陡坡段横向受荷桩变形计算的实验与理论研究

摘要

横向荷载作用下基桩的内力位移计算是桩基础设计计算领域的重要内容之一。随着我国西部山区高速公路及铁路建设的高速蓬勃发展，有时为了满足公路平纵线形需求及保护自然环境的要求，出现了大量直接建于高陡边坡之上的桩基础，相比平地桩基础，由于临空面的存在，陡坡段基桩的桩土相互作用模型、桩土破坏模式等均存在较大差别。若直接采用平地横向受荷桩的相关方法计算陡坡桩将导致较大误差。因此，如何提出合理的内力及位移计算方法已成为该类桩基础设计的关键。针对该问题，本文从理论与试验上进行系统深入的研究，提出了适合于陡坡段基桩内力及位移的设计计算新方法，以供工程设计参考。
　　针对相关模型试验资料匮乏的现状，首先设计完成了45o坡角与平地情况下的基桩横向受荷室内模型对比试验。试验过程中，对横向受荷过程中基桩变形、内力和桩周地基抗力的进行了全程量测，同时对基桩与桩周土体破坏模式进行了观测。试验结果表明由于陡坡的存在导致桩前土体缺失以致桩周土对桩身水平位移的约束能力降低，在相同荷载下，陡坡桩有着更大的水平位移、桩身弯矩，并且桩前土压力较平地基桩的桩前土压力小；另外在横向荷载为800N时，桩前土体开始出现裂缝，桩身地面处位移由600N条件下的1.74mm陡增到15.64mm，并且桩前土体随荷载增加最终呈拉裂破坏；而平地桩直至荷载达到1000N时桩身地面处位移才达到0.01162m。
　　在试验的基础上，确定了陡坡段横向受荷桩的桩土破坏模式，类似于三维楔形体。由此分析了陡坡段及平地处应变楔模型的差异性，即将平地处应变楔沿坡面切割，将坡面以下部分保留即为陡坡段的应变楔模型，用与坡面的平行的平面切割应变楔体划分单元体，根据单元体水平向受力平衡、简化的桩身位移以及土体的应力应变关系（本文采用 Duncan-Chang模型）并结合有限杆单元法，将基桩视为弹性杆件，建立了相应的陡坡段横向受荷桩的桩身变形与内力计算方法，并自行编制了Matlab计算程序。与试验模型测试结果的对比表明，计算结果与试验所测结果吻合良好。
　　最后利用有限元方法可重复性强的优点，采用 Abaqus非线性有限元软件建立了陡坡段基桩三维数值分析模型，分析研究了不同坡角、土体粘聚力及内摩擦角变化对陡坡段横向受荷桩承载特性的影响，得到高陡横坡段桥梁单桩结构的多因素敏感度分析结果。结果表明，桩身承载能力随着坡度的增大而减小，而随着土体强度的增加而增加。同时从有限元分析结果可以看出，较浅深度处（大约深度在2m以内）的土体在桩土相互作用下发生塑性变形将导致桩身位移将产生较为明显的增大，与试验观察到的桩前土体出现裂缝这一现象相符。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2横向受荷桩研究现状

1.3陡坡段横向受荷基桩研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 横向受荷桩的陡坡效应与桩土相互作用模型

2.1平地段的桩土水平相互作用模型

2.2横向受荷桩计算方法

2.3 陡坡效应研究

2.4陡坡段桩土相互作用

2.5小结

第3章 陡坡段单桩横向受荷室内模型试验

3.1概述

3.2实验目的

3.3模型试验总方案

3.4模型实验材料确定

3.5模型试验设计

3.6试验结果分析

3.7小结

第4章 陡坡段水平受荷桩的改进应变楔模型

4.1引言

4.2水平受荷桩的常规应变楔模型

4.3斜坡上横向受荷桩水平变形计算

4.4算例验证

4.5有关问题的探讨

4.6结论

第5章 陡坡段横向受荷桩的三维有限元分析

5.1 概 述

5.2 ABAQUS软件简介

5.3计算模型的建立

5.4陡坡段横向受荷桩的影响因素分析

5.5小结

结语

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间论文、著作及科研情况