滨海吹填围垦区堆载作用下桩基承载特性研究

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随着我国东部沿海地区经济建设的发展,土地资源紧张已成为制约城市发展的重要因素,为此,滩涂围垦拓展生存空间已成为当前解决土地紧缺问题的主要方式。考虑到滨海围垦区土质较差、软土层较厚,后期围垦填土易诱发土体不均匀沉降及水平侧向变形,造成临近桥梁及建筑物基础发生沉降、开裂、偏移等一系列岩土工程问题,严重影响桥梁等工程正常使用。然而,目前对围垦区桥梁及建筑物的桩基础受堆载影响的承载特性研究相当匮乏,缺乏系统的计算方法与设计理论,既有设计规范已难以对围垦区堆载影响下桩基础进行安全经济设计,这使得堆载作用下桩基础安全经济设计及防护成为制约滨海围垦工程顺利发展的重点难题。因此,迫切需要系统深入开展滨海吹填围垦区堆载作用对临近桩基的影响研究。本文主要由浙江省交通运输厅项目“软土地区吹填(开挖)对桥梁桩基的影响及处理措施研究”(编号:2014H10)、“深厚软基路段桥梁工程桩基长期沉降特性研究”(编号:8505001375)资助。本文以理论推导及试验研究为主,经过大量文献调研及归纳总结,系统地开展了滨海吹填围垦区堆载作用下桩基承载特性研究。本文所做主要工作及结论如下:(1)基于滨海软黏土固结排水蠕变试验,通过采用传统元件模型(Merchant模型和Burgers模型)、以及不同经验模型,描述了软黏土固结蠕变特性,揭示了软黏土应力-应变以及应变-时间变化规律;基于传统Merchant模型,引入Abel黏壶单元,采用Caputo型分数阶函数建立了分数阶Merchant蠕变模型。通过分数阶Merchant蠕变模型,预测了滨海软黏土蠕变应变-时间变化规律,发现分数阶模型比传统蠕变模型更适用于描述滨海软黏土蠕变特性;(2)基于Boussinesq附加应力计算理论,推导了矩形分布荷载以及条形分布荷载下堆载区域内和堆载区域外不同土体深度位置的竖向附加应力理论计算公式;基于Mesri蠕变模型和Boussinesq附加应力计算理论,提出了软黏土地基长期沉降计算方法,对现场局部堆载和路堤条形堆载下地基长期沉降进行了预测分析,论证了沉降计算方法的适用性;(3)基于三折线荷载传递模型,建立了单桩负摩阻力计算方法,推导了弹性、硬化、以及塑性等不同阶段的桩身沉降和轴力的解析解;基于太沙基一维固结理论、Mesri蠕变模型及双曲线模型,建立了考虑固结蠕变效应的桩基负摩阻力计算方法,通过迭代法求解了桩身轴力以及中性点位置。此外,基于建立的负摩阻力计算方法,研究了固结度、桩顶荷载、桩顶荷载和堆载施加次序、桩身刚度、蠕变参数等因素对桩基负摩阻力的影响,发现固结和蠕变沉降会降低桩基承载力、增加桩的沉降,揭示了填土固结场地桩基承载力弱化的病害机理;(4)基于温州围垦区单桩负摩阻力堆载试验,研究了桩身负摩阻力、桩土沉降以及中性点随时间变化规律,通过试验发现堆载后土体沉降、桩基沉降、下拉力随时间基本呈双曲线增加趋势,桩土沉降及下拉力在堆载后3个月左右趋于稳定,揭示了滨海围垦区桩基负摩阻力发挥机制及时间效应特性;(5)基于Boussinesq附加应力改进解,推导了矩形分布荷载、条形分布荷载、梯形条形分布荷载等不同地表荷载分布形式下水平附加应力计算公式及桩身被动荷载计算公式,并进一步推导了被动排桩剩余水平推力。通过考虑临界土压力长期演化及桩周软黏土模量长期蠕变衰减特性,结合非线性p-y曲线模型,基于压力法建立考虑时间效应的被动桩两阶段分析法,通过差分法对被动桩平衡微分方程进行求解;(6)基于温州及台州湾围垦区非对称堆载试验,研究了桩土变形、桩侧土抗力、桩身轴力以及桩身弯矩等参数随时间变化规律,探讨了被动桩开裂问题、被动桩负摩阻力问题、桩侧土绕流机理、桩体遮拦效应以及土拱效应机理,揭示了斜交非对称堆载下弯扭耦合变形机制以及被动桩长期变形病害机理。
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