【博士】特大型橋梁群樁基礎(chǔ)承載變形特性的研究【2008】

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　　學(xué)科專業(yè)：巖土工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：南京水利科學(xué)研究院　　學(xué)位年度： 2008年　　本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：大直徑超長(zhǎng)樁單樁和群樁基礎(chǔ)與土體共同作用幾個(gè)問題研究，船橋碰撞及沖刷防護(hù)對(duì)大型群樁基礎(chǔ)受力變形影響的特殊問題研究?！　±脧椝苄院奢d傳遞函數(shù)，以解析法推導(dǎo)了與樁項(xiàng)荷載一樁頂沉降整個(gè)關(guān)系曲線上相對(duì)應(yīng)的單樁軸向剛度計(jì)算式。分析了樁長(zhǎng)、樁徑、樁的剛度系數(shù)、樁端土彈性模量與樁周土彈性模量之比和樁周土泊松比等因素對(duì)超長(zhǎng)單樁軸向剛度的影響后表明，只有樁長(zhǎng)、樁徑、樁的剛度系數(shù)對(duì)超長(zhǎng)單樁軸向剛度的影響較大?！　碾x心模型試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)、工程實(shí)踐及理論分析，論證了普通單樁存在有效樁長(zhǎng)。深入探討了有效樁長(zhǎng)的含義，指出了與臨界樁長(zhǎng)的區(qū)別。分析目前有效樁長(zhǎng)概念基礎(chǔ)上，提出了合理的有效樁長(zhǎng)定義。明確了研究普通單樁有效樁長(zhǎng)的意義及存在的問題，并提出了在一定條件下合理確定有效樁長(zhǎng)就是合理設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。　　用樁頂沉降控制法分析了雙曲線荷載傳遞函數(shù)參數(shù)對(duì)超長(zhǎng)大直徑單樁有效樁長(zhǎng)的影響后表明，樁側(cè)荷載傳遞函數(shù)參數(shù)對(duì)有效樁長(zhǎng)的影響較大，而樁端對(duì)其影響較小。針對(duì)置于300 m深厚覆蓋土層中超長(zhǎng)大直徑樁工程實(shí)例，用極限承載力控制法和樁頂沉降控制法，以及根據(jù)離心模型試驗(yàn)成果，綜合分析確定該單樁有效樁長(zhǎng)。同時(shí)，應(yīng)用多方法綜合分析確定該樁的極限承載力。　　應(yīng)用三維彈塑性有限元和離心模型試驗(yàn)研究了大直徑超長(zhǎng)單樁的豎向和水平承載變形特性?！　「鶕?jù)某橋超長(zhǎng)大直徑嵌巖樁群樁基礎(chǔ)的情況，對(duì)40根大直徑嵌巖群樁基礎(chǔ)樁端嵌入弱膠結(jié)礫巖和中膠結(jié)礫巖不同深度時(shí)進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，研究不同樁長(zhǎng)嵌巖群樁基礎(chǔ)在裸塔竣工和成橋階段等不同荷載階段下承臺(tái)沉降和樁身軸力分布等承載變形特性，從而研究超長(zhǎng)大直徑嵌巖樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性以及合理嵌入巖體的深度?！　@某橋索塔大型啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)，通過離心模型試驗(yàn)深入研究豎向荷載作用下大直徑超長(zhǎng)樁群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)，豎向荷載和水平荷載作用下啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在承臺(tái)、裸塔、成橋的施工過程和運(yùn)營中的群樁沉降、樁身軸力分布、樁身彎矩分布及群樁效應(yīng)等承載變形特性，以便恰當(dāng)考慮樁土共同作用下的大規(guī)模摩擦樁群樁基礎(chǔ)受力變形特性，從而研究超長(zhǎng)大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞機(jī)理和承載變形特性?！　〗⒘四茌^好模擬豎向荷載與水平荷載共同作用下超大型群樁基礎(chǔ)與土體共同作用的簡(jiǎn)單、實(shí)用的三維有限元計(jì)算模型。該模型在樁土界面間設(shè)置橫橋向、縱橋向及豎直向的三個(gè)方向的非線性彈簧分別模擬水平荷載和豎向荷載下樁土相互作用，從而來模擬樁周土體附近的近場(chǎng)高應(yīng)變區(qū)產(chǎn)生的非線性位移反應(yīng)。同時(shí)，利用有限元來模擬土體的連續(xù)性，從而來模擬群樁間的大部分土體均處于應(yīng)變水平很低的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生的彈性位移反應(yīng)。該模型將荷載傳遞法和有限元結(jié)合，來解決樁數(shù)多、樁長(zhǎng)的實(shí)際工程群樁樁土界面相互作用和參數(shù)取值問題?！　