珊瑚钙质砂锤击钢管桩贯入机理试验研究

摘要

珊瑚钙质砂是一种具有易碎性、多孔性、高压缩性等特点的特殊工程土体，是导致钢管桩打入时溜桩和服役时承载力低下等突出工程问题的重要因素。目前，珊瑚钙质砂颗粒破碎演化发展规律、打入桩沉桩阻力构成以及承载特性在国内外鲜有研究。为此，本论文依托国家自然科学基金项目“珊瑚礁地质钢管桩贯入机理与承载特性研究”（51678145），针对珊瑚钙质砂与钢管桩相互作用这一关键问题，采取室内模型试验和颗粒流数值模拟为研究手段，从锤击能量、砂相对密实度、桩长径比等因素出发，对锤击方式下珊瑚钙质砂中钢管桩贯入机理以及钢管桩的竖向承载特性进行了系统性研究。主要内容和成果如下： 1．在珊瑚钙质砂中进行了锤击钢管桩贯入室内模型试验，通过沉桩过程全过程模拟，对比研究了不同锤击能量与不同钙质砂相对密实度控制下锤击次数、沉桩阻力等因素对钢管桩贯入影响，探讨了沉桩阻力构成与沉桩过程能量传递，并重点分析了珊瑚钙质砂中锤击沉桩贯入机理。 2．对珊瑚钙质砂中钢管桩进行了竖向抗压静载室内模型试验，对比研究了锤击式、预埋式钢管桩在不同钙质砂相对密实度、不同桩长径比下的桩基竖向承载和变形性能及其影响因素，揭示了珊瑚钙质砂中钢管桩竖向承载特性以及荷载传递规律，并探讨了桩侧阻力、桩端阻力发挥机制。 3．基于颗粒流数值软件PFC2D，建立珊瑚钙质砂沉桩细观模型，主要分析钢管桩在贯入过程中摩阻力、端阻力分布规律、桩周土位移场变化、钙质砂颗粒破碎发展等细观变化情况。结合室内试验设计仿真沉桩全过程，深入揭示珊瑚钙质砂钢管桩贯入机理。 通过室内试验与模拟结果数据分析表明：珊瑚钙质砂中锤击沉桩速率快；越大的锤击能量与越小的相对密实度有利于沉桩；锤击次数、沉桩阻力随桩位下沉而增加；桩端阻力是限制桩基贯入主要部分；颗粒破碎加速桩周土重新分布，打桩对珊瑚钙质砂挤密作用占主导；桩长径比、钙质砂相对密实度、沉桩方式对珊瑚钙质砂中桩基竖向抗压承载性能影响显著；竖向荷载作用下，钢管桩桩身轴力衰减速率缓慢，桩侧摩阻力迅速发挥至极致，桩端阻力在加载初期就有发挥，桩端阻力对限制桩位下沉占主要作用。

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