土體深開挖卸荷作用下的樁基受力變形與承載機(jī)理研究

深基坑開挖卸荷和降排水的耦合作用使得地層土體受力狀態(tài)復(fù)雜，并影響樁基礎(chǔ)等地下結(jié)構(gòu)的受力變形與承載性能，給地基基礎(chǔ)、支護(hù)體系、工程結(jié)構(gòu)甚至周邊巖土工程環(huán)境帶來未知風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能危及地下結(jié)構(gòu)與樁基的安全。研究深開挖卸荷對樁基的影響機(jī)理有助于深入認(rèn)識與評估坑底樁的性能和安全，并對實(shí)際工程具有重要指導(dǎo)意義。本項(xiàng)目綜合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場測試等方法，以復(fù)雜受力條件下樁土界面力學(xué)特性為切入點(diǎn)，研究了樁周土體深開挖卸荷影響下樁基受力變形特性和承載機(jī)理。 首先研制了一套樁土界面三軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對土體卸荷應(yīng)力狀態(tài)、樁土界面剪切加載和孔隙水壓力變化等特征的有效控制，可觀測接觸面剪切過程中樁土相對位移和土樣分層變形，克服了現(xiàn)有試驗(yàn)方法的不足。利用該三軸接觸面試驗(yàn)儀，測試不同應(yīng)力狀態(tài)下的樁土界面行為，結(jié)合數(shù)值分析探討了不同應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)下的樁土接觸面特性，并嘗試采用基于橋域耦合的多尺度分析方法研究樁土界面受力的細(xì)觀機(jī)理。 通過模型試驗(yàn)測試了卸荷條件下樁基承載性能和卸荷過程中樁身受力變形，比較模型試驗(yàn)和三軸接觸面試驗(yàn)結(jié)果，討論了不同應(yīng)力水平下樁土界面行為的異同，彌補(bǔ)常規(guī)重力場下小尺度模型試驗(yàn)的不足。在模型試驗(yàn)反分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用考慮樁土界面特性的數(shù)值方法研究開挖卸荷影響下單樁承載力和樁基受力變形性態(tài)。針對深基坑降水開挖過程，提出了基于抽水量控制的瞬態(tài)分析方法和基于水位控制的穩(wěn)態(tài)分析方法，研究了降水開挖過程中的地下水滲流及地層變形特性，分析降水與開挖耦合作用下的坑底樁基響應(yīng)規(guī)律。 通過現(xiàn)場測試和數(shù)值分析，系統(tǒng)研究了深基坑地基加固處理和地下連續(xù)墻施工過程中的周邊土體響應(yīng)機(jī)制，確定了深基坑開挖前樁周地層的受力性態(tài)。結(jié)合實(shí)際工程，采用數(shù)值和解析手段，分析了深基坑開挖卸荷過程中樁基和地下結(jié)構(gòu)的受力變形分析，討論了土-結(jié)構(gòu)界面特性、地下水降水滲流等對樁基礎(chǔ)和地下結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。總結(jié)基本規(guī)律后提出了簡化分析方法，應(yīng)用于上海虹橋綜合交通樞紐、上海西站綜合交通樞紐、東西通道、上海中心大廈、世紀(jì)大都會等工程，優(yōu)化了基坑和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工方案，確保了工程安全。 本項(xiàng)目研究成果發(fā)表國內(nèi)外期刊和會議論文15篇（其中SCI論文7篇），并有3篇SCI論文錄用待刊，共授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)，新申請國家發(fā)明專利8項(xiàng)（均已公開）。相關(guān)研究成果獲省部級科技獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)、國際學(xué)術(shù)會議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)勵(lì)1次。 2100433B

