基本信息
- 项目名称：
- 大直径变截面桩承载性状与设计方法研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 大直径变截面桩与中小直径等截面桩的受力状态相差很大，传统桩基理论体系已不能恰当分析大直径变截面桩的工作机理和受力性状。国内最早施工的大直径变截面桩现已服役超过20年，工后沉降量极小，表现出很好的承载性能和耐久性能。目前我国正值基础建设高峰期，因此，迫切需要研究该桩型的受力机理并提出计算桩体竖向、水平向承载力及变形的合理方法。 本课题首先从分析苏通大桥变截面桩基载荷试验曲线的特点入手，划分桩体不同受力状态，在考虑一定安全储备的基础上选取其中一个临界状态进行研究，根据桩—土变形协调条件提出大直径变截面桩竖向承载力及沉降量的计算方法，并对该方法进行了初步验证。其次，基于文克尔理论将变截面桩分为上、下两段，分别利用弹性力学方法和虚拟桩法，考虑桩体变截面处的反弯作用及桩身刚度随土层变化对桩体水平抗力的影响，建立桩身挠曲微分方程，根据桩端边界条件，求出桩身内力及变形。最后，在上述算法的基础上，以VS2008环境为平台、在.NET框架下使用C++语言，开发出可用于大直径变截面桩的辅助设计软件。
- 详细介绍：
- 对于大型桥梁、建筑及港口等工程而言，桩基是最常用的基础形式。大直径变截面桩以其承载能力强、水平抗力大、沉降变形小、施工进度快、经济效益好等优点，在诸多工程中得到广泛应用。目前国内最早施工的大直径变截面桩已经服役超过20年，工后沉降量极小，表现出很好的承载性能和耐久性能。然而由于大直径变截面桩工作机理复杂，传统桩基理论体系已不能恰当分析其工作机理和受力性状，这严重影响了大直径变截面桩的进一步推广。目前我国正值基础建设高峰期，因此，迫切需要研究该桩型的受力机理并提出计算大直径变截面桩竖向、水平向承载力及变形的合理方法。 本项研究主要分为以下3部分： （1）桩基竖向承载性状与设计方法研究 从苏通大桥主墩大直径变截面桩的载荷试验曲线入手，分析不同荷载作用下该桩型侧摩阻力和端承力的发挥情况，研究其荷载传递机理。结合载荷试验曲线划分桩体不同受力状态，在考虑一定安全储备的基础上选取其中一个临界状态进行研究。推导过程中，基于传统力学理论列出桩体受力平衡方程，结合桩—土变形协调条件和材料力学中的剪切变形公式进行求解，得到桩基竖向承载力及沉降量的计算公式。 （2）水平荷载作用下桩基内力及变形研究 从大直径变截面桩的实际受力状态出发，基于文克尔假定理论，求解出弹性地基梁微分方程的通解。将水平荷载作用下的大直径变截面桩在变截面处划分为上、下两段，化变截面为等截面。上段桩体的内力和变形采用弹性地基梁微分方程的通解求解，其中桩侧土抗力用 “m”法计算(m值采用面积等效法求解)，由此可列出上段桩体内力及变形的矩阵方程。下段桩体的内力和变形采用弹性地基梁微分方程的通解及虚拟桩法计算，其中桩侧土抗力系数依然采用“m”法计算(m值用加权平均法求解)，考虑到变截面处的反弯作用，计算时会对变截面处的弯矩进行修正，进而列出桩体下段内力及变形的矩阵方程；结合桩端边界条件，反向求解上述矩阵方程即可得到桩体任意截面处的内力和变形。 （3）辅助设计软件的开发 在上述算法的基础上，以VS2008环境为平台、在.NET框架下使用C++语言，开发出可用于大直径变截面桩的辅助计算软件。软件除可完成相关计算功能外，还可以以文件的形式记录计算过程中所用到的数据，并根据相应参数自动生成AutoCAD能识别的文件—DXF格式文件。 近些年，我国即将进入铁路建设的高峰期，需要建造大量铁路桥梁，而前期在公路桥梁建设中积累的经验势必会对铁路桥梁建设起到重大借鉴作用。目前，对于大直径变截面桩基设计方法的研究已经得到铁道部资助（2009年铁道部重点课题：铁路工程设计施工关键技术研究—软土地区变截面桩承载性状及设计方法研究；编号：2009G010－D），课题拟在大直径变截面桩基的承载特性、内力简化算法等方面做更加细致的研究，并逐渐推广应用。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：提出简明实用的大直径变截面桩竖向、水平向承载力及其变形的计算方法，并编制配套辅助设计软件。 基本思路：从大直径变截面桩的实际受力性能出发，根据变形协调条件，划分桩体不同受力状态，选取其中一个临界状态，推导桩体竖向承载力及变形的计算方法；采用基于文克尔假设理论的分段法，化变截面为等截面，提出桩体水平向承载力及变形的计算方法。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：通过分析大直径变截面桩的荷载传递机理，提出其竖向承载力及变形的计算方法；采用基于文克尔理论的分段法，提出桩体水平向承载力及变位的计算方法。经验算，本算法计算结果与工程实测值十分接近。 先进性及独特之处：本算法概念明确、推导严密、承载力与沉降量关系密切，克服了传统方法在计算桩体受力时状态模糊、力与变形互不协调、计算结果不准确等缺点。另外，现已开发出配套辅助设计软件。
