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

橋梁樁基礎除承受結(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，導致其承載性狀極其復雜。常規(guī)設計方法多基于二維單一平面內(nèi)的疊加原理，難以準確評價樁身承載力，甚至偏于不安全，有必要分析荷載聯(lián)合作用效應，合理確定空間破壞包絡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得樁身及土體的受扭控制方程，進而獲得樁身扭轉(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，進而導出不同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線，進而給出了樁身承載力簡化計算公式，并通過工程實例應用與參數(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則，可供工程設計參考。 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線，進而獲得其共同作用時的六自由度空間破壞包絡面，據(jù)此探討樁頂荷載耦合作用機理及樁身承載力破壞準則。在此基礎上，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，供工程設計參考。

巖溶區(qū)地質(zhì)條件復雜，樁-巖、樁-土接觸問題較一般摩擦樁或嵌巖樁更為復雜，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)外尚未對此問題進行系統(tǒng)深入的研究，并未提出完整的巖溶區(qū)基樁設計計算方法，本研究擬結(jié)合目前已有研究成果，進行系統(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，求解體系中應力與位移分布的唯一解，由此指導巖溶區(qū)基樁方案設計；然后采用基于極限分析理論的上限、下限有限元法對基樁-巖溶承載體系進行穩(wěn)定性分析，確?；鶚对O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，在復變函數(shù)的基礎上，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，并結(jié)合理論推導，對海洋環(huán)境、濕陷性黃土地基等復雜環(huán)境下橋梁樁基承載特性進行了系統(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)條件下橋梁樁基應用現(xiàn)狀、樁—土理論與試驗研究進展、濕陷性黃土地基樁基研究進展、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。