液压锤打桩过程的土壤与桩接触分析-.pdf

第 9卷第 4期 2 0 1 1 年 1 2月 中国工程机械学报 C H I N E S E J C UR N A I O F C O N S T R U C T I O N MAC HI N E R Y V0 1 ． 9 No． 4 De c ．2 0 1 1 液压锤 打桩 过程 的土壤 与桩接触 分析 阁耀保 ， 黄姜卿 ， 王辉强 ， 沈耀冲 ， 郭传新。 1 ． 同济大学 机械工程学院， 上海2 0 0 0 9 2 ；2 ． 上海工程机械厂有 限公司 ， 上海 2 0 0 0 7 2 ；3 ． 北京建筑机械化研究院， 北京1 0 0 0 0 7 摘要液压锤利用锤体自重和液压力的共同作用来实现锤和桩的撞击并将桩贯人土层． 据此分析锤和桩撞击过 程以及结束后 ， 桩和土壤之间的接触情况． 利用软件 A NS Y S 建立桩和土壤接触过程的数学模型， 进行仿真计算， 得出桩和土壤接触时的位移、 应力、 剪切力和应变的分布图． 分析结果和现场应用情况的对比表明， 所提出的理 论和方法很好地解释了桩的贯人过程以及土壤参数的变化趋势． 根据研究结果还可对打桩施工中出现的桩压溃 和断桩现象进行预测 、 预防和评估 ， 为桩基础工程施工提供技术支撑． 关键词 液压锤；桩； A NS Y S ；接触应力；土壤 中图分 类号 T H 1 3 7 ． 9 ； T H 1 3 8 ； T H 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 1 0 4 0 3 7 90 7 Pi l e s o i l c ont ac t a na l ys i s v i a hy dr aul i c hamme r i ng pr o c e s s Y I N Y a o b a o ，HU ANG J i a n g - q i ng ， WANG Hu i - q i a n g ，S HEN Y a o - c h o n g ，GU O C h u a n x i n。 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i E n g i n e e r Ma c h i n e r y Co ．L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 3 ． B e i j i n g I n s t i t u t e o f Con s t r u c t i o n Me c h a n i z a t i o n ， B e i j in g 1 0 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t By a p p l y i n g t h e s e l f - g r a v i t y a n d h y d r a u l i c f o r c e ， t h e h y d r a u l i c h u mme r s t r i k e s a n d p e n e t r a t e s p i l e s i n t o t h e s o i l ． I n t h i s s t u d y ， t h e p i l e h a mme r s t r i k i n g p r o c e s s ， t o g e t h e r wi t h p i l e s o i l c o n t a c t ， i s f i r s t a n a l y z e d ． On t h e b a s i s o f ANS Y S a s o f t wa r e， a ma t h e ma t i c a l mo d e l i s t h e n e s t a b l i s h e d f o r p i l e s o i l c o n t a c t ． Me a n wh i l e， t h e d i s t r i b u t i o n d i a g r a ms o f d i s p l a c e me n t ， s t r e s s ， s h e a r i n g s t r e s s a n d s t r a i n a r e o b tai