抗拔桩的承载性能.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文抗拔桩的承载性能姓名：张磊申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：王幼青20050101哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要各种高层高耸及承受浮托力的建筑物已广泛地采用抗拔桩作为其基础形式，因而抗拔桩在荷载作用下的工作性状己成为岩土工程界日益关注的热点课题。本文利用有限元方法及R M i n d l i n 对于土体内部作用荷载使土体产生位移的方程式建立了一种新的单桩一土体体系的力学模型，该模型一方面考虑了桩体泊松比效应的影响，也就是考虑了桩的竖向位移与径向位移的协调性；另一方面考虑了土体的非线性变形的特点，并根据所建立的模型编制了相应的F o r t r a n 源程序。本模型不仅可以对承受上拔荷载的单桩一土体体系进行分析，还可以对承受下压荷载的单桩一土体体系进行分析，同时还可以将前两者进行对比分析。采用本文所建立的模型对三个抗拔桩和两个抗压桩的工程实例进行计算分析，结果表明本文所建立的模型对抗拔桩与抗压桩计算均较适合。此外还研究了影响抗拔桩与抗压桩荷载一位移曲线的几种因素，包括：桩直径；桩长；桩的弹性模量；土的弹性模量；初始剪切刚度：极限侧阻；土的泊松比等等。此外，为了研究抗拔桩较抗压桩桩侧摩阻力的发挥，本文采用模拟分析的方法研究了桩体泊松比效应对抗拔桩侧摩阻力的分布及发挥的影响，并分别改变桩长及桩直径来讨论长径比对桩侧摩阻力发挥的影响。本文的研究讨论取得了一定的成果，可为实际工程设计提供参考。关键词抗拔桩；泊松比效应；侧摩阻力；长径比堕玺鎏三些銮兰三兰譬：=：墨鲨兰A b s t r a c tU p l i f tp i l e sa sas o r to ff o o t i n g sh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o rav a r i e t yo fh i g hr i s eb u i l d i n g sa n db e a r i n gb u o y a n c yb u i l d i n g s，S Ot h eb e h a v i o ro fu p l i f tp i l e su n d e rt h ev e r t i c a ll o a dh a sg r a d u a l l yi n c r e a s e di nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g T h i sp a p e rh a su t i l i z e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n de l a s t i c i t yt h e o r ys o l u t i o nw h i c hR M i n d l i ni n t r o d u c e dt h ee q u a t i o n sf o rt h ed i s p l a c e m e n t sw i t h i nas o i lm a s sc a u s e db yl o a d i n gw i t h i nt h em a s s，a n dh a se s t a b l i s h e dan e ws o r to fm e c h a n i c sm o d e lo fs i n g l ep i l e _ s o i lm a s ss y s t e m O no n eh a n d t h i sm o d e lh a sc o n c e r n e dt h ea f f e c t i o no ft h eP o i s s o n Sr a t i o ne f f e c t m a ti sb o t hv e r t i c a la n dr a d i a ld i s p l a c e m e n tc o m p a t i b i l i t y O nt h eo t h e rh a n d，t h i sm o d e lh a sc o n c e r n e dn o n l i n e a rd e f o r m a t i o no ft h es o i lm a s s T h i sp a p e rh a sp r o g r a m m e dF o r t r a ns o u r c ep r o g r a mi nt e r m so