竖向荷载作用下大直径桩的荷载传递理论及应用研究

摘要

随着我国高速公路、高速铁路和大跨、高层建筑的发展，上部结构对基础的承载力要求越来越高。大直径桩不但具有很高的承载力和较小的变形，而且还具有使用灵活、计算简洁、施工方便、节省材料等优点，因而被工程上日益广泛地采用为首选的深基础型式。 由于大直径桩的荷载传递机理和变形特征与普通中、小直径桩存在着明显的差异，因此，用中、小直径桩计算理论来分析大直径桩是不合适的。正是由于大直径桩的承载力很高，因而对大直径桩的现场试验研究受到诸多限制，使得试验成果和经验资料相对较少，理论研究也就相对滞后。基于国内外关于大直径桩问题的研究现状，在综合分析的基础上，结合国家自然科学基金课题和湖南省自然科学基金课题的研究，开展了本文的研究工作。通过理论分析、模型试验、现场测试和数值模拟相结合的方法进行研究，主要取得了如下几方面的研究成果和结论： 1)基于荷载传递的双曲线模型和大直径桩的沉降变形特点，提出了大直径桩荷载-沉降关系的解析计算方法。在此基础上，提出了可以考虑桩端沉渣影响的迭代分析方法。根据以上方法得到的计算结果与试验结果进行了对比，证明上述理论具有较好的实用性和可靠性。 2)基于剪切位移法和一维固结理论，研究了考虑固结和地面超载作用下的大直径桩的荷载传递规律，首次提出了考虑地基固结的大直径桩的荷载传递分析的解析计算方法。经过与模型试验和现场测试结果对比，方法是可靠的。 3)根据大直径桩的静载试验特点，改进了桩的荷载-沉降关系预测的GM(1，1)模型，用有限的荷载试验数据预测大直径桩完整的荷载-沉降关系，为大直径桩的沉降和承载力预测提供了合理的方法。 4)应用剪切位移法原理并考虑土的非线性变形影响，提出了多层地基中的大直径桩荷载传递分析的矩阵方法；在此基础上，应用弹性-全塑性模型和三折线软化模型，对多层地基中大直径桩的荷载传递的全过程进行了研究，提出了相应的解析计算方法；同时，根据上述理论，对嵌岩大直径桩的荷载传递进行了研究，提出了相应的分析方法和理论。理论分析结果和实测结果非常吻合。 5)通过直剪摩擦试验、深井荷载试验和自平衡静载试验等对大直径桩的荷载传递参数进行了系统的测试和分析，对大直径桩的荷载传递机理进行了进一步的试验研究，得到了如下结论： ①在荷载传递过程中，桩侧土的性质、桩-土相对位移、桩身直径、桩-土界面条件和桩端条件等均对侧阻发挥有着重要的影响。 ②在荷载传递过程中，侧阻和端阻的发挥具有深度效应，且对于大直径桩，侧阻和端阻发挥的临界深度均为桩径的10倍左右。 ③侧阻和端阻在荷载传递过程中，具有相互强化作用，这对指导设计和施工具有重要的工程意义。 ④对于大直径桩，其尺寸效应(桩身直径和桩端直径)对侧阻和端阻的影响是不可忽略的，这也是大直径桩和中、小直径桩荷载传递的根本区别之所在。 ⑤当有软弱下卧层存在时，软弱下卧层对桩的承载力的影响是很大的，因此，必须保证持力层有足够的厚度。大直径桩的端阻持力层的临界厚度约为桩端直径的10倍左右。 6)以上所提出的分析方法均编制了相应的计算机程序，以便于实际应用。在此基础上，编制了有限元分析程序，对大直径桩的荷载传递规律进行了数值模拟分析，得到了诸多的结论和结果，且与理论分析和试验研究结果是相符的。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1大直径桩基础发展概述

