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第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y V 0 1 .3 3N o .3 M a y2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 3 0 3 0 7 0 4 荷载传递法在桩基加载试验中的应用软件开发 陈广峰,史平2 ,梁小凤3 ,王小敏4 1 .中国矿业大学建筑工程学院,扛苏徐州2 2 1 0 0 8 ;2 .徐州工茬学院土木工程系,江苏徐州2 2 1 0 0 8 3 .北京大学物理系.北京1 0 0 0 8 3 } 4 .南京大学地球科学系,江苏南京2 1 0 0 9 3 摘要本文结舍自平衡加栽试验,研究荷载传递法求解桩在各个土层界面处的轴力和各分单元 的侧摩阻力方面的应用,根据荷载传递解析法的假定得蛰j 试验桩的极限承载力和桩颂的沉降;同 时,基于荷载传递法的解析原理,开发出专用于自平衡加栽试验计算的应用程序. 关键词荷载传递法;自平衡加栽;侧摩阻力;单桩极限承载力 中图分类号T u4 7 3 .1文献标识码A A p p l i c a t i o nS o f t w a r eD e v e l o p m e n to fL o a d T r a n s f e rM e t h o dw i t hS e l f B a l a n c e dT e s t C H E NG u a n g f e n 9 1 。S H IP i n 9 2 ,L I A N GX i a o - f e n 9 3 ,W A N GX i a o m i n 4 1 .S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n s n a r i n g ,C U M T ,X u z h o u ,J i a n g s u2 2 1 0 0 8 tC h i n a ;2 .X u z h o u E n g i n e e r i n g C o [ 1 e g e ,X u z h o u ,J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ,C h m a , 3 .D e p t .o f P h y s i c s ,B e i j i n g U n i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ,c h i n a ‘4 .D e p t .o fE a r t hS c i e n c e s ,N a n j i n gU n i v e r s i t y .N a n i i n g ,J i a n g s u2 1 0 0 9 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h ep i l es t r e s 8 e so nt h ei n t e r f a e e so fa l Is o l Is t r a t aa n dt h eh t e r a lf r i c t i o nf j r c eo ft h e s i n g l ep i l eu n i t sw e r ec o m p u t e dbt h et o a dt x a n s f e rm e t h o dw i t hs e r f - b a l a n c e dt e s t .T h eu l t i m a t e c a p a c i t yo ft h ef i n g l ep i l ea n dt h es e t t l e m e n to ft h ep i l et o pw e r eo b t a i n e du s i n gt h es u p p o s i t i o n so f t h el o a dt r a n s f e rm e t h o d .F i n a l I y ,ap r o g r a mw a sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h er e s u l t so ft h es e l f b a l a n c e dt e s ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fb a dt r a n s f e rm e t h o d . K e yw o r d s l o a dt r a n s f e rm e t h o d { s e l f - b a l a n c e dt e s t ;l a t e r a l 付e t i o nf o r c e ;u l t i m a t ec a p a c i t yo f s i n g l ep i l e 桩基承载力与沉降分析是工程地质学与岩土 工程研究的重要内容之一.