超大群桩基础竖向承载性能及设计理论研究

论文摘要

苏通大桥超大群桩基础规模巨大,持力层深。工程师们缺乏设计经验,且用来进行桩基设计的理论不足。因此,本文以之为工程背景。简要的介绍了苏通大桥所做的各种桩基试验研究方法以及这些方法的具体应用情况。试验表明,桩端后压浆工艺以及采用优质泥浆对超长大直径钻孔灌注桩的承载性能的改善效果显著。总结了优质泥浆的配置经验。目前,超长单桩侧阻、端阻的取值均是基于小直径桩、短桩的工程经验和实测结果基础上,采用统计的方法得出的。在分析了大量单桩静载试验和一些离心模型试验结果的基础上,分别针对超长单桩的桩侧、桩端承载特性进行了理论分析。提出了考虑深度效应的桩侧荷载传递函数,其深度效应由极限摩阻力和深度建立的一个双曲线函数来体现,并用反演方法得出该双曲线函数参数的取值;在Mindlin解的基础上,采用数值积分的办法,得出了桩端附近空间点的应力状态,引入莫尔-库仑破坏准则,计算了桩端形成连续破坏面的形状以及此时的桩端荷载,即为桩端理论破坏面和极限承载力。并拟合了极限承载力的简单表达式。通过对国内一些大型桥梁的钻孔灌注桩的实测值和理论值的对比分析,得出了理论值与实测值的经验调整系数的取值范围。采用单桩荷载传递函数和弹性力学相结合,提出了更加符合实际情况的群桩分析方法,该方法考虑了桩土相对滑移以及桩顶整体刚度随荷载动态调整。将该方法计算结果与离心模型试验结果进行对比,结果的一致性验证了本文方法的正确性。对于无法进行现场试验的大型群桩基础,用单桩静载试验得出单桩荷载传递函数采用本文方法对群桩进行分析计算,是一种非常好的办法。针对超长大直径群桩基础用本文方法进行了参数分析。定义了基于功能的群桩效率概念,并且以此概念为基础,分析了群桩效率与桩顶沉降的关系受各参数影响的规律。指出了目前桩基计算中的等代实体基础法存在的缺陷,基于上述的精确理论方法,提出了适合超长桩组成的群桩沉降简化计算方法,该方法考虑了桩身压缩量和桩端刺入变形,算例表明这对超大群桩基础是非常必要的。该简化方法能够计算出荷载-位移曲线,并且曲线具有明显的非线性特征。在总结目前的群桩可靠度设计理论是完全基于承载力的基础上,提出了针对超长超大群桩基础的全新的基于沉降的可靠度设计概念。采用上述简化计算方法来进行可靠度计算,这是桩基设计理论的一个大的进步。同时分析了各参数的概率分布规律及可靠度计算方法。提出了有限元-荷载传递联合分析方法,该方法利用成熟商用软件ABAQUS,特别是用ABAQUS自带的子程序FRIC,能考虑各种桩型、各种地质条件下的桩土荷载传递性状,能非常简便地采用各种荷载传递函数,使用灵活方便,模拟效果好。若采用工程现场的单桩静荷载试验得出的单桩荷载传递函数,用该方法进行有限元模拟,应该能得出比较符合工程实际的群桩工作性状。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 桩基础的应用发展现状
• 1.1.1 普通桩基础的应用发展现状
• 1.1.2 超长大直径灌注桩的应用发展现状
• 1.2 超大群桩基础的研究现状
• 1.2.1 超长大直径灌注桩基的总体研究水平
• 1.2.2 超长大直径灌注单桩的研究现状
• 1.2.3 超长大直径灌注群桩的研究现状
• 1.3 本文的工程背景
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文主要内容与论文技术路线
• 1.5.1 论文主要内容
• 1.5.2 论文技术路线
• 参考文献
• 第二章 苏通大桥桩基试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 试验简介
• 2.2.1 自平衡法试验
• 2.2.2 锚桩法
• 2.2.3 O-CELL 试桩法
• 2.2.4 离心模型试验
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 压浆效果分析
