荷载传递法在海上测风塔基础设计中的应用

荷载传递法取决于桩侧摩阻力与剪切位移关系，也取决于桩端阻力与竖向位移的传递函数关系，传递函数类型不同将得到不同的荷载传递法。欧美等国家工程中，经常采用t—z曲线法。

竖向受荷桩基础应能承受轴向（或竖向）静力和循环荷载，土体轴向抗力由沿桩侧面的剪切力和桩端的端承力两部分而组成。在应用荷载传递法时应确定上述两种作用力与位移的关系曲线，在任一深度处桩侧发挥的桩土剪力和局部位移的关系可用t—z曲线来表示，桩端发挥的端部承载力和桩端位移的关系可用Q—z曲线来表示。

1.桩侧荷载传递t—z曲线

大量的经验和理论方法可用于确定桩基侧阻力传递和位移（t—z）曲线，可以使用Kraft等人（1981）所描述的理论曲线[10]，也可以根据模型试验或现场试验得出的经验t—z曲线，诸如Coyle与Reese（1966）提出的黏土模型[11]和Coyle与Suliaman（1967）提出的砂土模型[18]。在没有更明确的准则时，对非钙质土中桩基建议采用如图6-5所示的曲线，或根据表6-16中数据选取。

图6-5　典型的桩轴向荷载传递—位移（t—z）曲线图[19]

表6-16　典型的桩轴向荷载传递—位移（t—z）曲线表[19]

注：1.z为桩的局部轴向位移。
2.zpeak为桩土黏结力达到最大值对应的桩身位移。
3.t为可发挥的桩土黏结力（摩阻力），k Pa。
4.tmax为桩土的最大黏结力（摩阻力），kPa。

图6-5中，tres为桩土界面残余强度（摩阻力），k Pa。

桩土黏结力达到最大值时对应的桩身位移zpeak的取值尚无确定的标准，常规设计时可取zpeak/D=0.01（D为桩径），也即为桩外径的1%。鉴于zpeak的取值具有较大的不确定性，当桩土体系竖向刚度对设计结果有重大影响时，应分析zpeak介于桩径的0.25%～2%这一可能的分布范围，从而分析得到最不利的计算结果。(www.xing528.com)

图6-5中，当位移z＞zpeak时，这一段t—z曲线形状的影响因素很多。当桩土界面应力t达到残余强度tres时，对应的桩基位移为zres。桩轴向位移zres和残余强度tres与最大黏结力tmax的比值均与地基土应力—应变特征、应力历史、桩的施工工艺与方法、桩的加载顺序和其他因素有关。对于黏土，tres/tmax介于0.70～0.90。必要时应根据工程实际土层特性结合原位试验或模型试验来进一步确定zres和tres/tmax的取值。

2.桩端荷载传递Q—z曲线

根据桩端极限承载力与桩端位移关系，只有较大的桩端位移才能动员全部的端部承载力发挥，一般桩端位移需达到桩径的10%才能完全动员黏土和砂土的端部承载力。在没有明确的标准时，对砂性土和黏土，建议都采取如图6-6或表6-17所示的曲线或表格数据来确定端阻力与桩端位移的关系。

图6-6　桩端荷载传递—位移（Q—z）曲线图[19]

表6-17　桩端荷载传递—位移（Q—z）曲线表[19]

注：1.z为桩端轴向位移。
2.D为桩径。
3.Q为实际发挥的桩端承载力。
4.Qp为桩端极限承载力。

3.实现过程

采用t—z曲线法计算桩基沉降时需要借助于数值计算方法，包括有限单元法或有限差分法。由于t—z曲线和Q—z曲线的非线性特性，计算中还需要迭代求解。

以有限单元法计算为例，在进行求解计算前应将桩身划分为一系列单元和节点，单元划分的疏密应能满足工程所需的精度为标准。然后针对各层土结合土性和t—z曲线来确定初始刚度Esi，同时还需要根据Q—z曲线确定桩端初始刚度Eb。接着根据桩基的直径、选材和壁厚来确定桩身单元刚度，并将节点处弹簧刚度和单元刚度相融合，并形成总体刚度矩阵。根据总体刚度矩阵和桩顶荷载联立求解线性方程组得到第一次迭代的节点位移。以求得节点位移为基础，再根据t—z曲线和Q—z曲线确定新的弹簧刚度，并再次求解得到新的节点位移。按照上述步骤反复迭代计算，直至桩身各节点位移趋于稳定或达到要求的迭代计算精度为止，最终可得到桩身各点的沉降（包含桩顶沉降）和桩身轴力的分布，同时也得到了桩侧摩阻力的分布和桩端阻力的大小。