【博士】鐵路橋梁環(huán)形基礎的理論分析及試驗研究【2006】

內容簡介

　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：北京交通大學　　學位年度： 2006年　　環(huán)形基礎是目前在建筑領域迅速發(fā)展起來的一種新型地下基礎(國內外也稱為：地下連續(xù)墻基礎)。與實體的沉井等基礎相比，其具有剛性大、強度高、挖掘量小、適用范圍廣等優(yōu)點，特別是在我國廣闊的西北黃土地區(qū)應用這種基礎，充分利用黃土壁立性好、垂直開挖方便、易于進行施工以及設計中可利用其側壁摩擦力等特點，可有效降低工程造價。　　由于環(huán)形基礎具有優(yōu)越的力學性能和明顯的經濟效益，其近幾十年內在國外建筑、市政工程領域被廣泛應用，并制定了設計和施工規(guī)范。我國目前對其研究仍處于起步階段，相應的設計規(guī)定還處于空白狀態(tài)。目前，我國鐵路橋梁設計規(guī)范中尚無挖井和環(huán)形挖井基礎的有關條文，設計時大都按照相近的沉井基礎計算方法進行，本文分析表明：由于沉井計算理論不考慮側壁土豎向及水平向的摩阻力對結構豎向位移和基礎轉動的約束作用，因此計算出來的基礎應力值偏大，與實際情況有較大差別，使得設計不合理而造成工程上的浪費。因此，研究挖井及環(huán)形挖井基礎的承載能力，推動其在我國交通工程中的應用和發(fā)展，具有重要意義?！　”疚囊晕覈鞅睂氹u—中衛(wèi)鐵路建設的科研項目為背景，分別從理論分析、數值計算和現(xiàn)場模型試驗等方面，對環(huán)形基礎和普通挖井基礎的承載力進行了以下主要方面的深入研究：　　在黃土地區(qū)進行了1：2比例模型試驗。分別制作了挖井基礎和環(huán)形挖井基礎，在現(xiàn)場挖掘成型后澆注混凝土?，F(xiàn)場施加豎直和水平方向的荷載并測試了兩種基礎的位移變形，以及側壁、基底的土壓力分布等，取得了客觀可靠的實測資料，并為環(huán)形挖井基礎的承載力評估提供了直接依據?！　±昧W原理，提出了挖井基礎、環(huán)形挖井基礎與土相互作用的力學模型。建立平衡微分方程，推導出了考慮基礎側壁土摩擦力時挖井基礎的變形、應力分布簡化計算公式，可直接用于設計工作，填補了本領域的空白；應用有限元ANSYS計算軟件，建立了挖井基礎和環(huán)形挖井基礎——土共同作用彈塑性分析模型，對現(xiàn)場試驗結果進行數值模擬分析。在此基礎上，還重點計算分析了環(huán)形基礎在不同直徑、不同土芯剛度、不同基底持力層變化情況下的力學表現(xiàn)，取得了具有重要意義的結論?！　〔捎貌煌挠嬎憷碚?，分析了我國第一座鐵路橋梁環(huán)形挖井基礎工程實例，對本文推導出計算公式的正確性進行了驗證?！　”疚娜〉玫闹饕芯拷Y論如下：　　與相同外形尺寸的普通實體挖井基礎相比，環(huán)形挖井基礎的水平承載能力基本相同，特別是在變形初始階段，環(huán)形基礎的承載力高出10％左右；與相同外形尺寸的普通實體挖井基礎相比，環(huán)形挖井基礎的豎向承載能力相對較小，約為前者的86％。其中，基礎上部內土芯承擔的豎向力僅為基底總豎向力的4％，其作用影響甚微。因此，可以給出黃土地區(qū)環(huán)形挖井基礎的承載力低于挖井基礎的結論。以上與日本的相關研究結果有一定差別，分析其原因，主要是由于橋梁基礎所處地基的土質和結構施工方法有很大差異所造成的?！　‘敪h(huán)形挖井基礎內的土芯直徑增大時，其承載能力提高。當直徑增加到4倍時，與挖井基礎豎向位移基本一致，承載力相同；由于土芯彈模降低或提高后，環(huán)形挖井基礎的周邊基底應力和基頂位移也相應明顯增大或減小，因此土芯剛度變化作用不容忽視；如果基礎持力土層彈模增加，則挖井和環(huán)形挖井的基礎位移及應力迅速接近。當基底土層容許承載力提高10倍后，兩種基礎的位移和應力接近，因此環(huán)形基礎特別適應于有較強持力土層的地基?！　≡囼灡砻鳎浩呢Q向荷載作用下，基礎底土的壓應力隨荷載增大由直線分布變?yōu)轳R鞍形，不出現(xiàn)拉應力，設計時應以基礎底最大壓應力是否達到允許值為控制標準；側壁上部水平土壓力為倒三角分布；水平荷載作用下，基礎底土的應力隨荷載增大基本保持直線分布，以拉應力為主，設計時應以最大拉應力為控制標準；側壁上部水平土壓力為矩形分布。　　在試驗極限荷載前1/2階段(相當于實際工程中的設計荷載階段)，結構的荷載——位移曲線為直線狀態(tài)，說明彈性土—剛性基礎的相互作用理論能夠較好地反映挖井基礎和環(huán)形挖井基礎在設計荷載作用下的受力情況，本文推導的簡化公式假設前提正是基于這一結果，使得理論分析適當簡化并完全滿足工程設計的精度。此外，本文研究成果中的理論解、數值解的有關控制點，以及主要變化趨勢與實測值基本相同，前二者的數值均略高于實測值，表明本文理論模型正確，計算分析可靠并偏于安全。　　

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