考虑线性和非线性行为的黄土桩基沉降分阶段计算方法

《Measurement》：Staged calculation method for pile settlement in loess considering linear-nonlinear behavior

　　

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  提出了一种适用于黄土中非驱动桩的分阶段沉降预测方法。
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  该方法可预测桩的沉降以及临界荷载和屈服荷载。
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  现场过渡荷载通过刚度退化曲线进行识别。
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  桩参数影响分阶段沉降和渐进式界面屈服。

引言

桩基础广泛应用于黄土地区的关键工程结构，如高层建筑和桥梁，这些结构对变形控制要求严格 [1], [2], [3], [4]，如图 1 所示。桩顶荷载 - 沉降曲线是评估桩基力学性能并确保上部结构适用性的重要定量指标 [5], [6]。因此，在黄土工况下评估单桩荷载 - 沉降响应具有重要的工程意义。

桩的荷载 - 沉降曲线通常通过现场静载试验获得，或使用基于土体、桩身和界面参数的理论方法进行预测。现场静载试验被公认为测量单桩荷载 - 沉降响应最直接、最可靠的方法 [7]。在黄土地区，对土钻螺旋桩和长螺旋钻孔压桩的全尺寸试验表明，桩的施工可以改善周围黄土的密实度、湿陷性和压缩性，从而提高桩基或复合基础的承载能力 [8], [9]。钻孔灌注桩的静载和浸水试验进一步表明，渗水和湿陷性会通过改变侧阻力、负摩擦力和桩 - 土接触条件来改变荷载传递机制 [10], [11]。此外，循环和多向加载试验表明，黄土中的桩响应受加载路径、加载方向和桩型配置的影响，这反映在荷载 - 位移曲线和基于应变的轴力分布上 [12], [13]。柱锤扩底和挤扩桩复合基础的现场试验也表明，承载能力和不均匀沉降受桩施工、黄土改良和桩 - 土相互作用共同控制 [14]。最近，现场载荷试验数据被用于验证湿陷性黄土和超长桩的沉降计算方法和桩 - 土相互作用模型 [15], [16]。这些研究共同表明，现场试验为评估黄土中的桩行为提供了不可或缺的实测证据。然而，在工程实践中，桩测试通常需要在同一项目中进行多根试验桩 [17]。这一要求不可避免地增加了现场载荷试验的成本和时间。更重要的是，现场载荷试验结果的解释受所选加载终点的影响很大 [18]。如果在破坏前停止加载，测量的荷载 - 沉降响应可能不足以识别极限承载力及其相应的沉降；如果加载持续到破坏，试验桩的性能可能会受损，桩可能不再能作为有效的基础元件。因此，需要高效的预测方法来为黄土地区的桩荷载 - 沉降行为提供可靠的参考值。

对于理论预测，《建筑桩基技术规范》（JGJ 94–2008）[19] 规定的等效作用分层总和法为估算桩沉降提供了一种实用方法，并广泛应用于工程设计中。该方法便于设计导向的计算；然而，桩身与周围土体之间的荷载传递过程通常以等效方式处理。与基于规范的经验方法相比，荷载传递法 [20] 通过将侧阻力与桩 - 土相对位移相关联，将端阻力与桩端沉降相关联，更明确地表示了桩 - 土相互作用 [21], [22]。利用这种荷载传递方法，先前的研究通过引入界面本构模型进一步描述了桩 - 土界面行为 [23]，并考虑了桩 - 土界面的硬化或软化行为以描述界面阻力的逐渐发挥 [24], [25]。此外，多个接触界面和不同材料之间的位移相容性已被纳入固化土预制桩的沉降分析中 [26]。对于能源桩，温度相关的界面行为也被引入荷载传递框架，以考虑热载荷下桩 - 土相互作用的变化 [27]。这些研究表明，通过完善不同施工条件下桩 - 土界面的力学描述，可以提高桩沉降预测的准确性。然而，对于黄土地区的非驱动桩，在竖向荷载作用下，桩与周围黄土之间的荷载传递引起桩周剪切变形。桩 - 黄土界面的相互作用直接影响荷载传递和荷载 - 沉降响应的非线性演化。桩 - 黄土界面的结构依赖性剪切变形行为尚未得到充分考虑。界面阻力逐渐发挥与桩顶非线性沉降之间的关系仍不清楚。尽管现有方法为桩沉降分析提供了有用的工具，但仍需进一步研究，通过考虑桩 - 黄土界面剪切变形和渐进屈服建立分阶段桩顶沉降预测方法。该方法应能够预测对应于非线性沉降开始的临界荷载和对应于沉降快速发展的屈服荷载。这些过渡荷载可为评估工作荷载是否保持在近似线性阶段或进入非线性沉降阶段提供有用的参考值，从而支持沉降控制和经济设计。

