O-CELL试桩法的若干基本问题

论文摘要

O-cell试桩法作为一种新的试桩技术已在国内外许多重大工程中得到应用,但是该法在理论上存在的问题还没有得到系统的归纳和解决。其中,如何由O-cell试桩结果确定整桩竖向承载性能是有关O-cell试桩法研究的根本问题,这也是O-cell试桩法研究中的热点和难点。解决该问题涉及O-cell试桩法若干基础性问题的研究:如何分析和应用O-cell试桩结果,进而确定桩侧阻力和桩端阻力参数;O-cell试桩中上桩与下桩之间相互作用的程度,如何分析上、下桩之间的相互作用;上桩在O-cell试桩时受桩底上顶作用,而在传统静荷试验时相应上桩段受桩顶下压作用,加载方式对上桩桩侧阻力性能的影响机制和考虑方法;最后,如何利用O-cell试桩结果合理确定在竖向荷载下整桩的荷载沉降曲线。为研究以上问题,本文建立了O-cell试桩桩土体系和传统静荷试桩桩土体系的模拟分析模型,模型由桩、桩周土和桩土接触面三部分组成,采用有限元法对桩土体系受力进行分析,桩采用线弹性力学模型,桩周土采用邓肯-张力学模型,桩土接触面采用无厚度的Goodman单元,并采用双曲线型剪应力-切向位移差的力学模型。O-cell试桩桩土体系中荷载箱顶面与底面以荷载边界模拟。本文提出了通过拟合O-cell荷载位移曲线和各级桩轴力曲线确定桩土接触面和桩周土力学模型参数的方案,并给出了拟合过程中调整模型参数的原则和细节。通过对一个实际工程O-cell试桩结果的拟合分析验证了本文提出的确定桩侧阻力和桩端阻力参数方案的可行性。本文利用O-cell试桩体系模型模拟分析了上桩桩底单独加载、下桩桩顶单独加载、上下桩同时加载三种加载方式下上下桩的性能,通过比较三种加载方式下桩土的变形和受力差异研究了上下桩之间的相互作用及影响程度。结果表明,如果载荷箱位于较好的土层中,在O-cell试桩中上下桩的相互作用影响通常很小,可以忽视不计。实际上,在工程实践中,载荷箱通常都放置在较好的土层中。同时研究表明,场地土层条件、桩长、桩径对O-cell试桩中上下桩相互作用影响程度很小,可以忽略。本文不考虑桩端阻力模拟分析了在桩顶下压、桩底上顶、桩顶上拉三种加载方式下桩的性能,研究了加载方式对桩侧阻性能的影响机制。比较三种加载方式的分析结果发现,在桩顶上拔和桩底上顶两种加载方式下,竖向荷载引起的附加桩侧向应力比?为负,使总的桩侧向压应力减小,而在桩顶下压加载方式下,竖向荷载引起的附加桩侧向应力比α为正,使总的桩侧向压应力增加。另外,研究了土的类型、桩长、桩径对不同加载方式下附加桩侧向应力比的影响。基于上述结果,本文认为不同加载方式的附加桩侧向应力的不同应是其侧阻力不同的根本原因。基于上述关于不同加载方式下桩侧阻力不同的机制研究,建立了一个可以考虑接触面侧向压应力对接触面力学参数影响的模型,该模型给出了在加载过程中接触面的最终剪应力值τult、最大切向刚度Kτ,max与桩侧向压应力比α之间的关系,并基于破坏时桩土相对位移等效原则给出了确定该模型中的关键参数——等效侧压力比的方法。利用所建立的模型可以由桩底上顶加载时接触面力学参数确定桩顶下压时接触面力学参数。反之,也是适用的。采用所建立的模型考虑加载方式对桩侧阻力的影响,利用桩底上顶的测桩资料对桩顶下压时桩的性能进行了模拟分析。分析结果表明,桩顶下压加载方式下的桩承载力比桩底上顶加载方式下桩的承载力有明显的提高,其提高的程度与工程经验相一致。本文考虑加载方式对上桩侧阻力的影响,建立了两个由O-cell试桩结果确定整桩P-S曲线的途径。对一个O-cell试桩实例的分析表明,本文所提供的方法是可行的。本文方法能提供一条包含直线段、过渡段和破坏段的整桩完整的荷载沉降曲线,完全适用于按有关规范规定的准则确定整桩的极限承载力,与现有其他方法所确定的整桩荷载沉降曲线比较表明:等位移法和等荷载法由于没有考虑上桩的压缩量,所确定的荷载沉降曲线显著地低估了桩顶沉降;简化法和精确法所给出整桩荷载沉降曲线与本文方法A和方法B确定的整桩荷载沉降曲线的相应段较为接近,但这一点还需进一步验证,然而这两种方法只能提供仅包括直线段和部分过渡段的不完整的整桩荷载沉降曲线;本文提出的方法B比方法A在理论上更合理,在由O-cell试桩资料确定整桩荷载沉降曲线时还可以考虑场地土层、桩径和桩长的影响。由方法B荷载沉降曲线确定的整桩极限承载力比由方法A确定的约高10%;由O-cell试桩结果确定整桩极限荷载的流行公式低估了整桩的极限荷载,大约2030%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 单桩承载力确定方法
