摘 要

在桩的变形特性研究中，在水平荷载的作用下，水平桩基可以分为刚性短桩和弹性长桩，且刚性短桩和弹性长桩的变形和受力特性也是不同的。当水平荷载作用较小时，桩周土处于弹性压缩阶段，随着荷载逐级增加，桩的变形也随之增大，土体由上至下逐步产生塑性屈服，使荷载向更深处传递。当变形增大到桩身产生破坏或者桩周土失稳时，桩土体系便趋于破坏。通过模型试验，通过自制的静力以及循环加载试验，在干砂和湿砂两种环境下，结合现有的理论成果，对比竖向荷载和水平荷载作用下单桩的水平变形性能，本试验通过对桩在水平荷载和竖向荷载作用下的水平位移、弯矩以及桩身应变的分析，可以得出，在相同水平荷载的作用下，存在一个临界竖向荷载，使桩基的水平位移、弯矩在临界竖向荷载的作用下有最大值或最小值；在相同竖向荷载的作用下，桩基的水平位移。弯矩随着水平荷载的增加而增大。在相同水平荷载和竖向荷载的作用下，在干砂环境下桩基的水平位移远小于在饱和湿砂环境下桩基的水平位移，而在干砂环境下与饱和湿砂环境下的弯矩差别很小。

关键词：弹性长桩，刚性短桩，干砂，饱和湿砂，水平位移，应变，弯矩

Abstract

In the study of pile deformation characteristics, under the action of horizontal load, horizontal pile foundation can be divided into rigid short pile and elastic long pile, and the deformation and stress characteristics of rigid short pile and elastic long pile are also different.When the horizontal load is small, the soil around the pile is in the elastic compression stage. As the load increases step by step, the deformation of the pile also increases, and the soil gradually produces plastic yield from top to bottom, so that the load is transferred to deeper depths.When the deformation increases to the extent that the pile body is destroyed or the soil around the pile is unstable, the pile-soil system tends to be destroyed.Through model test, using self-made static and cyclic loading test, the wet sand and dry sand two kinds of circumstances, combined with the existing theory achievement, compared with single pile in vertical load and horizontal load level deformation performance, through this test of pile under horizontal load and vertical load of horizontal displacement, bending moment and the analysis of the pile body strain can be obtained, at the same level under the action of load, there is a critical vertical load, the horizontal displacement and bending moment of pile foundation in critical under the action of vertical load with the maximum or minimum value;Under the same vertical load, the horizontal displacement of pile foundation.The bending moment increases with the increase of horizontal load.Under the same horizontal load and vertical load, the horizontal displacement of pile foundation in dry sand environment is far less than that in saturated wet sand environment, and the bending moment difference between dry sand environment and saturated wet sand environment is very small.

Key words: elastic long pile, rigid short pile, dry sand,saturated wet sand, horizontal displacement, strain, bending moment

