利用旁压试验分析单桩竖向承载力.pdf

上海大学硕士学位论文利用旁压试验分析单桩竖向承载力姓名：黄伟申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈文才20050501E 海大学硕士学位论文摘要在桩基工程实际中，应用最广的是在竖向荷载作用下的桩。单桩竖向极限承载力是桩基设计中的一个重要参数，单桩竖向静载荷试验是确定其竖向极限承载力的最基本的方法。但是，目前一些工程中的试桩不严格按照规范要求，使许多工程中的试桩并未达到真正的破坏，也就不能准确地得出单桩竖向承载力的极限值。桩的极限荷载的确定关系到设计是否安全和经济的重要问题。国内外关于单桩竖向极限承载力的确定方法很多，但至今还未找到较为完善、科学和经济的方法求解桩的极限承载力。本文在对现有的单桩极限承载力计算方法进行系统的分析研究基础上，比较系统的对各种方法进行对比分析与评价，可为桩基设计提供一定的参考。本文利用旁压试验推求得到桩的竖向承载力的计算模型，结合实际工程进行旁压试验，将计算的桩的竖向极限承载力和单桩竖向静载试验所得的结果相对比，得到了比较理想的结果。证明本研究成果可为竖向受荷桩的设计计算提供一种新的方法和思路，可以在实际工程中进一步完善并应用。关键词：旁压试验静载试验极限承载力V上海大学硕士学位论文A B S T R A C TV e r t i c a l l yl o a d i n gp l i e sa r et h em o s tu s e di nt h ed e s i g no ft h ep i l ef o u n d a t i o n D e t e r m i n a t i o no fu l t i m a t e l yb e a t i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l ei sam o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt h a tr e l a t e st od e s i g nw h e t h e rs a f ea n de c o n o m i c a lo rn o t T h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep i l ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri np i l ef o u n d a t i o nd e s i g n T h ef i e l dv e r t i c a ll o a dt e s to fas i n g l ep i l ei st h em o s tb a s i cm e t h o do ft h ed e t e r m i n i n gt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fi t H o w e v e r,s o m et e s t sd on o tm e e tt h es t a n d a r do f t h ec o d e T h i sm e a n st h a ti nm a n yc a s e s，t h ep i l e sd on o tr e a c ht h ef a i l u r e A sar e s u l t，t h ee x a c tv a l u eo f u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yc a l ln o tb ea c h i e v e d T h e r ea r em a n ym e t h o d si nt h ew o r l dw h i c hc a nc a l c u l a t et h eu l t i m a t e l yb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e B u ta l lt h e s em e t h o d sa r en o tp e r f e c t，s c i e n t i f i co re c o n o m i c a l T h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e