考虑土塞效应的群桩竖向动力特性研究
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摘 要
随着海上风电场、海上石油平台、跨海大桥等近海工程的建设，群桩基础作为
一种经济而有效的基础形式，被广泛的应用到这些工程中。管桩打入土层中会在管
桩底部形成土塞，土塞对于管桩的竖向承载力影响较为明显，对于管桩竖向振动特
性的影响不可忽略。因此，对于竖向荷载作用下，群桩的动力特性研究显得尤为重
要。本文对考虑土塞效应的群桩竖向动力特性进行了如下的研究：
（1）研究了土塞形成的机理和性状，分析了土塞形成的原因并对土塞率进行
明确的定义。回顾总结了土塞闭塞程度的理论判断方法，重点总结了山原法的判断
步骤，为土塞闭塞程度的判别提供了理论依据。
（2）首先假定桩周土体为线弹性，将成层地基中的管桩看作 Winkler 地基上
的梁，并采用传递矩阵法来考虑土体的分层情况，建立了考虑土塞效应的单桩竖向
振动模型，推导出考虑土塞效应的管桩竖向振动阻抗函数，并通过与经典解的对比，
验证本文解的合理性，进而分析管桩材料、长径比、泊松比、阻尼比、桩土相对刚
度及土层相对刚度六个因素对单桩阻抗的影响。
（3）建立考虑土塞桩-桩竖向动力相互作用因子的模型，推导出考虑土塞效应
的桩-桩竖向动力相互作用因子函数，并通过与经典解的对比，验证本文解的合理
性，据此分析桩间距、长径比、泊松比、阻尼比、桩土相对刚度及土层相对刚度六
个因素对桩-桩竖向动力相互作用因子的影响。
（4）建立了考虑土塞效应的群桩动力分析模型，推导了考虑土塞效应的群桩
阻抗的计算方法，并通过与经典解的对比，验证本文解的准确性。继而分析桩间距、
长径比、泊松比、阻尼比、桩土相对刚度、土层相对刚度和布桩形式七个因素对群
桩阻抗的影响。同时，推导了考虑土塞效应的群桩桩身动内力，并详细讨论不同布
桩形式对于桩身动内力的影响。
（5）最后将前面得到的模型应用到了东海大桥海上风电场风机基础上，分析
了竖向荷载作用下考虑土塞效应的东海大桥风电群桩基础的动力响应，为工程设
计提供参考。
关键词：土塞效应 竖向振动 桩-桩竖向动力相互作用因子 群桩阻抗
群桩动内力
ABSTRACT
As an economic beneficial and effective style of foundation, piles foundation has
been widely used in offshore constructions like offshore wind farm, offshore oil platform
and cross sea bridge. When punching pipe pile into the soil the soil plug will be formed.
The soil plug has a significant influence on the vertical vibration feature of pipe pile. It
makes the study of soil plug, especially the dynamic characteristics under vertical load,
very meaningful both in theory and practice. Some subjects of the dynamic features of
pipe pile under vertical load are investigated as following：
(1)The causes of the emergence of soil plug and a clear soil plug rate are identified
based on the study of the mechanism of the formation of soil plug and its traits. The
theoretical methods of identifying soil plug are summarized, focusing on the Shanyuan
Method. The theoretical basis for distinguishing the degree of soil plug is provided.
(2)Assuming that the soil around the pipe was elastic-nonlinear, the pipe pile in
layered foundation is regarded as the beam on Winkler foundation and the transfer matrix
method is adopted to consider the soil layer. According to the elastic beam axial vibration
theory the vertical vibration of pile impedance function is deduced. By comparing with
the reduced solution, the solution got in this paper is proved reasonable. Furthermore the
influence of material of pipe pile, length-diameter ratio, poisson ratio, damping ratio, the
relative stiffness of pile-soil and soil relative stiffness on the impedance of single pipe
pile are assessed.
(3)A pile-pile vertical dynamic interaction model considering soil plug effect is
established. Based on that the function of pile-pile vertical dynamic interaction
considering soil plug effect is deduced. Furthermore the influence of distance between
piles, length-diameter ratio, poisson ratio, damping ratio, relative stiffness of pile-soil and
soil relative stiffness on pile-pile vertical dynamic interaction are assessed.
(4) A pile-pile dynamic analysis model considering soil plug effect is established.
The calculation method of pile impedance considering soil plug effect is deduced. By
comparing with the reduced solution, the solution got in this paper is proved reasonable.
Furthermore the influence of distance between piles, the length-diameter ratio, poisson
ratio, damping ratio and the relative stiffness of piles-soil, the soil relative stiffness and
the arrangement of piles on the impedance of piles. At the same time, dynamic internal
force of group piles considering soil plug effect is deduced. And influence of different
layout of piles on pile body dynamic internal forces is discussed in detail.
