沉管灌注筒桩荷载_沉降曲线的拟合分析_朱向荣

沉管灌注筒桩荷载)沉降曲线的拟合分析朱向荣1,2叶俊能2,4姜贤放3谢庆道3

(1.浙江大学宁波理工学院,浙江宁波315100; 2.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州310027;

3.杭州和立桩基技术研究应用有限公司,浙江杭州310012;

4.杭州湾大桥工程指挥部,浙江宁波315010)

摘要:采用双折线荷载传递函数,推导出沉管灌注筒桩(简称筒桩)轴向荷载(Q))沉降(S)曲线的解析表达式.通过非线性优化算法,拟合实测的Q)S曲线,可得到桩土系统的工程力学参数,并由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲线.对一根筒桩的实测Q)S曲线进行了理论拟合,表明本文公式的有效性.利用本文退化公式,计算沉管灌注桩的Q)S曲线,并与筒桩进行比较.

关键词:土木建筑工程施工;沉管灌注筒桩;Q)S曲线;解析解;拟合分析

中图分类号:TU473.1文献标识码:A文章编号:1001-7119(2003)06-0481-04

Fitting Analysis of Q)S Curve of Driven Cast-in-place Tubular Piles

Z HU Xiang-rong1,2YE Jun-neng2JIANG Xian-fang3XIE Qing-dao3

(1.Ningbo Institute of Technol ogy,Zhejiang University,Ningbo315100,China;2.Ins ti tute of Geotechnical Engineering,Zhejiang Universi ty,

Hangz hou310027,China;3.Hangz hou Heli Pile Foundation Technology Research&Application Co.,L TD.,Hangzhou310012,China;

4.Engineering Contruction Headquarters of Hargzhou Bay Bridge,Ningbo315010,China)

Abstract:With bilinear load transfer function,a set of analytical equations for the axial load-settlement curves of driven cas-t in-place tubular piles are deduced.M easured Q)S curve are back figured by non-linear optimization approach and model parameters are found simul taneously,then distribution of axial force and skin friction along pile are calculated.M easured Q)S curve of one driven cas-t in-place tubular pile are fitted by theoretical analysis,then the resul ts are given to show the effectiveness of the meth-od.One driven cas-t in-place piles are analyzed by the method after degeneration,and dri ven cas-t in-place tubular pile and dri ven cas-t in-place pile are simply compared.

Key w ords:engineerin g cons truct of civil cons truction;d riven cas-t in-place tub ular p ile;Q)S curve;anal ytical solution;fi tti ng anal ysis

0前言

沉管灌注筒桩(简称筒桩)是在沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的一种新桩型,该技术是谢庆道先生自主研制开发的一项专利技术,专利号为ZL98233440.0[1].筒桩改变了普通沉管灌注桩的施工工法,采用内、外两层钢套管,套管上部与振动锤连接,下部与桩靴上的内、外支承面相接触,振动下沉,在成圆筒形孔的同时亦同步从内筒芯自动排出土体.筒桩属弱挤土桩,它既避免钻孔灌注桩孔底沉渣、废泥浆弃置困难之不足,又克服了沉管灌注桩挤土效应强而易对邻周环境造成不良影响及桩径小和承载力低等缺点,从而具有较大的经济、社会效益和广阔的市场前景.

目前,该技术已在杭宁高速公路长兴三标段(公路)、湖州段(桥梁),温州龙湾新城(深井)、温州洞头防波堤(海洋)、嘉兴名人国际花园(基坑围护)

第19卷第6期2003年11月

科技通报

B ULLETIN OF SCIENCE AND TE

C HNOLOGY

Vol.19No.6

Nov.2003

收稿日期:2002-10-15

基金项目:杭州市科技项目/沉管灌注混凝土筒桩与专用设备0研究(2001124B39)作者简介:朱向荣,男,1961年生,浙江义乌人,博士,教授,博士生导师.

等工程得到成功应用.然而目前对筒桩的理论研究尚属空白,工程实践迫切需要对筒桩进行理论研究.自1957年Seed 和Reese 提出荷载传递法[2]

,用于分析桩的承载特性,许多学者已取得了不少进展[3~9].本文用双折线荷载传递函数对筒桩的轴向荷载-沉降曲线进行了解析推导,通过优化算法,拟合实测的Q )S 曲线,可得到桩土系统的工程力学参数,并由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲线.对一根筒桩的实测荷载-沉降曲线进行了理论拟合,表明本文公式的有效性.利用本文退化公式,计算沉管灌注桩的Q )S 曲线,并与筒桩进行比较.

1 筒桩的轴向荷载)沉降曲线的 解析算式

对于双折线荷载传递函数的简化和参数选取,国内外一些学者已经报道过有关研究成果[6~9]

.筒桩和土的力学模型如图1所示,

其中假设桩体为弹

图1 桩土体系的简化力学模型

Fig.1 Simpli fied mechanical model of pile -soil system

性体,桩内外两侧土体抗剪弹性极限位移S u 相同,C sa 、C sb 分别是桩外侧土S u 前、后对应的抗剪刚度系数(kN P m 3

);C ta 、C tb 分别是桩内侧土S u 前、后对应的抗剪刚度系数(kN P m 3

);k a 、k b 分别是桩底土抗

压弹性极限位移S bu 前、后对应的抗压刚度系数(kN P m 3

).随桩顶荷载的增大,桩周土将由浅向深逐渐进入塑性硬化阶段直至破坏.

1.1 桩周土全部处于弹性阶段

当荷载较小,桩周土全部处于弹性状态时,桩体截面位移S (z )应满足如下方程:

E A d 2S (z )d z

2-(C sa U +C ta U t )S (z )=0

E A d 2

S (z )d z

2

|z =l =-Q B ,S (z )|z =l =S B (1)式中,Q B 和S B 代表桩底所受反力和桩端沉降;E 、A 分别是桩的弹性模量和环状横截面积;U 、U t 分别是筒桩的外侧和内侧周长.记

B a =

C sa U +C ta U t

EA

,B b =C sb U +C tb U t

EA

由式(1)可导出桩顶的荷载Q 和沉降S Q =B a E AS B #sh(B a l )+Q B #ch(B a l )S =S B #ch(B a l )+Q B #sh(B a l )P (B a E A )

(2)

1.2 桩侧土部分进入塑性硬化阶段

当桩顶沉降大于S u 时,继续增大荷载将会使桩侧土由浅至深逐渐进入塑性状态.截面C 以上桩段l a 为塑性段,以下为弹性段l b (l b =l -l a ),显然,在l a =0~l 条件下S C =S u ,见图2示.由于图中BC 段桩侧土处于弹性阶段,若将式(2)中的l 以(l -l a )代替,则由上文公式和方法便可求得与该l a 对应的Q C .则图2中OC 段桩的微分方程和边界条件可表示为

EA d 2

S (z )d z

2-(C sa U +C ta U t )S u - (C sb U +C tb U t )(S (z )-S u )=0EA d 2

S (z )

d z

2

|z =l

a

=-Q C ,S (z )|

z =l

a

=S C

(3)

图2 桩周土部分进入塑性状态

Fig.2 Model of pile -soil system wi th partical plasticity

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科 技 通 报第19卷