sa n dc o n t r a s t i v e l ya n a l y s e st h ec u r r e n t l yc a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h es i n g l ep i l eS Oa st op r o v i d ew i t l lar e f e r e n c eo nt h ep i l ed e s i g n I nt h i sp a p e r,p r e s s u r e m e t e rt e s tW a su s e dt od e d u c et h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep i l e，a n dt h ep r e s s u r e m e t e rt e s tw a sb a s e do nt h ep r a t i e a le n g i n e e r i n g F r o mt h ec o m p a r i s o nr e s u l to ft h ec a l c u l a t e du l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep i l ea n dt h er e s u l tg o tf r o mt h es t a t i cl o a dt e s t，w eg e tac o m p r a t i v e l yi d e a lr e s u l t T h i sp r o v e st h a tt h er e s e a r c hr e s u l tC a l lp r o v i d et h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no fu l t i m a t eb e a r i n gp i l ean e wm e t h o da n dt h o u g h t，a n dt h i sm e t h o dC a nb eu s e da n dp e r f e c t e di nt h ep r a t i c a le n g i n e e r i n g K e y w o r d：P r e s s u r e m e t e rt e s t，S t a t i cl o a dt e s t，U l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fas i n g l ep i l eV l上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：本论文使用授权说明日期型；兰岁本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：抛导师签名：1 1日期：沙 _ 6 讨上海大学硕士学位论文第一章绪论0 1 研究单桩承载力的意义桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一。今天桩基础己成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海洋石油平台等工程最常用的基础形式。近年来，我国海洋石油平台、超高层建筑和大跨度桥梁的建造，对桩基础的设计和施工提出了很高的要求。在实际工程中，桩的受力情况是极其复杂的。如何评价基桩的承载能力，选择合理的设计参数是一个关系到设计是否安全与经济的重要问题。就大多数工业与民用建筑而言，其中的桩基础是以承受向下压荷载为主的。因此，研究单桩的竖向抗压承载性能就显得十分必要。单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形前所对应的最大荷载。单桩承载力直接受到工程水文地质条件、成桩工艺、测试方法与条件制约。其工程地质条件各异，成桩工艺更是千差万别。使单桩承载力表现出极大的离散性。在桩基工程实践中，竖向荷载作用下的桩土相互作用问题对桩基的设计和施工影响很大。而要正确地确定单桩承载力又必须了解桩一土体系的荷载传递，包括桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状与破坏机理。