大厚度黄土地区长短桩基础理论分析与试验研究

发布时间：2020-09-29 13:48

　　随着国家“一带一路”战略深入实施和城镇化建设进程加快,西北大厚度湿陷性黄土地区的建设项目和规模日益出新,工程建设场地逐步向高阶地推进,桩基工程得到了大量应用和快速发展。但是必须指出,当前大厚度湿陷性黄土地区桩基承载特性研究并不成熟,桩基设计仍按半经验半理论方法进行计算,现行有关《规范》对桩基的设计与实际之间矛盾显著。因此,深入研究单桩有效桩长和长短桩基承载特性相关问题不仅是桩基理论自身发展的需要,更是工程界的迫切要求。本文采用理论分析、室内外试验与数值模拟多种研究方法,首先,开展了大厚度湿陷性黄土地区单桩有效桩长问题分析与计算;其次,提出了长短桩在黄土地区的适用性,并建立长短桩承载力及变形的计算方法;再次,分别开展了现场单桩承载特性试验和室内长短桩模型试验;最后,采用数值分析方法对其进行了全面系统地分析。本文创新点和主要结论如下:1、通过对大厚度湿陷性黄土地区有效桩长问题分析,考虑大厚度黄土塬场地存在分层湿陷现象、桩身存在多个中性点,提出了桩基侧摩阻力的正弦曲线型分布模式,并给出了该分布模式的数学表达式。基于此,推导了大厚度湿陷性黄土地区考虑桩身自重的单桩有效桩长计算公式,同时,通过与单桩现场试验进行对比分析,验证了算法的合理性。2、依据现场原位试验和大厚度黄土分层沉积特性,提出并分析了大厚度黄土地区长短桩基础的可行性。通过理论近似解法和考虑群桩效应系数给出了中性点和群桩负摩阻力计算方法;在此基础上建立了大厚度湿陷性黄土地区考虑负摩阻力影响的长短桩基础承载力计算方法。基于剪切位移法,进一步给出了大厚度黄土地区长短桩基础的沉降变形计算方法,最后,采用MATLAB编写相应算法程序,为基于变形控制的长短桩基础设计奠定了基础。3、现场试验发现,黄土塬场地地基土夹层交互分布、湿陷性不连续,桩周土层对桩基内力传递与分布影响显著。各级荷载作用下,桩基P-s曲线呈缓变型发展,表现为典型的摩擦型桩,桩身内力发挥具有异步性;桩基础设计时,可结合经验以承载力和最大允许变形量进行控制,提高桩身线刚度抵抗自身压缩变形,减小桩基上部沉降。数值模拟发现,长短桩组合桩基础充分利用与发挥了长桩控制沉降的作用与地基土浅层承载的能力,减少了长桩数量,节省了桩基造价。4、研制了长短桩室内模型试验装置,在单桩、4根组合桩及9根组合桩工况下分析了桩身承载力和变形特性。试验发现:长桩的P-s曲线有明显的拐点,形成“刺入”式破坏,短桩不是很明显;长桩的桩身承载力比短桩提高35.7%,在多桩组合试验中角桩的桩身荷载比边桩、中心桩都大,与单桩试验相比,其长桩(角桩、边桩)和短桩(中心桩)的桩身承载力及桩侧摩阻力均有显著的提高,角桩的桩顶荷载分担比略高于边桩。不同水平推力作用下,桩基F-S曲线均具有明显的陡降段,呈刺入破坏的典型特征;短桩先于长桩达到破坏,长桩桩身将产生挠曲变形破坏,其水平承载力主要由桩侧土的强度或桩顶水平位移控制。5、采用Plaxis 3D V2016有限元软件建立全长桩、全短桩以及长短桩的计算模型,分析了长短桩的桩型、布置方式、桩间距、桩长对受力与变形性能的影响。分析表明:角桩受力最小、边桩次之、中心桩受力最大;不同的桩型布置,其筏板竖向变形变化很大;桩间距和桩长也对桩身的受力和变形有显著影响。倾斜荷载作用下水平位移占总位移的比例很大,桩身的承载力主要由水平荷载来控制。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU473.1
【部分图文】：

曲线,锚桩,试验桩,位置图

（b）试验桩与锚桩现场施工现场图图 2.9 试验桩与锚桩位置图主要由桩侧摩阻力的大小来确定，然而在实际工程阻力，常用做法是通过桩身轴力计算确定的，为此程试验中桩身轴力分析开始。身轴力结果分析是通过埋设于桩身的钢筋应力计和混凝土应变计转了桩体整体受力过程。1#、2#、3#桩身轴力与桩长图中可以看出，随着桩顶荷载逐步增大，桩身轴力 2000~7000kN 范围之内，1#、2#桩身增大的幅度较N，桩身轴力变化幅度较小，而当桩顶荷载在 2000~值幅度较大。由曲线可知，在桩底部位处桩身轴力为摩擦型桩。沿桩长的桩身轴力的分布可知桩侧摩

界面图,算法程序,界面,组件

图 3.5 算法程序界面在 MATLAB 生成界面最常用的方式有两种：①采用 MATAL生成；②直接采用命令流产生，在界面中所有的操作、图形属流编制。在本文中采用第①种方法，即采用 GUIDE 方式生成1 个 Static Text 组件；3 个 Panel 组件；18 个 Edit Text 组件；2 个 P 个 Pop-up Menu 组件；2 个 Radio Button 组件；1 个 Table 组件在上生成的组件中，每个组件均会生成 2 个函数，function Tagback 和 function Tag（组件标识）CreateFcn，通过编写函数体短桩基础承载力与变形计算验证分析当前黄土地区有关长短桩基础工程实践未见报道，为验证大厚基础的沉降变形计算方法的合理性，考虑实际工程的受力模式采取室内试验对长短桩基础的沉降变形计算结果进行对比分析

模型桩

（a）PVC 管及铁丝笼（b）养护模型桩图 3.7 模型桩（4）桩周土筛选及装填本次试验采用西北地区兰州湿陷性黄土作为桩周土。桩周土的制备经过筛、浸泡、搅拌工序，最后制备成所需的桩周土。试验测得完成后含水率为 12.98%，最大干密度 =1.76kg/m3。（5）应变片及位移计的布置为测定模型试验中桩身轴力，试验在模型桩上安装应变片，根据胡克测得的应变值转化为应力值。桩身上的应变片数据由静态应变测试H3816）获取，应变片对称布置，长桩应变片共布置 7 对（14 个），短共布置 5 对（10 个）。长短组合桩的竖向和水平位移均采用位移计， 0.01mm，满足试验的要求。试验人员及试验模型见图 3.8 所示。

【参考文献】