近年来,随着工程规模 的扩大,桩基的规模也是空前的,这使得桩基的试 验和设计方法都受到了挑战.自平衡加载试验能够 很方便地施加比传统静压试验高得多的荷载,适应 了特大型桩基的试验要求.白平衡试验的结果如何 分析才能用于工程桩的设计 这是一个新的『司_ 题. 1 基本原理 1 .1 自平衡法荷载试验 本文试验采用的自平衡加载法C l - z 1 O s t e r b e r g c e l l ,o s t e r b e r g ,1 9 8 9 是单桩承载力直接试验法的 一种.其特点在于,事先埋置荷载箱,由荷载箱进行 加载,避免了堆载法中需要配重或锚桩法中需要锚 桩.这就为静载荷试验无法开展的场合,如公路桥 梁工程中水上等情况,提供了一种相对比较可靠的 单桩承载力直接试验方法. 1 .2 荷载传递法 荷载传递法是一种概念简单、应用方便的单桩 沉降分析计算方法.该方法将桩沿长度方向离散成 若干弹性单元,桩周介质 岩土 与桩体问边界上的 相互作用采用弹簧加以模拟.每个单元与桩周介质 收藕日期。2 0 0 3 0 5 2 9 作者简介胨广峰 1 9 7 1 . ,男,扛苏省棘州市人,中国矿业大学博士研究生,从事建筑材科、结构工程厦岩土工程方面的研充 万方数据 3 0 8 中国矿业太学学报第3 3 卷 边界上的剪切应力只与该单元处的位移有关,与其 它离散单元的受力和变形状态无关.见图1 ,2 . 图1 荷载传递法原理 F i g lP r i n c i p l eo f l 鼬d 圈2 桩的单元划分 t r a n s f e rm e t h o d F i g .2 E l e m e n t so fp i l e 2自平衡试验中求解桩身荷载的过程 在荷载传递解析中,作如下假定1 桩为弹性 体;2 可由单元上下两面的轴力和平均断面刚度 来求各单元的应变} 3 自平衡测试法中,桩尖的承 载力一沉降关系及不同深度的桩侧摩阻力一变位量 关系与标准实验法是相同的. 2 .1 荷载传递法的求解思路 在自平衡测试中,测定荷载箱的荷载、垂直方 向向上和向下的变位量以及桩在不同深度的应变. 通过桩的应变和断面刚度,计算出轴向力分布,进 而求出不同深度的桩侧摩阻力.利用荷载传递解析 方法,将桩侧阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与 向下变位量的关系换算成桩头荷载对应的荷载一沉 降关系, 2 .2 桩侧摩阻力及桩身轴力 从装荷载箱的深度起,将以上部分分割成”个 单元,以每个单元的上界面作为一个节点,任意一 点i 的桩轴力P i 和变位量S f 可用下式表示 P o 一只 ∑, m [ u 辨 m 。l u 。 1 ] 墨掣, 1 剐 一s i 1 丽湎再案等丽 { 2 P s , i [ u f u i 1 3 华十 ∑, m 田 m U m 1 ] H 幻} , 2 式中P j ,S ,分别为i n l 点 荷载箱深度 桩的 轴向力 k N 和向下的变位量 m ;,渤 ,u m ,A m ,E m 。日 m 为m 点“~”之间的点 的桩 侧摩阻力 k P a ;假定向E 为正值 ;桩周长 m l 桩 截面面积 m 2 ;桩弹性模量 k P a ;桩分割单元m 的长度 m . 单元i 的中点变位量S 。 i 可用下式表示 s 。 i s i 1 j i 丽了j ;;8 j _ 丽 f2 P , , f [ u “ u i 1 ] 堕竽 ∑f m H r a 【『- U m 十U r a 1 ] 3 2 .3 桩的极限承载力和桩】页沉降 在自平衡加载试验中,单桩极限承载力鼠表 示为 Q ∑只 i f f 瓯一W 百 F , i H f u i £ i Q k 一Ⅳ, 4 丽 式中;Q 。为桩身与桩周介质边界上的总的极限桩 侧摩阻力 k N ;Q 。为桩端总的极限承载力 k N ; Ⅳ为桩身材料自重 k N ;£ i 为第i 土层的侧阻力 修正系数. 根据荷载箱的工作机理,各级荷载作用下,桩 顶沉降s 。可表示为 S o S T S J , 5 式中S t 为桩荷载箱上部引起的桩顶沉降;s T 为 桩荷载箱下部引起的桩顶沉降.S T 即是荷载箱的 向下位移s ,,可直接由试验现场得到.桩上部分引 起桩顶沉降的唯一因素是桩身的压缩,s 则可以 表示成桩上部分单元的压缩总和.式 5 又可表示 成 S 。 砉丽嵩蒋A 掣i 1 盟 E I 而1H t l ” “ ,. o 一善r 4 f E i 十 十 1 1 十。