基于荷载传递法薄壁桩弹性阶段荷载传递理论研究

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1、工程试验与研究广东建材2013年第3期基于荷载传递法薄壁桩弹性阶段荷载传递理论研究黄锦燕1李想2范伟1张啸1(1中建三局建设工程股份有限公司深圳分公司；2广东省建筑设计研究院)摘要：本文通过荷载传递的计算方法，以桩顶沉降量为控制指标，考虑薄壁桩土芯对承载力的贡献以及薄壁桩与土芯内摩阻力相互作用，推导出了薄壁桩沉降的数值表达式。这些公式可应用于桩周土层和桩端持力层不同的情况，也可较方便地推广应用到求分段均质等截面桩的相关计算，为实际工程计算提供了新的理论依据。关键词：荷载传递法；灌注桩；承载力关于灌注桩荷载传递性状问题，国内学者从试验、数值分析和解析解上做了一些研究工作(周平

2、等，2003；刘芝平等，2003；叶俊能，2003；朱向荣等，2003、2004；费康等，2004；姜陈钊，2004；张晓健等，2004；郭平，2005；龚迪快，2005)。需要注意的是：已有的解析解的一些假设条件大大限制了其使用范围，甚至有些假设条件是不合理的：而有限元法虽功能强大，但计算参数的选择和前期建模等工作也有很大难度。因此，有必要对竖向荷载下筒桩承载力计算方法进行进一步研究，以寻找一种更为简便、实用的方法。自1957年Seed和Reese提出荷载传递法，用于分析实芯桩的承载特性，国内外许多学者在荷载传递函数解析方法上做了许多有益的工作，由于该法概念明确、适应性强

3、、计算简便而深受工程界的喜爱和重视(Kezdi，1957；佐藤悟等，1965：罗惟德，1990；Etnesto，1994；陈龙珠，1994；朱金颖，1998；陈明中，2000：邱钰，1999、2001；刘杰等，2004)。1荷载传递法解析求解模型简化及基本假定1．1计算模型筒桩桩顶荷载等于桩身顶部荷载P。和土芯顶部荷载P。。之和，筒桩桩身由桩顶荷载P。、外侧摩阻力t、内侧摩阻力t，、桩身端阻力P。；形成静力平衡。士芯由土芯顶荷载P小土芯侧摩阻力t，、土芯端阻力形成静力P。。平衡。桩身内侧摩阻力t。和土芯侧摩阻力-+是1对大小相等，方向相反的作用力。各符号表示意义如下：S、S

4、。分别为筒桩和筒桩内侧土的位移：S。、s乩分别为桩周和桩底十对应的弹性极限位移；C。C。。为桩周外侧和一38内侧土抗剪刚度系数(kPa／m)；k。、k。为桩底土到达弹性极限前后的地基反力系数(kPa／m)。1。2基本假定(1)桩体为均质等截面弹性杆件。(2)认为桩身材料强度足够，桩身材料破坏根据有关知识另行计算。(3)地基土为弹性体，不考虑土体固结作用。忽略桩土体自重作用。(4)整个过程中考虑盖板对土芯的位移约束作用及土芯承担部分桩顶荷载。2桩竖向荷载一沉降曲线的解析算式‘产岩豳匝r二二珥I岩圈r二=9R十dR忆：+d艮(a)桩身微分单元(b)土芯微分单元图1在桩的任意深度

5、处取一微分桩段和微分土芯段，根据竖向静力平衡可以得到：Pt：+Ut。T1dz=Pt：+dPt：由于筒桩内侧摩阻力是由桩和土芯的相对位移而产生的，可知：dP。：=UlT。dz=UtC。。(S-St)dz土芯单元体产生的弹性压缩dS。就为：曲t2音兆带入位移计算后，可得：警2最c√s—st)广东建材2013年第3期工程试验与研究由静力半衡和位移计算司知F歹0两个公式：

6、Pz=P，+dP：+[U。C。。(s—S。)+uc。。S]dzp

7、ds=箭兆上述两式的解为：d2S—UC。。S+U。C。。(S-S。)上式中，E、A、U分别为桩的弹性模量、截面面积和桩外壁周长；E：、A。、U。分

8、别为土芯弹性模量、截面面积和土芯截面周长。在均质地基中，当桩顶受到竖向荷载作用时，桩体各截面的轴力和沉降随着深度的增加而减小。随着桩顶荷载的增大，桩周外侧土将由上至下进入塑性状态。根据桩外侧土地受力情况及其应力状态分三个阶段。弹性剪切阶段：当作用于桩顶的荷载P。较小时，沿桩身的外侧摩阻力t值均未超过极限t。，这时一=C。。S；弹塑性剪切阶段：随着桩顶荷载P。继续增大，在深度范围内的t已达极限值。在深度范围以下仍处于弹性剪切阶段。塑性剪切阶段：当桩顶荷载P。继续增大，土芯内侧摩阻由桩底向上开始发挥，这时桩外摩阻力已不能再继续增加，以后桩顶荷载的增量将有桩端土层和内侧摩阻力承担

9、。本文只对弹性剪切阶段的传力进行了分析计算。3薄壁桩荷载弹性阶段传递计算这个阶段桩的荷载传递函数公式为：鲁=簪㈣·，桩体截面位移应满足以下边界条件：limS=S．z～O。limS=SBZ～JEAlim拿一PB由桩身体系简化力学模型，可得PB=Ak。SBSB≤SbLlPB=A[k。sb。+kb(sB—sb。)]SB>sbu上式可变成为PB=AkiSB+G其中，当SB≤Sbu时，i=a，G=0当Su>Sbu时，i=b，G=A(ka-kb)Sbu求解3．1，可得S=c1cosh(Bz)+c2sinh(Bz)，式中Cl、C