n e d v i a s i mu l a t i o n． F i n a l l y， i t i s f o u n d f r o m a n a l y s i s r e s u l t s a n d o n s i t e a p p l i c a t i o n s t h a t t h e p e n e t r a t i o n p r o c e s s a n d s o i l p a r a me t e r v a r i a t i o n t r e n d a r e we l l a d d r e s s e d b y t h e p r o p o s e d t h e o r y a n d me t h o d ． Th e r e f o r e， t h i s a p p r o a c h p r o v i d e s a t e c h n o l o g i c a l s u p p o r t f o r i n f r a s t r u c t u r a l c o n s t r u c t i o n t h r o u g h f o r e c a s t i n g ， p r e v e n t i n g a n d a s s e s s i n g o n c r u s h i n g a n d b r o k e n p i l e s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c h a mme r ；p i l e；ANS ’ Y S；c o n tac t s t r e s s ；s o i l 人类对桩和桩基础工程的认识和利用由来已久． 考古学发现智利古文化遗址 中的桩 ， 距今约有 1 2 0 0 0 年； 我国浙江余姚河姆渡遗址和陕西西安半坡村遗址中都可以看到 7 0 0 0 年前人们就已经把树杆贯人松 软的土层中以支承原始形态的建筑物， 在漫长的人类历史发展进程中， 桩基础的类型和工艺都有了很大的 发展和变化_ 1 ] ． 液压锤技术起源于 2 0世纪 6 0年代． 1 9 6 4年荷 兰 HB G公司开始着手研究 ， 1 9 6 5年成功试 制世界上第一台液压锤， 1 9 6 6年制成 H B M 型液压锤 ． 德 国ME N C K公司 1 8 8 3年研制汽锤 ， 1 9 6 7年生产液 压锤 ． 从 2 0世纪 6 0年代开始 ， 荷兰 I HC公 司和 H B M HY D R O B L O K公 司共 同开发液压锤． 1 9 7 6年 ， 英 国 B S P公 司研制锤重为 1 0 t 的液压锤 ， 随后 日本 日立建机公 司购买 了该专利并于 1 9 7 9年试制液压锤 ， 1 9 8 3 年在 日本普及推广液压锤． 2 0 世纪 7 0 8 0年代， 德国、 前苏联、 芬兰、 美国和瑞典也先后研制了不同形式 的液压锤． 我国上海工程机械厂等单位自2 O 世纪 9 0 年代开始陆续引进 日 本等国外技术并研制液压锤， 已 有样机问世_2 ] ． 因为元器件精度要求高， 价格昂贵， 工作效率较低等原因投入批量生产的数量还极为有限． 目前国外基础施工中主要采用液压锤， 其产品已形成系列化． 基金项目 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 1 B A J 0 2 B 0 6 ； 国家“ k T k --” 高技术研究发展计划资助项 目 2 0 0 7 A A 0 5 Z l 1 9 ； 国家自然科学 基金资助项 目 5 1 1 7 5 3 7 8 ， 5 0 7 7 5 1 6 1 ； 航空科学基金资助项 目 2 0 0 9 0 7 3 8 0 0 3 作者简介 间耀保 1 9 6 5 一 ， 男， 教授， 博士生导师， 工学博士． E ． m a i l y - y i n t o n g j i ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 近年来 ， 国内基础施工中采用了国外液压锤 ， 如荷兰 I H C液压锤l 1 ] ． 但 目前基 于液压锤 的锤击理论 研究和桩土接触的复杂力学过程研究还不多见， 如何开发和正确使用液压锤至关重要l 3 ～] ． 