【博士】特大型桥梁群桩基础承载变形特性的研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：岩土工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：南京水利科学研究院　　学位年度： 2008年　　本文的主要研究内容包括：大直径超长桩单桩和群桩基础与土体共同作用几个问题研究，船桥碰撞及冲刷防护对大型群桩基础受力变形影响的特殊问题研究。　　利用弹塑性荷载传递函数，以解析法推导了与桩项荷载一桩顶沉降整个关系曲线上相对应的单桩轴向刚度计算式。分析了桩长、桩径、桩的刚度系数、桩端土弹性模量与桩周土弹性模量之比和桩周土泊松比等因素对超长单桩轴向刚度的影响后表明，只有桩长、桩径、桩的刚度系数对超长单桩轴向刚度的影响较大。　　从离心模型试验、静载试验、工程实践及理论分析，论证了普通单桩存在有效桩长。深入探讨了有效桩长的含义，指出了与临界桩长的区别。分析目前有效桩长概念基础上，提出了合理的有效桩长定义。明确了研究普通单桩有效桩长的意义及存在的问题，并提出了在一定条件下合理确定有效桩长就是合理设计桩长。　　用桩顶沉降控制法分析了双曲线荷载传递函数参数对超长大直径单桩有效桩长的影响后表明，桩侧荷载传递函数参数对有效桩长的影响较大，而桩端对其影响较小。针对置于300 m深厚覆盖土层中超长大直径桩工程实例，用极限承载力控制法和桩顶沉降控制法，以及根据离心模型试验成果，综合分析确定该单桩有效桩长。同时，应用多方法综合分析确定该桩的极限承载力。　　应用三维弹塑性有限元和离心模型试验研究了大直径超长单桩的竖向和水平承载变形特性。　　根据某桥超长大直径嵌岩桩群桩基础的情况，对40根大直径嵌岩群桩基础桩端嵌入弱胶结砾岩和中胶结砾岩不同深度时进行离心模型试验，研究不同桩长嵌岩群桩基础在裸塔竣工和成桥阶段等不同荷载阶段下承台沉降和桩身轴力分布等承载变形特性，从而研究超长大直径嵌岩桩群桩基础的承载变形特性以及合理嵌入岩体的深度。　　围绕某桥索塔大型哑铃型承台群桩基础，通过离心模型试验深入研究竖向荷载作用下大直径超长桩群桩基础的群桩效应，竖向荷载和水平荷载作用下哑铃型承台群桩基础在承台、裸塔、成桥的施工过程和运营中的群桩沉降、桩身轴力分布、桩身弯矩分布及群桩效应等承载变形特性，以便恰当考虑桩土共同作用下的大规模摩擦桩群桩基础受力变形特性，从而研究超长大直径摩擦桩群桩基础的荷载传递机理和承载变形特性。　　建立了能较好模拟竖向荷载与水平荷载共同作用下超大型群桩基础与土体共同作用的简单、实用的三维有限元计算模型。该模型在桩土界面间设置横桥向、纵桥向及竖直向的三个方向的非线性弹簧分别模拟水平荷载和竖向荷载下桩土相互作用，从而来模拟桩周土体附近的近场高应变区产生的非线性位移反应。同时，利用有限元来模拟土体的连续性，从而来模拟群桩间的大部分土体均处于应变水平很低的远场范围内产生的弹性位移反应。该模型将荷载传递法和有限元结合，来解决桩数多、桩长的实际工程群桩桩土界面相互作用和参数取值问题。　　利用哑铃型承台群桩基础离心模型试验成果，对提出的三维有限元计算模型进行验证，数值分析所得承台沉降与承台荷载的关系曲线、桩顶轴力分布、桩顶轴力随承台荷载变化的关系曲线，与其离心模型试验实测成果较一致。利用数值分析进一步深入分析了哑铃型承台群桩基础在承台竣工期、裸塔竣工期、成桥阶段及2倍设计荷载时，竖向荷载作用下桩身轴力分布和变形特性等摩擦桩群桩基础的承载变形特性，从而来分析超长大直径摩擦桩群桩基础的荷载传递机理和承载变形特性。　　利用三维弹塑性有限元，考虑群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层厚度的因素，研究分析其对哑铃型承台群桩基础承载变形特性的影响，从而研究超长大直径摩擦桩群桩基础边界问题以及离心模型试验边界对其承载变形特性的影响。研究表明：群桩基础边界大小由群桩基础变形特性控制，成桥阶段时大型哑铃型承台群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层影响深度，分别为一倍承台宽度和一倍桩长；设计的离心模型试验边界对群桩基础桩身受力大小与分布影响不大，而对承台沉降和桩端土体整体压缩变形比等变形特性影响较大。　　用数值模拟分析对单桩、18根桩群桩基础、64根桩群桩基础及131根桩群桩基础的承载变形特性进行了比较分析，以此来研究与分析承台沉降、桩身轴力、群桩竖向承载效率系数、群桩基础平均侧阻、群桩平均端阻等，随承台荷载和群桩桩数的变化规律，从而来研究超长大直径桩群桩基础的群桩效应。　　通过对不同承台厚度、集中荷载和均布荷载的荷载加载方式等因素，研究其对圆端型实体承台群桩基础承载变形特性的影响，从而研究承台厚度和荷载加载方式等承台相对刚度对超长大直径摩擦桩群桩基础承载变形特性的影响。　　对运营期承受船撞荷载时的哑铃型承台群桩基础与土体相互作用进行了三维弹塑性有限元分析，研究了哑铃型承台群桩基础的水平荷载与水平位移的关系曲线，桩身轴力、桩身弯矩、桩身剪力及荷载传递深度随水平荷载的变化规律，从而研究超长大直径摩擦桩群桩基础的水平承载变形特性，以便从水平承载力来评估桥梁基础抗撞性能。　　采用三维弹塑性有限元来研究与分析护底方案哑铃型承台群桩基础承载变形特性，并通过比较分析最大冲刷和护底2种方案下哑铃型承台群桩基础在承台竣工期、裸塔竣工期、成桥阶段及2倍设计荷载时竖向承载变形性状，以及运营期船桥碰撞水平承载变形特性，来研究与评估冲刷防护对群桩基础承载变形与工作性状的影响。　　在横桥向船撞设计荷载下，护底方案的桩顶轴力分布比最大冲刷方案均匀，承台横桥向水平位移、桩身最大弯矩远比最大冲刷方案的小，护底方案的防撞效果较好，且护底方案能较好防冲刷，因而，从承载变形与安全考虑，护底方案较适合作为苏通大桥主桥索塔基础方案。　　

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