開口式變截面管樁土塞效應(yīng)與單樁承載性能研究

摘要工程預(yù)制管樁是一種技術(shù)可靠，施工簡單，造價低廉的預(yù)制樁型，工程中被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)環(huán)保意識抬頭，生活質(zhì)量之提升，對于樁基礎(chǔ)之施工，皆須考慮噪音、震動、污染之影響。全套管管樁施工具有低噪音、低振動與低污染等特性，常用于各類工程樁基礎(chǔ)之施作。以一般橋梁基礎(chǔ)工程動輒需進(jìn)行上百根管樁之施作，而相同的施作循環(huán)便不斷重復(fù)的進(jìn)行。因此，若能以系統(tǒng)化方法針對管樁施作流程之步驟順序，以及各施作項(xiàng)目所使用多種人員、機(jī)具與材料之配置進(jìn)行妥善規(guī)劃安排，對提升整體作業(yè)產(chǎn)能與施工質(zhì)量將有莫大助益。首先，本文通過查閱管樁文獻(xiàn)資料得到的最新研究成果和資料，提出研究本課題所用的方法及研究內(nèi)容。其次，對等截面管樁和變截面管樁進(jìn)行室內(nèi)模型沉樁對比試驗(yàn)，得到其樁入土深度和沉樁貫入阻力的關(guān)系，土塞高度隨樁入土深度的變化，總結(jié)變截面管樁和等截面管樁的不同點(diǎn)。再次，采用基于Vesic理論和圓孔擴(kuò)張理論來分析變截面管樁沉樁效應(yīng)問題，并得到了變截面管樁沉樁端阻力和的沉樁貫入阻力理論推導(dǎo)計(jì)算公式，再加上土芯與管樁內(nèi)壁的側(cè)摩阻力的計(jì)算方法，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與推導(dǎo)公式計(jì)算值對比分析,驗(yàn)證推導(dǎo)計(jì)算公式的正確性,從而完善了變截面管樁的設(shè)計(jì)理論。最后，基于室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)，對比研究了兩類管樁在豎向荷載作用下承載性能，包括：樁身應(yīng)力、荷載-沉降、端阻力和樁側(cè)摩阻力的差異。研究結(jié)果表明：在樁身平均直徑相同的情況下，階梯型變截面管樁的承載力比等截面管樁大，且平均直徑越大、變徑比越高，單樁承載力、單位體積承載力和樁身材料的利用率越高；階梯型管樁在變截面處出現(xiàn)樁身軸力突變，并使下部管節(jié)樁身軸力衰減速度加快。關(guān)鍵字：預(yù)制混凝土管樁，沉樁擠土效應(yīng)，土塞高度，貫入阻力，承載性能AbstractConstructionofprecastpileisareliabletechnique,simpleconstruction,lowcostofthetypeofprecastconcretepileiswidelyusedinengineering.Theriseofthedomesticenvironmentalprotectionconsciousness,improvethequalityoflife,fortheconstructionofpilefoundation,mustconsidertheimpactofnoise,vibrationandpollution.Withlownoise,lowvibrationandlowpollutioncharacteristicsofBenotopileconstruction,commonlyusedinallkindsofpilefoundationengineeringconstruction.Ingeneralthebridgefoundationengineeringneedhundredsofhundredsofrootpileconstruction,andthesameastheyrepeatthecycle.Therefore,ifasystematicmethodforpilefoundationconstructionprocesssteps,aswellastheconstructionprojectsusingequipmentandmaterials,avarietyofpersonnelallocationplanproperly,therewillbeagreathelptoenhancetheoveralloperationalcapacityandqualityofconstruction.Firstofall,thelatestresearchresultsanddata,throughaccesstoliteraturefrompile,putforwardthecontentofresearchmethodsusedinthispaperandtheresearch.Secondly,theequalcrosssectionpileandtaperedpilepileindoormodeltests,thepiledepthandpilepenetrationresistance,soilheightchangeswiththedepthofthepile,summarizesthedifferentvariablecross-sectionpileandequalsectionpile.Thirdly,basedontheVesictheoryandthecavityexpansiontheorytotheanalysisofvariablesectionpilepileeffect,andobtainedthecalculationformulaofvariablesectionpipepileendresistanceandpenetrationresistanceofthetheoreticalderivationofthecalculationmethodofpilesidefrictionresistance,coupledwiththecoreandtheinnerwallofthepipepileandsoil,andthevaluewascomparedwithtestdatawiththederivedformula,formuladerivationcorrectnessverification,inordertoimprovethedesigntheoryofvariablesectionpile.Finally,basedontheindoorlargescalemodeltest,comparativeinvestigationoftwotypesofpilebearingcapacityunderverticalload,including:thedifferenceinthestressofpile,theloadsettlement,piletipresistanceandsidefriction.Theresultsofthestudyshowthat:intheconditionofthesamepilediameter,pilebearingcapacitywithsteppedcrosssectionsthantheequaldiameterpipepile,andtheaveragediameterofthevariablediameterratio,thehigherthebearingcapacityofsinglepile,thebearingcapacityofunitvolume,andthepilebodymaterialrateishigh;theladdertypeinthevariablecross-sectionpileemergenceofaxialforceofpileandthelowerpartofthepipesectionmutation,pileaxialforceattenuationspeed.Keywords:Precastconcretepile,soilcompactioneffect,pilesoilheight,penetrationresistance,bearingcapacity第一章緒論1.1研究背景及意義隨著我國的橋梁工程、高層建筑以及高速鐵路等一些大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的興建，對管樁基礎(chǔ)的需求日益增大。尤其是在珠三角和長三角區(qū)域，對于該區(qū)域的工程條件特征來說，更適合管樁的使用：1)管樁對持力層起伏變化比較大的地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，一般情況下，全風(fēng)化類型巖石，砂土、粉土、粘性土、軟土等地層均可采用；2)管樁的工作性狀與鋼管樁比較類似，且抗腐蝕能力有更大提高；3)管樁施工更方便、工期更短，且不受季節(jié)、環(huán)境等限制便于工業(yè)化生產(chǎn)；4)對施工現(xiàn)場幾乎無污染，尤其是靜壓式沉樁近乎無噪音，所消耗的混凝土比實(shí)心樁節(jié)省達(dá)30%~60%。由于這些特征，促使管樁的需求量猛增。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的不完全統(tǒng)計(jì)，截止2013年底，全國已有800多家管樁生產(chǎn)企業(yè)共計(jì)生產(chǎn)各類型管樁約8.0億米，產(chǎn)值高達(dá)1000多億。混凝土預(yù)制管樁的高效迅速發(fā)展，在高層建筑、道橋工程、隧道高鐵甚至海運(yùn)碼頭等基礎(chǔ)建設(shè)中都得到了廣泛的發(fā)展，并發(fā)揮著日益巨大的作用。因此一些海上觀光游憩活動、藍(lán)色海洋公路規(guī)劃便應(yīng)運(yùn)而生。其中考慮到游客便利性與安全性的基本設(shè)施要求，采用一船一泊席浮碼頭漁港新興的浮碼頭便是一例。鎖著建材料成本不斷攀升，在工程方面我國引進(jìn)新技術(shù)、新工法對超高樓建筑和深基礎(chǔ)開挖不斷屢創(chuàng)新高破世界記錄，然而這些高機(jī)械化與系統(tǒng)化施工方法，其技術(shù)性與復(fù)雜性所考慮工程界面繁多，使得設(shè)計(jì)與施工方面困難度增高，而我國又處地震頻繁地區(qū)，對于設(shè)計(jì)與施工增加不少變動因素；從傳統(tǒng)到新式工法，工程技術(shù)邁向機(jī)械化與自動化發(fā)展，為了兼顧質(zhì)量與安全性等各項(xiàng)機(jī)能必須確保的條件下，成本控制的考慮因此便越形重要，如何提升施工技術(shù)、降低成本與縮短工期，成為工程界重要思考方向。