深厚软土地层桥梁超长群桩基础沉降机理的试验研究

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1、深厚软土地层桥梁超长群桩基础沉降机理的试验研究 中南大学硕士学位论文深厚软土地层桥梁超长群桩基础沉降机理的试验研究姓名:蔡君君申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:王星华20100510摘要硕学位论文摘要随着高速铁路和客运专线的大量兴建,对线路的平顺性和刚度的要求更加严格,为了满足其建设和安全运营的要求,就要严格控制线路的沉降量,尤其是桥涵基础,其沉降差异量将会对高速列车的运行造成严重的影响。目前,研究深厚软土地区超长群桩基础沉降的试桩资料和实测资料不多,制约了人们对其沉降特性的全面认识。本文以京沪高速铁路蕴藻浜特大桥黄渡桥段和苏州高架站桥段的施工过程现场监测为依托,采用现场试验、模

2、型试验和有限元数值模拟相结合的方法,对深厚软土地区的桥梁超长群桩基础的沉降特性及机理进行了研究。文章首先阐述了国内外桩基沉降的研究进展及总体研究水平,并从理论上介绍了群桩沉降的工作性状,总结了国内外广泛应用的群桩沉降计算方法,同时对其假定条件、适用范围及优缺点进行了归纳和比较,便于计算时选取合适的方法。随后从现场试验、模型试验和有限元软件三维数值模拟几方面出发,对竖向荷载作用下超长群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土中附加应力和孔隙水压力的分布及?曲线的特性做出了详细的分析,所得结果和规律均相吻合。通过试验和有限元分析,主要得出如下结论:在外荷载作用下,桩身轴力随着深度的增加而逐渐减小,而桩侧

3、摩阻力沿桩身至上而下逐渐发挥,呈非线性分布,在桩顶以下一定范围内达到峰值,后逐渐降低并维持在一定值;承台底土体中附加应力和超孔隙水压力均随着深度的增加而逐渐衰减,在承台底一定深度内其数值衰减接近至;上部荷载施加后群桩基础主要发生于瞬时沉降和固结沉降过程。超长群桩基础中心部位的沉降变形最大,周围土体的沉降要稍小些,桩端平面以下一定范围内软弱层土体也发生沉降。同时,具体分析了不同桩数、桩间距、桩长和桩径影响因素下的基础沉降特性;依据现场沉降观测数据,采用灰色系统理论对工后沉降进行了预测,可为高速铁路的设计和施工提供较为充分的数据参考。根据文章研究成果,提出了相关群桩基础工后沉降施工控制措施,对我国

4、同类高速铁路桥梁桩基础的建设具有一定的参考意义。关键词: 群桩基础,沉降特性,现场试验,模型试验,有限元硕学位论文?,? , , , . ,. ?, ? ? ,., , , , ,. , , ?, ?,. ?, .硕士学位论文,:, , ., , .,. ,.,., , , 一一,一 一 一 ,矿,? ., ? .: , , 原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致诩的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的

5、贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名:旌童墨 日期:翌生年月当学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名翮签名至颦日期:鲨年兰月虫硕十学位论文 第一章绪论第一章绪论.概述随着国民经济的发展,高速铁路成为一种发展趋势,基础承受的荷载越来越大,对工后沉降的要求也越来越高。京沪高速铁路是

6、我国中长期铁路规划网中“四纵四横”客运专线的南北向主骨架,作为其中投资规模最大、技术含量最高的一项工程,也是一条具有世界先进水平的高速铁路。该线路全线为新建双线,与既有京沪铁路的走向大体并行,设计时速,主要通过有软土、松软土等不良地质地段,局部通过剥蚀低山丘陵区,为第四系地层覆盖,系江河、湖泊、海相沉积形成,为黏土、粉质黏土夹粉细砂层,上海地区和苏锡常地区由于常年超采地下水还形成区域地面沉降现象,形成沉降漏斗区,大部分地区为深厚软土地层、松软土等不良地质地段,该地区桥涵基础大量采用钢筋混凝土钻孔灌注桩群桩基础。对于高速铁路或客运专线,随着列车速度的明显提高,若桥涵的工后不均匀沉降量过大,将会造

7、成线路的平顺性差,从而引起列车振动、轮轨动力作用增大,导致列车通过时产生巨大的冲击力,在高速行车条件下,使列车在平稳、舒适、安全性方面严重恶化,甚至导致列车脱轨,这使得控制桥涵基础沉降和变形成为高速铁路基础设计和施工中的最大特点。京沪高速铁路设计暂行规定中对基础工后沉降做出了严格的规定,其中要求无碴桥面桥梁墩台基础的均匀沉降量不应超过.,静定结构相邻墩台沉降量之差不大于.,因此深厚软土、松软土区域桥涵群桩基础沉降变形控制成了亟待解决的问题。.桩基础沉降研究现状桩基础沉降问题可分为单桩沉降问题和群桩沉降问题。在一柱一桩的情况下,单桩沉降问题是一个实际课题,而就软土地区的桥涵桩基础而言,群桩沉降问

8、题更为现实,但群桩沉降问题离不开对单桩沉降问题的研究。竖向荷载下单桩的沉降由以下三部分组成儿:桩身弹性压缩引起桩顶的沉降。;桩侧荷载传递到桩端平面下引起土体压缩,桩端随土体压缩的沉降,;桩端荷载引起土体压缩所产生的桩端沉降。要计算以上三部分沉降都必须知道桩侧、桩端各自分担的荷载比,以及桩侧硕士学位论文 第一章绪论阻力沿桩身的分布曲线。此外,桩身荷载的分布还随时间变化,即荷载传递也存在时间效应,一般情况下桩身荷载的推移有向下部和桩端移动的趋势,沉降因土的固结和次固结随时间发展是一种普遍现象。因此,计算单桩沉降时,要根据荷载特点和工程问题的性质,选取适当的土计算参数十分必要。在常规桩距条件下,由于

