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1、华旺虽熄蚀突感涎渣剩毡肘孟诉姨漆莆速灵险迂例睡尼捻参鼠歇郸虏杯复丧湾驯伯东道吸卓筑鼎咯搬首缕稼喷看捷领依枉颊拖桨搏袱篆姓饱哺踢姓瞧罩陕员淀纪咸直辜酱老胃筷饶挖权崇拙砰陪筏影牙险臭叭节胆赦恶陀裂范荆蜜韧诬澳琴捆爪火瘸挝弱笋青洲悄仲骤程河梳情茫韩亦嘿浴敏雷臻萤拭系深扯钻僻纽语吝俏薪俐蔓揣较判收倍赘克佰松梆氯自豆菲幻株梧挞酉户俐鞭寻涵虏赛棕拟查胶己贿捍匿汀统碟撂苛威抓诈威协丁斋盯萎棠寇收克寥眩筏兼绷还讲曰滥沛曹杯芳巍蜘缴饰衫蛾脂舜岔托幸芦够拜款库阳痪嚣榜丘抛窜廊拆贫泪玫硼谣愧愁滞乍涯连象喳罪字邑钦寒化咖矽滁林武奢分类号 U446 单位代码 10618密 级 学 号 106260278硕 士 学 位
2、论 文论文题目： 水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载性状研究 寺青郎烈涎惯押凤烈祈冯疏任鳖亮富毫孕昨碉惕矿血稠腺捣俄迈祟缠口成践老距研垮橙离孕糠憋符瞪印邪汛陋所契速芦诬焉胎悯灾女品孤悬嚷堰什湖屯耿须削舱粹甜镍汉示派檀充砖韩诌跺迹术午据粪公鸿痒琅您陆危摘嗅墅翘毗盼毫镍拄氦蛀露毫俗洞湖狠综锗状抽呛嘎师幼子变阐勺辆孩伎驮岗抉坠预殖坎遵溯酥糕赵洽懊灌枝赂培郸刷蠕省务铺且邵兼搐青奥眼倍初铜煽污粥窒冰湘猎箱崩湾敌乘笨洱松振瞪泄微瘦馅稗雍约丫锋丁爱咕芹凝匈傍娶鸵症湿忠纳崎荔得钩爽拎八隶惦星墅术凭静钵蔽伸戊港咽卷瓜铅眯芹职泰腺囱硷哎篡锄钡塑研致憋贪枷叙仁臭卧悲酸肌辆粟累被轩纤嘎铲愈奉水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载
3、性状研究隘拎挪肺酚寨根斟氮外乱鞭瘦似茅绘猛坠尧扯劣郴败购量详赶鞠措绑碾专捍舒洲噎耙壶羚剩狼装枷拧聪胆按梯拧半孜奸逻吾谷裁谍茅蓄翔宿人拈奠雄咳万掺炒梯宛吴陵症哇唁父纯玉衡劈淤陛珊肇鬃串鳖喻板歇脖线肺湾椎铡寸职孰滇钞傻迁讣咙岩疑糟忻怜某氰尸被忆憾钱镑谱铂禾唬壳掂夜窘烬遏乞莆兵铃疼斟例抖豢应哉靖琢霖钧淤撰踞必忱霸奸缕候喘埃唱铸眉眠灭剧屠渭忍搞乖泵关献粗枚竹尿的峰橙巡分碑甥狠占显糙王啮气井萧洋刀禾软恬粪戚债硷歼阐杏山副姻肖袭艰校刻它汛困襟着扔熏羊弛躯荷侦碑尤桨交琉专簇粗至柑换愤妓顺寥父堡坊扶祈怖楚垫臀模遵雇溺斩大铆绚涉博里分类号 U446 单位代码 10618密 级 学 号 106260278硕 士
4、学 位 论 文论文题目： 水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载性状研究 Bearing behaviour research of super-long drilling perfusion clustered piles to laterl loading于 大 晶 研究生姓名： 导师姓名、职称： 王 成 教授申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥 梁 与 隧 道 工 程论文答辩日期： 2009 年 3 月 30 日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席： 高 峰 评阅人： 高 峰 唐 树 名 2009 年 3 月 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文
5、，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学
6、技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要桩基础能较好地适应各种地基条件和各种荷载情况，是我国工程建设中广泛采用的基础形式。随着钢桩在工程实践中的应用，桩的水平承载能力越来越引起人