(5)Applying the model got in last chapter to the Donghai Bridge offshore wind farm,
analysis the dynamic response of Donghai Bridge wind power group pile foundation
considering soil plugging effect under the action of vertical load, which provide a
reference for engineering design.
Key words: soil plug effect, vertical vibration, pile-pile vertical
dynamic interaction factor, pile groups impedance, the internal
force of pile groups
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1
1.1 研究背景 ........................................................................................................... 1
1.2 关于考虑土塞效应的桩的动、静力特性的国内外研究现状 ....................... 1
1.2.1 考虑土塞效应的桩的静力特性研究现状 ............................................ 1
1.2.2 考虑土塞效应的桩的动力特性研究现状 ............................................ 4
1.3 桩基振动分析研究现状 ................................................................................... 5
1.3.1 连续介质解析理论 ................................................................................ 5
1.3.2 Winkler 地基梁理论 ............................................................................... 6
1.3.3 数值分析理论 ........................................................................................ 7
1.4 本文研究内容 ................................................................................................... 8
第二章 土塞效应 .......................................................................................................... 10
2.1 土塞形成的机理和性状 ................................................................................. 10
2.2 土塞参数 ......................................................................................................... 10
2.2.1 土塞高度 .............................................................................................. 10
2.2.2 土塞率 ................................................................................................... 11
2.3 土塞闭塞程度判别 .......................................................................................... 11
2.3.1 土塞闭塞程度 ....................................................................................... 11
2.3.2 闭塞效果的理论判断方法 ................................................................... 11
2.4 影响土塞性状的因素 ..................................................................................... 14
2.5 土塞的力学机理 ............................................................................................. 14
2.6 本章小结 ......................................................................................................... 15
第三章 考虑土塞效应的单桩竖向动力特性 .............................................................. 16
3.1 管桩竖向振动模型研究阻抗计算 ................................................................. 16
3.1.1 管桩土塞模型 ...................................................................................... 16
3.1.2 桩底边界条件 ...................................................................................... 19
3.2 单桩阻抗验证 ................................................................................................. 20
3.3 单桩阻抗影响因素分析 ................................................................................. 20
3.3.1 管桩材料 .............................................................................................. 20
3.3.2 长径比 .................................................................................................. 22
3.3.3 泊松比 .................................................................................................. 23
3.3.4 阻尼比 .................................................................................................. 25
3.3.5 桩土相对刚度 ...................................................................................... 27
3.3.6 土层相对刚度 ...................................................................................... 28
3.4 本章小结 ......................................................................................................... 31
