硬土软岩地层中长大直径桩基竖向承载力研究

摘要

桩基竖向承载力的研究一直是国内外研究的一个重点难点，其主要在于桩土相互作用复杂，桩土界面难以模拟，桩土相互作用计算所需参数难以确定。本文以印尼苏拉马都大桥为研究对象，从室内试验入手研究了所处地质中的硬土软岩的力学参数及性质，并利用正交试验解决硬土软岩施工中出现的塌孔缩孔现象，以现场自平衡试验研究桩土相互作用时的桩侧摩阻力与桩端阻力的关系与变化趋势，确定桩土相互作用的模型与参数，最后从理论与有限元模拟研究桩土作用的机理与影响因素，用以确定桩的竖向承载能力。通过室内试验、现场试验、理论研究与有限元模拟对桩基承载力进行研究，主要包括以下方面内容： 从分析印尼苏拉马都大桥桩基所处硬土软岩地质条件入手，得出其强度衰减特性是由于岩体中含有大量的强亲水性粘土矿物成分，水分的变动引起强度的衰减；这是引起施工中塌孔与缩孔的主要原因； 从室内试验入手分析了硬土软岩的强度衰减曲线，得出在进行孔壁稳定性以及桩侧摩阻力验算时，对于孔壁为含砂量大的岩层或者基岩的，宜采用峰值强度进行计算；而一般的孔壁，尤其是，宜采用残余强度来进行计算，这样才能最大限度的发掘最大桩基坚向承载力，但从保守起见则可以全采用残余强度来进行计算； 利用正交试验解决硬土软岩区桩基施工出现的塌孔与缩孔现象。结果表明，膨润土含量越大，泥浆护壁效果越好，但同时泥皮厚度越厚，对桩侧摩阻力的消弱越大。因此，配制泥浆时，在保证护壁效果的前提下尽量减少膨润土用量；并通过正交试验，考虑泥浆中各种因素的影响，最终确定泥浆的最佳配比为，淡水：膨润土：CMC:纯碱=100:8：0.1:0.04，实际运用证明这个配比能有效的解决施工过程中的塌孔与缩孔问题； (4)根据自平衡试验得出，工程所处软基工程中大直径超长桩在达到极限承载力时，其桩端承载力值占一个比较大的成份，为摩擦端承型桩，计算桩极限承载力时必须考虑桩端阻力；同理在类似工程中计算桩基极限承载力必要考虑桩端阻力的贡献； (5)经过对钻孔灌注桩与桩周土体相互关系的研究，分析摩擦桩的荷载传递机理。总结与研究前人提出的各种桩土界面接触模型与本构关系，提出适用于硬土软岩的桩土摩擦衰减模型，而且根据桩土荷载传递微分方程从理论上推导了桩的竖向承载力公式，并给出了求解单层与多层土的桩基承载力的P-S曲线的试算法； (6)运用摩擦衰减模型，通过对原位试桩的仿真分析，并对不同桩周土体变形模量、粘结力、内摩擦角，桩长，桩径等对单桩竖向承载力的影响的仿真分析得出： a)桩侧摩阻力与桩端阻力并不是同步发挥，对软弱地基中桩基要充分发挥其极限承载力必须要有比较大的桩端位移，因而桩顶位移决定了桩的承载力； b)多层土桩土相互作用时，其上层土质较好部分桩侧摩阻力能优先充分发挥；在土层相差不大情况下，桩土相互作用时桩侧摩阻力于桩端由下向上逐渐发挥至极限值； c)桩侧摩阻力的发挥与桩土之间的相对滑移有很大关系，随着桩土相对滑移增大，桩侧摩阻力逐渐增大，但当桩侧摩阻力达到一定值时就不再增加，这个值与土体的性质有关，土质越好这个值相对来说越大； d)桩周土体的变形模量对加载初期的桩顶沉降影响较大，变形模量越大沉降越小，桩基的竖向承载力越大； e)桩周土体粘结力对荷载沉降曲线的拐点有决定性影响，粘结力越大，出现拐点时的桩顶荷载越大，桩的竖向承载力也就越大； f)桩周土体的内摩擦角，对加载初期即土体达到塑性之前的荷载沉降曲线影响不大，当桩周土体达到塑性状态后，内摩擦角越大，荷载沉降曲线下降幅度越小，单桩的竖向承载力越大； g)相同土质条件下，桩长越长竖向承载力越大。在加载初期，相同桩顶荷载，桩长越长桩顶沉降越小。但桩长和桩顶沉降并不成反比，桩长越长对桩顶沉降的影响量逐渐减小。 h)相同荷载条件下，桩径越大，桩顶沉降越小，单桩的极限承载力越大，基本成正比关系。但混凝土用量与桩身自重成二次幂关系，价格成本增加，使用时要综合考虑。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1桩基础发展概述

