（巖土工程專業(yè)論文）超長(zhǎng)樁荷載傳遞及傾斜荷載下樁土數(shù)值模擬分析.pdf

上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑大量涌現(xiàn)，超長(zhǎng)樁被廣泛應(yīng)用于承受 上部結(jié)構(gòu)自重，控制基礎(chǔ)沉降，但因其樁側(cè)及樁端土體承載力的發(fā)揮性狀以及 樁土相互作用情況都極為復(fù)雜，使超長(zhǎng)樁理論遠(yuǎn)落后于實(shí)踐，因此對(duì)其承載機(jī) 理進(jìn)行研究顯得極為重要。另一方面，大型港口和大跨度橋梁工程建設(shè)中，超 長(zhǎng)樁被廣泛應(yīng)用于承受高填土側(cè)土壓力、水流和波浪沖刷力、震動(dòng)力、船舶撞 擊力以及車輛荷載的制動(dòng)力。該類工程中超長(zhǎng)樁樁土相互作用屬于典型的水平、 豎向荷載耦合作用。目前橫一豎荷載耦合的樁一土相互作用研究文獻(xiàn)較少，而僅 有的研究主要集中在單層土中的中短樁；對(duì)于橫一豎荷載耦合作用的超長(zhǎng)樁卻鮮 為報(bào)道。鑒于此，本文首先基于超長(zhǎng)樁的大量試驗(yàn)資料建立了考慮側(cè)土軟化的 荷載傳遞模型并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，然后利用通用有限元軟件a b a q u s 模擬了橫一 豎向耦合荷載作用下超長(zhǎng)單樁及群樁，對(duì)成層土與樁的相互作用進(jìn)行了計(jì)算分 析和參數(shù)化研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)單排斜樁和群樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體 研究如下： l 、本文基于超長(zhǎng)樁大量試驗(yàn)資料，對(duì)傳統(tǒng)的荷載傳遞模型進(jìn)行改進(jìn)，建立 與超長(zhǎng)樁側(cè)土工作性狀相適應(yīng)的彈性軟化穩(wěn)定三階段荷載傳遞模型，樁端采 用雙曲線荷載傳遞模型模擬土的非線性變形特性，并引入混凝土的r u s e h 模型 用于考慮高水平荷載作用下超長(zhǎng)樁樁身混凝土的彈塑性性狀，從而建立了與超 長(zhǎng)樁工作性狀相適應(yīng)的層狀地基中超長(zhǎng)樁荷載傳遞分析方法，并將荷載傳遞法 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 2 、研究橫一豎向耦合荷載作用下超長(zhǎng)單樁樁土相互作用，重點(diǎn)討論了橫向荷 載以及豎向荷載對(duì)樁基豎向承載力、橫向承載力以及土體豎向側(cè)摩阻力、土體 水平抗力的影響。研究表明橫向荷載的存在對(duì)超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的軸力、側(cè)摩阻力、 樁身彎矩有較大影響，且影響區(qū)域都集中在樁身較淺部區(qū)域。樁端土與樁周土 的模量比如對(duì)超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)承載力的發(fā)揮有較大作用，隨著k 知的增大，在高水 平荷載作用下超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)逐漸由摩擦樁向端承樁過(guò)渡。 3 、對(duì)橫一豎向耦合荷載作用下單排樁的承臺(tái)一樁一土體系的彎矩、軸力和橫向 土體抗力進(jìn)行了三維數(shù)值分析，就超長(zhǎng)樁樁頂水平位移過(guò)大，承載力不足的缺 v 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 陷，對(duì)超長(zhǎng)樁上部進(jìn)行套管加固研究。研究表明，橫豎向耦合荷載共同作用的 單排雙樁結(jié)構(gòu)中，前后兩樁的軸力、彎矩、側(cè)摩阻力存在較大差異。套管對(duì)淺 部樁身的加固能較有效降低樁頂?shù)乃轿灰?，并能使淺部土體水平抗力、側(cè)摩 阻力向更深部傳遞。 4 、對(duì)橫一豎向耦合荷載作用下傾斜樁一土一承臺(tái)體系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，參 數(shù)敏感性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合洋山深水港工程實(shí)例對(duì)橫一豎向耦合荷載 作用下的斜頂板樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)洋山深水港二期的斜頂 板樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)非線性有限元模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究表明，本文的數(shù) 值模型具有較好的可信度?？捎糜趯?shí)際工程中的結(jié)構(gòu)的局部受力進(jìn)行分析和設(shè) 計(jì)。當(dāng)斜頂樁板樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)同時(shí)受高填土側(cè)土壓力和豎向荷載共同作用時(shí)，豎 向荷載的變化對(duì)結(jié)構(gòu)水平承載力影響顯著。 5 、對(duì)橫豎向耦合荷載作用下超長(zhǎng)群樁不同布樁形式進(jìn)行分析，對(duì)兩種布樁 形式下的彎矩、軸力、樁頂水平力的分布和變化進(jìn)行了深入研究。在相同橫 豎向耦合外荷載的作用下的群樁基礎(chǔ)，圓形布樁比方形布樁的水平和豎向位移 均小，且圓形布樁樁身彎矩、土體水平抗力相對(duì)更小，各樁軸力分布更均勻， 更有利于超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)承載力的發(fā)揮。 6 、對(duì)超長(zhǎng)單排傾斜樁基礎(chǔ)和群樁基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：( 1 ) 通過(guò)特定橫 豎向耦合荷載作用下不同傾斜角的超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)分析，得到相應(yīng)的水平和豎向位 移，并綜合考慮實(shí)際因素獲得該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)傾斜角；( 2 ) 對(duì)群樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)兩種不 同的布樁方式在相同樁頂耦合荷載作用下承臺(tái)水平、豎向位移對(duì)比分析以及群 樁中各樁的彎矩、軸力、土體水平抗力進(jìn)行了深入分析對(duì)比，得到群樁最優(yōu)的 布置形式。 