工法的選擇直接與工程成本具有密切關(guān)系，除了材料本身具有市場價格外，技術(shù)、機(jī)具、人員、時程等變動形成直接或間接的影響，對于連續(xù)壁工程完成后，直接使用原有的機(jī)器、設(shè)備、技術(shù)人員及工法施作管樁與目前普遍化的反循環(huán)樁及全套管管樁做比較及各式管樁運(yùn)用于超高層建筑與深開挖逆打工法選擇乃為本研究動機(jī)。為避免這些狀況，國內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員在保證施工安全的基礎(chǔ)上，通過對樁基理論、技術(shù)創(chuàng)新等研發(fā)了目前大家所熟知的多級擴(kuò)徑樁、支盤樁、階梯型樁、節(jié)點(diǎn)樁、錐形樁、擴(kuò)底樁、釘形樁、楔形樁等變截面類型的樁基礎(chǔ)，但是其中絕大多數(shù)的試驗(yàn)及理論研究成果并未得到完整的理論數(shù)據(jù)支持與現(xiàn)場系統(tǒng)完善，這也給該類型樁在目前的設(shè)計(jì)、施工及推廣應(yīng)用等方面帶來了極大的困難。本研究是針對管樁工程運(yùn)用于超高層建筑的載重前與載重后成本效益分析，透過本研究成本模式，對管樁有更深切的認(rèn)識，并藉由一種經(jīng)過驗(yàn)證確實(shí)可以執(zhí)行，并可消除不必要成本支出的管理技術(shù)，找出能夠在最低成本下達(dá)成最佳執(zhí)行效果的工法，讓后續(xù)采用本工法的業(yè)主，在工程效益上能做更深一層的分析，在不降低質(zhì)量及安全下讓成本、技術(shù)、工期達(dá)到最高效益為本研究目的。階梯型變截面樁要遵從實(shí)踐優(yōu)先于理論，早在1985年，廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院的總工程師上官興就倡議并指導(dǎo)了這樣的項(xiàng)目，他們?yōu)榱吮苊?000t船泊的碰撞，將廣東九江大橋的通航孔邊墩由2根變截面(Φ3m/Φ2.5m/Φ2m)無承臺樁替代了6根等截面(Φ1.5m)鉆孔嵌巖樁，這樣的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了高達(dá)4822m3混凝土，而且只用了3個月就順利完成了施工。2007年九江大橋的非通航孔不幸遭受3000t砂船撞擊險些跨塌，但主航道橋卻幾乎沒受到任何影響。在世界上，蘇通大橋作為世界第一大跨度的斜拉橋，巧妙運(yùn)用了131根直徑(2.2m/2.8m)長約120m的主墩基礎(chǔ)變截面鉆孔灌注樁，這樣完美解決了在深厚軟土地區(qū)基礎(chǔ)承載力深大樁的變形問題。在國內(nèi)自從近年來年引進(jìn)全套管管樁施工技術(shù)，已成為樁基礎(chǔ)施工普遍使用工法。全套管管樁施工相較于傳統(tǒng)打擊工法具有低噪音、低震動與低污染等特性，可以有效減低打擊式管樁施工所造成的噪音污染與鄰房危害等問題，能夠滿足民眾對居住環(huán)境質(zhì)量要求日高的趨勢發(fā)展，施工容易且精度容易控制，不論地質(zhì)是砂性或卵礫土壤皆可使用，已成工程管樁施工所廣泛采用的工法。一般橋梁工程隨著結(jié)構(gòu)型式及地質(zhì)環(huán)境條件的不同，而設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)，動輒每墩基礎(chǔ)需數(shù)十根管樁的布設(shè)，整座橋梁工程則需上百或千根管樁的施作，于是相同的施作模式便重復(fù)循環(huán)的進(jìn)行數(shù)十次、數(shù)百次，其管樁循環(huán)作業(yè)中施作項(xiàng)目涉及人員、機(jī)具與材料的使用，因此各類資源彼此間使用是否能夠配合得宜，對于施工作業(yè)及工程進(jìn)度的順利進(jìn)行，以及整體生產(chǎn)力的表現(xiàn)有著決定性的影響。另一方面，管樁作為一種常見的擠土樁，具有較大的擠土效應(yīng)，對管樁沉樁和周邊環(huán)境均有不利影響。階梯型管樁首先將小直徑管節(jié)沉入地層，然后再利用變截面接頭將逐節(jié)增大的管節(jié)同已壓入土層中的管節(jié)連接為一體實(shí)現(xiàn)沉樁。由于先行管樁直徑較小，相應(yīng)擠土效應(yīng)較低，對于后續(xù)管樁而言，先行小直徑管樁起到引孔的作用，從而降低后續(xù)管樁的沉樁效應(yīng)，有利于管樁施工，確保管樁樁身質(zhì)量和減小對周圍環(huán)境的影響。綜和以上所述，階梯型變截面樁雖然在大型橋梁工程領(lǐng)域內(nèi)得到了一定程度的應(yīng)用，也成功地解決了樁基礎(chǔ)承載力、變形及經(jīng)濟(jì)等方面的問題，但由于目前涉及靜壓閉口階梯型變截面管樁承載性狀和設(shè)計(jì)計(jì)算理論方面的研究仍然很少，用現(xiàn)行的規(guī)范公式確定階梯型變截面管樁的承載力明顯不符合實(shí)際。靜壓閉口階梯型變截面與等截面管樁在荷載傳遞規(guī)律、承載性狀、變形及經(jīng)濟(jì)方面有何異同，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時依舊無據(jù)可依，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。理論及實(shí)踐證明，階梯型變截面樁在提高耐久性能、承載力及減少沉降等方面較等截面管樁具有一定的優(yōu)勢。我國目前正興建高速鐵路和大型橋梁，階梯型變截面管樁基礎(chǔ)就將被優(yōu)先采用。借此契機(jī)，本文將通過室內(nèi)模型對比試驗(yàn)，對靜壓閉口階梯型變截面管樁單樁承載性狀進(jìn)行研究，在豐富和完善變截面管樁設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法領(lǐng)域都有一定的價值，對階梯型變截面樁在高速鐵路和大型橋梁工程中的應(yīng)用取得了較好的推動作用，而且在節(jié)約大型橋梁基礎(chǔ)工程費(fèi)用等方面都會具有重要的工程實(shí)際意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀就目前現(xiàn)狀，國內(nèi)外在有關(guān)靜壓閉口階梯型管樁單樁承載及變形性狀領(lǐng)域的研究依然很少，但等截面管樁與階梯型管樁及其它變截面樁在承載和變形性狀方面都具有許多共同點(diǎn)。例如，對于靜壓樁基礎(chǔ)而言，無論是階梯型樁，還是等截面樁，其成樁機(jī)理在基本上都可以概括為：目前建筑工程、橋梁工程、擋土墻工程等樁基礎(chǔ)施工大部分已采用場鑄管樁為施工方式，且以低噪音、低震動與低污染全套管管樁為施工主流，在國內(nèi)基礎(chǔ)工程已隨處可見，但相關(guān)研究發(fā)展文獻(xiàn)少又少，其中2001年黃榮堯等人利用模擬分析技術(shù)配合CYCLONE理論，建立反循環(huán)管樁施工作業(yè)計(jì)算機(jī)模型，做為各類工程反循環(huán)管樁作業(yè)規(guī)劃分析使用，并以武漢市華江橋改建工程40~50M反循環(huán)管樁測試分析，進(jìn)行產(chǎn)率與成本可行性與敏感度分析，經(jīng)其分析得以下結(jié)果（1）由于施作空間受限制，必須在一根管樁施作完全結(jié)束后方可繼續(xù)下一根管樁作業(yè)循環(huán)，該限制條件使作業(yè)產(chǎn)能受限。（2）在施作空間受到限制情況下，唯一能提升系統(tǒng)生產(chǎn)力的方式是另增加工作面，讓另外其他組人員及機(jī)具設(shè)備同時施作以增加產(chǎn)量，但此改善方案將無助于機(jī)具設(shè)備利用率提升及系統(tǒng)單位生產(chǎn)成本的降低（3）在空間不受限制下，作業(yè)產(chǎn)率將由每小時完成0.045根增加至0.075根管樁，生產(chǎn)成本由每根管樁126200元下降到76200元。因此，研究等截面管樁及其他變截面樁單樁承載及變形性狀就什么重要，以下將從豎向荷載作用下等截面樁單樁豎向承載力、變形性狀以及變截面樁等方面綜述國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。1.2.1單樁豎向極限承載力研究現(xiàn)狀單樁豎向極限承載力的定義是指單樁在豎向荷載作用下，樁和樁周土體均能維持自身的穩(wěn)定，且變形在容許范圍內(nèi)，能夠滿足于建筑物正常使用要求所承受的最大荷載，與樁的類型、截面尺寸、材料、樁端進(jìn)入持力層深度、成樁施工方法、入土深度及成樁后休止時間等因素有關(guān)。為了考慮因地震力所引致樁土互制反應(yīng)，樁土系統(tǒng)采用梁在動態(tài)溫氏基礎(chǔ)模式（BeamonDynamicWinklerFoundationMode，BDWF）來分析，利用BDWF的方法來了解管樁與土壤間的互制行為，并針對土壤非線性行為加以考量。于樁土界面上互制行為，采用Bouc–Wen模式模擬彈簧非線性遲滯行為，并以依頻幅射阻尼來發(fā)散遲滯行為以外的能量。此外，描述混凝土管樁受彎矩而破壞行為表現(xiàn)，仍以Bouc–Wen模式來模擬管樁受反覆荷重時彎矩–轉(zhuǎn)角行為，并考慮強(qiáng)度損失及勁度衰減的效應(yīng)。然而，對于因混凝土裂縫生成而使管樁剛度與強(qiáng)度折減，則隨時更新樁身剛度來考慮裂縫對管樁行為影響。此外，利用Cyclic1D軟件模擬土壤受地震時激發(fā)超額孔隙水壓，引用Kagawa等人（1997）及Yao等人（1992）對超額孔隙水壓影響分析，除修正土壤的遲滯力與阻尼力外，亦考慮土壤勁度與強(qiáng)度的衰退現(xiàn)象，以分析液化對管樁行為影響。最后以本研究模式對RPI的震動臺試驗(yàn)及Tokimatsu（2003）研究中所提的現(xiàn)地案例做分析比較。國內(nèi)外公認(rèn)的豎向荷載作用下單樁極限承載力的方法主要有靜載荷試驗(yàn)分析法、理論計(jì)算法和經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式法。(1)理論計(jì)算法單樁豎向極限承載力可以根據(jù)樁端總極限阻力、樁側(cè)總極限摩阻力和樁體自重按照靜力學(xué)原理計(jì)算得到，可按下列公式計(jì)算確定[]：(1-1)式中：和為極限荷載作用下樁側(cè)極限摩阻力和樁端土極限阻力，單位kPa；為樁端面積，單位；為樁體外徑值，單位。