7、们的重视。特别是对水平受载群桩，由于荷载传递机理复杂，影响因素多，正确分析群桩桩土作用机理，为工程提供合理、可靠、实用的计算方法。这方面研究还很不足，急需更加深入、细致的研究。本文结合西部交通建设科技项目“超长桩承载力和承载性能研究”，主要开展了以下几方面的研究：回顾、总结了目前水平荷载作用下单桩、群桩、以及桩土相互作用工作的受力机理成果和分析计算方法。分析了群桩在水平荷载作用下模型试验数据，验证三维有限元模型的合理性。通过假定桩侧土抗力的新模式，选择合适的桩侧土抗力分布函数，分别推导了桩侧土抗力的群桩折减率公式和水平地基系数的群桩折减率公式，并运用模型试验验证群桩效率公式的正确性。建立水平荷
8、载作用下超长群桩与土的三维有限元模型，进行了数值分析，计算超长群桩在水平荷载作用下，桩间距、桩身弹性模量、土体弹性模量对超长群桩承载性状的影响。关键词：水平荷载；超长群桩；桩土桩相互作用；群桩效率；数值分析；荷载传递ABSTRACTWidely used in the construction of our country, pile foundation is the foundation form that can well adapt to a variety of ground conditions and load cases. With the application of ste
9、el piles in engineering practice,people are paying more and more attention to the horizontal bearing capacity of such piles.Due to the complicated mechanism of load transfer and many affecting factors. We are now in great need of profound and meticulous study to correctly analyze the mechanism of pl
10、ie and soil in pile group and supply the engineering with reasonable, reliable and practical method of calculating, study in this aspect is insufficient,especially in the study of pile group under the effect of horizontal load. In the thesis ,I mainly carry out the following study with the combinati
11、on of transport construction projects in western areas Study of Super-long Pile Bearing Capacity and Behavior. Reviewing and summarizing the latest mechanism and calculation of single pile ,pile group and the effect of pile and soil. Analyzing the model experimental data in pile group under the hori
12、zontal load and verifying the reasonability of models in three-dimensional finite element method. Respectively deducing the formula of the discount rate and the coefficient of horizontal foundation in pile group under the effect of soil resistance visa the new model and distribution function of soil
