珊瑚礁钙质土中桩基工程承载性状研究

 博士学位论文摘要　在钙质土这种特殊岩土介质中的桩基工程具有特殊的承载性状。本文全面综合了钙质土中桩基工程现有的研究成果, 通过室内模型桩试验、理论分析、数值计算等方法对钙质土中的桩基承载性状进行了系统的研究。(1) 简要分析了钙质砂砾特殊物理力学性质, 提出了一种考虑内摩擦角随围压增大而减小的钙质砂非线性剪胀K2G 模型;(2) 详细分析了钙质砂中桩侧摩阻力性状及其影响因素, 通过桩土界面摩擦特性研究, 从桩土共同作用角度出发, 指出了桩侧土的压缩性是影响挤入桩桩侧阻力的重要因素, 因颗粒破碎而产生较大压缩性是钙质土低桩侧阻力的重要成因, 并在此基础上, 探讨了考虑桩侧土压缩性的挤入桩桩侧阻力理论计算方法;(3) 详细分析了钙质砂中桩端阻力性状及其影响因素, 指出桩端土的颗粒破碎而产生较大变形是造成低桩端阻力的主要原因。同时结合球形孔穴扩张桩端破坏模式, 提出了一个考虑变形参数的桩端阻力计算理论模型, 并在此基础上建立了一个简单计算模型;(4) 针对珊瑚礁软硬互层地基问题, 提出了拟三层弹性连续体系中桩端持力层应力分析模型, 建立了该类地层桩端阻力理论计算模型的解析解, 并由此解决了桩端礁灰岩层的冲剪阻力计算问题和临界厚度的确定方法;(5) 在考虑钙质砂桩基承载性状特征前提下, 运用荷载传递函数法, 成功地导出了变剪切刚度系数的单桩荷载——沉降非线性计算模型的解析解, 并进行了试验验证;(6) 分析了珊瑚礁区典型特征波浪对大、小直径桩的波浪力, 通过模型试验, 分析了钙质砂中桩基水平承载性能, 并进行了与一般石英砂的对比分析。     

考虑泥皮效应的大直径超长桩离心模型试验研究

应用离心模型试验研究了深厚软土地基中考虑泥皮效应的大直径超长单桩的承载变形特性。试验结果表明,考虑泥皮效应后,桩侧极限摩阻力约为不考虑泥皮的65%～85%,单桩极限承载力下降约20%。同时研究了桩径、桩长、持力层性质对单桩极限承载力和桩侧摩阻力的影响。结果表明,高荷载水平作用下,大直径超长桩的桩侧土层摩阻力易发生软化,导致桩产生渐进破坏;淤泥质粘土中,桩侧摩阻力随桩径增加而降低,但降低幅度较小;桩侧摩阻力具有深度效应,对某一特定深度土层,随着桩进入土层深度的增加,桩侧摩阻力下降,可表示为(h/R)的函数。     

微生物珊瑚砂桩单桩复合地基承载特性研究

通过微生物珊瑚砂桩单桩复合地基模型试验,研究了褥垫层厚度和桩间珊瑚砂相对密实度对微生物珊瑚砂桩单桩复合地基承载特性的影响。试验结果表明:褥垫层厚度从1 cm增加到5 cm,复合地基承载力在桩间珊瑚砂相对密实度分别为44%、56%、70%时分别提高了91.8%、45.6%、31.0%,土压力分布均匀性等也得到了改善;桩间砂相对密实度从44%增加到70%,褥垫层厚度分别为1 cm、3 cm、5 cm时复合地基承载力分别提高了121.8%、97.4%、51.5%;微生物珊瑚砂桩侧摩阻力随相对密实度增大而略有增大;微生物珊瑚砂桩侧摩阻力随深度先增大后减小,最大侧摩阻力出现在试验桩桩深10~20 cm之间;建议微生物珊瑚砂桩复合地基褥垫层厚度为0.6倍桩径。试验结果可为微生物珊瑚砂桩复合地基的工程运用提供参考。     

