变截面桩与土的相互作用机理

内容简介

本书重点介绍各种变截桩的特点、荷载传递性状、与土的相互作用机理和破坏性状等，阐述了各种变截面桩的适用条件、施工、设计，为广大土木工程人员、科研人员以及在校研究生提供理论依据和设计依据，也为支盘桩的推广应用扩大了市场。

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桩基础作为重要的基础形式，已广泛应用在桥梁、港口码头、近海平台和土工建筑（如桩基挡土墙、开挖支护桩和抗滑桩）等工程项目中。在受到侧向荷载作用下，桩与土之间的相互作用机理十分复杂。桩在侧向荷载作用下的变形发展直至破坏过程，实质是桩与桩周土体相互协调、相互作用的结果。本研究基于可视化试验装置开展了模型单桩在干砂和饱和砂土中的侧向受荷试验，通过对比分析饱和度和密实度对桩-土相互作用的影响。基于PIV技术和多台相机标定方法，二次开发了Stereo-PIV程序。改编相机标定工具箱软件和三维共线方程解析法，自行编写MATLAB程序，重组三维空间坐标。结合土体表面的三维位移和桩的力学特性，分析主动桩、被动桩和中间土体的相互影响。本研究将渗水力技术与粒子图像测速技术结合，研制一种能量测土体位移的渗水力模型试验装置，并将此应用到侧向受荷桩土体位移场研究中，扩展了PIV技术的应用范围，量测了在不同重力场下的土体位移变化。还将透明土技术和粒子图像测速技术相结合，分析侧向荷载桩周土体内部的位移变化规律。通过多个平面的反距离加权插值分析，获得了土体内部的真三维位移，该方法可以有效的研究桩与土体的内部相互作用，为揭示桩-土相互作用机理提供更全面的数据。本研究从桩周土体位移的角度对侧向受荷桩的工作机理开展模型试验研究，为揭示桩-土相互作用机理提供更全面的和完整的参考。 2100433B

随着高层建筑、桥梁和海洋平台等结构性能化设计和精细化设计深度的发展，桩基础所承受的风、交通、潮汐和地震作用等横向荷载，已经越来越受到中外学者的重视。桩的横向受荷是桩和土体相互作用的过程，桩的性状是由桩周围土体的变形和破坏特性控制，可视化和定量化研究土体变形和破坏具有重要意义。本项目利用室内模型试验和数值模拟计算研究横向荷载桩与土体相互作用机理。采用粒子图像测速技术动态测量桩在横向加载过程中桩周砂土的位移，计算桩的弯矩、挠度、剪力和桩周土体的抗力、位移、剪应变等，得到更可靠和真实的p-y曲线参数。首次将透明土和渗水力模型试验相结合，可视化和定量化分析ng重力场土体内部变形规律。通过非饱和砂土、饱和砂土和透明土的试验，定量分析饱和度、侧限条件和应力水平对桩土相互作用的影响，研究渗水力模型试验在桩土相互作用中的可靠性，为简化昂贵的现场试验提供可借鉴的方法。

生态岩土学植物的力学加筋作用

当土体受到剪切力时,剪切应力通过根的表面摩擦力而转化为对根的拉力。由于植物根系的抗拉性, 土体的总体强度得到了有效的加强。不同类型植被加固土体的机理有所不同。例如，草本植物根系直径一般小于1mm, 根系深度为0.75-1.5m, 绝大部分根系分布在地表0.3 m 的土层内。这些浅层植物根系与土壤组成三维网状结构体, 形成加筋复合体保护层, 将土壤颗粒固定起来, 减小地表土壤侵蚀。灌木的主根可深达地下2米以上, 对0.75-1.5m 处的土壤有明显的加强作用, 深根性灌木的锚固作用可以影响到地下更深的岩土层。木本植物的垂直根系为深根, 主根粗壮, 扎入土层较深, 其影响深度可达到3-5m。当垂直深根穿过边坡的软弱面或者滑动面, 主根的作用相当于锚杆或者抗滑桩。植物根系的加筋效果与根的极限抗拉强度及其发挥程度有关。研究表明真菌能显著提高植物根系的极限抗拉强度, 加强植物的力学加筋作用。

生态岩土学植物的水力作用

目前国内外的研究和工程实践大多只考虑植物根系的力学加筋作用, 然而最新的研究发现了植物的水力作用（即植物的蒸腾作用会增加土体吸力, 从而增加土体抗剪强度并且降低渗透系数）更为重要。植物不仅可以通过根系的力学特性增强浅层土体的强度, 还可以通过蒸腾作用吸收土体水分, 在土体内产生吸力（负孔隙水压力）, 从而改变土体的工程性质。一方面, 蒸腾作用产生的土体吸力可以增强土体的抗剪强度。另外, 吸力也提高了土体的剪胀特性，从另一个角度进一步增强土体的抗剪强度，从而能够有效的控制地表水力侵蚀。另一方面，非饱和土的渗透系数随着吸力的增长而降低。这是因为在非饱和土中孔隙水是亲水介质，空气是疏水介质，所以水只能通过孔隙水占据的空间流动。当土体吸力增大时，土体含水量降低，土体的渗透系数也相应减小。土体渗透系数的减小能够有效降低降雨入渗量，从而使土体维持较高的吸力水平，增强了土体的抗剪强度。可见植物是天然的工程师，植物的水力作用能够提高土体稳定性，减小地表侵蚀。

生态岩土学生物炭-植物根系-土相互作用

近期，生物炭的研究领域从农业及环境科学扩展至岩土工程方面，特别是生物炭在边坡、垃圾填埋场中的应用。虽然生物炭在工程中具有广泛应用潜力，但现时缺乏添加生物炭对植物和土体相互作用的相关了解。由于生物炭拥有多孔特性，并含有大量含氧官能团，可以有效的增加土壤的持水特性，进而对植物生长提供了更为适宜的环境。此外，生物炭的灰分中还富有植物可利用盐基离子（钾、钙、镁、锌等，为植物生长提供了丰富的养分，有效促进植物根系的生长（根系密度、根长等）和植物叶片的光合作用。同时，生物炭相对较大的比表面积，为土壤微生物提供生长繁殖的场所，丰富的有机质和养分元素，有效增加土壤微生物的丰度。因此，丛枝菌根真菌、植物根际促生细菌（PGPR）等菌与根系的共生加强，有利于促进植物对养分的吸收、根系的生长以及根系抗拉强度的增强。除此，生物炭的添加对于土壤酸化、土壤污染（比如重金属污染等）、土壤盐碱化等均有较好的缓解作用，减缓上述土壤问题对植物生长的胁迫及不利影响，进而促进植物包括根系的生长。由于添加生物炭对植物根系生长的促进，使得根系对土体的力学加筋和水力作用更为显著，从而影响土体强度等力学特性。