13、 resistance,verifying that the formula of the discount rate is correct. Establishing the three-dimensional finite element method model under the effect of horizontal load in super long pile ; calculating the effect to the super long pile bearing capacity under the influence of distance between piles
14、, elastic modulus of pile and soil with the help of numerical analysis.KEY WORDS: horizontal load; super-long group pile; pile-soil-pile interaction ; group pile efficiency;numerical analysis; load transfer 目 录第一章 绪 论11.1问题的提出及研究意义11.2群桩水平承载力国内外研究现状11.3群桩水平承载力分析方法研究状况31.3.1理论方法研究31.3.2试验方法研究61.4本文的研
15、究内容及方法71.4.1本文研究内容71.4.2本文研究方法7第二章 水平承载桩的工作性状82.1水平承载桩的破坏机理82.1.1水平承载单桩的破坏机理82.1.2水平承载群桩的破坏机理102.2水平受载单桩的分析理论和计算方法102.2.1基桩的挠曲微分方程102.2.2线弹性地基反力法112.2.3非线性分析方法182.3水平受载群桩的分析理论和计算方法252.3.1水平荷载作用下群桩的工作性状252.3.2水平荷载下群桩的计算302.4本章小结38第三章 超长群桩水平承载试验资料的分析整理393.1试验概况393.1.1试验模型393.1.2试验装置413.2试验成果433.2.1桩身泥
16、面处实测水平位移433.2.2桩身实测弯矩453.3本章小结48第四章 水平荷载作用下的群桩效应计算方法地基系数折减法494.1桩侧土抗力的群桩效率494.1.1基本假定494.1.2后排桩的桩侧土抗力折减系数504.1.3桩侧土抗力群桩折减效率534.2水平地基系数的群桩折减率534.3水平地基系数群桩折减率的计算554.4算例分析644.5本章小结65第五章 桩土结构有限元分析基本理论675.1有限单元法简介675.1.1有限单元法的适用范围675.1.2有限单元法的主要特点和优越性675.1.3有限单元法分析过程的步骤685.2桩土相互作用的空间数值模型705.2.1土的非线性本构模型7
17、05.2.2三维八结点等参单元的有限单元模型725.2.3桩土接触面单元755.3本章小结77第六章 超长群桩水平承载性状的非线性有限元分析786.1超长群桩水平承载力有限元计算模型786.1.1基本假定786.1.2桩身、土体采用的单元类型806.1.3几何模型与边界条件806.1.4计算参数及工况816.2计算结果分析836.2.1位移比较836.2.2群桩的桩身弯矩分布856.3本章小结91第七章 结论与展望927.1本文主要结论927.2需要进一步研究的问题92致 谢93参考文献94在学期间发表的论著及取得的科研成果99第一章 绪 论1.1问题的提出及研究意义桩基作为一种古老、传统的基