黄土地基微型群桩抗拔承载力及群桩效应研究

微型桩因其受力性能好及施工优势逐渐应用于输电线路杆塔基础,但群桩基础承载性能的研究相对较少。基于黄土地基微型群桩现场静载试验,研究了桩数和桩间距对微型群桩抗拔承载性能的影响;并建立了精细化有限元模型,进行了极限承载力分析。通过与试验结果对比,验证了有限元模型的合理性,在此基础上分析了桩间距、桩倾角对微型群桩抗拔承载性能的影响。结果表明：随着桩数、桩间距及桩倾角增加,微型群桩抗拔承载力均表现出不同程度的提高。结合试验和有限元分析可得黄土地基微型群桩的桩间距建议值4d,桩倾角建议值10°,群桩抗拔效应系数建议值0.80。     

软土中群桩承载变形特性与减沉复合疏桩基础设计计算

根据大型现场模型试验,分析了软土中群桩承台、桩、土相互作用特性。试验表明:随桩距增大,承台土抗力和桩侧阻力增大,而端阻力减小;当桩距增至6d时,侧阻力趋近于单桩,端阻力仍高于单桩,承台土抗力发挥率(承台效应系数)仅为50%左右,明显小于其他类土;桩基沉降变形特征表现为桩端刺入和桩间土压缩为主导;不同于小桩距群桩的桩、土整体变形特征。根据软土中疏桩基础承载变形特征,提出减沉复合疏桩基础简化设计方法,以计算桩间土压缩及桩土相互作用效应确定桩基沉降,并以十余项实际工程进行了验证。     

砂岩地层变截面桩抗拔承载特性现场试验研究

为研究砂岩地层变截面桩抗拔承载特性,本文对变截面桩和等截面桩进行了现场静载荷试验,分析比较了两种桩型的侧阻力与轴力作用特征,并将试验结果与规范计算值进行了比较。结果表明：变截面桩的抗拔承载特性与等截面桩相似,其桩身侧阻力值主要受岩土体性质的影响,与桩径无关,但是桩径和桩长的增加能有效提高桩基极限抗拔承载力。受地层变化和应力集中影响,变截面桩桩身变形量增大,桩与岩土体相对位移增大,侧阻力充分发挥,故在变截面处桩身轴力和侧阻力急剧变化。采用规范方法计算变截面桩和等截面桩的极限抗拔承载力,计算值分别为试验值的29.6%～38.8%和29.5%～65.5%,说明规范方法偏于保守。     

南京地区大直径后注浆嵌岩桩静载荷试验研究

桩基静载荷试验是研究桩基承载力性能和工艺参数最为可靠的试验方法。基于4根直径1.2m桩端桩侧联合后注浆嵌岩钻孔灌注桩单桩静载荷试验,得到了试验桩的荷载位移曲线、桩身轴力分布特性、桩侧摩阻力分布特性和桩身承载力特性。试验表明:该4根试桩极限承载力均不小于50 000 kN,桩顶位移变形量均小于45 mm,位移控制能力表现较好;通过桩身轴力和桩身断面位移变形参数分析可知,桩顶位移变形主要来于非嵌岩段的桩身压缩变形,占总变形量的88%～92%;桩身轴力及侧摩阻力曲线表明嵌岩段的侧阻力并未充分发挥,端阻力占总承载力的比例相对较小,为6%～7%左右;桩基承载力主要由侧摩阻力承担,表现为摩擦桩。     

竖向荷载下的群桩效应和群桩基础概念设计若干问题

通过不同土质中一系列大型群桩试验,揭示其在竖向荷载下群桩侧阻力、端阻力、承台土抗力的群桩效应及承载力群桩效应,据此对群桩基础概念设计的若干问题进行讨论。     

粉土中钻孔群桩承台-桩-土的相互作用特性和承载力计算

为了研究粉土中钻孔群桩的工作性能和承载力等问题,进行了系统的接近于原型尺寸的现场群桩试验。通过埋设测试元件对承台土反力、桩侧摩阻力、桩端阻力、桩土相对位移等进行了测定。本文根据部分试验结果分析了承台、桩、土的相互作用特性,发现在一定条件下,侧阻发生“沉降硬化’和“沉降软化’现象;承台对侧阻起“削弱效应”,对端阻起“增强效应”;无论大小桩距、高低承台,群桩均不出现“整体破坏”。据此,提出了考虑承台、桩、土相互作用计算’群桩垂直极限承载力的模式。     

