红层软岩工程特性及其大直径嵌岩桩若干问题研究

摘要

湘浏盆地属地洼盆地。盆地内的长、株、潭地区广泛分布着白垩系砾岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等软质岩石，具有成岩差，易风化、崩解等特殊性质。近年来，红层嵌岩桩被广泛应用于大型桥梁和高层、超高层建筑中，但完整的试桩资料和实测成果不多，制约了人们对其承载机理的全面认识。深入了解红层的工程特性是有效利用红层的先决条件，加强对湘浏盆地红层工程特性及其桩基承载性状研究对长株潭城市一体化的规划、建设有着重要意义。 本文在分析和参考大量国内外文献基础上，对湘浏盆地的地质形成条件及研究现状进行了归纳总结；通过一系列物理力学性能试验，对红层物理力学性质进行了系统分析；采用现场试验和数值模拟相结合方法，对红层嵌岩桩的若干问题进行了研究。取得如下成果： (1)从地质环境演化、分布范围、地层和岩类划分等角度出发，对红层软岩的发育特征及其时空变化规律进行了系统研究，发现红层工程性质主要受盆地构造部位、岩性特征、岩相特征、沉积介质的物理化学条件及构造作用等因素影响，建立了红层演化模型。 (2)通过X-衍射、热物理分析、膨胀试验、崩解试验、压水试验、动力参数测试、单轴抗压试验、剪切试验、载荷试验和高压旁压试验等手段，对红层的风化分带、抗压强度、承载力取值及路基填料等系列问题进行了研究。经过多参数的综合分析，建立了红层动、静参数之间的相关方程，为红层风化程度与岩体强度分析提供了有效途径。 (3)通过对4根人工挖孔灌注桩进行单桩静力载荷试验，分别采用滑动测微计和应变计测试桩身轴力的变化，研究了红层嵌岩桩的承载性能、桩身轴力传递规律、桩侧阻力和端阻力的发挥性状。结果表明，红层嵌岩桩表现为端承摩擦桩特性，Q-S曲线呈缓变型；桩身轴力传递规律和桩侧阻力的发挥与覆盖层厚度、桩长、桩周土性质密切相关。由于红层具有较强的结构性，发挥极限侧阻所需位移仅为2～6mm，测试得到的极限侧阻力远高于规范值，表现出强化效应，端阻力和侧阻力并非同步发挥。 (4)综合分析了嵌岩段侧阻力的研究成果、侧阻力的激发机理。应用剪切试验、基岩内桩侧摩阻力试验和高压旁压试验及桩身应力测试对湘浏盆地内泥质粉砂岩的嵌岩段桩侧阻力的研究，分析了不同方法确定结果的差异根源。结果表明，按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)确定的侧阻力偏低，提出了以单轴天然抗压强度标准值为基础，按0.15～0.30系数折减计算嵌岩段极限侧阻力的取值标准，对类似地区桩基设计有一定的参考价值。 (5)根据相关岩石破坏理论，研究了嵌岩桩端阻力的工作机理。对当前嵌岩段端阻力的确定方法进行了比较分析，对不同方法确定的嵌岩桩端阻差异进行了研究。通过对原位测试成果的整理、分析，认为目前规范中关于嵌岩桩端阻力计算公式不适用于红层软岩嵌岩桩，并采用拟合方法得到了红层极限端阻力的荷载传递函数及计算公式。 (6)总结了国内外嵌岩桩承载力计算的研究现状，分析了现行不同规范在嵌岩桩设计取值上的差异，给出了符合当地实际的红层嵌岩段总阻力的修正公式。利用统计学中的正交试验设计方法和敏感性分析，综合考虑桩长、桩径、岩基强度，结合工程实例对红层嵌岩桩进行设计优化，以达到经济合理的目的。 (7)以原型桩为基础，运用有限单元法对红层大直径桩的桩-土-岩相互作用进行模拟。对桩径、桩身模量、桩端持力层性质及嵌岩深度对嵌岩桩承载性状的影响进行了分析，其结果可用于指导工程实践和理论研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1红层特性概述