1.1.1大直径桩基础的起源和应用

1.1.2大直径桩的主要特点

1.2大直径桩研究概况

1.2.1大直径桩的研究背景

1.2.2大直径桩试验研究现状

1.2.3大直径桩理论研究现状

1.3研究意义和目的

1.4本课题研究的主要内容和方法

第二章大直径桩荷载传递规律的理论分析方法

2.1概述

2.2大直径桩基桩-土共同作用的力学模型

2.3桩身荷载传递分析的解析方法

2.3.1桩身荷载传递微分方程的建立及求解

2.3.2公式的应用方法

2.3.3解析分析实例

2.3.4荷载传递函数的形式及参数a和b的确定

2.4大直径桩荷载传递分析的迭代方法

2.4.1桩身荷载传递的迭代模型及单元划分

2.4.2桩的荷载-沉降关系的迭代计算方法

2.4.3考虑桩端沉渣影响的大直径桩荷载传递分析

2.4.4迭代计算实例

2.5考虑地基固结和超载的大直径桩荷载传递规律研究

2.5.1桩顶荷载和固结荷载共同作用下的叠加

2.5.2桩顶荷载作用下单桩荷载传递规律

2.5.3固结荷载作用下单桩荷载传递规律

2.5.4桩顶荷载及固结荷载共同作用下单桩的荷载传递规律

2.5.5算例和分析

2.6大直径桩荷载-沉降关系的灰色预测方法

2.6.1桩的荷载——沉降关系预测的GM(1，1)模型

2.6.2预测模型的检验及GM(1，1)残差模型

2.6.3大直径桩荷载-沉降关系的等维灰数递补动态预测法

2.6.4大直径桩荷载-沉降关系的灰色预测步骤

2.6.5 工程实例实测与预测的对比分析

2.7本章小结

2.7.1关于荷载传递分析理论

2.7.2关于荷载传递分析的迭代方法

2.7.3关于考虑固结和超载的大直径桩荷载传递分析理论

2.7.4关于大直径桩荷载-沉降关系的灰色预测方法

第三章多层地基中大直径桩的荷载传递研究

3.1概述

3.2多层地基中大直径桩的荷载传递的矩阵分析方法

3.2.1桩侧土的位移方程

3.2.2桩底土的位移方程

3.2.3桩身的弹性压缩量

3.2.4多层地基中桩的荷载传递

3.2.5考虑土的非线性变形的改进

3.2.6 工程实例

3.3多层地基中大直径桩的荷载传递的全过程分析

3.3.1弹性-全塑性模型和三折线软化模型

3.3.2桩周土全部处于弹性阶段的理论分析

3.3.3桩周土部分进入软化状态的理论分析

3.3.4桩周土部分进入残余应力状态的理论分析

3.3.5 工程实例分析

3.4多层地基中大直径嵌岩桩的荷载传递分析

3.4.1大直径嵌岩桩的承载和变形特征

3.4.2大直径嵌岩桩的荷载传递函数形式及参数的确定

3.4.3大直径嵌岩桩的荷载传递分析

3.4.4人工挖孔嵌岩桩扩底后对承载力的影响

3.4.5实例计算与分析

3.5本章小结

3.5.1关于改进后的剪切位移法

3.5.2关于考虑桩侧土软化和桩端土塑性变形的全过程分析

3.5.3关于大直径嵌岩桩的荷载传递分析

第四章大直径桩荷载传递规律的试验研究

4.1概述

4.2荷载传递过程中影响桩侧阻力发挥的因素

4.2.1桩周土的性质

4.2.2桩-土相对位移

4.2.3桩径的影响

4.2.4桩-土界面条件的影响

4.2.5桩端条件对桩侧阻力的影响

4.2.6桩侧阻力的深度效应

4.3桩端土对大直径桩荷载传递的影响

4.3.1持力层土的强度和桩端位移

4.3.2桩端阻力的深度效应

4.3.3持力层厚度的影响

4.3.4桩端直径对端阻力的影响

4.4桩端土和桩侧土在荷载传递过程中的相互作用

4.5大直径桩荷载传递参数的试验确定方法

4.5.1室内直剪摩擦试验

4.5.2深井载荷试验

4.5.3小桩模拟大桩静载试验或大桩有限加载静载试验

4.5.4自平衡静载试验

4.6本章小结

4.6.1关于影响桩侧阻力发挥的因素

4.6.2关于影响桩端阻力发挥的因素

4.6.3关于侧阻和端阻的相互强化效应

4.6.4关于大直径桩荷载传递参数的试验确定方法

第五章大直径桩荷载传递规律的数值模拟分析

5.1概述

5.2弹塑性有限元分析基本原理

5.2.1 Drucker-Prager模型

5.2.2桩-土界面模型

5.2.3接触面单元分析方法

5.3大直径桩有限元程序介绍及验证

5.3.1大直径桩有限元程序介绍

5.3.2程序验证

5.4大直径桩荷载传递机理的数值模拟

5.4.1均质地基中大直径桩荷载传递机理分析

5.4.2桩长对荷载传递的影响分析

5.4.3桩径对荷载传递的影响分析

5.4.4桩-土刚度比对荷载传递的影响分析

5.4.5桩端土与桩周土的刚度比对荷载传递的影响分析

5.4.6桩-土界面特性对荷载传递的影响分析

5.5本章小结

5.5.1关于均质地层中大直径桩荷载传递机理

5.5.2关于桩长对荷载传递的影响

5.5.3关于桩径对荷载传递的影响

5.5.4关于桩-土刚度比对荷载传递的影响

5.5.5关于桩端土与桩周土的刚度比对荷载传递的影响

5.5.6关于桩-土界面特性对荷载传递的影响

第六章结论与展望

6.1本文研究工作的总结

6.2对今后研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研项目、发表的论文和专著

致谢