高速公路桥梁工程PHC管桩承载性状与计算方法研究

摘要

PHC管桩具有施工质量易控制、施工速度快、工后沉降及不均匀沉降小、单桩承载力高、单位承载力造价便宜等优点。工程上其多应用于工业与民用建筑中，在高速公路桥梁公程中尚朱得到推广应用。对PHc管桩水平承载力的合理计算方法，水平荷载作用下PHC管桩的承载特性和群桩效应等问题，国内外缺乏系统的理论分析。因此，对其进行深入研究是十分必要的。 本文在PHC管桩现场和室内试验的基础上，通过理论分析和数值模拟，从施工扰动效应、PHC管桩单桩水平承载力计算方法、PHC管桩水平荷载作用下承载特性和PHC管桩水平荷载作用下群桩效应等几个方面进行分析研究。在此基础上，研究了高速公路桥梁工程PHC管桩基础的设计原理。主要研究内容与成果总结如下： (1)进行了高速公路桥梁工程PHC管桩基础的竖向、侧向静载荷试验和高应变动力试验；提出了考虑土塞效应的PHC管桩竖向承载力修正公式：并对高应变动力试验结果和静载荷试验结果进行了比较和分析。 (2)通过现场测试，研究了PHC管桩打桩过程对桩周土的扰动随深度、时间、径向距变化的规律：利用小孔扩张理论对PHC管桩挤土效应与其内外径比关系进行了分析；利用静载试验和最终压桩力的关系，得到该试验场地PHC管桩桩基承载力的拟合曲线。 (3)提出了PHC管桩单桩水平承载力的p-y曲线与有限层耦合计算方法，并阐明本方法分析水平荷载作用下PHC管桩单桩承载力的合理性；基于试验，提出了PHC管桩水平极限承载力预测方法；通过不同计算方法所得出的极限荷载值的比较，证实了p-y曲线与有限层法相耦合计算方法能较准确的模拟水平荷载作用下PHC桩的工作特性。 (4)通过对PHC管桩在水平荷载作用下的水平位移、桩身弯矩、桩侧土抗力、p-y曲线等变形特性进行计算，研究了PHC管桩水平荷载作用下的承载特性；分析了各主要因素对PHC管桩水平承载特性的影响；通过对不同桩型水平荷载作用下承载特性的比较，论证了PHC管桩的优越性。在相同受力条件下，PHC管桩与具有相同等效截面积的实心圆桩和实心方桩相比，桩顶处的最大水平位移和桩身上部主要受力部分的水平位移都比较小。其原因是PHC管桩采用薄壳结构，增大了桩的直径，具有较好的抵抗水平变形的能力。 (5)采用“前折减后叠加”的群桩分析模型，并考虑桩顶嵌同和竖向荷载作用的影响，提出了p-y曲线综合系数法，对PHC管桩水平荷载作用下群桩效应进行了研究；利用三维快速拉格朗日查分法分析模型，将水平承载PHC管桩群桩效应系数进行了理论计算与数值模拟的对比分析；通过对桩间距、土层性质、桩径、桩身刚度、桩身截而形状等多个参数的计算分析，研究了水平承载PHC管桩群桩系数的影响因素；通过不同桩型，在水平受荷下群桩效应的比较，验证了高速公路桥梁工程中采用管桩的合理性。 (6)通过PHC管桩在宁常高速公路桥梁工程中的应用实例，从桩型、桩径、桩长、桩壁厚度、桩身弹性模量、桩数和平面布置方法等几个方面，进行了PHC管桩设计原理研究：通过分析水平静载荷试验、水平动载荷试验和群桩桩基荷载观测结果，验证了PHC管桩在高速公路桥梁工程中应用的适用性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1国内外预应力管桩发展概况

