悬臂抗滑桩土拱效应的静力及动力特性研究

发布时间：2019-01-05 02:51

【摘要】：悬臂桩作为一种常见的支护方式而被用于边坡，基坑等工程中，尽管悬臂桩的应用广泛，然而它的支护原理却研究相对缓慢，特别是基于桩后成拱的荷载传递原理以及拱在动力作用下的响应情况，目前所见文献不多。论文依托于重庆市百名工程技术高端人才计划项目“悬臂式抗滑桩三维土拱效应及其动力灾变研究”，通过对悬臂式抗滑桩桩后土体受水平推力形成水平拱以及桩间土体受沉降压缩形成竖直拱效应进行理论分析以及有限元动力模拟分析，并与室内静力试验和室外大型试验现象及监测数据进行对比，其主要工作及研究结论如下： 1）将悬臂抗滑桩土拱效应分解为水平拱和竖直拱两种情况，水平拱是由于在水平面内的推力以及桩背面作为拱脚形成的，因此，主要存在于桩后土体中；竖直拱是由于竖直面内的重力以及桩侧面的摩擦阻力作为拱脚而形成的，因此，存在于两桩之间的土体，由于悬臂式抗滑桩主要承受水平推力，因此桩后土体形成的水平拱是悬臂桩土拱效应的主要拱形，而桩间土体在竖直平面内形成的竖直拱效应作用强度较弱。 2）研究了桩后土体形成水平拱的极限荷载，在前人得出水平拱的合理拱轴线为抛物线的基础上，结合土体的强度准则，求解水平拱的极限荷载公式以及水平拱沿深度方向的空间变化规律，分析得出：水平拱拱高随土体内摩擦角的增大而增大，沿深度方向拱效应逐渐增强。通过有限元对不同工况的模拟，对水平拱随外荷载的迁移规律和桩后土体的挤密区域进行了研究，结果表明：随着外荷载的增加，水平拱向远离桩的方向迁移，土体的挤密厚度变化较小；考虑桩间设板的平面二维分析，工况分为：桩前设板和桩后设板，通过外荷载的变化研究可以得知：在加设挡板后桩后土体的极限荷载增加2.5倍左右，土体的应力分布也更加复杂。 3）通过对桩间土的竖直拱力学模型研究，得出竖直拱的合理拱轴线为悬链线，结合土体应力状态随深度的变化特征以及普氏拱理论，求得竖直拱拱脚的埋深以及影响因素。通过有限元模拟中桩土接触面的应力变化，验证了竖直拱拱脚位置，通过外荷载不断增加的分析可知：在荷载增加到一定程度时，，在沿桩长的方向会在不同埋深处形成多个竖直拱。 4）在悬臂桩三维土拱效应的分析中，桩后土体为粉质粘土，桩宽为2m，桩间净距为2.5m，悬臂段长度为8m的模型下，桩后土体第一主应力成拱效应明显，沿深度方向拱效应先增加后减小，在桩后土体上部最大拱顶点距桩的距离为桩宽的3/4，桩间净距的3/5；在距地表埋深3m处第一主应力峰值消失，可见形成土拱的有效深度为3m左右，为悬臂段桩长的2/5。通过改变悬臂段的高度分析对桩后土拱效应的影响，在空间内土拱曲面位于抗滑桩悬臂段上部土体的位置，结合不同悬臂段高度的模型分析，对比拱顶随深度变化可知随着悬臂抗滑桩悬臂段高度的增加，土拱效应增强，影响区域增大。 5）通过二维水平拱和竖直拱的动力分析研究，并与对应的静力下土拱效应进行对比分析，其结果表明：在动力作用下，水平拱存在与否与地震波的输入方向密切相关，当地震力沿垂直于桩正面作用时，土拱效应增强，当地震力沿垂直于桩侧面作用时，拱效应消失。 6）通过建立悬臂桩支护边坡的三维模型，分析桩后土拱的空间效应，并与室内试验和室外大型原位试验进行对比验证，结果表明：桩间三维土拱效应沿桩长方向先增大后逐渐减小，从而导致桩间土体主要集中在上部发生垮塌；建立复杂的悬臂桩三维动力分析模型，根据建筑抗震设计规范，常遇地震时程分析对应的基本加速度值为0.2g，地震波选取EL-Centro波，工程所在地场地类型属Ⅱ类场地，抗震设防烈度为8度，工况分为：桩间不设板和桩后设板两种情况，分析悬臂式抗滑桩桩间滑体内拱效应在静力和动力作用下的土体的位移响应和应力响应，其分析结果表明：悬臂桩土拱效应在地震力作用下的消散或加强与地震波的输入方向相关，当地震力沿垂直于桩正面作用时，土拱效应增强，桩后土拱拱体挤密区的动力响应相对其它区而言，位移最小，应力最大，以及土拱的形成区域随着悬臂段高度的增加而增大的变化特征。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU473.1

【参考文献】