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基本信息

項目名稱:
大直徑變截面樁承載性狀與設計方法研究
小類:
機械與控制
簡介:
大直徑變截面樁與中小直徑等截面樁的受力狀態相差很大,傳統樁基理論體系已不能恰當分析大直徑變截面樁的工作機理和受力性狀。國內最早施工的大直徑變截面樁現已服役超過20年,工后沉降量極小,表現出很好的承載性能和耐久性能。目前我國正值基礎建設高峰期,因此,迫切需要研究該樁型的受力機理并提出計算樁體豎向、水平向承載力及變形的合理方法。 本課題首先從分析蘇通大橋變截面樁基載荷試驗曲線的特點入手,劃分樁體不同受力狀態,在考慮一定安全儲備的基礎上選取其中一個臨界狀態進行研究,根據樁—土變形協調條件提出大直徑變截面樁豎向承載力及沉降量的計算方法,并對該方法進行了初步驗證。其次,基于文克爾理論將變截面樁分為上、下兩段,分別利用彈性力學方法和虛擬樁法,考慮樁體變截面處的反彎作用及樁身剛度隨土層變化對樁體水平抗力的影響,建立樁身撓曲微分方程,根據樁端邊界條件,求出樁身內力及變形。最后,在上述算法的基礎上,以VS2008環境為平臺、在.NET框架下使用C++語言,開發出可用于大直徑變截面樁的輔助設計軟件。
詳細介紹:
對于大型橋梁、建筑及港口等工程而言,樁基是最常用的基礎形式。大直徑變截面樁以其承載能力強、水平抗力大、沉降變形小、施工進度快、經濟效益好等優點,在諸多工程中得到廣泛應用。目前國內最早施工的大直徑變截面樁已經服役超過20年,工后沉降量極小,表現出很好的承載性能和耐久性能。然而由于大直徑變截面樁工作機理復雜,傳統樁基理論體系已不能恰當分析其工作機理和受力性狀,這嚴重影響了大直徑變截面樁的進一步推廣。目前我國正值基礎建設高峰期,因此,迫切需要研究該樁型的受力機理并提出計算大直徑變截面樁豎向、水平向承載力及變形的合理方法。 本項研究主要分為以下3部分: (1)樁基豎向承載性狀與設計方法研究 從蘇通大橋主墩大直徑變截面樁的載荷試驗曲線入手,分析不同荷載作用下該樁型側摩阻力和端承力的發揮情況,研究其荷載傳遞機理。結合載荷試驗曲線劃分樁體不同受力狀態,在考慮一定安全儲備的基礎上選取其中一個臨界狀態進行研究。推導過程中,基于傳統力學理論列出樁體受力平衡方程,結合樁—土變形協調條件和材料力學中的剪切變形公式進行求解,得到樁基豎向承載力及沉降量的計算公式。 (2)水平荷載作用下樁基內力及變形研究 從大直徑變截面樁的實際受力狀態出發,基于文克爾假定理論,求解出彈性地基梁微分方程的通解。將水平荷載作用下的大直徑變截面樁在變截面處劃分為上、下兩段,化變截面為等截面。上段樁體的內力和變形采用彈性地基梁微分方程的通解求解,其中樁側土抗力用 “m”法計算(m值采用面積等效法求解),由此可列出上段樁體內力及變形的矩陣方程。下段樁體的內力和變形采用彈性地基梁微分方程的通解及虛擬樁法計算,其中樁側土抗力系數依然采用“m”法計算(m值用加權平均法求解),考慮到變截面處的反彎作用,計算時會對變截面處的彎矩進行修正,進而列出樁體下段內力及變形的矩陣方程;結合樁端邊界條件,反向求解上述矩陣方程即可得到樁體任意截面處的內力和變形。 (3)輔助設計軟件的開發 在上述算法的基礎上,以VS2008環境為平臺、在.NET框架下使用C++語言,開發出可用于大直徑變截面樁的輔助計算軟件。軟件除可完成相關計算功能外,還可以以文件的形式記錄計算過程中所用到的數據,并根據相應參數自動生成AutoCAD能識別的文件—DXF格式文件。 近些年,我國即將進入鐵路建設的高峰期,需要建造大量鐵路橋梁,而前期在公路橋梁建設中積累的經驗勢必會對鐵路橋梁建設起到重大借鑒作用。目前,對于大直徑變截面樁基設計方法的研究已經得到鐵道部資助(2009年鐵道部重點課題:鐵路工程設計施工關鍵技術研究—軟土地區變截面樁承載性狀及設計方法研究;編號:2009G010-D),課題擬在大直徑變截面樁基的承載特性、內力簡化算法等方面做更加細致的研究,并逐漸推廣應用。

作品專業信息

撰寫目的和基本思路

目的:提出簡明實用的大直徑變截面樁豎向、水平向承載力及其變形的計算方法,并編制配套輔助設計軟件。 基本思路:從大直徑變截面樁的實際受力性能出發,根據變形協調條件,劃分樁體不同受力狀態,選取其中一個臨界狀態,推導樁體豎向承載力及變形的計算方法;采用基于文克爾假設理論的分段法,化變截面為等截面,提出樁體水平向承載力及變形的計算方法。