其中和可以通過靜力觸探試驗(yàn)，借助于探頭的傳感器測出，但由于樁體的極限狀態(tài)和參數(shù)值和難于準(zhǔn)確地確定，用該公式計(jì)算單樁豎向極限承載力就顯得較為困難，計(jì)算結(jié)果誤差也會較大。因此，用理論計(jì)算方法來確定單樁豎向的極限承載力一般只用于理論研究，而不太適合實(shí)際工程應(yīng)用。(2)靜載試驗(yàn)法公認(rèn)的最基本、最直接的確定單樁豎向承載力的方法是靜載荷試驗(yàn)方法，其可靠性也較高。該法不僅能確定樁的極限承載力，還可以通過埋設(shè)相關(guān)測試元件來有效地探討樁的樁身軸力分布特性，荷載傳遞機(jī)理，荷載與沉降關(guān)系，樁端阻力以及樁側(cè)摩阻力發(fā)揮狀況等。按照樁的靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪出樁頂沉降與荷載關(guān)系曲線，按照曲線特性來正確選出曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)、曲線通過荷載增量比值和下沉量或與樁頂下沉量來確定樁的極限承載力。根據(jù)靜載實(shí)驗(yàn)，也可以通過樁頂下沉量隨時間發(fā)展的規(guī)律(曲線)、樁頂殘余下沉量、彈性變形的有關(guān)指標(biāo)及變換曲線的坐標(biāo)等方式確定單樁豎向極限承載力。例如，ISSMFE(國際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程協(xié)會)[5]和FHWA(美國聯(lián)邦公路管理局)[6]分別采用樁頂沉降量等于樁端直徑的10%與5%所對應(yīng)的樁頂豎向荷載值作為單樁極限承載力。蔡健等[7]通過在管樁的鋼筋籠里面預(yù)先埋設(shè)帶應(yīng)變計(jì)的附加鋼筋，對深厚軟土地基中超長PHC管樁進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn)，探討深厚軟土地基中超長PHC管樁豎向荷載傳遞機(jī)理及承載特性。邢皓楓等[8]依托PHC管樁處理深厚軟土地基，通過在樁身預(yù)先埋設(shè)光纖傳感器，并采用靜載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、高應(yīng)變和靜力觸探等現(xiàn)場測試手段，探討了PHC管樁在不同級別的荷載作用下樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分布特征及規(guī)律。由于單樁豎向極限承載力的確定受到時間效應(yīng)、抽樣調(diào)查、土質(zhì)勘測、現(xiàn)場試驗(yàn)、荷載效應(yīng)和試驗(yàn)室測試等非客觀因素的影響，因此產(chǎn)生了血多失效準(zhǔn)則，用于確定樁基的極限承載力。表1-1給出了10種鉆孔灌注樁失效準(zhǔn)則[9-12]。表1-1確定樁基極限承載力的失效準(zhǔn)則Table1-1Failurecriteriatodeterminetheultimatebearingcapacityofthepile失效準(zhǔn)則相應(yīng)的極限承載力取值規(guī)定法取曲線尾部陡降的前一級荷載為極限承載力曲線法取曲線相應(yīng)于陡降段起點(diǎn)的荷載為極限承載力取曲線出現(xiàn)陡降直線段的起始點(diǎn)所對應(yīng)的荷載為極限承載力沉降穩(wěn)定時間法取沉降相對穩(wěn)定時間超過8h的前一級荷載為極限承載力波蘭規(guī)范法樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)荷載FHWA準(zhǔn)則失效荷載對應(yīng)的沉降量ISSMFE準(zhǔn)則失效荷載對應(yīng)的沉降量AS-2159準(zhǔn)則1.5倍設(shè)計(jì)荷載時沉降量s=50(mm),卸載時的沉降量s=30(mm);正常使用極限狀態(tài)時沉降量s=15(mm),卸載時的沉降量s=7(mm).Davission準(zhǔn)則(mm)FDOT準(zhǔn)則(mm),(m).注：為失效荷載對應(yīng)沉降；為樁頂荷載值；為修正系數(shù)；為樁的設(shè)計(jì)承載力；為樁徑；表示樁長；表示楊氏模量；表示失效荷載；表示樁的橫截面積。國內(nèi)目前習(xí)慣把樁出現(xiàn)明顯增大的塑性貫入荷載定義為破壞荷載，把破壞荷載的前一級荷載定義為極限承載力，即JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[13]采用的失效準(zhǔn)則。(3)經(jīng)驗(yàn)公式法將樁側(cè)的物理力學(xué)性能指標(biāo)、靜載試驗(yàn)結(jié)果與樁端土層進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析是經(jīng)驗(yàn)公式法的基本思路，分別建立樁端土層、樁側(cè)土層物理力學(xué)性能指標(biāo)與樁端阻力與樁側(cè)阻力物理力學(xué)性能指標(biāo)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，來計(jì)算單樁承載力。本方法簡單，經(jīng)濟(jì)、不過由于各區(qū)域土質(zhì)變異性較大，而且成樁質(zhì)量也具有一定的變異性?；谶@些原因，采用經(jīng)驗(yàn)法估算單樁承載力的可靠度就顯得相對較低，通常只適用于一般工程和初步設(shè)計(jì)階段，以及其他方法綜合對比來確定單樁豎向極限承載力。不過國家公布的地區(qū)性規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法在該地區(qū)的可靠度還是較高的。JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》在大量資料積累及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對不同的常用樁型，給出了推薦使用的單樁豎向極限承載力估算公式。王離[14-15]根據(jù)廣東地區(qū)近十年來預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的推廣和應(yīng)用情況，并結(jié)合工程實(shí)例，提出了適用于估算靜壓樁承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，同時給出了靜壓樁設(shè)計(jì)時端阻力及極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值參考表。李連營[16]等則是考慮了管樁樁端的土塞效應(yīng)作用，分別對JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和DB29—20—2000《天津市巖土工程技術(shù)規(guī)范》提供的單樁極限承載力計(jì)算公式進(jìn)行修正，并通過工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。另外，周國林[17]，郭大兵[18]，羅戰(zhàn)友[19]，戚科駿[20]，馮偉[21]等基于灰色系統(tǒng)理論進(jìn)一步預(yù)測了單樁極限承載力，預(yù)測結(jié)果大大滿足了工程實(shí)際需求。荀東亮[22]，諸偉琦[23]，鄭永保[24]，曾明華[25]，史永強(qiáng)[26]等從另一方面采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方式預(yù)測了單樁極限承載力，并通過工程實(shí)例進(jìn)行了無數(shù)次驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用該方法預(yù)測單樁極限承載力是可行的。楊磊[27]則是采用最小二乘支持矢量機(jī)(LSSVM)回歸分析法研究預(yù)測單樁豎向極限承載力，研究表明，LSSVM預(yù)測方法也是合理有效的。趙春風(fēng)[28]采用完整指數(shù)函數(shù)擬合了單樁荷載—沉降曲線，周清[29]采用雙曲線模型對單樁豎向極限承載力進(jìn)行擬合預(yù)測分析，研究結(jié)果表明，擬合曲線與實(shí)測曲線吻合程度較高，采用完整指數(shù)函數(shù)及雙曲線函數(shù)預(yù)估單樁極限承載能力完全可行，且對確定單樁極限承載力具也有一定的指導(dǎo)意義。1.2.2豎向荷載作用下單樁沉降計(jì)算方法研究現(xiàn)狀2.1.1管樁承載力分析【2】管樁在設(shè)計(jì)方面不外是依照內(nèi)政部民國90年「建筑物基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范2001」規(guī)定，單樁極限垂直支承力包含由樁周表面提供摩擦阻力及由樁底端點(diǎn)提供支承力，分別可依靜力學(xué)公式、標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)公式、樁載重實(shí)驗(yàn)、動態(tài)分析等方法推估。單樁極限垂直支承力與容許垂直支承力得依下列公式估算：Qu =Qs+Qb=fsAs+qbAb(2-1)。Qa =Qu/FS=Qs/FS1+Qb/FS2(2-2)。QU =單樁極限垂直支承力(tf)。Qa =單樁容許垂直支承力(tf)。Qs =樁表面摩擦阻力(tf)。Qb =樁底端點(diǎn)支承力(tf)。FS，F(xiàn)S1，F(xiàn)S2=樁總垂直支承力、表面摩擦阻力與端點(diǎn)支承力安全系數(shù)。fs =樁表面摩擦阻力(tf/m2)。As =樁身表面積(m2)。qb =樁端極限支承壓力(tf/m2)。Ab =樁端斷面積(m2)。2.1.2管樁抗拉拔力分析【2】當(dāng)結(jié)構(gòu)物受側(cè)向力，例如風(fēng)力、地震力，或結(jié)構(gòu)物承受偏心載重及上浮水壓力結(jié)構(gòu)重量不足時，常使基礎(chǔ)底下局部管樁受到拉拔作用，而壁樁或管樁所提供容許拉拔力可根據(jù)建筑物基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范(2001)由下式估算：Ta=Wp+Qs/Fs(2-3)。