水平循环及偏心荷载作用下群桩性状模型试验研究

摘要

近海工程项目通常体型巨大、结构高耸，其下部基础除了要承担上部结构的自重荷载外，还长期受到风、波浪、水流等水平循环荷载的作用。群桩基础在该循环荷载作用下不仅容易产生累积变形，极端条件下甚至可能发生破坏。另一方面，大型结构在承受水平荷载时，由于荷载作用方向的随机性，传递至下部群桩基础的荷载在某些情况下还可能存在一定的偏心距。这意味着基础将同时承受水平和扭转荷载的作用，从而产生复杂的受力和变形响应。目前人们对群桩基础在水平循环及偏心荷载作用下承载性状的认识存在很多的不足，因此有必要结合近海工程的特点对上述问题展开系统深入的研究。
　　本文通过1g大比尺模型试验以及离心机模型试验，分别研究了高承台群桩在水平循环及偏心荷载作用下的受荷性状。本文开展的主要工作及相应的研究成果如下:
　　(1)采用钢管及混凝土分别设计并制作了大比尺的单桩及群桩模型，利用浙江大学大型土工物理模型试验系统开展了一系列加载试验，对水平循环及偏心等复杂荷载条件下的群桩受力和变形性状进行了系统的研究。全部模型试验包括:1×2钢管群桩水平偏心加载试验、2×2混凝土群桩水平偏心加载破坏试验、3×3钢管群桩水平循环加载试验，以及相关的单桩加载试验。
　　(2)基于3×3钢管群桩水平循环加载试验，分析讨论了群桩水平刚度、基桩内力及荷载分配等响应随荷载循环的变化规律，并引入了循环效应系数以评估循环荷载对桩基水平承载性状的影响。研究结果表明，桩基的水平刚度随荷载循环次数的增加而减小，且先期循环加载历史会影响桩基后期的水平加载刚度;各级循环加载中，单桩及群桩的桩头峰值荷载随循环次数增加依次表现出稳定型、发展型和破坏型等三种不同的衰减形态，反映了桩周土体由弹性到塑性再到破坏的发展过程;群桩中各排基桩分担的荷载比例随着循环次数增加不断变化，其中前排桩分担的荷载逐渐增大;由于承台的约束作用，基桩轴向循环拉压受荷，导致群桩伴随水平循环加载过程产生严重沉降;荷载循环效应对群桩水平受荷性状的影响要比单桩大得多。
　　(3)基于1×2钢管群桩水平偏心加载试验，分析了群桩的整体变形以及基桩内力等响应，并通过ABAQUS有限元模拟，讨论了不同偏心距大小及基桩布置形式对群桩水平偏心受荷性状的影响。试验结果表明，水平偏心荷载下群桩中各基桩的内力存在较大的区别，离加载点近的基桩承担的荷载更大;受水平与扭转荷载耦合效应影响，群桩中基桩的抗扭承载力较单桩显著提高;基桩桩头扭矩及水平剪力共同抵抗水平荷载偏心引起的附加扭矩，且基桩剪力对抵抗群桩扭转的贡献随荷载的增加不断增大。数值计算结果显示，水平荷载偏心距对群桩整体变形的影响相对较小，但对基桩的内力影响较大;基桩布置形式显著影响群桩的水平和抗倾覆刚度，但对群桩的整体扭转响应影响较小。
　　(4)基于2×2混凝土群桩水平偏心加载破坏试验，揭示了群桩的渐进破坏过程，配合数值分析研究了各基桩的内力随加载的变化规律，并对混凝土群桩在水平偏心荷载下的破坏过程及机理进行了总结。研究结果表明，较高的加载高度、上部结构的自重以及桩身混凝土的开裂等因素加剧了群桩在水平偏心荷载下的倾覆破坏;群桩在加载初始阶段基本处于弹性状态，各基桩的水平刚度较大;当荷载超过一定的临界值后混凝土基桩先后出现开裂，群桩刚度随之降低，变形相应增大;上部结构自重荷载引发的P-△效应使前排基桩承受的轴向荷载迅速增加，最终前排角桩出现轴向偏压破坏，群桩及其上部结构随之发生整体倾覆。
　　(5)利用浙江大学ZJU-400土工离心机，开展了砂土中群桩承受水平及偏心荷载的系列模型试验，着重对比研究了直桩群桩与斜桩群桩在不同荷载条件下的变形及承载特性。试验结果表明，斜桩群桩的水平及扭转承载力均显著大于直桩群桩;水平偏心荷载下斜桩群桩中各基桩的桩顶位移差异较直桩群桩更大;斜桩群桩通过基桩轴向受荷可以更有效地抵抗水平荷载。数值计算结果表明，基桩斜度对群桩水平承载性状的影响较大，群桩水平刚度随基桩斜度的增加而增大。
　　(6)提出了考虑多向荷载共同作用的群桩分析模型;在刚性承台的假设下推导了群桩整体刚度矩阵的表达式;同时考虑不同方向的群桩效应以及基桩各向荷载之间的耦合效应影响，讨论归纳了基桩各向刚度的计算确定方法;总结了多向荷载共同作用下群桩分析的一般流程，并给出了相应的分析实例。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 桩基承受水平荷载研究

