岩质陡坡桥梁桩基承载机理及其分析方法研究

论文摘要

随着我国西部山区高速公路建设的蓬勃发展，为满足线形及保护自然环境的需要，在岩质陡坡段采用高架桥形式穿越不可避免。此时，如何确保陡坡桥梁桩基的设计合理与工程安全是一个值得工程技术人员密切关注的问题，而深入地了解其承载机理及准确的内力分析计算是解决该问题的基本前提。为此，本文结合国家自然科学基金项目“陡坡段桥梁桩基设计理论与数值模拟方法研究”（50578060）和湖南省交通科技项目“高陡边坡段桥梁桩基设计与防护技术研究”（200513），从理论与试验上对该问题进行较系统深入的研究，提出整套岩质陡坡桥梁基桩的设计计算理论。 本文首先详细论述了常规竖向承压桩及被动桩在竖向荷载、横向荷载以及组合荷载作用下的受力特性，分析了岩质陡坡桥梁桩基与常规桩基的主要区别。在此基础上，通过建立合理的桩侧、桩端荷载传递模型，并考虑到桩周岩层的分层特性及侧阻发挥程度，导出了桩顶沉降量的计算公式，从而提出了按桩顶沉降量控制基桩竖向承载力的方法。此外，在分析了受荷特点之后，将荷载归为桩顶竖向荷载及横向荷载、滑体下滑推力及桩周岩体抗力，并以滑动面为界，基于m法，分别建立了基桩挠曲微分方程，进而采用幂级数求解，推导出基桩内力计算公式，从而解决岩质陡坡桥梁基桩的内力及位移分析问题。 为进一步探讨岩质陡坡桥梁桩基的受力特性，引入数值流形方法解决了岩质边坡桥梁基桩体系中的两大关键问题：桩岩接触面的不连续变形问题与桩周岩体的本构模型的确定问题。针对桩岩接触面的不连续变形特性，对可能出现的大变形情形，采用一般接触进入理论求解，将接触关系视为点与边的接触，重点解决接触关系的寻找与确定及接触关系开合迭代的实施方法；而针对一般接触进入理论计算繁琐的缺点，对于更为普遍的小变形情况，引入扩展Lagrange乘子法进行求解，从而更为快速的求解桩岩接触面的接触问题；针对桩周岩体应变软化的特点，通过引进统计理论及损伤力学，建立出岩石的统计损伤本构模型，并推导出相应的本构矩阵，采用弧长法求解非线性方程，进而基于VisualC++平台编制了大型的数值流形方法的应用程序。在解决上述两个关键问题后，建立了岩质陡坡桥梁基桩的计算模型，通过改变模型参数等方法，对其影响因素及嵌岩深度问题进行了详细探讨，提出了合理的嵌岩深度与围岩稳定厚度。 最后，设计并完成了多组岩质边坡基桩的室内模型试验，通过改变荷载方式、桩顶自由长度等参数，在分析桩侧下滑推力以及基桩内力与位移的分布规律的基础上，进一步分析了岩质边坡基桩的受力影响因素及相关规律，并结合论文依托