ft h i sm o d e lt h a tt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e d T h em o d e li sa b l et oa n a l y z es i n g l ep i l e-s o i lm a s ss y s t e mu n d e rt h eu p l i f tl o a d，a n du n d e rt h ed o w n w a r dl o a d，a n dc o n t r a s t i v e l ya n a l y z es i n g l ep i l e s o i lm a s ss y s t e mu n d e rb o t ht h eu p l i f tl o a da n dt h ed o w n w a r dl o a d B yu s i n gt h em o d e lt h a tt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h et h r e er e p r e s e n t a t i o n a le x a m p l e so fp i l e su n d e ru p l i f tl o a d sa n dt h et w or e p r e s e n t a t i o n a le x a m p l e so fp i l e su n d e rd o w n w a r dl o a d s，t h ea n a l y s i sr e s u l t sh a ss h o w nt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sc o r r e s p o n dw i t hm e a s u r e dr e s u l t so ft h ep i l e su n d e rb o t hu p l i f tl o a d sa n dd o w n w a r dl o a d s F u r t h e r m o r e，t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h es e r i e se f f e c t i n gf a c t o r ss u b j e c t e dt ol o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e so fp i l e su n d e rb o t hu p l i f tl o a d sa n dd o w n w a r dl o a d s，i n c l u d i n gt h a t：t h ed i a m e t e ro fp i l e s；t h el e n g t ho fp i l e s；t h em o d u l u so fp i l e s；t h em o d u l u so fs o i lm a s s；t h ei n i t i a ls h e a rs t i f f n e s s；t h eu l t i m a t es i d er e s i s t a n c eo fp i l e s；t h eP o i s s o n Sr a t i oo fs o i l m a s s a n dS Oo n I no r d e rt or e s e a r c ht h ee x e r t i o no ft h es i d er e s i s t a n c e so fp i l e su n d e rb o t hu p l i f tl o a d sa n dd o w n w a r dl o a d s，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h a th o wt h eP o i s s o n Sr a t i oe f f e c ta f f e c t st h ed i s t r i b u t i o na n dt h ee x e r t i o no ft h es i d er e s i s t a n c eo fu p l i f tp i l e s，a n dh o wt h es l e n d e r n e s sr a t i oa f f e c t st h ee x e r t i o no ft h es i d er e s i s t a n c eb yc h a n g i n