1.1.1红层的界定

1.1.2我国红层形成条件及分布规律

1.1.3红层的基本特征

1.2红层工程性质研究现状

1.2.1红层分类

1.2.2水岩作用

1.2.3物理力学性质的相关性

1.2.4红层的岩基强度

1.2.5变形特性与数值模拟

1.3软岩嵌岩桩研究现状

1.3.1桩基发展历史、作用及分类

1.3.2软岩嵌岩桩承载性状综述

1.3.3软岩嵌岩桩端阻力研究

1.3.4软岩嵌岩桩侧阻力研究

1.3.5软岩嵌岩桩嵌岩深度研究

1.3.6嵌岩桩的模型试验研究

1.3.7影响因素研究

1.4本文的选题背景及研究内容

1.4.1本文的选题背景

1.4.2研究内容及方法

第二章 湘浏盆地构造演化与红层的时空分布关系

2.1概述

2.2湘浏盆地构造演化及地层划分

2.2.1构造背景

2.2.2演化阶段

2.2.3地层划分

2.2.4生物地层划分与时代对比

2.3红层基本特征

2.3.1宏观特征

2.3.2微观结构

2.3.3矿物和化学成分

2.3.4易溶盐分析

2.4红层分布的时空变异规律

2.4.1构造变形

2.4.2颗粒的搬运与沉积规律

2.4.3水平向分布(沉积)特征

2.4.4纵向(风化)分带规律

2.4.5电阻率的纵向分布特征

2.4.6盆地演化环境及其地质模型

2.5沉积环境与红层力学效应关系

2.5.1沉积环境的影响

2.5.2矿物成分的影响

2.5.3粒度影响

2.5.4微观结构影响

2.6小结

第三章 红层软岩的物理力学性质研究

3.1概述

3.2红层的物理力学性质

3.2.1红层的主要物性指标

3.2.2热参数分析

3.2.3水理性质

3.2.4动力特性

3.3红层的强度特性

3.3.1抗压强度

3.3.2抗剪强度及变形参数

3.3.3抗拉强度

3.3.4流变性

3.4岩石抗压强度与原位试验对比

3.4.1原位试验方法

3.4.2试验对比结果

3.4.3分析与讨论

3.5红层物理力学指标相关性研究

3.5.1天然单轴抗压强度与天然密度的相关性

3.5.2单轴抗压强度与弹性模量的相关性

3.5.3旁压特征参数与单轴抗压强度的相关性

3.5.4旁压-波速联合测试在红层中的应用

3.6影响岩石强度取值的因素

3.6.1湿度对单轴抗压强度的影响

3.6.2岩石试样的尺寸效应

3.6.3岩石强度的统计取值

3.7小结

第四章竖向荷载作用下红层嵌岩桩的原型试验

4.1概述

4.2基桩的荷载传递机理

4.2.1桩-土(岩)体系的荷载传递机理

4.2.2荷载传递分析

4.2.3荷载传递性状的变化规律

4.3基桩荷载传递规律研究的试验方法

4.3.1竖向静力载荷试验

4.3.2 Osterberg试桩法

4.3.3桩身应力应变测试

4.4红层嵌岩桩的原型试验

4.4.1场地工程地质条件

4.4.2试验设计

4.4.3竖向荷载作用下原型桩的Q-s曲线特征

4.5红层嵌岩桩荷载传递规律

4.5.1桩身轴力传递特征

4.5.2桩侧摩阻力发挥性状分析

4.5.3端阻力的发挥性状分析

4.6小结

第五章 红层嵌岩桩嵌岩段侧阻力研究

5.1概述

5.2桩岩侧阻力工作微观机理分析

5.2.1滑移-剪胀机理概述

5.2.2滑移-剪胀机理定量分析

5.2.3滑移-剪胀机理的讨论

5.2.4滑移-剪胀机理的实验验证

5.3基于剪-滑扩张理论的嵌岩段荷载传递分析

5.3.1厚壁圆筒形孔扩张理论的基本方程

5.3.2厚壁圆筒形孔扩张问题弹性变形阶段解

5.3.3 Mohr-Coulomb材料圆筒形孔扩张问题弹塑性解

5.3.4嵌岩段荷载传递函数的建立

5.4嵌岩段侧阻力的确定

5.4.1国外文献公式

5.4.2建筑桩基技术规范(JGJ94-94)