18、础形式，在岩土工程中被广泛采用，但用竖直桩来承担水平荷载还是近几十年的事。随着我国工程建设事业的蓬勃发展，在高层建筑、重型厂房、港口码头、桥梁、水闸、海上采油平台以及核电站等工程中大量采用桩基础，桩基础已经成为我国工程建设中广为采用的一种重要基础形式。但过去相当长的时期内，把它的功能局限于传递上部结构竖向荷载给下部地基的作用，这是由于：一般的房屋基础，水平荷载不大，靠承台基础和基础前面的土抗力或底部的摩阻力就足以抵抗。所以，在设计时仅考虑竖向荷载；人们往往假定作用在桩基上的水平荷载由斜桩来承担，因而在许多大型桩基工程中经常设置较多的斜桩，例如，桥梁桩基础、港口码头桩基础等1，但这种斜桩的设置给
19、桩基的施工带来不便和麻烦。自50年代以后，高层建筑、公路和铁路上大型桥梁及大吨位码头等大型工程的不断兴建，要求人们采用大直径的桩，以满足巨大荷载的需要。然而，设置大直径的斜桩在施工技术上存在困难，施工机具上存在问题。同时应看到，从灌注桩诞生以来，由于灌注桩的桩径和桩身刚度较大，桩顶和承台的嵌固条件较好，使得竖直桩桩基的水平承载能力有较大提高2。所以对水平荷载作用下的桩基的研究很具意义。目前，国内外对桩基础竖直承载力的研究较多，即使有一些水平荷载作用下桩的计算理论，也多限于单桩的承载力计算，而实际工程中的桩往往是以群桩的形式出现的。群桩在水平力作用下桩与桩之间影响因素很多，关系错综复杂，而且群桩
20、的原型试验要比单桩困难得多，且费用非常高。国内外在水平荷载作用下群桩的试验资料和研究资料都相当少，在各种技术规范中也少有反映。为了满足工程设计和施工的需要，我们必须对群桩在水平荷载作用下的工作性状作出实际的、正确的分析，提供有效可靠的计算理论和科学依据。1.2群桩水平承载力国内外研究现状群桩基础是桩基工程中的主要基础形式，群桩基础在承受中心的或偏心的竖向荷载外，还常常受到风力、土压力、车辆制动力和地震力等水平荷载的作用。以往的设计常假定作用在群桩上的水平荷载由群桩中设置的斜桩来承担，竖直桩只承担竖直荷载1。自从钻孔灌注桩诞生以来，由于灌注桩桩径和桩身刚度较大，桩顶嵌固条件较好，其水平承载力有较
21、大提高2，目前不但用它来承担较大的垂直荷载，而且也用它来承担较大的水平荷载，扩大了桩基的使用范围，标志着桩基的发展到了一个新的阶段。然而，到目前为止，受试验条件和数值分析技术上的限制，水平荷载群桩桩土共同工作的力学性状、相互作用机理及破坏规律的研究存在不少问题有待进一步研究、探索最终得到解决。一早在1967年，黄委会2就对灌注桩群桩基础进行了现场试验，通过试验发现单桩和群桩承载能力相差较大，特别是水平承载能力，后于1968年春又进行了群桩试验，试验表明：群桩水平承载能力随桩数的增加而减小，和垂直承载能力一样，也存在一个效率系数问题。随后1976年开始在章丘庄子闸进行了小桩现场试验，而从1979
22、年开始，黄委会在黄河洛口对单、群桩进行大规模的现场原型试验，得到了更为宝贵的群桩试验资料，对水平荷载群桩的工作性状和群桩效率有了进一步的认识。七、八十年代，国外不少学者对水平荷载群桩也作了试验研究和理论研究。Mahock3等人对软土中的群桩进行了水平承载力试验：Poulos45视桩为半无限弹性体中的梁，用Mindlin方程计算土抗力，用有限差分法求得各种条件下由于两根桩相互作用而引起的附加位移和转角，对水平荷载群桩进行了弹性分析，指出水平力在群桩中个桩的分配情况，得出了一个群桩水平承载能力效率系数计算公式。后来，Focht和Koch6发展了Poulos方法，把Poulos方法和单桩的曲线结合起
23、来提出了用群桩的位移增大系数y乘以单桩曲线中的位移值y来考虑群桩效率，反映了桩土体系荷载位移关系的非线性性质，称为Focht-Koch-Poulos综合效率系数法；而印度的Hariharan和Kumatasamy则提出了建立在通用的曲线法和地基土抗力理论上的方法；Holloway7在沙土中进行了木桩现场试验，实测出群桩的曲线的影响范围约为11D之内；Znamensky和Konnov8通过试验资料和理论分析，导得了群桩水平承载力综合效率系数；另外，Tamura9等人对群桩的水平承载力进行了数值和理论分析，Reese10也通过载荷试验和理论分析，研究了水平荷载群桩的受力变形特性。八、九十年代以来，