因此国内外许多研究工作者在这一领域做了很多工作。提出了很多计算方法，但是至今还没有找到较为完善、科学和经济的方法求解桩极限承载力。桩基础的合理设计方法，被认为是最困难的问题之一，主要困难是在于桩的轴力、位移、摩阻力和端阻力的计算。为解决这一问题，人们做了大量的理论研究，模型和现场研究，在此基础上，提出了许多计算方法。如何分析利用已有的试桩数据，进行桩基的极限承载力的预测，以成为大家所关心的课题。随着现代工程技术以及我国经济建设的发展，城市高层建筑不断增多，大跨径桥梁的不断使用，桩基由于本身的优点而得到广泛使用，桩基结构类型也向多样化发展，桩基所受荷载的组合方式也变得非常复杂，桩基所承受的水平荷载以r 海大学硕士学位论文及所产生的横向位移越来越大。桩基技术及其理论至今己发展为一门丰富多彩的学科分支。近2 0 多年来，现代桩基工程的规模和难度越来越大。软土地基上高层建筑物及大荷载构筑物的兴建越来越多，基础设计和施工的难度越来越大。由于工程建设的需要，提出和发展了形形色色的桩型和施工方法。桩基技术中一系列的特殊问题，例如膨胀土中桩的设计与施工、基岩埋藏很深的软土地基中大荷载桩承载力的提高与保证、桩承载力的时间效应、沉桩施工控制的简单可靠的方法、特殊桩型(树根桩、斜拉等)的工作机理和应力与位移计算、用以描述打桩性状的波动方程的困惑、桩基施工的环境效应，以及桩的压屈分析等，都会受到岩土工程科学工作者的特别关注。无论如何，单桩极限承载力越来越成为桩基设计中核心的问题。单桩设计承载力越来越大，为了满足设计承载力的要求，设计者不得不从诸如桩身材料优选、加大桩身截面、最大限度地提高桩身混凝土强度，寻求新的有效的沉桩工艺、对持力层进行加固等途径来着手，于是出现了各种系列的新型的改良桩系。但由于影响单桩极限承载力的因素很多且不稳定，因此如何合理地确定单桩极限承载力，充分发挥桩基的技术经济效益，始终是工程设计施工人员十分关心的问题。比较精确确定单桩极限承载力对工程界具有重大的意义，否则势必将造成不可估量的损失。在沿海软土地区，特别是珠江三角洲，几乎随处可以看到倾斜的楼房，开裂的结构物和地面。1 2 单桩在竖向荷载作用下的工作性状1 2 1 单桩的荷载传递桩的荷载传递理论揭示的是桩一土之间力的传递与变形协调的规律，因而它是桩的承载机理和桩一土共同作用分析的重要理论依据。桩的荷载传递基本微分方程是：f(z)=A 扩Ei d 2 S(广z)或，(z)_ _ 吉掣2(1-1)(1-2)上海大学硕上学位论文式中A、U、E 分别为桩的截面积、周长及弹性摸量；S(z)、P(z)分别为桩的竖向位移和轴向力：f(z)为桩侧分布摩阻力当测得桩身位移s(z)或轴力尸(z)后，利用上式关系即可求得摩阻力厂(=)。也可根据桩土界面处土的应力一应变关系和桩土间变形协调的原理，运用理论的方法求解桩的轴力、摩阻力与位移之间的关系。试验研究与理论分析表明，桩的荷载传递的一般规律可概括如下；(1)桩在竖向荷载下发生压缩与沉降(竖向位移)的同时，一方面由桩身侧面引起士体的剪切变形(紧贴桩身界面的土随桩一起位移)，该剪应变服从土体的剪应力一剪切位移关系。另一方面由桩底面引起土体压缩变形，它服从士体的压应力竖向位移关系。荷载就是这样通过桩土界面向土中传递，并在变形协调过程中达到静力平衡。(2)桩底越硬，即比值E。，E 越大，则经由桩底传递的荷载越多。(3)提高桩身相对刚度占。，曩也将使桩端传递的荷载的增加。(4)扩大桩端支承力面积，桩端传递荷载的比率也相应提高。(5)当桩同界面积大大超过桩底面积，即桩的长径比上d 很大(例如三d i 0 0 时)，则大部分荷载经由桩身侧面传递，而桩端荷载比率很小时桩底土再硬、桩的刚度再大或者桩端再粗，都不能改变其基本性状，这一规律对高层建筑下的超长桩基础的承载性能和变形特性的分析有重要意义。l I3 桩的破坏模式桩的破坏是指丧失承载能力的状态。其破坏状态的种种特征往往通过试桩曲线反映出来，识别这些特征对于分析试桩成果，正确判定极限承载力很有意义。破坏模式大体可归纳为以下五种：破坏模式大体可归纳为以下五种：上海大学硕士学位论文1)桩身材料屈服端承桩和超长摩擦的桩都可能发生这种破坏。由于桩侧和桩端土能提供的承载力超过桩身强度所能承受的荷载，桩先于土发生曲折或桩顶压曲而破坏。它们的P S 曲线都有明显的转折点，即破坏特征点。2)持力层土整体剪切破坏桩穿过较软弱土层进入较硬持力层，当桩底压力超过持力层极限荷载时，土中将形成完整的剪切滑动面，土体向上挤出而破坏。这是一般摩擦桩(也称之为摩擦支承桩)破坏的典型情况。