桩周土体静阻力模型分析及在打桩中的应用.pdf

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桩周土体静阻力模型分析及在打桩中的应

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，改良土

体静力模型及其计算参数确实定方法，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。结果说明摩阻力和剪切

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，这说

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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，都说明在静

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改良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。

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Rs(i,t)(下文简写为Rs)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

Rs-S的关系曲线

2.2桩端土体模型桩端土体单元用理想弹塑性模型来描

述土体力学与变形特性，即弹性、塑性与动阻力分别由弹簧、

摩擦键及缓冲壶组成的土体流变模型来模拟。土体单元的加

载弹性变形由线段OC(弹簧)模拟，塑性变形由线段CD(摩擦

键)来模拟，DE段表示桩端土卸载弹性变形阶段。详细的模

型描述参见文献[6]。

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3一维动力打桩波动方程

1931年，D.V.Isaacs指出能量从桩锤传递到桩底不是简

单的刚体撞击动力问题，而是撞击应力波在桩身内的传播问

题[10]。他将桩周土体阻力R′引入古典的一维波动方程得到

(13)

式中：x为桩截面的位置坐标；u为x处桩截面的质点