秦巴山区陡坡桥梁桩基竖向承载特性现场试验研究

论文摘要

为了满足公路线形的需要,避免大挖大切对山区地形地貌的带来的生态环境破坏,在陡坡段采用高架桥形式穿越不可避免,位于山区陡坡上的桥梁桩基,其承载力特性显然与平坡情况下的承载特性有差异,这种差异的大小现场实测成果至今少有,使得位于山区陡坡上的桥梁桩基设计计算仍沿用平坡情况的计算公式进行确定,由此造成的误差给工程造成不少技术误区与安全隐患。为此,论文结合工程现场试验和理论分析,研究分析了陡坡桥梁桩基的承载特性及其工作机理。通过现场试验,研究了陡坡桥梁桩基的荷载传递机理,结果表明：山区陡坡桩基荷载传递与平地桩基荷载传递的规律有很大的差异,竖向荷载下,陡坡桩基荷载传递与平地桩基荷载传递的规律有很大的差异,陡坡桩基荷载的传递过程有明显的区域性,第一区域是桩顶一定范围内侧竖向受力大于外侧竖向受力,一定深度范围内桩基内侧摩阻力发挥较大,桩身内侧竖向受力减小幅度大于桩基外侧竖向受力减小幅度；第二区域桩的中部外侧竖向受力大于内侧竖向受力,桩基外侧摩阻力发挥的幅度大于桩基内侧摩阻力发挥幅度,桩基内侧竖向受力减小幅度小于桩基外侧受力幅度；第三区域是桩的下端一定范围平衡协调,桩基两侧摩阻力发挥幅度相近,桩身竖向受力平衡协调向下传递。基于现场试验成果,结合现行规范《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63—2007),提出了适于陡坡地段桥梁桩基竖向承载力计算公式,并明确了相应的计算参数取值。基于理论分析,深入分析了陡坡桥梁桩的荷载特性,将桩顶的受力情况总结为桩顶竖向荷载、横轴向荷载及桩侧土压力等几个方面,在计算模型中以我国现行理论选用的m法假设的基础上,从弹性桩的挠曲微分方程出发,导出了陡坡桩基在竖向荷载、横轴向荷载及桩内外侧不均衡的土压力作用下的内力计算公式。陡坡地形特点对桩侧土压力的变化影响较大,桩孔开挖或施工便道修筑使原始应力场变化到新的平衡的应力场的过程,出现应力状态改变和高应力集中,并在与桩基接触的过程中,形成对桩基的荷载作用,即桩侧土压力,随着时间的增长,桩侧土压力逐渐增大。并提出了陡坡桥梁桩基的施工技术,山区陡坡桥梁位于坡中的桩基自桩顶以下3倍桩径深度范围内,受坡形影响较大。因此,设计计算时应充分考虑承载力的折减,且在施工过程中应特别注意对边坡的防护以防土体流失而影响桩侧阻力的发挥。坡面须加强防护设计与选用合理的施工技术。结合现场试验、数值分析和理论分析的结果,针对陡坡地段桥梁桩基的特点,从理论计算、设计及施工等方面,对现行规范的不足进行一定的补充和完善。论文成果为陡坡地段桥梁桩基的设计与施工技术提供了科学依据,具有一定的工程实用价值和理论意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.1.1 桩基承载力计算问题研究
• 1.1.2 荷载作用下的内力计算问题研究
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内陡坡桥梁桩基研究现状
• 1.2.2 国外陡坡桥梁桩基研究现状
• 1.2.3 桩基础受力分析研究现状
• 1.3 研究内容与思路
• 第二章 现场试验技术信息及试桩测试元件布设与安装
• 2.1 概述
• 2.2 试验区概况
• 2.2.1 工程概况
• 2.2.2 试桩概况
• 2.2.3 试桩处地形地貌
• 2.2.4 桥址区工程地质条件
• 2.2.5 桥址区水文地质条件
• 2.3 试桩测试元件布设
• 2.3.1 钢筋计布设
• 2.3.2 钢筋应力计埋设
• 2.3.3 土压力盒埋设
• 2.4 试验加载与测试要求
• 2.5 小结
• 第三章 现场试验成果与分析
• 3.1 概述
• 3.2 试验成果分析方法
• 3.2.1 桩的受力计算
• 3.2.2 桩侧摩阻力及摩阻强度的计算
• 3.3 现场试验成果处理及汇总
• 3.3.1 桩的竖向受力分析
• 3.3.2 桩身摩阻力分析
• 3.3.3 桩侧土压力分布规律
• 3.4 陡坡桥梁桩基摩阻力折减系数计算
• 3.5 小结
• 第四章 现场试验成果与数值模拟成果对比分析
• 4.1 概述
• 4.1.1 有限元在陡坡桩基受力分析中的应用
• 4.1.2 计算软件简介
• 4.2 陡坡桩基承载力有限元计算模型
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 本构模型
• 4.3 计算方案与计算参数
• 4.3.1 有限元模拟加载方案
• 4.3.2 材料参数
• 4.3.3 边界条件确定
• 4.4 陡坡桩侧摩阻力和桩端阻力的确定
• 4.5 计算成果分析与现场试验对比分析
• 4.5.1 仿真计算成果分析
• 4.5.2 仿真计算成果与现场试验对比分析
• 4.6 小结
• 第五章 秦巴山区陡坡桥梁桩基承载机理及受力分析
• 5.1 概述
• 5.1.1 荷载传递过程中土对桩基的支承力
• 5.1.2 荷载传递过程中桩侧摩阻力的影响因素及其分布
• 5.1.3 横轴向荷载作用下桩土体系的受力性状
• 5.2 陡坡桩基的破坏模式
• 5.2.1 坡体稳定时桩基的破坏模式
• 5.2.2 坡体不稳定时桩基的破坏模式
• 5.3 陡坡桩基内力计算
• 5.3.1 桩基挠曲微分方程式的建立
• 5.3.2 桩顶作用自由荷载时的计算
• 5.4 小结
• 结论与建议
• 主要结论
• 进一步建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