桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验.docx
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桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验
附件4
湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划
项 目 申 报 表
项目名称:
桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验
学校名称
长沙理工大学
学生姓名
学号
专业
性别
入学年份
倪子楠
201125020130
土木工程(岩土工程)
男
2011
李永思
201125020131
土木工程(岩土工程)
男
2011
车敬珂
201168020108
土木工程(城市轨道工程)
男
2011
指导教师
周德泉
职称
教授
项目所属
一级学科
560
严聪
讲师
学生曾经参与科研的情况
1.主持长沙理工大学学生课外科技立项(2014年立项):
抗滑排桩工作机制与设计参数的数值模拟分析,2014年4月22日进行了中期答辩。
2.主持长沙理工大学大学生创新性实验计划项目(2014年立项):
桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验。
指导教师承担科研课题情况
指导教师周德泉教授长期从事岩土工程勘察、工程地质、地基处理与基础工程方面的研究。
主持完成1项国家自然科学基金面上项目、1项中国博士后科学基金、1项湖南省自然科学基金、2项教育厅科研项目和1项建设厅科研项目。
正在进行的科研项目有:
[1]国家自然科学基金“侧向约束桩—复合地基加固斜坡软基工作机制与设计理论研究”(项目批准号:
51378083,2014-2017)
[2]湖南省交通运输厅“山地区鸡爪沟地形土石混填路基修筑关键技术与效果研究”(编号:
201304,2013-2015)
[3]广佛肇高速公路BOT-EPC建设管理模式研究与建构(2013-2014)
[4]湖南省交通运输厅“花岗岩残积土大跨度隧道失稳机制及其支护技术研究(编号:
201229,2012-2015)”(3/5)
项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题
一、研究和实验的背景与目的
随着我国城市化进程的加速,大量建筑结构在繁华的城市中心兴建,城市空间的紧凑限制了施工场地的大小,建筑物附近大面积堆载现象越来越多,比如高层建筑、大型商场、民用和工业设施等,由于施工场地所限,施工过程中产生的土方、施工所需建材以及大型设备等都堆放在距离在建结构不远处。
建筑设计向着更高更深更复杂方向发展,建筑附近堆载与建筑自身安全问题日益激化。
由侧向堆载引发的建筑破坏问题并不鲜见。
2009年6月27日,位于上海市闵行区一幢13层在建楼房突然发生整体倒塌,事故导致一人死亡。
楼房倒塌前,一侧的地下车库基坑正在进行开挖施工,另一侧堆放着高近10米高的堆土(见图1),堆填土荷载导致了距离倒塌楼房二十多米远的河道防汛挡墙大面积坍塌,影响长度达八十多米,足以说明倒塌楼房侧向堆载之大,影响之严重。
楼房的倒塌最直接的因素就是桩基的破坏,而侧向堆载对桩基的受力变形影响是需要研究清楚的本质问题。
在软土地基中,堆载或开挖引起的土体水平位移可达到堆载高度或开挖深度的1%~2%甚至更大,如此大的侧向位移将引起邻近桩基产生变形甚至破坏。
此外,由于桥头路基的影响,桥台桩基及邻近桥头桥梁桩基也存在同样问题。
图1上海市闵行区一幢13层在建楼房整体倒塌示意图
伴随我国基础设施建设的发展,越来越多的工程涉及到一些特殊的工程环境,例如软基、滑坡等,这对工程建设而言,不管是从安全性还是经济性上都带来了巨大的挑战。
在滑坡治理中,抗滑排桩作为一种有效的止滑措施,被越来越多地应用到工程实践中。
但尽管抗滑排桩已经被广泛应用到工程实践中,有关抗滑排桩的作用机理和设计理论仍不完全,如何确定桩的合理桩距、设置位置、埋置深度、桩长等等,至今仍未形成统一的认识。
由于缺乏对滑坡本身和对抗滑排桩加固原理的认知而导致的失败案例不在少数。
同时,由于低估抗滑排桩性能,导致设计过于保守,施工成本增加,工程造价提高。
抗滑排桩的受力特性复杂,对设计和应用都造成了一定的影响,特别是桩体复合地基上堆载对侧面抗滑排桩的影响更加复杂,制约了边坡工程的优化设计。