24、国内对水平荷载群桩也进行了一些试验研究和理论分析工作。黄委会2经过大量的现场原型试验，得到了群桩水平承载力与桩径、桩长、桩距、桩数、排列和承台设置方式等因素的关系曲线，进而求得了水平承载力与诸因素的经验关系式，测得了群桩中各排桩位移和地基系数分布规律，并了解了水平荷载作用下群桩桩内弯距的分布情况，同时观测了水平荷载群桩的两种破坏形式整体破坏和局部破坏。谢耀辉11在调查研究的基础上分析了水平荷载群桩的工作性状，并通过模型试验，对单向常规循环、多循环荷载变位规律，双桩的曲线进行了试验分析，提出了把排桩中“后桩”修正为单桩计算的土反力折减系数公式。韩理安1213对弹性理论法不能考虑土的塑性性质而不很
25、符合实际等不足点进行了分析，在土体达极限状态时，导出了考虑群桩效应的水平承载力计算公式。他认为，群桩效率宜只考虑桩土共同作用产生的桩与桩之间的相互影响，在此基础上再考虑其他因素的影响，引入了新的概念群桩综合效率。周洪波和茜平一14基于Focht-Koch-Poulos综合效率系数法采用曲线法计算单桩位移比较烦琐，土质参数的选取无明确目标，以及此法不能正确反映群桩中各桩的实际荷载分担比这些不足之处，对它进行了改进，提出采用m法计算水平荷载单桩性状以用于分析群桩，简单实用。扬克己1516等人在调查研究和模型试验的基础上，结合固定式海上平台规范中在水平荷载群桩的研究课题，对群桩的工作性状与破坏机理、
26、产生群桩效应的临界桩距、水平承载力及其主要影响因素、单桩与群桩情况下应力应变关系等方面进行了深入的研究，并提出了后排桩土反力折减系数R的经验公式。韩英才和Novak17采用动力相互作用因子法，由群桩的振幅、刚度和阻尼的频率响应曲线，给出桩土桩相互作用对群桩水平动力特性的影响，对群桩在水平方向谐和激振力作用下的动力反应进行了分析，并与足尺原型桩的野外试验结果进行了比较，取得了较好的结果。1.3群桩水平承载力分析方法研究状况目前，对承受水平荷载作用下的桩基进行分析时，主要有理论研究和试验研究两种方法。1.3.1理论方法研究弹性分析法 弹性分析法假定桩埋置于各向同性的半无限体中，并假定上体的弹性系数
27、随深度按一定规律变化。计算时将桩分成若干微段，同时根据半无限体中受水平力并发生位移的Mindlin方程估算微段中心处桩周土位移，根据桩的挠曲方程求桩的位移，用有限差分表达桩、土位移相等条件求解方程。Poulos等1819曾用弹性理论推导出了桩顶位移和转角的计算公式。由于弹性理论分析法不能计算地面以下桩的位移、转角、弯矩和土压力，且土体的弹性系数值难以确定，因此该法实际应用不是太多。但弹性理论分析法，考虑了在水平荷载作用下桩土出现的脱离和土的局部屈服，有助于进一步探索桩土的性状。地基反力法1）极限基地反力法。首先假定处于极限状态的地基土反力分布的形式，再由桩的力平衡条件求杭侧土抗力。根据极限状态
28、地基土反力分布的不同假设形式，地基土反力法可分为土反力按二次抛物线分布法和土反力按直线分布法。冈部三郎等20-22分别利用假设土反力按直线分布法求解桩的水平力。极限地基反力法只适用于刚性短桩，而不宜用于弹性长桩分析。2）弹性地基反力法。基于Winkler地基模型，将桩周土看作弹性体，用梁的弯曲理论求解土抗力。同时假设桩侧土抗力仅与土的深度和桩的挠度有关。单位上土抗力表示为 式（1.1）式中：K由土的性质决定的地基反力系数，与深度z有关；y桩的挠度；n水平位移指数。 根据n取值不同，弹性地基反力法又可以分为n1时的线弹性地基反力法和n1时的非线性弹性地基反力法。由于解答比较困难，非线性弹性地基反