其P S 曲线相应的有明显转折点。3)刺入剪切破坏这是均质土中摩擦桩的破坏型式。桩周(全部或大部分)与桩端以下均为只有中等强度的均质土层，其P s 曲线没有明显的转折点，既没有明确的破坏荷载，只有继续加荷才能使桩进一步下沉。4 1 沿桩身侧面纯剪切破坏这是桩底土十分软弱基本不能提供承载力，仅靠桩侧摩阻力承受荷载的纯摩擦桩端破坏模式。高层建筑常采用钻(冲)孔灌注桩，当孔的泥浆沉淀较厚时，就属于这种情况。这类桩的P s 曲线当摩阻力发挥怠尽时即成为一条直线。5)在拔力作用下沿桩身侧面纯剪切破坏其P s 曲线与第四种模式相同，只是位移方向相反。1 4 单桩极限承载力的研究现状及方法概述桩基因其具有许多独特的功能，而日益广泛应用于高层建筑、重型厂房。桥梁、近海工程等诸多领域，成为工程建设中很重要的一种基础类型。如何确定单桩承载力一直是桩基工程的重要课题。为了解决这一问题，人们做了大量的理论研究、室内模拟实验和现场试验，提出了许多计算和确定承载力的方法。这种承载力的含义包括两个方面：一是由土的强度决定对桩的最大承载力；二是由土的变形性质决定的保证桩不发生过大沉降的最大承载力。迄今为止，确定桩承载力的方法很多，大体可分为三类：1)通过对实际桩进行现场试验来确定，如静载试验，动力测桩法等；2)通过对桩荷载传递机理进行分析，建立适当的求解单桩4【二海大学硕士学位论文极限承载力的力学模型，分别求得桩底阻力和桩侧阻力后相加求得；3)利用交叉学科知识，建立各种预测单桩极限承载力模型。1 4 1 静载试验单桩承载力最直接最可靠的检测方法是静荷载试验。我国与许多国家现行地基基础规范和工程实践均将静荷载试验置于优先地位，作为工程中的标准试验方法，并作为其它检测方法的比较依据。由于这种方法费时费钱，故不可能在每项工程中都采用。对于重要的建筑工程以及新型桩，则宜进行静载试验。鉴于在桩的施工中产生土体的扰动和土压力的变化，为了使试验能反映真实的的承载力值，一般要间歇至少一、二周时间才进行静载试验。对于砂土间歇时问可以短些，软土则应长些。灌注桩的间歇时间还应满足混泥土达到设计标号的时间要求。静载试验的装置和方法：试验装置主要包括加压部分和桩顶沉降观测部分。静荷载通常由安装在桩顶的油压千斤顶提供。千斤顶的反力通过锚桩承担，或由压重平台的重物来平衡。测量桩顶沉降的仪表主要有百分表及精密水准仪等。百分表安装在基梁上。桩顶则相应设置沉降观测点。以荷载增加方法划分，静荷载试验法主要有：慢速法、快速法，等贯入速率法、循环加载卸载试验法等。(1)慢速法。慢速法是慢速维持荷载法的简称，既先逐级加载，待荷载达到相对稳定后，再加下一级荷载，直到试验破坏，然后按每级加荷量的两倍卸载到零。慢速法荷载试验的加载分级，一般按试桩的最大预估承载力将荷载等分成为l O 1 5 级逐级施加。实际试验过程中，也可将开始阶段沉降变化较小时的第一、二级荷载合并，将试验最后一级荷载分两级施加，这对提高极限承载力的判断精度是有益的。(2)快速法。快速法是快速维持荷载法的简称。当考虑缩短试桩时间，对于工程桩的检验性试验，可采用快速维持荷载法，即一般每隔1 h 加一级荷载。该方法取消了快速法中维持各增量荷载到满足相对沉降稳定标准的要求，而是将预计施加的最上海大学硕士学位论文大荷载分为若干等级，以相等的时间间隔相继施加外荷载并读取其相应的沉降量。大量的试桩资料分析表明：快速法荷载试验所得到的单桩承载力比慢速法要高。在上海地区，快速法所得到的极限荷载比满速法要高级左右的加荷增量，而沉降要比慢速法偏小百分之几十。(3)等贯入速率法(C P R)。此法最早由怀特克尔与寇克等于1 9 6 1 年提出，并F,y t J 入美国、英国、瑞典和挪威等国的规范。该方法的特点是试验时荷载咀保持桩顶等速率贯入土中而连续施加。按荷载一贯入曲线确定极限荷载。瑞典规范规定贯入速率在粘土中为0 2 5 1 2 5 m m m i n，砂土中为0 7 5 2 5 m m m i n，总贯入深度至少等于平均桩径或方桩对角线尺寸的1 5。(4)循环加载卸载试验法。此法在国外用得较广泛，可细分为：a 1 在慢速法中以部分荷载进行加载卸载循环；b)对慢速法中的每一级荷载进行加载卸载循环；c)对快速法中的每一级荷载进行加载卸载循环。根据试桩结果分析桩的极限竖向承载力，现行规范己有明确指示，不过在具体判定时仍会遇到难以断定和判断不当的情况。在分析试桩资料时，首先应根据试桩曲线和地质条件确定其破坏模式，若为整体剪切破坏或沿桩侧纯剪坏，则按P s 曲线明显转折点法和沉降速率法(S l g r 曲线)不难确定桩的极限承载力：若为刺入破坏，则必须根据变形条件确定桩的极限承载力。