本文是一篇建筑施工与管理论文，本文通过对传统直桩的理论、试验、数值模拟等方面的研究，并对变截面桩、支盘桩、加翼桩、重力式桩等桩型进行总结分析，提出了新型橡胶囊支盘桩，对其水平承载机理进行了较为全面的分析。采用弹性理论推导得出适用于橡胶囊支盘桩的水平位移公式和水平承载力特征值计算公式。从水平受力机理分析来看，在桩身安装橡胶囊支盘，利用真空负压减小高桩桩基的水平位移，提高水平承载力是一种具有应用前景的方法。
第 1 章 绪论
1.1 桩基础发展
历史桩基础作为世界建筑工程领域中，应用普遍的基础形式，其具有：承载性能好、稳定性能优越、机械化程度高等优点。经历了漫长的发展后，现在具备成套的施工工艺和相对成熟的设计流程[1]。桩基的受力传递特性优异，使得桩基工程在大部分地质环境中都能发挥良好的承载性能。当桩顶受竖向荷载时，荷载沿桩身向下传递到稳固的岩层或者承载性能较好的地基下卧层。当桩顶受水平荷载时，荷载沿桩身不同位置传递到桩周土体中。桩基既能较好的承受来自桩顶的竖向荷载也能较好的承受来自桩顶的水平荷载，但在一些特殊的桩基工程领域，比如海上建筑基础、跨海大桥基础、海上风电基础、海上钻探平台基础等，受到的水平荷载较大，导致桩基的稳定性能受到一定的影响[2]。
在历史进程中桩基础对建筑业的发展兴起具有不可替代的影响[3-5]。国内的不少名胜古桥都有桩基础的身影，比如秦朝建立的渭桥、隋朝所建的赵州桥、五代的杭州湾大桥、泉州洛阳桥等[6]，都象征着我国古代桥梁桩基技术的发展和古人智慧的结晶。十九世纪末，随着水泥灰、钢筋的发明，因其物理力学性能好、应用范围广，在世界上迅速发展开来，是世界建筑也是桩基础发展的又一个里程碑。而随着社会发展和对桩基础承载性能的需求越来越高，导致桩的直径设计越来越大，埋深也大大增加。
桩基础从古代到现代的发展中，主要变化发生在桩体材料、桩型、施工工艺方面。桩体材料的物理力学性能决定了桩体的承载能力[7]，而桩体材料的发展受到社会发展的制约。随着科技进步，桩体材料的变化也由木质变成了现在的钢筋混凝土。近代以来逐渐兴起的各种特种工程，跨海大桥、坡地建筑、高层建筑等，导致建筑结构的多样化和使用环境多样化，必然对桩基础提出更高要求，越来越多相关研究领域的学者、专家投入到桩体研究当中，涌现了各种桩基形式，比如挤扩支盘桩、大直径加翼桩、重力式结构桩、后注浆支盘桩、扩底桩等。桩基施工工艺一般包括预制桩和现浇桩。现在成桩对机械化设备有较高的要求，而在早期原始社会中，生产力不发达，更加没有现代化机械设备，古人一般采用人力把木质材料结构桩打入土中，但对桩径大小限制较大，只适合小直径桩，这一既耗费人力资源又费时的方法却造就了许多的名胜古迹。
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1.2 研究背景与意义
我国海岸线长达一万八千多公里，迫切需要利用开发，进行各项工程建设。我国石油资源分布大约有三分之一分布在海上，从 2008 年开始海上石油开采量逐年增加，但海上资源开采难度大，成本高，风险高；21 世纪初全球风电电机的安装数量平均每年增长 30%，2007 年累计电机装机容量约 94112 MW，而我国电机装机容量占比约十五分之一，海上风电发电机作为一种清洁可循环利用的新能源，对我国经济和环境发展占有重要的地位，但在建造或使用过程中经常受到海风、海浪等因素影响，可能会导致设备无法正常使用；海岸港口码头大型船舶停驻时，经常会发生猛烈撞击，通常使用柔性桩来起到撞击缓冲作用，由于承受横向撞击荷载大，产生较大水平变位，经常会发生桩体断裂状况。
这些近海或海上建筑物的桩基础，在建造或者使用过程中会受到海风、海浪、水流、撞击等影响，而水深 5 m～20 m 海域主要的地质土层多为淤泥质土和软黏土。对于部分桩基础来说，由于这类土层提供的侧向约束差，桩基在使用过程中存在桩身屈曲失稳的风险，从而影响建筑的自身安全。减小桩身水平位移、提高水平承载力的方法，有提高桩身刚度，增加桩身横截面面积等，但由于成本增加较高，还需要从材料、截面类型及异化深度等方面去研究[9,10]。为建造出更加安全合理的抗水平荷载桩基模型，从上世纪五十年代开始研究各种桩型来适应不同的地质环境[11-15]，迄今为止已有大量研究成果。
综上所述，高桩基础的研究对我国海洋建筑的建设与发展有较大的影响，海上资源的利用与开发关系到国家海洋建设发展战略和国民经济的增长。因此开展海上高桩基础在水平荷载下的承载性能研究具有重要的实践价值与理论意义。目前对桩身施加横向约束力来减小桩身水平位移的研究相对较少，而改变桩身截面形状的方法并不能弱化桩土的相对刚度。虽然增大截面面积在水平荷载作用下可以减小桩身水平位移，但在长期循环荷载下容易造成桩身变截面处与土体分离现象。
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第2章 橡胶囊支盘桩设计及理论分析
2.1 软黏土、淤泥质土的工程特征
