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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 大直徑變截面樁承載性狀與設(shè)計(jì)方法研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 大直徑變截面樁與中小直徑等截面樁的受力狀態(tài)相差很大，傳統(tǒng)樁基理論體系已不能恰當(dāng)分析大直徑變截面樁的工作機(jī)理和受力性狀。國內(nèi)最早施工的大直徑變截面樁現(xiàn)已服役超過20年，工后沉降量極小，表現(xiàn)出很好的承載性能和耐久性能。目前我國正值基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，因此，迫切需要研究該樁型的受力機(jī)理并提出計(jì)算樁體豎向、水平向承載力及變形的合理方法。 本課題首先從分析蘇通大橋變截面樁基載荷試驗(yàn)曲線的特點(diǎn)入手，劃分樁體不同受力狀態(tài)，在考慮一定安全儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上選取其中一個(gè)臨界狀態(tài)進(jìn)行研究，根據(jù)樁—土變形協(xié)調(diào)條件提出大直徑變截面樁豎向承載力及沉降量的計(jì)算方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證。其次，基于文克爾理論將變截面樁分為上、下兩段，分別利用彈性力學(xué)方法和虛擬樁法，考慮樁體變截面處的反彎作用及樁身剛度隨土層變化對(duì)樁體水平抗力的影響，建立樁身撓曲微分方程，根據(jù)樁端邊界條件，求出樁身內(nèi)力及變形。最后，在上述算法的基礎(chǔ)上，以VS2008環(huán)境為平臺(tái)、在.NET框架下使用C++語言，開發(fā)出可用于大直徑變截面樁的輔助設(shè)計(jì)軟件。
- 詳細(xì)介紹：
- 對(duì)于大型橋梁、建筑及港口等工程而言，樁基是最常用的基礎(chǔ)形式。大直徑變截面樁以其承載能力強(qiáng)、水平抗力大、沉降變形小、施工進(jìn)度快、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在諸多工程中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)最早施工的大直徑變截面樁已經(jīng)服役超過20年，工后沉降量極小，表現(xiàn)出很好的承載性能和耐久性能。然而由于大直徑變截面樁工作機(jī)理復(fù)雜，傳統(tǒng)樁基理論體系已不能恰當(dāng)分析其工作機(jī)理和受力性狀，這嚴(yán)重影響了大直徑變截面樁的進(jìn)一步推廣。目前我國正值基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，因此，迫切需要研究該樁型的受力機(jī)理并提出計(jì)算大直徑變截面樁豎向、水平向承載力及變形的合理方法。 本項(xiàng)研究主要分為以下3部分： （1）樁基豎向承載性狀與設(shè)計(jì)方法研究 從蘇通大橋主墩大直徑變截面樁的載荷試驗(yàn)曲線入手，分析不同荷載作用下該樁型側(cè)摩阻力和端承力的發(fā)揮情況，研究其荷載傳遞機(jī)理。結(jié)合載荷試驗(yàn)曲線劃分樁體不同受力狀態(tài)，在考慮一定安全儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上選取其中一個(gè)臨界狀態(tài)進(jìn)行研究。推導(dǎo)過程中，基于傳統(tǒng)力學(xué)理論列出樁體受力平衡方程，結(jié)合樁—土變形協(xié)調(diào)條件和材料力學(xué)中的剪切變形公式進(jìn)行求解，得到樁基豎向承載力及沉降量的計(jì)算公式。 （2）水平荷載作用下樁基內(nèi)力及變形研究 從大直徑變截面樁的實(shí)際受力狀態(tài)出發(fā)，基于文克爾假定理論，求解出彈性地基梁微分方程的通解。將水平荷載作用下的大直徑變截面樁在變截面處劃分為上、下兩段，化變截面為等截面。上段樁體的內(nèi)力和變形采用彈性地基梁微分方程的通解求解，其中樁側(cè)土抗力用 “m”法計(jì)算(m值采用面積等效法求解)，由此可列出上段樁體內(nèi)力及變形的矩陣方程。下段樁體的內(nèi)力和變形采用彈性地基梁微分方程的通解及虛擬樁法計(jì)算，其中樁側(cè)土抗力系數(shù)依然采用“m”法計(jì)算(m值用加權(quán)平均法求解)，考慮到變截面處的反彎作用，計(jì)算時(shí)會(huì)對(duì)變截面處的彎矩進(jìn)行修正，進(jìn)而列出樁體下段內(nèi)力及變形的矩陣方程；結(jié)合樁端邊界條件，反向求解上述矩陣方程即可得到樁體任意截面處的內(nèi)力和變形。 （3）輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā) 在上述算法的基礎(chǔ)上，以VS2008環(huán)境為平臺(tái)、在.NET框架下使用C++語言，開發(fā)出可用于大直徑變截面樁的輔助計(jì)算軟件。