gt h el e n g t ho f p i l e sa n dt h ed i a m e t e ro f p i l e sr e s p e c t i v e l y T h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a so b t a i n e das e r i e so fe f f o r t s，a n di tc a l lp r o v i d e-I I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文r e f e r e n c e sf o rt h er e a l i s t i ce n g i n e e r i n gd e s i g no fu p l i f tp i l e s K e y w o r d su p l i f tp i l e s；P o i s s o n Sr a t i oe f f e c t；s i d er e s i s t a n c e s；s l e n d e r n e s sr a t i o1 1 I-哈尔滨工业人学工学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题的来源及研究意义随着社会的进步，经济的迅速发展，建筑业也得到了广泛的发展。不同功能、不同种类的建设项目日益繁多，尤其是高层、高耸建(构)筑物的数量日益增多，这使得作为深基础方案之一的桩基础的应用越来越广泛。其中抗拔桩作为一种重要的桩基础形式，其应用范围也是很宽广的。例如：输电线路杆塔基础；海上石油钻井平台下的桩基础；高耸而轻型的结构物(如各种塔桅结构、烟囱、高层楼房)的桩基础：桩静载荷试验中所使用的锚桩：索道桥、斜拉桥中的锚桩基础等等都属于抗拔桩。此外，在特定的环境条件下，原来的抗压桩可能承受拉拔荷载，例如：深埋水泵房一类的取水结构、港口工程中的船坞等，其底板下的桩群会因地下水位升高、建筑物承受巨大的浮托力而使桩顶产生拉应力，又如：在地震荷载作用下，砂土或粉土地基液化，呈现浓的悬浮液状态，使泵房、船坞等基础底板连同上部封闭的筒状结构一起上浮，则其底板下的桩群所承受的拉力就更加可观同时还有膨胀土地区用来承担地基土膨胀对建筑物的上托力的桩基础；以及在水平荷载作用下出现上拔力的建(构)筑物的桩基础i 1 1 J 等等。尽管抗拔桩的应用日益广泛，但迄今为止，岩土工程界对于抗拔桩的研究还很粗浅，而且大部分集中在抗拔桩的极限承载力方面。由于影响抗拔桩承载力的因素很多，如：(1)桩的类型及施工方法；(2)桩的长度；(3)地基土的类别；(4)土层的形成历史；(5)桩的加载历史；(6)荷载的特性(即桩只承受上拔荷载，还是和其它类型的荷载组合等)；以及引起桩周土内应力状况变化的其它因素都对桩的抗拔承载力产生影响【2 1，这使得在实际工程中对抗拔桩的设计相对而言就很保守，而且带有很大的经验性。主要体现在，当缺乏抗拔桩试验资料的条件下，设计人员通常是仿照抗压桩的静力计算公式的方法，先算出抗压桩侧摩阻力的计算值，再乘上一个抗拔桩的抗拔折减系数，这样获得等截面桩的上拔承载力。通常情况下认为抗拔折减系数是一个小于1 0 的系数，其原因是，桩承受上拔力时，桩一土界面上的法向应力与相同条件下受压时的数值相比是比哈尔滨工业人学工学硕士学位论文较小的【l，4 。而不同的规范所采用的抗拔折减系数又不完全统一，甚至有的规范对各种土质情况均采用同一折减系数，这是很不合理的，也是很浪费的。这主要是由于人们对抗拔桩的承载性能及抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力的对比研究较少，造成所选取的安全储备相对就很保守。这样做不能充分发挥桩一土体系的总的抗拔能力，因而存在一定的不合理性。为了简化计算，在实际设计中人们往往不考虑泊松效应对桩的承载力的影响，计算时通常将桩体简化为杆件模型来进行分析。B u t t e r f i e l d 和B a n e r j e e 以及M a t t e s 曾给出桩沉降的一个完全解，而这个完全解同时考虑了垂直位移和水平位移两种位移协调性。他们将桩顶位移的完全解同只考虑垂直位移协调性的解进行比较，得出只有相对较短的桩(L d 2 5)，当径向位移协调性包括在内时才会对解有一些影响。而且即使在这种情况下，从实用的观点来看，其影响也是不严重的结论。此外他们提出只应用垂直位移协调性为根据的分析是比较适宜的i s,6】。因而目前大部分的研究均未考虑单桩受力时桩体泊松效应的影响，也就是桩体的径向变化对桩承载性能的影响。由于目前人们对抗拔桩的设计大部分是基于抗压桩承载力设计的基础之上进行的，因此人们对抗拔桩的设计也不考虑泊松效应的影响。