第四章 考虑土塞效应的桩-桩竖向动力相互作用因子 ............................................. 32
4.1 考虑土塞效应的桩-桩竖向动力相互作用因子模型 .................................... 32
4.2 桩-桩竖向动力相互作用因子验证 ................................................................ 34
4.3 桩-桩竖向动力相互作用因子影响因素分析 ................................................ 36
4.3.1 桩间距 .................................................................................................. 36
4.3.2 长径比 .................................................................................................. 38
4.3.3 泊松比 .................................................................................................. 40
4.3.4 阻尼比 .................................................................................................. 42
4.3.5 桩土相对刚度 ...................................................................................... 44
4.3.6 土层相对刚度 ...................................................................................... 46
4.4 不同土塞高度对于桩-桩竖向动力相互作用因子的影响分析 .................... 50
4.5 本章小结 ......................................................................................................... 51
第五章 考虑土塞效应的群桩竖向动力阻抗 .............................................................. 53
5.1 考虑土塞效应的群桩竖向动力阻抗计算方法 ............................................. 53
5.2 群桩竖向动力阻抗验证 ................................................................................. 54
5.3 考虑土塞效应的群桩竖向动力阻抗影响因素分析 ..................................... 55
5.3.1 桩间距 .................................................................................................. 55
5.3.2 长径比 .................................................................................................. 57
5.3.3 泊松比 .................................................................................................. 59
5.3.4 阻尼比 .................................................................................................. 60
5.3.5 桩土相对刚度 ...................................................................................... 61
5.3.6 土层相对刚度 ...................................................................................... 63
5.3.7 布桩形式 .............................................................................................. 65
5.4 不同土塞高度对于群桩竖向动力阻抗的影响分析 ..................................... 67
5.5 本章小结 ......................................................................................................... 69
第六章 考虑土塞效应的群桩桩身动内力 .................................................................. 71
6.1 考虑土塞效应的桩身动内力的计算方法 ..................................................... 71
6.2 桩身动内力验证 ............................................................................................. 72
6.3 布桩形式对桩身动内力影响 ......................................................................... 73
6.3.1 2×1 群桩 ................................................................................................ 73
6.3.2 2×2 群桩 ................................................................................................ 74
6.3.3 3×3 群桩 ................................................................................................ 74
6.3.4 6×1 群桩 ................................................................................................ 75
6.4 本章小结 ......................................................................................................... 76
第七章 工程算例 .......................................................................................................... 77
7.1 工程概况 ......................................................................................................... 77
7.2 考虑土塞效应的群桩竖向动力相互作用因子 ............................................. 78
7.3 考虑土塞效应的群桩竖向动力阻抗 ............................................................. 79
7.4 本章小结 ......................................................................................................... 79
第八章 结论与展望 ...................................................................................................... 80