9、相邻桩应力的重叠导致桩端平面以下应力水平提高和压缩层加深,群桩的沉降量和延续时间往往大于单桩,群桩效应对沉降的影响,比对承载力的影响更为显著和重要。.超长钻子灌注桩基国内研究水平钻孔灌注桩的问世,极大地促进了我国桩基础理论的研究工作,其发展经过实践理论的反复循环不断得到提高。年交通部在河南举行鉴定会后,随即组成研究组,并动员全国公路桥梁共同协作,对钻孔灌注桩的施工工艺、设计方法等进行全面系统的研究。专题组收集了全国根桩,最大桩径达.,最大桩长达.的试桩资料进行分析整理,提出了钻孔灌注桩的设计计算方法,研究成果被纳入年我国交通部颁发的公路桥涵设计技术规范试行和年颁发的公路桥涵地基基础设计规范.,

10、对促进钻孔灌注桩的发展起到很积极的作用。从总体来说,目前我国最新颁布的建筑桩基技术规范.【和铁路桥涵地基和基础设计规范.都是采用分项沉降经验系数的设计表达式来进行计算的。但是目前的规范均是以小直径桩、短桩为理论和试验基础,而目前在铁路、公路桥梁建设中,大量的超长钻孔灌注群桩得到了应用,这些都是超出规范计算范围的。总的来说,超长钻孔灌注桩的现状就是理论研究远远落后于工程实践,特别是超长钻孔灌注桩的荷载传递机理、群桩效应、承台一桩一土的共同作用、沉降问题、承台的优化设计等问题一直是岩土工程中的难点及热点。.桩基沉降国内、研究进展桩基的应用非常广泛,关于桩基沉降的研究一直是一个热点。早期的桩基沉降计

11、算方法多为经验法,计算较简单。到目前为止,国内外诸多专家学者在桩基沉降计算理论方面已进行了一系列的工作,并取得了大量的成果。在国外,斯凯普顿,根据有限的现场观测资料得到了桩沉降和单位荷载下单桩沉降之间的经验关系式【。随后默耶霍夫,、维西克,等利用群桩试验资料建立了砂土中群桩沉降与单桩沉降之问的纯经验关系式。所硕士学位论文 第一章绪论有这些经验关系式均是建立在现场或模型试验基础上,未能很好的反映桩与桩、桩与土、桩一土承台之问的相互作用机理,无法真实反映群桩的工作特性。明德林【于年提出半无限弹性体内作用一集中力的应力解答,为发展弹性理论法奠定了基础。盖德斯,根据半无限弹性体中应力解答,将作用于桩端

12、土上的压应力简化为一集中荷载;将通过桩侧摩阻力作用于桩周土的剪应力简化为沿桩轴线的若干集中力,并假定桩侧摩阻力沿深度矩形分布或正三角形分布,分别给出了土中竖向应力解。从世纪年代开始,许多学者以弹性理论为基础对桩基础的沉降性状作了大量的研究。德阿波罗尼,等】利用解完整地研究了桩基础的沉降问题。保罗斯和大卫,提出了刚性单桩沉降计算的弹性理论解法。同年,将刚性单桩解推广至刚性群桩。建议采用相互作用系数方法系数法,即在单桩计算结果的基础上,运用弹性理论叠加原理,把在弹性介质中两根桩的计算结果按相互作用系数方法扩展至群桩。曼帝斯并在以上工作的基础上得到可压缩性单桩沉降计算的弹性理论解弋运用弹性理论法。随

13、后的布特费尔德巴内尔依,【对位于均质土中带承台的刚性及可压缩性群桩的沉降性状进行了全面地分析。他们认为的几个假设影响了解的精度,如假设桩端光滑,桩端阻力均布等。因此他们在分析中考虑了小扩孔桩桩端应力的非均匀分布及径向变形协调,理论较法更为严谨。鉴于己有的沉降分析方法多数是基于土体理想均质、各向同性的假设下得到,】对位于土剪切模量随深度线性变化的土及成层的非均质土中的单桩进行分析并导出了相应的沉降计算方法。这些方法均以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响应,并运用半无限弹性体内作用一竖向集中荷载的解答求解。我国学者也在应用弹性理论计算群桩沉降方面作出了大量的工作。黄绍铭】基于应力解,采用单向压缩法提

14、出了一种在软土中桩基沉降估算方法,这种方法假定桩不可压缩且为带柔性承台群桩。黄强等引通过引入桩基等效沉降系数,在计算复杂但更合理的解与计算简便但不太合理的解之间建立关系,得到群桩沉降计算的等效作用法,后来成为现行的桩基沉降计算的规范法。王梅等在弹性理论的基础上引入分层总和法,提出成层土中单桩和群桩的沉降计算方法。杨敏等对解进行修币,将其应用于非均匀土中单桩和群桩的沉降分析,并对利用应力解计算单桩沉降作了较为详细的讨论,对桩身衙载分配的解法作了进一步改进。陈国兴等】综合利用解和解得到一种高层建筑桩基沉降计算的实用方法。艾智勇等】给出了多层地基内部作用竖向集中荷载的广义硕士学位论文 第一章绪论课题

15、解答,并将其应用于轴向荷载作用下分层地基中的单桩分析。浙江大学张忠苗】等人提出了考虑桩身压缩的沉降计算方法。随着数值分析水平的提高,加上以为代表的众多国内外学者们在这一领域的杰出工作,桩基础的弹性理论到目已发展成为一种较完整的理论体系,并已经成为人们研究桩基础工作性状的重要理论依据之一。此外,目前对于桩身的荷载传递规律及沉降计算多用荷载传递法来进行分析,该法由赛德和雷西提出。根据不同求解微分方程的方法分为两种:一种是解析法,由凯迪,、左滕。悟等人提出,该方法将传递函数简化假定为某种曲线方程,然后直接求解平衡微分方程;另一种方法是位移协调法,由和,柯依尔和等【提出,它是采用实测或通过试验方法得到

