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闭合型地下连续墙桥梁基础承载机理研究

作　者: 宋章
导　师: 程谦恭
学　校: 西南交通大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 闭合型地下连续墙荷载传递机理承载性状受力变形特征现场载荷试验数值计算理论分析
分类号: U443.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

闭合型地下连续墙(以下简称闭合墙)整体刚度大,承载能力高,作为一种新型的桥梁基础,不仅具有良好的竖向承载性能,而且还具有很好的水平承载特性。然而,由于墙内土芯受力变形十分复杂,基础承载性状的影响因素众多,到目前为止,对闭合墙桥梁基础的承载机理这一问题尚未得到很好的解决。为此,本文结合交通部西部交通科技项目,采用现场荷载试验、数值计算和理论分析的方法对单室闭合墙基础的荷载传递机理及其承载性状进行了系统的分析和研究。主要研究内容和成果如下:(1)通过闭合墙现场竖向载荷试验,对黄土层中闭合墙的荷载-沉降特性、墙身轴力与墙侧摩阻力的发挥性状、墙侧摩阻力和端阻力荷载分担比的变化规律进行了分析。结果表明:闭合墙具有端承摩擦墙的特性;竖向承载力由墙侧摩阻力和端阻力共同承担;侧摩阻力和端阻力的发挥取决于墙周土性参数的变化及墙土之间相对位移量的大小。(2)考虑墙内土芯的承载作用,通过数值计算和分析,对竖向荷载作用下闭合墙基础的荷载传递机理,墙身内、外侧摩阻力的发挥机制,以及各荷载分量及其荷载分担比随墙顶荷载变化的分布规律等进行了研究;并探讨了墙身截面形状及尺寸、土体物理力学特性等因素对闭合墙承载性状的影响。(3)研究了墙端附近墙内土芯的受力变形规律。采用土拱理论,基于平面应变假定,确定了土拱的合理拱轴线为二次抛物线形式,并对土拱的最不利受力截面位置、土拱出现及保持稳定的条件进行了详细探讨。指出:存在于土芯端部附近范围内的“应力锅状拱”效应有利于墙身内侧摩阻力及端阻力的发挥。(4)通过水平荷载作用下闭合墙基础的三维数值计算,研究了闭合墙基础的水平受力变形破坏特征,以及墙身变位、内力及墙侧地基横向土抗力变化的分布规律。并探讨了不同加载方向下矩形闭合墙基础其水平屈服强度的方向性。(5)斜向荷载作用下闭合墙基础的承载机理与单一的竖向或水平向荷载分别作用情况不同,其受力变形特征包括了竖向或水平向荷载单独作用下的各种可能情况。数值计算表明:斜向荷载作用下闭合墙基础的极限承载力与墙项荷载的倾斜程度及墙身侧摩阻力的发挥性状有关;其极限承载力应综合考虑地基土体的竖向承载能力、基础上部结构允许的位移量、地基横向土抗力、墙身材料强度特性等方面的要求。(6)利用荷载传递法,推导出了闭合墙竖向荷载—沉降关系的弹塑性半解析公式,并求得了任意截面墙身轴力及墙身侧摩阻力计算表达式。通过计算分析,表明此公式能较好的分析竖向荷载作用下闭合墙基础的荷载传递机理及其承载性状。(7)基于地基系数m法,按照弹性地基上有限长梁的方法,建立了地基横向土抗力、墙身变位与内力关系的微分方程,采用幂级数求解的方法,导得了水平向荷载及斜向荷载作用下闭合墙墙身内力与变位的关系公式。并初步验证了此计算公式的合理性。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-16
第1章绪论  16-32
  1.1 研究背景与问题的提出  16-18
  1.2 地下连续墙基础国内外研究现状分析  18-28
    1.2.1 国外地下连续墙基础研究现状  18-23
    1.2.2 国内地下连续墙基础的研究现状  23-27
    1.2.3 当前地下连续墙基础研究现状分析  27-28
  1.3 研究的目标和内容  28-30
    1.3.1 考虑土芯作用的闭合墙基础竖向承载机理及其受力性状的研究  28-29
    1.3.2 水平荷载作用下闭合墙基础承载机理及其受力性状研究  29
    1.3.3 斜向荷载作用下闭合墙基础承载机理及其受力性状研究  29-30
    1.3.4 工程实例分析  30
  1.4 论文的研究方法及技术路线  30-32
第2章地下连续墙现场试验研究  32-62
  2.1 引言  32
  2.2 试验概况  32-36
    2.2.1 黄土工程地质特性  32-34
    2.2.2 试验研究对象及其概述  34-35
    2.2.3 试验研究内容  35-36
  2.3 竖向承载力试验  36-50
    2.3.1 试验闭合墙设计方案  36-37
    2.3.2 测试元件布设  37-38
    2.3.3 加载系统设计及安装  38-41
    2.3.4 竖向承载力试验方法  41-42
    2.3.5 试验加载与测试  42-43
    2.3.6 载荷试验成果及其分析  43-50
  2.4 水平承载力试验  50-60
    2.4.1 单片墙试验设计方案  50
    2.4.2 测试元件布设  50-52
    2.4.3 加载系统设计及安装  52
    2.4.4 试验加载与测试  52-53
    2.4.5 载荷试验成果及其分析  53-60
  2.5 本章小结  60-62
    2.5.1 试验闭合墙竖向承载性状  60
    2.5.2 试验单片墙水平承载性状  60-62
第3章考虑土芯作用的闭合型地下连续墙竖向承载性状分析  62-119
  3.1 引言  62
  3.2 闭合墙数值分析模型的建立  62-65
    3.2.1 基本假定  62-63