桩是用某种方 法设置在土体内的棱柱形或柱形杆件， 其目的是把基础的荷载传递到较深的和较强的土层中去， 荷载传递 同时出现在桩侧表面上和桩端支撑面上 ， 并且涉及离开桩的相当距离范围内的土体_ 2 ] ． 桩基在冲击载荷作 用下， 其载荷传递机理和桩体的破坏模式与桩体本身的材料强度、 抗弯刚度、 桩侧土体的抗力、 摩阻力、 桩 端土体的承载能力以及施加载荷等因素密切相关． 目前， 国内外研究桩荷载传递的理论分析方法有 弹性 理论、 有限元法、 土的剪切变形传递法和荷载传递函数法l_3 ． 有限元法能考虑地基土的不均匀性、 非线 性和各 向异性等特征 ， 可以引入桩和土的应力历史情况 ， 并能考虑桩和土之 间的滑移 ， 是分析桩土特性的 有效手段_ 7 ] ． 液压锤利用加速下落的锤体冲击桩头， 使桩下沉贯入土层． 液压锤的冲击能量以应力波的形 式在桩内进行传递． 桩沉入土壤的过程 中， 桩 内及其周边土壤的应力分布可 以通过有限元软件 A NS Y S来 进行仿真求解 ． 分析桩身和周围土壤的应力 、 应变 以及位移量等的分布情况， 可以对打桩过程中可能出现 的压溃、 断桩等现象进行预测、 预防和评估， 为打桩基础施工提供一定的理论和分析方法支撑． 桩和土的有限元分析模型 液压锤的打桩过程可以分为两个阶段 第一阶段为液压锤对桩体的冲击过程， 该过程中桩体获得一定 的冲击能量 ； 第二阶段为桩体在冲击能量作用下贯人土壤的过程 ． 液压锤锤体在打击桩体前所具有的能 量与液压锤撞击前瞬间的速度 、 液压锤体可动部分的质量有关 ， 液压锤的打击能量 的表达式为 1 。 ] 丢 1 式中 E 为打击前液压锤具有的能量， 即桩锤的打击能量； M 为锤体质量； 为液压锤撞击前速度． 桩接受的能量和液压锤打桩过程中的液压锤打桩效率系数 有关． 单桩承载力有 限元分析的关键在 于确定土体的力学特性和桩土间的接触面状况 。 土体材料 的力学特性复杂多变 ， 同一种土体的应力一 应变 呈非线性关系， 本文采用土体弹塑性 D r u c k e r P r a g e r 模型l 8 ] ， 桩体采用 自由度弹性体模型， 并考虑土体和 桩体间的摩擦特性 ． 假设桩土接触界面为无厚度或薄层的接触单元 ， 且为刚体一 柔体接触形式． 建模和计算 过程中， 作以下假定 ①冲击物即锤体为刚体 ， 受冲击构件即桩为不计质量的变形体， 冲击过程 中材料变形 服从胡克定律， 冲击过程的碰撞系数取为零 ；②冲击过程中只有动能 、 势能和变形能之 间的转换 ， 忽略其 他能量损耗 ； ③不考虑构件 内部应力波的传播 ， 假定每一个瞬间构件各处同时变形． 采用能量法对打击锤 和桩的冲击问题进行计算． 当锤体以速度 V冲击桩头时， 桩所获得的冲击力 F d 可以表示为l g Fd k 3 d 2 式中 k为桩作为弹性杆件时的刚度； a 为桩作为弹性杆时冲击载荷作用下的最大变形量． kE lA／ l 3 F 桩顶 式 中 为桩即受冲击杆件的弹性模量； A为受 冲击杆件的截面 面积 ； ￡ 为桩即受冲击杆件的长度． d Kd s t 一 4 式中 K 为桩受冲击时的动载荷系数； 为重力以静载荷的方 式作用于弹性杆上产生的静位移． G／ k 5 式中 G为锤体重力． 以某公司制造的圆柱形钢管桩为例， 材料为 Q 3 4 5 C ， 弹性模 量 E为 2 0 6 G P a ， 剪切模量 G为 7 9 G P a ， 泊松比 为 0 ． 3 ， 直径 D 1 2 0 0 m m， 壁厚 1 5 0 mm 总 长度 f 为 1 0 m， 其中人土长 度 c 2 m． 图1 所示为圆柱形钢管桩在土壤中的示意图． 采用 打击能量为 6 0 0 k N m、 锤体质量为 3 0 t 的液压锤进行上述钢 图1 圆柱形钢桩在土壤中的示意图 Fi g ． 1 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f c y l i n d r i c a l s t e e l p i l e i n t h e s o i l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 阎耀保 ， 等 液压锤打桩过程的土壤与桩接触分析 3 8 1 管桩的打桩施工． 由式 1 一 5 ， 可计算得到钢管桩所获得的冲击力为 F 1 0 6 ． 8 MN， 每次锤击后桩的 下降位移约为 1 0 m m． 