湿陷性黄土地基中矩形闭合型地下连续墙桥梁基础负摩阻力作用机理研究

论文摘要

矩形闭合型地下连续墙（以下简称闭合墙）是近三十年来发展起来的一种新型的桥梁基础。它以承载力高、刚度大、工程量小、造价低等优点,受到了桥梁工程界的广泛关注和青睐,具有很高的推广价值和广阔的工程应用前景。在我国西部辽阔的黄土地区,巨厚的黄土地层中没有良好的桩端持力层,如果采用闭合墙作为桥梁基础,充分利用其良好的工程特性,将会对桥梁的安全、经济和施工等带来明显的效益。然而,在黄土地区采用闭合墙作为桥梁基础,一个不容忽视的问题便是湿陷性黄土地基引发的负摩阻力问题。本文采用了室内模型试验、数值模拟和理论分析三种方法对闭合墙基础的竖向承载特性、负摩阻力的作用机理、负摩阻力作用下闭合墙基础的承载性状以及负摩阻力的计算方法等进行了系统的研究,研究成果为黄土地基中闭合墙基础的设计提供了理论依据和参考。主要研究内容和成果如下:（1）根据弹性力学原理,提出了模型闭合墙的简化力学模型,并采用半逆解法推导了闭合墙基础内、外侧表面处的轴向应变与单位侧摩阻力关系的解析解。该解析解的求出,为竖向载荷模型试验中闭合墙以及筒桩等同类型基础所量测的内、外侧应变进行数据处理提供了理论依据,进而为基础一土相互作用研究提供了真实、准确的试验结果。（2）采用自行研发的室内模型试验装置,进行了闭合墙竖向载荷模型试验和室内浸水模型试验。其中,竖向载荷模型试验对闭合墙基础的竖向承载特性、墙—土—承台相互作用和群墙效应作了系统的研究。研究发现:单片墙基础的竖向承载特性与灌注桩十分类似,而闭合型地连墙基础的承载机理较之单片墙基础要复杂得多。闭合墙基础内、外侧摩阻力并非同步发挥,内摩阻力沿埋深呈幂函数曲线分布,内摩阻力的最大值出现在墙端附近。（3）通过单片墙与闭合墙的室内浸水模型试验,研究了矩形闭合墙基础负摩阻力的作用机理以及浸水后闭合墙基础的竖向承载性状,试验结果表明:负摩阻力分布曲线大致呈抛物线型。闭合墙基础的中性点位置比单片墙的低,在相同的湿陷性黄土地层且浸水条件相同的情况下,闭合墙浸水后的附加沉降小于单片墙,表现出良好的抗沉降特性。（4）提出了一种模拟黄土湿陷变形的简便合理的新方法——模量折减法。模量折减法通过对发生湿陷区域土体变形模量的折减和容重的增加来进行自重湿陷变形的模拟,并在底部非湿陷性土层中采用减小容重法对底部土层的压缩变形进行控制。从蒲城现场浸水试验和阿塞拜疆现场浸水试验两个数值模拟算例的计算结果来看,模量折减法概念清楚、操作简便,计算结果合理,较好地实现了对黄土自重湿陷变形的数值模拟,其计算结果的准确性与合理性明显优于以往的模拟方法。（5）基于模量折减法,采用数值分析软件FLAC3D,分别建立多层地基中不同截面尺寸的方形闭合墙和普通矩形闭合墙数值模型,研究了多层地基中墙周土层逐步发生湿陷的情况下,不同截面尺寸的方形闭合墙和普通矩形闭合墙的竖向承载性状和负摩阻力的发挥发展规律,探讨了方形闭合墙与普通矩形闭合墙竖向承载力发挥的异同。（6）提出了闭合墙负摩阻力与下拉荷载的计算方法（抛物线法）以及考虑负摩阻力的闭合墙基础容许承载力计算公式。（7）基于荷载传递法和剪切位移法,提出了负摩阻力作用下闭合墙基础沉降计算的一种迭代方法。此方法充分考虑了闭合墙基础的截面形状特点与荷载传递特性,并建立了相应的数学模型,推导了闭合墙基础的剪切刚度系数,提出了计算内侧摩阻力的幂函数法。采用迭代方法对某一级公路上一座跨线桥的闭合墙基础进行了计算,计算结果所反映的负摩阻力作用规律与桩基浸水试验实测结果相似,初步验证了迭代方法的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.1.1 矩形闭合型地下连续墙桥梁基础的技术特点
• 1.1.2 矩形闭合型地下连续墙基础在黄土地区中的应用前景
• 1.1.3 黄土的工程特性
• 1.1.4 矩形闭合型地下连续墙基础负摩阻力问题的提出
• 1.2 矩形闭合型地下连续墙桥梁基础的发展和应用现状
• 1.2.1 地下连续墙的发展概述
