變截面樁與土的相互作用機理

內(nèi)容簡介

本書重點介紹各種變截樁的特點、荷載傳遞性狀、與土的相互作用機理和破壞性狀等，闡述了各種變截面樁的適用條件、施工、設(shè)計，為廣大土木工程人員、科研人員以及在校研究生提供理論依據(jù)和設(shè)計依據(jù)，也為支盤樁的推廣應(yīng)用擴大了市場。

2100433B

樁基礎(chǔ)作為重要的基礎(chǔ)形式，已廣泛應(yīng)用在橋梁、港口碼頭、近海平臺和土工建筑（如樁基擋土墻、開挖支護樁和抗滑樁）等工程項目中。在受到側(cè)向荷載作用下，樁與土之間的相互作用機理十分復(fù)雜。樁在側(cè)向荷載作用下的變形發(fā)展直至破壞過程，實質(zhì)是樁與樁周土體相互協(xié)調(diào)、相互作用的結(jié)果。本研究基于可視化試驗裝置開展了模型單樁在干砂和飽和砂土中的側(cè)向受荷試驗，通過對比分析飽和度和密實度對樁-土相互作用的影響。基于PIV技術(shù)和多臺相機標定方法，二次開發(fā)了Stereo-PIV程序。改編相機標定工具箱軟件和三維共線方程解析法，自行編寫MATLAB程序，重組三維空間坐標。結(jié)合土體表面的三維位移和樁的力學(xué)特性，分析主動樁、被動樁和中間土體的相互影響。本研究將滲水力技術(shù)與粒子圖像測速技術(shù)結(jié)合，研制一種能量測土體位移的滲水力模型試驗裝置，并將此應(yīng)用到側(cè)向受荷樁土體位移場研究中，擴展了PIV技術(shù)的應(yīng)用范圍，量測了在不同重力場下的土體位移變化。還將透明土技術(shù)和粒子圖像測速技術(shù)相結(jié)合，分析側(cè)向荷載樁周土體內(nèi)部的位移變化規(guī)律。通過多個平面的反距離加權(quán)插值分析，獲得了土體內(nèi)部的真三維位移，該方法可以有效的研究樁與土體的內(nèi)部相互作用，為揭示樁-土相互作用機理提供更全面的數(shù)據(jù)。本研究從樁周土體位移的角度對側(cè)向受荷樁的工作機理開展模型試驗研究，為揭示樁-土相互作用機理提供更全面的和完整的參考。 2100433B

隨著高層建筑、橋梁和海洋平臺等結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計和精細化設(shè)計深度的發(fā)展，樁基礎(chǔ)所承受的風、交通、潮汐和地震作用等橫向荷載，已經(jīng)越來越受到中外學(xué)者的重視。樁的橫向受荷是樁和土體相互作用的過程，樁的性狀是由樁周圍土體的變形和破壞特性控制，可視化和定量化研究土體變形和破壞具有重要意義。本項目利用室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬計算研究橫向荷載樁與土體相互作用機理。采用粒子圖像測速技術(shù)動態(tài)測量樁在橫向加載過程中樁周砂土的位移，計算樁的彎矩、撓度、剪力和樁周土體的抗力、位移、剪應(yīng)變等，得到更可靠和真實的p-y曲線參數(shù)。首次將透明土和滲水力模型試驗相結(jié)合，可視化和定量化分析ng重力場土體內(nèi)部變形規(guī)律。通過非飽和砂土、飽和砂土和透明土的試驗，定量分析飽和度、側(cè)限條件和應(yīng)力水平對樁土相互作用的影響，研究滲水力模型試驗在樁土相互作用中的可靠性，為簡化昂貴的現(xiàn)場試驗提供可借鑒的方法。

