V-H-M-T联合作用下桥梁基桩承载特性及其设计计算方法研究中文摘要

工程桩实际多处于空间受力状态，桥梁桩基更因桥面车辆荷载差异等原因，除承受竖向力V外，还在顺桥向与横桥向受到水平力(Hx和Hy)、弯矩(Mx和My)、甚至扭矩T的联合作用，受力性状极为复杂，基于叠加原理的二维分析方法难以合理评估其承载力而可能导致工程事故。为此，本研究首先拟基于单一受荷桩承载特性和ABAQUS有限元平台，采用Probe Test法进行数值模拟实验，获得同一平面内及两正交平面内不同V、H、M或T组合作用时的破坏包络线，进而获得其共同作用时的六自由度空间破坏包络面，据此探讨桩顶荷载耦合作用机理及桩身承载力破坏准则。在此基础上，研制联合加载装置，采用Swipe法完成均质与双层地基中不同组合荷载下的单桩静载模型试验，根据实测荷载-位移曲线，验证理论与数值分析结果，并通过进一步的参数分析，获得荷载类型及其组合形式对桩身承载力的影响规律，由此确定出桩身承载力简化计算公式，供工程设计参考。

桥梁桩基础除承受结构自重(V)以外，还会因车道车辆荷载差异、船只撞击、地震等受到水平力H、弯矩M、甚至扭矩T的共同作用，导致其承载性状极其复杂。常规设计方法多基于二维单一平面内的叠加原理，难以准确评价桩身承载力，甚至偏于不安全，有必要分析荷载联合作用效应，合理确定空间破坏包络面和判定桩身极限承载力。为此，本项目针对受V-H-M-T联合作用的桥梁桩基的承载变形特性问题： 先基于剪切位移法，考虑桩周土体剪切模量沿深度呈幂函数和指数函数分布，假定桩周土塑性变形自上而下开展，采用Bessel函数转化求解了单、双层地基中受扭桩桩身内力位移的弹性、弹塑性和塑性解析解；引入虚土桩建立桩-土体系的总能量方程，由最小势能原理分别导得桩身及土体的受扭控制方程，进而获得桩身扭转角的有限差分方程式，再将桩周土体视为理想弹塑性材料，给出了塑性状态下的单桩受扭分析方法；引入理想弹塑性荷载传递模型，获得了成层地基中单桩受扭的递推计算方法；考虑桩-土接触面上的位移非协调性，采用剪切位移法建立出桩身位移控制方程，进而导出不同V-T加载顺序下单、双层地基中的桩身内力位移解答；将联合受荷桩转化为考虑耦合机理的一维杆单元，基于m法和凝聚方法导得了具有一般形式的、适合分析H-M-T受荷桩的杆单元刚度矩阵方程，并求得了桩身内力位移分布。 然后，设计完成了一系列H-T、V-T、V-H-M-T联合受荷桩模型试验，通过自制联合加载和测试装置，获得了不同荷载组合工况下的桩顶荷载-变形曲线、桩身内力位移、破坏模式及承载力包络线，并验证了理论解答的可行性。 最后，基于ABAQUS分别建立单层与双层地基中桥梁基桩3D有限元分析模型，采用Probe Test法进行对比分析，确定了不同工况下的荷载-位移曲线和破坏包络线，进而给出了桩身承载力简化计算公式，并通过工程实例应用与参数分析给出了桩身长径比与剪切模量、地基土强度、土层厚度、加载路径、荷载组合等因素对桩身变形承载力的影响规律及桩身承载力破坏准则，可供工程设计参考。 2100433B

岩溶区地质条件复杂，桩-岩、桩-土接触问题较一般摩擦桩或嵌岩桩更为复杂，且如何考虑溶洞的存在对基桩承载性状的影响更是亟待解决的问题。鉴于目前国内外尚未对此问题进行系统深入的研究，并未提出完整的岩溶区基桩设计计算方法，本研究拟结合目前已有研究成果，进行系统的室内桩-岩、桩-土接触特性分析试验，提出适用于岩溶区基桩的荷载传递模型；并通过分析基桩-岩溶承载体系势能增量变化过程，求解体系中应力与位移分布的唯一解，由此指导岩溶区基桩方案设计；然后采用基于极限分析理论的上限、下限有限元法对基桩-岩溶承载体系进行稳定性分析，确保基桩设计方案合理可行；由此建立完整的岩溶区基桩竖向承载力计算方法及基桩设计计算理论。最后，拟结合某岩溶区桥梁基桩工程现场试验确定部分相关参数，并验证该分析理论的适用性与合理性。

本研究从试验研究、数值研究、理论研究三方面展开。试验研究方面，提出了梁板结构的岩溶区基桩承载力计算模型，并探讨了不同跨度、厚度溶洞顶板对基桩极限承载力的影响；数值研究方面，以工程实例为背景，探讨了不同岩性、厚度、跨度溶洞顶板下基桩的极限承载力，得到了一般性的规律，并用于指导工程实践；在理论研究方面，基于极限分析，根据基桩与溶洞的距离，推得了溶洞发生冲切破坏、冒顶破坏、不破坏三种情况的限定条件，并对溶洞顶板发生冲切破坏研究展开更为深入研究，包括冲切破坏体母线方程及溶洞顶板安全厚度的求解，此外，在复变函数的基础上，提出了基桩作用在不同位置时，溶洞稳定性评价方法及基桩桩端极限承载力计算方法。

本书是编者在总结多年来从事桥梁桩基科研和工程实践的基础上，结合国内外桥梁桩基研究的最新成果，通过现场测试和模型试验研究，利用数值仿真技术，并结合理论推导，对海洋环境、湿陷性黄土地基等复杂环境下桥梁桩基承载特性进行了系统地分析和总结。全书共分12章，主要内容包括: 特殊地质条件下桥梁桩基应用现状、桩—土理论与试验研究进展、湿陷性黄土地基桩基研究进展、浸水黄土地基大型桥梁桩基现场静载试验、沉陷地基桩长确定理论、海上桩基研究与应用现状、跨海桥梁的受力环境、跨海桥梁荷载组合分析、海上钢管桩承载特性数值仿真、海上钢管桩模型试验研究、海上钢管桩现场静载试验、总结与展望等。