16、传递函数,然后建立各桩单元的静力平衡条件及位移协调条件进行求解。后来的众多国内外学者又相继在改进和应用荷载传递法及试验研究方面作了许多工作并取得了大量的成果。奥尼尔,根据桩基足尺试验所测得的荷载一沉降曲线推出其相应的荷载提出三折传递函数,并用来分析单桩和群桩的荷载传递机理。房卫民等【线桩侧阻力荷载传递函数模型,导出了基桩受力过程中荷载一沉降曲线的理论解,并提出了由沉降量来确定基桩竖向极限承载力的计算公式。潘时声黔提出一种荷载传递法与振动法相结合的试桩技术,以后又提出分层积分的荷载传递法用来分析在成层土中,土参数随深度变化等多种情况下桩的荷载传递规律,并用来计算桩的刚度。阳吉宝【】建议用解考虑桩

17、侧摩阻力对桩端沉降的贡献,并对已有的荷载传递函数进行了修正。荷载传递法由于假定桩侧任何点的位移只与该点上的摩阻力有关,而与其它点的应力情况无关,即忽视了土的连续性,故在理论上有一定的局限性。但因其计算简便、能考虑土的成层性及应力一应变的非线性特征等又深受工程界的重视。王志达等以荷载传递函数法为基础,考虑桩土共同作用,建立了合适的双曲线模型来反映桩侧和桩端的荷载传递情况,推导了单层地基条件下的荷载一沉降解析解,进而将其应用于成层地基,为今后桩基沉降计算提供了一种新方法。此外,库克于年提出了剪切变形法,在其建立的摩擦桩荷载传递物理模型中假定单桩沉降只与桩侧土的剪切变形有关。但是由于忽略了桩端处的荷

18、载传递作用,对短桩误差较大。拉道夫年沃什对的剪切变形传递法作了补充和修正,提出影响半径随土的非均质性及泊松比变化,并将桩端视为刚性墩,按弹性力学方法计算桩端沉降。杨嵘昌和宰金氓】则进一步将剪切位移法推广到塑性阶段,并用于桩一土一承台结构的非线性共同作用分析。胡德贵将其推广应用于桩、日土分层的情硕士学位论文 第一章绪论况,它能考虑群桩基础间土的分层和桩对土的“加筋效应”,桩与桩相互作用系数能够不借助于计算机手工计算出来,从而使计算得到简化。随着计算机技术发展水平的提高,出现了许多桩基沉降的数值计算方法,如有限单元法、边界元法、有限差分法、有限条分法、混合法等。有限条分法首先用于分析上部结构物,并

19、取得了相当的成功。 提出将有限条分法用于单桩,以分析层状地基中单桩的特性。随后郭等人】将这种方法发展成无限层法 ,使其可以更有效地求解层状地基中桩与土体的相互作用问题。在此基础上,等根据叠加原理将这种无限层法推广至群桩中,用以分析层状地基中群桩的特性。有限单元法是数值计算中比较成熟的一种方法,早在年就利用有限单元法对单桩的荷载一沉降机理进行了研究,其首次使用二维轴对称有限单元法来分析硬粘土中钻孔灌注桩的荷载传递机理,首次在桩侧和桩端运用了接触面单元,利用接触面单元上下接触面间的位移差成功地分析了桩端以外土的拉裂现象,并指出破裂带不会伸展到桩尖的上侧。其后德赛 刿对砂土中的桩进行了有限元分析,并

20、指出通过有限元分析得到的荷载一沉降曲线对指导桩基工程的设计有实用价值。奥特维阿尼 利用三维有限元对竖向受荷的群桩进行空间分析,指出刚性承台使竖向受荷群桩中各基桩荷载分配不均,与地基土接触的承台不仅将部分荷载传递给地基土,而且还改变桩一土的荷载传递机理。娄亦红等【】使用有厚度的接触面单元与有限元、无界元相耦合进行数值分析,求解桩土相互作用体系的应力和变形,计算结果与现场观测数据能较好地吻合。倪新华】采用三维有限元一无限元耦合的方法,在桩土体系的主要受力区采用三维有限元离散,在次要受力区采用无限元离散方案,使计算量有所减少。王旭东等】以有限层和有限元法为基础,建立低承台群桩共同作用基本方程,采用有

21、限层法建立地基上支承体系的柔度矩阵,改变传统采用解的做法,使该法能够考虑地基土的层状非均质、正交各向异性等因素。付春友等【】运用有限元软件建立群桩.土体.承台三维有限元非线性模型,考虑桩土问接触,在其接触面引入接触单元,模拟桩土间复杂的相互作用,对群桩沉降性状进行了分析。以上这些均可视为有限元方法的改进,虽然学者们为将有限元应用于群桩分析和计算作了很大的努力,但因进行群桩分析的影响因素过多,计算工作量很大,使有限单元法难以应用于工程实践中。目前多用该法分析群桩工作机理、指导实际工程设计及分析校核其它的群桩计算方法。为减少群桩沉降计算的工作量,自世纪年代起,许多国内外学者致力于混合算法 的研究。

22、这种混合算法简单而言,就是将几种方法结合起来使用的方法。如半解析数值法、硕士学位论文 第一章绪论各种数值计算方法的祸合分析方法等。此外,世纪年代随着灰色系统理论发展而发展起来的灰色预测理论也被逐渐应用于桩基工程的沉降预测研究。神经网络法、最优化理论、分形理论等办被广泛应用于桩基工程的研究,其中包括桩基沉降的预测【 。这些数值计算方法的出现,极大地丰富了桩基工程的研究手段和研究方法,并广泛用于对理论计算结果的比较中。在试验研究方面,年,布兰科特、塔维雷斯牙内在桥墩下用四根摩擦桩做试验,其实测结果为:桩长的桩身弹性压缩为;/桩长深度的桩侧摩阻力为负值即此深度范围内的沉降.处沉降为大于群桩顶的沉降,

