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计入桩侧摩阻力非线性特性的基桩承载力分析方法

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第34卷第4期 湖南大学学报(自然科学版) Vo1.34,No.4 2 0 0 7年4月 Joumal of Hunan University(Natural Sciences) Apr.2 0 0 7 文章编号:1000.2472(2007)04.0005.05 计入桩侧摩阻力非线性特性的基桩承载力分析方法 赵明华 ,贺 炜,邹新军 (湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082) 摘要:讨论了桩侧摩阻力发挥特征,以双曲线模型建立基桩荷载传递基本微分方程, 并导得了可考虑桩土相互作用及土体分层性质的幂级数解.利用本文解答对某大桥试桩资 料进行了数据拟合与计算分析,结果表明,双曲线拟合相关系数均在0.96以上,且用本文解 答得到的基桩轴力计算值与实测结果吻合较好.该方法参数拟合简便,计算精度较高,可用 于工程实践. 关键词:桩基础;荷载传递法;双曲线模型;桩土相互作用 中图分类号:U443.15 文献标识码:A Calculation Method for the Bearing Capacity of Pile by Considering the Nonlinear Character of Side Resistance ZHA0 Ming—hua 。HE Wei,ZOU Xin—jun (College of Civil Engineering,Hunan Univ。Changsha。Hunan 410082,China) Abstract:The behavior of the side resistances was discussed,and based upon the hyperbola model,the dif— ferential equation was established in the load transfer method.Considering the character of the layered stratum and pile—soil interaction,the exact solution was obtained by power series.A pile test data was analyzed in this method。and the result indicated that the correlation coefficients were more than 0.96 when fitting the load transfer curve in hyperbola,and the calculating value of axial force agreed well with the measurement.In this method,we have easily obtained parameters with high precision,which can be applied in engineering practice. Key words:pile foundation;load transfer method;hyperbola model;pile—soil interaction 桩基础是高层建筑、桥梁、港口和近海工程等采 房卫民[。 等,其中佐藤梧的理想弹塑性模型由于形 用的主要基础型式之一,具有承载力高、沉降量小等 式简单而应用极为广泛.但大量试验资料表明,桩身 特点.对于重要建筑或地层复杂的地基,桩基设计应 荷载传递曲线多呈非线性,用双曲线描述更为适 通过静载荷试验确定其轴向承载力,然而静载荷试 宜[ .为此,本文拟采用双曲线模型对基桩的荷载 验往往耗资较大,费时费工.因此,如何将荷载传递 传递机理进行非线性分析. 方法用于工程基桩承载力分析,以便少做或不做基 桩静载荷试验,具有重要的工程实际意义. 1荷载传递法基本概念 荷载传递法的核心问题是合理地确定基桩荷载 传递模型,国内外学者曾用多种不同的荷载传递模 基桩在轴向荷载作用下产生压缩变形,桩身与 型研究桩的荷载传递性状,如佐藤梧…(1965),Vi— 桩侧土产生相对位移,此时桩侧土体将对桩产生侧 iayvergiya(1977)以及国内学者如陈竹昌、徐和-2 J、 摩阻力,桩身轴力在侧摩阻力作用下沿深度逐渐减 ・收稿日期:2006-07-o5 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378036) 作者简介:赵明华(1956一),男,湖南邵阳人,湖南大学教授,博士生导师 十通讯联系人,E.mail:mhzhaohd@2lcn.com 维普资讯 http://www.cqvip.com