在桩体复合地基上堆载对侧面抗滑排桩的影响方面开展模型试验研究将为设计提供实验依据。
二、研究和实验内容和要解决的主要问题
研究桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩的影响是一个被岩土工程界长期关注但是有待更全面更深入分析的课题。
受桩体复合地基上侧向堆载作用的抗滑排桩将会受到桩周土体提供的负摩擦力和侧向推力两种荷载的共同作用,受力复杂。
立项研究,具有重大科学价值和显著的工程意义。
本课题通过室内模型试验,研究组合群桩复合地基工作机理以及对单排抗滑桩影响规律,重点研究侧向堆载条件下,抗滑单排桩的受力变形和桩身弯矩的变化规律,为正确评估侧向约束桩-桩体复合地基提供实验依据,完善抗滑排桩的设计理论,并以此指导工程实践。
国内外研究现状和发展动态
工程中,抗滑排桩常常布设在滑坡体的坡脚处。
随着公路的迅速发展和修建,将面临越来越多的软土地基需要进行地基处理。
桩体复合地基便是现在最为常见的一种公路软基处理方案之一,受到公路荷载的作用,路基土将对桩体产生侧向挤压作用,很容易导致公路沿线的抗滑排桩在这个环境下发生桩身水平侧移并产生挠曲变形。
由于抗滑排桩同时还承担着滑坡荷载的作用,较大的桩身弯曲变形将可能导致桩身断裂,使抗滑排桩失效,产生滑坡灾害,对正常的生产生活以及工程本身造成不可估量的后果。
除了公路建设,这类情况也常见于桥涵工程等基础设施建设工程中。
这涉及到桩的工程性状问题。
DeBeer[1]根据桩基与周围土体的相互作用,将桩分为两类:
第一类是主动桩(ActivePile):
直接承受外荷载并主动向土中传递应力,桩顶横向荷载、桩身周线偏离横向位置和桩身所受土压力因桩主动变位而产生;第二类桩基并不直接承担外部荷载,因阻挡桩周土体在自重和外荷载作用下产生的水平运动而产生侧向压力从而受到影响,称为被动桩(PassivePile),坡体抗滑排桩、深基坑支挡桩、堤岸护桩等均属于被动桩。
以往对被动桩的研究大多集中于基坑开挖、打桩和开挖隧道等过程中对被动桩影响的分析方面,而对堆载作用下的受力分析研究却相对较少。
如Poulos和Chen(1997)[2,3](1999)[4]运用有限单元法、有限差分法以及边界单元法研究了岩土体的位移、基坑和隧道开挖对桩基的影响。
同济大学的杨敏等(2005)[5]通过三维弹性有限元理论对基坑开挖的空间效应、临近桩基对基坑开挖所引起的变形场的影响等进行了分析。
郑刚等(2007)[6]依托工程实际的桩基检测数据,结合三维有限元模拟,分析了桩基与基坑不同间距、不同桩顶荷载、不同桩顶约束条件和不同桩基刚度的影响。
随着抗滑排桩等被动桩在工程应用中的大量应用,以抗滑排桩为代表的被动桩的理论研究越来越多。
关于被动桩的理论研究大多基于有限元法[7,8]。
针对侧向受荷桩的研究法和研究理论,Poulos(1980)[9]提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析法。
对堆载作用下产生的被动桩受力变形问题,赵赟等(2011)[10]对实际工程进行数值模拟分析,对填土高度对临近建筑物边缘填土地基的沉降、基础下土体的最大水平位移,填土高度对桩基的影响进行了分析研究,并对不同的填土高度和填土距离的条件下,地基保护的必要性给出了建议。
魏焕卫等(2000)[11]利用编制的有限元程序,对地面大面积堆载情况下相邻桩影响进行了研究,给出了该状态下的桩体受力的有限元解答。
冶建院的严人觉(1981)[12]曾在宝钢建厂初期利用分级加载的方式对大面积堆载影响下的被动桩进行了观测。
对于由堆场填土和地面荷载引起的岸坡变形及对码头桩基的影响,南京水利研究院的王年香(1998)[13]进行了深入研究,并提出了相应的简化计算和分析方法。
魏焕卫等(2010)[14]以桩土共同作用理论为基础,对侧向受荷桩在不同的桩身长度、桩体直径、边界条件、地面堆载状态下的变形和内力进行了分析。
为了研究桩侧堆载作用下被动桩的受力性状,吴琼等(2010)[15]应用三维有限元方法对侧向堆载作用下的单桩性状进行了分析,同时分析了桩顶有荷载时的桩基受力特性,比较了不同堆载位置、不同堆载大小以及不同的桩顶荷载作用下被动桩的受力变形特点。
李忠诚等(2008)[16]建立三维模型对实际工程堆载事故进行分析,对堆载作用下土体的侧向位移模式进行了探讨。
