楔形桩的水平承载特性模型试验及数值模拟研究

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楔形桩是一种优良的异形桩,具有节省材料、施工简单、较高单位承载力等优点。与传统等截面桩不同的是,楔形桩中存在楔形角,增大了桩土间的接触面积,进而提高了桩的承载力。相较于传统的等截面桩,楔形桩具有更好的力学特性与经济效益。然而目前,对于楔形桩及其群桩工作机理的研究还不够深入,尤其针对水平荷载下楔形桩承载性能的研究相对较少。然而在实际工程之中,由于桩基础水平承载能力不足导致的工程事故屡见不鲜。在此背景下,选题开展了本论文的研究。本文以砂土地基中的楔形桩为研究对象,通过室内缩尺模型试验以及数值模拟相结合的方法研究水平荷载下楔形桩及其群桩的承载特性。探究桩径、楔形角对楔形桩水平承载力的影响;分析楔形单桩与等高等侧面积直桩在水平荷载下的承载特性的异同;揭示水平荷载下楔形群桩的承载特性。主要研究内容与结论如下:(1)研究设计了室内模型试验的装置,并设计了楔形桩与等截面桩受水平荷载时的对比试验。试验研究结果表明:在桩长、体积不变的条件下,楔形桩的水平极限承载力明显大于等截面桩的水平极限承载力。(2)横向对比室内试验中不同尺寸楔形桩的承载特性,试验结果表明:楔形桩桩径越大,其极限承载力有一定的增加。在桩长、体积不变的条件下,增加楔形角可以有效提高楔形桩的水平极限承载力。(3)运用有限元模拟软件对室内模型试验结果进行验证,并扩展研究工况,对相同桩顶直径、不同楔形角的楔形桩进行水平承载力分析。模拟结果表明:在桩长、桩顶直径不变的条件下,楔形角为1°时,楔形桩的单位承载能力较高。(4)运用有限元软件研究桩间距、桩数、楔形角以及桩径对楔形桩群桩的承载力以及位移群桩效应的影响。模拟结果表明:桩间距和桩数对楔形群桩的群桩效应有较大的影响,当桩间距大于5D、桩数大于两排时,群桩效应的影响有所减少。在满足承载力要求的情况下,楔形群桩中楔形角的取值为0.4°左右时是较为经济合理的。此外,在实际工程中,可以根据现场条件适当增加桩径,从而提高楔形群桩的极限承载力。
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