土壤的力学变化过程属于材料非线性问题__ 1 ． 由于土壤面积趋于无限大 ， 本文进行有限元分析时取 相对于钢桩断面积来说具有足够大的半圆形区域的土壤作为研究对象， 该 区域与外界土壤 的联系可 以通 过弹簧单元来模拟． A N S Y S中设定 D P D r u c k e r P r a g e r 模型时需要输入 3个参数， 黏聚力、 内摩擦角和 膨胀角． 表 1 所示为上海某地区软土地基的土壤材料参数表． 表 1 土壤材料的参数表 T a b． 1 Ma t e r i a l p a r a me t e r s o f s o i l 2 桩土有 限元模型求解及结果分析 2 ． 1 动态模型参数设置 液压锤和桩在撞击过程中， 锤体通过冲击的形式将打击能量传递给桩． 撞击过程结束后， 打击能量 以应力波的形式在桩体和土壤 中传播 ， 首先是在桩 内进行能量传递 ， 进而通过桩和土壤 的接触将能量 传递至整个土壤 ． 土壤处于复杂的受力状态 ， 屈服条件是应力或应变状态的函数 ． 土壤弹塑性本构关系 理论分析时 ， 假设 土壤材料为各 向同性体 ， 因此主应力可以向各个作用方 向传递 ， 只要研 究作用在一点 的主应力大小就可以知道各个方向传递 的应力大小 ． 3个主应力可以用三维空 间进行直观地描述 ， 以 3 个主应力为轴而组成的笛卡儿空间坐标系称为主应力 空间． 在主应力空 间中， 与 3个坐标轴等倾 的空 间对角线称为等压线， 而与等压线相垂直的面称为偏平面， 屈服曲面与偏平面的交线称为屈服曲线． A N S Y S中采用土体材料 的 D - P屈服准则 ， 假定土壤的塑性行为为理想弹塑性 ， 土壤 的屈服 函数为_ 1 l _ ．厂 1 ， 、 ／ 2 ／ 2一口 1 一 0 6 式 中 为土壤应力张量第一不变量 ； 为土壤应力张量第二不变量 ； 12 ， 为与土壤材料黏聚力 C和 内摩 擦角 有关的常数． ， 1 2 ， a ， 表达式分别如下 1 1 2 盯 3 7 式中 ， ， 。 分别为主应力空间上的第一、 第二、 第三主应力． 1 ， 2 [ l 一 2 2 一盯 3 3 一 1 ] 8 0 ～ 9 a 一 一 ＼ J ， C O S 一s i n s i n 式中 为反映材料受力状态参数的洛德角， 变化范围为一 3 0 。 ～3 0 。 CC OS ， c ■二 一 3C O Se ，一 s i ne s i n 1 0 Ⅱt a n e ] 当 一3 0 。 时 ， 土壤材料处于纯拉伸状态 当 o 时 ， 土壤材料处于纯剪状态 ； 当 3 0 。 时， 土壤材料 处于纯压状态． 在洛德角由一3 0 。 变为 3 0 。 的过程中， 土壤应力状态将由拉伸类型变为压缩类型． 土壤 Mo h r C o u lo mb M． C 屈服准则可以看成是关于洛德角 的函数， 而 D ． P屈服准则则是取某些特定 值 时的M C准则， 因此根据 的不同取值可以得到 D ． P准则和 M C准则在偏平面上的位置关系I 1 引 ． 表 2 所示为 D P破坏准则中常用参数表达式． 该表列出了 口 ， 的多种常用表达式． 本文所讨论的土壤为纯压 类型 ， 取 0 为 3 0 。 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 表 2 D - P破坏准则中常用参数表达表 Ta b． 2 C o mmo n p a r a me t e r s ’e x p r e s s i o n s o f 1 Dr u c k e r Pr a g e r f a i l u r e c r i t e r i o n A NS Y S软件首先定义单元类型 、 土壤参数 ， 然后创建几何分析的网格模型如图 2所示． 利用桩和土的 对称性 ， 可以大大减少单元数 目， 降低 自由度， 减少求解 时间． 在土壤和桩体组成的体系中， 其几何模型 的 坐标原点为桩体中心线和土壤平面交点， 地基土壤截面为 O x y平面 ， 水平方 向为 方向， 向右为正 ， 竖直 方 向为 Y方向， 向上为正， 半径厚度方 向为 方 向． 对几何模型划分 网格 ， 然后施加 冲击 载荷 F， 再利用 A N S Y S求解器进行求解 ， 得出仿真结果 ． 2 ． 2 结果分析 1 如图3 一图 5 所示分别为桩土的水平位移等值线图、 垂直位移等值线图和总位移等值线图． 