大连理工大学的杨庆等(2008)[17]利用桩基室内模型试验箱(见图2),通过对粉土地基中混凝土单桩竖向静载荷的模型试验,观测桩顶荷载、桩周土堆载下的桩端阻力及桩周土沉降情况,以寻找“中性点”的位置和单桩负摩阻力变化规律。
图2堆载条件下单桩负摩阻力模型试验装置示意图
综上所述,被动桩问题的研究方法是从现场测试、室内模型试验和理论分析三个方面入手。
国内外学者从现场测试、理论分析以及数值模拟方面进行了大量的研究与探索,并取得了一定的进展。
关于被动桩的研究成果也主要集中于现场测试、数值模拟和经验公式方面。
理论研究大多基于有限元法。
当桩顶自由无荷载作用时在桩侧堆载的桩基受力变形特性分析的研究还比较少,针对实际工程问题的三维有限元分析在一定程度上仍缺乏说服力。
在室内模型试验方面,尽管至今为止许多专家和学者已经做了很多关于桩基的模型实验,但针对侧向堆载作用下对桩基的影响的室内模型试验仍然屈指可数,且所用的材料、装置、研究的侧重点也各有不同。
参考文献:
[1]DeBeerEE.Theeffectsofhorizontalloadsonpilesduetosurchargeorseismiceffects.Proc.9thICSMFE,Tokyo,1977:
547-558
[2]PoulosHG,ChenLT.Pilesresponseduetoexcavationinducedsoilmovement[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,1997,123
(2):
94-99.
[3]ChenLT,PoulosHG.Pilessubjectedtolateralsoilmovements[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,1997,123(9):
802-811.
[4]ChenLT,PoulosHG.Pilesresponsecausedbytunneling[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,1999,125(3):
207-215.
[5]杨敏,周洪波,杨桦.基坑开挖与临近桩基相互作用分析[J].土木工程学报,2005,38(4):
91-96
[6]郑刚,颜志雄,雷华阳,雷扬.基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J].岩土工程学报,2007,29(5):
638-643.
[7]PoulosHG.Pilessubjectedtonegativefrictionprocedurefordesign[J].GeotechnicalEngineeringSAGS,1997,28
(1):
23-44.
[8]ChowYK,ChinJT,LeeSL.Negativeskinfrictiononpilegroups[J].InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics,1990,14:
75-91.
[9]POULOSHG,DavisEH.Pilefoundationanalysisanddesign[M].NewYorkChichesterBrisbaneToronto,1980.
[10]赵赟,高广运,张蕾,陈国栋.堆载作用下被动桩受力变形分析[J].低温建筑技术,2011,151:
99-101.
[11]魏焕卫,杨敏.大面积堆载情况下邻桩的有限元分析[J].工业建筑,2000,8.
[12]严人觉.被动桩的尺寸试验[C].第四节土力学及基础工程学术会议选集.中国建筑工业出版社,1981.
[13]王年香.码头桩基与岸坡相互作用数值模拟和简化计算方法研究[D].南京:
南京水利科学研究院,1998.
[14]魏焕卫,李俊,徐德亭.侧向受荷桩基变形和受力规律的研究[J].山东建筑大学学报,2010,25(3):
293-296.
[15]吴琼,陈锦剑,夏小和,王建华.桩侧堆载作用下被动桩受力性状研究[J].地下空间与工程学报,2010,6(3):
467-471.
[16]李忠诚,朱小军.地面超载条件下土体侧移模式及对邻近桩基影响分析[J].岩土力学,2007,28(增):
809-814.
[17]杨庆,孔纲强,郑鹏一,栾茂田.堆载条件下单桩负摩阻力模型试验研究[J].岩土力学,2008,29(10):
2805-2810.