• 2.3.2 泥浆效果分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 超长大直径灌注单桩计算理论研究
• 3.1 超长大直径灌注单桩研究现状
• 3.2 单桩极限承载力的研究
• 3.2.1 单桩极限承载力的定义
• 3.2.2 现有单桩极限承载力计算方法
• 3.2.3 考虑深度效应的侧阻力模型及理论端阻破坏模式研究
• 3.3 单桩沉降研究
• 3.3.1 单桩沉降的基本概念
• 3.3.2 现有单桩沉降计算方法
• 3.3.3 荷载传递－有限元法
• 3.4 本章小结
• 3.5 展望
• 参考文献
• 第四章 群桩计算理论研究
• 4.1 前言
• 4.1.1 群桩基础的特点
• 4.1.2 群桩基础的总体承载特性
• 4.1.3 群桩沉降的性状
• 4.1.4 群桩基础的理论研究现状
• 4.2 群桩理论模型的建立
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 分析思路
• 4.2.3 单桩分析
• 4.2.4 单桩对其它桩的影响
• 4.2.5 所有桩对某桩的影响
• 4.2.6 受影响的桩处桩土平衡
• 4.2.7 其它桩的附加影响
• 4.2.8 影响系数
• 4.2.9 动态调整影响系数
• 4.2.10 程序流程图
• 4.3 理论与试验的对比
• 4.4 影响因素分析
• 4.4.1 土刚度（桩土刚度比）对群桩承载特性的影响
• 4.4.2 桩距对群桩承载特性的影响
• 4.4.3 桩长对群桩承载特性的影响
• 4.4.4 桩径对群桩承载特性的影响
• 4.4.5 桩数对群桩承载特性的影响
• 4.4.6 参数a 对群桩承载特性的影响
• 4.4.7 参数b 对群桩承载特性的影响
• 4.5 群桩承载力效率系数的讨论
• 4.6 本章小结
• 4.7 展望
• 参考文献
• 第五章 群桩沉降简化计算理论研究
• 5.1 前言
• 5.2 传统群桩沉降简化计算方法介绍
• 5.2.1 等代墩基法
• 5.2.2 其它方法
• 5.3 本文方法理论分析
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 基本计算模式
• 5.3.3 端阻力变化规律
• 5.3.4 轴力的变化规律
• 5.3.5 桩端平面以下土的应力扩散规律
• 5.3.6 沉降计算
• 5.4 实例分析以及与精确方法的对比
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 基于沉降的群桩可靠度理论
• 6.1 前言
• 6.2 理论分析
• 6.2.1 基本假定
• 6.2.2 可靠度基本概念
• 6.2.3 计算分析
• 6.3 算例
• 6.3.1 计算模型的基本资料
• 6.3.2 基本变量的概率分布和统计参数
• 6.4 本章小结
• 6.5 展望
• 参考文献
• 第七章 单桩、群桩的三维有限元分析
• 7.1 引言
• 7.2 ABAQUS 软件简介
• 7.3 有限元模型简介
• 7.3.1 土的本构模型及参数取值
• 7.3.2 桩土界面处理
• 7.3.3 与荷载传递法的比较
• 7.4 单桩的三维有限元分析
• 7.4.1 分析目的
• 7.4.2 几何模型及有限元网格划分
• 7.4.3 单桩承载性能研究
• 7.4.4 单桩桩端承载性能研究
• 7.5 群桩的三维有限元研究
• 7.5.1 分析目的
• 7.5.2 几何模型、有限元网格划分以及桩土体系位移云图
• 7.5.3 计算设计
• 7.5.4 计算结果
• 7.6 本章小结
• 7.7 展望
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 攻博期间发表的论文和主持完成的项目