虽然不少行业规范和国家规范都对桩静荷载试验极限荷载的取值给出了明确的规定，但是由于各地的情况不尽相同、场地工程地质条件千差万别以及桩型、施工工艺等因素的差别，都给确定单桩极限荷载带来一定的困难。不加区别地简单套用单一的模式来确定单桩极限承载力并不合适，在确定单桩极限承载力时，除了需遵循有关的规范规程外，尚应根据试验具体情况，参照下列标准进行分析：1)当Q s 蓝线的陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载；2)对于缓变型Q s 益线，一般可取S=4 0 6 0 m m 对应的荷载；3)对于细长桩(L D 8 0)和超长桩(L D 1 0 0)，一般可取桩顶沉降S=2 Q L3 E C A P+2 0 m m 所对应的荷载或取S=6 0 8 0 m m 对应的荷载；4)取S l o g t 曲线出现明显向下弯曲的前一级荷载；5)对于摩擦型灌注桩，取S l o g Q 曲线出现陡降直线段的起始点所对应的荷载6上海大学硕士学位论文值；6)对于大直径转孔灌注桩，取桩顶沉降S b=0 0 2 5 D 所对应的荷载为极限荷载。国内建议取S=0 0 3 O 0 6 D(大径桩取低值，小径桩取高值)所对应的荷载为极限荷载。7)当桩顶沉降量尚小，但因受荷条件的限制而提前终止试验时，其极限荷载应取最大值，当壮桩身材料破坏的情况下，其极限荷载可取破坏前一级的荷载值。静载荷试桩法的缺点是明显的，即成本高、工程量大、工期长等。随着高层建筑的兴建，静载试验所测承载力吨位也越来越大。然而试验的反力装置仍停留在堆载和锚桩传统方式。堆载和锚桩法费时费力，成本高。造成静载荷试桩法费钱费时的主要原因是需要设置专门的反力系统，如测试一根灌注桩的承载力，大约需要四根同样的灌注桩做为锚桩提供的反力，试验成本成倍增加。如果用堆载反力系统，则运输和安装费用也占很大的比例。另外，试桩占用旌工场地，影响了其它施工工序的进行，也是许多业主感到难以接受的问题。1 4 2 原位测试法通过原位测试法确定基桩承载力，己获普遍采用。其中最常用的方法有：静力触探试验、动力触探试验和旁压试验三种。a 静力触探试验静力触探较适用于松软地层。在运用原位测试手段评价桩基承载力方面，静力触探是使用较多、研究较深入、准确度较高的一种方法。采用静力触探试验估算打入桩的承载力参数始予荷兰。目前，许多国家己把这种方法列入国家规范。b 动力触探试验动力触探主要分标准贯入与圆锥动力触探两大类。根据唯一的试验指标锤击数V 来判断土层的物理力学性质。虽然动力触探形式繁多，但其结构和工作原理相同，主要差别仅在于探头形式不同。标准贯入的探头为标准贯入器。标准贯入试验在国内外应用均很广泛，并积累了一些经验公式。北京市勘察院和上海地区分别对钻孔灌注桩和预制打入桩的单桩竖向极限承载力也提出了相应的计算公式。标准贯入试验仅适用于粘性土、7上海大学硕士学位论文中砂、细砂、粉砂层，如用于砾质土则会损坏贯入器刃口。此法的另一不足之处在于不能连续贯入，因而在每次贯入后需提升贯入器并清理其内的土样才可继续下一步工序。分段贯入不仅较费事，且易漏掉薄夹层。而这些不足之处可用圆锥动力触探予以弥补。圆锥动力触探采用实心的圆锥形探头。根据锤击能量可分为轻型、重型和超重型三种。圆锥动力触探主要用于砾质层。由于可以连续贯入，故操作简易迅速，可以弥补标准贯入试验的不足，其功用与标准贯入相似。c 旁压试验采用旁压试验测定地基基础设计参数始于法国，该国己制定一系列规程，近年来在我国工程实践中得到了较广泛的应用，但主要是用于测定地基土的模量和承载力，尚未用于测定桩的承载力参数。此外，我国目前国产旁压仪的工作压力还不太高(一般不超过1 5 M P a)，测定深部土层的强度和变形参数还有一定的困难。除了上述三种常用的原位测试方法外，十字扳剪切试验也可用于估算单桩极限承载力。美国石油协会A P I R P Z A 规程对通过十字板剪切试验估算桩侧阻力和桩端阻力提出一套计算公式。1 4 3 动力测桩法桩基础的质量和承载力的确定，目前工程界除了使用静载试验方法外，还常用动力测桩法。早在6 0 年代，美国高勃尔(G o b l e，1 9 6 7 年)等人就己开始桩基动测技术的研究。1 9 7 2 年，湖南大学周光龙等人提出了桩基参数动测法，开创了我国桩基动测方法研究的先河。动测法因费用低、速度快、设备轻便，己逐渐受到人们的普遍关注和欢迎，在国内外己得到广泛应用。