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1刚性短桩的破坏特性 2

1.2.2弹性长桩的破坏特性 2

1.3本文要做的研究工作 2

第二章 桩基试验概况 3

2.1 实验准备 3

2.1.2 砂的基本参数 3

2.2试验步骤 5

第三章 在水平竖向荷载下桩基的承载特性研究 8

3.1干砂环境下的桩基特性研究 8

3.1.1 桩基在不同竖向荷载和水平荷载作用下的位移特性研究 10

3.1.2不同竖向荷载桩基在水平荷载下的微应变特性 11

3.1.3不同水平荷载和竖向荷载作用下桩基的弯矩 14

3.2饱和湿砂环境下的桩基特性研究 18

3.2.1 桩基在不同竖向荷载和水平荷载作用下的位移特性研究 20

3.2.2 桩基在不同竖向荷载和水平荷载作用下的应变特性研究 20

3.2.3 桩基在不同竖向荷载和水平荷载作用下的弯矩特性 23

3.3 比较干砂和饱和湿砂环境下的桩基特性区别 26

3.3.1干砂和饱和湿砂环境下不同水平竖直荷载下桩基的位移区别 26

3.3.2 干砂和饱和湿砂环境下不同水平竖直荷载下桩基的弯矩区别 27

第四章 结论 28

4.1 主要结论 28

4.2 问题与展望 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景

砂地层由于砂的特殊性质变得十分复杂，为了寻求研究砂地层的方法，在试验的慢慢尝试中，学者们采用室内开展模型试验或者现场测试的方法对砂中的桩基受力性能进行广泛的研究，对于桩基，在水平荷载的作用下，按受力特性水平桩基可以分为刚性短桩和弹性长桩。对于水平桩的变形影响因素，刚性短桩受桩材的抗弯强度，桩周的水平抗力以及桩在土中的稳定性所控制的；而弹性长桩的水平抗力主要是由桩体自身的抗弯能力，即桩身材料的强度所控制的。桩在水平荷载的作用下应满足以下几点：

1. 保持桩基在水平荷载下的稳定性，在水平荷载的作用下，桩周的土体固定桩基，使得桩长范围内的土体大多数都处于弹性状态。
2. 在水平荷载和竖向荷载的作用下，桩体表面可以出现裂缝，但是裂缝的宽度不能超出钢筋混凝土结构的开裂限度，且卸下荷载后，开裂的缝隙能够缓慢闭合，慢慢恢复。
3. 桩身挠度不能超过容许的范围，必须保证桩的结构完整性。

1.2国内外研究现状

桩基在水平荷载和竖向荷载作用下的受力特性与桩侧土质、桩周土的水平抗力、桩的弯曲刚度、桩身的材料强度、桩身的约束条件、截面相关尺寸以及桩的埋深等因素有关。可以看出，桩基的受力的特性既与桩本身特性有关，也与桩周土的特性有关，因此，在研究桩在水平荷载和竖向荷载作用下的受力特性时，必须考虑到桩和土的相互作用，即桩-土体系的变形条件，而不能仅考虑某一方面。

在水平荷载和竖向荷载的作用下，桩基的受力特性变得十分复杂，桩基的水平抗力不仅与桩体本身的材料强度有关，而且与桩侧土的水平抗力也有很大关系。

1.2.1刚性短桩的破坏特性

当桩相对较短、桩顶自由时，由于桩的相对刚度很大，在水平荷载的作用下，桩身不会出现弯曲变形，而是绕靠近桩端的一点转动。以转动点所在平面为分界线，在其上方的土层，及其下方至桩底之间的土层分别产生被动土压力。当水平荷载达到一定数值时，桩体本身一般不会破坏，故其水平承载力主要是由桩侧土的水平抗力强度控制。但桩径较大时，桩顶受到约束时，桩身很难发生转动，因此桩体将通过产生刚体平移来获得土体水平抗力，若桩侧土体水平抗力不足以平衡水平荷载，则该刚性短桩将因屈服而发生破坏。

1.2.2弹性长桩的破坏特性

桩的埋入深度较大，桩下段的土体水平抗力可视为无限大，即桩下段可以看做成完全镶嵌在土中而不能发生转动，在水平荷载的作用下桩只能发生绕曲变形，在桩长范围内的水平方向上的土体不会同时出现屈服现象，对于桩顶受到约束的弹性长桩，此时除可能会桩身弯曲破坏外，在连接处也可能因桩身材料的屈服形成塑性铰而发生破坏。

1.3本文要做的研究工作

基于以上现状，本文通过不同水平荷载和竖向荷载下桩基在砂中进行承载性能研究以及在干砂、饱和湿砂两种不同环境下桩基在水平荷载和竖向荷载的作用下的受力特性。

第二章 桩基试验概况

2.1 实验准备

模型箱是由钢化玻璃、角钢、钢板焊接成109*66*57cm的长方体。水平-竖向联合加载系统在模型箱的两边焊接滑动导轨，联合加载装置由钢丝绳、托盘、定滑轮、砝码组成。模型箱稳定性好，易于移动，适合室内模型试验。

