【博士】鐵路橋梁環(huán)形基礎(chǔ)的理論分析及試驗(yàn)研究【2006】

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　　學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：北京交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2006年　　環(huán)形基礎(chǔ)是目前在建筑領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型地下基礎(chǔ)(國(guó)內(nèi)外也稱為：地下連續(xù)墻基礎(chǔ))。與實(shí)體的沉井等基礎(chǔ)相比，其具有剛性大、強(qiáng)度高、挖掘量小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，特別是在我國(guó)廣闊的西北黃土地區(qū)應(yīng)用這種基礎(chǔ)，充分利用黃土壁立性好、垂直開(kāi)挖方便、易于進(jìn)行施工以及設(shè)計(jì)中可利用其側(cè)壁摩擦力等特點(diǎn)，可有效降低工程造價(jià)?！　∮捎诃h(huán)形基礎(chǔ)具有優(yōu)越的力學(xué)性能和明顯的經(jīng)濟(jì)效益，其近幾十年內(nèi)在國(guó)外建筑、市政工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并制定了設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。我國(guó)目前對(duì)其研究仍處于起步階段，相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定還處于空白狀態(tài)。目前，我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中尚無(wú)挖井和環(huán)形挖井基礎(chǔ)的有關(guān)條文，設(shè)計(jì)時(shí)大都按照相近的沉井基礎(chǔ)計(jì)算方法進(jìn)行，本文分析表明：由于沉井計(jì)算理論不考慮側(cè)壁土豎向及水平向的摩阻力對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)的約束作用，因此計(jì)算出來(lái)的基礎(chǔ)應(yīng)力值偏大，與實(shí)際情況有較大差別，使得設(shè)計(jì)不合理而造成工程上的浪費(fèi)。因此，研究挖井及環(huán)形挖井基礎(chǔ)的承載能力，推動(dòng)其在我國(guó)交通工程中的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要意義?！　”疚囊晕覈?guó)西北寶雞—中衛(wèi)鐵路建設(shè)的科研項(xiàng)目為背景，分別從理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)等方面，對(duì)環(huán)形基礎(chǔ)和普通挖井基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行了以下主要方面的深入研究：　　在黃土地區(qū)進(jìn)行了1：2比例模型試驗(yàn)。分別制作了挖井基礎(chǔ)和環(huán)形挖井基礎(chǔ)，在現(xiàn)場(chǎng)挖掘成型后澆注混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)施加豎直和水平方向的荷載并測(cè)試了兩種基礎(chǔ)的位移變形，以及側(cè)壁、基底的土壓力分布等，取得了客觀可靠的實(shí)測(cè)資料，并為環(huán)形挖井基礎(chǔ)的承載力評(píng)估提供了直接依據(jù)?！　±昧W(xué)原理，提出了挖井基礎(chǔ)、環(huán)形挖井基礎(chǔ)與土相互作用的力學(xué)模型。建立平衡微分方程，推導(dǎo)出了考慮基礎(chǔ)側(cè)壁土摩擦力時(shí)挖井基礎(chǔ)的變形、應(yīng)力分布簡(jiǎn)化計(jì)算公式，可直接用于設(shè)計(jì)工作，填補(bǔ)了本領(lǐng)域的空白；應(yīng)用有限元ANSYS計(jì)算軟件，建立了挖井基礎(chǔ)和環(huán)形挖井基礎(chǔ)——土共同作用彈塑性分析模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在此基礎(chǔ)上，還重點(diǎn)計(jì)算分析了環(huán)形基礎(chǔ)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(xué)表現(xiàn)，取得了具有重要意義的結(jié)論?！　〔捎貌煌挠?jì)算理論，分析了我國(guó)第一座鐵路橋梁環(huán)形挖井基礎(chǔ)工程實(shí)例，對(duì)本文推導(dǎo)出計(jì)算公式的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。　　本文取得的主要研究結(jié)論如下：　　與相同外形尺寸的普通實(shí)體挖井基礎(chǔ)相比，環(huán)形挖井基礎(chǔ)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(chǔ)的承載力高出10％左右；與相同外形尺寸的普通實(shí)體挖井基礎(chǔ)相比，環(huán)形挖井基礎(chǔ)的豎向承載能力相對(duì)較小，約為前者的86％。其中，基礎(chǔ)上部?jī)?nèi)土芯承擔(dān)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(chǔ)的承載力低于挖井基礎(chǔ)的結(jié)論。以上與日本的相關(guān)研究結(jié)果有一定差別，分析其原因，主要是由于橋梁基礎(chǔ)所處地基的土質(zhì)和結(jié)構(gòu)施工方法有很大差異所造成的?！　‘?dāng)環(huán)形挖井基礎(chǔ)內(nèi)的土芯直徑增大時(shí)，其承載能力提高。當(dāng)直徑增加到4倍時(shí)，與挖井基礎(chǔ)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(chǔ)的周邊基底應(yīng)力和基頂位移也相應(yīng)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(chǔ)持力土層彈模增加，則挖井和環(huán)形挖井的基礎(chǔ)位移及應(yīng)力迅速接近。當(dāng)基底土層容許承載力提高10倍后，兩種基礎(chǔ)的位移和應(yīng)力接近，因此環(huán)形基礎(chǔ)特別適應(yīng)于有較強(qiáng)持力土層的地基?！　≡囼?yàn)表明：偏心豎向荷載作用下，基礎(chǔ)底土的壓應(yīng)力隨荷載增大由直線分布變?yōu)轳R鞍形，不出現(xiàn)拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以基礎(chǔ)底最大壓應(yīng)力是否達(dá)到允許值為控制標(biāo)準(zhǔn)；側(cè)壁上部水平土壓力為倒三角分布；水平荷載作用下，基礎(chǔ)底土的應(yīng)力隨荷載增大基本保持直線分布，以拉應(yīng)力為主，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以最大拉應(yīng)力為控制標(biāo)準(zhǔn)；側(cè)壁上部水平土壓力為矩形分布。　　在試驗(yàn)極限荷載前1/2階段(相當(dāng)于實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)荷載階段)，結(jié)構(gòu)的荷載——位移曲線為直線狀態(tài)，說(shuō)明彈性土—?jiǎng)傂曰A(chǔ)的相互作用理論能夠較好地反映挖井基礎(chǔ)和環(huán)形挖井基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)荷載作用下的受力情況，本文推導(dǎo)的簡(jiǎn)化公式假設(shè)前提正是基于這一結(jié)果，使得理論分析適當(dāng)簡(jiǎn)化并完全滿足工程設(shè)計(jì)的精度。此外，本文研究成果中的理論解、數(shù)值解的有關(guān)控制點(diǎn)，以及主要變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本相同，前二者的數(shù)值均略高于實(shí)測(cè)值，表明本文理論模型正確，計(jì)算分析可靠并偏于安全。　　

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