7 ‘ 3 软件开发 利用V B 6 .0 高级可视化语瞢”对荷载传递法 解析桩身荷载进行编程. 3 .1 设计要求[ 4 3 1 可视化l z 模块化l3 功能化} 4 过程化5 5 健壮性f 6 提示帮助. 3 .2 传递解析过程的算法 考虑到荷载箱处向上位移5 ,,太于中点位移 S 。。 N 1 单元 、向下位移s 。j 大于中点位移s 。 Ⅳ1 l 单元 .由于一个单元侧摩阻力影响该单元的中 点位移值很小,所以可以把s 。,和S 。,作为N 1 单元、 Ⅳ1 1 单元的中点位移初设值.下面仅给出上部 单元在各级荷载下运用荷载传递解析法的算法 F o rk 1 T oJ ‘J 级荷载 F o rI N 1T o1 ‘上部共N 个单元 需溉阐亘堕 P ∞ 国 T l 万方数据 第3 期 陈广峰等荷载传递法在桩基加载试验中的应用软件开发 S l m S l i k S 2 m S 1 j k D o S l m S l m S 2 m /2 C a UC h a z h a o I ,S l m ‘找合适的S m i n .,S t a i n ,f m i n ,f m a x T A o k ,I 一 f m i n f r a a x f m i n * S l m ~ S t a i n / S m a x - S m i n * Ui f - H i I f I N 1T h e n P k ,I P j k 一T A O k ,I S 2 m S 1 j k P k ,1 3 * P j k * H i /A /E /8 E l s e P k ,I 一P k ,I 1 一T A O k ,I S 2 m S k ,I 1 P k ,I 3 * P k ,I 1 * H i /A /E /8 E n d I f L o o pU n t i lS l m - S Z m 0 .0 0 0 0 0 2O rS 1 m S 2 m Z 0 .0 0 0 0 0 2 ‘可以认为S 1 m 为中点位移 I f I N 1T h e n S k ,1 S 1 j k P k ,1 P j k * H j /A /F /2 E l s e S k ,I S k ,I 1 P k ,I P k ,I 1 * H i /A /E /2 E n d I f N e x t I N e x tk 3 .3 功能介绍 该程序运行必须有O F F I C E9 7 中的A C C E S S 支持,很多数据表都由其建立. 图3 所示为“工程数据”窗口. 图3 工程数据窗口 F i g .3 W i n d o wo fe n g i n e e r i n gd a t a 用户可以根据提示输入所有数据.窗口右边的 “桩加载分级及位移量表”是从程序自带的名为 d b l .m d b 的数据库文件中调用的,用户可以在程 序启动前在A C C E S S9 7 中对数据表进行修改.图 4 为“计算结果”窗口.用户可以点击“轴力情况”、 “侧阻情况”、“桩端Q s ”按钮,查看计算结果.同时 窗口右边给出了桩承载力值和桩沉降值. 图4 计算结果窗口 F i g .4W i n d o wo fc a c u l a t i o nr e s u l t s 4 工程应用实例 4 .1 工程介绍 镇江扬州长江大桥试桩工程由江苏省交通规 划设计院设计,江苏省交通工程总公司施工.对钻 孔号为Z N l 2 1 ,Z N 3 6 位置的钻孔灌注桩,采用自 平衡加载法进行了静载荷试验E S - S ] . 试桩Z N l 2 1 直径2 .8I T l ,桩长6 0 .5m ,弹性模 量E 一3 6G P a ,有六个岩土层分界面,荷载箱位于 距桩底1 .5m 处.在岩土层分界面处,桩身每个截 面对称设置4 个振弦式钢筋计,为了解持力层岩石 情况,在荷载箱下部设置2 个截面钢筋计.共布置 3 2 个钢筋计. 4 .2 数据整理与分析 图5 ~7 分别给出了程序计算得出的单桩轴力 P 情况、各单元与周围岩土体的侧摩阻力以及桩端 阻力Q 与桩端沉降s 的情况. 桩界面探度 ,m 图5 各级荷载下的桩轴力分布曲线 F i g .5C u r v e so fp i l es t r e s su n d e rv a r i o u sl e a d s 万方数据 3 1 0 中国矿业大学学报第3 3 卷 481 21 6 2 02 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 44 85 25 6 6 0 箱荷蓑p /M N 图6 桩单元侧摩阻力变化曲线 F i g .6 C u r v e so fl a t e r a lf r i c t i o nf o r c eo fp i l ee l e m e n t 轴力情况从曲线图5 中可以直观的得到如下 结论1 桩身轴力在荷载箱处最大,其值随桩单元 与荷载箱的距离的增大而减小.