• 1.2.2 矩形闭合型地下连续墙基础在桥梁工程中应用和发展概况
• 1.3 桩基础负摩阻力问题的国内外研究现状
• 1.3.1 桩基负摩阻力的定义及相关术语（Terminology）
• 1.3.2 负摩阻力的发生机理和条件
• 1.3.3 桩基负摩阻力现场试验研究概况
• 1.3.4 桩基负摩阻力室内模型试验研究概况
• 1.3.5 桩基负摩阻力理论研究概况
• 1.3.6 桩基负摩阻力数值模拟研究概况
• 1.3.7 当前负摩阻力问题研究中存在的不足
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 闭合墙基础的竖向承载特性研究
• 1.4.2 闭合墙基础的负摩阻力作用性状研究
• 1.4.3 负摩阻力作用下闭合墙基础的荷载传递理论分析
• 1.5 研究方法与技术路线
• 1.5.1 室内模型试验研究
• 1.5.2 数值模拟研究
• 1.5.3 理论分析研究
• 1.5.4 论文研究的技术路线
• 第2章 闭合墙基础竖向载荷模型试验概况
• 2.1 模型试验目的与内容
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验内容
• 2.2 模型试验原理
• 2.2.1 模型的相似要求和相似常数
• 2.2.2 相似原理
• 2.2.3 量纲分析
• 2.3 试验设计
• 2.3.1 模型相似常数的推导
• 2.3.2 模拟参数及试验材料的确定
• 2.4 模型设计与制作
• 2.4.1 模型墙的制作
• 2.4.2 有机玻璃表面的处理
• 2.4.3 模型槽的设计
• 2.4.4 边界效应的考虑
• 2.4.5 模型墙的布置与模型重塑土的铺设
• 2.4.6 杠杆加载系统
• 2.4.7 有机玻璃弹性模量的测定
• 2.5 试验实施及测试元件布设
• 2.5.1 试验一: A组模型墙竖向载荷试验
• 2.5.2 试验二: B组模型墙竖向载荷试验
• 2.6 本章小结
• 第3章 模型试验数据采集与处理
• 3.1 数据采集
• 3.1.1 应变量测
• 3.1.2 土压力量测
• 3.1.3 沉降测量
• 3.2 单片墙数据处理
• 3.2.1 墙身轴力计算
• 3.2.2 墙侧摩阻力计算
• 3.3 土压力计算
• 3.4 闭合墙数据处理的理论推导
• 3.4.1 普通桩基侧摩阻力与轴向应变关系的理论推导
• 3.4.2 筒桩（或闭合墙）侧摩阻力与轴向应变关系的理论推导
• 3.4.3 侧摩阻力与轴向应变关系的理论解在模型试验中的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 闭合墙基础竖向载荷模型试验结果分析
• 4.1 闭合墙基础竖向承载特性分析
• 4.1.1 荷载—沉降关系曲线分析
• 4.1.2 轴力与侧摩阻力的分布
• 4.1.3 闭合墙承台土反力随荷载的发展
• 4.1.4 闭合墙墙土荷载分担性状分析
• 4.1.5 闭合墙基础竖向承载特性分析结论
• 4.2 矩形闭合墙基础墙—土—承台相互作用研究
• 4.2.1 承台土反力分布
• 4.2.2 承台作用对侧摩阻的影响
• 4.2.3 承台作用对端阻的影响
• 4.2.4 墙土荷载分担
• 4.2.5 闭合墙基础墙—土—承台相互作用研究结论
• 4.3 矩形闭合型地连墙基础群墙效应研究
• 4.3.1 相同沉降下的荷载比与群墙效率分析
• 4.3.2 相同应力下的位移与沉降比分析
• 4.3.3 闭合墙基础群墙效应研究结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 闭合墙基础负摩阻力模型试验及结果分析
• 5.1 试验概况
• 5.1.1 关于扰动重塑黄土的湿陷性
• 5.1.2 试验过程与控制
• 5.1.3 测试元件布设
• 5.2 试验结果分析
• 5.2.1 模型墙及各土层的浸水沉降
• 5.2.2 中性点的确定
• 5.2.3 模型墙轴力与负摩阻力分布
