁端，樁端阻力能得到較好的發(fā) 揮，因此有必要研究自平衡試樁對(duì)超長樁工作性狀的影響。 本文的主要研究內(nèi)容是自平衡試樁的承載特性。設(shè)計(jì)非線性有限元計(jì)算程 序，研究自平衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)的單樁工作性狀的差異，重點(diǎn)針對(duì)超長樁下 的差異研究。采用解析法研究自平衡試樁荷載曲線，并分析解析解的應(yīng)用。本 文主要的內(nèi)容有： 1 編制單樁軸對(duì)稱非線性有限元計(jì)算程序s p i l e p ( s i n g l ep i l ep r o g r a m m e ) ， 樁、土、接觸面均采用4 節(jié)點(diǎn)單元，土體采用d u n c a n c h a n g 的e k 模型，樁本 構(gòu)模型采用線彈性模型，接觸面采用g o o d m a n 無厚度接觸面單元； 2 針對(duì)超長樁，分析對(duì)比自平衡試樁和傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)側(cè)阻力和軸力分布差 異、極限狀態(tài)下的承載特性差異、按變形控制下側(cè)阻力和端阻力差異，對(duì)超長樁 自平衡試樁的數(shù)據(jù)處理提出建議； 3 采用荷載傳遞法推導(dǎo)得到自平衡試樁荷載一睦線的完整解析解，其中樁側(cè) 土的傳遞函數(shù)采用雙折線硬化模型，樁端土的傳遞函數(shù)采用三折線模型。 4 利用自平衡試樁荷載曲線的完整解析解，研究沉渣對(duì)灌注樁的承載力影 響、預(yù)估自平衡試樁荷載箱的位置、自平衡試樁結(jié)果轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)載荷曲線。 7 第二章 白平衡試樁1 f 線性有限元程序設(shè)計(jì) 第二章自平衡試樁非線性有限元程序設(shè)計(jì) 2 1 概述 有限元是求解連續(xù)區(qū)域內(nèi)的邊值問題和初值問題的數(shù)值方法，它是數(shù)值方法 中應(yīng)用最廣泛、最強(qiáng)有力的工具，并已廣泛地應(yīng)用于包括樁基在內(nèi)的各類建筑物 的計(jì)算分析當(dāng)中。有限元法的基本原理就是在連續(xù)區(qū)域選擇一定數(shù)量的離散 點(diǎn)，將其離散為小的單元的等價(jià)系統(tǒng)，這些單元的集合體就代表了原來的結(jié)構(gòu)； 對(duì)每一個(gè)單元進(jìn)行分析，形成單元?jiǎng)偠染仃嚕喊褑卧獎(jiǎng)偠染仃嚰尚纬煽傮w剛度 矩陣；引入邊界條件和外荷載矩陣，求解這種整體平衡的方程組，就得到原來連 續(xù)區(qū)域在離散點(diǎn)處未知量( 應(yīng)力或位移) 的解答。 有限元方法具有以下優(yōu)點(diǎn)： l 、適合于分析復(fù)雜幾何形狀的連續(xù)介質(zhì)問題； ， 2 、便于引入各種要求的邊界條件； 3 、能成功地反映各種復(fù)雜材料非線性及其不均勻性性質(zhì)，因而可考慮巖土 介質(zhì)非線性和非均質(zhì)性。 2 2 軸對(duì)稱下單樁有限元分析理論 有限元方法能方便地考慮層狀土和土的非線性本構(gòu)關(guān)系，能有效地模擬樁土 共同作用?？紤]單樁及地基土的幾何分布特征，采用二維軸對(duì)稱有限元分析單樁 樁土共同作用。土體本構(gòu)模型采用d u n c a n c h a n g 的e k 模型；樁本構(gòu)模型采用 線彈性模型；樁與地基土接觸面的力學(xué)性質(zhì)特殊，采用g o o d m a n 無厚度接觸面 單元，該單元在荷載作用下，能傳遞一定的剪力，也可能產(chǎn)生一定的滑移，能反 映樁土間的摩擦性狀。因此采用軸對(duì)稱有限元分析的數(shù)值方法能有效模擬單樁樁 土共同作用，能較準(zhǔn)確地模擬樁、土及接觸面的幾何、力學(xué)特性。 2 2 1 樁土本構(gòu)模型 土體變形具有非線性和非彈性的特征，根據(jù)這種特征宜采用彈塑性模型模 擬較好，但是彈塑性模型用于實(shí)際工程較為復(fù)雜f 3 8 1 ；前人研究認(rèn)為【3 卅建立在塑 性變形理論基礎(chǔ)上的彈塑性模型和d u n c a n c h a n g 的非線彈性模型之間的差別不 是很大，d u n c a n - c h a n g 的模型也能夠模擬土體發(fā)生屈服以后非線性變形的形狀； 8 第二章 自平衡試樁非線性有限元程序設(shè)計(jì) 而且d u n c a n c h a n g 的非線彈性模型的參數(shù)較少，可以采用常規(guī)三軸試驗(yàn)得到 國內(nèi)也積累一定資料 4 0 1 。因此土體本構(gòu)模型采用d u n c a n c h a n g 的非線彈性模型 描述，由于e - v 模型應(yīng)用中，切線泊松比v 。公式不夠完善，1 9 8 0 年d u n c a n 和 w r o t h 提出用切線體積壓縮模量k t 代替切線泊松比vt ，即采用e k 模型【4 1 】( 又稱 e b 模型4 0 1 ) 。樁的本構(gòu)模型采用線彈性模型。 ( 一) 切線彈性模量e ，1 4 2 1 k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂土和粘土在常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān) 系可以用雙曲線表示。根據(jù)k o n d n e r 的建議，常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)中0 3 為常數(shù)，p 。一c r 3 ) 一乞關(guān)系可近似地用雙曲線來表示，即 q 一吒5 去 式中： 吼和盯，：為大小主應(yīng)力 a 、b ：為試驗(yàn)常數(shù) 切線彈性模量e ，為 巨= d ( _ t r i t - - o 3 ) = ! a 1 6 ( q q ) 2 d 乞 。 一 初始彈性模量e i 為 偏應(yīng)力的漸近線( q 一萬，i t 為 ( q 訓(xùn)。= 志卜弓 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 實(shí)際上乞不可能趨向無窮大，在達(dá)到一定值后就破壞了，此時(shí)偏應(yīng)力即為破 壞偏應(yīng)力h c r y ) f ，引入破壞比髟的概念。 驢黯 9 ( 2 - 5 ) 第二二章白平衡試樁1 仁線性有限元程序設(shè)計(jì) 破壞偏應(yīng)力p i 一盯3 ) ，與固結(jié)應(yīng)力吒有關(guān)，可由m o h r - c o u l o m b 破壞準(zhǔn)則確 定，即 0 - i - 0 - 3 ) ，2 號(hào)學(xué) ， 式中c 、矽為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。 將式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 代入式( 2 2 ) 得到： 卟捌卜 ， l g ( 去) 與l g ( 巹) 的關(guān)系近似直線，直線的截距為l g ( 足) ，斜率為肌則初始 彈性模量e i 可表示： e 一( 巹) ” 仁8 ， 式中p a 為大氣壓力。 將式( 2 6 ) 、( 2 - 8 ) 代入式( 2 7 ) 得到： 叫一篆2 cc o 篇s 搿s i nl 脅( 巹) ” p 9 ， 1 痧+ 2 吼痧ip 口，j 、7 ( 二) 切線體積壓縮模量k 。1 4 0 4 1 i 1 9 8 0 年d u n c a n 等提出切線體積壓縮模量k t 代替切線泊松比v 。，切線體積 壓縮模量k t 表示： k = 老= 鼢( 巹) ” 式中p 、氐分別表示平均主應(yīng)力和體積應(yīng)變。 2 2 2 接觸面本構(gòu)模型、單元矩陣l 柏4 2 i 在土體與地下結(jié)構(gòu)之間，由于其剛度不同，在外力系作用下，往往在其接觸 界面處也形成較大的剪應(yīng)力及相對(duì)位移。因此，對(duì)這類結(jié)構(gòu)物，正確地分析接觸 面上的受力變形機(jī)理，剪切破壞的發(fā)展，荷載傳遞過程，并在計(jì)算中正確地模擬， 是十分重要的。此時(shí)可在土體和地下結(jié)構(gòu)物間設(shè)置接觸面單元。 近年來各國學(xué)者發(fā)展了許多類犁的接觸面單元，如兩結(jié)點(diǎn)單元 3 9 1 、g o o d m a n l o 第二章 臼平衡試樁1 f 線性有限元程序- 墳計(jì) 單元【4 3 1 、d c s a i 單元【3 9 】、殷宗澤等改進(jìn)的薄層單元【4 4 1 、樁土界面摩擦函數(shù)法【3 9 l 等等。其中g(shù) o o d m a n 無厚度接觸面單元能較好地模擬接觸面上的錯(cuò)動(dòng)滑移或張 開，能考慮接觸面變形的非線性特性，得到較廣泛的應(yīng)用，因此采用該接觸面單 元模擬樁土接觸面。g o o d m a n 接觸面單元是四結(jié)點(diǎn)單元，如圖2 1 所示，兩片接 觸面之間假設(shè)有無數(shù)的微小的法向和切向的彈簧連接。 圖2 1 矮觸回單兀不蔥圖 在結(jié)點(diǎn)力擴(kuò)y 的作用下，兩片接觸面間的彈簧受內(nèi)應(yīng)力為 陸 g - ，) 相應(yīng)地在兩片接觸面之間產(chǎn)生相對(duì)位移為 蚺 式中，角標(biāo)s 表示切向，甩表示法向。 在線彈性假定下，應(yīng)力 與相對(duì)位移掃 ( 變形) 成正比，即 p = k 0 其中k 】= 臺(tái) ，式中哎和包分別為切向和法向單位長度勁度系數(shù) ( k n m 3 ) ，由試驗(yàn)確定，對(duì)彈性材料它們?yōu)槌?shù)，對(duì)非線性材料它們?yōu)樽兞俊?取線性位移模式，將接觸面上沿長度方向各點(diǎn)的位移用結(jié)點(diǎn)位移來表示。 陸牝0 譬。+ 0 警1 。0 譬 尋 第二章 臼平衡試樁1 仁線性有限元程序設(shè)計(jì) 慨) = 卯。二1 。囂 侄 接觸面單元內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)位移用矩陣表示為 婦 = 陋弦廣 舯阱窿芝) 萬r = 函，he坼_坼v j r 吲= 三蘭苫三了三苫斗氣