6 湖南大学学报(自然科学版) 2007年 小.随着轴向荷载的逐渐增大,桩身轴力向土体深处 传递,最后传递至桩端持力层,桩端在荷载作用下贯 入持力层,从而持力层对桩端产生阻力.桩侧摩阻 力、桩端摩阻力随桩土问相对位移的变化而变化的 2荷载传递函数 2.1桩侧库阻力的发挥特点 基桩在竖向荷载作用下,桩侧摩阻力的发挥程 度与桩土之间的相对位移情况有关,并且桩侧阻力 的发挥先于桩端阻力.大量研究表明,桩侧阻力的发 过程,即为桩的荷载传递过程. 20世纪50年代,H.Seed等人在深入认识基桩 荷载传递过程的基础上提出了荷载传递法-4 J,其基 本概念是把桩视作由许多弹性单元组成的系统,每 一挥程度取决于桩土相对位移量的大小,并随桩土相 对位移的增加而增大,一直达到极限值.有些试验资 料表明侧阻充分发挥所需要的桩土相对位移趋于定 值,认为一般在粘性土中桩土相对位移约为4~6 mm,砂土中约为6~10 mm时,桩侧阻充分发挥.也 有的学者根据现场试验研究取得的成果,认为土层 的埋藏深度对侧阻的发挥有显著的影响,埋藏深度 不同,充分发挥侧阻所需要的相对位移亦不同-5 J. 单元与土体之间(包括桩端)都用非线性弹簧联 系,这些非线性弹簧表示桩侧摩阻力(或桩端阻力) 与剪切位移(或桩端位移)之间的关系,通常称为荷 载传递函数或(r—z曲线)-1 J.如图1所示,取深度z 处的微小桩段dz,由力的平衡条件可得: r(z)Udz+Q(z)+dQ(z)=Q(z), 即 (1) ( ):一 U UZ . . I (2) 此外,大量研究表明,桩侧摩阻力的发挥还受到 桩周土性、桩土相对刚度、桩端阻力等因素的影 响[6I. 2.2理想的弹塑性模型 I t-7 该模型最早由佐藤梧提出n],其将荷载传递曲 线简化为双折线形式,如图2所示.其数学表达式为 I I f I I I :T ’ 【: ‘ <Uf、 r(2)=rf(z£≥Uf), 为桩侧阻力充分发挥所需的桩土相对位移. (5) … 式中:k为土的抗剪变形系数;rf为桩侧极限阻力; 1--I 图1荷栽传递法计算图式 Fig.1 Analysis model of load transfer method Tf f/2 又微段dz的压缩量为 ds(z):一 EApdz, pD 即 图2理想弹塑性模型 Q(z)一EpA . (3) Fig.2 Ideal elastoplastic model 将式(2)代入式(1)可得 EpAp _r(z)u=0, (4) 2.3双曲线模型 实测资料表明,荷载传递函数具有非线性特征, 为此,许多研究人员做过大量的试验研究,如Seed 式中:A 为桩身横截面面积;E 为桩身弹性模量; U为桩身周长. 等人使用十字板剪切法测定土的抗剪强度与扭转位 移的关系-4 J,Clough和Duncan用直剪试验探讨了 式(4)即为荷载传递法的基本微分方程,桩身的 竖向位移s(z)的求解取决于桩土之间的荷载传递 函数即T--Z曲线. 土与混凝土接触面的力学特性[7I,我国学者胡黎明 等使用改进的直剪仪进行了砂土和结构物接触面剪 切试验-8 J.众多试验结果表明,荷载传递函数曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 赵明华等:计人桩侧摩阻力非线性特性的基桩承载力分析方法 2 7 多符合双曲线模型,其数学表达式可写为 r( ) , (6) (A+Bu ̄dud。触=。. (1。) 若设某深度处桩的位移为无穷级数之和 式中:“为桩土相对位移;A,B为待定系数,其物理 意义分别为与1/rli 与tan0(曲线原点处的切线斜 率). 将式(6)化为 M=口o+口l +…十 +…=∑ , =0 (11) 则桩身轴力函数为 -=A+Bu,‘ (7) P=口l+2a2z+…+ia 一 +…= ‘\z 待定系数A和B可通过U,r实测值线性回归得到. 2.4其他模型 表1列举了国内外学者所推荐的其他几种荷载 传递模型.何思明[ ]考虑到模型的通用性,提出非 线性模型: r( ) , (8) 式中: . 文献[2]中指出,当 取1和0.35时,所得到的 桩身传递函数分别与佐藤梧和徐和提出的相同,并 建议 在0.3~0.6中取值.虽然该模型具有一定的 通用性,但其参数确定较2.2及2.3节所述模型复 杂,不便于实际应用.