本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩
老师主讲《地基处理》课程时,介绍了土木工程建设过程中有很多地基处理难题,并且介绍了国内外的研究动态,激发了本人对复合地基产生浓厚的兴趣,成功申请了长沙理工大学学生课外科技立项“抗滑排桩工作机制与设计参数的数值模拟分析”,并于2014年4月22日进行了中期答辩。
还成功申请了长沙理工大学大学生创新性实验计划项目(2014年立项)“桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验”。
目前正在进行试验准备。
项目的创新点和特色
1、通过室内模型试验,获得侧向桩体复合地基上堆载作用下单排抗滑桩的受力变形规律。
2、获得长短桩复合地基的工程性状。
项目的技术路线及预期成果
一、技术路线
1.试验流程与规范
试验流程(按先后顺序)如下:
(1)前期准备;
(2)模型桩制作;(3)应变片贴片;(4)模型桩埋设;(5)室内模型试验;(6)试验数据处理;(7)数值分析;(8)试验成果整理;(9)项目结题。
遵循的规范有:
[1]GJ79-2012.建筑地基处理技术规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2012.
[2]GB/T50783-2012.复合地基技术规范[S].北京:
中国计划出版社,2012.
2.方案设计
方案设计见图3(模型试验平面图)、图4(模型试验正视图)和图5(模型试验侧视图)。
图3模型试验平面图
图4模型试验正视图
图5模型试验侧视图
说明如下:
(1)单排桩模型的选型和选材
由于现有模型箱的尺寸是2500mm×1500mm×1500mm(长×宽×高),要测量抗滑桩的桩身侧向位移,从而在距模型箱的箱壁1220mm处增加一块厚度为20mm的木板隔开,以便人员进行操作。
实验用桩的长度不能过长,以保证一定的长径比以合理的模拟实际工程用桩。
抗滑桩底距模型箱底的距离应模拟摩擦桩的实际受力性状,初步确定为模型抗滑桩长1200mm,数量为3根一排。
复合地基所用桩长度为800mm和400mm,其中800mm长度的桩数量为4根,400mm长度的桩数量为2根。
为了使应变测试结果更加稳定明显,也考虑到选材制作等诸多因素,将选择水泥砂浆作为模型桩的原材料。
(2)地基设计
堆载在不同地基上,抗滑桩桩体的受力变形情况也是不同的,本试验分为复合地基和均质地基两种情况。
通过在两种不同地基上堆载,得到抗滑桩体的受力变形情况,进而得出复合地基-抗滑桩的设计理念。
(3)堆载大小设计
通过分级加载的方式来模拟不同堆载大小的情况,考虑到模型试验中的相似比例,以及限于混凝土试块自身的稳定性,堆载高度不应过高或过低,即堆载大小应在一个比较合理的范围内。
一些工程事故中堆填土高度多在10m-20m左右,若堆填土体的重度按照18kN/m3计算,则堆填土体所产生的附加荷载约为200kPa-400kPa,室内试验所提供的堆载大小必须满足试验要求。
(4)堆载距离设计
不同的堆载位置对单排被动桩受力变形的影响不同。
经过初步有限元探索分析得到,桩侧堆载边缘与桩基轴心距离超过5倍桩径时,影响效果逐渐减小,故设计桩侧堆载边缘与抗滑桩轴心距离为3倍桩径,抗滑桩边缘离模型箱边沿距离为550mm,远远大于5倍桩径,以减小模型箱对抗滑桩的影响。
(5)堆载范围设计
堆载范围的不同将直接影响堆载的广度差异,造成不同的土体横向纵向的变形,对被动桩的受力变形将会产生影响。
鉴于室内试验中所采用的是千斤顶,故设计在千斤顶下部增设600mm×400mm×20mm(长×宽×高)的钢(铁)板,以使复合地基受力均匀。
(6)模型桩埋设设计
①抗滑桩设置方案
通过有限元软件分析得知桩离模型箱边沿大于5倍桩径,模型箱对桩的影响可以忽略不计,本实验中抗滑桩和复合地基桩体离模型箱边沿的距离远大于5倍桩径,故模型箱对桩的影响可以忽略不计。
为了得出在侧向堆载作用下,不同的桩距情况下抗滑桩的受力变形情况,同时也为了减少埋设模型桩的次数,在埋设抗滑桩的时候,采用2倍桩径和4倍桩径进行对比,如图3所示。
