水平受荷大直徑樁基尺寸效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理與特征研究

針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)廣泛采用的超大直徑單樁基礎(chǔ)實(shí)際工程設(shè)計(jì)方法存在的問題，從尺寸效應(yīng)的角度，本項(xiàng)目基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果重點(diǎn)研究了風(fēng)、浪、流等引起的水平靜載與循環(huán)荷載作用下單樁基礎(chǔ)與樁周土體的相互作用特征和機(jī)理，進(jìn)而建立了考慮樁基尺寸效應(yīng)的水平受荷響應(yīng)分析理論與設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目得到的重要結(jié)果有：① 明確了當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)樁基設(shè)計(jì)的API/DNV規(guī)范推薦的P-y模型的具體適用范圍及可靠性；② 給出了水平靜與循環(huán)荷載作用下，考慮樁基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)的分析理論與設(shè)計(jì)方法；③ 首次基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了非柔性樁底與地基土水平向摩擦力的力-位移關(guān)系，該結(jié)果與之后開展的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好；④ 針對(duì)超大直徑單樁基礎(chǔ)給出了考慮三維效應(yīng)的四彈簧模型；⑤ 給出了考慮樁基尺寸效應(yīng)的循環(huán)累積變形預(yù)測(cè)模型；⑥ 完成了鈣質(zhì)砂中具有不同尺寸特征的樁基在水平與軸向拉拔荷載耦合作用下的模型試驗(yàn)并取得了初步的結(jié)論；⑦ 給出了樁基由樁周土體移動(dòng)而產(chǎn)生的附加變形和內(nèi)力計(jì)算分析方法，并開發(fā)了有限元程序；⑧ 給出了豎向荷載作用下樁基變形與安全系數(shù)之間的關(guān)系，將巖土工程變形設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)有效的結(jié)合起來，并給出了對(duì)應(yīng)的基于圖表的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)方法，此外，基于大量數(shù)值模擬，給出了針對(duì)地震荷載作用下樁基最大彎矩的計(jì)算方法。截止目前，本項(xiàng)目研究成果經(jīng)整理發(fā)表國(guó)內(nèi)外主流期刊10余篇、其中SCI/EI刊源文章11篇，培養(yǎng)或協(xié)助培養(yǎng)本碩博士生8人，參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議并匯報(bào)近10次。需要說明的是，本項(xiàng)目部分研究成果正在被寫入上海同濟(jì)啟明星科技發(fā)展有限公司自主開發(fā)的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件FDOW中，該軟件已被十余家企業(yè)應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的分析與設(shè)計(jì)?？梢姳卷?xiàng)目得出的結(jié)論為工程實(shí)踐提供經(jīng)濟(jì)可靠的分析理論與設(shè)計(jì)方案，因此得到了學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注。 2100433B

在水平受荷大直徑樁基礎(chǔ)的研究中，縮尺模型試驗(yàn)作為一種經(jīng)濟(jì)且可行的重要研究方法得到了廣泛的應(yīng)用。它是依據(jù)一定的比例條件將原位足尺地基基礎(chǔ)體系的尺寸等縮小而開展的物理模型試驗(yàn)。從而，基于該模型試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)測(cè)原位足尺地基基礎(chǔ)相互作用性狀。能否有效的減小縮尺模型試驗(yàn)中存在的尺寸效應(yīng)問題并合理的分析縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果決定了基于該方法的研究的成敗。本項(xiàng)目擬針對(duì)水平受荷樁基，開展三個(gè)方面的深入研究：1.闡釋尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理與作用特征；2. 探討縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果的分析方法；3.提出水平受荷大直徑樁基的分析設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目擬通過一系列不同縮尺比例模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，并結(jié)合原位大比尺水平受荷樁基試驗(yàn)進(jìn)行研究，預(yù)期建立一套完整可行的縮尺模型試驗(yàn)研究方法，進(jìn)而提出針對(duì)于水平受荷大直徑樁基的分析設(shè)計(jì)方法。