Ta=容許拉拔力。Wp=有效樁重。Qs=樁表面摩擦阻力，即Fs=安全系數(shù)，短期采用3，長期采用6。2.1.3管樁與圓型樁承載力、拉拔力分析【3】本研究以新板特區(qū)橋峰工程地質(zhì)為條件，以管樁及圓型樁為對象作承載力及拉拔力分析。表2.1.3a圓型樁承載及拉拔力分析數(shù)據(jù)源:林庚鈴(2004.02)表4.1.3b管樁承載及拉拔力分析數(shù)據(jù)源:林庚鈴(2004.02)2.1.4管樁與管樁材料強(qiáng)度【2】管樁容許承載力應(yīng)不超出其材料所容許強(qiáng)度，即Qam=fm×Ab(2-4)。式中:Qam=管樁材料容許承載力(ton)。Fm=混凝土容許強(qiáng)度(ton/㎡)。Ab=樁斷面積(㎡)。根據(jù)建筑物基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范(內(nèi)政部，2001)對場鑄混凝土管樁材料強(qiáng)度的規(guī)定，于水中或泥水中打設(shè)混凝土?xí)r其容許壓應(yīng)力不得大于混凝土規(guī)定壓力強(qiáng)度(fc’)百分二十二，且不得大于60kg/c㎡，表2.1.4為不同壁閑及樁徑下樁體材料最大容許承載力。表2.1.4a單位寬度管樁樁體材料最大容許承載力管樁厚(cm)樁體材料容許承載力，Qam(ton/m)Fc’=210kg/c㎡Fc’=245kg/c㎡Fc’=280kg/c㎡6027732336080370430490100460530610120550640730表2.1.4b場鑄樁(圓形)體材料最大容許承載力樁徑(cm)樁體材料容許承載力，Qam(ton/m)Fc’=210kg/c㎡Fc’=245kg/c㎡Fc’=280kg/c㎡1508169521060180117513711526200145116931884220175620482280250226726452945(5)其他方法除上述方法以外，用于確定豎向荷載作用下單樁沉降量方法還包括灰色系統(tǒng)理論法[44]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[45]，能量法[46]，等。1.2.3變截面樁研究現(xiàn)狀隨著大型橋梁等基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，深基礎(chǔ)對樁基礎(chǔ)的變形能力、承載及降低工程造價都提出了更高的要求。因此，樁基的承載力、變形及經(jīng)濟(jì)問題也逐漸成為工程領(lǐng)域內(nèi)工程技術(shù)人員和廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在這種背景下，為了使進(jìn)度、質(zhì)量及造價等能夠同時滿足樁基工程應(yīng)用的要求，工程技術(shù)人員和廣大學(xué)者對樁基礎(chǔ)的理論與實(shí)踐進(jìn)行了進(jìn)一步的研究與改進(jìn)，提出了多種新樁型。變截面樁就是其中典型的一種。變截面樁是在傳統(tǒng)的等截面樁形式基礎(chǔ)上研究發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)的樁型。它與常規(guī)樁型有所異同，變截面樁是指樁身橫截面尺寸或形狀大小沿著樁身軸向不斷發(fā)生變化的樁體。一旦增大了樁身橫截面積也就改變了橫截面的幾何特性，這有利于達(dá)到提高承載力的效果；同理，一旦縮減了樁身的橫截面積，樁體材料成本就會降低，工程造價也相應(yīng)降低，從而將會獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。事實(shí)上，在我國的遠(yuǎn)古時期，木樁基礎(chǔ)就是以倒置的樹干作為主要支撐結(jié)構(gòu)而存在的，這也是目前發(fā)現(xiàn)的最早的變截面樁基礎(chǔ)。然而真正定義變截面樁體則是在混凝土的運(yùn)用以后，現(xiàn)代意思的最早變截面樁是一種具有波紋狀剛殼的RAYMOND階梯錐形樁。隨著樁基礎(chǔ)施工技術(shù)的及工程材料的不斷提高，變截面樁的構(gòu)造形式與施工技術(shù)都得到進(jìn)一步完善。目前工程中較為常用的變截面樁主要有以下幾種類型：(1)按材料可分類為：組合樁、混凝土樁、鋼筋混凝土樁、水泥土樁；(2)按構(gòu)造形式可分類為：擴(kuò)底樁和組合型樁多級擴(kuò)徑樁、、階梯型變截面樁、楔形樁(錐形樁)、分段變截面(變徑)樁等；(3)按施工方法可分類為：鉆孔擠擴(kuò)樁、挖孔擴(kuò)底樁、混合型樁、沉管大頭樁、沉管夯擴(kuò)樁和鉆孔削擴(kuò)樁等。變截面樁具有經(jīng)濟(jì)效益好、工程性能高和機(jī)械設(shè)備易改造等優(yōu)點(diǎn)在各類工程中的應(yīng)用日漸增多。但是變截面樁大多還是屬于新樁型，工程造價、承載特性及工作機(jī)理與常規(guī)樁型相比還有巨大的差別。因此，對變截面樁的設(shè)計(jì)理論與承載性狀作進(jìn)一步研究就顯得十分必要。變截面樁的種類十分繁多，限于在模型試驗(yàn)中所采用的閉口階梯型變截面管樁以及本文本文將重點(diǎn)介紹楔形樁、型變截面樁的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。(1)錐形樁錐形樁(又稱楔形樁)是一種即能提高樁單位體積承載力而且施工簡單且節(jié)省材料優(yōu)越樁型。楔形樁巧妙利用了樁的楔形側(cè)面，如同楔子楔入地基土中，充分發(fā)揮了土樁體間的相互作用。除樁側(cè)摩阻力F(切向抗力F)外，土體還對楔形側(cè)面產(chǎn)生一支承力R，即法向抗力R(如圖1-1所示)，這就極大提高了楔形樁單樁承載力。理論實(shí)踐證明，楔形樁相比其它樁型具有很多優(yōu)點(diǎn)：1)同等條件下，楔形樁的楔形側(cè)面有利于發(fā)揮樁—土間的相互作用，比等長度同體積等截面樁的單位體積承載力大；2)楔形樁在打入成樁過程中，有利于改善樁周土的物理力學(xué)性質(zhì)，改變樁周土的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并在樁周形成土體擠密區(qū)(如圖1-1所示)；3)在提供同等承載力條件下，在深厚軟土地區(qū)中，使用楔形樁作為深基礎(chǔ)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。楔形樁可節(jié)省大量混凝土，而能夠有效地降低工程造價。1-錐形樁體2-被壓縮地基的邊界α-錐角R-土體對樁身側(cè)面的反力F-土體對樁身側(cè)面的摩阻力P-作用于樁頂?shù)拇怪焙奢dPg-土體對樁尖的反力Ⅰ-隆起區(qū)Ⅱ-壓密區(qū)Ⅲ-松散區(qū)圖1-1楔形樁基本工作原理簡圖Fig.1-1Thebasicprinciple

oftaperedpiles盡管楔形樁在降低工程造價，減小沉降，提高樁基承載力，縮短工期和提高樁基安全性等方面己取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但目前關(guān)于楔形樁承載機(jī)理及性狀的研究成果仍然相對較少，且未形成完整的理論系統(tǒng)，致使其在實(shí)際工程中無法得到廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對楔形樁進(jìn)一步進(jìn)行了一些試驗(yàn)和理論研究，也取得了一些有意義的成果。Rybnikov[47]通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析時發(fā)現(xiàn)，楔形灌注樁的承載力要比等長度同體積的等截面樁高了20%~30%。MahmoudGhazavi[48]從另一個角度研究了楔形樁的地震動力反應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)楔形樁在與等長度同體積的等截面樁相比下具有更大的柔韌性，并且其柔韌性隨側(cè)壁傾角的增加，長徑比的增加，地震頻率的降低及剛度比減小而不斷增加。MohammedMZ等[49]則是通過模型試驗(yàn)對比研究了楔形樁與等截面樁在砂土中的承載特性，并改進(jìn)了楔形樁豎向承載力的簡化計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)了楔形樁的荷載傳遞規(guī)律，為研究側(cè)壁傾角對楔形樁抗拔性能和在循環(huán)荷載作用下楔形樁承載性狀的影響做出了重大貢獻(xiàn)。20世紀(jì)的70年代末，我國在石家莊、保定和南京等地區(qū)的一些工程中相繼試用過楔形樁，并且獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但目前由于缺乏對楔形樁模具開發(fā)、承載機(jī)理及施工工藝的研究，仍然形成完善的理論系統(tǒng)，因此楔形樁在國內(nèi)應(yīng)用較少。邵立群[50]對四川德陽地區(qū)的膨脹土基地中采用的沖擊成孔楔形灌注樁應(yīng)用情況進(jìn)行了研究與分析，發(fā)現(xiàn)楔形樁具有沉降量小、承載力高及經(jīng)濟(jì)效果顯著等特性，并提出了估算楔形樁豎向極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式及楔形灌注樁的工作原理。劉杰等[51]為探討楔形樁在天津地區(qū)的應(yīng)用是否具有可行性，他通過靜載實(shí)驗(yàn)研究了楔形樁在豎向荷載作用下時的承載性狀，發(fā)現(xiàn)了單樁側(cè)摩阻力、極限承載力及端阻力的發(fā)展規(guī)律，在與相同條件下等截面樁進(jìn)行對比分析時發(fā)現(xiàn)，楔形樁的平均單位體積承載力較等截面樁大約提高了80%。蔣建平等[52]通過現(xiàn)場的豎向靜載對比試驗(yàn)研究了等截面樁、楔形樁和擴(kuò)底樁在同一場地土層中承載性狀的不同，試驗(yàn)結(jié)果表明，楔形樁較等截面樁在減少樁頂沉降量和提高豎向極限承載力方面都具有明顯優(yōu)勢。