關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)樁；側(cè)土軟化；荷載傳遞模型；橫豎向耦合荷載；樁土相互作用； 傾斜樁一土一承臺(tái)：成層土；群樁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s u p p e r - l o n gp i l ea n dp i l eg r o u pf o u n d a t i o n sa r ee x t e n s i v e l yu s e dt os u p p o r t v a r i o u ss t r u c t u r e sa n dc o n t r o lt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ff o u n d a t i o n si ns o f ts o i l ， b u tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hf a l i sf a rb e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fs u p e r - l o n g p i l ed u et ot h ec o m p l e xp i l e - s o i li n t e r a c t i o n t h u s ，i ti sb a d l yu r g e n tt os t u d yt h e b e a r i n gc a p a c i t ym e c h a n i s mo fs u p e r - l o n gp i l e s o nt h eo t h e rh a n d ，s u p e r - l o n gp i l e s a r ew i d e l yu s e dt or e s i s tt h el a t e r a ls o i lp r e s s u r eo fh i 9 1 ls o i lf i l l ，f o r c e so fw i n d ， w a t e rf l o w i n ga n dw a t e ra c t i o n , i m p a c tl o a d so fv e s s e l se ta 1 t h o s ep i l e sa r e t y p i c a l l ys u b j e c t e dt ov e r t i c a la n dl a t e r a lc o u p l e dl o a d s h o w e v e r , i nv i e wo ft h e c o m p l e x i t yi n v o l v e di na n a l y z i n gt h ep i l e sa n dp i l eg r o u pu n d e rc o u p l e dl o a d s ，t h e c u r r e n tp r a c t i c ei st oa n a l y z et h ep i l e si n d e p e n d e n t l yf o rt h ea x i a ll o a d st od e t e r m i n e t l l e i rb e a r i n gc a p a c i t ya n dd i s p l a c e m e n ta n df o rt h el a t e r a ll o a dt oi n d i c a t et h e i r h o r i z o n t a lf l e x u r a lb e h a v i o r m o r e o v e r , t h ei n v e s t i g a t i o n s ，e m p i r i c a l l yo ra n a l y 廿c a l l y , t h a th a v e b e e nc a r r i e do u to nt h i st o p i ct od a t ea r ev e r yl i m i t e d ，a n dm o s to ft h e ma r e f o c u s e do nt h es h o r to rm i d d l e - l o n gp i l ei nh o m o g e n e o u ss o i l t h e r e f o r ei ti sv e r y v a l u a b l e ，t h e o r e t i c a l l yo rp r a c t i c a l l y , t oc a r r yo u ts t u d yo nt h es u p e r - l o n gp i l e sa n d p i l eg r o u p si nl a y e r e ds o i lu n d e rv e r t i c a l l a t e r a ll o a d so rc o u p l e dl o a d s b a s e do nt h e r e s e a r c ho fs c h o l a r sa l la r o u n dt h ew o r l d ，am o d i f i e dt h r e e s t a g e dl o a dt r a n s f e r m o d e lo fs u p e r - l o n gp i l eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dv a l i d a t e d t h e nt h ep i l e s o i l i n t e r a c t i o no fs i n g l ep i l ea n dp i l eg r o u pi ss t u d i e du n d e rv e r t i c a la n dc o u p l e dl o a d s ， u s i n gt h es o f t w a r ep a c k a g ea b a q u s ( v e r s i o n6 7 ) i na d d i t i o n , o p t i m a ld e s i g no f t h eb a t t e rp