近2 0 年来，有关桩检技术的学术活动相当活跃，在我国无论是高应变法还是低应变法都积累了大量的资料与经验，取得了可观的发展和进步，某些高、低应变法的软、硬件己达到或接近国际先进水平。动力测桩法一般是在桩顶作用一动荷载，如瞬态竖向作用力或简谐振动力等，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应。在桩侧安装力、速度、加速度或位移暑l 一海大学硕士学位论文传感器，以量测桩土系统的振动响应，用波动理论分析和研究应力波沿桩土系统的传递和反射，并用以下三种方法对所采集的信号进行分析和处理：1)时域波形分析；2)频域波形分析；3)传递函数分析，从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力。与确定单桩承载力的其它试验方法相比，动测法具有快速、直接、简便、价廉等突出优点，近十余年来在国际、国内得到广泛应用和迅速发展，各种动测方法不下十余种，按测试时土的动应变大小，动测法又可分为低应变动测法和高应变动测法两类。高应变动测法系指具有足够激振能量，足以使桩土之间发生相对位移，柱产生永久贯人度(即塑性变形)的动测法。例如史密斯(S m i t h)法(波动方程分析法)、凯司(C a s e)法和锤击贯人法等。低应变动测法则指激振能量较小，只能激发桩土体系(甚至只有局部)某种弹性变形，而不能引起桩土相对位移的动测法。例如桩基参数动测法、机械阻抗法、水电效应法等。高应变动测法国内外普遍采用高应变动力试桩方法主要有：1)波动方程法此法采用重锤敲击桩顶，使桩产生贯入度。以一维波动方程为基础，将桩土系统简化为分离单元模式，以锤速或实测锤击力作为初始条件，用计算机程序进行计算，预测单桩极限承载力。2)锤贯法此法根据桩被贯入时的贯入阻力来反映承载力的大小。试验时每桩落距由低到高击5 1 2 击，量测每锤的动荷载Q 和相应的贯入度，当采用蜴曲线法分析时，可以和静荷载试验的Q s 曲线一样确定极限承载力。3)波形拟合法此法用实测锤击时桩身的力波及速度波输入计算机进行迭代计算，将桩土系统简化为离散质弹模型，以桩顶实测速度波(或力波)作为边界条件，假定桩和土的参数，求解波动方程，反算桩顶力波(或速度波)，和实测波形进行拟合比较，如两者不吻合，则重新调整桩土参数，直到两者吻合程度满意为止，认为此时备参数为最佳值，最终求得承载力。中国建研院地基所的F E I P WA P C 程序即属此法。另外还有动力打桩公式法、C A S E 法、波动方程分析法及静动试桩法等。桩的极限承载力标志着桩周土达到塑性破坏(屈服)状态，只有高应变动测9上海大学硕士学位论文法能使桩产生一定的塑性沉降(不可恢复贯人度)，因此它所测得的土阻力才能反映土的极限阻力；而小应变动测法则只能测得桩士体系的某些弹性特征值，但土的弹性变形与其强度之间并没有确定的关系。由于高应变法测桩时，桩周土己达到塑性变形，克服了低应变法最易受指责的缺陷，所以被认为是一种可行的确定桩承载力的方法。但动测法是通过短暂的瞬态荷载预测桩的长期荷载，由于土的阻尼作用，必然产生动阻力，在确定静阻力时要扣除动阻力部分，同时计算过程都是把桩土系统用一定的模式进行简化，另外，还有别的原因，所以动测法的精度是无法和传统静载压桩试验相比的。具体说，高应变法误差的主要来源有：(1)测试误差：(2)计算误差；(3)与桩土相互作用机理不符合时引起的误差：(4)桩未被打动时的误差；(5)时效问题等。以应力波理论为基础的高应变法，特别是其中采用实测波形拟合法，目前己被国际上公认为最先进的动测法。但是分析计算中不少桩土参数仍靠经验决定。能否将参数的选值与土工常规试验联系起来，并以新的数学模型更好地模拟桩端周围土体受力后的性状，是进一步提高高应变法精度的关键。1 4 4 经验公式法利用经验公式确定单桩竖向承载力标准值是一种沿用多年的传统方法。单桩竖向极限承载力由总桩侧摩阻力和总桩端阻力组成，既如=级+9 砷=g。+4 9 础(1-3)单桩设计承载力为准值月：垒生+皇生ysyn(1-4)式中Q 0，鲸分别为桩的总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标以，几分别为侧阻力分项系数和端阻力分项系数；1 0上海大学硕士学位论文，q m 分别为桩周第i 层土的极限侧阻力标准值和桩端持力层极限端阻力标准值；“为桩周长t 为按土层划分的第i 层土桩长1 4 5 预测法依据计算模型对桩基承载力进行分析时，必须定量研究三种不确定性因素，即土性参数不确定性、几何参数不确定性和计算模型不确定性。