±脝♀徯统信_(tái)群樁基礎(chǔ)離心模型試驗(yàn)成果，對(duì)提出的三維有限元計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)值分析所得承臺(tái)沉降與承臺(tái)荷載的關(guān)系曲線、樁頂軸力分布、樁頂軸力隨承臺(tái)荷載變化的關(guān)系曲線，與其離心模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果較一致。利用數(shù)值分析進(jìn)一步深入分析了啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在承臺(tái)竣工期、裸塔竣工期、成橋階段及2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，豎向荷載作用下樁身軸力分布和變形特性等摩擦樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性，從而來分析超長(zhǎng)大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞機(jī)理和承載變形特性?！　±萌S彈塑性有限元，考慮群樁基礎(chǔ)周圍外側(cè)土體豎向變形影響范圍和樁端土體壓縮層厚度的因素，研究分析其對(duì)啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，從而研究超長(zhǎng)大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)邊界問題以及離心模型試驗(yàn)邊界對(duì)其承載變形特性的影響。研究表明：群樁基礎(chǔ)邊界大小由群樁基礎(chǔ)變形特性控制，成橋階段時(shí)大型啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)周圍外側(cè)土體豎向變形影響范圍和樁端土體壓縮層影響深度，分別為一倍承臺(tái)寬度和一倍樁長(zhǎng)；設(shè)計(jì)的離心模型試驗(yàn)邊界對(duì)群樁基礎(chǔ)樁身受力大小與分布影響不大，而對(duì)承臺(tái)沉降和樁端土體整體壓縮變形比等變形特性影響較大?！　∮脭?shù)值模擬分析對(duì)單樁、18根樁群樁基礎(chǔ)、64根樁群樁基礎(chǔ)及131根樁群樁基礎(chǔ)的承載變形特性進(jìn)行了比較分析，以此來研究與分析承臺(tái)沉降、樁身軸力、群樁豎向承載效率系數(shù)、群樁基礎(chǔ)平均側(cè)阻、群樁平均端阻等，隨承臺(tái)荷載和群樁樁數(shù)的變化規(guī)律，從而來研究超長(zhǎng)大直徑樁群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)?！　⊥ㄟ^對(duì)不同承臺(tái)厚度、集中荷載和均布荷載的荷載加載方式等因素，研究其對(duì)圓端型實(shí)體承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，從而研究承臺(tái)厚度和荷載加載方式等承臺(tái)相對(duì)剛度對(duì)超長(zhǎng)大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響。　　對(duì)運(yùn)營期承受船撞荷載時(shí)的啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)與土體相互作用進(jìn)行了三維彈塑性有限元分析，研究了啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的水平荷載與水平位移的關(guān)系曲線，樁身軸力、樁身彎矩、樁身剪力及荷載傳遞深度隨水平荷載的變化規(guī)律，從而研究超長(zhǎng)大直徑摩擦樁群樁基礎(chǔ)的水平承載變形特性，以便從水平承載力來評(píng)估橋梁基礎(chǔ)抗撞性能。　　采用三維彈塑性有限元來研究與分析護(hù)底方案啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載變形特性，并通過比較分析最大沖刷和護(hù)底2種方案下啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在承臺(tái)竣工期、裸塔竣工期、成橋階段及2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)豎向承載變形性狀，以及運(yùn)營期船橋碰撞水平承載變形特性，來研究與評(píng)估沖刷防護(hù)對(duì)群樁基礎(chǔ)承載變形與工作性狀的影響。　　在橫橋向船撞設(shè)計(jì)荷載下，護(hù)底方案的樁頂軸力分布比最大沖刷方案均勻，承臺(tái)橫橋向水平位移、樁身最大彎矩遠(yuǎn)比最大沖刷方案的小，護(hù)底方案的防撞效果較好，且護(hù)底方案能較好防沖刷，因而，從承載變形與安全考慮，護(hù)底方案較適合作為蘇通大橋主橋索塔基礎(chǔ)方案。　　

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