i l e sa n dp i l eg r o u pi sc a r r i e do u t ；s t u d yo ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do n al a r g en u m b e ro ff i e l dd a t a , am o d i f i e dt h r e e s t a g es o f t e n i n gm o d e l i sp r e s e n t e d 鵲t h el o a dt r a n s f e rf u n c t i o no fp i l es i d et os i m u l a t et h ed e g r a d a t i o no f l a t e r a lf r i c t i o nr e s i s t a n c e ，t h eh y p e r b o l i cl o a dt r a n s f e rm o d e li su s e df o rt h ep i l ee n d t os i m u l a t et h en o n l i n e a rd e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fs o i l ，a n dt h er n s c hm o d e lo f c o n c r e t ei si n t r o d u c e df o rc o n s i d e r i n gt h ee l a s t i c - p l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp i l eu n d e r v 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 h e a v yl o a d ，t h e r e f o r e ，t h ea n a l y t i c a lt h e o r yo fl o a dt r a n s f e rf o rs u p e r - l o n gp i l e si n l a y e r e dg r o u n di se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a n b eu s e dn o to n l yt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n t a n db e a r i n gc a p a c i t yo fs u p e r - l o n gp i l e si nl a y e rg r o u n d ，b u ta l s ot oa n a l y z et h el o a d t r a n s f e rl a wo fs u p e r - l o n gp i l e si nl a y e r e dg r o u n d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sh a v eb e e n c o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n df i e l dd a t a , w h i c ha r ea g r e e dw e l l 2 ) as i n g l es u p e r - l o n gp i l ei si n v e s t i g a t e du n d e rt h ev e r t i c a l l a t e r a ll o a d s ；t h e v e r t i c a l ( 1 a t e r a l ) p i l er e s p o n s eu n d e rv a r i o u sl a t e r a l ( v e r t i c a l ) l o a d si s f o c u s e d r e s u l t ss h o wt h a tt h el a t e r a ll o a dh a sas i g n i f i c a n te f f e c t0 1 1t h er e s p o n s eo fa x i a l l o a d ，l a t e r a ls o i lr e s i s t a n c e ，b e n d i n gm o m e n to fp i l e ，a n ds t r e s sa l ef o c u s e do nt h e s h a l l o wp a r to ft h ep i l ea n ds o i l ，m o d u l u sr a t i ol ( b rh a sar e m a r k a b l ee f f e c to nt h e l o a dc a p a c i t yo fs u p e r - l o n gp i l e , 謝lt h ei n c r e a s eo f t h et y p eo fb e a r i n g c a p a c i t yo fs u p e r - l o n gp i l ef o u n d a t i o nh a sb e e ns h i f t e df r o mt h es k i nf r i c t i o np i l et o t h ee n d b e a r i n gp i l e 3 ) 3 dn u m e r i c a la n a l y s i so nb e n d i n gm o m e n t ，l a t e r a lr e s i s t a n c e ，a n da x i a ll o a di s c o n d u c t e df o ras i n g l e - r o w - d o u b l e - p i l e s s o i ls y s t e m s l e e v i n gap i l ei sb e l i e v e dt ob e c a p a b l eo fr e d u c i n gh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dt w os e r i 囂o ft h r e ed i m e n s i o n a l n u m e r i c a la n a l y s e sh a v eb e e nc a r r i e do u t s t u d ys h o w st h a tt h ea x i a ll o a d ，l a t e r a ls o i l r e s