大直径灌注桩荷载传递机理及数值模拟研究

摘要

大直径灌注桩在沿海、沿江近岸软土地基环境高速公路桥梁建设中已广泛应用，由于大直径灌注桩在此类地基环境中的受力变形特性并没有相应的理论研究基础，为深入了解和认识大直径灌注桩在该类软土环境中的受力及变形特性，本文通过对现场大量试验资料进行分析，采用解析计算方法和数值分析方法，对其作用机理进行详细和全面的分析，主要做了以下几方面的工作： 1．介绍了不同桩径灌注桩的受力特性及变形规律，通过对现场荷载一沉降曲线进行详细分析，得出在不同桩端土条件下，大直径灌注桩荷载-沉降曲线在桩端阻力发挥初始阶段，桩端位移存在明显急剧增长阶段，增量的大小与桩端土的性质及厚度有关。分析了桩端存在较厚沉渣条件下大直径灌注桩的荷载-沉降曲线特点，针对分析结果，提出在桩端土层较软或桩底有较厚沉渣条件下桩端荷载与沉降的数学模型。 2．对桩侧土剪切变形的荷载传递函数进行合理假设，针对桩侧土体在大直径灌注桩沉降过程中的变形规律，提出用非线性荷载传递函数分析桩侧土的剪切和变形，该软化模型的提出符合土体的基本变形规律。依据提出的桩侧土和桩端土荷载传递关系，建立桩侧土荷载传递线性三折线软化模型条件下，桩端土硬化非线性模型的荷载-沉降关系，针对桩侧土体处于完全弹性、弹性+软化、弹性+软化+残余、残余+软化、完全软化条件下的桩端土非线性模型的荷载传递关系，推导了单桩荷载传递公式，分析了在桩侧土体处于多种状态时的桩顶荷载-沉降规律，探讨了单桩处于不同土层条件下的荷载传递规律。 3．根据桩侧土处于非线性软化模型及桩端土处于不同阶段，推导了单桩荷载-沉降公式，对桩身荷载传递规律进行分析，得出了一系列合理的结论。 4．针对桩侧土线性软化模型及桩端土硬化模型，提出基于弹性理论的负摩阻力解析计算方法，在单向固结理论的基础上，推导了桩侧土和桩端土处于不同阶段时负摩阻力的解析表达式。同时，考虑了在沿海潮汐环境下大直径灌注桩双中性点的产生机理，提出双中性点的产生条件，推导了双中性点条件下桩侧负摩阻力的解析解，针对双中性点出现的边界条件，在假设负摩阻力随桩体深度呈双曲线形式变化的基础上，推导了总负摩阻力的计算表达式。 5．对大直径灌注桩存在桩侧表面粗糙的问题，提出桩侧摩阻力的合理计算方法，分析了桩侧表面粗糙度对桩身荷载传递规律的影响。介绍了桩侧表面粗糙度基本表述方法，采用分形描述的基本方法，建立了分形与粗糙度之间的关系，将度量的结果与桩侧的剪应力建立联系，从而得到桩侧表面粗糙程度较小情况下桩侧剪应力的修正方法。 6．考虑桩侧有较大凸起和凹进条件下，大直径灌注桩桩身荷载传递规律的修正方法，并推导了桩侧存在较大凸起和凹进时，不同程度凸起和凹进的桩身荷载及桩身压缩的解析表达式，提出桩侧土体沿桩身滑动并不一定沿桩身表面滑动的结论。论文依据桩身的低应变检测曲线，量化分析桩身截面积的变化规律，从而形成桩侧表面平均粗糙度的曲线形式，采用上述基本理论与工程实践结合，达到模拟考虑桩侧表面粗糙度的桩基荷载传递规律的目的。 7．论文以浙江沿海高速公路(甬台温复线)工程为依托，针对目前工程中可能出现的周边环境变化对灌注桩的影响进行研究，应用有限元软件ABAQUS进行灌注桩的应力和变形分析，主要从以下几个周边环境变化进行探讨：(1)促淤对灌注桩影响的历史恢复；(2)灌注桩周边堆填荷载对基础的影响；(3)基础附近拟建建筑物对灌注桩安全性的影响。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第1章绪论

1.1桩基础概述

1.1.1桩基础的概念及其工程问题

1.1.2灌注桩试验研究现状

1.1.3桩基沉降计算分析方法研究现状

1.1.4桩基础负摩阻力问题研究现状

1.1.5桩侧表面粗糙度问题研究现状

1.2研究背景及问题的提出

1.3选题依据及技术路线

1.3.1选题依据

1.3.2技术路线

1.4本文主要研究内容

第2章大直径灌注桩的特点及现场试验分析

2.1大直径灌注桩的工程特性

2.1.1大直径灌注桩的特点

2.1.2大直径灌注桩的荷载传递特征

2.1.3影响大直径灌注桩变形特征的因素

2.1.4大直径灌注桩的变形特征及破坏形式

2.2常用的荷载传递分析法基本模型

2.3大直径灌注桩的现场试验曲线

2.4大直径灌注桩的试验曲线(Q-s曲线)分析

2.5本章小结

第3章大直径灌注桩沉降计算的解析算法研究

3.1单桩沉降计算的改进方法

3.1.1基本假设

3.1.2荷载传递法的基本方程

3.2桩侧土传递函数为线性方程时的解析解

3.2.1桩侧土体完全处于单种状态时的解析解

3.2.2桩侧土体处于组合状态时的解析解

3.3桩侧土传递函数为非线性方程时的解析解

3.4成层地基单桩承载力的解析解

3.5算例分析

3.6本章小结

第4章大直径灌注桩负摩阻力工程特性研究

4.1负摩阻力的发生条件及产生机理

4.1.1负摩阻力的影响因素

4.1.2负摩阻力的发生机理

4.1.3负摩阻力的发生条件

4.1.4负摩阻力的基本特点

4.2负摩阻力的解析计算方法

4.2.1负摩阻力计算方法回顾

4.2.2基于弹性理论的负摩阻力解析算法

4.2.3桩周土的固结模型

4.2.4单桩负摩阻力的解析解

4.2.5考虑双中性点问题的单桩负摩阻力的解析解

4.3算例分析

4.4本章小结

第5章大直径灌注桩桩侧表面粗糙度对承载力的影响研究

5.1粗糙度对桩基受力性状的影响

5.1.1桩侧表面粗糙度的表述方法

5.1.2顿曲线描述

5.1.3桩侧表面粗糙度的分形描述

5.1.4考虑桩侧表面粗糙度的竖向承载力计算

5.2桩侧表面粗糙度的量化分析

5.2.1桩侧表面粗糙度的类型

5.2.2桩侧表面粗糙度的量化理论分析

5.3算例分析

5.4本章小结

第6章周边环境变化对大直径灌注桩影响数值模拟研究

6.1工程地质条件

6.2数值模拟的基本内容

6.3计算方法及有限元建模

6.3.1 ABAQUS岩土工程模块介绍

6.3.2工程实例建模

6.4促淤对灌注桩影响的历史恢复研究

6.4.1有限元计算模型

6.4.2促淤对灌注桩影响的历史恢复

6.5堆填荷载对基础的影响研究

6.5.1研究思路

6.5.2基本假定

6.5.3计算结果分析

6.6基础附近拟建建筑物对灌注安全性的影响研究

6.6.1单侧建筑物荷载对桩基础的影响研究

6.6.2双侧建筑物荷载对桩基础的影响研究

6.7本章小结

第7章结论及展望

7.1总结全文

7.2论文创新点

7.3建议与展望

参考文献

附录

致谢