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我国岩溶分布相当广泛,随着铁路与公路路网的不断发展,以往能规避的岩溶问题目前却已成为工程建设需要面临的重大挑战,尤其是桥梁基础建设时难免会遇到溶洞地层,给实际工程带来极大困难。为有效解决具有一定覆盖层厚度的复杂岩溶地层中桥梁桩基建设的技术难题,一种新型超大直径变截面空心桩应运而生。该桩采用不入岩来减小对下伏溶洞的扰动,避免了桩身强行穿越溶洞诱发的各类病害,从根本上解决了复杂岩溶区桥梁桩基的棘手问题,该桩型已在工程领域中得到了一定程度的应用,但其理论研究远滞后于工程实践。鉴于此,采用理论分析和数值模拟等方法,研究了超大直径阶梯型变截面桩的荷载传递机理及沉降计算方法。主要工作和成果如下:(1)基于扰动状态理论构建了大直径阶梯型变截面桩桩-土界面的荷载传递函数模型,通过MATLAB软件编程分析了模型参数对模型曲线的影响规律;重点探讨了超大直径阶梯型变截面桩的荷载传递机理,开展了变截面处变阶阻力对侧阻力的耦合效应的理论分析,利用半无限空间体Mindlin解推导了该桩变截面处变阶阻力对侧阻力的增强效应。结果表明,基于扰动状态理论的荷载传递函数适用广泛,可以较好地描述土体软化及硬化特性;超大直径变截面桩变截面处的变阶阻力对侧阻力具有显著增强效应。(2)基于流变力学理论及扰动状态理论,构建了超大直径阶梯型变截面桩桩-土时效扰动的荷载传递模型,其中相对完整状态和完全调整状态分别采用Kelvin模型、理想粘塑性模型,并提出了扰动因子的计算原理与方法,从而得到了土体单元位移与时间关系的解析表达式。利用MATLAB软件分析了模型中的各个参数对沉降-时间曲线的影响情况,结合工程算例表明该模型能较好反映桩周土体荷载传递的时效扰动过程。(3)基于本文构建的荷载传递模型,采用改进的荷载传递法,分别推导了均质土和分层土中等截面桩的沉降计算方法,并将计算方法推广到n阶变截面桩,考虑桩体自重进一步对荷载传递法的基本微分方程进行修正,获得了超大直径阶梯型变截面桩的沉降计算方法,结合工程实例验证了单桩沉降半理论解析解的可靠性和合理性。结果表明,由于超大直径桩体型较大,其沉降计算应考虑桩身自重,可直接采用改进的荷载传递法进行计算。(4)以荷载传递法为基础,提出了桩基时效扰动法长期沉降计算方法,并将该方法由普通等截面桩推广到变截面桩,由均质土推广到了分层土等多种复杂工况。考虑桩身自重,利用改进的荷载传递法推导了超大直径阶梯型变截面桩的长期沉降计算公式,结合FLAC3D模拟结果对理论模型的合理性和准确性进行了验证,研究成果可为复杂岩溶区该新型桩基的设计与施工优化提供理论基础。