【博士】铁路桥梁环形基础的理论分析及试验研究【2006】

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内容简介

　　学科专业：道路与铁道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：北京交通大学　　学位年度： 2006年　　环形基础是目前在建筑领域迅速发展起来的一种新型地下基础(国内外也称为：地下连续墙基础)。与实体的沉井等基础相比，其具有刚性大、强度高、挖掘量小、适用范围广等优点，特别是在我国广阔的西北黄土地区应用这种基础，充分利用黄土壁立性好、垂直开挖方便、易于进行施工以及设计中可利用其侧壁摩擦力等特点，可有效降低工程造价。　　由于环形基础具有优越的力学性能和明显的经济效益，其近几十年内在国外建筑、市政工程领域被广泛应用，并制定了设计和施工规范。我国目前对其研究仍处于起步阶段，相应的设计规定还处于空白状态。目前，我国铁路桥梁设计规范中尚无挖井和环形挖井基础的有关条文，设计时大都按照相近的沉井基础计算方法进行，本文分析表明：由于沉井计算理论不考虑侧壁土竖向及水平向的摩阻力对结构竖向位移和基础转动的约束作用，因此计算出来的基础应力值偏大，与实际情况有较大差别，使得设计不合理而造成工程上的浪费。因此，研究挖井及环形挖井基础的承载能力，推动其在我国交通工程中的应用和发展，具有重要意义。　　本文以我国西北宝鸡—中卫铁路建设的科研项目为背景，分别从理论分析、数值计算和现场模型试验等方面，对环形基础和普通挖井基础的承载力进行了以下主要方面的深入研究：　　在黄土地区进行了1：2比例模型试验。分别制作了挖井基础和环形挖井基础，在现场挖掘成型后浇注混凝土。现场施加竖直和水平方向的荷载并测试了两种基础的位移变形，以及侧壁、基底的土压力分布等，取得了客观可靠的实测资料，并为环形挖井基础的承载力评估提供了直接依据。　　利用力学原理，提出了挖井基础、环形挖井基础与土相互作用的力学模型。建立平衡微分方程，推导出了考虑基础侧壁土摩擦力时挖井基础的变形、应力分布简化计算公式，可直接用于设计工作，填补了本领域的空白；应用有限元ANSYS计算软件，建立了挖井基础和环形挖井基础——土共同作用弹塑性分析模型，对现场试验结果进行数值模拟分析。在此基础上，还重点计算分析了环形基础在不同直径、不同土芯刚度、不同基底持力层变化情况下的力学表现，取得了具有重要意义的结论。　　采用不同的计算理论，分析了我国第一座铁路桥梁环形挖井基础工程实例，对本文推导出计算公式的正确性进行了验证。　　本文取得的主要研究结论如下：　　与相同外形尺寸的普通实体挖井基础相比，环形挖井基础的水平承载能力基本相同，特别是在变形初始阶段，环形基础的承载力高出10％左右；与相同外形尺寸的普通实体挖井基础相比，环形挖井基础的竖向承载能力相对较小，约为前者的86％。其中，基础上部内土芯承担的竖向力仅为基底总竖向力的4％，其作用影响甚微。因此，可以给出黄土地区环形挖井基础的承载力低于挖井基础的结论。以上与日本的相关研究结果有一定差别，分析其原因，主要是由于桥梁基础所处地基的土质和结构施工方法有很大差异所造成的。　　当环形挖井基础内的土芯直径增大时，其承载能力提高。当直径增加到4倍时，与挖井基础竖向位移基本一致，承载力相同；由于土芯弹模降低或提高后，环形挖井基础的周边基底应力和基顶位移也相应明显增大或减小，因此土芯刚度变化作用不容忽视；如果基础持力土层弹模增加，则挖井和环形挖井的基础位移及应力迅速接近。当基底土层容许承载力提高10倍后，两种基础的位移和应力接近，因此环形基础特别适应于有较强持力土层的地基。　　试验表明：偏心竖向荷载作用下，基础底土的压应力随荷载增大由直线分布变为马鞍形，不出现拉应力，设计时应以基础底最大压应力是否达到允许值为控制标准；侧壁上部水平土压力为倒三角分布；水平荷载作用下，基础底土的应力随荷载增大基本保持直线分布，以拉应力为主，设计时应以最大拉应力为控制标准；侧壁上部水平土压力为矩形分布。　　在试验极限荷载前1/2阶段(相当于实际工程中的设计荷载阶段)，结构的荷载——位移曲线为直线状态，说明弹性土—刚性基础的相互作用理论能够较好地反映挖井基础和环形挖井基础在设计荷载作用下的受力情况，本文推导的简化公式假设前提正是基于这一结果，使得理论分析适当简化并完全满足工程设计的精度。此外，本文研究成果中的理论解、数值解的有关控制点，以及主要变化趋势与实测值基本相同，前二者的数值均略高于实测值，表明本文理论模型正确，计算分析可靠并偏于安全。　　

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