1.1.2 PHC管桩的优缺点及其适刚的地质条件

1.2单桩荷载传递规律的研究现状

1.2.1竖向荷载作用下单桩的工作原理

1.2.2竖向受荷单桩荷载传递的理论计算方法

1.2.3沉桩挤土效应和时间效应试验研究的发展及成果

1.2.4沉桩挤土效应和时间效应理论研究的发展及成果

1.3基桩竖向承载力的研究现状

1.4基桩水平承载力的研究现状

1.4.1弹性理论法

1.4.2地基反力系数法

1.4.3常用的数值计算方法

1.4.4层状地基水平受荷桩的研究现状

1.5群桩水平承载力的研究现状

1.5.1桩土相互作用的分析方法

1.5.2水平荷载下的群桩效应

1.5.3群桩水平承载力的计算方法

1.6存在问题

1.7本文研究思路及主要内容

第二章公路桥梁工程中PHC管桩的现场试验

2.1公路桥梁工程受荷特点

2.2试验场地工程地质概况

2.3单桩竖向静载荷试验

2.3.1试验点桩基记录

2.3.2测试仪器

2.3.3试验过程和成果分析

2.3.4试验结论

2.4高应变动力试验

2.4.1测试仪器

2.4.2检测成果汇总及分析结果

2.5竖向静载荷试验与动力试验对比

2.5.1对比结果

2.5.2动静试验误差分析

2.6刚静力触探指标评价PHC管桩的承载力

2.6.1静力触探简介

2.6.2 PHC管桩土塞对桩端承载力的影响

2.6.3 PHC管桩竖向承载力公式修正

2.7管桩水平载荷试验

2.7.1试验点桩基记录

2.7.2测试仪器

2.7.3试验过程和成果分析

2.7.4试验结论

2.8本章小结

第三章PHC管桩施工扰动效应分析

3.1 PHC管桩施工扰动的现场试验研究

3.1.1基桩施工及试验安排

3.1.2施工过程超静孔压的测试分析

3.1.3超静孔压的消散规律分析

3.2 PHC管桩施工扰动的理论研究

3.2.1沉桩施上对周同土体的影响机理

3.2.2沉桩过程的模拟：孔穴扩张理论

3.2.3沉桩引起的超孔隙水压力的分布

3.3理论计算与现场试验对比分析

3.4 PHC管桩挤土效应的理论分析

3.4.1 用圆孔扩张法简化分析挤土性状

3.4.2 PHC管桩与普通桩的挤土效应分析

3.5 PHC管桩承载力的时间效应

3.5.1承载力时效的机理分析

3.5.2压桩力研究

3.5.3用压桩力计算桩的承载力

3.6本章小结

第四章PHC管桩单桩水平承载力的p-y曲线与有限层耦合计算方法

4.1 p-y法与有限层法耦合理论

4.1.1 p-y法基本原理

4.1.2有限层法概述

4.1.3物理模型和边界条件

4.1.4层元分析

4.1.5整体分析

4.1.6 p-y曲线和有限层法的耦合

4.2基于试验的PHC管桩水平极限承载力预测

4.2.1双曲线法预测PHC管桩的水平极限承载力

4.2.2 P-S曲线延伸法预测PHC管桩的水平极限承载力

4.3现场试验和理论计算对比分析

4.3.1 P-S曲线预测PHC管桩的水平极限承载力

4.3.2 PHC管桩单桩水平承载力计算方法对比

4.4本章小结

第五章PHC管桩水平荷载作用下承载特性

5.1单桩受荷特性

5.1.1挠曲线图

5.1.2弯矩分布图

5.1.3土抗力图

5.1.4 p-y曲线

5.2参数分析

5.2.1桩径的影响

5.2.2桩长的影响

5.2.3桩壁厚度的影响

5.2.4桩身混凝土强度的影响

5.2.5桩侧土体泊松比V的影响

5.2.6土体模量的影响

5.3层状地基中管桩的受力分析

5.4 PHC管桩与其他类型桩在水平荷载作用下承载特性的对比

5.4.1 PHC管桩与灌注桩、CFG桩在水平荷载作用下承载特性的对比

5.4.2 PHC管桩与不同截面形状桩在水平荷载作用下承载特性的对比

5.5本章小结

第六章PHC管桩水平荷载作用下群桩效应

6.1 p-y曲线综合系数法理论研究

6.1.1 p-y曲线折减法

6.1.2“前折减后叠加”模型

6.1.3桩顶嵌固增长系数

6.1.4竖向荷载作用增长系数

6.1.5 p-y曲线综合系数

6.1.6 P-Y曲线与有限层耦合法群桩分析

6.2三维快速拉格朗日差分解法理论

6.2.1数值方法的比较

6.2.2三维快速拉格朗日算法原理

6.2.3边界问题以及约束条件

6.2.4土体非线性模型

6.2.5桩土体系

6.2.6理论分析与试验对比

6.3 PHC管桩群桩效应系数理论计算与数值模拟对比分析

6.4 水平承载PHC管桩群桩效应影响因素分析

6.4.1计算参数

6.4.2桩间距的影响

6.4.3土层性质的影响

6.4.4桩径的影响

6.4.5桩身刚度的影响

6.5 PHC管桩与其他类型桩在水平荷载作用下群桩效应的对比

6.5.1 PHC管桩与灌注桩在水平荷载作用下群桩效应的对比

6.5.2 PHC管桩与不同截面形状桩在水平荷载作用下群桩效应的对比

6.6本章小结

第七章PHC管桩在宁常高速公路桥梁工程中的应用

7.1场地概况

7.2设计流程

7.3设计原理

7.3.1桩型的选定

7.3.2桩长的选定

7.3.3桩径的选定

7.3.4桩壁厚度的选定

7.3.5桩身弹性模量的选定

7.3.6桩数及其平面布置的选定

7.4设计方案

7.5宁常高速公路PHC管桩应用效果

7.5.1 PHC管桩水平承载力

7.5.2 PHC管桩水平位移

7.5.3群桩桩基荷载观测

7.6本章小结

第八章结论与展望

8.1本文的主要成果

8.2展望

参考文献

致 谢

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