水平受荷樁在港口碼頭、海洋采油平臺(tái)和海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等構(gòu)筑物中廣泛應(yīng)用，而且相當(dāng)一部分位于粘土場(chǎng)地中。近五十年來，國(guó)內(nèi)外研究者和工程人員對(duì)粘土中水平受荷樁的研究主要集中在單向水平荷載下的樁基響應(yīng)方面。申請(qǐng)人前期的研究表明，砂土中的單樁在多向加載條件下的水平承載力要顯著低于單向加載條件下的水平承載力，且存在荷載增量矢量與位移增量矢量非共軸等現(xiàn)象；而中硬粘土中水平受荷單樁的初步試驗(yàn)研究表明，在多向循環(huán)加載路徑下的水平承載力退化更為顯著。本項(xiàng)目將對(duì)粘土中水平多向受荷樁的工作性狀進(jìn)行較系統(tǒng)的研究：（1）通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究多向加載路徑對(duì)軟粘土和硬粘土中樁基水平承載力和樁身響應(yīng)的影響，及水平多向循環(huán)加載路徑下的承載力退化規(guī)律；（2）借助數(shù)值分析手段，進(jìn)行水平多向荷載作用下粘土與樁相互作用的機(jī)理分析和參數(shù)研究；（3）建立并驗(yàn)證能描述在單調(diào)和循環(huán)水平多向荷載作用下，粘土與樁相互作用的彈塑性多向p-y模型。

水平受荷樁在港口碼頭、橋梁基礎(chǔ)、海洋采油平臺(tái)和海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等構(gòu)筑物中廣泛應(yīng)用，而且相當(dāng)一部分樁基位于粘土場(chǎng)地中。波浪荷載、風(fēng)荷載或地震荷載聯(lián)合作用產(chǎn)生的水平荷載通常具有多方向性的特點(diǎn)。本項(xiàng)目基于室內(nèi)模型試驗(yàn)、三維有限元數(shù)值分析和理論分析，研究了：（1）不同水平多向單調(diào)加載路徑下粘土中單樁的響應(yīng)研究；（2）粘土中單樁在單向循環(huán)加載后，沿不同水平方向加載后的響應(yīng)研究；（3）水平多向循環(huán)荷載作用下粘土中單樁的響應(yīng)研究；（4）粘土場(chǎng)地中水平單向和多向受荷單樁和群樁的響應(yīng)研究（數(shù)值研究）；（5）水平多向荷載作用下粘土與樁相互作用的彈塑性多彈簧p-y模型。項(xiàng)目研究成果揭示了多向加載路徑對(duì)軟粘土和硬粘土中樁基水平承載力和樁身響應(yīng)的影響，以及水平多向循環(huán)荷載作用下樁基承載力的退化規(guī)律；建立和開發(fā)了適用于粘土與樁多向相互作用的多彈簧p-y模型，并編制了可用于水平單向和多向荷載作用下粘土中樁基響應(yīng)分析的計(jì)算程序。 依托本研究項(xiàng)目發(fā)表學(xué)術(shù)論文共15篇，申請(qǐng)發(fā)明專利共8項(xiàng)（含美國(guó)專利2項(xiàng)），獲批發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型專利4項(xiàng)。 2100433B

隨著我國(guó)跨江跨海大橋、港口碼頭、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、近海結(jié)構(gòu)物等的大規(guī)模興建，因臺(tái)風(fēng)、車船撞擊等災(zāi)害造成結(jié)構(gòu)倒塌、導(dǎo)致重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的事件時(shí)有發(fā)生，其中一個(gè)重要原因是水平-扭矩荷載聯(lián)合作用下導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)破壞。但在目前的設(shè)計(jì)中卻較少考慮扭矩對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響。實(shí)際上，作用在群樁基礎(chǔ)上的水平荷載和扭矩荷載之間存在著復(fù)雜的相互影響，稱為群樁的推扭荷載耦合效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致少數(shù)基樁承擔(dān)大部分荷載，使部分基樁過早破壞，退出工作，出現(xiàn)基樁由少到多逐個(gè)破壞的多米諾骨牌效應(yīng)，最終導(dǎo)致災(zāi)變的發(fā)生。本項(xiàng)目通過理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究推扭荷載耦合效應(yīng)的機(jī)理及其引發(fā)的災(zāi)變過程，揭示關(guān)鍵控制因素，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和準(zhǔn)則，并提出抑制災(zāi)變的有效工程措施。本項(xiàng)目的研究不但具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且有著深刻的工程背景和重大的工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B