考虑时间效应的斜桩基负摩阻力室内模型试验研究

斜桩基是桥梁支墩、码头等工程中常用的桩基础形式,但是针对斜桩基础负摩阻力问题的研究却相对较少。进行了黏性土层中斜单桩及斜群桩在桩周土堆载固结条件下负摩阻力性状的室内模型试验研究,测得了桩侧负摩阻力、桩端阻力以及桩周土体分层沉降随固结时间的变化情况;并进行了同等条件下竖直单桩及竖直群桩试验作为比较分析。试验结果表明,斜桩和竖直桩桩侧负摩阻力引起的下拽力都存在明显的时间效应和群桩效应;在本文试验条件下,当桩–土相对位移达到2mm时,桩侧负摩阻力将达到其最大值的80%～90%左右。     

软土地基上微型桩抗压和抗拔特性试验研究

微型桩(Micropile)和常规钻孔灌注桩相比,具有单位体积混凝土承载力高、施工场地小、适用各种类型的土、布置形式灵活等特点,可以用做输电线路杆塔基础。本文通过软土地基上微型桩的单桩、群桩抗压和抗拔现场试验,研究其荷载-沉降特性、群桩效应、施工工艺等,以期为微型桩的设计和施工提供依据。试验结果认为:单桩荷载-沉降曲线是缓变型,属摩擦桩,可以以2 0mm沉降量对应的荷载作为桩的极限承载力;可以以2 0mm～3 0mm上拔量对应的上拔荷载作为单桩极限上拔荷载;斜桩可以更好地承担上拔荷载。     

One-dimensional dynamic compressive behavior of dry calcareous sand at high strain rates

Calcareous sand has distinct characteristics in comparison with silica sand, such as dynamic behavior at high strain rates (HSRs). This is closely related to pile driving, aircraft wheel loading and mining activities. To understand the response of calcareous sand at HSRs, a series of dynamic tests is performed using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) with steel sleeve, including 6 validation tests of bar-against-bar and 16 comparative tests relevant to the relative density and strain rate of calcareous and silica sands. The apparent dynamic stiffness of calcareous sand is approximately 10% of that for silica sand due to different particle shapes and mineral compositions. The axial stress-strain response of silica sand is mainly governed by the deformation of individual grain and soil skeleton, and particle crushing. However, porous calcareous sand shows yielding and strain-hardening responses that are always followed by particle crushing. As the applied loading increases, the particle crushing of calcareous sand develops from local instability to whole breakage. Calcareous sand has lower viscous flow effects compared with silica sand at HSRs.     

Physical modeling of behaviors of cast-in-place concrete piled raft compared to free-standing pile group in sand

Similar to free-standing pile groups, piled raft foundations are conventionally designed in which the piles carry the total load of structure and the raft bearing capacity is not taken into account. Numerous studies indicated that this method is too conservative. Only when the pile cap is elevated from the ground level, the raft bearing contribution can be neglected. In a piled raft foundation, pile–soil–raft interaction is complicated. Although several numerical studies have been carried out to analyze the behaviors of piled raft foundations, very few experimental studies are reported in the literature. The available laboratory studies mainly focused on steel piles. The present study aims to compare the behaviors of piled raft foundations with free-standing pile groups in sand, using laboratory physical models. Cast-in-place concrete piles and concrete raft are used for the tests. The tests are conducted on single pile, single pile in pile group, unpiled raft, free-standing pile group and piled raft foundation. We examine the effects of the number of piles, the pile installation method and the interaction between different components of foundation. The results indicate that the ultimate bearing capacity of the piled raft foundation is considerably higher than that of the free-standing pile group with the same number of piles. With installation of the single pile in the group, the pile bearing capacity and stiffness increase. Installation of the piles beneath the raft decreases the bearing capacity of the raft. When the raft bearing capacity is not included in the design process, the allowable bearing capacity of the piled raft is underestimated by more than 200%. This deviation intensifies with increasing spacing of the piles.     

