基于现场试桩的多模型长桩稳定性分析

刘成毅 王蔚佳 王永华

摘要：

基于Winkler弹性地基和Newmark等效弹簧支座概念，应用传递矩阵法建立适应多种桩侧地基反力分布假设的数学模型，在对地基反力离散简化中考虑了分割桩段两端位移不等值因素。通过现场试桩测定桩的水平位移和截面转角双参数，电算获得不同地基反力模型的相关参数。根据不同地基反力模型对长桩进行稳定性计算，对不同地基反力模型、不同桩顶约束形式和不同地面伸出长度时桩的计算长度变化规律进行了分析，揭示了3方面因素对桩的屈曲性能的影响。

关键词：

桩；静载试验；地基反力；分布模型；计算长度

中图分类号：

TU4731

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）06008205

对非嵌岩段桩周土體软弱、桩上部自由长度较大的长桩，有可能先于桩底持力层和桩本体材料的强度破坏而发生屈曲失效，设计时应进行桩的轴压稳定性计算，其轴压稳定系数φ需由桩的计算长度lc确定。确定桩的计算长度需要分析桩土相互作用时的桩体纵向屈曲特性，该领域的应用研究始于20世纪60年代，中国学者的研究与国外基本同步[14]。至20世纪90年代，随着端承长桩在建筑、桥梁等工程中的大量使用，桩身屈曲稳定问题受到进一步重视。依据文克尔（Winkler）假设的线弹性地基反力模型因在数学处理上比较简单，当桩的挠曲变形较小时，假设与实际比较吻合，因此在桩的压屈稳定研究中被普遍采用。学者们曾提出了数种线弹性地基反力分布的模型，如“常数法”、“K法”、“C法”和“m法”等，分别适应于某类特征的土体结构。例如，“常数法”适用于比较坚硬的土体和岩石，可用于分析部分打入冻土内桩的屈曲问题[5]；而“m法”和“C法”比较适合粘性土和砂性土[67]。但以上各种地基模型都被认为存在一定局限性。如“m法”地基模型，由于地基反力系数不会随着深度增大而始终保持近线性增长关系，用于长桩时会与实际情况存在偏差；而“C法”模型的地基深度x的指数ω，根据不同土体特征，取值可能在0～2范围[8]，对ω值恒取05并不合理，等等。因此有学者提出在桩的稳定设计计算中可采用折线法[9]，即地面以下一定深度按“m法”，更大深度时地基系数k可取常数，或按“C法”计算[10]（ω=05）。然而，目前除“m法”地基模型外，要通过现场试桩确定其他模型的相关参数还存在一定难度，用于桩屈曲稳定分析时所采用的地基模型还主要是基于试桩获取单参数地基比例系数的“m法”[6，1113]。虽然文献[14]应用RayleighRitz法对“常数法”、“C法”、“m法”和“Prakash法”等地基反力模型中的桥梁基桩屈曲性质进行了分析，但各模型参数不是由同一基桩的现场试验获得，还不能比较采用不同地基模型时桩的屈曲稳定性计算所产生的差异。为此，笔者仍依据文克尔假设，将桩土相互作用体系简化成离散集中弹性支撑结构，应用传递矩阵建立适应几种不同地基反力分布规律假设的数学模型，力求通过现场试桩获取相关模型参数并对桩的屈曲稳定性进行分析。

刘成毅，等：基于现场试桩的多模型长桩稳定性分析