軟件除可完成相關(guān)計(jì)算功能外，還可以以文件的形式記錄計(jì)算過程中所用到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)自動(dòng)生成AutoCAD能識(shí)別的文件—DXF格式文件。 近些年，我國即將進(jìn)入鐵路建設(shè)的高峰期，需要建造大量鐵路橋梁，而前期在公路橋梁建設(shè)中積累的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)必會(huì)對(duì)鐵路橋梁建設(shè)起到重大借鑒作用。目前，對(duì)于大直徑變截面樁基設(shè)計(jì)方法的研究已經(jīng)得到鐵道部資助（2009年鐵道部重點(diǎn)課題：鐵路工程設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究—軟土地區(qū)變截面樁承載性狀及設(shè)計(jì)方法研究；編號(hào)：2009G010－D），課題擬在大直徑變截面樁基的承載特性、內(nèi)力簡(jiǎn)化算法等方面做更加細(xì)致的研究，并逐漸推廣應(yīng)用。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：提出簡(jiǎn)明實(shí)用的大直徑變截面樁豎向、水平向承載力及其變形的計(jì)算方法，并編制配套輔助設(shè)計(jì)軟件。 基本思路：從大直徑變截面樁的實(shí)際受力性能出發(fā)，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，劃分樁體不同受力狀態(tài)，選取其中一個(gè)臨界狀態(tài)，推導(dǎo)樁體豎向承載力及變形的計(jì)算方法；采用基于文克爾假設(shè)理論的分段法，化變截面為等截面，提出樁體水平向承載力及變形的計(jì)算方法。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性：通過分析大直徑變截面樁的荷載傳遞機(jī)理，提出其豎向承載力及變形的計(jì)算方法；采用基于文克爾理論的分段法，提出樁體水平向承載力及變位的計(jì)算方法。經(jīng)驗(yàn)算，本算法計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值十分接近。 先進(jìn)性及獨(dú)特之處：本算法概念明確、推導(dǎo)嚴(yán)密、承載力與沉降量關(guān)系密切，克服了傳統(tǒng)方法在計(jì)算樁體受力時(shí)狀態(tài)模糊、力與變形互不協(xié)調(diào)、計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。另外，現(xiàn)已開發(fā)出配套輔助設(shè)計(jì)軟件。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：本文算法可為以沉降量控制樁基豎向承載力設(shè)計(jì)提供理論支持；可廣泛應(yīng)用于對(duì)樁基承載力和沉降精度要求高的工程中，在保證承載力不變的前提下減少樁基數(shù)目、節(jié)約工程成本；配套的輔助設(shè)計(jì)軟件可使計(jì)算方便快捷。 現(xiàn)實(shí)意義：目前大直徑變截面樁的應(yīng)用日趨廣泛，本文算法可更加精確地分析該樁型的承載力及變形，在分析樁體受力、簡(jiǎn)化計(jì)算等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將為樁基設(shè)計(jì)理論的進(jìn)一步完善做出貢獻(xiàn)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 從大直徑變截面樁實(shí)際受力性能出發(fā)，劃分樁體不同受力狀態(tài)，在考慮一定安全儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上選取其中一個(gè)臨界狀態(tài)進(jìn)行研究，根據(jù)樁-土變形協(xié)調(diào)條件提出大直徑變截面樁豎向承載力及變形的計(jì)算方法，并用該方法對(duì)蘇通大橋變截面樁基礎(chǔ)進(jìn)行豎向承載力及沉降量計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得設(shè)計(jì)值十分接近，表明該方法比現(xiàn)行規(guī)范算法更準(zhǔn)確。同時(shí)，基于文克爾理論將變截面分為上、下兩段，利用彈性力學(xué)方法和虛擬樁法，考慮變截面處地基對(duì)樁體的反彎作用，分別對(duì)樁體上、下段進(jìn)行水平向承載力和變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與理論相符。另外，據(jù)此算法開發(fā)了配套輔助設(shè)計(jì)軟件。