灌注细石混凝土微型桩基础下压试验研究

通过现场真型试验,对灌注细石混凝土成桩微型桩基础抗压承载机理及其抗压承载力计算方法进行了研究。试验表明:本次试验条件下,微型桩单桩可看成纯摩擦桩进行抗压承载力计算;微型桩群桩在极限下压荷载作用下,承台底部土体承担荷载比例仅为4.8%,在进行微型桩群桩抗压极限承载力计算时可不考虑承台底土的承载作用;由于承台对下压荷载的重分配,在下压荷载作用下,角桩承力最大,边桩次之,中桩最小;本次试验条件下,微型桩抗压群桩效应系数可取0.8进行计算。     

乌江构皮滩水电站软基锚桩抗拔试验研究

在乌江构皮滩水电站水垫塘及边坡存在页岩、黏土岩、粉砂质黏土岩,且夹薄层泥灰岩和少量中细粒钙质砂岩,为典型的不均质软岩,为了克服运行期间的浮托力,设计采用1 200多根锚桩对该层软岩进行锚固,则锚桩的极限承载力、群桩的间距和锚固深度等3个主要指标需要通过原位试验确定。将地表变形测量和深部应力测量的一般方法应用于锚桩的径向变形和轴向应力影响范围测量,进行了5根锚桩抗拔试验,并设计了一套试验方法。通过研究不同边界条件下锚桩的破坏形式,确定了锚桩的极限承载力标准值。通过测试锚桩周围岩体铅直方向上抬变形沿径向的分布规律研究了锚桩对软岩的影响范围,确定群桩间距为12D(D为桩径),通过预埋钢筋计测试不同深度的应力大小,研究了锚桩深部应力的分布规律并确定了锚桩的锚固深度为42D。     

复合桩基承载性状研究

通过对带承台单桩、群桩模型试验承载性状的分析,说明带承台单桩的承载性状与群桩的承载性状并不完全相同,不能将带承台单桩的试验结果简单地推广到群桩的设计计算中去。在带承台单桩试验中,发现带承台单桩的极限承载力大于单桩与平板极限承载力之和,而在复合群桩试验中,复合桩基的极限承载力则大大小于各单桩与平板极限承载力之和。结合现场大型群桩模型试验结果及现行规范阐述了复合桩基的承载性状。     

挤密效应对砂土中水平受荷桩承载特性的影响

砂土中的挤土桩在实际工程中广泛应用,部分挤土桩长期遭受风荷载、波浪荷载等水平循环荷载的作用,而挤土桩对桩周土体的挤密效应会对桩身水平承载力产生较大影响。通过开、闭口桩的室内模型试验,研究分析了砂土初始相对密度、桩径、长径比等因素对挤土桩单调和循环承载特性的影响。结果表明,在不同密实度砂土中,开口桩水平承载力总体上弱于闭口桩。桩径、长径比和土体相对密度都会对开口桩、闭口桩之间承载力的差值造成较大的影响。循环荷载作用下,松砂中不同桩径和埋深的开口桩、闭口桩的水平承载力都随着加载周期的增加而增大,而在中密砂中,随着循环次数的增加,循环加载后承载力增加的幅度较松砂中的减少,甚至出现下降。     

广义群桩水平承载力计算方法探讨

从广义的角度出发,根据规范中的群桩基础水平力计算的条件,结合工程实例,通过分析单桩承载力计算方法给出了群桩基础水平承载力计算公式,从而指导实际工程中群桩水平承载力计算。     

基于塑性支承桩概念的复合桩基设计与探讨

对于特大桩距的复合桩基,当单桩为摩擦桩(或端承力较小的端承摩擦桩)时可认为各桩的工作状态将从弹性支承转为完全塑性支承,即塑性支承桩。在满足整体安全度的前提下,可令各单桩工作荷载接近或等于其极限荷载,其余荷载由地基土承担,最终的沉降状态由地基土的抗变形能力控制。介绍了基于此概念的复合桩基设计方法,对整体安全度及沉降验算等问题进行探讨,提出了改进方法和设计建议,计算结果与工程实测数据比较吻合,在设计实践中取得了很好的经济效益。     

注浆挤扩灌注桩在工程应用中的关键施工技术

钻孔灌注桩具有对周围环境影响小、噪声小等优点,但桩身材料利用效率低。针对传统钻孔灌注桩的不足,介绍了一种新型的注浆挤扩灌注桩工艺。对钻孔灌注桩与注浆挤扩灌注桩进行了试桩试验,证明注浆挤扩灌注桩相比于钻孔灌注桩可极大地提高承载能力及抗拔能力,进而将原设计的钻孔灌注桩优化为注浆挤扩灌注桩。实践表明,优化做法既可以提高后注浆工法的可靠性,又可以大幅提高钻孔灌注桩的承载性能,减少了桩的数量及长度,具有良好的经济效益。