关键词:
超长超大直径管桩
土塞效应
贯入阻力
土塞高度公式
正交试验
参数优化
摘要:
随着现代建筑与基础设施项目日益繁复的发展,对于应对复杂地质环境所需的高强度、高承重基础结构需求持续攀升,传统的管桩已经无法满足此类工程需要。超长超大直径管桩作为地基加固工程关键技术之一,因其高强度、高承载力的性能应用越来越广泛。在该类管桩的设计施工过程中,土塞现象作为关键且复杂的力学行为,对桩基承载效能及稳定性有着重要的影响。然而,目前对于超长超大直径管桩土塞效应的演化机理、影响因素、土塞高度的推导以及与普通管桩在土塞效应上的区别的研究尚不完善。本文通过室内模型箱试验、超长超大直径管桩现场贯入试验、颗粒流数值模拟以及理论推导的方法,旨在研究超长超大直径管桩在土塞效应上与普通管桩的异同、土塞效应的影响因素、土塞高度公式的推导以及超长超大直径管桩的设计参数优化。论文的研究内容和成果主要包括:
(1)开展了超长超大直径管桩室内模型箱试验以及数值模拟研究,分析了超长超大直径管桩与普通管桩之间土塞效应的区别,研究了管桩长度、内径、壁厚、贯入土体颗粒大小以及分层地基等因素对超长超大直径管桩的土塞效应的影响。结果表明:随着管桩长度的减小、内径的增加、壁厚的减小以及被贯入土体颗粒粒径变小,管桩的土塞效应逐渐变弱,达到闭塞时所达到的土塞高度越高;在管桩由软弱土层向坚硬土层过渡时,管桩的土塞高度会重新增高,而由坚硬土层向软弱土层过渡时,管桩的闭塞情况会更完全;超长超大直径管桩与普通管桩的土塞演化过程是大致相同的,超长超大直径管桩的桩端接触力要远大于普通管桩,且在贯入过程中对周围土体的影响范围会比普通管桩更大。
(2)通过室内模型试验与数值模拟研究,分析了贯入过程中超长超大直径管桩各阻力的变化情况,结果表明:在贯入过程的初期,桩壁端阻力在整个贯入阻力中占有主要地位,在贯入的一半左右后,桩内外侧摩阻力开始超过桩壁端阻力,且在贯入过程中,桩壁端阻力在后期趋于稳定状态,而桩内外侧摩阻力在后期处于不断增加的趋势,在达到闭塞状态后,桩内侧摩阻力则增长变缓,而桩外侧摩阻力则一直随着管桩的不断贯入而增大,且在后期,桩外侧摩阻力占整个贯入阻力的最大部分。桩径的增加会使桩内外侧摩阻力和桩壁端阻力有较大的增加,桩长的增加会使桩内外摩阻力有较大的增加,壁厚的增加会使桩壁端阻力和桩外侧摩阻力有较大的增加,被贯入土体颗粒粒径的增加会使桩壁端阻力与桩内外侧摩阻力均有下降,不同软硬土层会对桩壁端阻力与桩外侧摩阻力产生较大影响。
(3)通过对超长超大直径管桩内部土塞微单元的受力分析,得出土塞竖向所受总荷载,结合太沙基地基极限承载力公式并引入大直径桩端尺寸效应与动力效应系数,对超长超大直径管桩的土塞高度进行推导计算。
(4)通过正交试验的方法分析超长超大直径管桩长度、壁厚以及内径对承载性能(桩内侧摩阻力)影响的主次,构建一个旨在实现管桩承载力与经济效益双重优化的多目标函数模型,对影响较大的设计参数进行优化,结果表明:在此模型中,桩内径对管桩承载性能的影响权重最大,桩长次之,壁厚最小,在综合考虑承载性能与经济性的情况下,管桩长度最优取值在49m左右,管桩内径最优取值在1.2m左右。
(5)通过现场试验记录超长超大直径管桩沉桩时土塞高度与沉桩深度的变化,并运用steel变形监测数据软件和ACDSee(奥视迪)软件对现场图片进行处理,获得贯入度的变化情况。结果表明:不同软硬程度的土层会对土塞高度的变化产生影响,在由软弱土层在向坚硬土层过渡的时候,会导致土塞高度的重新增长,管桩的贯入速率与土层的不同性质有很强的相关关系,密实度较高的土层贯入速率较低,密实度较低的土层,贯入速率较高。