1．2．2 桩基承受水平循环荷载研究

1．2．3 桩基承受扭转荷载研究

1．2．4 桩基承受水平偏心荷载研究

1．2．5 斜桩承受水平荷载研究

1．3 本文主要研究工作

2 水平循环及偏心荷载下群桩性状1g模型试验

2．1 引言

2．2 试验概况

2．2．1 试验场地

2．2．2 地基土制备

2．2．3 模型桩制作及施工

2．3 试验内容

2．3．1 单桩静力加载试验

2．3．2 单桩水平循环加载试验

2．3．3 1×2钢管群桩水平偏心加载试验

2．3．4 2×2混凝土群桩水平偏心加载破坏试验

2．3．5 3×3钢管群桩水平循环加载试验

2．4 本章小结

3 群桩水平循环受荷性状分析与研究

3．1 引言

3．2 单桩竖向及水平受荷性状分析

3．2．1 竖向静载下单桩性状

3．2．2 水平静载下单桩性状

3．2．3 水平循环荷载下单桩性状

3．3 群桩水平循环受荷性状分析

3．3．1 群桩水平刚度

3．3．2 基桩荷载分配

3．3．3 群桩竖向沉降

3．4 桩基水平荷载循环效应研究

3．4．1 单桩水平荷载循环效应

3．4．2 群桩水平荷载循环效应

3．5 本章小结

4 群桩水平偏心受荷性状分析与研究

4．1 引言

4．2 单桩扭转静载试验结果

4．3 水平偏心荷载下钢管群桩性状分析与研究

4．3．1 群桩变形

4．3．2 基桩内力

4．3．3 基桩荷载分配

4．3．4 荷载偏心距对群桩性状的影响分析

4．3．5 基桩布置形式对群桩性状的影响分析

4．4 水平偏心荷载下混凝土群桩破坏过程分析及机理研究

4．4．1 群桩变形及基桩开裂

4．4．2 群桩破坏过程的有限元模拟

4．4．3 混凝土群桩渐进破坏机理研究

4．5 本章小结

5 水平偏心荷载下斜桩群桩性状离心模型试验研究

5．1 引言

5．2 试验概况

5．2．1 ZJU-400土工离心机

5．2．2 离心模型试验相似率

5．2．3 模型桩制作

5．2．4 模型土制备

5．2．5 模型桩压桩

5．2．6 加载及测量装置

5．3 试验内容

5．4 斜桩群桩水平偏心受荷性状分析与研究

5．4．1 单桩竖向承载力

5．4．2 群桩变形

5．4．3 基桩位移

5．4．4 基桩内力

5．4．5 基桩斜度对群桩性状的影响分析

5．5 本章小结

6 考虑多向荷载共同作用群桩分析模型

6．1 引言

6．2 群桩承台受力分析

6．3 基桩刚度计算方法

6．3．1 单桩计算方法

6．3．2 基桩荷载耦合效应

6．3．3 桩-土-桩相互作用

6．4 群桩分析流程

6．5 分析实例

6．5．1 工程概况

6．5．2 分析过程与结果

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 进一步研究工作建议

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间完成的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目