竖向荷载作用下单桩极限承载力计算方法的研究
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摘要
在桩基工程实际中，应用最广的是在竖向荷载下作用的桩。桩的极限荷载的确定关系到设计是否安全和经济的重要问题。国内外关于单桩竖向极限承载力的确定方法很多，但至今还未找到较为完善、科学和经济的方法求解桩的极限承载力。为此，本文对单桩极限承载力计算方法进行研究。
本文在对现有的单桩极限承载力计算方法进行系统的分析研究基础上，比较系统的对国内外所提出的各种方法对比分析与评价，可为桩基设计提供一定的参考。
本文着重讨论了在不同桩长、桩径和桩径比情况下，用静力法、经验法和《桩基荷载传递机理有限元程序》来研究单桩极限承载力值的变化规律，为此，编制了两个计算程序。所得重要结论具有明显的经济价值和现实意义。
本文将桩长、桩径分别变化7次，在7种不同的均质土中，利用Super软件剖分网格，将译码得到的数据文件调入前处理程序，然后进入《桩基荷载传递机理有限元程序》，经后处理程序处理后，分析在7种不同均质土中，不同桩长、桩径的桩的P-S曲线，从而得到各种情况下单桩极限承载力。为了分析以上得到的343组数据，本文采用多元线性回归分析法对其进行分析，并编制了多元线性回归分析方法的程序。提出了基于《桩基荷载传递机理有限元程序》的经验公式。经与其他方法进行对比计算，表明了该方法是可行的，可用此方法方便的估算出桩的承载力。
本文同时还研究了在相同的承载力要求下，可以满足承载力要求的不同桩长、桩径组合，从经济的角度出发，进行了对比分析，在中、高层建筑中具有应用价值。
Vertically loading single piles are the most abroad on the design of the pile foundation. There are many methods in the world, which can calculate the ultimately bearing capacity of single pile. But all these methods aren' t perfect, scientific or economical. Accordingly, this paper mainly researches about the calculating methods of the single pile.
Firstly, this paper systematically summarizes and contrastively analyses the currently calculating methods of the single pile so as to provide with a reference on the pile design.
Secondly, this paper importantly uses the finite element method, the static force method, the experiential method to analyse the single piles, which have different pile length, pile radius, the ratio of the pile length and radius. And in order to calculate the bearing capacity, the paper compiles two calculating programs based on the static force method, the experiential method. According to the calculated results, this paper gets some valuable conclusion by analysis, which can be used in practice.
Thirdly, this paper analyzes seven different pile-length and pile-radius at seven different even soils, using the Super software to make grids, the front auxiliary program, the Finite Program of Pile Foundation and the behind auxiliary program, so that all piles' P-S curves are analyzed. From the curves, every pile' s ultimately bearing capacity is gotten. There are 343 group data. In order to analyze these data, the paper uses the plural linear programming
analysis method and compiles the program. Using this program, this paper summarizes an experiential method. It is certificated that the method is applicable, economical and valuable in the pile foundation practice.
Finally, some piles have different pile-length and pile-radius combination while their bearing capacities are same. This paper contrastively analyses these piles by the economical viewpoint. Some conclusions are useful and practical on the middle and high-rise building.
本文在对现有的单桩极限承载力计算方法进行系统的分析研究基础上，比较系统的对国内外所提出的各种方法对比分析与评价，可为桩基设计提供一定的参考。
本文着重讨论了在不同桩长、桩径和桩径比情况下，用静力法、经验法和《桩基荷载传递机理有限元程序》来研究单桩极限承载力值的变化规律，为此，编制了两个计算程序。所得重要结论具有明显的经济价值和现实意义。
本文将桩长、桩径分别变化7次，在7种不同的均质土中，利用Super软件剖分网格，将译码得到的数据文件调入前处理程序，然后进入《桩基荷载传递机理有限元程序》，经后处理程序处理后，分析在7种不同均质土中，不同桩长、桩径的桩的P-S曲线，从而得到各种情况下单桩极限承载力。为了分析以上得到的343组数据，本文采用多元线性回归分析法对其进行分析，并编制了多元线性回归分析方法的程序。提出了基于《桩基荷载传递机理有限元程序》的经验公式。经与其他方法进行对比计算，表明了该方法是可行的，可用此方法方便的估算出桩的承载力。
本文同时还研究了在相同的承载力要求下，可以满足承载力要求的不同桩长、桩径组合，从经济的角度出发，进行了对比分析，在中、高层建筑中具有应用价值。
Vertically loading single piles are the most abroad on the design of the pile foundation. There are many methods in the world, which can calculate the ultimately bearing capacity of single pile. But all these methods aren' t perfect, scientific or economical. Accordingly, this paper mainly researches about the calculating methods of the single pile.