i s t a n c ea n db e n d i n gm o m e n to ft h ed o u b l ep i l e s c a ps t r u c t u r et a k eo ng r e a t d i v e r s i t y ；s l e e v e dp i l ec a ne f f i c i e n t l yr e d u c el a t e r a ld e f l e c t i o na n ds t i m u l a t et h es k i n f r i c t i o no f d e e p e rs e g m e n t so f t h es o i la sc o m p a r e dw i t ht h eu n s l e c v e do n e 4 ) as e r i e so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n so fb a t t e rp i l e s a r ec a r r i e do u ta n d o p t i m i z e dt of i n dt h eb e s ts t r u c t u r e ，t h e np a r a m e t e ra n a l y s e sa l ea l s os t u d i e da n dt h e y a n gs h a np r o j e c ti sa n a l y z e d ，c o m p a r e da n dv a l i d a t e d , w h i c hh a sp r o v e nt h e f i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a l lb eu s e dt od e s i g ni nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e f u r t h e rm o r et h e s t r u c t u r eu s e di ny a n gs h a np r o j e c ts h o w sar e m a r k a b l ee f f e c tw h e ns u b j e c t e dt o c o u p l e dl o a d s 5 ) v a r i a t i o n so fb e n d i n gm o m e n t , a x i a ll o a da n dl a t e r a ls o i lr e s i s t a n c eo ft w op i l e g r o u p sw i t hd i f f e r e n tp i l el a y o u ta r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d ，c o m p a r i s o ns t u d y v l l i 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 s h o w st h a tt h ev e r t i c a ls e t t l e m e n t , l a t e r a ld i s p l a c e m e n t sa n db e n d i n gm o m e n to f c i r c u l a r l yl a y o u tp i l eg r o u pf o u n d a t i o ni ss m a l l e rt h a nt h a to fr e c t a n g u l a ro n e ，w h i c h m e a n st h a tc i r c u l a r l yl a y o u tp i l eg r o u pf o u n d a t i o ni sb e t t e rt h a nr e c t a n g u l a rg r o u p 6 ) b a s e d0 1 1t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d , o p t i m a ld e s i g no fb a t t e rp i l e sa n dp i l e g r o u ph a v eb e e nc a r r i e do u ta sf o l l o w ：( 1 ) w h e ns u b j e c t e dt os p e c i f i cc o u p l e dl o a d s ， c o r r e s p o n d i n gv e r t i c a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t sh a sb e e no b t a i n e dw i t hv a r i o u s b a t t e ra n g l e so ft h eb a t t e rp i l ef o u n d a t i o n , t h e nt h eo p t i m a ld e s i g no ff o u n d a t i o nh a s b e e nf o u n do u t ；( 2 ) d e t a i l so ft h eb e n d i n gm o m e n t ，a x i a ll o a d ，l a t e r a ls o i lr e s i s t a n c e , v e r t i c a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t sa r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e db e t w e e nt h e c i r c u l a r l yl a y o u tp i l eg r o u pa n dr e c t a n g u l a rp i l eg r o u pu n d e rc o u p l e dl o a d s ，r e s u l t s s h o wt h a tt h ec i r c u l a r l yl a y o u tp i l eg r o u pi sb e t t e rt h a nt h er e c t a n g u l a ro n e ，a n dc a l l p o t e n t i a l l yb eu s e dt ot h ep r a c t i c a lo p t i m a ld e s i g no f p i l eg r o u pf o u n d a t i o n s k e y w o r d s ：s u p e r - l o n gp i l e ；s i d e s o i l s o f t e n i n g ；l o a d t r a n s f e rm o d e l ； v e r t i c a l l a t e r a lc o u p l e dl o a d s ；p i l e - s o i li n t e r a c t i o n ；b a t t e rp i l e - s o i l c a p ；l a y e r e ds o i l ； p i l eg r o u p 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。