生態(tài)巖土學(xué)植物的力學(xué)加筋作用

當土體受到剪切力時,剪切應(yīng)力通過根的表面摩擦力而轉(zhuǎn)化為對根的拉力。由于植物根系的抗拉性, 土體的總體強度得到了有效的加強。不同類型植被加固土體的機理有所不同。例如，草本植物根系直徑一般小于1mm, 根系深度為0.75-1.5m, 絕大部分根系分布在地表0.3 m 的土層內(nèi)。這些淺層植物根系與土壤組成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體, 形成加筋復(fù)合體保護層, 將土壤顆粒固定起來, 減小地表土壤侵蝕。灌木的主根可深達地下2米以上, 對0.75-1.5m 處的土壤有明顯的加強作用, 深根性灌木的錨固作用可以影響到地下更深的巖土層。木本植物的垂直根系為深根, 主根粗壯, 扎入土層較深, 其影響深度可達到3-5m。當垂直深根穿過邊坡的軟弱面或者滑動面, 主根的作用相當于錨桿或者抗滑樁。植物根系的加筋效果與根的極限抗拉強度及其發(fā)揮程度有關(guān)。研究表明真菌能顯著提高植物根系的極限抗拉強度, 加強植物的力學(xué)加筋作用。

生態(tài)巖土學(xué)植物的水力作用

目前國內(nèi)外的研究和工程實踐大多只考慮植物根系的力學(xué)加筋作用, 然而最新的研究發(fā)現(xiàn)了植物的水力作用（即植物的蒸騰作用會增加土體吸力, 從而增加土體抗剪強度并且降低滲透系數(shù)）更為重要。植物不僅可以通過根系的力學(xué)特性增強淺層土體的強度, 還可以通過蒸騰作用吸收土體水分, 在土體內(nèi)產(chǎn)生吸力（負孔隙水壓力）, 從而改變土體的工程性質(zhì)。一方面, 蒸騰作用產(chǎn)生的土體吸力可以增強土體的抗剪強度。另外, 吸力也提高了土體的剪脹特性，從另一個角度進一步增強土體的抗剪強度，從而能夠有效的控制地表水力侵蝕。另一方面，非飽和土的滲透系數(shù)隨著吸力的增長而降低。這是因為在非飽和土中孔隙水是親水介質(zhì)，空氣是疏水介質(zhì)，所以水只能通過孔隙水占據(jù)的空間流動。當土體吸力增大時，土體含水量降低，土體的滲透系數(shù)也相應(yīng)減小。土體滲透系數(shù)的減小能夠有效降低降雨入滲量，從而使土體維持較高的吸力水平，增強了土體的抗剪強度。可見植物是天然的工程師，植物的水力作用能夠提高土體穩(wěn)定性，減小地表侵蝕。

生態(tài)巖土學(xué)生物炭-植物根系-土相互作用

近期，生物炭的研究領(lǐng)域從農(nóng)業(yè)及環(huán)境科學(xué)擴展至巖土工程方面，特別是生物炭在邊坡、垃圾填埋場中的應(yīng)用。雖然生物炭在工程中具有廣泛應(yīng)用潛力，但現(xiàn)時缺乏添加生物炭對植物和土體相互作用的相關(guān)了解。由于生物炭擁有多孔特性，并含有大量含氧官能團，可以有效的增加土壤的持水特性，進而對植物生長提供了更為適宜的環(huán)境。此外，生物炭的灰分中還富有植物可利用鹽基離子（鉀、鈣、鎂、鋅等，為植物生長提供了豐富的養(yǎng)分，有效促進植物根系的生長（根系密度、根長等）和植物葉片的光合作用。同時，生物炭相對較大的比表面積，為土壤微生物提供生長繁殖的場所，豐富的有機質(zhì)和養(yǎng)分元素，有效增加土壤微生物的豐度。因此，叢枝菌根真菌、植物根際促生細菌（PGPR）等菌與根系的共生加強，有利于促進植物對養(yǎng)分的吸收、根系的生長以及根系抗拉強度的增強。除此，生物炭的添加對于土壤酸化、土壤污染（比如重金屬污染等）、土壤鹽堿化等均有較好的緩解作用，減緩上述土壤問題對植物生長的脅迫及不利影響，進而促進植物包括根系的生長。由于添加生物炭對植物根系生長的促進，使得根系對土體的力學(xué)加筋和水力作用更為顯著，從而影響土體強度等力學(xué)特性。