1.1.1发展现状

1.1.2发展趋势

1.2单桩承载特性研究现状

1.3存在的问题

1.4研究目的和意义

1.5研究内容和主要方法

第二章现场工程实际

2.1印尼泗水-马都拉地区的自然条件概况

2.1.1地理位置

2.1.2地形地貌

2.1.3地质构造

2.1.4地层岩性

2.1.5地震及区域稳定性

2.1.6气候特征

2.2工程简介

2.3桥位区的地质条件及岩土特征

2.3.1桥位区岩土的物质成分

2.3.2桥位区岩土的物理力学特征

2.3.3桥位区岩土的工程特征

2.4桥位区硬土软岩的强度特征

2.4.1硬土软岩的强度特征

2.4.2影响硬土软岩抗剪强度的主要因素

第三章苏拉马都大桥钻孔灌注桩施工技术研究

3.1苏拉马都大桥桩基施工中的难点与重点

3.2桥位区岩体室内抗剪试验强度研究

3.2.1硬土软岩室内抗剪强度试验

3.2.2对试验数据进行处理

3.2.3试验结果的一些规律及其对施工的指导

3.3硬土软岩特殊岩土性质变化的判断

3.3.1强度特性

3.3.2强度变化特征

3.4钻孔灌注桩泥浆正交试验

3.4.1试验目的

3.4.2试验方案

3.4.3试验结果

3.4.3结果分析

3.5小结

第四章自平衡法试桩工程试验研究

4.1工程概况及地质条件

4.1.1工程概况

4.1.2地质条件

4.2试验目的及测试原理

4.2.1试验目的

4.2.2测试原理

4.2.3测试系统

4.2.4测试规程

4.3试验过程

4.3.1施工概况

4.3.2荷载箱位置及加载等级

4.4测试结果与分析

4.4.1试验结果

4.4.2数据处理分析原理

4.4.3轴力分析

4.4.4摩阻力分析

4.4.5桩端阻力与总承载力分析

4.5小结

第五章超长大直径钻孔灌注桩竖向承载力理论研究

5.1基桩荷载传递机理

5.1.1桩、土体系荷载传递的一般过程

5.1.2基桩荷载传递分析方法

5.2桩侧阻力与桩端阻力的一些规律

5.2.1桩侧阻力的传递规律

5.2.2桩端阻力的传递规律

5.3单桩竖向承载力确定的常用方法

5.3.1静载试验法

5.3.2静力计算法

5.3.3原位测试法

5.3.4经验法

5.3.5现行规范计算承载力存在的问题

5.4桩土界面研究

5.4.1接触面单元

5.4.2接触面本构关系

5.4.3摩擦衰减模型

5.5桩的理论计算

5.5.1、根据桩土位移协调关系确定桩侧阻摩力与桩承载力

5.5.2、利用试验所得参数确定竖向承载力

5.6本章小结

第六章超长大直径钻孔灌注桩竖向承载力仿真分析

6.1仿真软件

6.2材料本构模型

6.2.1土体的本构模型

6.2.2钢筋混凝士材料本构模型

6.3桩-土接触面本构关系

6.4计算模型的建立

6.5材料计算参数确定

6.6计算结果及分析

6.6.1桩土相互作用的模拟

6.6.2原位桩承载力仿真

6.6.3桩周土体变形模量对承载力的影响

6.6.4桩周土体粘结力对承载力的影响

6.6.5桩周土体内摩擦角对承载力的影响

6.6.6桩长对承载力的影响

6.6.7桩径对承载力的影响

6.7小节

第七章结论与展望

7.1本文研究工作总结

7.2今后研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果