嵌巖樁豎向承載機(jī)理及其承載力計算方法的研究

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1、博士學(xué)位論文摘要隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐越來越快，為實(shí)現(xiàn)國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，邊遠(yuǎn)山區(qū)及西部地區(qū)的公路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正穩(wěn)步推進(jìn)，跨江河與跨山谷高架橋的修建日益增多。對于大跨徑橋梁，其上部荷載較大且對沉降要求較為嚴(yán)格，而嵌巖樁是少數(shù)幾種能直接建造在基巖上的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式之一，其承載力高，沉降較土體中更容易控制在允許范圍內(nèi)，因而嵌巖樁在橋梁基礎(chǔ)工程中得到了廣范的應(yīng)用。但是由于橋梁工程嵌巖樁基所處的水文地質(zhì)條件復(fù)雜、施工工藝多樣、極限承載力較高、靜載荷試驗(yàn)不能達(dá)到破壞等原因，人們對其承載性狀存在著不

2、同的認(rèn)識，在承載力計算及嵌巖深度的確定上差別較大。因此深入研究嵌巖樁的承載機(jī)理，確定其承載力計算方法，合理選擇嵌巖樁設(shè)計參數(shù)成為亟待解決的問題。故本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“按樁頂沉降控制基樁豎向承載力的設(shè)計理論研究”(項(xiàng)目編號50878083)以及湖南省交通廳項(xiàng)目“山區(qū)超高橋墩樁基礎(chǔ)承載機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計研究”等課題，對此開展深入系統(tǒng)的研究。本文首先綜合分析了嵌巖樁承載特性與受力機(jī)理，基于巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的研究方法，從嵌巖樁樁．巖界面的剪切．位移細(xì)觀受力機(jī)理出發(fā)，建立了基于剪脹效應(yīng)的樁側(cè)摩阻力的二段線性軟化跌落模型，通過

3、荷載傳遞法求得彈塑性條件下的樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的解析式。探討了直徑d、巖石模量日、剪脹角盧對嵌巖樁承載特性的影響。在剪脹模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入分形維數(shù)描述的兩相接觸介質(zhì)粗糙表面的抗剪強(qiáng)度公式，建立了以分形維數(shù)D表示的嵌巖樁側(cè)摩阻力傳遞模型，求得彈性條件下的樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的解析式?；谒@得的解答，深入地探討了分維數(shù)D對樁側(cè)摩阻力《z)、樁身軸力P(z)的影響規(guī)律。其次，基于得到的樁．巖界面模型，從能量原理出發(fā)，建立了樁體受荷載時的能量平衡方程，將樁體離散成許多受力單元，對能量平衡方程進(jìn)行差分后，利用位移協(xié)調(diào)關(guān)系對

4、嵌巖樁樁頂荷載．位移曲線進(jìn)行數(shù)值求解，從而實(shí)現(xiàn)按樁頂位移控制承載力的設(shè)計方法。并考慮嵌巖段巖體質(zhì)量及所處應(yīng)力狀態(tài)對極限承載力的影響，引入Hoek．Brown巖體經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用Lambe變換，建立嵌巖段樁側(cè)摩阻力模型，然后基于簡化的樁端巖體破壞模式，利用極限平衡原理，推導(dǎo)了三向壓力下嵌巖樁樁端阻力的計算公式，進(jìn)而導(dǎo)得嵌巖樁極限承載力計算公式。再次，從滿足豎向承載力要求對樁基的嵌巖深度進(jìn)行了探討，基于嵌巖樁的位移計算公式，推導(dǎo)了可按樁頂荷載和沉降要求共同確定的嵌巖深度計算公式，并就樁頂沉降對嵌巖深度及嵌巖深度對樁端荷載分擔(dān)

5、比的影響進(jìn)行了探討。針對Ⅱ嵌巖樁豎向承載機(jī)理及其承載力計算方法研究規(guī)范中按橫向荷載確定的嵌巖深度計算模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮由樁體轉(zhuǎn)動引起的樁側(cè)法向應(yīng)力和水平向的摩阻力的共同作用替代原有單一水平方法應(yīng)力的作用，得到改進(jìn)的嵌巖深度計算公式。同時進(jìn)一步針對巖溶地區(qū)樁基嵌巖深度的確定問題，將樁端荷載作用下巖層的極限破壞視為沖切破壞，引進(jìn)格里菲斯非線性巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用極限分析上限法確定了沖切破壞面的功能方程，通過變分原理對功能方程的極值求解，進(jìn)～步通過微分得到了樁端巖層抗沖切安全厚度，進(jìn)而對巖溶區(qū)樁基的樁長進(jìn)行優(yōu)化?！槍蛄汗こ讨胁?/p>

6、分條件下嵌巖樁負(fù)摩阻力的問題，綜合考慮樁土相對位移及有效應(yīng)力的影響，建立了改進(jìn)的負(fù)摩阻力計算模型，采用位移協(xié)調(diào)法，對堆載條件下層狀地基的負(fù)摩阻力中性點(diǎn)及軸力進(jìn)行計算，并得到了考慮負(fù)摩阻力時嵌巖樁承載力的計算方法，并用一工程實(shí)例驗(yàn)證了方法的合理性。最后參與設(shè)計并完成了某特大橋嵌巖樁工程現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，對樁側(cè)土阻力，嵌巖段摩阻力及端阻力進(jìn)行了理論分析，并利用實(shí)測的數(shù)據(jù)對本文嵌巖樁承載機(jī)理及其承載力計算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：嵌巖樁；承載性狀：荷載傳遞；分形理論；能量法；極限承載力；嵌巖深度；現(xiàn)場試驗(yàn)IIIAbstractWith

7、thehigh—speeddevelopmentofnationaleconomy，theconstructionstepofChina。transportationinfrastructureismoreandmorequickly．InordertorealizethedeVelopmentofwestregionsstrategy，theconstructionofhighway，bridgesandothertransportationinfrastructureofremotemountainousareasan

8、dwesternareaaresteadilyboosted．ThebuildingoftheviaductwhichcrossriversandacrossthevallevlSincreasing·Forlong。spanbridges，thetoploadishighandsettlementre