横向承载群桩性状及承载力研究

极限荷载时
最大弯矩 (N·m) 最大弯矩位置 (cm)
位移零点 (cm)
单桩 752198
24 70
双桩
( 铰) ( S = 4 d)
双桩
( 固) ( S = 4 d)
712188 25 68
68153 28 69
790100 24 70
531606 37 82
216 排桩中各桩受力的不均匀性
根据桩身内力的实测结果分析 ,水平力在桩群中的分配是不均匀的 。这是由于桩土间的
响也是很小的[1 ]) ,桩前的土体处于半无限体状态 , 与单桩所处的状态相近 , 其分配的水平力
最大 ,且与单桩承载力相近 ,见图 3 。试验结果表明 :前后桩距愈小 , 后桩土反力系数因相互影
响而降低就愈大 ,水平力分配的不均匀性就愈明显 , 见图 2 , 3 , 4 。当桩距由小变大时 , 后桩的
H多循环 = [1 - φ( n) ] H常规
(1)
式中 系数 φ( n) ,对单桩取 01115 ,对双桩取 01062 。
213 桩距与桩数的关系
当桩所承受的横向荷载较小 ,桩间土体处于弹性状态时 , 土中应力传播后重迭的影响 , 随
着桩距的增大而减小 ;当所受荷载较大 ,桩间土体达到塑性状态时 , 由于前后桩间土体塑性区
数愈多 ,桩与桩的相互干涉影响愈显著 ,沿荷载方向的影响远大于垂直荷载方向的影响 。
图 1 不同桩距对双桩承载力的影响 图 2 桩距对 P - Y 曲线的影响
214 桩在泥面下深度的影响 由桩身的变形产生土的反力 ,群桩中各桩的土反力 , 前后桩相差较大 , 并发生在泥面下的
浅土层 。前桩的浅层 P - Y 曲线较后桩的要大 , 其受后桩的影响极小 , 与单桩的相近 。这主 要是由于桩的变形和群桩之间土体的塑性区的交叉重迭主要在桩入土的上部发生 。根据分 析 ,群桩泥面以下 ,桩土应力应变互有影响的范围为 x < 10 D ( D 为桩径) 。前桩之前的土体处 于半无限体状态 ,与单桩所处的状态相似 ,故其所受到的侧土抗力接近于单桩 , 而后桩由于其 桩前土体破裂面交叉而导致土棱体的松弛 ,桩所受到的侧土抗力减小 ,使后桩承载力降低 。 215 桩顶嵌固的影响
的重迭 ,使桩间土体受到扰动 ,其影响范围随桩距的加大而减小 。由试验分析可知 , 群桩水平
承载力和群桩中“后桩”的 P - Y 曲线 , 随桩距的减小而降低 。当桩距大于 8 倍桩径时 , 接近
于单桩 ,见图 1 ,2 。
桩与桩的相互影响 ,主要通过土介质传递 , 表现为桩侧土反力系数的降低 。桩距愈小 , 桩
配的 。排桩中 ,在荷载方向的前面第一根桩 (即前桩) 的性状与单桩接近 。现定义排桩中各桩
承载力效率系数为排桩中各桩承载力与常规试验单桩承载力之比 。在荷载作用方向第 m 根
桩的承载力效率系数ηm 可按下式计算 :
η1 = 1 - φ( n)
ηm = [ 1 - φ( n) ] [ m ·果η表m2( m - 1)ηm - 1 ] ( m ≥2)
文 摘 本文在调查研究和模型试验的基础上 ,对群桩的工作性状与破坏机理 、单桩与群桩的应 力应变关系进行分析研究 。提出了群桩承载力分配不均匀的效率系数公式和把排桩中“后桩”修 正为单桩计算的土反力折减系数公式 ,并得到工程实例的验证 。 关键词 多循环 ,加载方式 ,承载力效率系数 ,土反力折减系数 。
ηm = 1 - 5 [ 1 - (016 - 0125 k) d (013 +012 k) ] (1 - m - 0122)
(3)
式中 k 为桩头固接度 , 桩顶完全嵌固 , k = 1 , 桩顶自由时 k = 0 ; d 为桩间距与桩径之比 , 即
S / D 。用 m 与 ( m - 1) 分别代入式 (3) 中的 m ,即可得ηm 与ηm - 1
在桩土体系中 ,水平荷载在开始时主要由靠近地表面的土承担 。荷载较小时 ,地基土处于 弹性压缩阶段 ,压力从桩上部传递到较深的土中 。再继续加载 , 土产生塑性屈服 , 且它还将所 受到的荷载传递到更大的深度 。由于桩的刚度影响着桩的挠度 , 因而桩的刚度也成为桩侧向 承载力的一个主要因素 。