Firstly, this paper systematically summarizes and contrastively analyses the currently calculating methods of the single pile so as to provide with a reference on the pile design.
Secondly, this paper importantly uses the finite element method, the static force method, the experiential method to analyse the single piles, which have different pile length, pile radius, the ratio of the pile length and radius. And in order to calculate the bearing capacity, the paper compiles two calculating programs based on the static force method, the experiential method. According to the calculated results, this paper gets some valuable conclusion by analysis, which can be used in practice.
Thirdly, this paper analyzes seven different pile-length and pile-radius at seven different even soils, using the Super software to make grids, the front auxiliary program, the Finite Program of Pile Foundation and the behind auxiliary program, so that all piles' P-S curves are analyzed. From the curves, every pile' s ultimately bearing capacity is gotten. There are 343 group data. In order to analyze these data, the paper uses the plural linear programming
analysis method and compiles the program. Using this program, this paper summarizes an experiential method. It is certificated that the method is applicable, economical and valuable in the pile foundation practice.
Finally, some piles have different pile-length and pile-radius combination while their bearing capacities are same. This paper contrastively analyses these piles by the economical viewpoint. Some conclusions are useful and practical on the middle and high-rise building.
引文
[1] 刘金励 桩基工程技术 中国建材工业出版社，1990，9．
[2] 林天健，熊厚金等 桩基础设计指南 中国建筑工出版社，1999，5．
[3] 宰金珉，宰金璋 高层建筑基础分析与设计 中国建筑工业出版社，1994，6．
[4] 刘金励 桩基工程手册 中国建筑工业出版社，1990．
[5] 卢世深，林亚超 桩基础的计算和分析 人民交通出版社，1990．
[6] 沈保汉 桩基础测试勘察 设计与施工(二)-桩的垂直静载试验 工业建筑，1990，10．
[7] 沈保汉 桩基础测试勘察设计与施工(三)-桩的极限荷载的确定 工业建筑，1990，11．
[8] 沈保汉 桩基础测试勘察设计与施工-桩的屈服荷载的确定 工业建筑，1990，12．
[9] 李志成 桩基础试验 中国林业出版社，2000，5．
[10] 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 工业建筑，1991，2．
[11] 陈仲颐，叶书麟 基础工程学 中国建筑工业出版社，1990，10：274～295．
[12] 董建国，赵锡宏 高层建筑地基基础工程共同作用理论与实际同济大学出版社，1998．
[13] 沈保汉等 确定桩屈服荷载的Δp-k/p法 工业建筑，1992，5．
[14] 周景星等 基础工程 清华大学出版社，1996，9：131～169．
[15] (美)JE波勒斯(唐念慈等译) 基础工程分析与设计 中国建筑工业出版社，1990．
[16] 戴林 P-K法确定单桩竖向承载力 岩土工程技术，2001，3．
[17] 刘锍氚 单桩承载性能的三维有限元无限元耦合分析 岩土力学，2000，3．
[18] 曾国熙，叶政青等 桩基工程手册 中国建筑工业出版社，1995，9．
[19] 安关峰 桩(土)与承台组合结构罚单元分析 岩土工程学报，2000，6．
[20] 罗晓晖 刚遗传算法确定地基承载力 岩石力学与工程学报，2001，3．
[21] 费勤发 分层总和法在单桩分析总的应用 水利水运科学研究，1989 4：59～63