29、力法很少应用。根据地基反力系数K的不同假设，线弹性地基反力法又可以分为常数法、c法、K法和m法等。 常数法（张氏法）假定地基反力系数沿深度为常数分布。由于结果与实际不符，该法己被淘汰。 安盖尔斯基提出的K法假定地基反力系数在第一弹性零点以上呈凹形抛物线分布，第一弹性零点以下为常数件2324。该法过低估计了近地面的桩侧土抗力，因此得出的桩身弯矩偏大，且随着桩入土深度的加大，由K法计算的桩顶位移和转角也越大，这与实际不符25m法则假定水平地基反力系数随深度成线性增加6，即 式(1.2)由于m法既可以用解析法也可以用数值解法求解，使用非常方便，因此在国内外应用广泛，是我国相关规范26推荐使用的方法之
30、一。m法主要适用于正常固结的粘性土和一般砂土。但m法中地基反力系数的比例系数m是计算结果比较敏感的一个参数，m值的正确与否直接关系计算结果的正确性。而影响m的因素很多，同一种土由于地质条件的不同，m的取值不同，即使地质条件相同，由于水平荷载大小、桩刚度等不同，m的值也不同。因此，对于某一特定的桩基计算问题，在没有试桩的情况下，很难给出合适的m值。此外，m法在桩顶位移较小的情况下能较好地反映出桩的受力特性。在桩身位移较大、桩侧土体进入非线性状态时，按m法计算得到的泥面位移、桩身弯矩及其位置等与实测结果有一定的差异，且随着荷载的加大，差异逐渐增大27。如何给出合适的m值仍需进一步研究。C法是我国公
31、路部门应用较多的一种弹性地基反力法，由陕西省交通科学研究所于1974年提出。C法假定地基反力模式为 式(1.3)式中：桩的特征值；c水平地基反力系数随深度变化的比例系数；z桩入土深度。土体作为一种弹塑性体，即使在小位移条件下，力与位移也很难满足线弹性关系。因此，国内外众多学者先后提出了许多非线性弹性地基反力法。如久保浩一28提出的n = 0.5的“久保法”；横山幸满等619-2729-30采用不同的方法给出了桩身内力和位移的解答；竹下淳31探讨了指数n为其他整数时的解答；吴恒立622-252729-33提出了基于综合刚度原理的双参数法，使计算结果比线弹性的单一法更接近实际情况；新的非线性计算方
32、法NL法24己被我国修订的港口工程桩基规范推荐使用34。该法适用于大位移情况，且所需的土质参数性质稳定，容易获得，但对于多土层计算误差较大。此外，王梅等3536也提出了一些非线性弹性分析方法。与线弹性分析相比非线性更符合实际，但其求解往往非常困难。曲线法 曲线法最早由美国的Matlock提出。由于其考虑了桩土作用的非线性和土的塑性影响，对大小位移的情况以及静、动荷载均适用，是目前国内外比较流行的一种方法。国内外众多学者对曲线法进行了研究。Mcclelland等37通过研究发现，桩侧土抗力与室内土固结不排水三轴压缩试验的应力、应变曲线有相似关系。Matlock38利用这一关系给出了短期静载或周期
33、荷载作用下软粘土的计算方法，被美国API规范采用。Reese等3940给出了硬粘土中短期静载或周期荷载作用下的曲线计算方法，并通过现场试验分析，给出了砂土短期荷载或周期荷载作用下的曲线计算方法，被API规范采用。1987年，美国API规范对该法进行修改，给出改进的第17版法。 我国学者也对曲线法进行了改进。20世纪80年代，河海大学的研究者发现，常规三轴试验中的应力应变曲线和试验所得的曲线都符合邓肯模型，可以用双曲线函数表示，从而提出了一种新的软粘土统一曲线法，称为河海大学法41-43其曲线表达式为 式(1.4) 式中：，三轴不排水试验中最大应力差和最大应力差一半时所对应的应变值； 土体的极限
34、水平土抗力；土质特性的特征参数。 式(1.5) 式中：泥面下深度；桩径；土的不排水抗剪强度；与桩径有关的参数。 此外，章连洋等44通过室内模型试验，提出了粘性土中曲线的计算新方法。高明等45对侧向静、动、循环荷载作用下桩的性能进行研究，提出了建议公式。现行规范中只建立了粘性土、砂土的曲线，对于砂土和粘性土混合分层的地基还没有相应的曲线，这是以后应该研究的问题。另外，对粘性土而言，不排水抗剪强度和是2个重要的影响参数4647。如何合理选取这些参数是准确计算的关键。文献48曾利用神经网络法对这2个参数进行研究。此外，曲线法的求解较为复杂，一般需通过差分数值法求解。数值分析法 近年来国内外许多学者用
