自锁型悬臂桩模型试验与数值模拟研究

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随着基础建设规模的迅速扩大,高填、挖方工程成为岩土工程研究的重要课题。自锁型悬臂桩(以下简称自锁桩)作为一种新型支挡结构,自锁机构“桩把”能显著改善桩前土的受力状态,限制其隆起破坏趋势,并部分分担桩身弯矩,因而较传统悬臂桩(以下简称悬臂桩)桩身嵌固段挖方量小、水平承载力高、桩身转角与桩头位移小,在挖、填方工程中有很好的应用前景。本文依托某填方工程,采用室内模型试验与数值模拟相结合的方式,对自锁桩的受力特性进行探讨,主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过室内模型试验,探讨了自锁桩的工作机制,比较了悬臂桩和自锁桩桩身位移、桩身弯矩和桩周土的受力、变形和破坏规律。结果表明:悬臂桩荷载较大时桩前土内部会出现一系列平行斜裂缝,并最终隆起破坏,自锁桩“桩把”对桩前土的竖向压力作用,改善了桩前土的受力状态,限制了桩前土塑性区的发展,从而有效降低桩头位移和桩身控制弯矩。而且荷载越大,桩头位移和桩身控制弯矩降低效果越明显。(2)通过FLAC3D数值模拟软件建立依托工程的三维模型,基于桩身混凝土用量相等的原则,通过“切桩宽补桩把”的方式,构造了1m~4m(梯度0.5m)共7种不同“桩把”长度的自锁桩和5种不同强度的嵌固段土体,研究“桩把”长度和嵌固段土体强度对自锁桩的桩头位移、桩把和桩身控制弯矩、桩前土应力状态的影响。结果表明:当嵌固段土体强度较低时,自锁桩的桩身控制弯矩、桩头位移随着“桩把”长度的增加而减小;随着嵌固段土体强度的提高,自锁桩的桩身控制弯矩、桩头位移随着“桩把”长度的增加呈先减小后增加的趋势,但增加幅度不大,即最优桩把长度随嵌固段土体强度降低而增大。桩把长度超过3m后,自锁桩“桩把”控制弯矩稳定在悬臂桩桩桩身控制弯矩的1/3左右。“桩把”改善了桩前土的受力状态,桩前土压力最大值由-2m位置上升至嵌固段顶部。(3)以悬臂桩的设计计算方法为基础,结合室内物理模型试验和数值模拟试验结果,考虑“桩把”对桩前土的限制和桩身的反弯作用,借助传统弹性地基反力法,实现了自锁桩的解析计算。图52幅,表11个,参考文献75篇。
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