但实际上在一定条件下桩体的泊松效应对抗拔桩的承载力产生很大的影响，而且相对短的桩在实际工程中应用又十分广泛，因此这种影响是不容忽视的。单桩抗拔承载力是抗拔桩设计的基础，在实际工程中往往利用单桩抗拔试验来确定桩的抗拔承载力。尽管单桩抗拔试验测得的荷载与位移之间的关系(即P s 曲线)，是表征抗拔桩工作性能的一个典型特征，可以综合地表达出桩一土体系的承载性能，但由于进行单桩抗拔试验时间长，费用高，而且地层、岩土性质变化大，可重复性小，所测得的成果又并不完全理想，由此造成了很大的浪费。如果人们对抗拔桩的性能有了较为深入的了解，那么就可以减少单桩抗拔试验量来确定桩的抗拔承载力，这就可以节约一定的资金。由此可见，对抗拔桩性能的深入研究不仅具有其经济价值，而且对抗拔桩与抗压桩在桩侧摩阻力不同发挥程度方面的研究更可以为实际工程提供参考。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1 2 国内外研究现状及分析由于生产的日益发展，建(构)筑物的基础承受上拔力的情况也明显增加，这使得工程界越来越重视对于承受上拔力的基础的深入研究。到目前为止人们对抗拔桩的力学性状及桩土体系共同工作的研究主要体现在：荷载传递规律、桩的抗拔机理、桩的破坏特性及承载能力、桩侧摩阻力的分析、抗拔桩的位移变化及荷载一位移关系等等，并在此基础上确定出抗拔桩的承载力计算公式以及设计方法。1 2 1 关于抗拔桩的荷载传递与抗拔机理桩基础的受力机理实质就是桩与桩周土组成的桩一土系统内相互作用，共同完成荷载传递这一过程【”。国内外研究者通过进行一系列的拔桩试验，并结合实际工程，提出了抗拔桩的荷载传递方式。即：当桩顶荷载较小时，桩与桩周土之间紧密接触，这时桩土之间无相对位移；随着荷载的不断增加，桩体的向上位移促使桩周土也产生向上的位移，同时桩周土体又带动周围远处的土体产生向上位移，这样就使得桩周土体之间产生剪切变形。随着荷载的继续增加，桩体位移和桩周土位移不断增加，当某一土层的剪切变形超过了极限后，这一土层就与桩周土之间产生相对位移；而当桩周土体的剪切变形均超过极限时，桩与土之间的相对位移就迅速增加，从而桩被整根拔起【g】。由此可见，等截面桩承受上拔荷载时，桩身将荷载传递到周围土体上的规律与抗压桩的规律相似，但又有所不同。在桩端，抗压桩为持力层，而抗拔桩则为自由空间，这样抗压桩的承载力的组成中就多了桩端承载力，而抗拔桩则没有桩端承载力，但抗拔桩在桩底部却存在真空吸引力，只是这部分吸引力在总的抗拔承载力中所占比例不大，而且往往在受荷后期可能会消失，因而这部分吸引力并不计入桩的承载力中；此外抗压桩在受压时，由于桩身的弹性压缩而引起桩身的侧向膨胀使桩周土体被挤紧，这使桩土界面上的摩阻力趋于增加，而抗拔桩在拉伸荷载作用下，桩身截面有收缩的趋势，造成了桩土界面上的摩阻力减小；同时二者在桩侧摩阻力的方向上也是完全相反的 1 卫”。抗拔桩哈尔滨工业大学工学硕士学位论文与抗压桩在荷载传递方式上的不同，就造成了二者在受荷机理及承载性能等方面的差异。有研究者通过对抗拔桩与抗压桩的作用机理进行比较，提出了抗拔桩具有“越拉越松”，而抗压桩具有“越压越紧”特性的结论。这一结论体现在上拔和下压过程中，桩受到的侧压力并不是恒定不变的，而是动态变化的。对于抗拔桩，侧压力有减小的趋势，对于抗压桩，侧压力却有增大的趋势【1 0 。对于桩受压或受拉时所产生的尺寸方面的变化即：泊松膨胀(即侧向膨胀)或泊松收缩(即侧向收缩)将使土的水平应力增加或减少，造成土的抗剪强度和侧面阻力的增加或减少的这种规律，S t e w a r d，S P 等人曾进行研究，并对钻孔桩的上拔承载力计算中的水平法向应力的计算提出一个经验公式 1,1 1 1。尽管目前人们已明确了抗拔桩这种荷载传递方式及“越拉越松”的特性与抗压桩不同，但还没有确切的定量分析来描述这种不同。虽然人们对桩在上拔力作用下水平法向应力的计算提出了一个经验公式，但这个公式却不能确切地表明水平法向应力在桩受到上拔力时的动态变化过程。1 2 2 关于抗拔桩的桩侧摩阻力人们明确了抗拔桩的荷载传递规律及作用机理，了解到桩的抗拔承载力是由桩侧抗拔阻力、桩重以及桩底部在桩承受上拔荷载作用时形成的真空吸引力三部分组成。但真空吸引力在总的抗拔承载力中所占的比例并不大，而且往往在受荷后期会消失。因而桩的侧阻力就构成了桩的抗拔承载力的主要方面。抗拔桩的桩侧摩阻力往往与抗压桩的侧摩阻力相比较而提出。对抗拔和抗压时的桩侧摩阻力，存在着两种观点：(1)S a r a c 等(1 9 7 9)、O N e i l l 等(1 9 8 2)、V e n i c(1 9 7 0)、矢岛等(1 9 9 2)等人研究表明，两种侧摩阻力相等；(2)F e l l e n i u s等(1 9 7 6)、B o z o z u k 等(1 9 7 9)、G i l c h r i s t(1 9 8 5)等人提出抗拔桩侧摩阻力小于受压桩侧摩阻力【lo，l”。