科學性、先進性及獨特之處

科學性:通過分析大直徑變截面樁的荷載傳遞機理,提出其豎向承載力及變形的計算方法;采用基于文克爾理論的分段法,提出樁體水平向承載力及變位的計算方法。經驗算,本算法計算結果與工程實測值十分接近。 先進性及獨特之處:本算法概念明確、推導嚴密、承載力與沉降量關系密切,克服了傳統方法在計算樁體受力時狀態模糊、力與變形互不協調、計算結果不準確等缺點。另外,現已開發出配套輔助設計軟件。

應用價值和現實意義

實際應用價值:本文算法可為以沉降量控制樁基豎向承載力設計提供理論支持;可廣泛應用于對樁基承載力和沉降精度要求高的工程中,在保證承載力不變的前提下減少樁基數目、節約工程成本;配套的輔助設計軟件可使計算方便快捷。 現實意義:目前大直徑變截面樁的應用日趨廣泛,本文算法可更加精確地分析該樁型的承載力及變形,在分析樁體受力、簡化計算等方面具有廣闊的應用前景,同時將為樁基設計理論的進一步完善做出貢獻。

學術論文摘要

從大直徑變截面樁實際受力性能出發,劃分樁體不同受力狀態,在考慮一定安全儲備的基礎上選取其中一個臨界狀態進行研究,根據樁-土變形協調條件提出大直徑變截面樁豎向承載力及變形的計算方法,并用該方法對蘇通大橋變截面樁基礎進行豎向承載力及沉降量計算,結果與實驗所得設計值十分接近,表明該方法比現行規范算法更準確。同時,基于文克爾理論將變截面分為上、下兩段,利用彈性力學方法和虛擬樁法,考慮變截面處地基對樁體的反彎作用,分別對樁體上、下段進行水平向承載力和變形計算,計算結果與理論相符。另外,據此算法開發了配套輔助設計軟件。

獲獎情況

鑒定結果

參考文獻

1、呂艷 黃劍虹等,無承臺、變截面、大直徑橋梁工程樁及其水平承載力的計算[C],第六屆全國大口徑工程青島會議(2001) 2、上官興、蔣偉,鉆孔樁實用沉降計算曲線[C]. 中國公路學會橋梁和結構工程學會,2007年全國橋梁學術會議論文集 3、Delpak, Omer J R and Robinson R B, Load /Settlement Prediction for Large-diameter Bored Pile in Merica Mudsotone[M]. Proc.Instn Civ. Engrs Geotech. Engng, 2000,143:201~224

同類課題研究水平概述

目前,國內外對大直徑樁承載力理論的研究,主要包括數學擬合法(包括灰色預測法、神經網絡法和遺傳算法等)和荷載傳遞法。數學擬合法是建立在大量試驗數據基礎上的。Wei Dong Guo和Mark F Randolph 于1998年對用荷載傳遞法分析樁體可靠性及影響樁體荷載傳遞的諸因素進行了深入探索。針對泥巖中大直徑鉆孔灌注樁的沉降和變形預測,Delpka進行了系統分析和研究,并提出考慮土和樁身材料非線性的大直徑鉆孔灌注樁的沉降預測方法。Brandl在試驗研究的基礎上,對大直徑樁(Pile)和大直徑墩(Pier)的極限承載力進行了綜合分析和論證。肖宏彬借助數值模擬與試驗分析,對多層地基中大直徑樁的荷載傳遞全過程進行了研究,并提出了相應的解析計算方法。 工程設計中,通常將樁的承載力和沉降分開計算。目前,樁的沉降計算方法主要有彈性理論分析法、剪切位移法、荷載傳遞法及有限元分析法等。Richwien運用彈性分析模型,提出了考慮土的非線性分析方法?;诰|彈性半空間無限體的Mindlin解,Butterfield和Polulos等提出了計算單樁和群樁變形的荷載—沉降曲線法,并指出其沉降計算結果對均質土中的樁基礎能滿足一般要求。黃強認為,判斷大直徑樁極限承載力的準則幾乎都是以變形量。因此,確定合理的變形計算模式是確定大直徑樁極限承載力的前提;且大直徑樁樁端土體不存在類似小直徑樁的樁端刺入性沉降,只存在壓縮性沉降。實際工程中的樁基礎均是按沉降和承載力雙控準則進行設計的,而大直徑樁則主要以沉降控制。劉金礪認為,大直徑樁的荷載—沉降曲線均呈緩變型特性,其破壞特性均呈漸進型破壞。1997年,王伯惠與上官興以桃源大橋8根變截面樁的水平荷載試驗結果為依據,提出了變截面樁水平力作用計算方法,并應用于韶關五里亭大橋下部構選型設計中。2002年蘇通長江大橋耗資3000萬元進行了17根鉆孔樁荷載試驗,取得了大量寶貴數據。2005年上官興教授根據幾十年來對鉆孔樁沉降曲線的研究經驗,結合蘇通大橋17根試樁資料提出了“鉆孔樁荷載沉降曲線(σ-y )計算法。 由以上分析可看出,雖然目前關于樁基礎的理論研究成果眾多,但針對大直徑變截面樁承載性狀和設計理論的研究甚少,因此該樁型的理論研究遠遠滯后于工程實踐。這已成為制約其進一步推廣的瓶頸,故很有必要結合現已施工完成的工程,研究大直徑變截面樁的承載性狀和設計理論。
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