②桩体复合地基设置方案
经过初步有限元探索分析得到,桩侧堆载边缘与桩基轴心距离超过5倍桩径之后,影响效果逐渐减小,本实验堆载边缘与抗滑桩轴心距离为3倍桩径,能更好地让抗滑桩受力变形。
根据相似性原理、参照规范计算,复合地基桩体间距设计为200mm,复合地基对角线处四根桩均为0.8m长的模型桩,中间为两根0.4m长的模型桩,符合复合地基的设计原理,如图3所示。
(7)测试系统设计
根据试验方案,所设计的模型桩属于摩擦型桩,桩底距离模型箱底的高度不应过小,否则桩底的端承效应会比较明显,且边界对模型桩的受力影响不可忽视,进而对模型试验的结果产生较大的影响。
故在埋设模型桩之前,先于模型箱底预埋约20cm高的疏松土层,使得桩身应力能够得到较好的扩散。
为了测量复合地基桩体与土体的沉降差,在复合地基桩顶部设置一根钢筋,穿过钢板,用螺栓固定一个钢片来支持百分表来测桩体沉降,每根复合地基桩体的桩顶安装1个百分表,每根抗滑桩顶部安装1个百分表,共计9个。
把百分表安装在钢板底部、土体顶部伸出的沉降标上(共计3个)测出土体的沉降量。
具体设计如图4和图5所示。
(8)模型桩的设计
①抗滑桩设计
抗滑桩的设计如图6所示:
桩体为截面为60mm×60mm,长度为1200mm,为了测量桩体侧向位移,在抗滑桩设凹槽面的对面埋设钢筋,并在钢筋端部安装钢片(钢片通过螺栓来固定),用来支持百分表。
通过有限元软件分析设计得到5个点位来测量桩身侧向水平位移,分别在桩顶、1/3桩身、1/2桩身、2/3桩身和桩底5处。
图6抗滑桩设计图(模型桩直立,左为上,右为下)
②复合地基桩设计
复合地基桩体设计如图7所示:
复合地基共有两种不同长度的桩体,一种长度800mm,另一种长度400mm,截面均为60mm×60mm。
为了测定复合地基桩体桩顶的位移,在桩顶插入钢筋来传导下沉位移,在钢筋的上端用螺栓固定一个钢片来支持百分表。
图7复合地基桩设计图
(9)应变片设计
应变片的数量应布置合理,如果应变片过少则数据不充分,若应变片过多又会影响模型桩表面的摩擦性状,直接影响结果的准确性。
考虑到桩径过小,且模型桩为成桩不可分开,故设计在模型桩的表面粘贴应变片。
具体方案为在制作抗滑桩模型时在桩的一侧挖一个0.5厘米深1厘米宽的凹槽,用环氧树脂对贴片部位进行表层处理,在贴片后密封凹槽。
应变片的埋设位置如图8所示:
在桩截面的一侧凹槽里埋设应变片,以便分析侧向堆载引起的桩身弯曲变形以及桩身弯矩。
沿着桩的入土深度如图埋设应变片,用以测量模型桩沿着桩身的应变大小。
图8应变片埋设图
3.费用预算
费用总计20000元。
1、科研业务费
①测试分析费:
2000元
②论文发表费:
2篇共3000元
2、实验材料费
①模型桩:
600元
②模型土:
400元
3、仪器设备费
①应力、应变计:
10000元
②加载系统:
2000元
4、实验室改装费:
2000元
二、预期成果
1.针对单排抗滑桩受侧向桩体复合地基上堆载作用下的工作性状进行室内模型试验,有望获得单排抗滑桩的受力变形规律,完善斜坡软基上抗滑单排桩的设计理论,并以此来指导工程实践。
2.在EI源刊上发表1-2篇科研论文。
年度目标和工作内容(分年度写)
1、2014年3月-2014年10月
进行室内模型试验,分析实验数据,得到单排抗滑桩的受力变形规律
2、2014年10月-2015年3月
综合室内试验及数值分析数据,整理实验结果,撰写并发表论文,准备项目结题。
指导教师意见
项目申请人倪子楠和项目组成员在《地基处理》课程学习时表现出对复合地基浓厚的兴趣和创新意识,成功申请学校课外科技立项,在此基础上设计的桩体复合地基上堆载对单排抗滑桩影响的模型试验,方案可行,研究问题处于学科前沿,实验结果将具有重大的学术价值和工程意义。
建议立项研究。
签字:
周德泉日期:
2014年4月22日
注:
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- 复合 地基 上堆载 单排 抗滑桩 影响 模型 试验