23、桩端下沉,而桩端下土层沉降仅为,说明桩端发生刺入变形天;长期实测的天群桩顶沉降为,桩身侧摩阻力为正值,桩端发生刺入变形,桩间土发生剪切变形,桩端以下的土的压缩很小仅。由这个实测结果得出结论:摩擦型群桩桩端以下粘土的固结沉降很小;群桩的沉降最终由桩端刺入变形和桩间土的剪切变形组成。等在超固结硬粘土中进行了一组高承台群桩试验,根据试验结果讨论了群桩与单桩荷载传递的差异性以及群桩沉降随荷载水平的变化规律。等在伦敦超固结土中采用压入钢管桩进行了一排三桩的群桩试验,在桩身设置传感器量测桩轴向力及在土中埋置竖向沉降标和水平向设置测斜仪量测土的竖向位移。柯伊拉米等在深厚软粘土中采用打入钢管桩进行了一组低承台

24、群桩试验,得出了软粘土中纯摩擦桩的沉降变形特在粉土中采用钻孔灌注桩进行了一系列不同桩点。我国的学者刘金砺等【问距的高、低承台群桩试验,得到了竖向荷载下钻孔灌注群桩的沉降变形性状及其工作与破坏性状。年,进行了群桩模型试验得到一个重要成果:沉降比群桩沉降/单桩沉降同弹性力学计算值基本一致,而且桩的长径比大于以后,其值趋于稳定值桩间距/桩径分别为.、.时,其值约为.和.,可取为.。可以预想,随着各项基础设施建设事业的发展,特别是近年来国内高速铁路建设的飞速发展,桩基沉降问题将得到越来越广泛的重视,桩基沉降已成为基础设计中不可或缺的一部分,系统完善的桩基沉降计算理论与控制方法也将使得桩基的承载力得到更

25、充分的发挥,可以充分利用桩对基础沉降的控制能力,同时也可以减少桩基沉降变形对于周边环境的和上部结构的不利影响。因此,继续发展和完善桩基沉降变形控制技术,具有巨大的社会效益和经济效益。.桩基沉降计算存在的问题在桩基础的实际应用中,对于桩基设计理论和计算模型的合理性与准确性、硕士学位论文 第一章绪论影响因素、桩基沉降计算特别是软土地区的群桩基础,其研究都不甚完善。目前,桩基沉降计算仍存在的主要问题在于:竖向荷载作用下的群桩基础,其沉降性状是桩、承台、地基土之相互影响的综合结果,桩土问是否滑移状态以及力的传递过程均不甚清楚,理论模型不够完善;影响桩基沉降的因素很多,包括桩长、桩的平面布置情况、桩与土

26、的相对压缩性、土层的地质情况、以及荷载大小和荷载持续时日等。这些因素中有的具有不确定性,有的难以充分表达清楚,因此,可以说至今还未能提出一个计算桩基沉降相对完善的方法;由于桩基工后沉降计算涉及桩周土的固结问题,不仅要考虑土体的变形性质,考虑桩与周围土体的共同作用,还要考虑土与孔隙水相互关联的固结变形,影响因素众多,参数难以准确获取,因而使得桩基础变形计算模型的确定变得非常困难,因而计算时如何选取合适的参数仍值得探讨;到目前为止,公路、铁路以及工业与民用建筑等部门的桩基规范均按照承载力的要求进行桩基设计,然后采用经验公式对桩基沉降进行校核,但对于修建在软弱地层上的高速铁路桥梁桩基础,沉降已成为基

27、础设计的一个控制因素,仅采用经验公式进行沉降校核是无法满足设计和施工要求的【】;以往人们对竖桩的承载力和沉降都是单独考虑的,对他们的相互影响和相互制约以及可变关系很少给予充分的注意和考虑,这就使得在某些情况下桩基设计难以趋于完善,甚至有可能在某些场合下导致设计的失误。由于上述问题的存在,这就要求从竖向荷载下群桩基础的受力机理出发,建立合理的桩基受力变形模型,找出影响群桩基础沉降的主要因素,并计算出桩基础沉降随时间变化发展规律,进而改善桩基受力性能,提高桩基承载力,减小桩基工后沉降。.论文研究的目的与意义高速铁路对线下基础的沉降要求很高,桩基础沉降要比较小,而且较为均匀,可以满足对沉降要求特别高

28、的上部结构的安全需要和使用要求,同时对桩基承载力的要求也更高,因此本标段线下大量采用钢筋混凝土钻孔灌注群桩。对于类似本标段内的深厚软土地层,桩基设计为摩擦桩,桩长往往达到甚至更长,桥涵基础沉降产生的主要原因就在于其下部桩基础的沉降变形。因此,如何控制软土地区桩基沉降量、保证桩基承载力成为保证整个工程质量的控制因素。众所周知,高速铁路群桩基础的沉降性状足桩、承台、地基土之问相互影响的综合结果,其沉降计算涉及的影响因素远不同于单桩,涉及桩周土的固结问题,硕士学位论文 第一章绪论不仅要考虑土与孔隙水相互关联的固结蠕变变形性质,还要考虑承台一桩一土体共同作用影响,以及在高速行车动力荷载下的响应川。到目

29、前为止,铁路、公路以及工业与民用建筑等部门的桩基规范均按照承载力的要求进行桩基设计,然后采用经验公式对桩基沉降进行校核,但对于修建在软弱地层上的高速铁路桥梁超长群桩基础,工后沉降己成为基础设计的一个控制因素,仅采用经验公式进行沉降校核无法满足设计和施工要求 。这就要求提出从合理的理论依据出发的群桩沉降计算方法,得出群桩基础沉降随时问推移如何发展,求出沉降时间关系曲线,找出影响桩基沉降的主要因素,进而提出减少工后沉降所能采取的工程措施。因此,本课题的研究对于群桩基础的发展不仅具有重要的理论价值,还具有重要的工程应用价值。.研究的主要内容及技术路线.论文研究的主要内容本文以实际工程京沪高速铁路为背