在长期的工程实践中，积累了大量的桩基础实测资料，如何从这些资料中总结出有价值的结果，并指导工程实践，进而达到不做或少做试桩的目的，这是一个有实际意义的课题。但是桩一土系统是一个非常复杂的问题，这是一个非线性力学系统，其工程设计方法仍处于半理论半经验的状态。在岩土工程领域，对大量的试验结果进行分析，用得较多的简化模型法(传递函数法，剪切变形传递法)、灰色理论法、弹性理论法、数值模拟法(有限元法，边界元法等等)。其原理基本上是对P：S 曲线假定为某一个数学模型，利用获得的试验数据确定该数学模型中的各个参数，荐根据所获得的极限承载力判断准则，外推或预估出单桩极限承截力。许多岩土科技工作者独辟蹊径，抛开纯力学方面的研究，借鉴并应用跨学科领域知识，提出确定单桩承载力的新方法，为岩土工程研究注入了清新的空气。预测法作为确定桩承载力的一种方法，近几年来，得到了广泛应用。采用预测法的经济效果是十分明显的，它与传统的方法相比，在试验设备、工作条件、或试验费用上，均有明显的优越性。采用预测法所带来最大的技术经济效益还在于可以及时地给设计提供合理的桩承载力数值，充分利用桩的承载力，节约工程造价。1)简化模型法为了深入了解和把握桩土系统共同工作的全貌以及简化桩轴向荷载一沉降曲线的计算，人们相继提出了两种简化计算模型，它们是传递函数法及剪切变形传递法，下面就两种方法要点简述如下：r 海大学硕士学位论文a)传递函数法该法根据桩一土系统的静力试验，实测桩在轴向荷载作用下，桩轴线上各点的应变及桩底反力，反算桩的轴向荷载分布和桩侧摩阻力的分步；而后假设桩侧摩阻力q 的分布规律和桩底反力的分布规律，用实验数据进行曲线拟合，给出桩侧摩阻力和桩底反力与桩轴线位移间的规律。其实质是将土简化为一系列弹簧，组成桩弹簧系统的一维简化模型，由桩轴线上任一点的平衡条件建立如下微分方程：E A 害吲炉o(1-5)出2 式中占为混凝土弹性模量；爿为桩横截面面积；U 为桩在深度x 处的位移；q(u)为桩侧摩阻力的分布规律(传递函数)另外根据实测资料假定桩底土用一个非线性弹簧来代替，即假定桩底反力n 为：P，=f(u，)(1-6)边界条件为：翻乱讪小，“乙=虬(1-8)由方程(1-6)、(1 7)、(1-8)求桩轴向荷载沉降曲线。在求解微分方程(1 6)时。由于吼假设的不同及求解(1 6)、(1 7)、(1 8)的方法上的差异，人们提出了不同的名称，但其本质就是荷载传递法。b)剪切变形传递法剪切变形传递法的力学模型是由R a n d o l P h。M F 和W o r t h C P 提出的，几个假设中主要的一个假设是：土的位移场可用受剪切作用的同心圆模型表示，1 2L 海大学硕士学位论文且剪应力随径向距离，的增大而减小，且有：,t-7=z o Y o(1-9)r 为距离，处的剪应力，为桩土界面剪应力，为桩半径。由此假设可以推出桩表面位移“与桩土表面剪应力的关系为：“：婺瞰业)(1 1 0)G、1 一v、为剪应力可忽略不计的影响区，且为2 5 L P(1-v，)，三为桩长，P 为桩深度为z 2 与桩端剪切模量之比。y=z R I，B 为剪应力一应变拟合常数，m。为破坏时剪应力，G l 为初始剪切模量且为G l=五2(1 一K)，V s 为泊松比，E 1 为初始弹性模量。桩端反力与桩端位移的关系同传递函数法相似，桩轴向荷载沉降计算简化模型的实质是将桩周土与桩底土简化为一系列等效弹簧，其力学系统为一桩弹簧系统，对弹簧不同特性的不同描述方法及求解微分方程(1)的方法差异形成了简化方法的不同名称，其数值计算一般均为迭代算法。2)弹性理论法和数值模拟法弹性理论法是利用集中力作用下的M i n d l i n 解进行的，由于弹性理论法不可能解决桩一土系统的非线性问题，且难以考虑成层土问题，故此该法在使用上受到了极大的限制，该法在工程实践中应用不多。数值计算方法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种计算工具，工程应用最多的是有限元法，其它的方法如边界元法，耦合方法等等也广泛应用。在使用数值方法时，最重要也是理论研究最多的是桩土边界模型，但是有限元法在计算时需要进行大量的数据准备工作同时此法占用较大的计算机空间，因此在实际工程设计中还难以得到广泛的应用。数值计算方法主要用于理论研究，讨论土特性参数对桩土系统的影响。