由位 移等值线图可以看出 如图3 所示， 在水平位移 ∞方向， 位移场分布以层状形式向外扩散， 靠近桩尖的那 层土壤位移最小 ， 随着远离桩尖 逐渐变大 ， 但 位移分 布区域越来越小 ， 最大位移 为 9 6 ． 9 6 mm， 最小 为 1 0 ． 8 5 m iT 1 ． 如图4 所示， 在垂直位移 方向， 桩顶由于受锤体向下的冲击载荷作用， 桩身以及桩身附近土 壤的位移最大 ， 桩顶处位移达到 6 5 4 ． 6 0 mE， 离桩越远的土层位移越小． 如图 5所示 ， 总位移等值线图与 方向位移分布类似 ， 桩身和桩身附近区域位移量最大 ， 离桩越远位移越小 ， 在某一远处 ， 位移为零． 图 2 有限元网格划分模型 Fi g ． 2 Fi n i t e e l e me n t me s h mo d e l _ 6 5 5 9 8 _ - 5 咀 l 3 l- 3 6 3 ． 6 6 5 2 1 ＆l 9 9 7 2 ． 7 3 3 一弱 l _8 6 5 瑚 蕊B O9 3 2 1 4 5 ．4 6 6 0 位移／ m m ■■■ ●E 0 ■ ■■■ ＆ 0 ■■l ＆7 9 2 5 ＆7 3 7 一 l n6 娩 37 4 7 2 9 7 5 ． 2 6 4 一 ．2 O 9 l n 8 4 6 5 3 ．9 o l 9 6 ． 9 5 6 位移 ／ mm 图 3 X方向 水平 位移等值线图 Fi g． 3 Di s p l a c e me n t d i s t r i b u t i o n d i a g r a m i n d i r e c t i o n 图 4 Y方向 垂直 位移等值线图 Fi g． 4 Di s p l a c e me n t d i s t r i b u t i o n d i a g r a m i n Y d i r e c t i o n 7 2 ． 7 3 3 21 8 ． 1 9 9 3 6 3 ． 6 6 5 5 0 9 ． 1 3 1 6 5 4 ． 5 9 位移 ／ mm 图5 总位移等值线图 Fi g． 5 T o t a l d i s p l a c e me n t di s t r i b u t i o n d i a gr a m 2 如图6 一图9 所示分别为水平应力等值线图、 垂直应力等值线图、 径向应力等值线图和综合等效 应力等值线图． 由应力等值线图可以看出 如图 6 所示， 在水平应力等值线图 方向， 大应力区域集中在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 阎耀保 ， 等 液压锤打桩过程的土壤与桩接触分析 桩底以及桩身周 围， 其 中桩底中心区域土壤受到的应力最大， 为 2 5 5 ． 8 2 0 MP a ， 随着远离钢管桩 ， 土壤受到 的应力在不断减小， 且分布区域逐渐扩大． 如图 7 所示， 在垂直应力等值线图 方向， 自桩顶至桩底再到 接触的土壤， 应力逐渐减小， 在桩顶处受到的应力最大， 达到G P a 以上． 如图9 所示， 在总应力分布上， 与 方 向类似 ， 应力 自桩顶至桩底再到接触的 t壤逐渐减小 ， 同样在桩顶处应力最大 ， 达到 G P a以上． 可见 ， 打 桩锤与桩接触处的应力最大 ， 通常打桩时j 色打桩锤和桩顶部之问设置替打装置 ． 2 5 5 ． 8 1 6 1 7 2 4 5 一 l O n研_ 5- 2 l O4 5 4 ．4 6 6 _2 l 7 ．0 3 1 1 鼢 4 6 o -6 1 ．8 g 0 l 5 ． 6 8 l 9 e 25 1 应力／ MP a 图6 方向 水平 应力等值线图 Fi g ． 6 St r e s s d i s t r i b u t i o n d i a g r a m i n X d ii r e e t i o n 一1 4 2 2 ． 0 0 0一 l 1 0 6 ．0 0 0- 7 8 0 0 7 4 7 38 ．7 9 1 7 B5 l l 2 6 4 ． 0 0 0 9 4 9 2 1 嚣1 _围3 - 0 1 5 8 6 5 】 6 3 应力／ 加P a 图8 z方向 半径厚度 应力等值线图 Fi g ． 