山区高桥墩—桩基结构体系承载特性及其分析方法研究

论文摘要

高桥墩-桩基结构体系的承载特性及其分析方法是西部山区公路建设所面临的新课题之一。由于山区地形、荷载及工况等条件的复杂性,高桥墩-桩基结构体系无论是承载机理和变形分析,还是稳定性计算方法均缺乏深入研究。因此,如何全面掌握山区高桥墩-桩基础的承载机理、受力特性与分析方法,对其合理设计计算具有重要的理论与工程实际意义。为此,本文结合国家自然科学基金项目“陡坡段桥梁桩基设计理论与数值模拟方法研究”（50578060）和湖南省交通科技项目“高陡边坡段桥梁桩基设计与防护技术研究”（200513）,从理论分析、数值模拟、室内模型试验等方面对其进行深入系统的研究,以期丰富山区高桥墩-桩基结构体系设计计算理论。本文首先在总结国内外已有相关研究文献的基础上,引入岩体结构控制理论,对桩周岩体工程特性及其风化分带方法进行了分析,建立出山区高桥墩-桩基基岩风化程度的量化表达式。通过分析与总结边坡稳定性分析方法后,考虑边坡稳定性分析的不确定性因素,引入基于模糊理论的边坡多级模糊评判方法对桩周岩质边坡进行稳定性分析。针对山区高桥墩-桩基结构体系的受力特点,探讨了山区高桥墩-桩基结构体系的承载机理和受力特性,借鉴平地基桩桩身内力及变形计算分析思路,通过分析边坡上基桩前后岩（土）体抗力及推力分布规律,建立复杂荷载下高桥墩-基桩的计算模型,采用幂级数方法求解,导出高桥墩.基桩内力及位移计算方法,并开发出相应计算程序。其次,在分析稳定性分析基本理论及基桩失稳荷载求解方法的基础上,考虑基桩失稳破坏的非线性与突发性特点,引入突变理论,建立山区高桥墩-桩基体系稳定失稳的尖点突变模型,基于突变理论基本原理,求得了山区高桥墩-桩基结构体系稳定失稳条件,并建立出山区高桥墩-桩基结构体系失稳破坏荷载与其对应墩顶水平位移确定方法。在此基础上,针对山区桩端岩溶发育问题,考虑溶洞顶板破坏的突发性及其影响因素的模糊性,提出岩溶区高桥墩-桩基结构体系下伏溶洞顶板安全厚度确定的突变模型与桩端溶洞顶板稳定性评价的突变评判新方法。为了进一步探讨山区高桥墩-桩基结构体系的承载机理和受力特性,结合工程实际,借助非线性有限元分析软件,在考虑桩-岩接触等非线性因素的基础上,建立出山区高桥墩-桩基结构单排双桩的三维弹塑性模型,分析了不同荷载条件下山区高桥墩-桩基的受力特性及其稳定性影响因素,深化了对山区高桥墩-桩基结构体系承载特性的认识。此外,采用非确定性分析方法,在总结可靠度基本理论及现有可靠性分析常用方法的基础上,针对现有方法的局限性,引入响应面方法,建立高桥墩-桩基结构体系稳定的改进响应面方法。针对高桥墩-桩基结构体系岩土参数区间性特点,引入区间理论和非概率思想,建立了基于区间理论的高桥墩-桩基结构体系稳定性非概率可靠性分析方法,从而形成较完整的山区高桥墩-桩基结构体系稳定性非确定性分析方法。最后,通过高桥墩-桩基室内模型试验验证了本文理论方法的正确性。试验共分两大部分:第一部分是承载特性试验,完成了竖向荷载、侧向荷载、水平荷载及复杂荷载下4组模型桩受力特性试验,探讨不同桩顶自由长度、不同嵌固深度、不同基桩刚度以及不同边坡坡度等对基桩受力的影响,进一步深化山区高桥墩.桩基的受力特性和承载机理;第二部分是高桥墩.桩基失稳破坏试验,通过设计不同墩桩长度比、墩桩刚度比及不同墩顶边界约束等组合条件下的模型试验,探讨了高桥墩-桩基屈曲工作性状,获得了不同桩基埋深、墩桩刚度比、墩顶约束等条件下的高桥墩-桩基的失稳破坏荷载。理论与试验结果表明:理论计算与试验值吻合较好,展示了本文方法的合理性与工程参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状与文献综述
• 1.2.1 桥梁桩基受力分析研究现状
• 1.2.2 桥梁基桩试验研究进展
• 1.2.3 桥梁桩基屈曲分析研究进展
• 1.2.4 基桩非确定性分析方法研究现状
• 1.2.5 基桩数值分析方法研究现状
• 1.3 本文研究思路与主要内容
• 第2章 山区高桥墩-桩基结构体系的受力特性及其承载机理
• 2.1 引言
• 2.2 高桥墩-桩基结构体系的受荷性状
• 2.2.1 桩周岩石工程特性
• 2.2.2 岩石风化分带探讨
• 2.2.3 荷载类型
• 2.2.4 荷载分布形式
• 2.3 岩质边坡稳定性分析
• 2.3.1 常用分析方法