參與同一工作的其他同志對(duì)本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名：辮日期：絲型- 羅 本論文使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué) ?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：足亟煮囊?guī)熀灻簠策d日期： u 力o 夕鄉(xiāng)夕 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 研究背景 第一章緒論 現(xiàn)代樁基工程中，樁的主要功能是向下傳遞上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向荷載。但 是隨著樁基礎(chǔ)在橋梁工程和港口工程中的廣泛應(yīng)用，由于波浪力、水流沖刷力、 風(fēng)力、震動(dòng)力、船舶撞擊力以及車輛荷載的制動(dòng)力等原因使得基樁承受較大的 橫向荷載，因此抵抗水平荷載也已成為現(xiàn)代樁基的重要功能。隨著超高層結(jié)構(gòu)、 大型港口、跨江、跨海大橋的不斷新建，超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)不斷涌現(xiàn)。但由于巖土介 質(zhì)的復(fù)雜性，人們對(duì)于這些新的結(jié)構(gòu)形式在豎向及水平豎向耦合荷載共同作用 下樁土相互作用的機(jī)理還沒(méi)有形成一套成熟的廣泛適用的理論體系，工程設(shè)計(jì) 也將橫一豎向耦合荷載作用分開(kāi)進(jìn)行考慮，施工中大都是依據(jù)已有的工程實(shí)踐經(jīng) 驗(yàn)，因此本文主要針對(duì)超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)在豎向荷載、橫豎耦合荷載共同作用下樁土 相互作用特性展開(kāi)研究。 1 2 豎向荷載下樁基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀 單樁豎向承載力主要取決于三個(gè)方面：由樁土接觸界面強(qiáng)度決定的對(duì)樁 的最大支承能力；由土的變形性質(zhì)決定或上部結(jié)構(gòu)容許變形約束的保證樁不 發(fā)生過(guò)大沉降的最大支承能力：樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所能提供的承載能力。目前， 在樁基設(shè)計(jì)中，通常是通過(guò)選擇合適的樁身材料強(qiáng)度來(lái)避免第種破壞的發(fā)生。 根據(jù)第、種破壞形式確定單樁極限承載力較具代表性的方法有：荷載傳遞 法、彈性理論法、數(shù)值分析法。 ( 1 ) 荷載傳遞法 荷載傳遞法首先是由s e e d 和r c c s e 于19 5 5 年提出，其基本概念是把樁視 作由許多彈性單元組成，荷載傳遞法是將樁沿樁長(zhǎng)方向離散成若干單元，每一 單元與土體之間( 包括樁尖) 都用非線性彈簧聯(lián)系，這些非線性彈簧表示樁側(cè) 摩阻力之間的關(guān)系，通常統(tǒng)稱為荷載傳遞函數(shù)或t 心曲線。這方法核心或難 點(diǎn)之處在于合理確定不同土層的【屹曲線。目前常用的主要有線彈性模型( 佐 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 藤悟，1 9 6 5 ) 、理想彈塑性模型、雙折線模型【1 1 、三折線軟化模型2 】f 3 】、雙曲線 模型【4 1 拋物線模型【5 】和指數(shù)模型【6 】。r o j a s t n 己將這一彈簧的模擬，由簡(jiǎn)單的線彈 性單元，擴(kuò)展到彈性單元、彈性粘性單元和塑性粘性單元三部分串聯(lián)共同作用， 從而有效模擬了樁身與樁周介質(zhì)邊界上的彈性、塑性和粘性等特征。 ( 2 ) 剪切位移法 剪切位移法假定樁一土之間沒(méi)有相對(duì)位移，并引入沉降漏斗的概念，假定 單樁上豎向荷載的作用使樁側(cè)土體隨之發(fā)生剪切變形，樁側(cè)土體上下土層之間 沒(méi)有相互作用，他假設(shè)樁體周圍剪應(yīng)力與分析點(diǎn)距樁體的距離有關(guān)，離樁軸線 距離越遠(yuǎn)，剪應(yīng)力越小。依據(jù)有關(guān)彈性力學(xué)理論得出土體沉降與距樁軸線距離 的關(guān)系。c o o k e 運(yùn)用上述簡(jiǎn)化分析方法分析了倫敦土中單樁8 】和群樁【9 】在工作荷 載下的荷載傳遞和沉降性狀。r a n d o l p h 和w o r t h 1 0 】推導(dǎo)了基于c o o k e 假設(shè)的可 壓縮樁的單樁解析解，并將單樁解析解推廣至群樁。k r a f t 1 1 】等人考慮了土體的 非線性性狀，將r a n d o l p h 單樁解推廣至土體非線性情況。c h o w 1 2 1 將鼬姐結(jié)論 用于群樁分析。剪切位移法在推導(dǎo)過(guò)程中采用了不少人為假定，因此基本上屬 于近似解析解。假定樁一土之間沒(méi)有相對(duì)位移，樁側(cè)土體上下土層之間沒(méi)有相 互作用，這些假設(shè)同工程樁，尤其是超長(zhǎng)樁的實(shí)際工作性狀不符。 ( 3 ) 彈性理論法 彈性理論法認(rèn)為土質(zhì)是均質(zhì)、各向同性的彈性半空間體，它把土看作均勻、 連續(xù)、各向同性、具有彈性模量e 和泊松比p 。在上個(gè)世紀(jì)6 0 年代初期， a p p o l o n i 和r o m u a l d i 應(yīng)用m i n d l i n 公式推導(dǎo)了單樁沉降計(jì)算方法。