港口工程软岩嵌岩群桩基础竖向承载性状与沉降计算方法研究

摘要

软岩广泛分布于我国西南地区码头、桥梁较集中的库区沿岸。近年来，为满足库区高、重、大建筑物的需求，大直径软岩嵌岩灌注桩（以下简称软岩嵌岩桩）得到广泛应用;墩式码头在库区港口工程运用较多，其基础一般采用大直径嵌岩灌注桩群桩。目前港工规范认为桩距大于2D的嵌岩群桩无群桩效应并以承载力计算为主且无变形控制计算，其他行业规范基于一般群桩基础承载性状分析嵌岩群桩承载性能。由于软岩相对于硬质岩在矿物组成和承载性状上有承载力低、变形大、水稳性差、易劣化等特性，且水库工程运营后按计划进行周期性蓄水、排水造成的水位周期性变动对库岸软岩工程力学性质有较大影响，对高原库区软岩基岩的影响更大，即软岩嵌岩群桩基础承载性能还需深入研究。
　　 针对以上问题，本文首先提出适合软岩嵌岩桩的荷载传递函数，并在此基础上提出软岩嵌岩桩、群桩承载性状有限元分析的“荷载传递—有限元”联合模型;然后以软岩试件关于其承载性能劣化规律的“饱水—风干”水—岩循环作用试验和软岩嵌岩桩物理模型试验研究成果为基础并结合软岩嵌岩桩承载性状和常规群桩理论分析方法研究大直径软岩嵌岩群桩承载性状及其随软岩岩性劣化的变化规律，并研究“承台—桩—软岩”共同作用机理，同时结合其承载特性给出软岩嵌岩群桩的定义;最后提出基于大直径软岩嵌岩单桩承载性能分析方法的软岩群桩沉降计算混合法。
　　 通过分析可知，相同承台位移下，软岩嵌岩群桩效率系数随嵌岩深度增加而减小、随桩径增加而增加、随桩距增大而增加，且群桩效率系数随荷载（承台位移）的增加而增加。“水—岩”作用对基岩承载力有较大削弱作用，但相对增大了群桩基础的弹性承载范围，群桩弹性承载阶段的“桩—桩”相互作用较强，使各桩荷载分配随“水—岩”作用次数的增加而越不均匀，且群桩效率系数随“水—岩”作用次数的增加而减小。软岩嵌岩桩“荷载—位移”曲线一般呈缓变形，无明显陡降段，且软岩嵌岩群桩“荷载—位移”曲线比单桩更具缓变性，在设计软岩嵌岩群桩基础时建议承载力的选取应基于功能要求，并应根据水位变动情况和结构功能要求综合考虑群桩效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 红层软岩特性概述

1．1．1 红层软岩的界定

1．1．2 我国红层的形成条件及分布规律简介

1．1．3 红层软岩基本特征

1．2 软岩工程性质研究现状

1．2．1 软岩的分类

1．2．2 “饱水-风干”水-岩循环作用对软岩承载性状的影响

1．2．3 软岩基岩强度

1．2．4 软岩变形特性概述

1．3 嵌岩桩基础的应用发展

1．4 软岩大直径嵌岩灌注桩群桩基础研究现状

1．4．1 软岩大直径嵌岩灌注桩总体研究水平

1．4．2 软岩大直径嵌岩灌注单桩的研究现状

1．4．3 软岩大直径嵌岩灌注群桩的研究现状

1．5 问题的提出

1．6 研究目的与意义

1．7 论文主要内容与技术路线

1．7．1 论文主要内容

1．7．2 论文技术路线

第二章 软岩嵌岩桩基础沉降计算方法研究

2．1 概述

2．2 大直径软岩嵌岩桩沉降计算方法研究

2．2．1 软岩嵌岩桩承载机理

2．2．2 软岩嵌岩桩侧阻力工作微观机理

2．2．3 软岩嵌岩桩端阻力工作机理

2．2．4 软岩嵌岩桩荷载传递法

2．2．5 “桩—软岩”界面改进的荷载传递函数

2．2．6 软岩桩端荷载传递函数

2．2．7 荷载传递法的求解方法

2．3 工程实例分析

2．3．1 工程概况

2．3．2 荷载传递法计算参数的选取

2．3．3 计算结果对比

2．4 本章小结

第三章 软岩嵌岩桩有限元分析方法研究

3．1 概述

3．2 ABAQUS软件在岩土工程中的应用

3．3 桩、岩体材料本构模型的选取

3．4 基于ABAQUS的“桩—软岩”界面摩擦子程序

3．4．1 概述

3．4．2 “荷载传递—有限元”联合模型

3．4．3 对联合模型的理论验证

3．4．4 联合模型的工程实例验证

3．5 本章小结

第四章 软岩嵌岩群桩承载性状的三维有限元分析

4．1 分析的目的

4．2 软岩岩体力学参数的取值

4．2．1 软岩室内三轴抗压试验

4．2．2 软岩岩体宏观变形及强度参数的计算

4．3 软岩群桩承载性状的表达方式

4．3．1 软岩群桩极限承载力的确定方法

4．3．2 群桩宏观承载性状趋势分析的主要曲线

4．4 有限元几何模型及计算方案设计

4．4．1 群桩分析几何模型设计

4．4．2 群桩有限元分析方案设计

4．5 计算结果分析

4．5．1 嵌岩深度对软岩嵌岩群桩承载性状的影响规律

4．5．2 桩径对软岩嵌岩群桩承载性状的影响规律

4．5．3 桩距对软岩嵌岩群桩承载性状的影响规律

4．5．4 混凝土强度对软岩嵌岩群桩承载性状的影响规律

4．5．5 岩性劣化对软岩嵌岩群桩承载性状的影响规律

4．6 本章小结

第五章 软岩嵌岩群桩基础沉降计算方法研究

5．1 概述

5．1．1 软岩嵌岩群桩基础的特点

5．1．2 软岩嵌岩群桩沉降的特征

5．1．3 群桩基础沉降计算方法研究现状

5．2 混合法的理论基础

5．2．1 基本假定

5．2．2 混合法的基本思路

5．2．3 软岩嵌岩桩的荷载传递法

5．2．4 Mindlin位移解的应用

5．3 混合法的求解步骤

5．3．1 单桩分析

5．3．2 “桩—桩”相互作用分析

5．4 实例分析

5．4．1 混合法与有限元方法的比较

5．4．2 混合法、有限元法与分层总和法的相互比较

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 大直径软岩嵌岩桩基础沉降计算方法研究

6．1．2 软岩嵌岩桩基础有限元分析方法研究

6．1．3 软岩嵌岩群桩基础承载性状的三维有限元分析

6．1．4 “水—岩”作用对承载性状的影响

6．1．5 软岩嵌岩群桩基础沉降计算方法研究

6．1．6 刚性高承台软岩嵌岩群桩基础承载机理

6．1．7 软岩嵌岩群桩的定义

6．1．8 对刚性承台软岩嵌岩群桩基础设计的建议

6．2 展望

致谢

参考文献

附录A：基于改进荷载传递函数的ABAQUS摩擦模型子程序

附录B：基于改进荷载传递函数的单桩荷载传递法计算代码

附录C：软岩嵌岩群桩沉降计算混合法代码

攻读硕士期间参加科研及发表论文情况