桩在土中的刚度 ,已不是桩在无介质情况下的刚度 , 而是在特定荷载大小和比值及桩 、土 的物理 、几何特征下 ,反映桩 - 土共同作用的一个综合刚度[2 ] 。
相互作用 ,桩与桩之间的相互影响而产生 。主要表现为 :
(1) 小荷载时 ,各桩产生的应力相互重迭 ,致使土体提前进入破坏状态 。
(2) 前桩的向前位移 ,使后桩的桩前区出现应力松弛 , 在位移较大时 , 桩土间出现裂缝 , 塑
性区交叉重迭 ,从而使得后桩的桩前土抗力系数随位移增大而递减 。
由于前桩的土反力系数基本不受相互影响而削弱 (Nabil F. Ismael 指出 , 桩受左右桩的影
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(2)
式中 φ( n) 为加载方式影响系数 ,对常规试验φ( n) = 0 ,对单向多循环试验 ,单桩 φ( n) = 01115 ,双
桩 φ( n) = 01062 ,对双向多循环试验 ,φ( n) = 01198e - 015 n ( n 为桩数) 。ηm ,ηm - 1为第 m 根桩前或第
m - 1 根桩前的各桩平均效率系数 ,经试验计算分析 ,可由日本玉置公式[3 ,4]计算。
桩受循环荷载后 ,使桩周土体松动 ,土抗力降低 ,承载能力降低 ,浅层土体降低较多 ,深层土
到稿日期 :1995 - 03 - 23.
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在循环荷载作用下 ,当荷载较小 ,桩前土体处于弹性范围时 ,循环对桩土的影响可以忽略 。 当荷载较大 , 土开始产生塑性变形时 , 其影响便不容忽略 。群桩的桩间土受到的扰动较单桩
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1 前 言
随着港口建设事业的发展 ,外海开敞式码头和海上采油平台的不断兴建 ,水平荷载成为其控 制荷载。过去一般通过设置叉桩或半叉桩来承受水平荷载。工程实践表明 ,打斜桩的施工费用 比打直桩的要高出 20 %～22 % ,且桩的抗弯性能也得不到充分发挥。目前 ,国内外对横向承载桩 群的研究资料甚少 ,而工程建设的需要使得对横向承载桩工作性状的研究日趋迫切。由于群桩 的原型试验不仅比单桩困难很多 ,而且所需费用非常高。为了研究在单向循环荷载作用下 ,横向 承载桩 (群) 工作性状、破坏机理、群桩效应、水平力在各桩中的分配规律、桩的 P - Y 曲线等 ,结 合修订《高桩码头》规范 ,我们进行了模拟试验 ,在此基础上进行了分析研究。试验条件 :模型桩 为直径 60mm ,壁厚 317mm ,长 3m(其中入土深度 211m) 的铝合金管 ,弹性模量为 7MPa ,模型土为 中细砂 ,比重 2618kN/ m3 ,重度 18kN/ m3 ,内摩擦角 36°,含水量 5 % ,砂土处于中密偏松状态。加 载方式 :侧向常规循环加载 (每级荷载循环 5 次) ,侧向多次循环加载 (每级荷载循环 50 次) 。
2 工作性状
211 受荷方式的影响 在实际工程中 ,桩的受力常常是多种多样的 。一般说来 , 桩在承受横向荷载的同时 , 也承
受垂直荷载 。垂直荷载对桩顶横向承载力的影响 , 主要取决于横向荷载下桩的破坏机理 。对 于桩身强度较高的钢管桩 、预应力钢筋混凝土桩而言 ,由于这类桩在横向荷载作用下的承载能 力往往是由桩的水平位移来控制 ,因而垂直荷载对这类桩的影响一般可以忽略 。而对于桩的 横向承载力以桩身强度进行控制的低标号桩 ,如配筋率较低的灌注桩 ,垂直荷载的影响比较明 显 。此时桩由纯弯状态变为压弯状态 。垂直压载产生的压应力可以抵消很大一部分桩身受弯 的拉应力 ,从而使横向承载力得以提高 ,对于低桩台 ,一般可以提高 20 %～40 %左右 。 212 循环方式的影响
桩顶固接 ,桩的抗弯刚度明显提高 ,桩身弯矩减小 ,桩顶弯矩加大 。桩身最大弯矩点的位
