桩侧后压浆大直径钢管桩水平承载特性研究

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钢管桩较传统单桩具有材质性能、自重、承载力、灵活性、施工速度等方面的优势,因此被广泛应用于海洋工程。但在波浪、潮汐、飓风等长期水平荷载作用下,桩周土体会出现侧向松驰变形,削弱了桩基的水平承载性能。桩侧后压浆技术作为提升桩基承载性能的可靠手段之一,兼具工艺简练、成本低廉等优点,可以弥补钢管桩水平承载性能的短板。然而,开发出与钢管桩结合度高并便于实际施工的桩侧后压浆装置与工艺仍具有一定挑战性,对桩侧后压浆钢管桩在复杂的海洋环境条件下的水平承载特性的研究仍需进一步深化。为此,本文在课题组研发出的一套适用于大直径钢管桩的桩侧分布式后压浆装置的基础上,采用模型试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,对不同地基土、不同后压浆方式的钢管桩水平承载特性开展了深入研究,主要成果如下:(1)通过模型试验,证明自行设计、改造的分布式后压浆装置可以有效应用于钢管桩并起到明显的加固效果。(2)基于地基土为黏土的模型试验,研究了不同压浆方式对黏土中钢管桩水平承载特性的影响,结果表明:较未压浆桩,普通后压浆桩和分布式后压浆桩的水平临界荷载分别提高了20.0%和80.0%,水平极限承载力分别提高了57.1%和85.7%,相同荷载下的桩身侧向位移均有所减小,分布式后压浆对黏土中钢管桩水平承载力的提升大于普通后压浆。(3)基于地基土为砂土的模型试验,研究了不同压浆方式对砂土中钢管桩水平承载特性的影响,结果表明:普通后压浆桩和分布式后压浆桩的初始桩头刚度分别提高了42.4%和122.1%,水平临界荷载分别提高了34.5%和73.2%,水平极限承载力分别提高了65.0%和115.0%,桩侧后压浆对砂土地基中钢管桩的水平承载力有较大幅度提升,而分布式后压浆可以在普通后压浆的基础上进一步提高单桩水平承载力。(4)对比分析了黏土和砂土中不同桩型的m值变化规律,结果表明相同荷载下未压浆桩、普通后压浆桩和分布式后压浆桩的m值依次提高,在试验结果的基础上,给出了现有规范中缺失的桩侧后压浆钢管桩在软塑状黏土和中粗砂中m值的推荐值范围。(5)通过不同桩型之间桩身内力的对比发现,在黏土地基和砂土地基中,分布式后压浆可以在一定程度上解决普通后压浆造成的桩身弯矩和桩身剪力在某些位置过于集中和突变的问题,进而改善钢管桩桩身内力的分布规律。(6)基于开挖试验,研究了水泥浆液在黏土和砂土中的扩散机制,分析了桩-加固体-土体系作为一个整体协同工作的机理,结果表明:水泥浆液在黏土中主要的扩散形式为劈裂扩散,少量沿桩身外侧挤密、填充;水泥浆液在砂土中主要以压密形式扩散,在压浆孔附近形的桩侧成最大直径约8~10 cm的不规则固结体,并沿桩身形成一定厚度的加固体;与普通后压浆相比,分布式后压浆在土中的分布范围更广,与桩身、土体结合的更紧密,形成了更稳定的水泥土加固体结构。
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