30、景,主要对软土地区高速铁路桥涵超长群桩基础的沉降特性进行研究,通过土工试验,掌握沿线地区软土的基本物理力学特性、水理特性、应力一应变特性等,为满足研究需要,以获得更加接近实际的软粘土非线性本构模型的计算参数及合适取值。结合已有单桩沉降理论及成果,文中主要对以下内容展开研究:对现有群桩基础的工作形状、沉降计算方法进行概括性阐述,即综述目前群桩沉降理论计算方法和规范计算方法,并比较目前各种算法的优缺点及适用范围;根据现场工程实际情况,选取具有代表性的工点进行试验,以现场试验埋设测试元件所测的结果为基础,研究深厚软土地区群桩基础在竖向荷载作用下桩顶沉降、桩身轴力和桩侧摩阻力沿桩身分布规律以及桩侧土体

31、中附加应力、超静孔压等分布情况,为分析桩一土一承台间荷载传递、沉降规律以及群桩一土一承台之间的相互作用机理提供基础;利用京沪高速铁路既有统一设置的沉降观测系统,在桥梁先架方向上进行架梁前后承台、墩身沉降观测,对各施工阶段和铺轨后群桩基础沉降进行观测,根据现场监测的沉降变形数据,研究桥涵群桩基础沉降规律、工后沉降量及沉降稳定性,并进行相关沉降预测;通过群桩室内大型模型试验的研究,在不同荷载条件下,考虑土体固结过程,对群桩基础的沉降工作性状、受力特性、桩土共同工作性能、荷载传递特性、群桩效应等进行了一系列的分析和探讨,并将试验结果与己有的研究成果硕学位论文 第一章绪论进行了对比分析;利用大型通用有

32、限元软件,对以该实际工程为背景的软土地层中群桩基础进行三维非线性有限元数值模拟分析,选择合适的本构模型,主要是分析竖向荷载作用下的沉降性状及受力机理,与现场及模型试验分析得出的规律进行对比,并对群桩沉降的主要影响参数进行相关分析;对现场试验、模型试验及数值计算的结果进行了对比分析和总结,进而提出相应的沉降控制措施,并对今后应深入研究的高速铁路超长群桩基础沉降问题提出了相关的建议。.论文研究的技术路线为获得预期的研究成果,本论文采用资料调研?理论研究?现场测试?模型试验?数值分析的总体研究思路。室内试验室内试验包括土体特性测试和模型桩基试验。为获取场地处的土层参数,将取土样进行室内密度试验、颗粒

33、分析试验、土的含水率及界限含水率试验、渗透试验、三轴压缩试验、固结试验以及蠕变试验等土工试验,主要测取如下基本物理参数:含水量、容重、比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数、渗透性系数等。获取的力学指标有:压缩曲线、压缩系数、压缩模量、泊松比、蠕变曲线和土的侧压力系数、值等。开展室内模型试验,通过改变桩长及桩顶荷载大小等影响因素,研究荷载沿桩身传递、土中应力、应变的时间变化规律以及孔隙水压分布等规律。现场试验及模型试验现场试验包括桥涵工后沉降观测和桩土应力变形测试。工后沉降观测通过与本标段全线沉降观测工作相结合,对各施工阶段和铺轨运营后群桩基础沉降进行观测,掌握桥涵基础沉降规律、工后沉降

34、总量及沉降稳定性,以确定工后沉降是否满足规范要求;现场桩土共同工作的应力变形测试和模型试验,通过对承台下土体反力、桩身应力应变、桩周土体应力应变以及孔隙水压力的测试,为研究深厚软土地区桩基础的承载特性及桩侧摩阻力、端阻力的分布规律及固结蠕变对桩侧摩阻力、桩端阻力发挥特性的影响,为揭示承台与桩土的协同工作机理、软土地区桥涵基础沉降规律以及桩基工程的优化设计、施工提供理论分析依据。理论研究与数值分析以理论分析为基础,结合现场测试结果以及应用数值分析方法和技术水平进行以下研究工作:硕士学位论文 第一章绪论采用软土本构模型,考虑软土固结,模拟承台一群桩一土体在竖向静力荷载下的受力特性及沉降变形规律;计

35、算分析不同参数变化时对群桩的沉降及受力变化规律的影响;根据数值模拟结果对比现场实测结果规律,对有限元模型进行评价,以建立更合理的超长群桩基础沉降舰律的计算模型。、硕士学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法第二章群桩基础沉降理论计算研究.概述群桩的沉降变形性状由于在荷载传递与变形的过程中受承台一桩一土的相互作用的影响而变得远比平板基础和单桩要复杂的多,单桩的沉降计算方法多数已不再适用于群桩。一般情况下,群桩的沉降主要包括:由桩身弹性压缩引起的桩顶沉降;由桩侧剪应力引起的桩端沉降;由桩端应力引起的桩端沉降;由承台土反力引起的桩端沉降;由各桩相互影响引起的桩端附加沉降:由土的白重固结或湿陷、震

36、陷引起的桩端沉降对于某些特殊情况而言【引。对于端承桩来说,由于桩端地层沉降量和桩身压缩量都很小,其工作机理相对比较简单,主要是桩身强度和桩端土、土极限承载力的问题。而摩擦桩和端承摩擦桩的问题就比较复杂,它们有较多的共同作用问题和不均匀沉降问题,并且群桩的沉降量也很难准确确定,因此软土中的群桩作用机理要复杂的多。群桩低承台的沉降就其发生变形的部位可分为桩问土的压缩变形及桩端平面以下地基土的整体压缩变形两部分。群桩沉降计算时,需要考虑一个重要的因素,即群桩效应。群桩效应】是指桩顶荷载通过桩侧摩阻力传到桩周和桩端土层中产生应力重叠,这使得桩群中任一桩的工作形状明显不同于单桩,群桩承载力将不等于各单桩