尽管目前我国抗压、抗拔侧阻力实测资料并不多，但从已有的试验研究成果以及数值模拟方面来看，对比抗拔桩与抗压桩的荷载传递机理，认为抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力也是存在差异的。而且普遍认为在条件哈尔滨工业大学工学硕士学位论文完全相同的情况下，等截面桩的抗拔极限侧阻力要小于抗压极限侧阻力【2】。对造成抗拔桩侧摩阻力发挥低于抗压桩侧摩阻力发挥的影响因素的分析，人们也做出了大量工作。有研究者指出：在纵向拉力作用下，桩身的横截面有缩小的趋势，当桩体材料确定时，其横向变形系数也就随之而确定。所以在相同的纵向拉应力作用时，桩的横截面越大，其绝对横向收缩量也就越大，桩土之间的脱离也就越明显。这对于桩侧摩阻力的发挥是极为不利的0 3 1。这个结论定性地说明了桩体的泊松比效应对桩侧摩阻力发挥的影响。也有研究者通过对比抗拔桩与抗压桩，提出桩周土的剪胀性及主应力方向的旋转是造成抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力差异的两个主要因素。他们认为对于抗压桩，当桩顶受竖向压力时，在桩周一定范围内土体发生剪胀，但实际上这部分土又没有足够空间允许发生体积的真正增加。那么，实际上是这个范围的土体的平均主应力，尤其是径向应力增加，用应力增加而压缩的体积去消化”体胀。这样土体的剪胀增加了应力。相反，在抗拔桩情况下，桩周土体发生剪缩而非剪胀，剪缩则靠平均主应力的减小回弹来弥补这部分体积。同时，他们认为主应力方向旋转能引起体变，从而引起桩周土体中应力场发生变化，最终造成对桩侧摩阻力的影响。他们定量地分析了桩周土的剪胀性及主应力方向旋转对桩侧摩阻力的影响，得出了相应的影响系数和侧阻的预测公式【I 们。此外，有研究者还提出影响桩土界面水平应力的因素还有荷载方向及桩体的泊松比效应。他们指出，在荷载方向上，抗拔桩受上拔力作用，土体的竖向应力减少从而引起水平应力减少，而抗压桩则反之。在桩体的泊松比效应上，上拔力使桩体径向收缩，引起水平应力的减小；下压荷载使桩体径向膨胀，引起水平应力增大。同时，他们还提出抗拔桩与抗压桩的侧摩阻力发挥的特点：(1)抗压桩侧摩阻力的峰值比抗拔桩大，抗拔桩与抗压桩侧摩阻力的比值在0 6 0 8 之间：(2)某一点的侧摩阻力的发挥与该点在桩上的位置有关：(3)抗拔桩、抗压桩的侧摩阻力与桩土相对剪切位移间存在幂函数关系。最终他们得出结论认为造成抗拔桩与抗压桩侧摩阻力差异的主要因素有：荷载方向：桩土界面间的摩擦作用的剪胀(剪缩)性能；桩体的泊松比效应；荷载反向(主要是晴尔滨工业大学工学硕士学位论文指抗拔桩先受压沉桩再承受上拔荷载作用)引起桩周土体颗粒重新排列而导致桩土界面摩擦角的变化I l”。而且N i e o l a 和R a n d o l p h 利用有限元模型针对抗拔桩与抗压桩侧摩阻力发挥进行了对比研究，提出：抗拔桩、抗压桩的侧摩阻力比值与桩的长径比(L d)，桩材料的泊松比、桩土间摩擦角、土的平均剪切模量与桩的弹性模量的比值有关，并提出一个相应的经验计算式【1 6 1。尽管目前国内外研究者已对侧摩阻力的几种影响因素进行分析并提出了相应的影响系数及侧阻的预测公式，但目前所考虑的影响抗拔桩侧摩阻力的因素并不全面，而且大部分因素的影响都仅局限在定性分析上，还没有明确的定量的分析。同时，桩受上拔荷载作用发生拉伸变形是一个动态的变化过程，这就使得土体的侧压力也会随之而不断变化，从而影响到桩侧摩阻力的动态变化。这种动态变化要如何体现仍需要研究人员进一步探索。1 2 3 关于抗拔桩的破坏特性及承载力对于抗拔承载力问题，是目前研究者研究探讨得最多的问题。B a l l a l l 7 1(1 9 6 1)以及M e y e r h o f 和A d 锄s【l s l(1 9 6 8)开始考虑这一问题，并提出了抗拔桩的极限抗拔承载力。目前，通过对试验及实际工程的分析，有研究者提出抗拔桩的破坏形态可分为三类：倒锥台剪切破坏；沿接触面剪切破坏；复合剪切破坏。研究表明，等截面桩上拔时的破坏形态与桩的长径比(L d)有关，对于短桩(L d 2 0)则主要呈现为沿接触面剪切破坏面；对于中长桩(1 0 L d O)，k。取很大的值，当接触面已经拉开时(盯。0)，k取很大的值，当接触面已经拉开时(盯。0)，七。取为很小的值。由于进行这样的考虑，计算出的结果当法向刚度系数发生变化时，荷载沉降曲线几乎没有变化，所以对这一参数的影响不予考虑。综上所述，对单桩承载力(包括抗拔承载力及抗压承载力)影响明显的因素主要有：桩的直径、桩长及桩侧极限侧阻力，这里桩径的变化则充分体现了泊松效应的影响，桩径越大则泊松效应就越明显。