特大型橋梁群樁基礎(chǔ)承載變形特性的研究.pdf

1、本文的主要研究內(nèi)容包括：大直徑超長樁單樁和群樁基礎(chǔ)與土體共同作用幾個問題研究，船橋碰撞及沖刷防護對大型群樁基礎(chǔ)受力變形影響的特殊問題研究。 利用彈塑性荷載傳遞函數(shù)，以解析法推導(dǎo)了與樁項荷載一樁頂沉降整個關(guān)系曲線上相對應(yīng)的單樁軸向剛度計算式。分析了樁長、樁徑、樁的剛度系數(shù)、樁端土彈性模量與樁周土彈性模量之比和樁周土泊松比等因素對超長單樁軸向剛度的影響后表明，只有樁長、樁徑、樁的剛度系數(shù)對超長單樁軸向剛度的影響較大。 從離心

2、模型試驗、靜載試驗、工程實踐及理論分析，論證了普通單樁存在有效樁長。深入探討了有效樁長的含義，指出了與臨界樁長的區(qū)別。分析目前有效樁長概念基礎(chǔ)上，提出了合理的有效樁長定義。明確了研究普通單樁有效樁長的意義及存在的問題，并提出了在一定條件下合理確定有效樁長就是合理設(shè)計樁長。 用樁頂沉降控制法分析了雙曲線荷載傳遞函數(shù)參數(shù)對超長大直徑單樁有效樁長的影響后表明，樁側(cè)荷載傳遞函數(shù)參數(shù)對有效樁長的影響較大，而樁端對其影響較小。針對置于300

3、m深厚覆蓋土層中超長大直徑樁工程實例，用極限承載力控制法和樁頂沉降控制法，以及根據(jù)離心模型試驗成果，綜合分析確定該單樁有效樁長。同時，應(yīng)用多方法綜合分析確定該樁的極限承載力。 應(yīng)用三維彈塑性有限元和離心模型試驗研究了大直徑超長單樁的豎向和水平承載變形特性。 根據(jù)某橋超長大直徑嵌巖樁群樁基礎(chǔ)的情況，對40根大直徑嵌巖群樁基礎(chǔ)樁端嵌入弱膠結(jié)礫巖和中膠結(jié)礫巖不同深度時進行離心模型試驗，研究不同樁長嵌巖群樁基礎(chǔ)在裸塔竣工和成橋階

4、段等不同荷載階段下承臺沉降和樁身軸力分布等承載變形特性，從而研究超長大直徑嵌巖樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性以及合理嵌入巖體的深度。 圍繞某橋索塔大型啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)，通過離心模型試驗深入研究豎向荷載作用下大直徑超長樁群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)，豎向荷載和水平荷載作用下啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)在承臺、裸塔、成橋的施工過程和運營中的群樁沉降、樁身軸力分布、樁身彎矩分布及群樁效應(yīng)等承載變形特性，以便恰當(dāng)考慮樁土共同作用下的大規(guī)模摩擦樁群樁基礎(chǔ)受力變形

5、特性，從而研究超長大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞機理和承載變形特性。 建立了能較好模擬豎向荷載與水平荷載共同作用下超大型群樁基礎(chǔ)與土體共同作用的簡單、實用的三維有限元計算模型。 該模型在樁土界面間設(shè)置橫橋向、縱橋向及豎直向的三個方向的非線性彈簧分別模擬水平荷載和豎向荷載下樁土相互作用，從而來模擬樁周土體附近的近場高應(yīng)變區(qū)產(chǎn)生的非線性位移反應(yīng)。 同時，利用有限元來模擬土體的連續(xù)性，從而來模擬群樁間的大部分土體均處于

6、應(yīng)變水平很低的遠場范圍內(nèi)產(chǎn)生的彈性位移反應(yīng)。 該模型將荷載傳遞法和有限元結(jié)合，來解決樁數(shù)多、樁長的實際工程群樁樁土界面相互作用和參數(shù)取值問題。 利用啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)離心模型試驗成果，對提出的三維有限元計算模型進行驗證，數(shù)值分析所得承臺沉降與承臺荷載的關(guān)系曲線、樁頂軸力分布、樁頂軸力隨承臺荷載變化的關(guān)系曲線，與其離心模型試驗實測成果較一致。利用數(shù)值分析進一步深入分析了啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)在承臺竣工期、裸塔竣工期、成橋階段及

7、2倍設(shè)計荷載時，豎向荷載作用下樁身軸力分布和變形特性等摩擦樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性，從而來分析超長大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞機理和承載變形特性。 利用三維彈塑性有限元，考慮群樁基礎(chǔ)周圍外側(cè)土體豎向變形影響范圍和樁端土體壓縮層厚度的因素，研究分析其對啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，從而研究超長大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)邊界問題以及離心模型試驗邊界對其承載變形特性的影響。 研究表明：群樁基礎(chǔ)邊界大小由群樁基礎(chǔ)變形特性控制

8、，成橋階段時大型啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)周圍外側(cè)土體豎向變形影響范圍和樁端土體壓縮層影響深度，分別為一倍承臺寬度和一倍樁長； 設(shè)計的離心模型試驗邊界對群樁基礎(chǔ)樁身受力大小與分布影響不大，而對承臺沉降和樁端土體整體壓縮變形比等變形特性影響較大。 用數(shù)值模擬分析對單樁、18根樁群樁基礎(chǔ)、64根樁群樁基礎(chǔ)及131根樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性進行了比較分析，以此來研究與分析承臺沉降、樁身軸力、群樁豎向承載效率系數(shù)、群樁基礎(chǔ)平均側(cè)阻、群樁

9、平均端阻等，隨承臺荷載和群樁樁數(shù)的變化規(guī)律，從而來研究超長大直徑樁群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)。 通過對不同承臺厚度、集中荷載和均布荷載的荷載加載方式等因素，研究其對圓端型實體承臺群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，從而研究承臺厚度和荷載加載方式等承臺相對剛度對超長大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響。 對運營期承受船撞荷載時的啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)與土體相互作用進行了三維彈塑性有限元分析，研究了啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)的水平荷載與水平位移的關(guān)系

10、曲線，樁身軸力、樁身彎矩、樁身剪力及荷載傳遞深度隨水平荷載的變化規(guī)律，從而研究超長大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的水平承載變形特性，以便從水平承載力來評估橋梁基礎(chǔ)抗撞性能。 采用三維彈塑性有限元來研究與分析護底方案啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)承載變形特性，并通過比較分析最大沖刷和護底2種方案下啞鈴型承臺群樁基礎(chǔ)在承臺竣工期、裸塔竣工期、成橋階段及2倍設(shè)計荷載時豎向承載變形性狀，以及運營期船橋碰撞水平承載變形特性，來研究與評估沖刷防護對群樁基礎(chǔ)承載變