模型桩为购置的桩长为73cm，壁厚为0.2cm的铝管，并在65cm处进行打孔，模型桩的具体参数如表2-1所示：

表2-1 模型桩具体参数

2.1.2 砂的基本参数

本次试验的砂，其基本物理参数如表2-2所示。根据《建筑地基基础规范》（GB5007-2011）可知该砂为颗粒级配均匀、级配不良的细砂。

表2-2 砂基本物理参数

图2-1 模型箱加载图

图2-2 模型箱示意图 图2-3 应变片位置详图（单位：mm）

模型箱钢筋具体焊接位置如图2.2，将已贴好应变片的钢管竖立在长方体箱中心，铁箱长1090mm，宽660mm，高640mm。一共需要10根钢筋，钢筋左右两边对称，其中一根水平焊接穿过滑轮，2根钢筋一端焊接在铁箱边，角度为45°，另2根钢筋一端焊接在铁箱截面上端往下300mm，长度分别为213mm，213mm，160mm，446mm，446mm。钢筋总长为2956mm。固定滑轮还需要不短于2m的钢丝绳，卡扣。固定在桩基突出铁箱150mm的高度。

应变片的粘贴如图2.3：取样6根钢管，分别记为A、B、C、D、E、F，在每根钢管两侧各自从下往上贴4块应变片，受压侧从上往下记为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，受压侧从下往上为记为1，2，3，4。每块应变片之间的间隔为10cm。最下面应变片与钢管底部相距5cm。每个应变片用2根导线分别延长，应变片表面涂上AB胶以保护应变片不受破坏。

砂填筑过程如下：模型高66cm，需要填35cm厚的砂，即采用分层填筑法，通过人工压实的手段，控制每层填筑压实的高度为10cm，最后一层压实高度为5cm。

控制初始密实度为0.6。则当厚度为10cm时：

∴

由：

得：

即初始密实度为0.6时，填筑压实10cm厚需要108.122kg的砂。

每小袋砂的质量为1.35kg，则每10cm厚需要80小袋 122g的砂。

同理可得：当厚度为5cm时：

则：

填筑压实5cm厚需要54.06kg的砂，每5cm厚需要40小袋 60g的砂。

2.2试验步骤

位移计的固定：将位移计固定在距钢管管口10cm处且是受压一侧。用钢丝绳一端连接钢管受压一侧，并用卡扣固定，以免水平荷载过大导致钢丝绳与钢管脱节。另一端穿过滑轮。保持钢管处于模型正中间并竖直无倾斜，在钢管上端放置一个重10.10kg的砝码，并将砝码固定在钢管上端。将应变片连接的导线分别接入静态应变仪，并通过平衡检查应变片是否完好。确认无误后开始试验，将钢丝绳一端接入重1.95kg的托盘，用静态应变仪和位移计测出相应的应变和钢管位移情况，在托盘上放入5.1kg的砝码为第一级，通过采集试验数据记录应变片应变和钢管位移，待位移计示数稳定不动后，再加入5.1kg砝码为第二级，记录相应实验数据，再依次加入5.1kg、3.05kg、3.05kg、3.05k、3.05kg为第三级、第四级、第五级、第六级、第七级，记录相应实验数据。待钢管有过大位移后，停止试验。将标准砂从模型中移出，换钢管B放置长方体箱中心，重复步骤上述步骤，填筑标准砂，填筑完成后，在钢管B上端放置20.20kg砝码，重复试验，再依次对钢管C进行试验并整理实验数据。数据整理，通过在钢管各部位在双向荷载的位移变化和变形情况。总结出钢管桩在砂里及在双向荷载作用下的水平性能特征。另外3根钢管是在湿砂中进行试验，同以上步骤填筑标准砂，向干砂中注水至覆盖水面，记录所用水的质量，静置8h待水完全浸入底部后进行试验。重复对三根钢管进行试验，在竖向荷载分别为10.10kg、20.20kg、30.30kg的前提下，对钢管施加水平荷载测量钢管各部位的应力和位移。整理试验数据，比较在干砂和饱和湿砂中，钢管在双向荷载下的水平性能的不同点。

图2.6 桩安置在砂中

图2.7 位移计的安装

第三章 在水平竖向荷载下桩基的承载特性研究

本试验会在干砂和饱和湿砂两种不同的环境下进行桩基在水平荷载和竖向荷载作用下进行桩的性能研究。

3.1干砂环境下的桩基特性研究

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