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,Dav
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- 复合 地基 上堆载 单排 抗滑桩 影响 模型 试验
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