[22] 刘用暖 一种桩-土三维等厚度接触单元及其应用研究西安理工大学硕士学位论文，2001，3．
[23] 张冬霁等 一种土与结构接触面模型的建立和应用岩土工程学报，1998，6．
[24] 陈龙珠 桩轴向荷载沉降曲线的一种解析算法 岩土工程学报，1994，6，
[25] 江礼茂 一个以波动理论为基础计算单桩承载力的计算机程序 岩土工程学报，1990，4．
[26] 姚仰平等 西安地区桩基静载荷试验资料汇编 陕西科学技术出版社，1999，4．
[27] 楼晓明等 刚性承台桩群土共同作用的两种迭代算法 岩土力学，1997，3，
[28] 杨挺 人工挖孔桩竖向承载力的分析与研究 建筑结构，1999，12．
[29] 张雁 沉管灌注桩承载力统计分析 建筑结构，1993，10．
[30] 曾利民 论用动刚度计算单桩承载力的不确定性 建筑结构学报，1998，4．
[31] 潘时声 用分层积分法分析桩的荷载传递 建筑结构学报，1991，5．
[32] 奚进泉 确定单桩轴向屈服荷载的一种新方法 工程勘察，1994，5．
[33] 李振明 用等变形准则确定单桩基础的承载力 工程勘察，1996，1．
[34] 张尚根 确定单桩荷载传递函数的一种新方法 工程勘察，1997，6．
[35] 龚晓南等 群桩有限里兹单元法 浙江大学学报，2000，4．
[36] 郑刚等 水泥搅拌桩有限元无限元耦合分析 天津大学学报，2000，6．
[37] 冯紫良 用人工神经网络预测单桩竖向极限承载力 同济大学学报，1999，4．
[38] 杨敏等 分层土中的群桩分析法 同济大学学报，1993，2．
[39] 潘时声 单桩荷载与位移规律分析 清华大学学报，1994，5．
[40] 郭大兵 预制桩基极限承载力的多次累加生成GM(1，1)模型法土工基础，1996，2．
[41] 蒋国澄等 基础工程400例(技术与经济观点) 中国科学技术出版社，1995，4：1～2．
[42] 安关峰 桩(土)与承台组合结构罚有限元分析 岩土工程学报，2000，6．
[43] 胡汉兵 竖向荷载下群桩承载特性的弹塑性分析 长江科学院院报，2001，1．
[44] 傅少君 神经网络方法在桩基础中应用 长江科学院院报，2001，2．
[45] 金宝宏 罚单元、接触元在承台-桩-土三者共同作用中的应用 西安理工大学硕士学位论文，2002，3．
[46] 郭大兵 桩基极限承载力的灰色预测 工业建筑，1996，4．
[47] 徐士良 FORTRAN常用算法程序集 清华大学出版社，1995，12：365～372．
[48] 徐攸在 确定单桩承载力的合理方法 土木工程学报，1987，2．
[49] 徐国希 一种新型的动力触探法 土工基础，2000，2．
[50] 王武林 凯司(case)法确定桩的承载力 岩土力学，1988，2．
[51] 卢应发 一种以P-S曲线求解桩的荷载和沉降分布的方法 岩土力学，1995，1．
[52] 修朝英 单桩垂直静载试验P-S曲线的数学描述和极限荷载的预测岩土力学，1988，6．
[53] 徐攸在 动力测定桩承载力的防范 岩土力学1992，1．
[54] 吕福庆 桩的垂直静载试验极限荷载判定方法综述 岩土力学，1996，1．
[55] 肖大平 滑移线法求解极限承载力问题的一些发展 岩土力学，1998，4．
[56] 王成华 单桩竖向静载试验存在的若干理论与实践问题 岩土力学，1998，6．
[57] 阳吉宝 超长桩的荷载传递机理 岩土力学，1998，6．
[58] 韩晓林 桩基承载力检测的准静载灰色方法 岩土工程学报，2000，1．
[59] 柳克铸 用静力触探估算单桩承载力 土工基础，1990，1
[60] 郭大兵 桩基极限承载力的灰色预测 工业建筑，1996，4．
[61] 邱洪兴 用叶贝斯方法确定单桩竖向承载力 工业建筑，1997，2．
[62] 佩栋 关于Osterberg静载荷试桩法的进一步探讨工业建筑，1998，2．
[63] 董鸣毅 自平衡加载法试桩探讨 土工基础，2000，1．
[64] 余承昭 预估试桩极限承载力的凋整曲线法 建筑结构，1995，3．
[65] 何健 解析法推算桩极限荷载和划分桩类别的探讨 建筑结构，1993，2．
[66] 张绍治 桩基参数动测法Basic计算程序 工程勘察，1987，5．
[67] 陈忠汉 最多参数最优解法求桩侧分层土极限摩阻力工程勘察，1988，6．
[68] 王汉杰等 陕西省建筑工程综合预算定额 陕西省建设厅，1993．
[69] GoodmanRF, Taylor, BrekkeTL A model for the Mechanic of Jointed Rock Journ. Soil Mech&Found Div ASCE 1968, 94 (SM3):637-660.
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[71] Ying zong-ze, zhu hong,xu guo-hua a study of deformation in the interface between soil and concrete, computers and geotechnics 1994, 94 (1):637-660.
[72] Smith, e.a. 1 Pile driving analysis hy the wave equation, Journ. Soil mech&found div ace vol. 86, no. 8, august, 1960.
[73] Clough G W, Duncan J M. Finite Element Analysis of Retailing Wall Behavior. Journ Mech&Found Div ASCE, 1971, 97 (SM12):1657～1674.