5.4.3试验法

5.5不同风化层的侧阻力试验研究

5.5.1全风化红层侧阻力试验

5.5.2强风化红层侧阻力试验

5.5.3中风化红层侧阻力试验

5.5.4侧阻力与位移的关系

5.5.5讨论与分析

5.6嵌岩桩侧阻力的影响因素

5.6.1孔壁粗糙度

5.6.2初始水平应力

5.6.3岩石强度

5.6.4桩的几何尺寸

5.6.5施工工艺

5.7小结

第六章红层嵌岩桩端阻力研究

6.1概述

6.2嵌岩桩端阻力工作机理分析

6.2.1岩石本构模型与强度理论

6.2.2岩石破坏形式

6.2.3桩端岩石变形破坏机理

6.3嵌岩桩端阻力计算模式

6.3.1规程、规范法

6.3.2经验公式

6.3.3三轴应力法

6.3.4 Hoek-Brown强度准则

6.3.5刚塑体理论

6.3.6考虑桩底沉碴影响的荷载传递法

6.3.7原位试验法

6.4不同风化层的端阻力研究

6.4.1全风化红层端阻力试验

6.4.2强风化红层端阻力试验

6.4.3中风化红层端阻力试验

6.4.4端阻力与桩端位移关系分析

6.5嵌岩桩端阻力的影响因素

6.5.1岩层形态及结构面

6.5.2岩石强度

6.5.3围岩应力

6.5.4地下水及岩质不均匀性

6.5.5端阻力的尺寸效应

6.5.6嵌岩深径比及桩的长径比的影响

6.6小结

第七章 红层嵌岩桩承载力计算与优化

7.1概述

7.2嵌岩桩竖向承载力确定方法

7.2.1国外嵌岩桩设计方法

7.2.2国内确定嵌岩桩竖向承载力的常用方法

7.2.3现行规范存在的问题及红层嵌岩桩的建议公式

7.3桩-土-岩共同作用的非线性计算

7.3.1桩-土-岩共同作用的力学模型

7.3.2双曲线模型的参数a、b取值

7.3.3荷载传递微分方程的建立及求解

7.4嵌岩桩极限承载力的预测

7.5利用正交试验分析进行嵌岩桩优化设计

7.5.1嵌岩桩优化设计

7.5.2影响嵌岩桩设计的主要因素

7.5.3设计参数正交试验法的计算与分析

7.6嵌岩桩设计优化影响因素的敏感性分析

7.6.1分析目的

7.6.2分析步骤

7.6.3工程应用

7.7小结

第八章 竖向荷载下红层嵌岩桩工作性状有限元分析

8.1概述

8.2 ANSYS软件简介

8.2.1 ANSYS软件主要技术特点

8.2.2 ANSYS功能应用简介

8.3单桩有限元分析机理

8.3.1轴对称问题的有限元基本方程

8.3.2有限元材料模式及设计参数

8.3.3非线性分析方法

8.3.4收敛准则

8.4嵌岩桩非线性有限元分析

8.4.1网格划分

8.4.2数值试验模型参数

8.4.3边界条件及模型求解

8.4.4预期目的

8.5数值试验结果分析

8.6嵌岩桩承载力影响因素有限元分析

8.6.1桩身模量

8.6.2基岩强度

8.6.3桩身直径

8.6.4嵌岩深度

8.7小结

第九章 结论与建议

9.1本文研究工作的总结

9.2有待于进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果