V-H-M-T聯(lián)合作用下橋梁基樁承載特性及其設(shè)計計算方法研究

橋梁樁基礎(chǔ)除承受結(jié)構(gòu)自重(V)以外，還會因車道車輛荷載差異、船只撞擊、地震等受到水平力H、彎矩M、甚至扭矩T的共同作用，導(dǎo)致其承載性狀極其復(fù)雜。常規(guī)設(shè)計方法多基于二維單一平面內(nèi)的疊加原理，難以準(zhǔn)確評價樁身承載力，甚至偏于不安全，有必要分析荷載聯(lián)合作用效應(yīng)，合理確定空間破壞包絡(luò)面和判定樁身極限承載力。為此，本項目針對受V-H-M-T聯(lián)合作用的橋梁樁基的承載變形特性問題： 先基于剪切位移法，考慮樁周土體剪切模量沿深度呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)分布，假定樁周土塑性變形自上而下開展，采用Bessel函數(shù)轉(zhuǎn)化求解了單、雙層地基中受扭樁樁身內(nèi)力位移的彈性、彈塑性和塑性解析解；引入虛土樁建立樁-土體系的總能量方程，由最小勢能原理分別導(dǎo)得樁身及土體的受扭控制方程，進(jìn)而獲得樁身扭轉(zhuǎn)角的有限差分方程式，再將樁周土體視為理想彈塑性材料，給出了塑性狀態(tài)下的單樁受扭分析方法；引入理想彈塑性荷載傳遞模型，獲得了成層地基中單樁受扭的遞推計算方法；考慮樁-土接觸面上的位移非協(xié)調(diào)性，采用剪切位移法建立出樁身位移控制方程，進(jìn)而導(dǎo)出不同V-T加載順序下單、雙層地基中的樁身內(nèi)力位移解答；將聯(lián)合受荷樁轉(zhuǎn)化為考慮耦合機理的一維桿單元，基于m法和凝聚方法導(dǎo)得了具有一般形式的、適合分析H-M-T受荷樁的桿單元剛度矩陣方程，并求得了樁身內(nèi)力位移分布。 然后，設(shè)計完成了一系列H-T、V-T、V-H-M-T聯(lián)合受荷樁模型試驗，通過自制聯(lián)合加載和測試裝置，獲得了不同荷載組合工況下的樁頂荷載-變形曲線、樁身內(nèi)力位移、破壞模式及承載力包絡(luò)線，并驗證了理論解答的可行性。 最后，基于ABAQUS分別建立單層與雙層地基中橋梁基樁3D有限元分析模型，采用Probe Test法進(jìn)行對比分析，確定了不同工況下的荷載-位移曲線和破壞包絡(luò)線，進(jìn)而給出了樁身承載力簡化計算公式，并通過工程實例應(yīng)用與參數(shù)分析給出了樁身長徑比與剪切模量、地基土強度、土層厚度、加載路徑、荷載組合等因素對樁身變形承載力的影響規(guī)律及樁身承載力破壞準(zhǔn)則，可供工程設(shè)計參考。 2100433B

工程樁實際多處于空間受力狀態(tài)，橋梁樁基更因橋面車輛荷載差異等原因，除承受豎向力V外，還在順橋向與橫橋向受到水平力(Hx和Hy)、彎矩(Mx和My)、甚至扭矩T的聯(lián)合作用，受力性狀極為復(fù)雜，基于疊加原理的二維分析方法難以合理評估其承載力而可能導(dǎo)致工程事故。為此，本研究首先擬基于單一受荷樁承載特性和ABAQUS有限元平臺，采用Probe Test法進(jìn)行數(shù)值模擬實驗，獲得同一平面內(nèi)及兩正交平面內(nèi)不同V、H、M或T組合作用時的破壞包絡(luò)線，進(jìn)而獲得其共同作用時的六自由度空間破壞包絡(luò)面，據(jù)此探討樁頂荷載耦合作用機理及樁身承載力破壞準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，研制聯(lián)合加載裝置，采用Swipe法完成均質(zhì)與雙層地基中不同組合荷載下的單樁靜載模型試驗，根據(jù)實測荷載-位移曲線，驗證理論與數(shù)值分析結(jié)果，并通過進(jìn)一步的參數(shù)分析，獲得荷載類型及其組合形式對樁身承載力的影響規(guī)律，由此確定出樁身承載力簡化計算公式，供工程設(shè)計參考。

巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，樁-巖、樁-土接觸問題較一般摩擦樁或嵌巖樁更為復(fù)雜，且如何考慮溶洞的存在對基樁承載性狀的影響更是亟待解決的問題。鑒于目前國內(nèi)外尚未對此問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，并未提出完整的巖溶區(qū)基樁設(shè)計計算方法，本研究擬結(jié)合目前已有研究成果，進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)樁-巖、樁-土接觸特性分析試驗，提出適用于巖溶區(qū)基樁的荷載傳遞模型；并通過分析基樁-巖溶承載體系勢能增量變化過程，求解體系中應(yīng)力與位移分布的唯一解，由此指導(dǎo)巖溶區(qū)基樁方案設(shè)計；然后采用基于極限分析理論的上限、下限有限元法對基樁-巖溶承載體系進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確?；鶚对O(shè)計方案合理可行；由此建立完整的巖溶區(qū)基樁豎向承載力計算方法及基樁設(shè)計計算理論。最后，擬結(jié)合某巖溶區(qū)橋梁基樁工程現(xiàn)場試驗確定部分相關(guān)參數(shù)，并驗證該分析理論的適用性與合理性。

本研究從試驗研究、數(shù)值研究、理論研究三方面展開。試驗研究方面，提出了梁板結(jié)構(gòu)的巖溶區(qū)基樁承載力計算模型，并探討了不同跨度、厚度溶洞頂板對基樁極限承載力的影響；數(shù)值研究方面，以工程實例為背景，探討了不同巖性、厚度、跨度溶洞頂板下基樁的極限承載力，得到了一般性的規(guī)律，并用于指導(dǎo)工程實踐；在理論研究方面，基于極限分析，根據(jù)基樁與溶洞的距離，推得了溶洞發(fā)生沖切破壞、冒頂破壞、不破壞三種情況的限定條件，并對溶洞頂板發(fā)生沖切破壞研究展開更為深入研究，包括沖切破壞體母線方程及溶洞頂板安全厚度的求解，此外，在復(fù)變函數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基樁作用在不同位置時，溶洞穩(wěn)定性評價方法及基樁樁端極限承載力計算方法。

本書是編者在總結(jié)多年來從事橋梁樁基科研和工程實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外橋梁樁基研究的最新成果，通過現(xiàn)場測試和模型試驗研究，利用數(shù)值仿真技術(shù)，并結(jié)合理論推導(dǎo)，對海洋環(huán)境、濕陷性黃土地基等復(fù)雜環(huán)境下橋梁樁基承載特性進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和總結(jié)。全書共分12章，主要內(nèi)容包括: 特殊地質(zhì)條件下橋梁樁基應(yīng)用現(xiàn)狀、樁—土理論與試驗研究進(jìn)展、濕陷性黃土地基樁基研究進(jìn)展、浸水黃土地基大型橋梁樁基現(xiàn)場靜載試驗、沉陷地基樁長確定理論、海上樁基研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、跨海橋梁的受力環(huán)境、跨海橋梁荷載組合分析、海上鋼管樁承載特性數(shù)值仿真、海上鋼管樁模型試驗研究、海上鋼管樁現(xiàn)場靜載試驗、總結(jié)與展望等。