应用价值和现实意义
- 实际应用价值：本文算法可为以沉降量控制桩基竖向承载力设计提供理论支持；可广泛应用于对桩基承载力和沉降精度要求高的工程中，在保证承载力不变的前提下减少桩基数目、节约工程成本；配套的辅助设计软件可使计算方便快捷。 现实意义：目前大直径变截面桩的应用日趋广泛，本文算法可更加精确地分析该桩型的承载力及变形，在分析桩体受力、简化计算等方面具有广阔的应用前景，同时将为桩基设计理论的进一步完善做出贡献。
学术论文摘要
- 从大直径变截面桩实际受力性能出发，划分桩体不同受力状态，在考虑一定安全储备的基础上选取其中一个临界状态进行研究，根据桩-土变形协调条件提出大直径变截面桩竖向承载力及变形的计算方法，并用该方法对苏通大桥变截面桩基础进行竖向承载力及沉降量计算，结果与实验所得设计值十分接近，表明该方法比现行规范算法更准确。同时，基于文克尔理论将变截面分为上、下两段，利用弹性力学方法和虚拟桩法，考虑变截面处地基对桩体的反弯作用，分别对桩体上、下段进行水平向承载力和变形计算，计算结果与理论相符。另外，据此算法开发了配套辅助设计软件。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1、吕艳 黄剑虹等，无承台、变截面、大直径桥梁工程桩及其水平承载力的计算[C]，第六届全国大口径工程青岛会议（2001） 2、上官兴、蒋伟，钻孔桩实用沉降计算曲线[C]. 中国公路学会桥梁和结构工程学会，2007年全国桥梁学术会议论文集 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
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外对大直径桩承载力理论的研究，主要包括数学拟合法(包括灰色预测法、神经网络法和遗传算法等)和荷载传递法。数学拟合法是建立在大量试验数据基础上的。Wei Dong Guo和Mark F Randolph 于1998年对用荷载传递法分析桩体可靠性及影响桩体荷载传递的诸因素进行了深入探索。针对泥岩中大直径钻孔灌注桩的沉降和变形预测，Delpka进行了系统分析和研究，并提出考虑土和桩身材料非线性的大直径钻孔灌注桩的沉降预测方法。Brandl在试验研究的基础上，对大直径桩(Pile)和大直径墩(Pier)的极限承载力进行了综合分析和论证。肖宏彬借助数值模拟与试验分析，对多层地基中大直径桩的荷载传递全过程进行了研究，并提出了相应的解析计算方法。 工程设计中，通常将桩的承载力和沉降分开计算。目前，桩的沉降计算方法主要有弹性理论分析法、剪切位移法、荷载传递法及有限元分析法等。Richwien运用弹性分析模型，提出了考虑土的非线性分析方法。基于均质弹性半空间无限体的Mindlin解，Butterfield和Polulos等提出了计算单桩和群桩变形的荷载—沉降曲线法，并指出其沉降计算结果对均质土中的桩基础能满足一般要求。黄强认为，判断大直径桩极限承载力的准则几乎都是以变形量。因此，确定合理的变形计算模式是确定大直径桩极限承载力的前提；且大直径桩桩端土体不存在类似小直径桩的桩端刺入性沉降，只存在压缩性沉降。实际工程中的桩基础均是按沉降和承载力双控准则进行设计的，而大直径桩则主要以沉降控制。刘金砺认为，大直径桩的荷载—沉降曲线均呈缓变型特性，其破坏特性均呈渐进型破坏。1997年，王伯惠与上官兴以桃源大桥8根变截面桩的水平荷载试验结果为依据，提出了变截面桩水平力作用计算方法，并应用于韶关五里亭大桥下部构选型设计中。2002年苏通长江大桥耗资3000万元进行了17根钻孔桩荷载试验，取得了大量宝贵数据。2005年上官兴教授根据几十年来对钻孔桩沉降曲线的研究经验，结合苏通大桥17根试桩资料提出了“钻孔桩荷载沉降曲线(σ－y )计算法。 由以上分析可看出，虽然目前关于桩基础的理论研究成果众多，但针对大直径变截面桩承载性状和设计理论的研究甚少，因此该桩型的理论研究远远滞后于工程实践。这已成为制约其进一步推广的瓶颈，故很有必要结合现已施工完成的工程，研究大直径变截面桩的承载性状和设计理论。