8.1 结论 ................................................................................................................. 80
8.2 展望 ................................................................................................................. 82
参考文献 ........................................................................................................................ 83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 89
致 谢 ............................................................................................................................ 90
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景
随着海上风电场、海上石油平台、跨海大桥等近海工程的建设，部分埋入群桩
基础作为一种经济而有效的基础形式，被广泛的应用到这些工程中。近年来，群桩
基础应用广泛，而管桩因其良好的承载性能，应用的较多。管桩打入土中，进入管
桩内的土形成土塞，土塞对于管桩的竖向承载力及动力特性产生影响[1]，所以，近
些年来，得到了国内外学者越来越多的关注，很多学者根据不同的理论提出了自己
的土塞效应判别方法，其中具有代表性的是山原法、田岛法和小泉法等土塞闭塞程
度判断方法。Heerema E P[2]、Paikowsky S G[3]、Randolph M F[4]认为桩在静荷载作
用下，空心管桩与实心桩具有近乎相同的荷载传递机理，基于此，部分学者提出可
以用实心桩的计算方法来计算空心管桩，同时认为，闭塞效果不佳的土塞空心管桩
其刚度明显小于等效截面形式的实心桩。
1.2 关于考虑土塞效应的桩的动、静力特性的国内外研究现状
土塞对于管桩基础并不陌生，多年来国内外学者对土塞的研究从未间断，但大
多集中在土塞对于管桩承载力方面的研究，而土塞对于管桩振动特性的影响很少
提及，近年来，越来越多的学者开始展开土塞效应对于管桩竖向动力特性的影响的
研究。
1.2.1 考虑土塞效应的桩的静力特性研究现状
对于静荷载作用下，土塞对于管桩的影响的研究主要集中在土塞对于管桩竖
向承载力方面，如 Heerema[2]、葛腾[5]、刘国辉[6]、Randolph M F[7]、戴洪军[8]等诸
多学者；国内学者李琪[9]、杜来斌[10]、丁蓬莱[11]、陈波[12]、周健[13]对土塞的研究现
状进行分析。
Heerema[2]建立的土塞模型是由质点与弹簧系统组成，命名为“桩中桩”；打桩
过程中，土塞节点和管桩节点之间产生摩擦力，由此编制了一个考虑土塞效应的管
桩竖向振动 Smith 法计算机程序进行计算分析。
葛腾[5]详细分析了考虑土塞效应的静压管桩的性能，从管桩的受力机理，桩端
土的挤土效应及管桩的承载力等各方面。同时提出了考虑土塞效应的管桩承载力
修正公式，并与实际工程统计数据进行对比分析，验证修正公式的可行性。
刘国辉[6]总结了管桩的竖向承载力计算方法，并对土塞效应进行了较详细的理
论分析。同时，结合有限元和数值方法模拟真实工程情况，分析了土塞对于管桩竖
向承载力的影响。
上海理工大学硕士学位论文
2
Randolph M F[7]建立了管桩内土塞的静力平衡方程，并且明确提出了“有效土
塞高度”的定义，对于有效高度以上的土塞部分将其简化为荷载作用在有限土塞上
部，并分析了排水和不排水条件下管桩内土塞对于管桩承载力的影响。
戴洪军[8]通过实际工程数据分析试桩的土塞闭塞效果，通过对比修正的考虑土
塞效应的承载力计算结果与实测值，验证了修正公式的准确性，并且可用于工程实
际中计算管桩的承载力。
李琪[9]研究总结了扬州地区典型土质条件下，预应力管桩由于土塞效应的作用
提高了承载力，并大于桩基技术规范所计算得到的承载力设计值。此结论虽在特定
地质条件下获得，但为在扬州以外地区的土塞效应分析提供了部分工程实际依据。
杜来斌[10]引入了楔体作用解释了土塞形成的原因，对土塞闭塞效果进行了理
论推导，同时分析了管桩壁厚对土塞效应产生的影响，合理解释了土塞高度问题。
陈波[12]采用了三种不同的土塞模型对管桩在静荷载作用下的承载力进行分析，
结果得出由于土塞的作用，管桩的承载力得到了不同程度的提高。
周健[13]总结了影响土塞性状的因素，提出要从细观力学角度分析土塞微观结
构的方法，综合运用数值模拟等方法分析土塞实际的力学状态。
刘润[18]改进了判断土塞闭塞程度的方法，考虑了管桩直径系数对于管桩桩端
阻力的影响，通过分析对比实际工程中超长钢管桩的土塞高度与模型计算的土塞
高度值，说明模型的计算结果的可靠性。
付花[19]通过实际工程项目-上海黄浦江大桥桩基础施工，分析了土塞效应对管
桩竖向承载力的影响因素，简单叙述了管桩的承载机理，为上海地区实际工程提供
可参考的分析方法。
郑俊杰[21]主要总结了国内外土塞效应的研究现状，同时考虑了桩端的挤土效
应的影响，为后续研究管桩的挤土效应和土塞效应提供了一种新的方法，同时综合
考虑土塞效应和挤土效应更能有效地反映实际工程中的状况。
张忠苗[22]提出了土塞增长率这一概念，并通过试验研究其可行性，且在试验
中统计得出，土塞的分层与桩周土的分层特性基本一致。同时，提出了“有效土塞
高度”的概念，说明了管桩内土塞高度在其高度范围内并不是完全发挥效力，从而
为进一步的理论分析奠定了基础。
回国臣[24]利用数值分析软件 FLAC3D 分别模拟了不同地质条件下 PHC 管桩
以及实心桩的竖向承载力，并分析了土塞长度不同时，对于管桩的影响程度分析。
回国臣[25]主要利用数值分析软件 FLAC3D 得出了管桩的荷载与沉降关系曲线，对
于不同承载力形式的桩，研究了土塞效应对管桩的竖向承载力的影响。
第一章 绪 论
3
于新[26]建立了考虑土塞效应的桩土相互作用模型，分析了管桩在竖向荷载作
用下的荷载位移曲线，并将其与实测值进行对比分析；同时分析了土塞对管桩承载
力的影响。
刘俊伟[28]同时考虑了土塞效应及挤土效应对于管桩的影响，并推导了无限体
中球孔扩张的解答；并将计算结果与现场试验结果进行对比，验证计算的精确度。
崔江浩[29]通过考虑了管桩内土塞与管壁产生的土拱效应，提出了判别任意深
度土塞闭塞程度的新方法，并由此得到管桩直径与土塞高度的关系式，通过与实际
工程的对比，数据吻合度较好。
Matsumoto T[30]建立了考虑管桩内土塞的桩土模型，并用塑性滑块和弹簧替代
土与管桩桩壁的作用关系；针对管桩内外侧土采用不同的模型，并将此模型运用到
近海工程中，将理论计算值与实测值进行对比，验证模型的合理性。
Chow Y K[31]通过有限元分析，并细化模型模拟管桩内土塞与管桩内壁的作用
方式，采用此方法对于参数的选取要求较高，合理的选取参数利于得到正确的分析
结果。
Gavin K G[32]研究发现，管桩内土塞的性状往往对桩端承载力起着重要的作用，
并且对桩侧摩阻力的影响亦不容忽视，应在分析计算中予以充分考虑，更能接近工
程实际情况。
Paik K H[33]通过建立试验模型，并在对模型试验结果分析的基础上，建立了计
算土塞土压力系数的公式。
De Nicola A[34]研究表明，管桩内土塞的侧压力系数与砂土的密实度和土塞高
度关系密切，分析计算中，假定其沿土塞高度范围内线性减小；通过模型试验分析
动力打入和静压入砂土中的管桩土塞高度的变化规律和土塞与管壁的侧压力系数。
Lehane B M[35]、White D J[36]、Paik K[37]采用比较特殊的“内外双层”模型管
桩，将内外壁摩擦力区分开来，并对砂土中土塞性状进行详细分析。
Leong E C[38]主要是对管桩内土塞的受力状态进行了数值模拟，将数值解与理
论计算结果进行了分析，对数值解的合理性进行了改进。
Lehane B M[39]通过模型试验结果，分析了砂质土中打桩过程中土塞的形成过
程，并讨论了土塞对于承载力性能的影响。
Lee J[41]在对试验的结果分析中，建立了土塞桩端承载力与静力触探值的关系
式，提出了确定砂土中的管桩承载力的方法。
综上所述，国内外对于考虑土塞效应的桩的静力特性的研究大多局限于桩的
竖向承载力及土塞的形成原因等方面。
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：95 页
大小：7.8MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