3 1 预测法预测方法之一的人工神经网络预测法，它具有极强的非线性大规模并行处理能力，人工神经网络(简称A N N)是人工智能领域较为活跃的一个重要分支，上海大学硕士学位论文它引起了国内外学者的广泛关注，许多学者致力于将其引入自己的专业研究领域。在岩土工程界，有关学者也进行了一些A N N 的应用研究，但是对于单桩承载力预测问题，目前尚没有建立适合于不同类型桩的具有通用性和实用性的A N N 模型，在实际工程中尚未能很好地应用A N N 来预测单桩承载力。在论文中充分利用A N N 的强大预测功能和学习能力，将其引入到单桩承载力预测中。结合工程实例，详细阐述了对于不同类型桩的单桩承载力预测A N N 模型的组成建模步骤，计算结果表明用A N N 进行单桩极限承载力预测是十分可行的。也有的论文引用了灰色系统预测法。本世纪8 0 年代以来，灰色系统和神经网络的研究引起了许多领域科学家们的重视。工程界对灰色系统和神经网络的应用也表现了很大的热忱，期望它在解决一些长期以来用传统方法难以解决的问题方面发挥巨大的作用。灰色预测理论是八十年代初发展起来的一种新型预测理论，它利用连续的灰色微分方程模型，可对系统的发展变化进行全面的观察分析，并作出长期预测，在处理方法上，灰色理论将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成数再作研究，从而使寻找数据的内在规律变得非常简单明了。神经网络的主要特征是：大规模的并行处理和分布式的信息存贮，良好的自适应性、自组织性，以及很强的学习功能、联想功能和容错功能。由于人工神经网络具有巨大的学习功能，建立以人工神经网络为工具的专家系统和计算模型是一种新的途径，为此研究桩一土系统特性的人工神经网络模型是非常有前途的。近年来，有限元法在工程中的应用得到了迅猛发展，有限元法是一种离散化的数值方法，把物理结构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据不同分析学科，推导出每一个单元的作用力方程，最后求解该系统方程。目前，有限元分析已成为求解各类工程问题的重要手段。1 5 问题的提出在长期的工程实践中，积累了大量的单桩承载力实测资料，如何从这些资料中总结出有价值的结果；并指导工程实践，进而达到不做或少做试桩的目的，这是一个有实际意义的课题。在岩土工程领域，对大量的试验结果进行分析，用得1 4上海人学硕士学位论文较多的是数理统计及回归分析方法，所得结果一般为半理论半经验公式。由于土的性质十分复杂(不仅具有场地随机性，同时具有区域不定性)，由回归分析所得出的经验公式自适应能力较差，使得半理论半经验公式的适用性受到限制。有必要引进新的分析方法。另外，我们知道，桩一土上部结构组成的系统是非常复杂的，桩一土系统的特性，主要是由土特性来决定的，土特性的巨大差异往往被人们所忽略，正确的分类以及明确各种情况下桩土系统共同工作的前题是非常重要的。简单化的处理是难以满足各方面要求的，因此我们必须寻求新的思路或方法来解决这些问题。1 6本论文的研究工作旁压试验是种原位试验方法，它独有的特点是能直接测出地基土的强度和变形关系，故可由旁压曲线推求桩侧摩阻力与断面位移关系曲线和桩尖端阻力与桩尖位移关系曲线，得到桩的侧阻函数及端阻函数，对竖向受荷桩采用传递函数求解。本论文的主要内容是从理论上论述了旁压试验机理及桩受竖向荷载作用时桩周土的应力分布。并分析了圆柱孑L 穴扩张时周围士的应力分布与施加竖向荷载时桩周土的应力分布之间的内在联系，从而导出如何用旁压曲线得到桩的Q s曲线。上海大学硕士学位论文第二章旁压试验概论旁压试验简称P M T(P r e s s u r e m e t e rT e s t)也称横压试验，根据成孔方法的不同，这种试验分自钻式和预钻式两大类。预钻式旁压试验是利用旁压仪探头对预钻孔的孔壁施加横向水平压力，使孔壁向外膨胀，直至破坏，从而得到压力与钻孔体积增量(或径向位移)之间的关系，并据此推求地基土的力学性质指标所进行的一种原位试验。旁压仪试验装置的雏形是1 9 3 3 年就由德国工程师K o g l e r提出，但是这种装置没能付诸工程实用。直到1 9 5 6 年法国M e n a r d 工程师所创造的三胶式旁压仪问世，这种原位测试技术才开始在工程中被采用。经过多年的的发展和提高，这种原位试验方法已成为地基勘察中的一种重要的手段。2 1 旁压试验的研究现状早在1 9 5 6 年，法国的M e n a r d 就研制出“三腔梅纳型旁压仪”用于测量土的强度和变形特征，试验时，要预先钻孔，故士的挠动和土中应力释放是不可避免的。到1 9 7 2 年法国B a