桩周土体静阻力模型研究及在打桩中的应用

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：

Rs=S/(a+bS)

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