土体的弹性模量及初始剪切刚度的变化对单桩承载力影响也较为明显，而桩体的弹性模量及土体的泊松比对单桩承载力的影响则并不很明显。针对抗压桩，桩端极限端阻力的变化对单桩的抗压极限承载力也有较为明显的影响，但主要体现在曲线的后半段。3 6 本章小结本章主要应用第二章所建立的单桩受荷时的单桩一土体体系的力学模型，分别进行抗拔承载性能及抗压承载性能的分析。(1)为了便于分析，考虑比较简单的情况，对单桩一土体体系中各参数对单桩的抗拔承载性能及抗压承载性能的影响分别进行分析，综合比较在竖向荷载作用下体系中各参数对单桩土体体系承载性能的影响。(2)应用第二章所建立起来的力学模型，对实际的工程实例进行计算，并将哈尔滨工业大学工学硕士学位论文计算结果与实测结果进行对比。由于考虑了桩体的泊松效应的影响，文中的计算结果与实测结果吻合得比较好，并且分析方法建立过程也比较简便，便于工程人员应用。(3)尽管本文将桩体单元简化为轴对称的单元模型，但所采用的分析方法涉及的参数仍比较少，因而迭代计算收敛速度比较快，便于工程人员的实际分析。同时本方法不仅适用于抗拔桩计算，而且适用于抗压桩的计算，同时还可以适用于不同材料桩体的计算，这说明本方法的适用性较强。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4 章在上拔及下压荷载作用时单桩侧摩阻力分析4 1 概述目前关于抗拔桩与抗压桩承载性能的对比分析很少，而针对二者有关侧摩阻力方面的对比分析也很少。尽管大部分文献指出抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力不同，并提出了各种影响因素，这些因素已在第一章中有所论述，同时分析了这些因素对抗拔桩与抗压桩侧摩阻力的发挥的影响。然而，由于缺乏大量的实测数据来加以验证同时由于各种技术手段及具体条件所限，使得这些因素对桩侧摩阻力发挥的影响效果不能得到定量地分析。尽管如此，人们仍然根据已有的资料得出了一些具体的经验计算公式，这在第一章中也有所论述。本章仅就抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力的分布及其发挥程度进行分析，并考虑桩的长径比对其影响。同时为了单纯地比较抗拔桩与抗压桩的桩侧摩阻力分布，应使作用在抗拔桩与抗压桩侧表面的总力相等。为此在计算桩侧摩阻力时，认为抗拔桩单桩的抗力由两部分组成，一部分是桩的自重，另一部分是桩侧阻力的总和，因而在对抗拔桩进行计算时将桩的自重从桩顶作用荷载中减去。此外，由于抗压桩承载力包括桩侧摩阻力及桩端阻力，那么要进行桩侧摩阻力的对比就必须将抗压桩承载力中的端阻力部分的影响排除，所以在桩顶作用荷载中再减去相同的抗压桩的桩端阻力。同时，对抗压桩进行计算时，对桩顶作用荷载要考虑桩的自重，这里考虑的是桩土相对自重，即桩体比同体积土体多出的那部分重量。+4 2 抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力的分布由于目前人们对抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力的对比分析很少，相应的实测资料就更少，同时也为了便于分析，因而本章计算所采用的工况选取较为简单理想的情况，具体参数如表4-1 及表4 2 所示。其中表4 1 所示的参数是针对土质好的情况，而表4-2 所示的参数是针对土质较差的情况。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4 1 模型参数参数桩的弹桩的土的弹性土的初始剪切极限侧极限端名称性模量泊松模量泊松刚度阻阻(G P a)比(M P a、比f M P a)(K P a)(K P a)参数值2 00 1 87 50 32 57 54 0 0 0表4-2 模型参数参数桩的弹桩的土的弹性土的初始剪切极限侧极限端名称性模量泊松模量泊松刚度阻阻(G P a)比(M P a)比(M P a)(V-e a)(K P a)参数值2 0O 1 81 5O 31 34 01 2 0 0应用第二章建立的桩一土体系的力学模型，对抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力的分布进行分析。这里两组参数均取直径为0 4 m 的桩，针对不同长度时分别进行的计算。第一组参数对应的桩侧摩阻力的分布对比如图4 1 至图4 5 所示，第二组参数对应的桩侧摩阻力的分布对比如图4，6 至图4 1 0 所示。而各图中的图标分别表示：S 眦s s 表示桩的切向应力；Y 表示抗压桩；B 表示抗拔桩；P Y 表示桩项作用荷载值；P T 表示抗拔桩与抗压桩各单元侧摩阻力比值的平均值；。P F 表示桩侧土体的极限摩阻力。