錢大行等[53]分析了錐形短樁：樁—土間相互作用的特性，對比分析了豎向及水平荷載作用下錐形樁與普通預(yù)制樁在設(shè)計(jì)施工、承載能力及技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的差異，發(fā)現(xiàn)錐形短樁相比普通樁型在降低工程成本、加快施工進(jìn)度、土地的合理使用、提高單位體積承載力及可持續(xù)開發(fā)方面都具有顯著的優(yōu)勢。成立芹[54]等則是通過單樁靜載實(shí)驗(yàn)研究了錐形樁在豎向荷載作用下的承載性狀，并分析了豎向極限承載力、樁端阻力以及樁側(cè)摩阻力的發(fā)展規(guī)律，并與相同條件下的等截面樁進(jìn)行了進(jìn)一步對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)楔形樁的承載力竟然為等截面樁的1.83倍。曹文貴等[55]采用最小勢能原理，推導(dǎo)了楔形樁屈曲臨界荷載的計(jì)算公式。根據(jù)大量計(jì)算結(jié)果與分析發(fā)現(xiàn)，在相同情形下，錐形樁較普通等截面樁穩(wěn)定性大大提高，且存在一最不利樁長。崔灝等[56]主要是利用靜載實(shí)驗(yàn)研究了三種不同側(cè)壁傾角的錐形樁在凍土中的承載力性能，并有效分析了溫度和樁型對承載力的影響，將其與等截面樁進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，凍土條件下錐型樁單位體積極限承載力較等截面樁提高約為60%。(2)階梯型變截面樁階梯型樁是一種樁身截面沿著深度方向呈階梯形逐段減小的變截面樁，故又稱為倒臺階形變截面樁。從樁體的受力性狀來看，尤其是對層狀土層而言，階梯型樁高效率的降低工程造價，樁身軸力分布符合軸力沿樁身向下呈現(xiàn)上大下小的特征。階梯型變截面樁能夠使地基中各層土的承載潛力得到充分的發(fā)揮。在設(shè)計(jì)時，適當(dāng)?shù)膶⑻幱诹己贸至右陨系纳疃确秶鷥?nèi)的樁端截面尺寸增大，就能較好地發(fā)揮該持力層土的承載能力。階梯型變截面樁近幾年在國內(nèi)一些橋梁基礎(chǔ)工程中得到了合理的應(yīng)用，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益，我國的大直徑變截面樁在橋梁基礎(chǔ)工程中的主要應(yīng)用如表1-2~1-5所示。表1-2大直徑變截面鉆孔樁橋梁Table1-2Bridgeswithlargevariableboredpiles橋名上部結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式說明韶關(guān)五里亭大橋120m系桿拱2Ф5.6/Ф3.5/Ф3m單排無承臺江西湖口大橋318m雙塔斜拉橋Ф5.3/Ф5/Ф3.5m有承臺湘潭湘江二橋90m連續(xù)梁Ф5/Ф3.5m單排無承臺銅陵長江大橋423m斜拉橋Ф4.6/Ф4/Ф2.8m單排無承臺武漢天心州大橋504m公鐵兩用斜拉橋Ф4.5/Ф4m有承臺南昌八一大橋（南）160m斜拉橋Ф4.4/Ф4m有承臺沅陵沅水大橋85m連續(xù)梁Ф4/Ф3.5m單排無承臺廣東九江大橋50m頂推連續(xù)梁Ф3/Ф2.5/Ф2m單排無承臺表1-3大直徑變截面挖孔樁橋梁Table1-3Bridgeswithlargevariablecaissonpiles橋名上部結(jié)構(gòu)形式橋墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式說明張家界鷺鷥?yōu)炒髽?8m石砌板肋拱Ф5.1/Ф5m單排無承臺南昌八一大橋（北）160m斜拉橋Ф4.5/Ф4m單排無承臺湘潭湘江二橋90m連續(xù)梁Ф7/Ф3.5m單排無承臺長沙湘江南大橋50m頂推連續(xù)梁Ф3.5/Ф2.8/Ф1.8m單排無承臺表1-4大直徑變截面沉挖空心樁橋梁Table1-4Bridgeswithlargevariableheavycutedhollowpiles橋名上部結(jié)構(gòu)形式橋墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式說明瀏陽天馬大橋70m連續(xù)梁Ф8/Ф6/Ф4.5/Ф2.5m單排無承臺洞口大橋42.5m石砌板肋拱Ф6.5/Ф8/Ф5/Ф4m單排無承臺桃源沅水大橋100m鋼管中承拱Ф6/Ф7.5/Ф4m單排無承臺里耶酋水大橋53m雙曲拱Ф5/Ф6/Ф3m獨(dú)樁桃源沅水大橋59m箱肋拱Ф4.5/Ф5/Ф2.5m單排無承臺張家界觀音大橋52m石砌板肋拱Ф3.5/Ф4.5/Ф2.5m單排無承臺廣州鶴洞大橋360m斜拉橋Ф3/Ф4m（底擴(kuò)孔樁）有承臺表1-5大直徑變截面鉆埋空心樁橋梁Table1-5Bridgeswithlargevariableboredhollowpiles橋名上部基礎(chǔ)說明翠林橋50m連續(xù)梁Ф3/Ф2.5m單排無承臺南華渡大橋50m斜拉橋Ф3/Ф2.5m四柱無承臺啞巴渡大橋30m頂推連續(xù)梁Ф4/Ф3m獨(dú)樁獨(dú)柱石龜山大橋80m連續(xù)梁Ф5/Ф4m獨(dú)樁獨(dú)柱階梯型變截面樁最早是由希臘工程技術(shù)人員研發(fā)，研發(fā)者將樁長42m，樁徑1.5m的等截面鉆孔灌注樁距樁頂3m內(nèi)的樁徑擴(kuò)大到了3m，并對該樁進(jìn)行豎向、水平靜載試驗(yàn)研究及有限元數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在距樁頂較短范圍內(nèi)擴(kuò)大樁徑能夠顯著地減小樁頂水平及豎向位移和提高豎向極限承載力，該樁的豎向極限承載力同比較等截面樁提高了30%，豎向荷載為極限荷載一半時該樁的樁頂沉降量較等截面樁也減少了40%。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對階梯型變截面樁也做了相關(guān)的研究，并在一定范圍內(nèi)取得了一些重要的成果。楊世忠等[57]，王小敏等[58]都在書中簡述了嵌巖階梯型變截面樁的適用條件及優(yōu)點(diǎn)，通過取各層巖石地基豎向、反力系數(shù)為常數(shù)，并分別建立了豎向、橫向位移函數(shù)通解及導(dǎo)數(shù)的矩陣式，為確定階梯型樁最佳變截面位置的理論提供了依據(jù)。張國政利用CYCLONE理論，以科技大學(xué)簡易體育館管樁工程為案例，針對其預(yù)壘管樁施作的流程進(jìn)行模擬分析，在預(yù)壘管樁施作的過程中作業(yè)有不確定性因素且傳統(tǒng)方式以機(jī)率型態(tài)模擬；若作業(yè)項(xiàng)目中可看出學(xué)習(xí)效應(yīng)則以學(xué)習(xí)曲線模型取代先前作業(yè)需時并模擬，并探討當(dāng)作業(yè)需時分別考慮機(jī)率分布型態(tài)或具學(xué)習(xí)效應(yīng)下對整體時間及生產(chǎn)力影響及差異性。分析結(jié)果如下：（1）作業(yè)項(xiàng)目以學(xué)習(xí)曲線模擬，當(dāng)模擬循環(huán)圈數(shù)很多時，學(xué)習(xí)模型的選擇重于學(xué)習(xí)參數(shù)的選擇；當(dāng)模擬循環(huán)圈數(shù)很少時，學(xué)習(xí)參數(shù)的選擇重于學(xué)習(xí)模型的選擇（2）模擬的過程中因?yàn)橛袑W(xué)習(xí)現(xiàn)象作業(yè)項(xiàng)目占整體作業(yè)需時很小，對于降低整體需時不明顯，因此本案例作業(yè)需時以機(jī)率分布型態(tài)進(jìn)行模擬可取代現(xiàn)場施作狀況（3）可發(fā)現(xiàn)作業(yè)需時檢定的正確與否會影響模擬的結(jié)果。方燾[61]通過大型理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、編制計(jì)算程序等手段對不同變截面比及不同變截面位置階梯型預(yù)埋樁分別在豎向及橫向荷載作用下的承載特性及變形進(jìn)行了對比研究，研究結(jié)果表明：若將階梯型變截面樁小管節(jié)直徑與大管節(jié)直徑比定義為階梯型變截面樁變徑比，則變徑比為0.8左右的階梯型變截面樁較等截面樁在減少樁頂沉降量、提高單樁豎向極限承載能力及降低工程造價等方面具有明顯優(yōu)勢；在樁長一定的情況下，變截面位置設(shè)在距樁頂0.467倍樁長的地方為最佳。采用FLAC3D分析研究獲得了豎向及橫向荷載作用下承載特性，樁土應(yīng)力、樁身變形和應(yīng)變場特征。同時，建立了水平及豎向荷載作用下階梯型變截面樁單樁承載及變形理論，并通過編制計(jì)算程序證明了理論的可靠性，對階梯型變截面樁的應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用。綜合以上所述，階梯型變截面樁主要適用于對沉降比較敏感的工程?；炷凉軜兑蚓哂惺┕し奖恪⒐て诙蹋谱骱喴?，經(jīng)濟(jì)效益可觀以及工程地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而在樁基工程中得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)時，如果僅僅是為了保證樁身強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求而采用等截面管樁，則無法充分發(fā)揮下部樁身材料的承載能力，從而造成極大的浪費(fèi)。為了充分發(fā)揮管樁在沉樁方面的優(yōu)勢，又能提高材料的利用率，降低工程造價，課題組提出了一種新樁型—階梯型變截面管樁,并成功申請了專利。階梯型管樁是通過變截面管樁接頭將不同直徑的管節(jié)連接而成。以上研究變截面樁的成果要么是試驗(yàn)室內(nèi)預(yù)埋模型樁，要么是針對現(xiàn)澆灌注樁，而本文將要研究的是閉口階梯性管樁，如圖1-2所示。該法采用靜壓法成樁，具有一定的擠土效應(yīng)，因而其單樁承載性狀與上述研究成果會存在較大的差異性。本文將通過室內(nèi)模型對比試驗(yàn)，對靜壓情況下的閉口階梯型管樁和等截面管樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，來揭示階梯型變截面管樁單樁承載性狀，與平均直徑相同的等截面管樁間的差異，為階梯型管樁在工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。