• 1.2.1 载荷试验
• 1.2.2 动力测定桩承载力的方法
• 1.2.3 静力触探、标贯试验确定单桩的承载力
• 1.2.4 单桩承载力O-cell 试桩
• 1.2.5 单桩荷载-沉降曲线计算理论
• 1.2.6 荷载-沉降曲线的数学拟合方法
• 1.2.7 高承载力桩的极限荷载确定方法
• 1.3 O-cell 试桩法的应用及研究现状
• 1.3.1 承载力计算方法
• 1.3.2 整桩荷载位移曲线的确定方法
• 1.4 O-cell 试桩存在的问题
• 1.5 课题研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 O-cell 试桩体系及试桩方法的模拟分析
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型
• 2.2.1 桩身材料的力学模型
• 2.2.2 土体的力学模型
• 2.2.3 桩土接触面的力学模型
• 2.3 模拟分析方法
• 2.3.1 土介质非均匀性的模拟
• 2.3.2 非线性的模拟
• 2.3.3 荷载的模拟
• 2.3.4 边界条件的模拟
• 2.3.5 排水条件及固结类型的模拟
• 2.4 求解过程及计算程序流程
• 2.4.1 模拟分析过程
• 2.4.2 增量迭代法求解过程
• 2.4.3 单元的刚度计算
• 2.4.4 接触面单元的刚度计算
• 2.4.5 计算程序流程图及计算程序
• 2.5 本章小结
• 第3章 O-cell 试桩结果的拟合及桩阻力参数的确定
• 3.1 引言
• 3.2 桩阻力的确定
• 3.2.1 方法、步骤及资料
• 3.2.2 桩阻力参数的确定过程
• 3.2.3 调整模型参数的原则及细节
• 3.3 一个确定桩阻力参数的实例
• 3.3.1 工程资料
• 3.3.2 桩阻力参数反演采用的有限元模型
• 3.3.3 桩阻力参数的确定结果
• 3.3.4 桩侧阻力模型及参数的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 在O-cell 试桩中上下桩的相互作用
• 4.1 引言
• 4.2 模拟分析的工况
• 4.3 相互作用对上桩的影响
• 4.3.1 在上桩单独加载和上下桩同时加载情况下上桩性能的比较
• 4.3.2 在下桩单独加载情况下上桩的受力和变形
• 4.4 相互作用对下桩的影响
• 4.4.1 在下桩单独加载和上下桩同时加载情况下下桩性能的比较
• 4.4.2 在上桩单独加载情况下下桩的受力和变形
• 4.5 本章小结
• 第5章 加载方式对桩侧阻力影响的机制
• 5.1 引言
• 5.2 模拟分析的工况及参数的选取
• 5.2.1 模拟分析的工况
• 5.2.2 有限元模型及网格划分
• 5.2.3 模型中参数的取值
• 5.3 不同加荷方式下的分析结果及比较
• 5.3.1 P-S 曲线
• 5.3.2 桩侧阻力发挥水平
• 5.3.3 桩土接触面相对位移
• 5.3.4 桩身轴力曲线
• 5.3.5 桩周土径向应力
• 5.4 加荷方式对桩侧阻力影响机制
• 5.5 桩周土应力水平
• 5.6 本章小结
• 第6章 考虑加荷方式影响的桩侧阻力模型及桩承载性能模拟分析
• 6.1 引言
• 6.2 考虑桩侧压应力影响的接触面力学模型
• eq的确定'>6.3 参数（1-α）_eq的确定
• 6.4 考虑加载方式对桩侧阻力影响桩承载性能的分析
• 6.4.1 模拟分析的工况
• 6.4.2 分析体系及模型中参数
• 6.4.3 有限元模型及网格划分
• 6.4.4 模拟分析的结果
• 6.5 本章小结
• 第7章 应用O-cell 试桩结果整桩P-S 曲线的确定
• 7.1 引言
• 7.2 精确法
• 7.3 确定整桩荷载位移曲线的方法A
• 7.3.1 改进的目标
• 7.3.2 基本方法、步骤及必须的资料
• 7.4 确定整桩荷载位移曲线的方法B
• 7.4.1 改进的目标
• 7.4.2 基本方法
• 7.5 实际工程中的应用
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历