图4-11 0 m 桩侧阻力的分布堕尘鎏三些查主三耋堡圭兰篁堡圣图4-21 5 m 桩侧阻力的分布6 0 坠堡堡三些查兰三兰堡圭兰兰鎏兰图4-32 0 m 桩侧阻力的分布一6 1 堕玺鎏三些盔兰三兰堡圭兰堡篁圣图4 42 5 m 桩侧阻力的分布6 2 堕童堡三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏兰图4-53 0 m 桩侧阻力的分布-6 3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对比图4 1 中的(a)、(b)、(c)及(d)图可以看出，随着荷载的增长，桩侧摩阻力由上到下逐渐减小，尤其是抗压桩，而抗拔桩的桩侧摩阻力也是由上到下逐渐减小，但在桩体下部接近桩底的土层中，桩侧摩阻力则稍微有所增加。而且抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力的分布都比较均匀，尤其是图4 1(d)，各单元的桩侧摩阻力几乎相同，同时可以看出，对于抗压桩桩侧摩阻力已接近达到极限值，对于抗拔桩桩侧摩阻力也接近极限值，而且分布较均匀。由图4 1(a)、图4 2(a)、图4 3(a)、图4 4(a)、图4-5(a)可见，在荷载较小时，长度不同的桩，桩长度较短时桩侧摩阻力分布是比较均匀的。随着桩长度的增加，桩侧摩阻力的分布由上到下逐渐减小，桩侧摩阻力分布的不均匀性越来越明显。由图4-5(a)可见，桩侧摩阻力在桩底时已经相当小了，对于抗压桩桩底侧摩阻力只有1 2 8 K p a，而抗拔桩桩底侧摩阻力只有1 5 1 K p a。而在桩顶附近，各种长度的桩桩侧摩阻力基本相同，均在1 5 K p a 左右。这样使桩侧摩阻力比值的平均值随桩长的增长而减小，抗压桩桩侧摩阻力的平均值由1 2 4 K P a减小到5 7 6 K P a，而抗拔桩桩侧摩阻力的平均值则由9 4 3 K P a 减小到2 5 5 K P a。由此可见，抗拔桩的桩侧摩阻力要比抗压桩的桩侧摩阻力小而且随着桩长度的增长，抗拔桩桩侧摩阻力平均值与抗压桩桩侧摩阻力平均值的比值越来越小，比值由O 7 6 减小到0 4 4。此外，由图可见，抗压桩的桩侧摩阻力随深度的增加而递减，而抗拔桩的桩侧摩阻力也随深度而递减，但是在桩底附近抗压桩的侧摩阻力减小到最小，而抗拔桩的侧摩阻力又有所增加。这主要是由于抗拔桩在上拔荷载作用下，桩周土体有向桩中心收拢的趋势，这使桩下部两侧土体与桩体下部挤压更为紧密，该处的侧摩阻力相应有所增长；而抗压桩由于桩端附近土体变形不协调，使桩端附近土体的应力水平下降，该区域侧摩阻力相应减小。对比图4-1(d)、图4-2(f)、图4-3(曲、图4-4(h)、图4 5(h)可见，当桩顶附近的侧摩阻力接近极限值时，随着桩长的增长，桩下部的侧摩阻力越来越小，由图4 5 m)可见桩下部侧摩阻力要比桩侧极限侧阻力小很多。这说明长径比对桩侧摩阻力的分布有很大的影响。当长径比不是很大时，如图4 1(d)、图4 2(f)、图4 3(曲、图4-4(h)所示，此时长径比从2 5 到6 2 5，桩侧摩阻力的分布还是比较均匀的，而且抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力比值的平均值比较接近，均哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在O 9 5 7 附近。而长径比较大时，即图4-5(h)所示，此时长径比为7 5，桩侧摩阻力的分布略显不均匀，此时侧摩阻力平均值的比值为O 9 5 5。图4-6l O m 桩侧阻力的分布哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4 71 5 m 桩侧阻力的分布图4-82 0 m 桩侧阻力的分布6 6 竺查堡三些查兰三兰蟹圭主竺鎏圣图4-92 5 m 桩侧阻力的分布6 7 堕查堡三些查兰三兰堡圭耋竺鎏兰6 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4 1 03 0 m 桩伽阻力的分布对于不同土质尤其是土质较差时，情况也是如此，可以得出相同的结论，这可以从图4-6 至图4 1 0 所示的结果中看出。此外，土质较差时，桩侧摩阻力分布更为不均匀，而且当桩侧摩阻力接近达到极限侧摩阻力时，抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力平均值的比值要比土质好时更小，均在0 9 2 左右。而一般桩的工作荷载均为其极限荷载的一半左右那么这种比值均在O 8 左右。