根据《地基基础规范 GB50007-2011》[46]，黏性土为塑性指数大于 1 的土，其状态分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。软黏土也称为软弱粘性土，常见的多为淤泥和淤泥质土。
淤泥的形成条件是在静止水流或缓慢的动态水流环境中经过长时间的沉淀及微生物产生的腐蚀性化合作用形成。当天然含水量大于液限而天然空隙比小于 1．5但大于或等于 1．0 的黏性土或粉土为淤泥质土。主要物理的特征表现在：
（1）自然状态下的含水率高，孔隙率大，属于软弱土的一种，其主要组成成分是黏土或者粉土颗粒，且含有有机物。从微观上分析，土颗粒表面形成一种被水包裹的膜结构，在土质上表现为絮状形态。不经外界影响的淤泥质黏土天然含水率一般为 35%-80%。
（2）具有较小的渗透特性：因淤泥质黏土的组成中黏土颗粒占比重较大，导致渗透性很弱，排水固结过程缓慢，渗透系数多为 8×10-4-10×10-4m/s，在一些海河流域淤泥质黏土渗透系数更低可达 3.2×10-6m/s，排水固结过程短时间内几乎难以观察，而且在有机物过多且含有气泡的情况下土体的渗透性能也会相对减弱。
（3）压缩性高：因其孔隙率较大所以淤泥质黏土的可压缩性较高，一般压缩系数在 0.5-2.0 MPa-1之间，某些特殊情况下压缩系数可高达 4.5 MPa-1，外力作用下可搓成泥卷呈条形状，可以此来判别土质类型是否属于淤泥质黏土。
（4）抗剪强度不高：因其含水率高、压缩性大，在直剪试验下很容易破坏，黏聚力大约在 9-30 kPa 之间，除了以上特性制约其抗剪强度外，受外力加载的速率快慢、排水条件好坏也有很大影响。
（5）具有较强的结构触变性：受到外界环境及人为影响淤泥质黏土被扰动后，其原本的固体物理特征变化成可流动的流塑态特性，导致强度减弱，根据研究得出淤泥质黏土受外界影响的灵敏度较高，易受到外力影响而发生流塑变化。当含有可吸引水分子的物质含量高时，结构触变性特征更强。
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2.2 橡胶囊支盘桩设计
橡胶囊支盘桩主要由两部分组成，桩体和橡胶囊支盘，桩体可采用现有的预制技术生产而成。橡胶囊支盘主要材料为橡胶，其具有很好的弹性变形性能。根据承载需求可嵌入细钢丝以提高其抗拉承载能力，以及减小在受拉时因橡胶材料的弹性性能而发生的拉伸变形。以下是橡胶囊支盘的具体设计内容：
橡胶囊支盘是组合到预制桩桩身的一种抵抗水平荷载的部件，如图 2-1 所示。橡胶囊支盘制作成空腔，采取钢套箍套在桩身部位打螺丝孔的方式如图 2-2 所示，使用螺栓对橡胶囊支盘桩加以固定。通过真空压缩机抽取橡胶囊支盘空腔空气，使其折叠依附在桩身。橡胶囊支盘桩见图 2-3。
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第 3 章 橡胶囊支盘桩水平位移公式推导及计算分析.....................19
3.1 橡胶囊支盘抗水平荷载假设及公式推导 ................................19
3.2 橡胶囊支盘桩挠曲微分方程 .....................................20
第 4 章 橡胶囊支盘桩水平变位特性数值分析...............................31
4.1 ABAQUS 软件简介 ..............31
4.2 常用本构模型 ............................32
第 5 章 橡胶囊支盘桩水平承载特性数值分析及公式推导..........................51
5.1 有限元数值模拟 ..........................51
5.1.1 有限元模型建立 ...........................51
5.1.2 工况模拟 .......................52
第 5 章 橡胶囊支盘桩水平承载特性数值分析及公式推导
5.1 有限元数值模拟
5.1.1 有限元模型建立
采用 ABAQUS 有限元模拟软件建立嵌岩桩基础，桩体采用大直径管桩，外径为 5m，内径为 3.25m，壁厚为 1.75m，埋深为 55m，其中嵌岩深度 5m，桩体外露长度分别为 0m、5m、10m、15m、20m。为减小桩受到水平荷载传递到土体边界的应力，土体采用半径为 25m，深度为 70m 的圆柱状模型，其中 0m~50m 为软黏土层，50m~70m 为岩层，并使用摩尔库伦本构模型联合线弹性本构模型模拟饱和软黏土层，岩层、桩和橡胶囊支盘均采用线弹性本构模型。桩体与橡胶囊支盘的接触和桩底与岩层的接触方式采用绑定以免发生相对滑移，橡胶囊支盘表面与土体接触、桩体与土体接触采用罚函数，桩体与岩层表面采用粗糙接触。设置桩顶水平位移范围为 0~50mm，间
