基于虚土桩扩散角之基桩沉降计算理念及工程应用

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1、基于虚土桩扩散角之基桩沉降计算理念及工程应用第1章绪论1.1引言桩基的作用是利用自身竖向刚度将上部结构的荷载传递到桩侧土及植端土层或基岩中，以减少沉降，确保建（构）筑物长期使用。桩基因具备承载力高、沉降及不均勻沉降小、稳定性好、抗震和抗液化能力强的特点，目前巳广泛应用在工业与民用建筑、交通、水利、港口码头等工程以及各类高韋构筑物中。随着全球经济进一步发展及世界人口的激增，还有人们对住房质量与生活安全要求的提高，民用建筑会进一步向高空发展，传统浅基础会逐渐淡出人们视野，桩基等深基础形式会成为主流。在桩基应用当中，确保建（构）筑稳定

2、性，控制桩基沉降尤为重要，在建（构）筑物投入使用后，沉降或不均勻沉降超过允许值，不仅影响正常使用，还会造成事故。因此提供合适准确的沉降计算方法，预估牲基沉降量，以便采用有效的结构措施控制因沉降引起的变形及危害十分有必要。桩基作为一种古老又常见的深基础形式，桩基理论和实践有了较为系统的发展，但是由于桩基础的复杂性以及地基土的非均句性，桩基沉降计算理论还有待进一步完善，而在单桩沉降计算研究中，由于对桩-桩端土相互作用问题建立严格賴合模型难度较大，所以相对桩侧土成层性的研究，桩端土成层性的研究显得非常薄弱，同时相关研究巳表明，桩端土对

3、桩顶沉降有一定贡献，特别对以端承为主的牲基，影响更大。鉴于此，在前人研究的基础上，本文采用虚土桩法，把桩端正下方到基岩之间的土柱，虚拟成桩身的一部分，虚土桩参数取土层参数，并考虑牲端土应力扩散效应，系统地研究单桩沉降变形问题。1.2单桩沉降计算研究现状1.2.1荷载传递法荷载传递法最早由Seed和Reese(1957)提出，基本思想是把桩沿桩长方向离散成一系列弹性单元，桩侧土和桩端土都用独立的线性或非线性弹簧模拟，该弹簧的反力（即该点的侧摩阻力）只与该处土结点的位移相关，而该土结点的位移又与相邻桩身结点的位移相等。桩侧摩阻力与结

4、点位移之间的关系，一般称作传递函数。根据传递函数类型的不同，目前求解方法主要有三种：解析法、位移协调法和矩阵位移法。1.2.1.1解析法当荷载传递函数为线性或分段线性函数类型时，可将荷载传递函数表达式代入牲单元静力平衡方程，然后直接求解微分方程，得出解析解。该方法避免将桩身分段进行迭代计算，能减少计算量。对于解析法的应用，罗惟德（1990)利用双线性弹簧模拟桩侧土对牲的约束，在此基础上导出了均句土中理想弹塑性模型解析解。陈龙珠和梁国钱等（1994)对桩侧土与桩端土采用双折线硬化模型，得出了桩的轴向荷载-沉降曲线的解析算式。刘兴远

5、和郑颖人等(1998)在陈龙珠等人研究工作的基础上，给出了在分层土中存在软化的桩侧传递函数时双线性模型的完整解析解。陈明中和龚晓南等（2000)对桩侧土采用理想弹塑性模型，桩端土采用双折线硬化模型给出了土体强度随深度线性增加时荷载沉降关系解析解。邱柱和胡雪辉等（2001)考虑到嵌岩桩所处土层、岩层特点，釆用双折线荷载传递函数，用荷载传递法导出深长大直径嵌岩桩单桩沉降计算的解析公式。洪鑫和雷国辉等（2004)应用双折线的荷载传递模型，考虑桩侧土和桩端土的软化和硬化，得到了桩侧土处于不同状态下的单桩荷载-沉降关系的统一解。陈明中（2

6、000)及刘杰和张可能等（2003a)分别在双线性传递函数基础上得出三折线函数模型的解析解。魏继红和张慧昕等（2009)对灌注桩受荷过程中桩侧土体的变形规律进行了研究，根据桩端土为非线性模型时桩侧土体处于各种状态（弹性，软化及硬化）状态下的荷载传递关系，推导出了单桩荷载传递公式。上述研究成果都是在均质地基之中得出的，实际工程中土层性质都比较复杂，将地基土简化为均句土层不太合理。鉴于此，Guo与Randolph(1997)将非均匀土沿深度变化的剪切模量与抗剪强度拟合成深度的冪函数，得出一般非均句土层的单桩沉降解析解。而朱金颖和陈龙

7、珠等（1998)将桩身依土层性质分段，采用双折线荷载传递模型得出了成层地基中单被沉降解析递推公式。刘杰和张可能等（2003b)则对桩侧土采用三折线软化荷载传递模型，牲端土采用三折线全塑性荷载传递模型，导出了成层地基中荷载沉降关系的解析算法。第2章均质地基中单桩沉降计算与分析2.1引言本章主要对桩侧与桩端以下土层比较均匀的地基中的单桩沉降计算方法进行研究。基于虚土桩法的思想，对桩侧土采用理想弹塑性荷载传递模型，并对桩端土考虑一定的应力扩散角，进而推导出桩顶荷载沉降计算关系的解析解。根据Mindlin(1936)应力解可知，弹性无限

8、半空间内一点荷载引起的应力在水平方向和深度方向随着与点荷载的距离增大而减小，即应力具有扩散效应。对于土体介质，桩端反力在桩端土层中引起的附加应力随着深度增加而减小，因此，考虑土层的应力扩散角更能反映土体实际情况。采用理想弹塑性模型进行推导计算简单，参数确定容易，