理想弹塑性模型使用时较为简 单,但它的双折线确定具有很大的随意性,使用的关 键是合理地确定土的抗剪变形系数k及极限相对 位移Uf. 表1其他荷载传递模型 Tab.】 Other load.transfer modeIS 作 者 桩身传递函数 Vija ̄wergiya r(:)=rb [、 一“/“f] 徐和 r( )=film/[o.65+0.35uf/u] 陈竹昌 r(:)=rb 一f 由以上对比可知,双曲线模型较为符合实际情 况,不但考虑桩侧摩阻发挥的非线性特性,而且拟合 过程简单,是较为合理的荷载传递模型. 3基于双曲线模型的基桩轴力分析方法 若设桩周土体不动,将荷载传递函数以双曲线 模型表示可得 一d =一: E. Ap A+BM‘ . (9)● - p 令 巨 ,则式(9)变为 ∑(i+1)口Hl . (12) 将边界条件代人式(10)可解得系数 』J 口0—0~E—'P A—pp 再将式(11)代人式(10)可得 A(2口2+6a3 +…十(i+2)(i+1) ̄ti+2 )+ B(口o+口l +…+口 )×(2a2+6a3 +…+ (i+2)(i+1)口 +22 )一口(口0+ 口l +…+口 )=0. (13) 整理式(13)系数可得i>2时 项系数表达 式为 A(i+2)(i+1)口 +2+∑B(i一 )(i—J 1) 口 一』一 =0, (14) 由此可解得系数计算的递推关系为 P 。 ~E—A—; ppi一2 一∑(i— )(i—J一1)B%a i=I i(i一1)(A+Ba0) ’ (15)  1l 当I IⅡ 一1 II 小于某一指定的极小值时,对第i项 以后的级数可忽略不计,即认为位移函数多项式的 前i项之和为桩身位移计算结果. 对于多层地基中的基桩,可对各土层中桩的位 移函数独立求解,沿桩身由上往下计算.假设第k层 土厚度为h ,双曲线模型系数为A 及 ,其上表面 处桩的位移为 ,轴力为 ,可按Zk=0,由此层开 始计算,得 M( ’=口5 ’+口i^’2 +…+口5走’ +…= ∑a ¨ , (16) 维普资讯 http://www.cqvip.com

8 湖南大学学报(自然科学版) 2007年 式中系数可表达为递推关系 ;0L7 6 去 ∑ (i~1)(A^十B 5 ’) i=2,3,4… 0_5 4 03 0.2 1 ∞ (17) 0 5 10 15 20 2s 3o 以上计算过程均可通过计算机编程实现. 4工程应用 某大桥位于湖南南县茅草街镇(洞庭湖区),为 一座特大型桥梁,其主桥采用三跨连续自锚中承式 钢管混凝土系杆拱桥桥型,基础均采用钻孔灌注桩. 为给基础设计提供相关设计参数,施工前在主墩地 区进行了单桩静载荷试验【引. 试桩采用泥浆护壁钻孔灌注桩,设计直径d= 1.0 m,埋深60.00 m,进入弱风化泥质砂岩层.试桩 桩身混凝土设计强度为C30,实测弹性模量为2.95 ×10 MPa.在施工时为防止出现塌孔,在钻孔上部 加设直径1.3 m的钢护筒,故试桩上部埋深10.5 m 部位的直径d=1.3 m.灌注混凝土前,实测沉渣厚 度为50 mm. 试验实测s/r—s数据如图3(a)所示,对其进线 性拟合得到的双曲线荷载传递模型计算参数如表2 所示.由图3(b)可知,双曲线拟合曲线与实测值较 为吻合. 表2双曲线拟合参数列表 Tab.2 List of hyperbola fitting parameters 注:拟合参效时r量纲取为Pa,“量纲取为rn 取试验中各级荷载作用下实测数据进行桩身轴 力验算(见图4).结果表明,本文方法能准确地描述 桩身荷载传递曲线. j (a)s/s-r曲线 (b)r一5曲线 图3传递函数的双曲线拟合 Fig.3 Load-transfer function fitted by hyperbola 轴力脑 0 2000 6000 1O000 14000 18000 注:荷载值为3 240~16 200 kN,每级增加1 080 kN. 图4各级荷栽下轴力分布计算值与实测值对比 Fig.4 Comparison between calculated values and measurement of distribution of pile-axial force under Ioads of allIevels 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 赵明华等:计入桩侧摩阻力非线性特性的基桩承载力分析方法 9 5 结论 本文通过对基桩荷载传递机理及其计算方法的 深入分析,获得以下结论: 1)双曲线模型具有表述简便,能较好地反映桩 土荷载传递的非线性特性,且计算参数易于获取等 特点. 2)基于荷载传递法,采用双曲线模型建立基桩 的基本微分方程,并求解得到可考虑桩土相互作用 及土体分层性质的桩身轴力幂级数解答. 