巨型基础承载特性的尺寸效应研究

摘要

超大直径基础在桥梁基础和海上风电场中应用日趋广泛，其直径高达6.0-8.0m，由此引起的尺寸效应及其对基础水平承载特性的影响不容忽视。而要进行超大直径基础的设计，深入了解其水平承载特性至关重要。现有的设计方法皆基于小直径桩原位或模型试验得出，并直接应用到实际工程中各类尺寸的桩上;而由于尺寸效应的存在，对于大直径基础计算结果的可靠性值得怀疑。由于超大直径基础进行现场试验困难，设计中没有可供借鉴的的经验，使设计缺乏合理的方法和依据，这就使得超大型基础承载力的确定和设计成为目前工程实践中的主要难题之一。因此，深入研究超大型基础水平承载机理，提出可行的承载力和变形分析方法，为桥梁沉井基础以及近海风机基础等设计提供科学依据，具有重要的科学意义和应用价值。本文依托国家重点基础研究发展计划（973计划，课题编号2013CB036304）子课题“复杂环境下深水基础承载行为演化与长期性能设计”，进行超大型尺寸的钢管桩基础和沉井基础承载特性的尺寸效应研究。
　　本文利用理论分析、原位试验和数值分析手段，系统研究尺寸效应对土抗力及附加弯矩的影响机理。应用数值模拟和现场试验方法，以双曲线模型为研究基础，采用ABAQUS数值分析软件，提出了基于尺寸效应和土性参数等指标的土抗力修正公式，并对p-y曲线初始刚度和极限土抗力进行了修正;通过对比，基于桩径、埋深和内摩擦角等因素的修正p-y曲线与实测曲线更接近，表明在运用p-y曲线研究桩水平受力特性时尺寸效应的影响较大。采用文克尔地基模型研究了考虑尺寸效应的沉井基础的水平承载特性，利用弹性地基上欧拉-伯努利梁的挠曲线微分方程来求解沉井的变形和内力。在研究沉井基础水平承载特性的尺寸效应时，除了考虑水平力作用外，还考虑了桩身侧摩擦力和修正土抗力等因素的作用，形成了完整系统的理论体系，并结合矩阵传递法和拉普拉斯正逆变换来实现理论体系的求解。结合课题组在淮河特大桥和马鞍山长江大桥进行的沉井水平静载试验，对沉井基础水平承载特性尺寸效应研究进行了试验校核。通过两个原位试验的校核发现，考虑侧摩阻力影响时的计算值与实测值吻合较好，本文计算值与实测值位移及弯矩最大误差不超过10％，表明本文计算理论可以很好地预测沉井基础变形及内力特性。对考虑尺寸效应影响的钢管桩基础承载特性进行了研究。以现场2m直径钢管桩试验数据作为依据，校核ABAQUS模拟参数，开展6.6m直径钢管桩基础水平承载特性研究，最后采用本文计算理论进行计算，考虑桩身侧摩擦力和修正土抗力等综合作用来分析钢管桩基础水平承载特性，并结合矩阵传递法和拉普拉斯正逆变换来实现理论体系的求解，求解过程中根据钢管桩实际受力情况，将钢管桩分为塑性段和弹性段分别求解，并结合边界条件构建完整求解体系。通过对比分析，本文计算值与ABAQUS有限元计算位移及弯矩最大误差不超过10％，表明本文计算理论可以很好地预测超大直径钢管桩基础变形及内力特性。针对琼州海峡大桥，结合项目实际地层力学参数，得出本工程的p-y曲线和τ-s曲线等，采用本文提出的巨型基础水平承载特性计算理论，对该工程某一直径为88m的沉井在水平荷载作用下内力及变形进行了计算，以期为工程设计及施工提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水平承载单桩的计算方法

1．2．2 p-y曲线方法研究现状

1．2．3 基于p-y曲线的尺寸效应研究

1．2．4 考虑侧摩阻力情况的水平承载特性研究

1．2．5 存在的主要问题

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 巨型基础内力与变形计算方法研究

1．3．2 考虑尺寸效应影响巨型基础数值模拟研究

1．3．3 巨型基础现场试验研究

1．3．4 海上风电超大直径单桩基础水平承载特性研究

1．3．5 巨型基础工程设计案例计算

1．4 本文的研究方法和技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 研究步骤

1．4．3 技术路线

第二章 巨型基础内力与变形计算方法研究

2．1 概述

2．2 巨型基础受水平荷载作用机理

2．2．1 基本假设

2．2．2 基础的挠曲线微分方程

2．2．3 荷载传递函数

2．3 巨型基础内力与变形矩阵传递解

2．3．1 塑性段求解

2．3．2 弹性段求解

2．3．3 边界条件

2．4 工程案例验证

2．5 参数影响性分析

2．5．1 基础直径D的影响

2．5．2 埋深L的影响

2．5．3 不同τ-s曲线的影响

2．6 本章小结

第三章 基于尺寸效应的巨型基础p-y曲线研究

3．1 引言

3．2 ABAQUS数值软件简介

3．2．1 有限元法基本概念

3．2．2 ABAQUS有限元分析软件介绍

3．2．3 材料本构模型

3．2．4 接触理论

3．2．5 土抗力的提取

3．3 有限元模型有效性验证

3．4 侧摩擦力对p-y曲线的影响

3．5 地基反力初始模量修正

3．5．1 砂土中地基反力初始模量修正

3．5．2 粘土中地基反力初始模量修正

3．5．3 粉土(粉质粘土)中地基反力初始刚度修正

3．6 极限土反力Pu修正

3．6．1 砂土中极限土反力Pu修正

3．6．2 粘土中极限土反力Pu修正

3．6．3 粉土(粉质粘土)中极限土反力Pu修正

3．7 工程案例验证

3．8 本章小结

第四章 沉井基础承载特性研究

4．1 概述

4．2 马鞍山长江大桥沉井水平静载荷试验研究

4．2．1 项目概况

4．2．2 场地地质条件

4．2．3 水平静载试验

4．2．4 τ-s曲线测试试验

4．2．4 试验数据分析

4．3 淮河特大公路桥水平静载荷试验

4．3．1 项目概况

4．3．2 场地地质条件

4．3．3 水平向静载试验

4．3．4 试验数据分析

4．4 基于本文计算理论对比分析

4．4．1 马鞍山大桥沉井理论值与试验值对比分析

4．4．2 淮河特大桥沉井理论值与试验值对比分析

4．5 本章小结

第五章 海上风电超大直径单桩基础承载特性研究

5．1 概述

5．2 响水海上风电钢管桩基础2m直径水平静载试验

5．2．1 工程概况

5．2．2 试桩区水文地质条件

5．2．3 试桩桩位的平面布置

5．2．4 试验用桩规格参数

5．2．5 水平静载试验

5．2．6 有限元模型建立

5．2．7 有限元计算结果校核

5．3 响水6．6 m直径钢管桩基础数值模拟

5．4 基于本文计算理论对比分析

5．5 本章小结

第六章 巨型基础工程设计案例计算

6．1 概述

6．2 设计参数

6．3 沉井基础内力及变形计算

6．3．1 τ~s曲线的确定

6．3．2 p-y曲线的确定

6．3．3 计算结果

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介