采用彈性半 空間體內(nèi)部荷載作用下的m i n d l i n 解( 計(jì)算土體位移，由樁體位移和土體位移相 協(xié)調(diào)，建立靜力平衡方程，以此求得樁體位移和樁身應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上p o u l o s 和d a v i s 1 3 】提出了剛性樁彈性理論解法。同年p o u l o s 1 4 1 將剛性單樁推廣至剛性 群樁，隨后，d a v i s 和p o u l o s ”】將樁身基本微分方程用差分形式表示，從而將 彈性半空間剛性群樁推廣至可壓縮性群樁。隨后這一方法被一些學(xué)者0 6 1 進(jìn)一步 推廣完善。1 9 8 0 年，p o u l o s 和d a v i s 1 7 】對(duì)彈性力理論方法進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的 總結(jié)，成為后來(lái)進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。 ( 4 ) 有限單元法 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的大多數(shù)問(wèn)題，由于物體的幾何形狀和荷載作用方式很復(fù) 雜，試圖按經(jīng)典的彈性力學(xué)和塑性力學(xué)方法獲得解析解是很困難，甚至是不可 能的。這種情況下，采用數(shù)值解法，如有限差分法、邊界元法、有限元法和離 散元法，能獲得滿足工程要求的近似解。c h o w 和t e h 1 8 】假定土體模量沿深度 成線性關(guān)系，利用數(shù)值方法對(duì)群樁進(jìn)行分析，得到了較為滿意的結(jié)果。l i a n g , c h e n , 和s h i 1 9 】利用有限單元法對(duì)長(zhǎng)短樁結(jié)合的新型樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了深入分析 并在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用。c o m o d r o m o s 【2 0 】在全尺寸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用數(shù) 值方法對(duì)群樁效應(yīng)做了對(duì)比分析。 1 3 水平荷載下樁基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀 水平荷載作用下樁基研究方法分為極限狀態(tài)法，地基反力法，彈性理論法， p _ y 法及有限單元法。極限狀態(tài)法【2 l 】認(rèn)為在樁項(xiàng)極限水平荷載作用下，整個(gè)樁 側(cè)土體都達(dá)到極限狀態(tài)，即任何深度的土層的側(cè)向抗力都發(fā)揮至極限值，并假 定土體極限反力只是樁入土深度的函數(shù)，而與樁的撓度y 無(wú)關(guān)，然后根據(jù)靜力 平衡原理計(jì)算單樁的橫向極限承載力。地基反力法【2 2 1 ，彈性地基反力法將土體 假定為彈性體，用梁的彎曲理論求解樁的橫向抗力。其假定地基反力q 樁的位 移y 的m 次方成正比。根據(jù)指數(shù)m 的取值不同，彈性地基反力法可以分為： m = l 時(shí)的線彈地基抗力法和m l 時(shí)的非線彈性地基抗力法。彈性理論法【2 3 】假 定樁埋置于各向同性半無(wú)限彈性體中，并假定土的彈性系數(shù)為常數(shù)或隨深度按 某種規(guī)律變化。計(jì)算時(shí)將直徑為d ，長(zhǎng)度為1 的樁分為若干微段，根據(jù)m i n d l i n 式估算微段中心處的樁周土位移，另根據(jù)細(xì)長(zhǎng)樁的撓曲方程求得樁的位移，并 用有限差分法表達(dá)?？紤]土體和樁身的位移協(xié)調(diào)進(jìn)行求解。將w i n k l e 地基土 模型引入到橫向受荷樁的分析中，便為p y 曲線法，該法目前在歐美國(guó)家被廣 泛采用。p - y 曲線法【2 4 1 1 2 5 】【2 6 】假定樁頂作用一水平荷載h ，樁將產(chǎn)生撓曲變形， 設(shè)地面以下z 深度處的樁撓度為y ，該薄層的土反力為p 。這樣就可以得到在水 平荷載h 作用下，任意深度z 處土反力和橫向變形之間的p - y 曲線，利用此曲 線就可以分析任意水平荷載下的樁側(cè)土體變形及樁橫向承載力。這一方法綜合 反映了樁周土的非線性、樁的剛度和外荷載作用性質(zhì)等特點(diǎn)。有限單元法【2 7 】【冽 3 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 【2 9 】 3 0 1 以樁和一定范圍內(nèi)的土為研究對(duì)象，并將樁土結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元離散，在樁土 接觸面設(shè)置接觸單元，引入相應(yīng)的樁土本構(gòu)模型，并在外荷載作用下對(duì)樁和土 體的應(yīng)力、變形和破壞展開(kāi)分析。該方法能充分考慮樁、土體和接觸面的非線 性特征，能方便提取任何狀態(tài)下任意局部的應(yīng)力和變形，能對(duì)不同樁土參數(shù)和 工況進(jìn)行較為詳盡和全面的分析，為樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、校核和優(yōu)化提供強(qiáng)有力的幫 助。 1 4 傾斜荷載下樁基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀 基樁在傾斜荷載( 或軸、橫向荷載同時(shí)) 作用下，不僅其水平分力將使樁身 產(chǎn)生較大的彎矩和撓曲變形，豎向分力也將由于樁身?yè)锨冃蔚某霈F(xiàn)而產(chǎn)生一 附加彎矩( a p 所謂的“p a 一效應(yīng)，而這一附加彎矩又將影響到樁身?yè)锨冃蔚?增加) 【3 1 1 。由于這一問(wèn)題的復(fù)雜性，在工程中往往采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，即將樁 頂豎向分力和水平向分力分開(kāi)計(jì)算，然后再按小變形迭加原理計(jì)算樁身的內(nèi)力 和位移，并在樁身截面強(qiáng)度檢算時(shí)將截面彎矩乘一偏心距增大系數(shù)加以修正【3 2 1 。 早在7 0 年代，日本橫山幸滿就給出了地基系數(shù)為常數(shù)時(shí)基樁在傾斜荷載作用下 的解答，并指出，對(duì)傾斜荷載作用下的樁，嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)力迭加原理不適用。 