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 桩基础概述
• 1.1.1 桩基础的历史与发展
• 1.1.2 桩基础的分类
• 1.2 问题的提出
• 1.2.1 陡坡桥梁桩基设计计算急需解决的问题
• 1.3 桩基础受力分析现状研究
• 1.3.1 基桩竖向承载力研究现状
• 1.3.2 横向荷载下基桩的研究现状
• 1.3.3 组合荷载作用下基桩的研究现状
• 1.4 非连续变形研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 陡坡陡坡桥梁桩基承载机理及其特性
• 2.1 岩质陡坡桥梁桩基的受荷特点
• 2.1.1 荷载分类
• 2.1.2 边坡稳定围岩厚度
• 2.2 竖向荷载下岩质陡坡桥梁桩基的承载特性
• 2.2.1 桩侧阻力的受力性状
• 2.2.2 桩端阻力的受力性状
• 2.2.3 荷载传递的分析方法
• 2.3 横向荷载下岩质陡坡桥梁桩基的承载特性
• 2.3.1 横向荷载下基桩的破坏性状
• 2.3.2 横向荷载下基桩的受力计算方法
• 2.3.3 横向荷载下基桩的承载力
• 2.4 组合荷载下岩质陡坡桥梁桩基的受力特性
• 2.4.1 桩顶组合荷载作用下基桩的受力特性
• 2.4.2 水平分布荷载与竖向荷载作用下基桩的受力特性
• 2.5 小结
• 第3章 岩质陡坡桥梁桩基受力分析及承载力研究
• 3.1 岩质陡坡桥梁基桩内力分析研究
• 3.1.1 滑坡推力及抗力分布研究
• 3.1.2 基本挠曲微分方程的建立
• 3.1.3 滑动面以上微分方程的幂级数解答
• 3.1.4 滑动面以下微分方程的幂级数解答
• 3.1.5 桩顶及桩端参数的计算
• 3.1.6 滑坡推力系数求解
• 3.2 岩质陡坡桥梁基桩的荷载传递模型
• 3.2.1 桩侧岩体的荷载传递模型
• 3.3.2 桩端岩体层的荷载传递模型
• 3.3 按桩顶沉降量控制的岩质陡坡桥梁基桩的竖向承载力计算
• 3.3.1 基桩竖向承载力计算常用方法
• 3.3.2 常用方法所存在的问题
• 3.3.3 不同阶段基桩承载力分析
• 3.4 小结
• 第4章 基于数值流形方法的接触面不连续变形分析
• 4.1 引言
• 4.2 数值流形方法的基本原理
• 4.2.1 有限覆盖位移函数与权函数
• 4.2.2 基于三角形有限单元的流形单元位移函数
• 4.2.3 数值流形方法的平衡方程
• 4.2.4 初应力矩阵
• 4.2.5 点荷载矩阵
• 4.3 桩岩接触面的大变形求解方法
• 4.3.1 覆盖接触的基本概念
• 4.3.2 流形单元接触关系的确定方法
• 4.3.3 接触分析的开合迭代求解过程
• 4.4 摩擦接触问题的扩展Lagrange乘子法
• 4.4.1 扩展Lagrange乘子法的提出
• 4.4.2 扩展Lagrange乘子法的基本思路
• 4.4.3 接触面法向及切向接触力的迭代格式
• 4.4.4 扩展Lagrange乘子法的数值实施过程
• 4.5 数值计算算例
• 4.6 小结
• 第5章 数值流形方法在基桩受力分析中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 统计损伤本构模型研究
• 5.2.1 本构模型的建立
• 5.2.2 参数的确定
• 5.2.3 本构矩阵的推导
• 5.2.4 求解非线性方程组的弧长法
• 5.3 岩质陡坡桥梁基桩计算模型的建立
• 5.3.1 横向荷载下岩质陡坡基桩的受力特性分析
• 5.3.2 轴向荷载下岩质陡坡基桩的受力特性分析
• 5.4 其他因素对岩质陡坡基桩承载性状的影响
• 5.4.1 基桩刚度的影响
• 5.4.2 嵌岩深度效应
• 5.5 小结
• 第6章 岩质陡坡桥梁基桩室内模型试验研究
• 6.1 桩岩材料选择与参数量测
• 6.1.1 桩身材料与特性
• 6.1.2 桩周岩体材料参数量测
• 6.2 试验装置设计
• 6.2.1 模型箱设计
• 6.2.2 加载装置设计
• 6.2.3 参数量测装置设计
• 6.3 试验内容与方法
• 6.4 室内模型试验成果分析
• 6.4.1 桩侧土压力分布规律
• 6.4.2 桩身弯矩分布规律
• 6.4.3 桩顶水平位移分布规律
• 6.5 计算值与实测值的对比分析
• 6.6 小结
• 第7章 工程应用
• 7.1 工程与地质概况
• 7.1.1 工程整体概况
• 7.1.2 地质概况
• 7.1.3 观测设备埋设与监测方法
• 7.2 基桩内力测试结果分析
• 7.2.1 土压力分布规律
• 7.2.2 基桩桩身内力计算值与实测值的比较
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间论文、科研及获奖情况）