煤矸石型CFG模型桩的竖向极限承载力试验研究

摘要

中国是一个能源消耗很大的国家，而煤炭是重要动力之一。有资料表明：我国2012年的煤炭产量已经超过32亿吨，预计到2012年煤矸石产量将超过3亿吨，但是我国的煤矸石资源化利用的发展十分缓慢，目前其综合利用率较低，大部分都没经过处理。到目前为止我国煤矸石矿区约有1600个，煤矸石积聚量已超出35亿吨，占地面积约33万亩，煤矸石已成为中国年生产量，土地面积占用量和堆积量都非常大的工业废物之一。在本文中，在水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）基础上以价格低廉的自燃煤矸石代替碎石作为粗骨料，通过优化配比形成具有一定的整体强度的桩体——煤矸石CFG桩。
　　本文制作了4种水泥掺入比为10％、12%、14%、16%和4种煤矸石取代率为0%、30%、60%、100%的16组试块，并在此基础上，制作了如下煤矸石型CFG模型桩：①在水泥掺入比为12%的条件下，煤矸石取代率为100%、60%、30%、0%的4种配合比的煤矸石型CFG模型桩；②在水泥掺量为14%的条件下，煤矸石取代率为100%、60%、30%、0%的4种配合比的煤矸石型CFG模型桩；③在水泥掺量为16%的条件下，煤矸石取代率为100%、60%、30%、0%的4种配合比的煤矸石型CFG模型桩，模型桩数量为12个。
　　通过煤矸石混凝土的抗压强度试验，研究分析水泥掺入比、龄期、煤矸石取代率对煤矸石混凝土抗压强度的影响和变化规律。煤矸石CFG模型桩在本文中属于端承桩，通过煤矸石桩型CFG模型静载试验，得到了不同配合比的煤矸石CFG桩的极限承载力，通过模型桩的应力-应变曲线和模型桩的荷载-沉降曲线，研究分析桩体的应力分布情况、桩体的破坏形态，其研究结果如下：
　　（1）煤矸石混凝土抗压强度与龄期呈对数函数关系，可以用对数函数公式进行拟合。水泥掺入比处于10~14%范围时，煤矸石混凝土强度增长速度比较大。当水泥掺入比大于14%时，煤矸石混凝土强度的增长速度明显放慢。煤矸石混凝土抗压强度与水泥掺入比呈一元二次函数关系。延边地区煤矸石混凝土强度随着煤矸石取代率的增加而降低。考虑安全因素和经济因素，认为C3是最好的配比组合，水泥：粉煤灰：水：砂子：碎石：自燃煤矸石=247.8:106.2:177:780:468.4:702.6。
　　（2）随着煤矸石取代率增加，模型桩极限承载力逐渐降低。在相同竖向荷载下，模型桩沉降值增加幅度逐渐增加。破坏均发生在桩顶部至桩上部1/3处位置，煤矸石CFG桩与普通CFG桩破坏形态相近。在荷载—应变图中可以看出，桩顶处分担荷载较大，桩顶处应变测点的应变增长速度明显快于其他测点。
　　（3）通过静载试验得出的12根煤矸石型CFG模型桩极限承载力，提出了煤矸石型CFG模型桩极限承载力参考计算公式：此公式省略。
　　（4）通过运用3种灰色理论预测模型对本文试验中的煤矸石型CFG模型桩的单桩极限承载力进行预测，将预测值分析整理可以得到新迭代GM（1.1）模型对单桩极限承载力的预测精度要优于全信息GM（1.1）模型及非等步GM（1.1）模型。随着模型系统信息的更新，增加反映数据系统的发展趋势，有助于提升模型的预测精度。Usher模型对煤矸石型CFG模型桩的单桩极限承载力的预测值与静载荷试验测得的实测值的相对误差绝对值平均值为2.71%，根据对桩极限承载力的预测效果，Usher模型优于灰色理论模型，具有较高的预测精度。
　　（5）通过利用ANSYS软件程序对煤矸石型CFG模型桩与普通CFG模型桩有限元分析，得出其应力、应变及变形云图，并对两种桩进行比较分析。发现随着煤矸石取代率增加，煤矸石型CFG模型桩极限承载力逐渐降低，变形与普通CFG模型桩相近，这与现实试验结论相符。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2煤矸石国内外研究现状

1.3CFG桩的研究现状

1.4本文研究内容及办法

第二章 煤矸石CFG模型桩试验概况

2.1煤矸石CFG模型桩试验简介

2.2煤矸石CFG模型桩试验方案设计

2.3煤矸石CFG桩的加载工作

第三章 煤矸石混凝土抗压强度力学性能试验研究

3.1试块的抗压强度试验

3.2试验结果分析

3.3本章小结

第四章 煤矸石型CFG桩的试验结果与极限承载力计算方法研究

4.1煤矸石CFG桩的荷载-沉降曲线

4.2破坏形态及应力应变分析

4.3煤矸石CFG桩极限承载力计算公式

4.4本章小结

第五章 煤矸石型CFG模型桩极限承载力预测

5.1预测模型的建立

5.2模型桩极限承载力值的灰色理论及Usher曲线预测

5.3本章小结

第六章 煤矸石CFG模型桩有限元分析

6.1有限元研究目的

6.2单元选取及材料本构关系

6.3模型的建立及网格划分

6.4有限元计算结果分析

6.5本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

附录A(攻读硕士学位期间发表的论文)