圖1-2階梯型變截面與等截面管樁示意圖Fig.1-2Theschematicdiagramofladder-typevariableandconstantcross-sectionpipepile1.3主要研究內(nèi)容和研究方法本文獲得了國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“階梯型混凝土預(yù)制管樁單樁承載性能及接管關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號：51208194)的支持，在充分調(diào)研了國內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)大型模型數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究、經(jīng)濟(jì)分析等手段，結(jié)合工程實(shí)例而開展研究工作。論文開展的主要研究工作內(nèi)容如下：(1)開口式階梯形變截面管樁的沉樁效應(yīng)分析通過壓樁過程中檢測樁的擠土效應(yīng)以及土塞效應(yīng)通過在室內(nèi)基坑內(nèi)對2根變截面管樁與2根等截面管樁的靜壓沉樁模型對比試驗(yàn)，測試在不同樁身入土深度情況下，沉樁阻力荷載－入土深度曲線，對階梯形管樁沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行研究。通過對室內(nèi)7根實(shí)驗(yàn)樁的沉樁模型試驗(yàn)研究，測試隨著管樁內(nèi)徑的變化，土塞高度的變化規(guī)律，其中包括等截面間土塞變化規(guī)律、變截面間的土塞變化規(guī)律以及變截面與等截面間對比的土塞變化規(guī)律。（2）沉樁阻力計(jì)算方法研究基于已有的小孔擴(kuò)張理論，在考慮不同管樁入土深度時初始應(yīng)力對擴(kuò)孔壓力影響情況下，就管樁沉樁貫入阻力與入土深度的問題進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到了階梯形變截面管樁沉樁阻力的理論計(jì)算方法。對于樁內(nèi)壁與土塞的側(cè)摩阻力的計(jì)算，采用的是方法是山原法，并針對模型試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算分析。最后將理論公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究理論推導(dǎo)方法的可行性。(3)豎向荷載作用下階梯型管樁單樁承載特性及變形模型試驗(yàn)研究開展靜壓閉口式階梯型管樁與等截面管樁在豎向的荷載作用下靜載模型對比試驗(yàn)研究。通過在室內(nèi)基坑中對2根不同直徑等截面管樁與2根不同變徑比階梯型管樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，對比研究樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律、荷載-沉降關(guān)系，樁身變形特性及軸力傳遞規(guī)律，同時分析不同變徑比管樁的單位體積樁的承載力分擔(dān)情況和荷載沉降特性及與平均直徑一致等截面管樁相比階梯型管樁承載力發(fā)揮比率情況，然后進(jìn)一步探討變截面樁的適用性。第二章開口式變截面管樁沉樁效應(yīng)模型對比試驗(yàn)2.1管樁的擠土效應(yīng)2.1.1試驗(yàn)技術(shù)路線本論文研究內(nèi)容共分五章，各章概要如下：首先；是闡述本論文的研究動機(jī)與目的；第二；綜合一些前人探討樁受動態(tài)側(cè)向反覆荷重的分析研究；第三；分析模式的建立，將分析方法做一扼要說明；第四；現(xiàn)地實(shí)驗(yàn)資料與分析模式預(yù)測結(jié)果比較與討論；第五；總結(jié)本研究的結(jié)論與相關(guān)建議。2.1.2試驗(yàn)概況（1）試驗(yàn)裝置圖2-1試驗(yàn)裝置示意圖計(jì)算機(jī)模擬方法應(yīng)用于營建作業(yè)規(guī)劃分析上仍主要侷限于學(xué)術(shù)研究范疇內(nèi)，但近年來應(yīng)用實(shí)務(wù)上已有相當(dāng)成果，更引起工程界的注意。尤其自Halpin博士于1972年發(fā)展出來計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)CYCLONE理論。CYCLONE理論以圖形表示資源和他們間相互作用關(guān)系，資源狀態(tài)可分為兩種－（1）使用狀態(tài)及（2）閑置狀態(tài)，其間流程方向則以ARROW符號表示。其理論模型元件由6個基本符號組成，整理如表2.1所示。并依序說明如下表2-2：表2-1粘性土的基本物理參數(shù)土的含水率（%）粘聚力（kPa）內(nèi)摩擦角()容重（)29.712.819.818.5（3）模型試驗(yàn)1模型樁制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸軜兜耐鈴胶蛢?nèi)徑分別采用自制鋼模（自制鋼模的內(nèi)徑分別為16cm、14cm、12cm和10cm）與PVC管（PVC管的外徑分別為8cm、7cm、6cm和5cm）控制，樁體本身采用C20細(xì)石混凝土澆筑完成，鋼筋籠采用3.26mm直徑鋼筋制作完成。在制作模型管樁過程中，先在木板上定出PVC管外徑與鋼模外徑位置，再在樁模內(nèi)表面均勻地涂抹一層潤滑油，并用螺絲將鋼模組合好并定好位，然后用鐵絲將外壁涂好潤滑油的PVC管定好位，并將定好位的PVC管插入到鋼模內(nèi)。完成定位后的模型如圖2-1(a)所示，最后放入3.26mm直徑的鋼絲籠，澆筑C20細(xì)石混凝土并振搗均勻，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求的拆模強(qiáng)度后進(jìn)行拆模，將拆模后管樁放在溫度為20±3℃的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天。圖2-2管樁鋼模2試驗(yàn)材料1、常態(tài)作業(yè)符號（NORMAL）：在模擬圖形過程中，該作業(yè)僅需單一資源即可進(jìn)行，以此符號表示。2、組合作業(yè)符號（COMBI）：在模擬圖形過程中，該作業(yè)進(jìn)行需要兩個以上(含兩個)資源配合，則以此符號表示。3、資源模擬符號（QUEUE）：資源于等待進(jìn)行作業(yè)時閑置狀態(tài)則以資源閑置符號表示，它可以表示狀況為等待、COMBI作業(yè)設(shè)備、材料等要素或邏輯所需虛擬起始資源。GENERATE（以GEN表示）當(dāng)一工作任務(wù)需產(chǎn)生一定資源數(shù)以達(dá)到系統(tǒng)指定循環(huán)時，可在選定資源閑置符號（QUEUE）下方記入GENn字?，其中n表示產(chǎn)生資源數(shù)目，此種情況下，可暫稱該資源閑置符號為「資源產(chǎn)生符號」，在CYCLONE中稱為GENERATE功能（資源產(chǎn)生功能）。4、特殊功能模擬符號（CON）：當(dāng)一工作任務(wù)需收集一定資源數(shù)以達(dá)到系統(tǒng)指定循環(huán)時，可以圓?符號內(nèi)加CONn字?表示，其中n表示收集資源數(shù)目。5、計(jì)時器（COU）：在CYCLONE模型中系統(tǒng)計(jì)數(shù)器只能有1個，系統(tǒng)計(jì)數(shù)器符號的功能乃在記錄模擬回?數(shù)（cyclenumbers），系統(tǒng)計(jì)數(shù)器符號（COUNTER）除了不能緊接于資源閑置符號后，或組合作業(yè)符號前，可以擺在模型中的任何地方。6、箭號（ARROW）：流程指示模擬符號，為了顯示作業(yè)間進(jìn)行流程方向，在模型中乃以線箭符號模擬。圖2-3DH3819靜態(tài)應(yīng)變測試儀器單樁豎向靜載模型試驗(yàn)采用江蘇東華測試技術(shù)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的DH3815N分布式靜態(tài)應(yīng)變儀測試系統(tǒng)采集土壓力盒應(yīng)變和樁身應(yīng)變片。DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)屬于全智能化巡回?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用USB接口與計(jì)算機(jī)通迅，通過計(jì)算機(jī)能夠自動完成平衡，數(shù)據(jù)修正、控制采樣，存貯及處理分析，并打印試驗(yàn)和生成報告。系統(tǒng)模塊增大后，每臺計(jì)算機(jī)最多可以同時控制4096個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)可連續(xù)采樣，速率可達(dá)1Hz(即所有測點(diǎn)應(yīng)變的采集、傳送、儲存及顯示能夠在1秒內(nèi)完成)，模塊間通訊距離可長達(dá)100m，且所有數(shù)據(jù)采集模塊均由電源/控制器統(tǒng)一供電。此外，DH3815N具有易于現(xiàn)場操作，方便可靠，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測試，能夠有效地捕捉緩慢變化信號的變化趨勢。該測試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、車輛、船舶、土建、橋梁、鐵路、港口等各種工程領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行測量分析，特別適合高校及研究機(jī)構(gòu)對力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。DH3815N靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(如圖2-7所示)的主要技術(shù)指標(biāo)包括以下方面：本節(jié)將管樁施工從整地、測量放樣樁位，開挖機(jī)械設(shè)定在樁位上，各施工階段作一概述。