深開挖卸荷對坑底樁基受力特性的影響是一個(gè)正在引起巖土工程界高度關(guān)注的課題。樁基礎(chǔ)設(shè)置一般先于基坑開挖，樁周土體的卸荷回彈會影響坑底樁的受力與承載特性，甚至危及地下結(jié)構(gòu)與樁基的安全，開挖過程中抽水降壓及后期水頭恢復(fù)使樁基受力更為復(fù)雜，給地基基礎(chǔ)、支護(hù)體系、工程結(jié)構(gòu)甚至周邊巖土工程環(huán)境帶來未知風(fēng)險(xiǎn)。研究深開挖卸荷對樁基的影響機(jī)理有助于深入認(rèn)識與評估坑底樁的性能和安全，并對實(shí)際工程具有重要指導(dǎo)意義。本項(xiàng)目首先通過考慮土體卸荷、樁被動受力與孔隙水壓力的接觸面試驗(yàn)，結(jié)合顆粒流模擬分析深開挖卸荷中的樁土界面特性及其細(xì)觀特征，并將接觸面本構(gòu)應(yīng)用于非線性數(shù)值分析；通過細(xì)致的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究卸荷過程中樁基受力特性的細(xì)觀機(jī)理，結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析揭示土體卸荷、降水及恢復(fù)水位過程中樁基承載性能的響應(yīng)規(guī)律；給出開挖卸荷后樁基受力與承載宏觀特性的基本規(guī)律，為地下空間開發(fā)中涉及的工程樁分析、設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。

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(hù)樁和抗滑樁）等工程項(xiàng)目中。在受到側(cè)向荷載作用下，樁與土之間的相互作用機(jī)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(shí)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(yàn)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(yàn)，通過對比分析飽和度和密實(shí)度對樁-土相互作用的影響?；赑IV技術(shù)和多臺相機(jī)標(biāo)定方法，二次開發(fā)了Stereo-PIV程序。改編相機(jī)標(biāo)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(biāo)。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(yàn)裝置，并將此應(yīng)用到側(cè)向受荷樁土體位移場研究中，擴(kuò)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(gè)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(jī)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(jī)理開展模型試驗(yàn)研究，為揭示樁-土相互作用機(jī)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(jì)和精細(xì)化設(shè)計(jì)深度的發(fā)展，樁基礎(chǔ)所承受的風(fēng)、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(xiàng)目利用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算研究橫向荷載樁與土體相互作用機(jī)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(jì)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(shí)的p-y曲線參數(shù)。首次將透明土和滲水力模型試驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)在樁土相互作用中的可靠性，為簡化昂貴的現(xiàn)場試驗(yàn)提供可借鑒的方法。

工程開挖、河谷下切及支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷均會致使巖體卸荷，對卸荷過程中巖石變形破壞機(jī)理的正確認(rèn)識是巖體工程穩(wěn)定性評價(jià)及災(zāi)害防治的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。針對高地應(yīng)力環(huán)境下巖石的不同卸荷過程，本項(xiàng)目擬通過室內(nèi)三軸卸荷、物理模型及破裂面電鏡掃描試驗(yàn)，結(jié)合理論及數(shù)值分析，探究不同初始應(yīng)力狀態(tài)、不同卸荷速率及不同卸荷應(yīng)力路徑下巖石變形破壞過程中的能量轉(zhuǎn)化與傳遞規(guī)律，建立巖石強(qiáng)度、變形等參數(shù)與能量間的定量關(guān)系，揭示卸荷條件下巖石力學(xué)參數(shù)弱化的能量機(jī)理；確定巖石破壞塊度及破裂面粗糙度分形維數(shù)與能量間的定量關(guān)系，揭示巖石卸荷破壞的宏-細(xì)-微觀多尺度破裂特征及能量機(jī)理，建立巖石卸荷破壞程度及破裂方式的能量預(yù)測指標(biāo)；基于損傷能量耗散率及剩余能量指標(biāo)，建立綜合考慮初始應(yīng)力狀態(tài)、卸荷速率及卸荷應(yīng)力路徑的巖石卸荷破壞能量判據(jù)。研究成果在高地應(yīng)力地區(qū)大型巖體工程穩(wěn)定性評價(jià)及巖爆預(yù)測等方面具有重要理論意義和應(yīng)用前景。