8 S t r e s s d i s t r i b u t i o n d i a gram i n Z d i r e c t i o n I 4 6 4 0 0 o - 3 6 1 5 ．0 0 o - 2 5 8 1 ．0 0 0 1 0 0 0- 5 1 2 ．3 1 7 4 1 3 2． 0 0 03 0 9 ＆0 0 0 2 0 6 4 ． O o o l 0 2 9 O 0 0 4 ． 7 6 2 应力／ M P a 图 7 Y方向 垂直 应力等值线图 Fi g． 7 S t r e s s d i s t r i b u t i o n d i a gra m i n Y d i r ect i o n 2 ． 7 4 6 9 0 6 ． 1 0 4 1 8 0 9 ． 0 0 o 2 7 3 1 ． 0 o 0 3 6 1 ＆0 0 0 4 5 4 ．4 2 5 1 3 5 ＆o o O 2 2 6 1 ． 0 o 0 31 6 矗0 o 0 40 6 8 ．0 o o 应力／ MP a 图9 等效应力等值线图 Fi g． 9 T o t a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n d i a gr am 3 如图 1 0所示为剪应力等值线图． 由剪应力等值线图可以看出 在桩身外侧出现最大剪应力为 1 5 9 ． 6 0 0 MP a ， 以桩身周 围小范围土壤为核心逐渐向外扩散 ， 剪应力逐渐减小 ， 分布区域越来越大 ； 相反 ， 桩底部土壤受到的剪应力并不大 ， 为 1 7 ． 7 4 0 MP a ， 且在 方 向上没有 明显的变化． 4 如图u一图 1 3 所示分别为水平应变等值线图、 垂直应变等值线图和等效应变等值线图． 从应变等 值线图可以看出 如图 1 1 所示， 在水平应变 方向， 大应变区域出现在桩身周围土壤， 其中桩尖和土壤表面 靠近桩身处的应变最大， 达到0 ． 3 1 0 ， 以此区域为核心逐渐向外扩散， 应变越来越小， 最小值为0 ． 0 1 6 ． 如图1 2 一l 2 4 ． 1 5 75 3．21 0 1 7 ．7 3 l 7 8 B 6 8 4 1 5 9 ．6 8 2 剪应力／ MP a 图 1 0 剪应力等值线图 Fi g ． 1 0 S h e a r s t r e s s d i s t r i b ut i o n d i a gr a m 0 ．0 1 6 怼 O ．ff 5l 8 4 n1 2 6 舯 l Q 研 6 1 7 蝴8 3 4 0 ． 0 1 95 7 6 n 0 9 o7 9 3 Q1 ＆ 0 0 9 Q 2 3 3 2 2 6 ∞ 0 4 4 4 2 应变 图 1 1 方向 水平 应变等值线图 Fi g ． 1 1 S t r ai n d i s t r i b u t i o n d i a gr a m i n d i r ect i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 0 9 9 6 4 1 1 O 5 0 6 Q 昕86 3 o a 研 7 6 6 Q 2 5 6 no 5 5 o 7 3 Q0 3 4 吣 2 Ql 嚣 l 嬲 o 2 1 2 3 3 4 Q 3 o l 4 7 0 应变 图 1 2 Y方向 垂直 应变等值线图 Fi g． 1 2 S t r a i n d i s t r i b u t i o n d i a g r a m i n Y d i r e c t i o n 图 1 3 等效应变等值线图 Fi g ． 1 3 To t a l s t r a i n d i s t r i b u t i o n di a gr a m 所示 ， 在垂直应变 Y方向， 最大应变出现在离地面最近的桩身周围土壤 ， 可 以看 出同时是变形最大 的区 域， 其值为 O ． 0 4 3 ， 反方向最大应变出现在桩底部土壤， 其值为 0 ． 0 9 9 ． 如图 1 3 所示， 在总应变等值线图上， 贯人土壤桩身周围土壤应变最大， 最大值可达 0 ． 4 7 0 ， 次大应变区域为桩身周围土壤， 其值约为 0 ． 2 6 0 ， 以 这两部分区域为核心逐渐向外扩散 ， 应变逐渐减小． 以上理论计算结果与现场打桩机桩的贯入过程以及土壤参数 的变化趋势一致． 根据本文的研究方法 还可对打桩施工中出现的桩压溃和断桩现象进行预测、 预防和评估． 