桩周土体静阻力模型研究及在打桩中的应用

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 摘要： 基于桩侧土体和桩端土体的变形与破坏机理不同，以及土力学 理论 、有关室内和现场试验结果，并为简化起见，分别采用双曲线模型、理想弹塑性模型来描述桩侧土体静阻力和桩端土体静阻力特性。考虑桩身自重及桩周土体阻力作用建立了一维动力打桩波动方程，采用有限差分法进行求解，编制了基于上述土体模型的打桩 分析 软件ADP，并用该软件对某海洋桩基平台的打桩工程进行了数值分析。结果表明，本文建立的模型更符合实际情况，有助于提高分析精度。 

关键词： 双曲线模型 理想弹塑性 波动方程 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 R s (i,t)( 下文简写为 R s ) 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 R s -S 的关系曲线，如图 2 中 (a) 可用下式表示： R s =S/(a+bS)  (1)     式中： a 、 b 为待定系数。