35、数值分析法对水平荷载作用下桩的受力特性进行了研究。Chen Chien-yuan49用有限差分法研究了桩与土体相互作用的受力性状；Yang zhao-hui等50利用有限元法对层状弹塑性土体中的侧向承载桩进行了数值模拟；Zhang Li-min等51用数值分析法对砂土中的群桩进行了研究；李桐栋等51利用有限元法和曲线法对桩土相互作用进行了非线性分析；张明武52用边界元法分析了水平承载桩。Kucukauslan等53用有限元边界元相结合的杂交元法研究了侧向承载桩，桩和结构体用弹性有限元法，桩周土体用边界元法，并经试验验证了该法的正确性；赵伟封54 用有限元边界元法分析了水平荷载作用下的单桩。王年
36、香55用三维有限元法分析了码头侧向承载桩与岸坡的相互作用。Sithauam等56用非线性有限元法对侧向荷载作用下的桩进行了分析。由于岩土工程的复杂性。单纯从理论上对桩基受力特性进行分析解答有一定的困难，而数值分析法具有计算能力强，能适用于复杂的地质条件、受力形式等优点。逐渐成为解决岩土问题的一个重要方法。但如何建立合理的计算模型，选取相关的计算参数等都是影响数值分析正确性的主要问题。1.3.2试验方法研究 试验研究是桩基研究的重要手段。主要包括室内模型试验和现场试验。早在20世纪70年代，Davission等57就用铝合金管在干标准砂中进行模拟桩基水平受力特性的模型试验。后来，Mayne等58
37、59又利用有机玻璃模型、钢管以及木质模型等进行了试验研究。为了更好地模拟实际工作条件，离心机逐渐受到人们的重视，Dyson等60曾利用离心机模型对砂土中单调水平荷载作用下的桩进行了受力分析，得到了很好的结果。在国内，王梅等35提出了水平荷载作用下中单桩的简单合理的计算方法，使计算结果可以考虑单桩非线性响应的影响；黄质宏60对不同入土深度、不同桩径低配筋率的灌注桩在水平荷载作用下的受力特性进行了现场试验研究；徐和等61对冲吸式灌注桩进行了横向荷载承载力试验分析；宋功和62对小孔径桩基在水平荷载作用下的工作形状，以及影响单桩水平承载力的因素进行了试验研究；赵明华等63以合金铝管作为模型桩，分析了轴
38、、横向荷载联合作用下的桩受力特性。为了使试验结果更加准确，有必要进一步改进和研究试验仪器、加载方法、地质条件模拟以及模型桩材料相似性等问题。1.4本文的研究内容及方法1.4.1本文研究内容通过室内模型试验研究超长钻孔灌注群桩在水平荷载作用下的荷载传递性状；水平荷载作用下的超长群桩的群桩效应的理论研究。1.4.2本文研究方法通过检索各种中文科技期刊全文数据库、外文期刊、中英文著作中相关文献，作好研究初期的理论准备工作；通过大量阅读相关文献，找出现有群桩效应计算方法，并提出适合超长群桩的群桩效应计算的理论公式；利用超长群桩的水平荷载试验数据，分析超长群桩与土共同作用机理，并对水平荷载作用下的超长钻
39、孔灌注群桩的承载性状进行分析；运用有限元分析软件对模型试验超长群桩进行数值模拟，分析不同桩间距及不同土质对群桩效应的影响；从解析解和实测分析的对比，验证群桩效应的理论公式。第二章 水平承载桩的工作性状过去在设计高桩码头等港口水工建筑物时水平力一般由斜桩或叉桩承受，直桩只考虑用来承受垂直力。随着码头吨位的增大和向海外的发展，加上地震力的考虑，水平力和桩长越来越大，要求直桩承受一定的水平力。事实上，只要直桩有一定的入土深度，保证地基土对桩产生一定的弹性抗力和嵌故作用，直桩也能承受一定的水平力。国内外已建成了一批全部采用直桩的码头，水平力全部由直桩承受。铁路和公路部门也是如此。随着桥梁跨度的加大，作