• 2.3.2 多级模糊综合评判
• 2.4 高桥墩-桩基结构体系内力计算
• 2.4.1 基本挠曲微分方程的建立
• 2.4.2 滑动面以上微分方程的幂级数解答
• 2.4.3 滑动面以下微分方程的幂级数解答
• 2.4.4 桩顶及桩端参数的计算
• 2.4.5 滑坡推力系数求解
• 2.5 高桥墩-桩基结构体系的承载机理
• 2.5.1 竖向荷载下承载机理
• 2.5.2 横向荷载下承载机理
• 2.5.3 复杂荷载下承载机理
• 2.6 小结
• 第3章 高桥墩-桩基结构体系稳定性分析方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 稳定分析基本理论
• 3.2.1 问题的分类
• 3.2.2 判定准则
• 3.3 基桩稳定分析方法
• 3.3.1 常用分析方法
• 3.3.2 能量法
• 3.3.3 幂级数解
• 3.3.4 数值分析方法
• 3.4 高桥墩-桩基结构体系稳定的突变理论分析
• 3.4.1 突变理论原理
• 3.4.2 高桥墩-桩基结构体系稳定的突变理论分析
• 3.5 岩溶区高桥墩-桩基下伏溶洞顶板全厚度确定的突变模型
• 3.5.1 突变模型的建立
• 3.5.2 稳定条件分析
• 3.5.3 安全厚度的确定
• 3.5.4 工程实例分析
• 3.6 基于模糊和突变理论的桩端溶洞顶板稳定性分析方法研究
• 3.6.1 岩溶区桩端溶洞顶板稳定性突变评判法
• 3.6.2 岩溶区桩端溶洞顶板稳定性突变评判的实施过程
• 3.6.3 工程实例分析
• 3.7 小结
• 第4章 山区高桥墩-桩基结构体系数值模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 Marc有限元软件简介
• 4.2.1 Marc概述
• 4.2.2 MARC程序结构特点
• 4.2.3 MARC的分析功能
• 4.2.4 MARC中的接触设定
• 4.2.5 单元模型
• 4.2.6 模型的求解
• 4.2.7 非线性迭代的收敛判据
• 4.3 计算模型的建立及其受力分析
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 竖向荷载下的受力特性分析
• 4.3.3 水平荷载下的受力特性分析
• 4.3.4 倾斜荷载下的受力特性分析
• 4.3.5 复杂荷载下的受力特性分析
• 4.4 其他因素对高桥墩-桩基结构体系承载性状的影响
• 4.4.1 桩周岩体特性的影响
• 4.4.2 基桩弹性模量与桩径的影响
• 4.4.3 嵌岩深度的影响
• 4.4.4 基桩间距的影响
• 4.5 小结
• 第5章 高桥墩-桩基结构体系可靠度分析方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 可靠度理论
• 5.2.1 基本概念
• 5.2.2 可靠度计算常用方法
• 5.3 高桥墩-桩基结构体系稳定的改进响应面方法
• 5.3.1 响应面法
• 5.3.2 响应面函数的确定
• 5.3.3 迭代中心点的确定
• 5.3.4 迭代响应面法的基本步骤
• 5.3.5 高桥墩-桩基结构体系失效模式及其极限状态
• 5.3.6 计算实例
• 5.4 基于区间理论的高桥墩-桩基结构体系非概率可靠性分析
• 5.4.1 非概率模型的建立
• 5.4.2 响应量变化区间的求解
• 5.4.3 非概率可靠性指标的求解
• 5.4.4 实例分析
• 5.5 影响因素分析
• 5.6 小结
• 第6章 山区高桥墩-桩基结构体系室内模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 山区高桥墩-桩基承载特性试验
• 6.2.1 模型试验的设计
• 6.2.2 试验装置设计
• 6.2.3 试验基本步骤
• 6.2.4 试验成果分析
• 6.2.5 理论与试验对比分析
• 6.3 山区高桥墩-桩基失稳破坏试验
• 6.3.1 材料选择与参数量测
• 6.3.2 试验装置设计
• 6.3.3 试验方法与步骤
• 6.3.4 试验成果与理论对比分析
• 6.4 小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间论文与科研情况