这说明离荷载箱较 近的桩单元尽可能地先承受了荷载箱的作用,然后 慢慢传递给较远的桩单元;2 随着荷载下箱荷载 的增大,各单元界面的轴力也相应增大;3 在荷载 箱的荷载较小时,靠近地面的界面1 ,2 ,3 其轴力均 出现了负值,这与实际的测试情况不相符合. 桩侧阻力情况由图6 可以看出各桩单元的侧 摩阻力均随箱荷载的增加而增大.对照测试报告可 以发现单元1 ,2 ,3 ,4 在箱荷载较大时其侧摩阻力 超过了已测得的侧摩阻力.桩端g s 情况见图7 , 曲线呈现出了传统的桩静荷载试验所表现的特征, 只是局部稍有些变形.根据曲线的走势,可以初步 判断桩端土体在最大荷载下没有达到完全破坏.对 照镇扬大桥南汉桥南塔试桩测试研究报告 东南大 学土木工程学院,江苏省长江公路大桥建设指挥 部,2 0 0 0 年 ,桩端的阻力和沉降数据计算吻合的 最好,除荷载较小时沉降有些偏差,其他数据非常 接近. Q /M N 01 02 03 04 05 06 0 l 6 8 载传递时减去的桩单元侧阻力偏大有关.导致桩单 元侧阻力偏大的因素有两点;1 随着荷载的增大, 桩单元的侧摩阻力也不断增大,这与实际情况不一 致;2 求中点位移时,应该用桩单元侧摩阻力较大 的一半的平均值,而不是整个单元侧摩阻力的平均 值,所以侧阻力偏小,中点位移和各单元界面位移 均偏大,最终影响的是该单元的侧摩阻力计算值和 下一个界面上的轴力偏小. 通过上面的分析,程序计算出的局部异常结果 是很显然的,也说明程序本身是正确的,关键在于 能给程序提供全面准确的数据.针对荷载传递法的 研究,又提出了一个新的问题怎样才能获取准确 的桩单元位移与侧摩阻力的关系,并且找到准确的 函数来表达 本文是采用折线描述 . 荷载传递法在理论上已经证明是可行的口。9 ] , 成功地预测桩的极限承载力和桩顶沉降关键是有 桩单元的变位量与岩土的侧摩阻力数据.因此作者 有一个设想,通过收集实际工程和试验测试桩的统 计数据,主要是在不同荷载水平下各类岩土层在不 同深度处对桩的侧摩阻力,建立一个有充分代表性 的数据库.这样只需给程序描述桩直径、桩单元长 和桩周桩端岩土性质就可以得到任意情况下桩的 承载力和桩顶沉降预测值. 参考文献; [ 1 ] 刘金砺.柱基础设计与计算[ M ] .中国建筑工业出版 牡。1 9 9 0 . 图7 桩端Q - S 曲线 F i g .7Q Sc u r v eo fp i l et o p 5 结论 [ 8 ] 本文的重点是研究荷载传递法在自平衡加载 [ 9 ] 试验中的应用和开发相关程序.根据前面的分析, 突现出同一个问题桩的界面轴力递减较快,最后 的单元竟出现了负值,下部单元同样如此,这与荷 石名磊.大直径钻孔灌注桩的承载力与沉降研究 [ D ] .南京东南大学交通学院,2 0 0 2 . 北京博彦科技发展有限责任公司.V i s u a lB a s i c 开发 教程[ M ] .北京清华大学出版社,2 0 0 0 . E r i cB r i e r l e yP ,D a v i dR .V i s u a l ‘B a m c6 开发人员指 南[ M ] .北京机械工业出版社,1 9 9 9 . 曹汉志.桩的轴向荷载传递及荷载一沉降曲线的数值 计算方法口] ,岩土工程学报,1 9 8 6 ,8 6 3 7 .4 9 . 张永谋,杨敏.层状地基中单桩荷载与沉降的数值模 拟[ J ] .工程勘察,1 9 9 9 2 ,1 - 4 . B u t t e r f i e dR ,B a n e r j e ePK .T h ee l a s t i ca n a l y s i so f c o m p r e s s i b l ep i l ea n dp i l eg r o u p s [ J ] .A S C E ,1 9 7 1 ,2 1 1 4 3 6 0 . C o y l eHM ,R e e s eLC .L o a dt r a n s f e rf o ra x i a l l y l o a d e dp i l e si nd a y [ J ] .A S C E ,1 9 9 6 ,9 7 2 { 1 - 2 5 . P o u l o sHG D a v bEH .P i l ef o u n d a t i o na n a l y s i sa n d d e s l g n E M ] .N e wY o r k ,J o h nW i l e ya n dS e n s ,1 9 8 0 . 责任编辑王玉浚 啪 姗 啪 喜 姗 m 。 日自主鼍窜 万方数据
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