劲性复合桩加固坡岸稳定性分析方法及工程应用

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基桩加固坡岸的稳定性是保证其工程安全施工和运营的重要指标。由高强度预制混凝土管桩内芯插入水泥土搅拌桩外芯而制成的劲性复合桩兼具两者承载性能优点,工程应用前景广阔。但截止目前,对劲性复合桩加固坡岸的稳定性分析研究尚处于探索阶段,已有成果难以指导工程实践。本文采用现场试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,对劲性复合桩加固坡岸稳定性分析方法展开系统性研究,研究成果可为现有劲性复合桩复合地基稳定安全系数计算提供理论依据。论文的主要研究内容和成果如下:(1)依托南京秦淮河航道整治工程劲性复合桩加固坡岸工程开展现场试验,研究施工与运营过程18个月内劲性复合桩桩顶应力变化规律与加固能力,根据试验数据规律提出劲性复合桩能满足坡岸稳定要求。水泥土桩水化降低桩间土含水率并能保护内芯。坡岸挡土墙内部水平位移在两次填土期间发展较快,间歇期与固结期水平位移发展较缓,挡土墙顶部位移介于10~20 mm。对于内、外芯桩径比为3:7的劲性复合桩,回填加载过程中桩顶应力集中效果显现,内芯承担荷载值较高,水泥土搅拌桩外芯承担一定荷载值,桩间土承担竖向荷载值极为有限。稳定后的比例约20:5:1,综合桩土应力比达到约6:1。(2)采用Abaqus数值模拟强度折减法探究无桩、原设计方案PHC管桩与现方案劲性复合桩加固三种情况下坡岸的稳定安全系数,表现劲性复合桩抗滑贡献。4根长度8 m PTC-300-55内芯结合700 mm水泥土外芯的等芯劲性复合桩加固工况稳定安全系数不仅满足安全要求,而且高于原方案5根长度9 m的PHC 400(C)管桩8.32%,且约束坡岸向河道位移变形能力较强。河水水位保持长期稳定情况下,高水位高度对维持坡岸稳定起正面作用。(3)判定了作为劲性复合桩支撑主力的内芯的最危险破坏模式,利用混凝土塑性损伤模型确定群桩内芯破坏模式与顺序随桩位不同存在差别,明确了外芯维护稳定作用。位于滑动圆弧底部及后部的劲性复合桩不太可能发生压坏或剪坏,抗弯贡献显著,弯坏可能性高;滑动圆弧最前端内芯挠曲变形有限,桩底上移趋势明显,未达开裂弯矩即发生拉伸损伤,最可能发生拉坏。过渡区域拉弯桩破坏先于拉坏桩,拉坏桩破坏先于弯坏桩。外芯自身承弯作用近于刚度弱化桩体,但破坏后因与内芯结合而依然能发挥强度,并有效传递水平向受力至桩周土体,因此同时具有强度强化桩周土体特征,能够限制内芯挠曲,推迟拉伸损伤发生,保护内芯工作。(4)考虑劲性复合桩破坏模式与破坏时序差异,基于现有刚性桩计算方法提出适用于劲性复合桩加固坡岸的稳定分析解析计算方法。劲性复合桩相对于刚性桩更难压坏,将坡岸坡面1/2处以内的劲性复合桩判断为最可能弯坏,并将外芯作为强化土体参与计算。坡岸坡面1/2处以外劲性复合桩最易拉坏,计算中需要考虑内芯拉裂破坏、内芯相对外芯拔出、劲性复合桩整体拔出三种可能破坏模式。经过对本文两个数值模拟模型的稳定安全系数计算验证,证明基于破坏差异的劲性复合桩加固坡岸稳定分析方法结果比较准确。
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