为弥补这些空白，本研究提出了一种黄土地区单桩非驱动桩桩顶荷载 - 沉降响应的分阶段预测方法。该方法将桩 - 黄土界面的结构依赖性剪切变形行为纳入荷载传递公式，并进一步考虑界面的渐进屈服以描述桩顶沉降的分阶段发展。所提出的方法可以预测分阶段荷载 - 沉降响应并确定两个过渡荷载：对应于非线性沉降开始的临界荷载，以及对应于沉降快速发展的屈服荷载。现场载荷试验测量数据用于验证预测的荷载 - 沉降曲线和过渡荷载。此外，研究了桩长、桩半径、桩弹性模量和界面剪切强度对分阶段沉降发展和界面屈服的影响。

章节摘要

现场条件和桩型配置

静载试验在陕西省某煤矿员工宿舍建设期间在现场进行。试验旨在表征竖向荷载下的桩顶荷载 - 沉降响应，并为开发分阶段沉降预测方法提供试验依据。建筑采用了钻孔灌注桩基础。在试验现场桩长范围内未遇到地下水。试验场地的地下土层剖面为...

分阶段沉降方法的理论推导

基于上述对界面发挥的解释，建立了一个理论公式，将渐进式桩 - 黄土界面行为与桩顶荷载 - 沉降响应联系起来。随着桩顶荷载 p 的增加，桩 - 黄土界面阻力逐渐发挥，导致桩顶沉降分阶段发展。以下推导建立了该分阶段荷载 - 沉降响应的控制方程和沉降表达式。

分阶段沉降方法的验证

使用黄土地区的现场载荷试验数据验证了所提出的分阶段沉降方法预测桩顶沉降和识别过渡荷载的能力。验证案例包括钻孔灌注桩和超长螺旋钻孔压桩（SDDC）柱，两者均在黄土地区常用。

桩沉降的参数研究

进行了参数分析，以考察桩半径、桩长、桩弹性模量和桩 - 黄土界面剪切强度对黄土中单桩分阶段沉降行为的影响。参数范围的选取基于试验桩的尺寸、黄土基础的一般实践以及实测或标定的界面特性。

讨论

所提出的分阶段沉降方法将桩顶沉降与桩 - 黄土界面的渐进发挥和屈服联系起来，能够识别沉降阶段并估算临界荷载 p_c 和屈服荷载 p_y。在工程应用中，施加的桩顶荷载 p 与 p_c 和 p_y 进行比较，以选择相应的沉降方程。当 p < p_c 时，使用近似线性沉降表达式；当 p_c < p < p_y 时，使用非线性沉降...

结论

本研究通过结合现场过渡荷载识别和渐进式桩 - 黄土界面屈服的力学表征，开发并验证了黄土中单桩非驱动桩的分阶段沉降预测方法。主要结论如下：

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  临界荷载和屈服荷载通过实测刚度退化系数 - 荷载曲线利用分段线性拟合进行识别，提供了近似线性、...

CRediT 作者贡献声明

张梁：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，形式分析。王铁杭：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，方法论。尤智朗：撰写 – 审阅与编辑，资源，获取资金。谢艺昕：撰写 – 审阅与编辑，资源，方法论。薛雨欣：撰写 – 审阅与编辑，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的相互冲突的财务利益或个人关系，这些可能被视为影响本文报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金（批准号 42401154）、陕西省自然科学基金基础科研项目（2024JC-YBQN-0497）、陕西省高校青年创新团队（2023-2026）、陕西省高校青年创新团队项目（2025-2028）、陕西省博士后科学基金（2023BSHEDDZZ271）资助。

张梁|王铁杭|尤智朗|谢艺昕|薛雨欣