施工機(jī)械是由一部90噸級履帶吊車，搖管機(jī)（OSCILLATOR）及蜆式抓斗（HAMMERGRAB）所構(gòu)成，利用吊車將裝有削靴（CUTTINGSHOE）第一節(jié)鋼套管吊至搖管機(jī)夾具中，校對垂直度后，將鋼套管壓入土中，在此同時利用抓斗將鋼套管內(nèi)土取出，進(jìn)行著重復(fù)性工作壓入套管－抓斗取土－壓入套管－抓斗取土，直到抓掘至設(shè)計(jì)深度后，再進(jìn)行孔底余水處理、鋼筋籠吊放、最后利用特密管澆置水中混凝土與拔除鋼套管，整體施工流程，首先基地位置進(jìn)行整地工作，再依設(shè)計(jì)圖測定樁位及地面高程，并依照管樁點(diǎn)位坐標(biāo)值于現(xiàn)地使用精密量測儀器放樣，一一測定出管樁位置。圖2-4基坑內(nèi)沉樁樁位布置圖除了取自實(shí)驗(yàn)所得孔隙水壓數(shù)據(jù)外，因地震激發(fā)現(xiàn)地孔隙水壓不容易取得，故本研究利用一以有效應(yīng)力有限元素法為架構(gòu)的軟件Cyclic1D，來模擬液化時的循環(huán)剪力行為；使用者可藉由輸入土壤組成、材料性質(zhì)及震動歷時等來完整重現(xiàn)水平或傾斜地盤的非線性地盤震動及孔隙水壓的激發(fā)。如表2-2所示。表2-2土層物理力學(xué)性能指標(biāo)Table2-2Physicalandmechanicalpropertiesofsoil含水率ω/%重度γ/(N·m-3)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/°塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL壓縮模量Es/MPa29.718.512.819.818.10.434.3圖2-5樁入土立面圖及基坑內(nèi)土層2.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過實(shí)驗(yàn)，得到了在沉樁過程中壓樁貫入阻力與管樁入土深度的曲線圖，如圖2-8，圖2-6樁貫入阻力與樁入土埋深關(guān)系曲線由上圖可以得出：為估計(jì)地震前后現(xiàn)地情形，一構(gòu)成模式為針對固-液態(tài)雙相有效應(yīng)力以有限元素法分析計(jì)算機(jī)軟件Cyclic1D被發(fā)展出來，用來合理模擬地震時的非線性地盤反應(yīng)及液化反應(yīng)。為估計(jì)地震前后現(xiàn)地情形，一組成模式為針對固-液態(tài)雙相有效應(yīng)力以有限元素法分析計(jì)算機(jī)軟件Cyclic1D被發(fā)展出來，用來合理模擬地震時的非線性地盤反應(yīng)及重現(xiàn)液化時的循環(huán)剪力行為。使用者可分別輸入土壤組成、材料性質(zhì)、黏滯阻尼及地盤震動等資料予以模擬。土壤模型組成可分為（1）地盤深度，5m－100m；（2）切割元素?cái)?shù)，10－100元素；（3）地下水位，假設(shè)水位以上為干土層以下則為飽和土層；（4）水平傾角，0°時為水平；（5）底盤特性，可分為硬性巖石、軟性巖石及剛體，亦可由剪力波數(shù)及質(zhì)量密度自行定義底盤性質(zhì)。材料性質(zhì)分為凝聚性及非凝聚性土壤。對非凝聚性土壤而言，根據(jù)Kramer（1996）所提的看法，影響控制非線性應(yīng)力－應(yīng)變行為及液化反應(yīng)最甚的兩個參數(shù)為材料的相對密度、滲透系數(shù)。故針對相對密度定義四個不同區(qū)間：松（15－35％），中等（35－65％），中等緊密（65－85％），緊（85－100％）。此四區(qū)間又依據(jù)不同滲透系數(shù)分為粉土，砂土及礫石。而對凝聚性土壤而言，則依剪力強(qiáng)度分為軟性，中等及堅(jiān)硬黏土。除此外，也可根據(jù)土壤密度，剪力波速及剪力強(qiáng)度來自行定義材料性質(zhì)。在Cyclic1D中，由于動態(tài)數(shù)值模擬分析必須考慮能量損失及黏滯現(xiàn)象，因此需給予力學(xué)阻尼。一般結(jié)構(gòu)力學(xué)考慮阻尼影響時，由于Rayleigh阻尼較簡單且有效，因此常被引用。Rayleigh阻尼，是以矩陣C表示，其包含了質(zhì)量阻尼M與勁度阻尼K兩項(xiàng)，如下所示：2.3管樁土塞效應(yīng)2.3.1管樁土塞效應(yīng)概述開口式管樁樁端在打入土層過程中時土受一部分土體擠壓涌入管樁內(nèi)徑形成土塞，隨著樁不斷進(jìn)入土層，涌入管樁內(nèi)的土芯不斷提高，當(dāng)達(dá)到一定高度后，由于土芯和管樁內(nèi)壁的摩擦阻力作用，產(chǎn)生封閉效應(yīng)，即形成土塞。另一部分土將被擠向樁周。根據(jù)土塞的閉塞的不同程度，管樁內(nèi)的土塞土層性質(zhì)、高度的變化、樁的直徑、壁厚與樁入土深度等因素有關(guān)。工程實(shí)踐表明，管樁直徑越大，莊內(nèi)土塞高度就越大。將土塞的閉塞效應(yīng)分為：不完全閉塞和完全閉塞。開口式管樁的承載力由管樁底部的端阻力、管樁周圍的側(cè)摩阻力與管樁內(nèi)壁與土塞間的側(cè)摩阻力組成。土塞與管樁內(nèi)壁的側(cè)摩阻力的樁外側(cè)摩阻力和發(fā)揮性狀不同，只有當(dāng)荷載傳至樁端并發(fā)生樁端沉降時，土塞才開始由下向上逐漸發(fā)揮內(nèi)側(cè)摩阻力。2.3.1管樁土塞效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 管樁的土塞效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置同擠土效應(yīng)一樣，但是土塞效應(yīng)所選取的樁型號跟擠土效應(yīng)不同，即所選樁型為：16-8/12-6、12-6/12-6、14-4/14-4、14-5/14-5、14-7/14-7、14-7/10-5、14-7/10-4。土塞的測量方式如下：首先在每根樁的上半截樁的頂部一下10cm處，用鉆機(jī)打出一個細(xì)小的空洞，如圖2-7所示。在壓樁前，用一根綁有重物的彈性很弱的線從空洞里穿出，張緊后在線上做上標(biāo)記，當(dāng)樁壓入10cm后，線張緊后再一次做上標(biāo)記，用鋼尺量測出這兩段標(biāo)記的長度，即為樁壓入土中10cm時，土塞上升的高度。此后樁每壓入土中10cm，測量一次土塞的上升高度。 圖2-7管樁土塞效應(yīng)測量空洞位置圖土塞增長率（IFR）[69]是被學(xué)術(shù)界認(rèn)可的用來描述土塞變化的最為有效的參數(shù)。其表達(dá)式為：式中：L為土塞高度；H為管樁的壓樁深度。本人采用IFR進(jìn)行土塞變化規(guī)律。通過上述實(shí)驗(yàn)方法，我們得出了7根樁的IFR和樁入土深度的曲線圖，如圖2-8所示：圖2-8管樁土塞效應(yīng)測量空洞位置圖 分別對1#和2#、3#和4#號樁實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，變截面管樁的土塞高度增長率大于等截面管樁；分別對5#、6#和7#號樁實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，樁徑與壁厚的比值是決定土塞高度的重要因素，即等截面管樁的徑厚比越大，土塞高度增長率越大。2.4結(jié)論因此土壤發(fā)生液化情形后，可能會伴隨著土壤的側(cè)潰(lateralspread)。由1906年的SanFrancisco地震、1964年的Niigata地震、1989年的LomaPrieta地震及1995年的Kobe地震可發(fā)現(xiàn)，混凝土管樁損壞的形式主要系由地震產(chǎn)生側(cè)向位移、土壤的液化或側(cè)潰等原因造成。當(dāng)管樁遭受地震力作用時，樁的行為不僅受上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動形態(tài)控制，也受到樁身周圍土壤運(yùn)動形態(tài)影響，其中后者對樁身產(chǎn)生較大的影響。

第三章開口式變截面管樁沉樁貫入阻力理論研究3.1混凝土預(yù)制管樁概述浮碼頭屬于浮式結(jié)構(gòu)物的一種，以往有關(guān)于浮式結(jié)構(gòu)物理論、數(shù)值或?qū)嶒?yàn)方面的研究不少，其中研究最早是Black等(1969)提到當(dāng)入射波遇到浮體結(jié)構(gòu)物時產(chǎn)生的反射(Reflection)及透射(Transition)的研究，文中將此種問題稱為散射問題(ScatteringProblem)。隨后BlackandMei(1971)考慮一浮體結(jié)構(gòu)物運(yùn)動時造成的波場，并討論垂直(Heave)、徬徨(Sway)及搖晃(roll)三個方向的運(yùn)動對水體的影響，而這種由物體運(yùn)動造成的波流問題稱為輻射問題(RadiationProblem)。直至SarpkayaandIsaacson(1981)將邊界線性化后，將整個問題考慮成散射問題及輻射問題的疊和。以理論解析二維矩形自由浮體的文獻(xiàn)，大都采用分區(qū)概念將波浪場分解為結(jié)構(gòu)物下方一區(qū)、結(jié)構(gòu)物外側(cè)兩區(qū)個別求解。其中Lee(1995)針對結(jié)構(gòu)物作單位振幅上下浮動的輻射問題，以線性概念提出邊界條件分離的求解方式，配合分區(qū)交界面的壓力連續(xù)條件，將結(jié)構(gòu)物下方具有非齊性邊界的流場分為兩齊性邊界值問題，個別求解后合并得完整解，并討論結(jié)構(gòu)物條件(相對水深、結(jié)構(gòu)物吃水深)對各種結(jié)構(gòu)物運(yùn)動參數(shù)(結(jié)構(gòu)物運(yùn)動振幅、附加質(zhì)量與輻射阻尼)的影響，同時利用邊界元素法(BEM)驗(yàn)證結(jié)果。而洪(2003)更針對浮體結(jié)構(gòu)物作水平左右(Surge)、垂直上下(Heave)、旋轉(zhuǎn)(Pitch)三自由度的輻射問題，作出流場與浮體互相作用的理論解析解，并討論結(jié)構(gòu)物條件(相對水深、結(jié)構(gòu)物吃水深、浮箱寬)對結(jié)構(gòu)物運(yùn)動振幅與反射系數(shù)的影響，最后配合Ijimaetal.(1972)中的邊界元素法(BEM)驗(yàn)證結(jié)果。3.2變截面管樁沉樁貫入阻力理論3.2.1沉樁貫入阻力組成分析以理論解析二維系纜浮式結(jié)構(gòu)物運(yùn)動的文獻(xiàn)中，大都假設(shè)矩形結(jié)構(gòu)物上下浮動與轉(zhuǎn)動的運(yùn)動振幅極小可忽略，所以考慮結(jié)構(gòu)物只作水平方向的運(yùn)動。