3)利用本文方法对某大桥试桩实测数据进行了 分析,结果表明,计算值与实测值吻合良好,本文计 算方法可较准确地描述基桩荷载传递性状及确定基 桩竖向承载力. 参考文献 [1]赵明华.何俊翘,曹文贵.基桩竖向荷载传递模型及承载力研究 [J].湖南大学学报:自然科学版,2005,32(1):37—42. ZHAO M H,HE J Q,CAO W G.Study on the load transfer model and the beating capacity of vertically loaded piles[J].JournM of Hunan University:Natural Sciences,2005,32(1):37—42.(In Chinese) [2] 刘金砺.桩基工程设计与施工技术[M].北京:中国建材工业 出版社,1994. LIU J L.Technology of design and construction for pile foundation [M].Beijing:China Construction Material and Indust ̄"Press, 1994.(In Chinese) [3] 房卫民,赵明华,苏检来.由沉降量控制桩竖向极限承载力的 分析[J].中南公路工程,1999。24(2):23—25. FANG W M。ZHAOM H,SU J L.Analy ̄s on thelimit beating acpacity of pile controlled by settlement[J].Journal of Centrla South Highway Engineering,1999,24(2):23—25.(In Chi・ nese) [4]SEED H B,REESE L C.The action of soft clay along friction piles[J].Trans ASCE,1957。122:731—754. [5]赵明华。徐学燕.基础工程[M].北京:高等教育出版社, 2003. ZHAO M H,XU X Y.Foundation engineering f M].Beijing: Higher Educatoin Press。2003.(In Chinese) [6] 洪毓康,陈强华.钻孔灌注桩的荷载传递性能[J].岩土工程学 报。1985,7(3):22—35. HONG Y K.CHEN Q H.Load transfer behavior of cast-in.situ bored pile[J].Chinese Journal of Geotechniacl Engineering, 1985,7(3):22—35.(In Chinese) [7] COYLE H M,REESE L C.Load transfer foraxially laoded pilse in clay[J].J S M F D ASCE。1966,92(2):1—26. [8]胡黎明,濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性试验研究 [J].岩土工程学报。2001,23(4):431—435. HU L M,PU J L.Experimentla Study on mechanical characteris・ tics of osil.sturcture interface[J].Chinese Journal of Geotcehniacl Engineering,2001,23(4):431—435.(In Chinese) [9] 赵明华,邹新军,刘齐建.洞庭湖软土地区大直径超长灌注桩 竖向承载力试验研究[J].土木工程学报。2004,37(10):63— 67. ZHAO M H,ZOU X J,LIU Q J.Research on the axila beating acpacity of super—long and large diameter bored pilse in Dongting Lakeland by laoding test[J].China Civil Engineering Journal, 2004,37(10):63—67.(In Chinese) 

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