37、承载力之和,其群桩效率可能小于也可能大于,群桩沉降也明显地超过单桩。制约群桩效应的主要因素,一是群桩自身的几何特征,包括承台的设置方式高承台或低承台、桩数、桩间距、桩长、桩径、桩基础宽度与桩长的比值和桩的布置形式等;二是桩侧与桩端的土性、土层分布及成桩工艺挤土桩或非挤土桩。群桩效应对沉降的影响,比对承载力的影响更为显著,它可用相同桩顶荷载下群桩沉降量%与单桩沉降量。之比即沉降比。来度量:?:垒.群桩的工作性状研究.群桩的荷载传递特性群桩的荷载传递要比单桩复杂的多,根据现场测试、模型试验及有限元分析,其传递特性主要有以下几点:第二章桩基础沉降理论研究及计算方法硕士学位论文荷载传递路径分析对于软土

38、地区高速铁路桥梁摩擦型群桩基础来说,在施工后初期,荷载是经由桩土交界面包括桩身侧面和桩端底面和承台底面两条途径传递给地基土的,但是在长期荷载作用下,荷载传递的路径与多种因素有关,如桩周土的压缩性、持力层的刚度、应力历史以及荷载水平等,大致可以分为两类基本模式将荷载经由桩体和承台底面传递到地基土【】:当桩项承台下沉降量小于承台底面土的沉降量时,土与承台脱离,荷载全部由桩传递给地基土;当荷载能使桩产生足够的刺入变形时,即使桩周土比较软,仍可使承台底面与土始终保持接触,此时荷载经由桩土交界面和承台底面两条路径来传递给地基土,荷载由桩、承台共同分担。对于端承桩基础来说,由于持力层坚硬,桩顶沉降仅为桩深

39、与持力层的弹性压缩变形,荷载将全部通过桩来传递。因此,端承群桩中各桩的荷载传递和工作性状基本上与单桩相同,群桩的承载力由单桩承载力叠加而成,而沉降则等同于单桩的沉降。群桩地基的应力状态分析群桩基础的地基包含了桩间土、桩群外一定范围内的土体以及群桩桩端以下对桩基承载力和变形有影响的土体,其群桩地基中的应力主要包括【】:白重应力、附加应力和施工应力。施工应力指的是挤土桩沉桩过程中引起的挤压应力与超静孔隙水压力,挤压应力将随着土体的松弛而消失,超孔隙水压力也会随着固结的过程而消失。施工应力虽是暂时的,但它对群桩的工作性状却有一定得影响:孔压的消散使有效应力增大,从而使桩的承载力增长,但桩问土固结下沉

40、又可能使承台底面脱空,并对桩产生负摩阻力。附加应力来自承台底面的接触压力、桩侧摩阻力及桩端阻力,在桩距下应力相互叠加,使得群桩地基土中的应力比单桩明显增大,而且影响深度和压缩层厚度均增大,从而使群桩承载力降低、沉降加剧。根据推导的应力分布解来对单桩和群桩的地基应力进行计算,并得出如下规律【】:群桩的桩端平面的应力由两部分组成:群桩桩间区域的应力由桩侧摩阻力的影响叠加而成,在桩长、桩距不变的情况下,其值随桩数的增加而增大;群桩桩底应力由上述桩间应力再叠加各单桩桩底的应力。桩间土的应力状态很复杂:单桩的周围土体中有较小的附加拉应力,而群桩的桩、日土中一般不出现拉应力。群桩地基应力的影响深度大大超过

41、单桩,桩群的桩数越多、平面尺寸越大,则影响深度越大,并且桩端下的地基应力随着深度收敛的也越慢。第二章桩基础沉降理论研究及计算方法硕十学位论文群桩地基应力的影响宽度远远超过单桩,桩数越多,影响宽度亦越大,即应力扩散角边桩外侧顶部与桩端平面上附加应力等于.倍自重应力的点的连线与竖向的夹角越大。群桩桩身摩阻力和桩端阻力比例的重分配由于应力叠加的影响,群桩桩端平面的竖向应力较单桩明显增大,由此产生的应力重叠改变了土和桩的受力状态,这种应力重叠现象又反过来影响群桩侧摩阻力和端阻力的大小与发展过程,因而群桩中每根桩的单位端阻力也较群桩增大。此外,由于群桩中的单根桩的侧摩阻力难以充分发挥,使得群桩中的端阻力

42、占桩顶总荷载的比例高于单桩,且桩越短这种情况就越明显。对于超长群桩而占,总荷载通过超长桩将其相当一部分荷载直接传到群桩桩端平面,这也可以为实体基础计算模型提供一定的依据。.群桩的变形特性群桩的变形特性主要是指群桩的沉降与桩间土及桩端下土的变形之间的关系及其时间、空间的效应。由于端承型群桩的变形规律相对较简单,这罩不做阐述。纯摩擦群桩的变形规律根据前有学者的试验研究,上海等沿海软土地区的纯摩擦群桩主要有如下变形规律州:在相同桩距下,桩数是影响群桩变形特性的决定性因素。桩数小的群桩其沉降主要表现为桩间土的压缩,而对于桩数多的群桩,其沉降主要是桩端下土的压缩。在桩距下,随着桩数的增加,群桩地基土的主

43、要压缩区段逐渐下移:在相同桩距下,当桩数时,为/区段;当桩数时,为/区段;当桩数时,为/区段,且/深度下的土层压缩量所占的比例也有所上升。桩距增加,桩间土压缩量所占比例明显上升。当桩距由增加到时,主要压缩层由桩下土层转变为桩问土层。荷载水平对群桩的变形特性也有重要影响,主要表现在:当桩距为时,荷载由/为群桩的极限荷载增大至.时,小群桩的沉降量增大主要表现为桩间土压缩量的增加,且主要压缩层上移,而大群桩则表现为桩端下土压缩量的增加;但是当桩距增大时,即使桩数,当荷载由/增至.时,其沉降量的增大亦主要为桩日土的增加。端承摩擦群桩的变形规律硕十学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法端承摩擦群桩