3 结论 1 液压锤和桩的撞击过程 中， 液压锤通过打桩冲击 的形式将 打击能量转递给桩． 锤 和桩撞击结束 后， 能量以应力波的形式在桩体和土壤中传播， 先是在桩内进而传递至整个土体． 能量在传递的过程中， 由 于不断被耗散， 使得桩体和土壤在位移、 应力、 剪切力和应变分布上出现规律性的变化， 靠近桩身或桩体出 现最大值 ， 随着逐渐远离桩体 ， 其值逐渐变小， 且分布范围逐渐变大 ． 2 液压锤打桩过程中， 桩 的不 同部分的应力分布有较大差异． 桩顶应力最大 ， 桩底最小， 贯人土壤部 分与未贯入土壤部分相比差别明显 ， 可在桩锤之间设置替打 ， 提高桩锤 的抗打击性能 ． 从应变分布可以看 出， 桩体各处应变相同， 说明各个部分的变形剧烈程度相同． 可以把整个桩体的位移分成两部分来理解 ， 一 是 由于冲击作用而产生的整体下降 ， 二是由于应力作用而发生的变形 ， 因应力不同， 变形量不同， 打桩过程 中， 桩的位移场分布表明自桩顶到桩底位移逐渐减小 ． 3 液压锤打桩过程中， 土壤的最大位移和最大应力发生在桩身周围， 包括桩侧和桩底 ， 而最大剪切 力和最大应变则发生在桩身周围． 桩体的贯人过程使桩周边的土壤产生压缩变形， 地表处土壤 向上隆起 ， 具有很明显的挤土效应． 无论是位移、 应力 、 剪切力或应变均符合该分布规律 ， 即桩身周围出现变形最大 值 ， 以最大值区域为核心逐渐 向外扩撒 ， 离桩越远 ， 变形值越小 ． 本文的理论计算结果和现场应用情况的对 比分析表 明， 所提 出的理论和分析方法很好地解释了桩的 贯人过程以及土壤参数的变化趋势 ． 根据本文的研究结果还可对打桩施工中出现的桩压溃和断桩现象进 行预测、 预防和评估， 为桩基础工程施工提供技术支撑． 参考文献 [ 1 ] 兰毓蕃． 我国桩工机械的现状与展望E J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 2 1 1 3 1 6 ． L A N Y u f a n ． T h e c u r r e n t s i t u a t i o n a n d p r o s p e c t s o f C h i n a ’ s p i l e e q u i p m e n t [ J ] ． C o n s t r u c t i o n Me c h a n iz a t i o n ， 2 0 0 2 1 1 3 1 6 [ 2 ] 沈保汉． 桩基础测试、 勘察、 设计与施工 六 桩的荷载传递的理论分析方法I J ] ． 工业建筑， 1 9 9 2 ， 2 1 1 4 7 5 3 S HE N B a o h a n ． T e s t ． p r o s p e c t i n g ， d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f p i l e f o u n d a t i o n s V I T h e t h e o r e t i c a l l y a n a l y t i c a l me t h o d s o f l o a d t r a n s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 阉耀保， 等 液压锤打桩过程的土壤与桩接触分析 f e r i n p i l e E J ] ． I n d u s t r i a l B u i l d i n g ， 1 9 9 2 ， 2 1 1 4 75 3 ． [ 3 ] 朱金颖， 陈龙珠， 葛炜． 层状地基中桩静载荷试验数据的拟合分析I- J ] ． 岩土工程学报， 1 9 9 8 ， 2 0 3 3 4 3 9 ． Z H U J i n y i n g ， C H E N L o n g z h u ， G E V i ． T e s t d a ta a n a l y s i s f o r a x i a l l y l o a d p i l e s i n l a y e r e d s o i l E J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i - 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