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第 6 期
3 横向荷载在群桩中的分配
横向荷载在群桩中如何分配 ,是工程设计中的实际问题 。由于横向承载桩受承台 、桩 、土
相互作用的影响而变得比较复杂 。加之原型试验资料有限 , 对其工作性状和破坏机理尚不很
清楚 ,有关计算方法不够完善 。本文从试验入手 , 进行有关分析 , 提出横向承载桩排中各桩的
承载力的计算方法 。正如前述 ,排桩或荷载作用方向的桩列中的各桩横向承载力是不均匀分
谢耀峰 1 横向承载群桩性状及承载力研究
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置和位移零点的位置下移 , 见表 1 。土 表 1 位移零点
的塑性区向深层发展 , 能充分发展深层 土的抗力 , 从而提高了桩顶固接群桩的 水平承载力 , 减小了水平位移 。模型试 验表明 ,桩泥面处位移为 5mm 与 10mm 时的承载力分别提高为 42 %与 25 % 。
第 18 卷 第 6 期 1996 年 11 月
岩 土 工 程 学 报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol. 18 No. 6 Nov. , 1996
横向承载群桩性状及承载力研究
谢 耀 峰
(南京交通高等专科学校 ,210018)
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岩 土 工 程 学 报
1996 年
体降低较少 ,试验表明 :在每级荷载下 ,随着循环次数的增加 ,水平位移都有所增加。在小荷载作
用下 ,位移增量较小 ,而在较大荷载下 ,位移增量较大。尤其是最初的 10 次循环中 ,位移增量尤
其明显。位移量随循环次数的增加而增加 ,但位移增量相对减小 ,当循环次数达到 40～50 次时 ,
夯实 ,以提高桩侧地基土的水平反力系数 。 (2) 对泥面以下 1 D 之内浇注素混凝土于桩身周围 (套圈) 。桩基受荷时 , 套圈这种混凝土
地坪将与桩基共同作用而分担一部分横向荷载 。 试验结果表明 ,对桩基采取的这些工程措施 ,确能提高桩的横向承载力 。如套圈可使桩的
临界承载力提高 40 % ,极限承载力提高 30 % ,研究结果与文献[1 ]的结果相近 。 218 试验中的桩土特性
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岩 土 工 程 学 报
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大 ,土抗力降低较多 。各级荷载下 ,最大位移往往发生在施加循环的前 10 次 ,水平位移增量均 随着循环次数的增加而减小 ,最大弯矩位置下移 ,但桩身弯矩仍有所增加 。由于试验用砂的状 态 ,处于中密偏松 ,当受到扰动后 ,又以更加密实的形式排列 , 表现为硬化特征 , 侧向土压力相 对得到提高 ,桩的侧向位移相对减少 。试验结束时 ,泥面处桩前部留下的砂坑亦可表明桩前土 体的密度已得到提高 。
位移趋于稳定。常规试验仅循环 5 次 ,单向多循环试验为 50 次 ,两者比较 ,常规试验得出的横向
荷载特征值和地基土反力系数偏高 ,而单向多循环试验使桩周土体受到扰动较大 ,土抗力降低较
多。常规试验与单向多循环试验得出的屈服荷载和极限荷载比较 , 对单桩分别高 1115 %与
1215 % ,对双桩分别高 612 %与 811 %。桩在单向多循环与常规循环下的承载力有如下关系 :
土反力系数由小变大 ,当桩距达到某一值如 8 D 时 ,影响消失 ,与单桩相同 。
图 3 多循环试验单桩与双桩中前桩的关系 图 4 双桩中前后桩的 P - Y 曲线关系
217 工程措施对桩承载力的影响 (1) 从泥面围绕桩身开挖一深 3 D 左右的圆形坑 ,填以中碎石子等低压缩性材料 (抛石) 并