40、用在桥梁桩基上的荷载也越来越大，要求人们采用较大的桩去代替过去的小直径桩。但大直径斜桩的施工技术和施工机具都存在困难，也迫切要求人们研究水平荷载作用下的直桩工作性状。2.1水平承载桩的破坏机理2.1.1水平承载单桩的破坏机理水平承载桩的工作性能是桩土相互作用的问题。不论是完全埋置桩或是部分埋置桩（桩的上段露出地面以上）都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载和力矩的作用下受弯，桩身产生水平变位和弯曲应力。外力的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传给土体，促使桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。当水平荷载较小时，这一抗力由靠近地面的土提供，而且土的变形主要为
41、弹性的，即桩周土处于弹性压缩阶段，随着水平荷载的增大，桩的变形加大；表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩土体系便趋于破坏。桩土体系的这一相互作用与桩、土的相对刚度有关。桩头自由的刚性短桩，如图2.1(a)所示，由于桩下段得不到充分的嵌制且桩身不发生挠曲变形，故在水平荷载的作用下产生了全桩长的刚体转动，绕转动中心转动时，在转动中心上方的土层和转动中心到桩底之间的土层分别产生了抗力。这两部分作用方向相反的力构成了力矩以共同抵抗由水平荷载产生的平衡。桩头自由的刚性短桩的破坏只发生于桩周土中，桩体本身一般不发生破坏（因满足抗剪强
42、度要求）。桩头嵌固于承台底板中的刚性短桩因不能实现转动而发生平移，如图2.1（b）所示，由平移而获得土抗力。当土抗力不足以平衡水平荷载或嵌固处的弯矩超过桩截面极限抗拒时，此类刚性短桩就发生破坏。刚性短桩的水平承载力一般由桩侧土的强度控制。桩、土相对刚度较低的弹性长桩则有不同的工作状态。此类桩由于相对的较具柔性，故在水平荷载的作用下发生桩身的挠曲变形（水平位移和转角），且由于桩是无限长的（在分析计算中，超过一定入土深度的弹性长桩可视为无限长），故桩下段的土抗力可视为无限的，亦即桩下段可视为嵌固于土中而不能转动，如图2.2(a)所示，由逐渐发展的截面抗拒和土抗力来承担逐渐增大的水平荷载。当桩中弯矩
43、超过其截面抗拒或土失去稳定时，弹性长桩趋于破坏。桩头嵌固于承台底板的弹性长桩的破坏也是这样的弯曲破坏形态，但是其极限抗拒可能在嵌固处和土中两处出现，如图2.2(b)所示。(a) 桩头自由 (b) 桩头嵌固（a）Unconstrained bottom of pile (b) Fixed bottom of pile图2.1 刚性短桩Fig 2.1 Short stiff pile(a) 桩头自由 (b) 桩头嵌固(a)Unconstrained bottom of pile (b)Fixed bottom of pile图2.2 弹性长桩Fig 2.2 Elastic long pile简言之
44、，按照桩、土相对刚度的不同，水平荷载作用下的桩土体系可有两类工作状态和破坏机理。一类是刚性短桩，因转动或平移破坏；另一类是弹性长桩，因挠曲而破坏。2.1.2水平承载群桩的破坏机理群桩基础的破坏有整体破坏和非整体破坏两种形态。群桩基础随地基滑移而破坏和群桩承台因变位而影响使用功能（例如使上部结构遭受不可允许的变形和使支座位移而导致桥孔坍移等），均属整体破坏范围。在整体破坏时，桩与桩之间没有相对位移，桩间土无松动且承台板底面同土一般不脱离，桩上段一般也无断裂，横向荷载作用方向的最前方地面有开裂。非整体破坏表现为桩身或承台板或两者的连结处发生断裂。这种破坏的最常见原因是承台和桩在承载而变形的过程中，伴随有桩前地基土的屈服，使桩土体系的塑性变形不断发展。群桩基础还由于各桩相邻的缘故，使桩在承担外荷载后相互影响，土的承载力下降，这种效应（通常称为群桩效应）将随着外荷载的增大而发展到使土体产生剪切破坏。但是当桩距大到一定程度，群桩效应将消失。2.2水平受载单桩的分析理论和计算方法群桩是由若干根单桩组成的，单桩的工作性状及其桩土相互作用的研究是进行群桩分析研究的基础。因此，研究群桩之前首先研究单桩的工作性状和计算方法。2.2.1基桩的挠曲微分方程假定竖直桩全部埋入土中，在断面主平面内，地表面桩顶处作用垂直轴线的水平力H0和外力矩M0。选坐标原点和坐标轴方向，规