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坡顶斜向受荷桩承载性能的计算分析与模型试验研究

作　者: 鲁志杰
导　师: 年廷凯
学　校: 大连理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 斜坡桩基倾斜荷载承载机理 P-Δ效应幂级数解模型试验 p-y曲线
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着山区城市建设与电力交通建设的迅速发展,可利用土地资源愈发匮乏,许多高层建(构)筑物与高耸结构物(如高层建筑、高架桥梁、高压输电线塔、信号传送塔等)不得不直接修建在山坡顶面上等复杂地质条件下,此时桩基不仅用于加固边坡,而且同时作为建筑物的基础,具有承重和阻滑双重功能,又兼有抵抗风荷载、地震惯性力所引起的水平荷载或倾斜荷载及力矩荷载的瞬时或循环作用,其受力性状远比抗滑桩和水平地面受荷桩复杂。对这种位于斜坡顶面上受倾斜荷载或复合加载作用的桩基而言,其桩—土—边坡相互作用机理、荷载传递规律、基桩工作性能等尚不十分明确,传统的基桩计算方法与分析理论难以适用,亟待开展深入而细致的研究。为此,本文结合辽宁省自然科学基金项目,针对边坡顶面上受倾斜荷载与力矩荷载作用的复合受荷桩开展了基桩工作性能的计算分析方法研究,并通过室内模型试验深入探讨了边坡顶面上倾斜受荷桩的工作机理和承载性能,以期为边坡顶面上斜向受荷桩的设计提供技术支持。本项研究对于丰富桩基工程分析理论与设计方法具有重要的学术价值与工程实际意义。具体的研究工作如下:(1)在综合分析和评价国内外各类桩基研究工作的基础上,分析了边坡顶面上倾斜受荷桩的受力特点,并据此将基桩分为自由段、受荷段、嵌固段三个特征桩段,分别提出了基桩的破坏模式。在此基础上,综合考虑P-Δ效应、滑坡推力、地基系数、桩身侧摩阻力、桩身自重等影响因素,建立了各特征桩段的微分方程。基于地基反力系数“m”法,采用矩阵计算方法,推导出表达基桩工作性能的幂级数解答。假定桩身位移为十次幂函数,结合幂级数解答中倾斜荷载下基桩受力微分方程,通过自行编制的MATLAB计算程序确定出桩身水平位移、转角、弯矩、剪力及桩侧土抗力分布。并通过具体工程实例验证了本文解答的合理性。(2)为了揭示倾斜加载条件下斜坡顶面上基桩的承载性能,开展了室内模型试验研究;以粉土边坡为研究对象,通过自行设计的大型模型槽和研制的倾斜加载设备,对刚性混凝土预置短桩进行了多组模型试验测试,包括:不同倾角边坡、桩顶不同倾角加载方式、基桩到坡顶不同距离、基桩嵌入深度等不同工况共十一组室内模型试验,并量测受荷过程中桩身水平位移、弯矩和桩侧土抗力,以此分析基桩内力、桩侧土抗力分布规律。(3)基于水平地面与边坡顶面上倾斜受荷桩十一组模型试验的结果,绘制各试验桩在泥面处及泥面以上100mm处桩身水平位移与倾斜荷载关系曲线,不同荷载下沿桩身各点弯矩分布图、桩侧土抗力分布图、水平位移分布图,以及典型深度(泥面以下50mm,150mm与250mm)桩侧土抗力与水平位移关系曲线;通过深入细致的对比分析,揭示了边坡顶面上斜向受荷桩的承载变形机理、荷载传递规律、基桩工作性能及其与水平地面上斜向受荷桩的差异,以及边坡的变形特性;进一步地,通过对典型深度处桩侧土抗力与桩身水平位移关系曲线的综合分析,提出了边坡顶面上斜向受荷桩p-y曲线的可能型式及简化的统一p-y曲线表达形式,为有关规范的修订与改进工程设计提供参考依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 桩基础概述  11-13
    1.1.1 桩基础的历史与发展  11-12
    1.1.2 桩基础的类型与适用条件  12-13
  1.2 桩基础分析现状  13-16
    1.2.1 横向荷载作用下桩基的研究现状  13-14
    1.2.2 斜坡抗滑桩阻力的研究现状  14-15
    1.2.3 组合荷载作用下桩基的研究现状  15-16
  1.3 本文研究背景及意义  16-17
  1.4 本文研究内容  17-19
2 坡顶斜向受荷桩承载机理  19-35
  2.1 横向受荷桩承载机理  19-24
    2.1.1 承载机理和特性  19-20
    2.1.2 内力位移计算方法  20-24
    2.1.3 横向荷载下基桩的承载力  24
  2.2 倾斜荷载作用下基桩的承载机理  24-26
    2.2.1 承载机理和特性  24-25
    2.2.2 承载力及位移特性  25-26
  2.3 阻滑桩的承载机理  26-31
    2.3.1 滑坡推力及土体抗力分布形式  27
    2.3.2 阻滑桩承载机理  27-28
    2.3.3 内力位移计算方法  28-31
  2.4 坡顶斜向受荷桩承载机理  31-34
    2.4.1 坡顶斜向受荷桩的破坏模式  31-33
    2.4.2 坡顶斜向受荷桩的受力特性  33-34
  2.5 本章小结  34-35
3 坡顶斜向受荷桩计算分析  35-55
  3.1 坡顶斜向受荷桩自由段计算的幂级数解  35-40
    3.1.1 基本假定及控制微分方程的建立  35-37
    3.1.2 微元方程的幂级数解答  37-40
  3.2 坡顶斜向受荷桩受荷段计算的幂级数解  40-45
    3.2.1 控制微分方程的建立  40-41
    3.2.2 微元方程的幂级数解答  41-45
  3.3 坡顶斜向受荷桩嵌固段计算的幂级数解  45-49
    3.3.1 控制微分方程的建立  45-46
    3.3.2 微元方程的幂级数解答  46-49
  3.4 成层地基中坡顶斜向受荷桩幂级数解计算分析步骤  49-50
  3.5 实例分析  50-53
  3.6 本章小结  53-55
4 水平地面上斜向受荷桩室内模型试验研究  55-73
  4.1 桩土材料及试验参数测量  55-57
    4.1.1 模型桩材料及模型桩参数测量  55-56
    4.1.2 土粒材料  56-57
  4.2 试验仪器装置及试验参数量测方法  57-61
  4.3 试验方法  61-63
  4.4 试验结果分析  63-69
    4.4.1 水平位移与荷载之间的关系  64-65
    4.4.2 桩身弯矩分布  65-66
    4.4.3 桩侧土抗力及桩身水平位移的分布  66-69
  4.5 P-y曲线研究  69-72
  4.6 本章小结  72-73
5 坡顶斜向受荷桩室内模型试验研究  73-96
  5.1 试验方法  73-75
  5.2 试验结果分析  75-86
    5.2.1 水平位移与荷载之间的关系  75-79
    5.2.2 桩身弯矩分布  79-82
    5.2.3 桩侧土抗力及桩身水平位移分布  82-86
  5.3 P-y曲线研究  86-93
  5.4 本章小结  93-96
6 结论与展望  96-98
  6.1 结论  96-97
  6.2 展望  97-98
参考文献  98-102
附录A 幂级数解系数取值  102-125
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  125-126
致谢  126-127

坡顶斜向受荷桩承载性能的计算分析与模型试验研究

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