土体深开挖卸荷作用下的桩基受力变形与承载机理研究项目摘要

深开挖卸荷对坑底桩基受力特性的影响是一个正在引起岩土工程界高度关注的课题。桩基础设置一般先于基坑开挖，桩周土体的卸荷回弹会影响坑底桩的受力与承载特性，甚至危及地下结构与桩基的安全，开挖过程中抽水降压及后期水头恢复使桩基受力更为复杂，给地基基础、支护体系、工程结构甚至周边岩土工程环境带来未知风险。研究深开挖卸荷对桩基的影响机理有助于深入认识与评估坑底桩的性能和安全，并对实际工程具有重要指导意义。本项目首先通过考虑土体卸荷、桩被动受力与孔隙水压力的接触面试验，结合颗粒流模拟分析深开挖卸荷中的桩土界面特性及其细观特征，并将接触面本构应用于非线性数值分析；通过细致的室内模型试验研究卸荷过程中桩基受力特性的细观机理，结合系统的数值模拟分析揭示土体卸荷、降水及恢复水位过程中桩基承载性能的响应规律；给出开挖卸荷后桩基受力与承载宏观特性的基本规律，为地下空间开发中涉及的工程桩分析、设计与施工提供理论依据。

深基坑开挖卸荷和降排水的耦合作用使得地层土体受力状态复杂，并影响桩基础等地下结构的受力变形与承载性能，给地基基础、支护体系、工程结构甚至周边岩土工程环境带来未知风险，甚至可能危及地下结构与桩基的安全。研究深开挖卸荷对桩基的影响机理有助于深入认识与评估坑底桩的性能和安全，并对实际工程具有重要指导意义。本项目综合室内实验、数值分析和现场测试等方法，以复杂受力条件下桩土界面力学特性为切入点，研究了桩周土体深开挖卸荷影响下桩基受力变形特性和承载机理。 首先研制了一套桩土界面三轴模拟试验系统，实现对土体卸荷应力状态、桩土界面剪切加载和孔隙水压力变化等特征的有效控制，可观测接触面剪切过程中桩土相对位移和土样分层变形，克服了现有试验方法的不足。利用该三轴接触面试验仪，测试不同应力状态下的桩土界面行为，结合数值分析探讨了不同应力路径和应力状态下的桩土接触面特性，并尝试采用基于桥域耦合的多尺度分析方法研究桩土界面受力的细观机理。 通过模型试验测试了卸荷条件下桩基承载性能和卸荷过程中桩身受力变形，比较模型试验和三轴接触面试验结果，讨论了不同应力水平下桩土界面行为的异同，弥补常规重力场下小尺度模型试验的不足。在模型试验反分析验证的基础上，采用考虑桩土界面特性的数值方法研究开挖卸荷影响下单桩承载力和桩基受力变形性态。针对深基坑降水开挖过程，提出了基于抽水量控制的瞬态分析方法和基于水位控制的稳态分析方法，研究了降水开挖过程中的地下水渗流及地层变形特性，分析降水与开挖耦合作用下的坑底桩基响应规律。 通过现场测试和数值分析，系统研究了深基坑地基加固处理和地下连续墙施工过程中的周边土体响应机制，确定了深基坑开挖前桩周地层的受力性态。结合实际工程，采用数值和解析手段，分析了深基坑开挖卸荷过程中桩基和地下结构的受力变形分析，讨论了土-结构界面特性、地下水降水渗流等对桩基础和地下结构的影响规律。总结基本规律后提出了简化分析方法，应用于上海虹桥综合交通枢纽、上海西站综合交通枢纽、东西通道、上海中心大厦、世纪大都会等工程，优化了基坑和基础的设计施工方案，确保了工程安全。 本项目研究成果发表国内外期刊和会议论文15篇（其中SCI论文7篇），并有3篇SCI论文录用待刊，共授权发明专利3项，新申请国家发明专利8项（均已公开）。相关研究成果获省部级科技奖励3项、国际学术会议优秀论文奖励1次。 2100433B

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。

工程开挖、河谷下切及支护结构损伤均会致使岩体卸荷，对卸荷过程中岩石变形破坏机理的正确认识是岩体工程稳定性评价及灾害防治的关键基础问题。针对高地应力环境下岩石的不同卸荷过程，本项目拟通过室内三轴卸荷、物理模型及破裂面电镜扫描试验，结合理论及数值分析，探究不同初始应力状态、不同卸荷速率及不同卸荷应力路径下岩石变形破坏过程中的能量转化与传递规律，建立岩石强度、变形等参数与能量间的定量关系，揭示卸荷条件下岩石力学参数弱化的能量机理；确定岩石破坏块度及破裂面粗糙度分形维数与能量间的定量关系，揭示岩石卸荷破坏的宏-细-微观多尺度破裂特征及能量机理，建立岩石卸荷破坏程度及破裂方式的能量预测指标；基于损伤能量耗散率及剩余能量指标，建立综合考虑初始应力状态、卸荷速率及卸荷应力路径的岩石卸荷破坏能量判据。研究成果在高地应力地区大型岩体工程稳定性评价及岩爆预测等方面具有重要理论意义和应用前景。