m e y e r h o f 等對(duì)該項(xiàng)研究做了大量卓有成效的工作，尤其是其試驗(yàn)研究為該領(lǐng)域 的研究做出了突出的貢獻(xiàn)。m e y c r h o f 3 3 1 及s a s t r y 和m c y e r h o f 3 4 】采用模型試驗(yàn)的 方法研究偏心以及傾斜荷載作用彈性樁的荷載變形規(guī)律，結(jié)合以前研究的成 果，給出樁頂極限彎矩和極限剪力的經(jīng)驗(yàn)公式。此外，我國(guó)學(xué)者范文田【3 5 】在橫 山幸滿解答的基礎(chǔ)上，對(duì)承受傾斜荷載的基樁進(jìn)行了理論分析，并指出軸向壓力 對(duì)樁身橫向位移、轉(zhuǎn)角、彎矩及剪力的影響比較顯著而不容忽視，并與樁身軸 向力所產(chǎn)生的壓應(yīng)變、樁身材料和土的彈性性質(zhì)以及樁身的形狀和幾何尺寸等 有關(guān)；王用中、張河水【3 6 】則以m 法為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限單元法對(duì)鄭州黃河大橋的基 樁進(jìn)行了計(jì)算和討論，取得了滿意的結(jié)果：趙善銳【3 7 】提出了樁阻抗的三階段模 式，導(dǎo)出了不同軸向力和土抗力組合時(shí)縱橫彎曲樁四階微分方程的通解和特解。 趙明華【3 8 】在m 法假設(shè)基礎(chǔ)上，采用冪級(jí)數(shù)解導(dǎo)得了考慮軸向集中荷載、樁自重、 樁側(cè)摩阻力及橫向荷載綜合作用下柔性樁的解析解；此后，趙明華、侯運(yùn)秋、彭 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 文祥等人【3 9 】【柏】【4 l 】在文獻(xiàn)【3 8 】的基礎(chǔ)上，對(duì)傾斜荷載下基樁的受力分析做了進(jìn)一 步的深入分析，提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法。此外，劉金礪【4 2 】對(duì)樁頂豎向荷載 對(duì)橫向承載力的影響進(jìn)行了論述，該影響取決于橫向荷載下樁的破壞機(jī)理，對(duì) 樁身強(qiáng)度較高的鋼管樁、預(yù)制鋼筋混凝土樁。其水平承載力往往以水平位移控 制，樁頂豎向荷載的影響一般可忽略不計(jì)；對(duì)配筋率較低的灌注樁，其水平承 載力以樁身強(qiáng)度控制，豎向荷載的影響比較明顯；由于豎向下壓荷載的壓應(yīng)力 會(huì)抵消部分彎曲拉應(yīng)力，使樁身由受彎狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠珘籂顟B(tài)，從而提高樁的橫 向極限荷載。由于計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展和數(shù)值方法求解技術(shù)獲得的較大的突 破，數(shù)值方法在很多復(fù)雜的工程問(wèn)題計(jì)算中都取得了良好的效果，并已逐漸成 為巖土力學(xué)及工程問(wèn)題的重要研究手段之一。數(shù)值計(jì)算方法中的有限單元法為 分析土的性狀及橫向荷載作用下樁土相互作用提供了更為現(xiàn)實(shí)的途徑， t r o c h a n i s 等【4 3 】通過(guò)橫豎向荷載作用下三維有限元數(shù)值分析指出橫向荷載的存 在對(duì)豎向承載力有一定提高， k a r t h i g e y a n 等m 】 4 5 1 ，對(duì)橫豎向耦合荷載同時(shí) 作用下不同長(zhǎng)徑比的樁基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并指出橫向荷載對(duì)樁豎向承載 力的影響程度跟土體參數(shù)有較大關(guān)系，豎向荷載對(duì)橫向承載力的影響相對(duì)較小。 t a c i r o g l u l ，r h a 和w a l l a c e 4 們，r h a 4 刀利用宏單元考慮樁土受橫豎向耦合荷載時(shí) 的樁土相互作用，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比。分析結(jié)果表明橫向荷載對(duì)樁 的豎向承載特性有較大影響，但豎向荷載對(duì)樁的水平承載能力影響較小。 1 5 論文的主要研究?jī)?nèi)容 通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于普通樁在單獨(dú)橫向或豎向荷載作 用下的受力研究比較成熟，而對(duì)于超長(zhǎng)樁豎向荷載傳遞機(jī)理以及橫豎向耦合荷 載同時(shí)作用下的超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)，無(wú)論從設(shè)計(jì)分析理論上，還是在工程實(shí)踐中尚存 在較多的問(wèn)題和不足，根據(jù)目前橫、豎向及耦合承載樁的研究現(xiàn)狀，本文主要 開(kāi)展以下幾方面工作： ( 1 ) 本文基于超長(zhǎng)樁大量試驗(yàn)資料，對(duì)傳統(tǒng)的荷載傳遞模型進(jìn)行改進(jìn)，提 出與超長(zhǎng)樁側(cè)土工作性狀相適應(yīng)的彈性軟化穩(wěn)定三階段荷載傳遞模型，樁端 采用雙曲線荷載傳遞模型模擬土的非線性變形特性，并引入混凝土的r u s c h 模 5 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 型來(lái)考慮高荷載水平作用下超長(zhǎng)樁樁身混凝土的彈塑性性狀，從而建立了與超 長(zhǎng)樁工作性狀相適應(yīng)的層狀地基中超長(zhǎng)樁荷載傳遞分析方法，并將法計(jì)算結(jié)果 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 ( 2 ) 由耦合荷載作用下超長(zhǎng)樁樁土相對(duì)位移分布可知，在一定耦合荷載作 用下，樁頂荷載向下傳遞的能力越來(lái)越弱，樁土之間的相互作用越來(lái)越弱。超 長(zhǎng)樁最根本的特點(diǎn)是樁身的可壓縮性，這也是超長(zhǎng)樁與普通樁的主要區(qū)別，樁 體剛性的假設(shè)對(duì)超長(zhǎng)樁己不再合適。因此普通樁的設(shè)計(jì)規(guī)范不能用于計(jì)算超長(zhǎng) 樁的承載力。 ( 3 ) 對(duì)橫豎向耦合荷載作用下超長(zhǎng)單樁樁土相互作用進(jìn)行了研究，重點(diǎn)討 論了變橫向( 變豎向) 對(duì)樁基礎(chǔ)的豎向承載力( 橫向承載力) 、彎矩、土體抗力 和軸力的影響。 ( 4 ) 對(duì)橫豎向耦合荷載作用下單排雙樁的承臺(tái)樁土體系的彎矩、軸力和 橫向土體抗力進(jìn)行了三維有限元分析，并針對(duì)超長(zhǎng)樁樁頂水平位移過(guò)大，承載 力不足的特點(diǎn)對(duì)超長(zhǎng)樁上部進(jìn)行套管加固研究。 ( 5 ) 對(duì)橫豎向耦合荷載作用下傾斜樁土承臺(tái)體系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究， 并在此基礎(chǔ)上對(duì)傾斜樁基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)敏感性分析。 ( 6 ) 對(duì)洋山深水港二期工程斜頂板樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)與土體相互作用進(jìn)行數(shù)值模 擬與實(shí)測(cè)對(duì)比研究，并考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際受力，對(duì)其在橫豎向耦合荷載作用下的樁 土相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 ( 7 ) 對(duì)橫豎向耦合荷載作用下超長(zhǎng)群樁不同布樁形式進(jìn)行對(duì)比分析，著重 對(duì)兩種布樁形式下的彎矩、軸力、土體水平抗力的分布和變化進(jìn)行深入研究。 6 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章多層土中超長(zhǎng)樁荷載傳遞非線性計(jì)算方法 2 1 引言 由于高層建筑的迅速發(fā)展、施工技術(shù)的進(jìn)步，工程實(shí)踐中采用一柱( 墩) 的 單樁結(jié)構(gòu)日趨增多。但目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑樁承載力的確定尚未取得統(tǒng)一的 取值方法，因此，分析大直徑超長(zhǎng)樁的受力性能，提出合理的承載力計(jì)算模式 及相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)是目前急需解決的問(wèn)題。 近年來(lái)，應(yīng)用傳遞函數(shù)法分析基樁承載力發(fā)展很快。荷載傳遞分析法根據(jù)求 解樁身荷載傳遞微分方程的不同途徑，可再細(xì)分為荷載傳遞解析法和位移協(xié)調(diào) 法兩類。前者是由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 和佐滕悟( 1 9 6 5 ) 等先后提出。常用的具代表性的 傳遞函數(shù)模型有：佐騰悟的線彈性全塑性模型、陳龍珠等的雙折線硬化模型、石 明磊等的三折線模型、k e - z d i 的指數(shù)曲線模型，還有g(shù) a r d n e 的雙曲線模型和k r a f t 提出的理想荷載傳遞曲線和h o l l o w a y 、v i j a y v e r g i y a 的拋物線模型。而位移協(xié)調(diào) 法是由s e e d 和r c e s e ( 1 9 5 7 ) ，c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 等提出的。但這些模型均以 普通樁的荷載傳遞機(jī)理為基礎(chǔ)，不能與超長(zhǎng)樁與土共同作用工作性狀完全吻合。 實(shí)踐中對(duì)樁側(cè)土采用較為廣泛的是雙曲線荷載傳遞模型，余闖【鋁】針對(duì)考慮樁側(cè) 土的軟化效應(yīng)提出了一種新的荷載傳遞模型，并與傳統(tǒng)的雙曲線荷載傳遞模型 計(jì)算比較指出該模型更符合實(shí)際和偏于安全。本章基于超長(zhǎng)樁大量試驗(yàn)資料， 對(duì)上述軟化荷載傳遞模型進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合超長(zhǎng)樁側(cè)土工作性狀相適應(yīng)的彈性 軟化穩(wěn)定三階段荷載傳遞模型，樁端采用雙曲線荷載傳遞模型模擬土的非線性 變形特性，并引入混凝土的r u s c h 模型來(lái)考慮高荷載水平作用下超長(zhǎng)樁樁身混 凝土的彈塑性性狀，從而建立了與超長(zhǎng)樁工作性狀相適應(yīng)的層狀地基中超長(zhǎng)樁 荷載傳遞分析方法，并將荷載傳遞法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算值進(jìn)行 對(duì)比，驗(yàn)證了本章荷載傳遞模型的正確性。 7 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 計(jì)算模型 2 2 1 樁土荷載傳遞體系 荷載傳遞分析法也稱傳遞函數(shù)法。它是s e e d 和r o e s e 于1 9 5 7 年首先提出 的。這種方法的基本概念是把樁劃分為許多彈性單元，每一單元與土體之間用 非線性彈簧聯(lián)系，以此來(lái)模擬樁一土間的荷載傳遞關(guān)系。樁端處土也用非線性 彈簧與樁端相聯(lián)系。這些非線性彈簧的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，即表示樁側(cè)摩阻力f ( 或樁端阻力) 與剪切位移s 間的關(guān)系，一般就稱作為傳遞函數(shù)【4 9 1 。荷載傳遞法 計(jì)算模型如圖2 1 所示。 圖2 l 荷載傳遞法計(jì)算模型 f i g u r e2 - 1c a l c u l a t i n gm o d e l o fl o a dt r a n s f e rm e t h o d 在樁上任意深度z 處取一單元體，由靜力平衡條件得到： 心) 吉掣( 2 - 1 ) 微單元出的壓縮量d s ( z ) 為： d s ( 加一囂出( 2 - 2 ) 對(duì)上式求導(dǎo)并帶x ( 2 一1 ) 得： t d s 2 ( z ) ：v r ( z ) (23)g 一= 一 i 。- 1 - 出2 p a p 、7 式( 2 3 ) 即為樁土體系荷載傳遞函數(shù)法的基本微分方程。樁身位移s ( z ) 的求 解取決于樁一土荷載傳遞函數(shù)。其中e p 為樁身混凝土彈性模量：a p ，u 分別為 樁身截面面積