獲獎(jiǎng)情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- 1、呂艷 黃劍虹等，無承臺(tái)、變截面、大直徑橋梁工程樁及其水平承載力的計(jì)算[C]，第六屆全國大口徑工程青島會(huì)議（2001） 2、上官興、蔣偉，鉆孔樁實(shí)用沉降計(jì)算曲線[C]. 中國公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)，2007年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 3、Delpak, Omer J R and Robinson R B, Load /Settlement Prediction for Large-diameter Bored Pile in Merica Mudsotone[M]. Proc.Instn Civ. Engrs Geotech. Engng, 2000，143：201~224
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外對(duì)大直徑樁承載力理論的研究，主要包括數(shù)學(xué)擬合法(包括灰色預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法等)和荷載傳遞法。數(shù)學(xué)擬合法是建立在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。Wei Dong Guo和Mark F Randolph 于1998年對(duì)用荷載傳遞法分析樁體可靠性及影響樁體荷載傳遞的諸因素進(jìn)行了深入探索。針對(duì)泥巖中大直徑鉆孔灌注樁的沉降和變形預(yù)測(cè)，Delpka進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，并提出考慮土和樁身材料非線性的大直徑鉆孔灌注樁的沉降預(yù)測(cè)方法。Brandl在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)大直徑樁(Pile)和大直徑墩(Pier)的極限承載力進(jìn)行了綜合分析和論證。肖宏彬借助數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析，對(duì)多層地基中大直徑樁的荷載傳遞全過程進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的解析計(jì)算方法。 工程設(shè)計(jì)中，通常將樁的承載力和沉降分開計(jì)算。目前，樁的沉降計(jì)算方法主要有彈性理論分析法、剪切位移法、荷載傳遞法及有限元分析法等。Richwien運(yùn)用彈性分析模型，提出了考慮土的非線性分析方法?；诰|(zhì)彈性半空間無限體的Mindlin解，Butterfield和Polulos等提出了計(jì)算單樁和群樁變形的荷載—沉降曲線法，并指出其沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)均質(zhì)土中的樁基礎(chǔ)能滿足一般要求。黃強(qiáng)認(rèn)為，判斷大直徑樁極限承載力的準(zhǔn)則幾乎都是以變形量。因此，確定合理的變形計(jì)算模式是確定大直徑樁極限承載力的前提；且大直徑樁樁端土體不存在類似小直徑樁的樁端刺入性沉降，只存在壓縮性沉降。實(shí)際工程中的樁基礎(chǔ)均是按沉降和承載力雙控準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而大直徑樁則主要以沉降控制。劉金礪認(rèn)為，大直徑樁的荷載—沉降曲線均呈緩變型特性，其破壞特性均呈漸進(jìn)型破壞。1997年，王伯惠與上官興以桃源大橋8根變截面樁的水平荷載試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，提出了變截面樁水平力作用計(jì)算方法，并應(yīng)用于韶關(guān)五里亭大橋下部構(gòu)選型設(shè)計(jì)中。2002年蘇通長(zhǎng)江大橋耗資3000萬元進(jìn)行了17根鉆孔樁荷載試驗(yàn)，取得了大量寶貴數(shù)據(jù)。2005年上官興教授根據(jù)幾十年來對(duì)鉆孔樁沉降曲線的研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合蘇通大橋17根試樁資料提出了“鉆孔樁荷載沉降曲線(σ－y )計(jì)算法。 由以上分析可看出，雖然目前關(guān)于樁基礎(chǔ)的理論研究成果眾多，但針對(duì)大直徑變截面樁承載性狀和設(shè)計(jì)理論的研究甚少，因此該樁型的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐。這已成為制約其進(jìn)一步推廣的瓶頸，故很有必要結(jié)合現(xiàn)已施工完成的工程，研究大直徑變截面樁的承載性狀和設(shè)計(jì)理論。
