黄土地区桩基桩土共同作用性状仿真与试验研究

摘要

黄土的工程特性和地层分布具有其自身的特点,黄土地区桥梁桩基桩–土–承台共同工作的研究越来越受到工程界和学术界的关注。在总结国内外研究现状的基础上,通过现场测试和离心试验研究,利用数值仿真技术,结合理论推导,对黄土区桥梁桩基桩–土–承台共同作用进行系统分析:(1)基于Visual Fortran平台,对大型通用有限元软件Marc进行二次开发,研发了更适用于分析桩基和岩土问题的系列用户子程序包,主要包括:模拟地基初始应力及其释放子程序、移动分布荷载子程序、参数随工况变化的非线性弹性本构关系子程序、接触面单元子程序和动态接触状态子程序等。(2)进行黄土地区桥梁桩基现场静载试验,试验中布设了百分表、弦式钢筋应力计和混凝土应变计等测试仪器,对各级荷载下的桩顶沉降、桩身轴力、桩端反力及桩侧摩阻力进行现场测试和分析;同时进行现场浸水试验,对黄土湿陷区干燥状态及浸水状态下单桩竖向承载特性变化情况进行研究,揭示地面浸水对黄土区域桥梁桩基承载力性状的影响:分析桩及桩周土浸水期间的沉降变化规律。(3)建立分析桥梁桩基单桩空间轴对称有限元模型;结合此模型提出计算自重湿陷性黄土地区合理桩长的方法——叠加法,得出当中性点上、下土层摩擦力分布形式相同时,应增加的桩长与摩擦力的分布形式无关,而只与极限摩擦力的大小有关的结论。运用此方法分析自重湿陷性黄土湿陷特性对桩基承载性状的影响规律,结果表明:在极限荷载时,中性点深度与桩长有关;湿陷系数对桩剩余承载力的影响是非线性的;定量给出中性点深度及应增加桩长的范围。基于剪切位移法并利用弹性理论,推导自重湿陷性黄土条件下桩基沉降、轴力及中性点计算公式,并与工程实测进行对比验证。(4)考虑桩周土体及桩–土接触的非线性,建立分析群桩的三维空间有限元计算模型,分析各种土体和桩体参数条件下群桩基础的承载性状及各参数对群桩效应的影响;对Vesic法进行改进,克服了原公式不能考虑群桩桩长的缺点;通过初应力释放子程序,模拟黄土的自重湿陷,并进一步分析负摩阻力条件下的群桩效应。(5)利用研发的子程序间相嵌套并结合Marc软件中的死活单元功能,解决了钻孔灌注桩整个连续施工及加载过程数值模拟几个关键问题,利用所建模型结合工程实例分析钻孔灌注桩的钻孔、泥浆护壁、混凝土灌注、混凝土凝固及加载全过程,并对施工过程中地基位移及应力变化规律进行分析。分析表明:孔位钻进及混凝土灌注过程中所产生的地基土应力释放和应力重分布现象,在数值模拟中不能忽略,未考虑施工过程计算的桩的承载力值比实测值偏大。(6)研制了在离心机运转过程中从事轴向加载的桩基离心试验设备,该设备由加载控制系统、带测试元件的模型桩及位移和应力量测系统等几部分组成,在离心机上进行了9组单桩和群桩的模型试验,研究不同地基条件下桥梁单、群桩的受力特性,着重分析黄土湿陷沉降条件下负摩阻力的群桩效应。