桩周土体静阻力模型研究及在打桩中的应用 - 结构理论_0

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1、桩周土体静阻力模型研究及在打桩中的应用-结构理论1、概述在运用波动方程法预测桩的可打入性及单桩极限承载力中，桩周土体静力模型的合理选择是个极其重要的问题。土体的静力特性远非线弹性、理想弹塑性能简单描述，而非线性、非弹性、弹塑性等模型可较好地描述。因此，改进土体静力模型及其计算参数的确定方法，是进一步完善波动方程分析法的一个非常重要方面。桩侧摩阻力的发挥一般是桩体和土体之间的剪切破坏，也可能是桩体带着部分土体，土体间的剪切破坏，而桩端阻力的发挥有的是“刺入”破坏，有的是“压剪”破坏[1]。由此可知，桩侧土主要承受剪切变形，而桩端土体变形主要是压缩，而且不能承受拉应力，桩侧土体和

2、桩端土体的变形和破坏机理是截然不同的。文献[2]通过室内剪切试验，测得不同法向压力下，钢和混凝土材料分别与土之间的摩阻力与剪切位移的关系曲线，用以描述桩、土间的荷载传递特性。结果表明摩阻力和剪切位移呈非线性关系，而且符合双曲线方程。汉森(Hansen)、瑞典桩基委员会和ISSMFE提案也都曾假定压载试验的荷载-位移(P-S)曲线为双曲线[3]。曹汉志[4]通过试桩发现实测到的荷载传递曲线可近似用双曲线来描述。王幼青、张克绪[5]等人通过分析71根桩的压载试验的荷载-位移(P-S)曲线，得到S/P-S的线性回归的相关系数的平均值为0.9976，这表明桩的荷载-位移(P-S)曲线

3、完全可近似用双曲线关系来拟和。但该文中不分桩侧土体、桩端土体，均采用双曲线模型来模拟，模型中参数完全基于桩的静载荷试验值，不易推广。由上述土力学理论及室内、室外试验结果，都表明在静荷载作用下桩周土体表现出非线性特性，并可用双曲线来描述荷载与位移的关系。但基于桩侧土体和桩底土体的变形及破坏机制不一样，而且桩端土不能承受拉力的特点，因此，桩侧与桩端土体静力模型应用不同的模型来描述。为简化起见，文中桩侧土体静摩阻力与剪切位移的模型采用双曲线关系，桩端土体仍采用理想弹塑性模型来描述(即同Smith法[6])。2、桩周土体模型2.1改进的桩侧土体模型在动力打桩过程中，桩侧土体单元i在时

4、刻t时所发挥的静阻力和动阻力分别由非线性弹簧(双曲线)和缓冲壶组成的模型来模拟(如图1)。2.1.1桩侧土体静摩阻力双曲线模型桩侧土体单元i在时刻t时所发挥的静摩阻力Rs(i,t)(下文简写为Rs)与剪切位移S(i,t)(下文简写为S)假定用康纳(Kondner)双曲线拟和，即Rs-S的关系曲线，如图2中(a)可用下式表示：Rs=S/(a+bS)(1)式中：a、b为待定系数。式(1)可改写为S/Rs=a+bS(2)设以S/Rs为纵轴，S为横轴，可构成S-S/Rs的新坐标系，则双曲线可转换成直线，如图2中(b)其截矩为a,斜率为b。由式(2)可得，当S→∞时，(3)即用极限摩

5、阻阻力Rult表示S→∞时的值，也即为Rs的渐近值。实际上工程中S不允许趋向无穷大，当达到一定值后，土体单元就被认为已破坏了，破坏荷载为Rf，它总是小于Rult。可令：Fr=Rf/Rult(4)称Fr为桩侧土体单元的破坏比，则有Fr＜1.0。文中的Fr假定可参照土体DuncanChang模型[7]的破坏比取值。同样，由式(2)可得，当S→0时，(5)而(SRs)S→0是曲线Rs-S的初始切线刚度，也是该曲线上最大的切线刚度，用Kmax表示(见图2)，因此a=1/Kmax(6)可将(Sf,Rf)代入式(1)，得Rf=Sf/a+bSf(7)由式(7)得到a=1/Kmax=Sf(

6、1-Fr)/RultFr(8)关于Sf取值，可参照文献[8]：黏性土剪切破坏的最大位移一般为5～8mm，无黏性土剪切破坏的最大位移一般为8～12mm。本文根据Masing准则和Pyke对Masing模型的修正方法[9]来确定卸载与加载的荷载RS与位移S的关系曲线。从第一象限状态点(S1,Rs1)处卸载阶段(如图3中曲线2)，土体单元的静摩阻力为Rs=Rs1+(nRultKmax(S-S1))/nRult+Kmax(S-S1)(9)式中：n=1-Rs1/Rult。从状态点(S1,Rs1)处加载阶段(如图3中曲线3)，土体单元的静摩阻力为Rs=Rs1+nRultKmax(S-S

7、1)/nRult+Kmax(S-S1)(10)式中：n=-1-Rs1/Rult。采用Pyke法能有效地避免了卸载和反向加载时土体承受的荷载超过其最终强度的现象。2.1.2桩侧土体的动阻力计算假定桩侧土体单元i在时刻t时的动阻力Rd(i,t)与上节中计算出的静阻力Rs(i,t)和单元速度V(i,t)成正比，比例常数采用桩侧土体单元的经验阻尼系数J(i)，即Rd(i,t)=J(i)Rs(i,t)V(i,t)(11)则在所发挥的总阻力R(i,t)为R(i,t)=Rs(i,t)+Rd(i,t)(12)2.2桩端