如LeeandLee(1993)利用分離變量法與交界面連續(xù)條件求得的級數(shù)解，描述波浪作用下不透水張力腳結(jié)構(gòu)物作水平往復(fù)運(yùn)動，先探討級數(shù)解收斂性，以此收斂項(xiàng)數(shù)計(jì)算問題，描述此類結(jié)構(gòu)物運(yùn)動情形與消波效果，同時以邊界元素法印證結(jié)果正確性。游(1999)利用分離變量法與配合分區(qū)交界面連續(xù)條件，將一可變形張力腳浮堤與波浪互相作用的完整描述分解為散射問題、結(jié)構(gòu)物水平運(yùn)動與結(jié)構(gòu)物變形往外造波輻射問題，以求得結(jié)果探討吃水深、浮堤質(zhì)量、堤寬對消波效果的影響，若將結(jié)構(gòu)物的彈性系數(shù)提高到1012Pa(相當(dāng)于剛體)，結(jié)果與前人研究(LeeandLee,1993)一致，此外配合水工模型試驗(yàn)，以海綿材質(zhì)的模型模擬可變形的浮堤結(jié)構(gòu)物，實(shí)驗(yàn)的觀測結(jié)果與理論值作比較。LeeandWang(2000)考慮一采用雙浮箱系統(tǒng)的張力腳式平臺，受波浪作用下的理論解析，采用分區(qū)概念將波浪場分解為五個矩形區(qū)域，利用分離變量法配合交界面連續(xù)條件的解析過程，求解探討此浮體系統(tǒng)中物理?xiàng)l件(浮箱間距、浮箱寬度、淺沒深度)對消波效果的影響。而有關(guān)浮碼頭的相關(guān)研究方面，錢(1999)利用邊界元素法建立數(shù)值模式，解析由兩個剛性矩形浮體和可撓曲的彈性梁所組成二維浮動碼頭，假設(shè)鋼管樁樁固定方式，限制其運(yùn)動方向探討各浮箱垂直位移(Heave)與旋轉(zhuǎn)位移(Pitch)與浮箱間距關(guān)系。同時賴(1999)更針對此一浮動碼頭，以實(shí)驗(yàn)方式作出驗(yàn)證。3.2.2變截面管樁沉樁貫入阻力求解（1）沉樁端阻力求解在地震或強(qiáng)烈外力下，樁所產(chǎn)生的大量變形會影響周圍土壤，引發(fā)其非線性、非彈性及遲滯的復(fù)雜行為。爲(wèi)分析此復(fù)雜行為，Wen（1976）延伸Bouc（1967）的模式，發(fā)展出遲滯的動態(tài)反應(yīng)Bouc–Wen模式，以非線性一階微分方程式得出彈性力及塑性力的線性組合的遲滯回復(fù)力，對于遲滯能量的消散則經(jīng)由參數(shù)來控制，以遲滯圈的形狀與大小表現(xiàn)系統(tǒng)的衰減效應(yīng)，描述反覆荷重下能量消散的行為。BadoniandMakris（1996）的研究中，將Bouc－Wen模式來模擬樁土系統(tǒng)的非線性行為，其樁土界面使用動態(tài)溫氏基礎(chǔ)模式，由均布非線性遲滯彈簧及與頻率相關(guān)的黏滯阻尼組成，利用一維有限元素來計(jì)算單樁受動態(tài)側(cè)向荷重非線性反應(yīng)。此外，分別考慮砂土及黏土，引入標(biāo)準(zhǔn)土壤參數(shù)以提供等效勁度與阻尼。梁慈婷（2000）以Badoni等人的模式模擬彈簧非線性遲滯行為且加入依頻阻尼發(fā)散其他能量，所模擬出來的遲滯行為及輻射組尼能真實(shí)的反應(yīng)出實(shí)際的土壤行為。因此本研究中將以梁慈婷（2000）所提的模式模擬土壤的非線性遲滯行為。1、根據(jù)鄰近相似地層基地管樁詴樁結(jié)果，本案管樁承載力估算時，

各土層摩擦力FS采用值如下：GL.-24.3～29.1m為CL/ML層:fs=10t/㎡。GL.-29.1～46.2m為SM2層:fs=16t/㎡。GL.-46.2～50.1m為ML層:fs=16t/㎡。GL.-50.1～52.1m為GM層:fs=18t/㎡。樁底極限底承力采500t/㎡。2、計(jì)算案例說明管樁尺寸:長度6m×厚度1.5m。管樁貫入卵礫石層深度：2m?；A(chǔ)底面開挖深度：GL-24.3m。A:下壓承載力分析：(A)、管樁厚度兩側(cè)極限摩擦分析GL-24.3～29.1m為CL/ML層，摩擦力fs采10t/㎡。受力面積=1.5×(29.1-24.3)×2=14.4㎡。CL/ML層極限摩擦力=10×14.4=144t。SM2層極限摩擦力=820.8t。ML層極限摩擦力=187.2t。GM層極限摩擦力=108t。故管樁厚度兩側(cè)極限摩擦力=144＋820.8＋187.2＋108=1260T。(B)、管樁長度兩側(cè)極限摩擦估算GL-24.3～29.1m為CL/ML層，摩擦力fs采10t/㎡。受力面積=6×(29.1-24.3)×2=57.6㎡。CL/ML層極限摩擦力=10×57.6=576t。SM2層極限摩擦力=3283.2t。ML層極限摩擦力=748.8t。GM層極限摩擦力=432t。故管樁長度兩側(cè)極限摩擦力=576＋3283.2＋748.8＋432=5040T。(C)、管樁極限底承力分析底面積=6m×1.5m=9.0㎡。樁底極限底承力采:500t/㎡。極限底承力=9×500=4500t。6m×1.5m管樁極限承載力=1260＋5040＋4500=10800t。B:拉拔力分析：(A)、有效樁重估算(假設(shè)混凝土單位重2.3t/m3)。(2.3-1)×(6×1.5×(52.1-24.3))=325.3t。(B)、極限摩擦力估算。根據(jù)上述下壓承載力計(jì)算結(jié)果=1260＋5040=6300t。6m×1.5m管樁容許拉拔力=(6300/2)+325.3=3475.3t(fs=2，短期)。=(6300/4)+325.3=1900.3t(fs=4，長期)。詳表2.2.2單位寬度管樁容許承載力分析結(jié)果。表2.2.2單位寬度管樁容許承載力分析結(jié)果1/2表2.2.2單位寬度管樁容許承載力分析結(jié)果2/2數(shù)據(jù)源:(姚村淮，2004)。圖3-3等截面樁滑動摩阻力(1)、考慮載重：DL:靜載重。LL：活載重。WL-:低水位(GL-8M)16.2T/㎡(水浮力)。WL：常水位(GL-3M)21.2T/㎡(水浮力)。WL+：常水位(GL-1M)23.2T/㎡(水浮力)。EX：X向地震力。EY：Y向地震力。(2)、ASD載重組合：長期:COMB1：DL＋0.8LL＋WL。COMB2：DL＋WL。短期：COMB3：DL＋0.8LL＋WL-。COMB4：DL＋WL-。COMB5：DL＋0.5LL＋WL＋EX。COMB6：DL＋0.5LL＋WL＋EY。COMB7：DL＋WL－EX。COMB8：DL＋WL－EY。COMB9：DL＋0.5(EX或EY)(施工中)。(3)極限載重檢核：其中地震力考慮一樓極限層剪力地震力造成軸力Exp，Eyp保守以2倍估算。COMB5：1.2DL＋0.5LL＋1.2WL＋Exp。COMB6：1.2DL＋0.5LL＋1.2WL＋Eyp。COMB7：0.9DL＋0.9WL－Exp。COMB8：0.9DL＋0.9WL－Eyp。

施工中地震力說明：假設(shè)工期總長4年，同地震規(guī)范訂定標(biāo)準(zhǔn)使用年限內(nèi)超越機(jī)率10％，故4年內(nèi)所需考慮地震回歸年限n。1-（1-1/n）4=10％。n≒38.4年。由地震危害度與回歸期475年地震P＆A比值相對大小F，可由下列式計(jì)算。F=(Tr/475)k，Tr：回歸回限依內(nèi)政部建研所「鋼筋混凝土建筑物耐震能力評估法氶推廣」指出我國K值介于0.3～0.5間。F0.3= (38.4/475)0,3=0.47。F0.45=0.3故施工中所需考慮地震力約為法規(guī)設(shè)計(jì)值0.32～0.47倍，設(shè)計(jì)保守以0.5位考慮。圖2.2.3樁位平面編號設(shè)計(jì)(姚村淮，2004)。下圖為變截面管樁與等截面管樁沉樁貫入時阻力試驗(yàn)實(shí)測值與理論計(jì)算值對比圖，如圖3-5所示。深開挖設(shè)計(jì)首要的目標(biāo)為避免開挖工程的破壞，因此設(shè)計(jì)前必頇進(jìn)行穩(wěn)定分析(stabilityanalysis)。1、臺灣建筑技術(shù)規(guī)則基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范所采用以下表示:圖2.3.1a日本建筑學(xué)會及臺灣建筑技術(shù)規(guī)則建議穩(wěn)定分析數(shù)據(jù)源:(歐章煜，2004.06)(2-11)上式中:α:為圖心角。Ｘ:破壞圓半徑。Ｗ:為開挖底面以上、擋土結(jié)構(gòu)外側(cè)X半徑寬度內(nèi)土壤

與地表上方載重重量程。2、開挖擋土壁必頇滿足土壓力平衡以決定擋土壁的貫入深度，其

安全系數(shù)可用下式表示：(2-12)。上式中:Pa :為作用于底撐以上擋土壁外側(cè)主動土壓力合力。La :為作用點(diǎn)距底撐距離。Pp :為作用于開挖面以下?lián)跬帘趦?nèi)側(cè)被動土壓力合力。Lp :為作用點(diǎn)距底撐距離。Fp :必頇＞1.2。3、歐章煜等的研究(2002)認(rèn)為土壓力平衡，造成擋土壁大量的向

內(nèi)側(cè)擠進(jìn)而產(chǎn)生破壞，因此屬于一種破壞模式，稱為內(nèi)擠破壞

(push-infailure)，其合理的安全系數(shù)應(yīng)該在1.2左右。而底

面隆起則是另一種可能破壞模式，其合理安全系數(shù)亦在1.2左

右。開挖或擋土壁的穩(wěn)定分析通常必頇進(jìn)行底面隆起及內(nèi)擠等

二種破壞模式分析，而采取保守值。圖2.3.1b極限破壞模式(歐章煜，2002)在深開挖工程中以連續(xù)壁作為擋土結(jié)構(gòu)時，必頇獲知其在施工過程中

所受應(yīng)力狀態(tài)，壁體可能承受彎矩及剪力，方可完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連續(xù)壁結(jié)構(gòu)行為分析，應(yīng)考慮下列因素:1、地下水壓變化。2、土壤性質(zhì)及土層變化。3、擋土壁變形行為與土壓力變化。4、施工過程支撐形態(tài)及預(yù)壓影響每一項(xiàng)因素均影響分結(jié)果正土壤行為仿真型態(tài)及分析原理，大致可歸納為以下幾種方法：1、假設(shè)支點(diǎn)法。2、彈性法。3、彈塑性法。4、塑性法。5、應(yīng)力迭加法。6、有限元素法(SOIL-STRUT，CloughandDuncan，1969)。7、彈塑性法以上方法中假設(shè)支點(diǎn)