多年冻土区砼灌注桩竖向承载性能研究

论文摘要

目前多年冻土区混凝土灌注桩使用数量与规模在我国急剧增长,由此而带来的施工过程中单桩承载力形成时间计算、夏季融沉时承载力的变化规律、使用阶段桩周冻土蠕变沉降对承载力影响等一系列问题已成为国内外普遍关注的热点问题,对其承载性能研究一直是冻土工程中的前沿课题。本文在对国内外相关研究进行系统总结与深入分析基础上,采用桩基冻害调查,试验与数值模拟相对照的方法。以冻土温度为主线,完成了三个方面的研究工作:1.研发相关试验设备,完成冻土导热系数、冻结强度、不同外加剂成分的水泥水化热、不同含水量冻土融沉时桩侧负摩阻力等四个系列（27个土样）试验工作,为有限元计算参数的确定创造了条件。2.基于不同的热传导模型、冻土非线性模型、冻土静三轴试验资料编制了桩周冻土温度场、桩承载沉降变形的计算程序。通过15种工况计算,得到冻结力沿桩分布规律与各个因素对其影响规律。3.根据冻土流变试验资料,构建了一个全新的非线性粘弹流变模型,采用编制的相关程序对实际工程中单桩极限承载力进行了修正,为工程冻害治理提供了依据。通过以上工作,本文在以下方面取得了一些有意义的研究成果:1.给出桩周温度场计算程序,通过不同热源温度（砼灌注温度）、不同砼外加剂成分的桩周冻土温度场数值计算对比,证明砼外加剂选用粉煤灰10%+硅粉5%+早强剂3%+减水剂0.8%配比、砼浇筑温度为5℃时,承载力形成时间可缩短至33天,提前了30天左右。2.给出多年冻土区单桩荷载—变形有限元计算方法与相关程序,发现增大桩径有利于加大桩侧冻结力数值,可有效减小沉降量30%。通过冻结力在桩侧分布随冻土温度变化规律研究发现存在“温度中性点”处,在该处桩侧冻结力发挥不受冻土温度影响,在其上桩侧冻结力随温度降低而递增,以下反之减小。3.根据融沉负摩阻力试验结果,运用Mindlin解,推导出融沉产生的附加力及其分布规律的理论计算公式。夏季冻土融化时,正融土中桩的承载能力衰减了8%左右。4.提出考虑冻土蠕变的单桩沉降有限元计算方法,对比某工程桩的单桩承载力数值计算、静载荷试验结果发现,单桩极限承载力在冻土流变影响下,其数值将降低10%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 冻土地区桩基类型及特点
• 1.3 冻土区桩基工程学及冻土流变学的研究现状
• 1.3.1 国外冻土流变学的研究现状
• 1.3.2 国内冻土流变学的研究现状
• 1.3.3 国外对冻土中桩基的研究进展
• 1.3.4 国内对冻土中桩基的研究进展
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 冻土热交换系数及冻结强度试验测定
• 1.4.2 冻土区砼灌注桩温度场及承载力形成时间分析研究
• 1.4.3 冻土工程桩竖向承载力、桩侧冻结力分析研究
• 1.4.4 冻土工程桩负摩阻力试验研究及理论分析
• 1.4.5 考虑冻土蠕变的层状地基中单桩的数值分析
• 第2章 冻土热交换系数及冻结强度试验测定
• 2.1 冻土导热系数
• 2.1.1 导热系数试验装置研制
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 试验结果
• 2.1.4 冻土的容积热容量
• 2.1.5 冻土的导温系数
• 2.2 冻结强度试验
• 2.2.1 冻结强度试验结果
• 2.2.2 冻土温度对冻结强度的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 冻土区灌注桩温度场及承载力形成时间分析
• 3.1 带热源伴有相变瞬态温度场的控制微分方程
• 3.2 相变导热的有限单元法分析
• 3.3 有限单元法方程的转变
• 3.3.1 混合单元有限元方程的转变
• 3.3.2 三角形单元有限元方程的转变
• 3.3.3 四边形单元有限元方程的转变
• 3.4 边界方程
• 3.4.1 第一类边界条件
• 3.4.2 第二类边界条件
• 3.4.3 第三类边界条件
• 3.5 计算模型中参数的选取
• 3.5.1 土体参数选取
• 3.5.2 混凝土外加剂对水化热放热的影响
• 3.5.3 水灰比对混凝土温升的影响
• 3.6 桩周冻土温度场分布
• 3.7 混凝土灌注桩承载力形成时间数值分析
• 3.7.1 砼浇注温度对桩承载力形成时间的影响
• 3.7.2 不同外加剂成分对桩承载力形成时间的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 冻土工程桩竖向承载力、桩侧冻结力分析
• 4.1 多年冻土区桩基工作机理
• 4.2 有限元分析模型建立
• 4.2.1 空间几何模型体系的建立
• 4.2.2 桩周冻土的力学参数选取
• 4.2.3 桩—冻土接触面本构关系
• 4.2.4 模型分析方法
• 4.3 工程桩实例分析
• 4.4 冻土区工程桩承载力影响因素及冻结力分布规律分析
• 4.4.1 冻土温度对多年冻土地区单桩沉降曲线的影响
• 4.4.2 冻土温度对桩侧冻结力分布规律的影响
• 4.4.3 桩长对多年冻土地区单桩沉降曲线的影响
• 4.4.4 桩长对桩侧冻结力分布规律的影响
• 4.4.5 桩径对多年冻土地区单桩沉降曲线的影响
• 4.4.6 桩径对桩侧冻结力分布规律的影响
• 4.4.7 桩弹性模量对多年冻土地区单桩沉降曲线的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 冻土工程桩负摩阻力试验研究及理论分析
• 5.1 引言
• 5.2 模型试验
• 5.3 桩模型侧表面的负摩擦力实验研究结果
• 5.4 桩与正融土和局部已融土的相互作用
• 5.5 桩基融沉附加力三维问题的积分方程解法
• 5.5.1 冻土、正融土与桩基相互作用的力学模型
• 5.5.2 融沉附加力分布的理论计算公式
• 5.6 桩基础与正融土相互作用的动态模式
• 5.7 发育负摩擦力条件下的桩的工作特点
• 5.8 本章小结
• 第6章 考虑冻土蠕变的层状地基中单桩的数值分析
• 6.1 引言
• 6.2 改进的布拉盖尔流变模型
• 6.2.1 模型的本构关系
• 6.2.2 模型的数学表达
• 6.3 模型的参数确定
• 6.3.1 蠕变试验
• 6.3.2 蠕变试验结果
• 6.3.3 模型参数的测定
• 6.4 考虑冻土流变的桩基有限元分析
• 6.4.1 时步—粘性初应变法
• 6.4.2 土体非线性流变有限元解析
• 6.5 工程桩实例分析
• 6.6 基于冻土蠕变特性时桩基承载力的确定
• 6.7 桩基础冻土应力－应变状态的形成
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历