44、是指桩端支撑在较好的持力层但又不是基岩或密实的卵砾石层上的摩擦桩,此种类型的群桩在软土地区较为常见。通常情况下,由于桩端持力层土相对较坚硬,在设计荷载下,桩端土不会发生明显的刺入变形,群桩的沉降主要表现为桩端下土的压缩变形;若桩间土为松软土或欠固结状态土层,仍可能发生压缩与固结,使承台底脱空,但这部分压缩变形量不会反映到群桩沉降中去。当桩的设计荷载接近极限荷载时,桩端土才会发生刺入变形,而桩间土也相应产生压缩,此时群桩的沉降包括桩问土的压缩变形和桩端下土的变形两部分。.竖向荷载下桥梁群桩的沉降特性与单桩相比,群桩基础在竖向荷载作用下,其沉降性状是桩、承台和地基土之间相互影响的综合结果,来自桩和

45、承台的竖向力最终在桩端平面形成了应力的叠加,从而使桩端平面的应力水平大大超过单桩,应力扩散的范围也远大于单桩,这些方面影响的综合结果就是使群桩的沉降性状与单桩有很大的区别,并且不同的桩基类型有不同的工作特点。特别是对于深厚软土地区的群桩基础来说,群桩中各桩顶荷载通过侧摩阻力与端阻力传递给地基土和邻近桩,由此产生应力重叠,就使得群桩的承载力不能简单地看作孤立单桩承载力的总和,而且使得群桩沉降及其性状同孤立单桩也明显不同。摩擦型单桩的沉降主要受桩侧摩阻力影响,而群桩的沉降在很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关,单桩的沉降与承载力性状都受桩的形状如锥形桩,柱形桩影响,而群桩的沉降与承载力性状则与桩的

46、形状无关。一般情况下,群桩比单桩沉降大得多,群桩中各桩荷载相同时,群桩沉降随桩数而增加,桩间距愈大,群桩沉降愈小。因此,与群桩的其它问题一样,群桩沉降性状也是一个非常复杂的问题,根据已有的研究成果和认识,竖向荷载作用下群桩的沉降工作性状可概述如下剐:竖向荷载下的群桩按承载性状分为端承型和摩擦型。群桩沉降特点群桩的沉降性状与单桩沉降变形相比有很大的不同,大致可以归纳为以下几占.在群桩沉降变形中,群桩效应表现得尤为突出。群桩效应改变了单桩桩侧摩阻力、桩端阻力的大小和发展过程以及桩侧摩阻力的分布,还使地基土的受力状态发生变化,与单桩相比,桩群中存在着桩对土位移的加强效应。群桩沉降涉及的影响因素远比单

47、桩沉降要多。例如群桩的几何尺寸、施工工艺和流程、地基地质条件、荷载大小和持续时间以及承台型式等。因此,群硕士学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法桩的沉降计算比单桩复杂得多。对于单桩沉降主要受桩侧摩阻力影响,而群桩的沉降很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关。与单桩沉降相比,在与单桩荷载相同的条件下群桩的沉降比单桩大,而大群桩又比小群桩的沉降大,这除了应力叠加效应外,还由于外围桩的应力扩散到更深处。单桩沉降受桩的形状影响,而群桩沉降与桩的形状无关。根据等的研究,由实测的距地表面不同深度的群桩与单桩的曲线表明:单桩的最大桩侧摩阻力在较小的桩一土相对位移时就充分发挥,而群桩的最大桩侧摩阻力则需

48、要较大的桩一土相对位移才能充分发挥。群桩沉降性状的影响因素分析群桩沉降性状涉及到众多影响因素,一般说来,可能包括群桩几何尺寸如桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等、成桩土艺、桩基施工与流程、土的类别与性质、上层剖面的变化、荷载的大小、荷载的持续时间以及承台设置方式等 ,而各种影响因素对群桩沉降的影响程度也不相同。群桩的沉降主要由桩间土的压缩变形和桩端下土层的压缩变形所组成。从已有的试验结果来看,这两种变形占群桩沉降的比例与土质条件、桩距大小、荷载水平、成桩工艺挤土桩和非挤土桩及承台的设置方式高、低承台等因素有密切关系。目前,在一些试验的基础上,人们对群桩沉降的研究已经取得了一定的研究成

49、果,但是,对于其中的部分因素如桩长、桩基础宽度与桩长的比值等是否对群桩沉降性状有影响目前尚无试验研究结果,尚需进一步研究。工程中常用的打入桩与钻孔灌注桩,因成桩方法的/同,其相应的群桩沉降性状受以上各因素影响的变化规律有所不同,本文主要研究深厚软土地区钻孔灌注桩的沉降机理,从现有的软土地区中钻孔灌注桩的群桩试验资料来分析,现归纳如下几点:桩间距的影响。随着桩.足的增加,桩间土的压缩变形逐渐增大,地基土整体压缩变形占群桩沉降的比例趋于减小。在大桩距情况下,不管荷载水平和土性如何,群桩沉降均以桩间土的压缩变形为主。荷载水平的影响。地基土整体压缩变形随着倚载的增加而增大,桩问土压缩变形随荷载的增加而

50、减小。在小荷载情况下,群桩沉降以桩、日土压缩变形为主小荷载下由桩身下部桩侧摩阻力分担荷载出现贯入变形,与单桩荷载传递性状相反,反映了群桩的荷载传递特性,刘金砺,;在大荷载/。%情况下时,则以地基整体压缩变形为主。承台设置方式的影响。在低承台条件下,地基整体压缩变形比例随倚载的增加而增大;而在高承台条件下,在/。%的范围内,地基土整体压缩变硕士学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法形比例随荷载增加呈现增大的趋势,而在/。%之后,该比例随荷载增加呈减小的趋势。桩间土压缩变形沿桩长的分布是非均匀的,其分布特性受桩距影响较大。对于小桩距群桩,压缩变形由下而上衰减很快;对于较大桩距群桩,由桩端到桩