[74] GoodRF, TaylorRL, BrekkeTL. Amodel for the Mechanics of Jointed Rock. Journ. SoilMech&FoundDivASCE 1968, 94 (SM3):637～660.
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[79] Chamecki, S. Structural rigidity in calculating settlements, J. Soil Mech. and Found. Div, ASCE, 1956, Vol. 82 SM1, 1～9.
[80] Grosshof, H. (1957). Influence of fiexural rigidity of superstructure on he distribution of contact pressure and bend-ing moments of an elastic combined footing. 4th ICSMFE. London. 1957, Vol. l,300～306.
[81] Sommer H.A method of Calculation of settlements, contact pressures and bending moments in a foundation including the fiexural rigidity of the superstructure. Proc. 6th ICSMFE. 1965. Vol. 2,197～201.
[82] Zeinkeivicz. O.C. and Cheung, Y. K. Plates and tanks on elastic foundation an application of finite element method, J. Soilds and Struct. 1956. Vol.1,451～461.
[83] Przemienicki, J.S. Theory of matrix structural analysis. 1968.
[84] Haddadin, M. J. Mast and Combined footings analysis by the finite element methods Proc. ACI.,1971, Vol. 68, No. 12,945～983.
[85] Christian, J.T. Soil structure-interaction for tall buildings. Planning and Design of Tall Buildings, Lehigh U.,1972, Vol. la, 967～983.
[86] Lee, I.K, and Harrison, H.B.A theoretical study of the interaction of structure and foundations. J. Struct. Div.,Proc. ASCE. 1970, Vol. 96, No, ST2,177～197.
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[3] 宰金珉，宰金璋 高层建筑基础分析与设计 中国建筑工业出版社，1994，6．
[4] 刘金励 桩基工程手册 中国建筑工业出版社，1990．
[5] 卢世深，林亚超 桩基础的计算和分析 人民交通出版社，1990．
[6] 沈保汉 桩基础测试勘察 设计与施工(二)-桩的垂直静载试验 工业建筑，1990，10．
[7] 沈保汉 桩基础测试勘察设计与施工(三)-桩的极限荷载的确定 工业建筑，1990，11．
[8] 沈保汉 桩基础测试勘察设计与施工-桩的屈服荷载的确定 工业建筑，1990，12．
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[12] 董建国，赵锡宏 高层建筑地基基础工程共同作用理论与实际同济大学出版社，1998．
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[30] 曾利民 论用动刚度计算单桩承载力的不确定性 建筑结构学报，1998，4．
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[36] 郑刚等 水泥搅拌桩有限元无限元耦合分析 天津大学学报，2000，6．
[37] 冯紫良 用人工神经网络预测单桩竖向极限承载力 同济大学学报，1999，4．
[38] 杨敏等 分层土中的群桩分析法 同济大学学报，1993，2．
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[57] 阳吉宝 超长桩的荷载传递机理 岩土力学，1998，6．
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[68] 王汉杰等 陕西省建筑工程综合预算定额 陕西省建设厅，1993．
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[73] Clough G W, Duncan J M. Finite Element Analysis of Retailing Wall Behavior. Journ Mech&Found Div ASCE, 1971, 97 (SM12):1657～1674.
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[75] Desai CS, Zaman M M. Thin Layer Element for Interface and Joints. Int
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[76] Chow Y K. Analysis of Vertically Loaded Pile Group. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1986,10:59～72.
[77] Boulon M, Nova R. Modelling of Soil Structure Interface Behavior:A Comparison between Elastoplastic and Rate-Type Laws. Computers and Geotechnics, 1990(9):21～46.
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[79] Chamecki, S. Structural rigidity in calculating settlements, J. Soil Mech. and Found. Div, ASCE, 1956, Vol. 82 SM1, 1～9.
[80] Grosshof, H. (1957). Influence of fiexural rigidity of superstructure on he distribution of contact pressure and bend-ing moments of an elastic combined footing. 4th ICSMFE. London. 1957, Vol. l,300～306.
[81] Sommer H.A method of Calculation of settlements, contact pressures and bending moments in a foundation including the fiexural rigidity of the superstructure. Proc. 6th ICSMFE. 1965. Vol. 2,197～201.
[82] Zeinkeivicz. O.C. and Cheung, Y. K. Plates and tanks on elastic foundation an application of finite element method, J. Soilds and Struct. 1956. Vol.1,451～461.
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[86] Lee, I.K, and Harrison, H.B.A theoretical study of the interaction of structure and foundations. J. Struct. Div.,Proc. ASCE. 1970, Vol. 96, No, ST2,177～197.