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《西南交通大学》 2008年
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高桩码头桩竖向荷载下静动力学行为研究

曹胜敏  
【摘要】: 近几年来,随着国家经济建设的高速发展,桩基础在高层建筑、桥梁、港口码头等工程中广泛应用,并逐渐向多桩型、大直径、超长桩方向发展,桩基设计理论也取得了非常迅猛的发展。复合地基理论、疏桩理论、桩基与上层建筑协调工作理论、打桩动力学、桩基无损检测理论等相继问世。然而,由于土的变异性以及桩-土相互作用的复杂性,关于桩基的理论研究仍有许多待完善的方面。 港口高桩码头所处的沿海地区,一般上部均覆盖几米到十几米厚的第四纪覆盖层,均质性差,还时常伴有杂填土及淤泥、淤泥质土等软弱土,复杂的工程地质性质造成桩基承受的力学行为非常复杂;由于码头结构本身的特点,桩基础在海底泥面以上的桩自由段较长,在竖向静动力荷载共同作用下,其承载性状更加复杂,桩基更容易产生失稳破坏。因此,开展码头高桩桩-土耦合以及竖向力学、稳定行为的研究,对进一步认识桩-土之间相互作用关系,获得基桩的静动力行为规律,有着重要的理论和实践意义。 在总结概括目前国内外桩基理论及桩基静力、动力行为研究现状的基础上,本文进行了5个方面的研究工作: (1)依托某大型港口工程高桩码头进行了水上静载试验、高应变动力试验和应变测量,通过分析试验数据,给出了桩侧、桩端荷载的传递规律和桩身最大锤击力、最大传递能量以及最大压应力沿桩身的分布规律;通过对静载试验和高应变动力试验数据对比分析表明,动力试验所选取的参数以及建立的桩土力学模型,可以反映沉桩时桩-土相互作用的性状。 (2)考虑了桩-土之间的接触效应,采用有限元数值计算方法研究了桩-土体系的荷载传递性状和桩、土材料的物理特性、桩的几何参数对基桩竖向承载性状的影响规律,给出了桩长、桩径、桩体弹性模量、桩土模量比、桩体泊松比对基桩的荷载-沉降曲线的影响;分析了桩长、桩径、桩体弹性模量、桩端土层压缩模量与桩身轴力曲线的相互关系,得出了桩土荷载的传递规律。认为对于桩基设计,应优化选择合适的桩径和长径比,并应适当增大桩体弹性模量,长桩设计承载力应按变形控制为主,桩体泊松比对桩的荷载-沉降曲线影响很小。通过桩侧、桩端阻力发挥性状分析,表明桩侧阻力与桩端阻力的发挥是异步的,二者不仅相互影响,而且其发挥性状还与土层性质、入土深度等多种因素有关。 (3)根据WINKLER模型建立了码头高桩的静力屈曲计算模型,并通过ANSYS有限元计算,分析了基床系数、基桩埋入比、桩身倾斜等因素对基桩屈曲行为的影响,给出了码头高桩静力失稳的临界荷载的变化规律。结果表明,影响基桩屈曲临界荷载的主要因素有桩侧土反力、桩身截面形状及截面尺寸、基桩的倾斜程度以及4种地基土抗力模型和成层土中第一层土的基床系数;桩侧摩阻力的影响相对较小,一般情况下可以忽略不计,而桩身自重的影响应视工程实际情况予以考虑。 (4)根据Smith桩-土耦合动力力学模型,建立了基桩动力计算模型,对锤击荷载作用下的基桩动力响应行为进行了研究,给出了锤击荷载下不同桩径、不同桩入土深度条件时,桩顶、桩端的位移和速度时程曲线的变化规律,分析了桩端位移和桩端速度最大时桩身位移、速度和轴力的的变化趋势;通过不同锤击荷载下不同桩径、不同桩入土深度、不同桩长对基桩动力响应行为的分析,得出了锤击荷载、桩径、桩泥面以上的自由段长度是影响基桩横向位移的主要因素,而桩的入土深度对桩的横向振动的影响不大。 (5)利用单桩承载力动测法中实测曲线拟合法,研究了沉桩时桩锤系统能量传递过程,通过对132根混凝土预制桩传递到桩身的能量统计分析表明桩锤系统的效率与理论分析数据基本吻合,沉桩时桩身产生的最大锤击压应力一般发生在桩的中部附近,试验结果与计算分析是一致的;结合现场试验测试,探讨了实测曲线拟合法中桩-土模型的改进问题。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:U656.113

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【引证文献】
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