岩质边坡桥梁基桩受力分析的理论与试验研究

【摘要】： 随着我国西部大开发战略的实施,高等级公路建设将大量穿越崇山峻岭区,以往盘山公路的形式已经无法满足人们对交通运输快速、安全、便捷的需要,而出于保护山区植被的考虑,对山岭进行大砍大挖更不可行,故一般采用隧道或高架桥的形式穿越,在该类高架桥工程中桩基础的使用不可避免。此时基桩受力复杂,其承载机理及受力分析计算方法与常规桩基存在许多不同,常规计算方法已难以应用。该类基桩相应的设计计算及安全监控均缺乏相应的规范指导,存在较大的盲目性。本文结合国家自然科学基金“陡坡段桥梁桩基设计理论与数值模拟方法研究”(50578060)和湖南省交通厅科技项目“高陡边坡段桥梁桩基设计与防护技术研究(200513)”课题,以解析法、数值方法、室内及现场试验为手段,对岩质边坡的桥梁桩基的承载机理及受力分析进行了探讨,主要在以下几个方面进行了研究: 本文首先通过对国内外已有有关研究文献的综合分析,较深入地探讨和总结了复杂荷载作用下岩质边坡桥梁基桩的承载机理及工作性状,在充分考虑岩质边坡桥梁基桩复杂受力条件的基础上,借鉴平地基桩在复杂荷载作用下桩身内力及变形计算的分析思路,将基桩的受力归纳为桩顶轴向荷载、横向荷载以及桩侧岩体的侧向压力及抗力几个方面,在简化边坡上基桩前后岩(土)体的抗力及推力的分布规律的情况下,建立轴、横向荷载共同作用下岩质边坡桥梁基桩的计算模型,并采用幂级数方法推导求得岩质边坡桥梁基桩内力计算的解析解。为进一步研究岩质边坡桥梁基桩的受力特点,在考虑坡体推力的不规则和多样性的基础上,将基桩划分点以差分形式近似地代替桩身弹性曲线微分方程,将坡体推力以任意形式作用到基桩上,以此作为设计荷载合理考虑坡体与桩体的相互作用,导得了一套适用于岩质边坡桥梁基桩的内力及位移计算方法,编制出相应的计算程序,对基桩的设计进行指导,并结合计算算例研究了岩质边坡坡体推力形状、大小、位置及不同边界条件对基桩受力及位移的影响。 为更加深入探讨岩质边坡桥梁基桩的承载特性以及影响因素,采用国际上通用的先进非线性有限元分析软件Marc,在考虑桩-岩接触等非线性因素的基础上,建立了岩质边坡桥梁基桩单桩的三维弹塑性模型,并针对岩质边坡桥梁基桩在施工过程中不同阶段的特点进行计算,得到其应力分布情况,并通过计算得到了基桩在不同荷载条件下的受力特点。并根据正交试验设计原理,建立岩质边坡桥梁基桩的正交分析的有限元模型,并对影响基桩受力的E(弹性模量)、?(内摩擦角)、c(粘聚力)、d(基桩直径)、边坡角度这五种因素进行敏感度分析。 最后,在相似理论基础上,采用方程分析法导出岩质边坡桥梁基桩的相似准则,以该准则为指导设计并完成了岩质边坡桥梁基桩的室内模型试验,分别进行了竖向荷载、侧向荷载、水平荷载作用下的4组16根岩质边坡模型桩受力试验,深入探讨了不同加载方式、不同桩顶自由长度、不同嵌固深度、不同基桩刚度以及不同边坡坡度等情况对基桩受力的影响。并结合论文依托工程,通过现场试验的实测结果与理论计算结果的对比分析,进一步验证了本文理论方法的可靠性。