• 5.2.4 负摩阻力作用下闭合墙的墙土荷载分担性状
• 5.2.5 单片墙与闭合墙附加沉降分析
• 5.3 闭合墙基础负摩阻力模型试验结论
• 5.4 本章小结
• 第6章 黄土自重湿陷变形的数值模拟
• 6.1 闭合墙基础负摩阻力数值分析的关键问题
• 6.2 目前黄土自重湿陷变形数值模拟的几种方法及其不足
• 6.2.1 本构模型法
• 6.2.2 重力法
• 6.2.3 叠加法
• 6.2.4 力水等效法
• 6.3 黄土湿陷的原因和机理
• 6.4 黄土的湿陷变形特征
• 6.4.1 自重湿陷的产生与特点
• 6.4.2 湿陷变形的主要特征
• 6.5 湿陷性黄土的物理力学性质
• 6.5.1 孔隙比
• 6.5.2 容重
• 6.5.3 抗压强度
• 6.5.4 抗剪强度
• 6.5.5 湿陷性
• 6.6 模量折减法
• 6.6.1 模量折减法的提出
• 6.6.2 增加容重的计算
• 0的取值及其折减方法'>6.6.3 变形模量E₀的取值及其折减方法
• 6.7 模量折减法与力水等效法之比较
• 6.8 蒲城电厂现场大面积浸水试验数值模拟分析
• 6.8.1 试验概况
• 6.8.2 建立模量折减法计算模型
• 6.8.3 计算结果分析
• 6.9 阿塞拜疆现场大面积浸水试验数值模拟分析
• 6.9.1 试验概况
• 6.9.2 建立模量折减法计算模型
• 6.9.3 计算结果分析
• 6.10 本章小结
• 第7章 闭合墙基础负摩阻力数值分析
• 7.1 接触面单元（interface）参数选取
• 7.1.1 接触面单元及本构模型简要回顾
• 7.1.2 interface单元介绍
• 7.1.3 interface参数选取
• 7.2 基于模量折减法的桩基负摩阻力数值模拟
• 7.2.1 基于模量折减法的桩基负摩阻力数值模拟计算过程
• 7.2.2 模量折减法与力水等效法之比较
• 7.3 多层地基中方形闭合墙基础负摩阻力作用性状
• 7.3.1 计算区域的选取
• 3D计算模型的建立'>7.3.2 FLAC^3D计算模型的建立
• 7.3.3 中性点深度
• 7.3.4 闭合墙摩阻力分布
• 7.3.5 墙土荷载分担
• 7.3.6 墙身作用荷载与墙顶附加沉降分析
• 7.4 多层地基中普通矩形闭合墙基础负摩阻力作用性状
• 3D计算模型的建立'>7.4.1 FLAC^3D计算模型的建立
• 7.4.2 中性点深度
• 7.4.3 普通矩形闭合墙摩阻力分布
• 7.4.4 墙土荷载分担
• 7.4.5 墙身作用荷载与墙顶附加沉降分析
• 7.4.6 普通矩形与方形闭合墙基础计算结果比较分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 闭合墙基础负摩阻力计算初探
• 8.1 闭合墙基础负摩阻力计算
• 8.1.1 桩基负摩阻力主要计算方法回顾
• 8.1.2 负摩阻力的简化计算模型
• 8.1.3 中性点位置确定
• 8.1.4 负摩阻力最大值及其出现深度确定
• 8.1.5 算例分析
• 8.2 考虑负摩阻力时的闭合墙基础竖向容许承载力计算
• 8.2.1 考虑负摩阻力时的桩基容许承载力计算
• 8.2.2 湿陷性黄土地基中的桩基容许承载力计算
• 8.2.3 湿陷性黄土地基中闭合墙基础的容许承载力计算
• 8.3 负摩阻力作用下闭合墙基础沉降计算
• 8.3.1 负摩阻力作用下单桩沉降计算方法概述
• 8.3.2 负摩阻力作用下闭合墙基础沉降计算
• 8.3.3 墙周湿陷性黄土沉降计算
• s'>8.3.4 墙周土体剪切刚度系数K_s
• 8.3.5 内侧摩阻力计算
• 8.3.6 闭合墙基础沉降计算的程序实现
• 8.4 算例分析
• 8.4.1 工程概况
• 8.4.2 考虑负摩阻力作用时闭合墙基础容许承载力计算
• 8.4.3 负摩阻力作用下闭合墙基础沉降计算
• 8.4.4 讨论
• 8.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果