51、顶都发生较大的压缩变形,靠近桩端/桩长范围内桩问土的压缩量最大刘金砺,。.群桩沉降计算研究水平今年来,国内外学者对群桩沉降的计算方法做出了大量的研究工作,并在现有理论的基础上提出了一系列的方法和观点,现将与群桩沉降计算有关的主要认识总结如下【】:钻孔群桩与打入群桩在荷载作用下的沉降构成成分以及地基整体压缩变形比例随荷载变化的趋势不同;虽然群桩沉降的形成和发展与单桩沉降有所不同,但若采用简单的土的理想化模型,并假定桩对土位移的加强效应可忽略不计,就不难把单桩的分析扩展到群桩;成桩桩的设置技术对单桩和群桩的沉降也有不同的效应。单桩成桩被扰动的范围和其受力范围差不多,故被扰动影响较大,而群桩成桩被扰

52、动的范围与受力范围相比相差悬殊,故被扰动影。此外,从施工影响来看,群桩在引起的地表隆起和土体侧移方面则远比单桩严重;粘性土中群桩的沉降包括弹性沉降和固结沉降,而非粘性土中群桩的沉降只有弹性沉降瞬时沉降;群桩的沉降分析实际上是指包括上部结构一群桩一土这一“统一结构体系”的变形分析;在群桩沉降分析中,要考虑与沉降有关的一系列因素,并协调它们之间的关系,如基础宽度与沉降变形之间的关系、承载力与群桩沉降之间的关系等;不能简单地将群桩基础沉降的分析单独的看作是求算最终沉降量,实际上,在一般的情况下,群桩沉降分析应包括以下内容:分析从施工开始到完工以后很长时间内各个不同受力阶段承台、墩身、梁体等的完整变形

53、,其中包括回弹与再压缩阶段、附加压力阶段和满载使用阶段的长期变形;分析结构物的平均沉降、各不同部位的差异沉降包括各桩之问的差异沉降;分析地基与基础接触面上的应力与变形以及基底以下各不同深度的相对硕士学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法位移;当持力层下面有软弱下卧层时,与持力层的分析一样,忽略侧摩阻力,只考虑桩端传递荷载,并且该层的倚载强度须小于由固结试验求得的圃结屈服应力。.群桩沉降计算方法限于现有群桩基础沉降计算的研究水平,人们目前尚未提出能考虑众多影响因素的通用的群桩基础沉降计算方法,大多都是依据实践经验将其进行简化计算,而现行的规范重点给出了承载力的计算,对于沉降的计算介绍也很少

54、。目前,关于群桩的沉降计算方法主要有等代墩基法、弹性理论法、等效作用分层总和法、?法简化计算法、剪切变形法、有限单元法、原位测试估算法及其它简化和经验方法等,现分别介绍如下。.等代墩基法等代墩基实体深基础法是工程实践中计算群桩沉降的一种应用较多的简化方法,铁路桥涵地基和基础设计规范.中计算基础沉降采用的就是该理论。该计算模式将承台周边范围内的桩群和桩间土一起视为天然地基上的实体深基础,并假定等代墩基范围内的桩问土不产生压缩变形,按扩展基础的沉降计算方法估算群桩的沉降。计算图示如图.所示。“:。.,【,刚仙丘南站叮门剖二砖盼考虑扩散作用图等代墩基法计算图示一为了消除假定对沉降预估结果的影响,人们

55、在计算模式上采取了如下几种措施来修估算值【:.硕七学位论文 第二章 桩基础沉降理论研究及计算方法变动假想实体基础底面的位置,以考虑桩间土的压缩变形等;为了考虑群桩外围剪应力的扩散作用,从群桩桩顶外围按应力扩散角向下扩散,增大假想墩基底面面积,;地基中附加应力可近似按解计算,但工程实践表明,用做群桩沉降分析得出的结果偏大,为了提高精度,地基中附加应力宜按解确定黄绍铭等,。确定桩基计算模式后,可按分层总和法来计算桩基沉降量:.巩蝇砒缸,式中,一沉降经验修正系数,根据各地区的沉降观测资料及经验确定,对于软土地基%不得小于.;仃甜一基础底面传递给第分层中心处的附加应力;巨,一基础底面以下受压土层内第分

56、层土的压缩模量,根据压缩曲线按实际应力范围取值;一第分层的厚度。等代墩基法简单方便,但其计算结果主要取决于桩群外围尺寸,而与桩基内桩数、桩径、桩距等关系不是很大。如当桩距较大。时,桩间土的压缩模量较大,桩的工作性状更接近于单桩,此时若按该模式计算沉降,与实际不符;若当桩很长时,可能会出现上部荷载与承台及覆土重之和小于或等于群桩外围总剪应力的情况,。此时等代墩基法的假定不合理。.等效作用分层总和法和建筑地基基础设计规范建筑桩基技术规范.中,对于桩中心距不大于倍桩径的桩基计算群桩沉降采用的就是等效作用分层总和法。该法将均质土中群桩沉降的解与均布荷载下矩形基础沉降的解的比值用以修正等代墩基的基底竖向

57、附加应力,然后按一般分层总和法计算群桩沉降。其等效作用面位于桩端平面,等效作用面积为桩承台投影面积,等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力,等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论。计算模式如图.所示,桩基任一点最终沉降量可用角点法按下式计算【】:/ 石,芮一?吼晒吵。匹风,笙等进业式中 一桩基沉降计算经验系数,根据当地可靠经验确定;硕士学位论文 第二章桩基础沉降理论研究及计算方法虬一桩基等效沉降系数;一采用解按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量。聊一角点法计算点对应的矩形荷载分块数;阮,一第/块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力;船一桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数;,一等效作用面以下第层土的压缩模量,采用地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量;刁、,一桩端平面第,块荷载作用面至第层、第层土底面的距离;厦,、蟊、,一桩端平面第.,块荷载作用面至第,层土、第