大直径扩底单桩水平载荷试验研究

论文摘要

大直径扩底桩具有施工设备简单、成桩质量可靠、承载力大、无噪音干扰和经济效益显著等优点,已成为多层及高层建筑、桥梁工程、大型设备和重型厂房等工程中重要的基础形式。本文通过现场载荷试验,数值模拟、理论分析,对水平荷载作用下大直径扩底桩的承载力、荷载传递机理及变形机理开展了研究工作。（1）从加荷级别、变形观测、测试元件的埋设、受力点设置、数据测读时间、加卸载方法等方面对水平静载试验方案进行了研究,为大直径扩底桩水平载荷现场试验提供了可行的方案,使现场载荷试验得以顺利完成。对4根水平荷载作用下的大直径扩底灌注桩进行了现场静载荷试验,确定了其临界荷载、极限荷载和水平承载力特征值及相应位移量；同时进行桩身内力测试,在对试验数据进行整理,对试验结果进行分析的基础上,研究了水平荷载荷载传递机理及桩身剪应力和弯矩沿深度变化的规律。结果表明：大直径孔桩的H-Y0,曲线和H-ΔY/ΔH曲线,可分为三阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段；地基土水平抗力系数的比例系数与桩顶位移是具有明显的非线性关系,可近似用双曲线来拟合；桩身弯矩最大截面处,钢筋应力随荷载的增加而呈线性增加,当水平荷载达极限值时应力突变,桩身断裂,这说明其极限水平荷载由桩身强度控制；桩身弯矩由上至下逐渐变大,深度为3-4D时最大,然后变小,桩变截面处仍有弯矩产生,尤其是较短的S22桩,这说明扩底对桩身弯矩分布有较大的影响。（2）利用有限差分程序,采用摩尔-库仑破坏准则,对水平荷载作用下大直径扩底桩进行了数值模拟计算,分析了桩身位移沿桩身埋深的分布规律和表层土弹性模量及扩底尺寸对桩身位移的影响。结果表明：上部土层的弹性模量对桩身水平位移的影响比较显著。为了保证大直径扩底桩有良好的水平承载性能,表土层弹性模量宜在10MPa以上；为充分发挥大直径扩底桩的水平承载性能,桩长宜为7D左右,不宜大于10D。（3）提出了基于地基反力和桩身强度的大直径扩底桩水平承载力计算方法,分析了桩身尺寸（桩直径、扩底直径、桩长和扩底段高度）、桩周土和桩端土性质对桩水平承载力的影响。计算分析表明：大直径扩底短桩属刚性桩；基于不同的临界状态,推导的基于力平衡、力矩平衡和桩身强度的三种大直径扩底短桩水平承载力计算公式,具有概念清楚、意义明确的特点,可以方便地求出大直径扩底桩的水平承载力；通过与规范法和工程实测值进行对比,基于桩身强度的水平承载力计算公式与实测结果较吻合。本文的研究成果对大直径扩底桩的设计、施工提供了理论依据具有积极的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 桩基发展概述
• 1.1.1 桩基技术历史发展概况
• 1.1.2 桩基的特点
• 1.1.3 桩基的分类
• 1.1.4 人工挖孔扩底桩发展简述
• 1.2 水平受荷桩基的研究现状
• 1.2.1 水平受荷桩的理论研究现状
• 1.2.2 水平受荷桩的计算方法分类与评述
• 1.2.3 水平受荷桩的试验研究现状
• 1.3 扩底桩承载性状研究现状
• 1.3.1 扩底桩的理论研究现状
• 1.3.2 扩底桩试验研究的现状
• 1.3.3 扩底桩数值分析的研究现状
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 现场试验方案研究
• 2.1 概述
• 2.2 试验桩基本参数
• 2.3 大直径扩底桩水平载荷试验方案
• 2.3.1 试验装置
• 2.3.2 内力测试元件的布置
• 2.4 桩顶位移与桩身上部转角的测试
• 2.5 试验方法与步骤
• 2.5.1 试验方法
• 2.5.2 试验步骤
• 2.6 小结
• 3 单桩水平静载试验
• 3.1 概况
• 3.1.1 工程简况
• 3.1.2 工程地质概况
• 3.2 水平静载试验
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 试验情况描述
• 3.2.3 试验数据处理分析
• 3.3 单桩水平承载力确定
• 3.3.1 单桩水平临界荷载
• 3.3.2 单桩水平极限荷载
• 3.3.3 单桩水平承载力特征值
• 3.3.4 水平抗力系数的比例系数m值
• 3.4 桩身内力分布计算
• 3.4.1 桩身钢筋应力计算分析
• 3.4.2 桩身弯矩计算分析
• 3.4.3 桩身剪力计算分析
• 3.4.4 桩身应力计算分析
• 3.5 小结
• 4 大直径扩底桩水平承载性能影响因素分析
• 4.1 FLAC3D简介
• 4.2 分析模型的建立与验证
• 4.2.1 分析模型
• 4.2.2 工程实例验证
• 4.3 上部土层厚度的影响
• 4.4 上部土层弹性模量的影响
• 4.5 扩底桩尺寸的影响
• 4.6 小结
• 5 单桩水平承载力计算方法研究
• 5.1 概述
• 5.2 水平受荷桩破坏模式
• 5.2.1 桩的相对刚度
• 5.2.2 单桩水平受荷破坏性状
• 5.3 水平受荷桩计算分析方法
• 5.3.1 地基反力法
• 5.3.2 规范法计算水平承载力
• 5.4 大直径扩底桩水平受力分析
• 5.4.1 EF面上的反力
• 5.4.2 O'D面上的反力
• 5.4.3 BC面上的反力
• 5.5 水平承载力计算公式推导
• 5.5.1 基于力平衡的水平承载力计算公式
• 5.5.2 基于力矩平衡的水平承载力计算公式
• 5.5.3 基于桩身强度的水平承载力计算公式
• 5.6 不同水平承载力计算公式的对比分析
• 5.7 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
• 1. 个人简历
• 2. 攻读博士期间科研成果
• 2.1 专著
• 2.2 发表的主要论文
• 2.3 获奖及取得的荣誉