平衡堆载下桩基负摩阻力承载特性试验研究

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自上世纪学者提出桩基负摩阻力概念以来引起了广泛关注与研究,特别是后期填土堆载等情况容易引起较大的桩土沉降,所伴随产生的负摩阻力对桥梁桩基正常使用存在着较大的安全隐患。而现有文献利用试验方法对群桩和多种桩型的研究相对较少,对负摩阻力影响因素探究不够全面,且计算理论未考虑堆载影响。故本文利用室内模型试验、有限元数值模拟及理论计算等方法充分认识桩基负摩阻力承载特性,主要研究工作可概括为以下方面:
  (1)选取单桩、环形5桩、矩形3×3群桩不同桩型进行室内模型试验,通过改变平衡堆载等级、桩间距大小建立 7 种工况试验方案,从桩-土体沉降、桩身轴力、中性点位置、桩体下拉力及群桩效应等角度展开负摩阻力特性分析,并对比得出不同桩型的负摩阻力承载特性。对于同一桩型,桩间距和堆载等级的增加,均会引起桩-土沉降与桩身轴力的增加、下拉力随之增大促使中性点下移,且群桩效应系数增大,达到6D桩间距时群桩效应基本消散,其中堆载等级的改变对于负摩阻力特性影响最大;对于不同桩型,在桩体沉降、桩身轴力及中性点埋深均表现出单桩>环形5桩>矩形3×3桩,其中性点位置基本在0.77 L-0.93 L范围;不同桩位在轴力、下拉力、群桩效应系数及中性点埋深方面也存在角桩>边桩>中心桩的大小关系,其中角桩群桩效应系数可达到0.9以上更近似于单桩受力特性。
  (2)通过以室内模型试验为基本参数建立有限元模型,设置不同桩端持力层、堆载范围、施工加载顺序及桩土接触面属性延伸了负摩阻力影响因素的研究。随着桩端持力层弹性模量、桩土接触系数增加,相应的桩身轴力随之增加,桩体沉降减小,中性点位置下移;堆载范围大于1.5 L×1.5 L尺寸时可等效为满布堆载设计;先桩载后土载比先土载后桩载工况下的轴力整体更大,中性点位置更靠近桩端底部,负摩阻力产生的下拉力更大,土载和桩载同时加载时介于两者中间。
  (3)依托反映桩土位移关系的荷载传递法,选取BoxLucas函数模型回归拟合确定桩基侧阻力与桩土相对位移关系的传递函数,引入Boussinesq解提出考虑平衡堆载大小及范围的桩侧摩阻力分段计算理论,运用有效差分法和迭代计算求解,并借以工程实例验证方法可靠性,最大计算值较试验值偏大12.7%。
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