综上所述，桩的长径比对桩侧摩阻力的分布以及抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值的平均值影响较大，随着长径比的增长，桩侧摩阻力的分布越来越不均匀，而且抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值的平均值也越来越小。分别对比图4-1至图4 5 与图4 6 至图4 1 0，可以发现桩侧土体的土质条件对桩侧摩阻力的发挥及抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力比值的平均值影响同样很大。而一般的土质条件都类似于第二种情况，因而该比值在正常使用荷载作用时，大致在0 5 0 8左右，这与各种规范及现有的各文献所提供的范围基本一致。为了迸步分析长径比对抗拔桩与抗压桩桩侧摩阻力比值的平均值的影响，因而下面对不同直径不同长度的桩分别进行分析。由于篇幅所限，本文仅针对直径为0 4 m 桩在不同长度时桩侧摩阻力的分布进行分析并绘制相应的侧摩阻力分布图。当桩径变化时，上述的规律是相同的，因而这里并未给出其它桩径时侧摩阻力的分布图。4 3 不同长径比对抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值平均值的影响为了能了解不同长径比对抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值平均值的影响，本哈尔滨工业大学工学硕士学位论文节利用第二章建立的桩一土体系力学模型来对不同直径不同长度的桩进行计算，从而得到相应的相同荷载、不同长径比时的侧摩阻力比值的平均值与长径比的关系曲线。为了便于分析，这里仍然采用比较简单的工况，仍采用上一节采用的两组参数。这里只是改变了第二组参数所对应的桩的直径，所得的结果如图4 1 1 及图4 1 2 所示。而图4-1 1(a)为直径为0 4 m 的桩，针对第一组参数所对应的桩的长径比与抗拔桩相对于抗压桩侧摩阻力比值的平均值的关系图，而图4-1 1(b)为直径为O 4 m 的桩，针对第二组参数所对应的桩的长径比与抗拔桩及抗压桩侧摩阻力比值的平均值的关系图，图中的L D 表示了桩的长径比，而P T 则表示抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值的平均值。图4 1 1 中的图标P 表示桩顶作用的荷载，而P T T 则表示每条曲线上各点的平均值。(a)i 一图4 1 1L D 与P T 的关系嚣慧臻慧臻嚣臻臻嚣慧揽哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由图4 1 1 可以看出，当荷载相同桩的直径也相同时，桩的长径比与抗拔桩相对于抗压桩侧摩阻力的比值的平均值之间的关系近于线性的，而且该平均值随着长径比的增长而减小。这是由于相同荷载作用时，抗拔桩的荷载首先要克服桩的自重之后才能使桩体发生变形，从而使桩侧摩阻力逐渐发挥出来，而相同直径的桩，长径比越大，桩的自重也就越大，因而相同荷载作用在桩顶上时，桩的长径比越大，抗拔桩所承担的实际侧阻力就越小。图4 1 1 中的各图最上面的曲线都是针对桩一土体系达到极限承载时所对应的荷载，对比图4 1 1中的两个图可以看出，随着桩直径的增长，抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值的平均值会越来越小，而且其值相对较大，当土质不同时，这种变化也不完全相同。当土质较好时，也就是针对第一种土参数情况，桩顶作用的荷载由2 0 0 K N变第到1 4 0 0 K N，而平均值则从O 6 3 3 变化到O 9 4 6，而当土质条件较差时，也就是针对第二种土参数的情况时，桩顶作用的荷载由2 0 0 K N 变化到1 0 0 0 K N，相应的平均值则从O 6 1 6 变化到O 8 9 8。这说明，抗拔桩与抗压桩侧摩阻力比值的平均值与桩的长径比有关，是随桩的长径比变化两发生变化的，而且还与所在土层的土质条件有着密切的关系。因而目前各种规范所介绍的经验公式单纯用一个抗拔折减系数来考虑抗拔桩侧摩阻力对于抗压桩侧摩阻力的减小是不全面的而且过于笼统此外，从图中可以看出，即便是仅以一个抗拔折减系数来进行抗拔桩设计，对于“公路桥涵地基与基础设计规范”所给出的0 6 的折减系数也是过于保守，这样必会造成不必要的浪费。当然本文提供的计算结果也仅是对该问题的初步探讨，所得出的结论由于缺少实际工程的检验，还不能完全说明其结果的适用性，而且本文仅就影响因素中的一个问题展开讨论，并没有考虑到其它的影响因素，诸如荷载方向；桩土界面间的摩擦作用的剪胀(剪缩)性能；荷载反向(主要是指抗拔桩先受压沉桩再承受上拔荷载作用)引起桩周土体颗粒重新排列而导致桩土界面摩擦角的变化等等，因而所提供的比值变化也只能给工程人员提供相应的参考。但仅就目前各地利用国家颁布的规范