岩溶区基桩竖向承载机理及其设计计算方法研究

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。

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。

超长大直径桩因竖向承载力高而广泛应用于桥梁工程，但其发挥极限承载力所需的桩顶沉降量较大，且荷载沉降曲线通常为缓变型。因此，其竖向承载力宜按桩顶沉降量控制。该类桩入土深度大且桩周地质条件复杂，荷载传递机理与普通基桩差异较大，加之极限承载力极高，通常难以进行破坏性试验研究，而目前的规范设计方法采用侧阻端阻简单叠加，无法考虑荷载传递过程以及侧阻端阻的深度和尺寸效应等，故远远落后于施工技术的发展。为此，本研究拟从超长大直径桩室内模型试验入手，探讨其受力特性，并结合已有研究深入分析其承载破坏全过程的荷载传递机理、破坏模式及荷载沉降曲线特征等，从而建立出考虑大变形承载机理的数学模型，并引入摄动法中的尺度理论将其归一化，求解荷载沉降关系的高阶渐近解，从而提出按桩顶沉降确定承载力的新方法。此外，拟针对超长大直径桩的特点，结合现场足尺试验试验深入探讨相关计算参数的确定方法，为超长大直径桩设计计算提供参考。 2100433B

根式沉井是一种改进型沉井。2006年起，本项目组在国内外率先开展对根式沉井竖向承载性能的现场足尺试验研究。实测结果表明，根式沉井的竖向承载性能比普通沉井有显著改善。本项目旨在揭示根式沉井的竖向承载机理，建立其抗压、抗拔承载力的计算方法及结构形式的优化原则，为构建根式沉井设计理论奠定基础。主要研究内容有：以现场试验研究和数值模拟的成果为指导，通过模型试验研究根式沉井的竖向抗压、抗拔承载性能；采用数值分析软件结合模型试验研究根键的尺寸、排列方式、基础-土相对刚度比等对根式沉井竖向承载性能的影响；将根键及沉井底部分别简化为非线性Winkler地基梁和板，由模型试验确定相应的荷载传递函数。对根式沉井进行单元离散，在含根键的节点上叠加土反力，基于荷载传递理论并结合边界条件得到从顶部节点到底部节点的荷载传递关系，推导根式沉井竖向承载性能的力学解答，并对该解答进行试验验证或修正。