    3.2.2 计算范围  63
    3.2.3 基本算例几何参数和材料参数  63-64
    3.2.4 边界条件和初始条件  64
    3.2.5 计算方案  64
    3.2.6 闭合墙竖向极限荷载的确定  64-65
  3.3 竖向荷载作用下闭合墙承载性状分析  65-98
    3.3.1 基本算例分析  65-71
    3.3.2 影响闭合墙承载性状的主要因素  71-98
  3.4 闭合墙内土芯性状分析  98-117
    3.4.1 闭合墙内土芯的承载特性  98-107
    3.4.2 闭合墙内土芯承载特性的土拱效应分析  107-117
  3.5 本章小结  117-119
第4章闭合型地下连续墙水平承载性状分析  119-153
  4.1 引言  119
  4.2 数值计算模型及基本参数  119-122
    4.2.1 本构模型的选取及边界条件的确定  120
    4.2.2 计算方案的选取  120
    4.2.3 闭合墙水平加载方法及水平承载力的确定  120-122
  4.3 基本算例分析  122-133
    4.3.1 水平荷载下闭合墙基础的变位特性  122-127
    4.3.2 墙身弯矩、剪力及角位移性状分析  127-129
    4.3.3 墙侧土抗力性状分析  129-130
    4.3.4 墙身侧摩阻力性状分析  130-132
    4.3.5 水平荷载下闭合墙基础的破坏性状  132-133
  4.4 闭合墙基础水平屈服强度的方向性分析  133-139
  4.5 墙身截面尺寸对其水平承载性状的影响分析  139-145
  4.6 墙深对闭合墙水平承载性状的影响分析  145-151
  4.7 水平荷载下闭合墙的破坏机理  151-152
  4.8 本章小结  152-153
第5章斜向荷载下闭合型地下连续墙的受力分析  153-174
  5.1 引言  153
  5.2 斜向荷载作用下闭合墙的承载特性  153-169
    5.2.1 斜向荷载作用下闭合墙的受力性状  154-158
    5.2.2 墙身几何参数及土性参数对闭合墙承载性状的影响  158-169
  5.3 斜向荷载下闭合墙的承载能力和位移  169
    5.3.1 斜向荷载下闭合墙的承载力  169
    5.3.2 斜向荷载作用下闭合墙的位移  169
  5.4 竖向荷载对一定水平荷载下闭合墙承载性状的影响分析  169-173
  5.5 本章小结  173-174
第6章考虑土芯作用的闭合型地下连续墙沉降弹塑性半解析解  174-194
  6.1 引言  174
  6.2 微分方程及其求解  174-191
    6.2.1 闭合墙基础的荷载传递规律  174-175
    6.2.2 模型简化及基本假定  175-177
    6.2.3 闭合墙竖向荷载—沉降曲线方程的推导  177-191
  6.3 算例分析  191-193
    6.3.1 计算的实现  191-192
    6.3.2 计算结果分析  192-193
  6.4 本章小结  193-194
第7章斜向荷载下闭合型地下连续墙地基系数分析幂级数解  194-219
  7.1 引言  194-195
  7.2 地基系数及基本假定  195-196
    7.2.1 地基系数的选取  195
    7.2.2 基本假定  195-196
    7.2.3 墙侧土抗力的计算宽度B  196
  7.3 仅受水平荷载时闭合墙计算公式及其推导  196-202
    7.3.1 墙体微分方程的建立  196-198
    7.3.2 微分方程幂级函数的求解  198-202
  7.4 竖向与水平荷载同时作用下闭合墙的计算公式及其推导  202-208
    7.4.1 墙体微分方程的建立  202-204
    7.4.2 微分方程幂级函数的求解  204-208
  7.5 地面处墙身的位移(水平位移和角位移)计算公式  208-211
  7.6 闭合墙墙身变位及内力的简捷计算  211-217
    7.6.1 墙身水平位移、角位移、弯矩和剪力  211-212
    7.6.2 墙身最大弯矩位置的计算  212-214
    7.6.3 墙侧最大地基水平土抗力位置及其零点位置的计算  214-215
    7.6.4 地面处地基水平土抗力不为零(z≠0)时的计算  215-217
  7.7 算例分析  217-218
  7.8 本章小结  218-219
第8章闭合型地下连续墙在桥梁基础中的应用  219-228
  8.1 引言  219
  8.2 工程与地质概况  219-223
    8.2.1 工程概况  219-220
    8.2.2 地质概况  220
    8.2.3 观测设备埋设及监测方案  220-222
    8.2.4 桥梁闭合墙基础的施工工序  222-223
  8.3 工程闭合墙基础的变形监测分析  223-224
  8.4 闭合墙内力测试结果分析  224-226
    8.4.1 承台施工完毕阶段墙身内力分布规律  224-225
    8.4.2 工程桥运营阶段墙身内力及墙侧地基土抗力分布规律  225-226
  8.5 本章小结  226-228
结论  228-230
致谢  230-232
参考文献(References)  232-247
攻读博士期间发表的论文及科研成果  247-248

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