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钢—土界面特性及钢护筒嵌岩桩承载性状研究

作　者: 马伟
导　师: 王俊杰
学　校: 重庆交通大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 钢-土接触界面钢护筒嵌岩桩竖向承载性状水平承载性状直剪试验数值计算
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着长江中上游内河航运事业的迅猛发展，大直径嵌岩桩基得到了广泛的应用。嵌岩桩基在水上施工一般需架设钢护筒，钢护筒作为施工措施需嵌入地基岩层一定深度，施工完成后钢护筒被保留下来与桩身混凝土共同承受荷载作用。在以往的设计计算中一般不考虑钢护筒参与受力，这与实际情况不符。本文在查阅相关文献资料的基础上自行设计了一套室内直剪试验装置，研究了钢板与砂泥岩混合填土间的接触面力学特性及相关的影响因素，基于相关试验数据和嵌岩桩试桩资料在反复试算论证的基础上提出了大直径钢护筒嵌岩桩的有限元模拟方法，并分析了大直径钢护筒嵌岩桩在竖向和水平向荷载下的承载性状。本文完成的主要工作及取得的成果如下：（1）利用自行设计的土与结构接触界面直剪试验装置研究了钢与砂泥岩混合填土接触界面的力学特性，基于试验成果探讨了砂泥岩混合填土的颗粒级配、砂泥岩颗粒含量比例、干密度、含水率等因素对钢-土接触界面摩擦特性的影响。（2）提出了大直径钢护筒嵌岩桩承载性状的有限元模拟方法，该方法除了考虑桩周岩土体的材料非线性外，同时考虑了混凝土桩身和钢护筒的材料非线性、桩-岩（土）相互作用以及钢护筒与桩身混凝土间的相互作用。（3）以某码头工程为原型，采用有限元法分析了大直径钢护筒嵌岩桩的竖向承载特性，根据桩顶荷载-沉降曲线、桩身轴力和桩侧摩阻力分布的结果，分析了钢护筒对大直径嵌岩桩竖向承载力的影响，探讨了嵌岩桩嵌岩深度、桩径、钢护筒嵌岩深度、上覆土层及地基岩体强度参数对桩基竖向承载力的影响。结果表明，考虑钢护筒后，嵌岩桩表现为端承摩擦型桩，钢护筒的存在提高了嵌岩桩的竖向承载力。（4）通过有限元法研究了大直径钢护筒嵌岩桩的水平承载特性，根据桩顶荷载-位移曲线、桩身水平位移曲线和桩身弯矩的计算结果，分析了钢护筒对大直径嵌岩桩水平承载力的影响，探讨了嵌岩桩嵌岩深度、桩径、钢护筒嵌岩深度、上覆土层及地基岩体强度参数对水平承载力的影响。分析结果表明，考虑钢护筒后，嵌岩桩的水平承载力得到了提高，钢护筒承载了部分嵌岩桩的水平承载力，其能有效地约束地面以上桩身的水平位移，改善了嵌岩桩桩身混凝土的受力。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 问题的提出  9
  1.2 国内外研究现状及发展动态  9-15
    1.2.1 现场原位试验研究  9-11
    1.2.2 模型试验研究  11-12
    1.2.3 理论研究  12-13
    1.2.4 数值模拟研究  13-14
    1.2.5 影响因素研究  14-15
  1.3 本文的主要研究内容  15
  1.4 本文研究的主要技术路线  15-17
第二章钢-土界面特性试验研究  17-45
  2.1 概述  17
  2.2 研究目的  17
  2.3 试验方法及试验方案  17-22
    2.3.1 试验方法  17
    2.3.2 试验仪器  17-19
    2.3.3 试验方案  19-22
  2.4 试验土料  22-26
    2.4.1 试验原岩的力学性质  22-25
    2.4.2 试验土料的制备  25-26
  2.5 钢-土界面特性试验  26-35
    2.5.1 试验步骤  26-27
    2.5.2 传感器的标定试验  27
    2.5.3 试验结果及分析  27-35
  2.6 钢-土界面特性影响因素分析  35-40
    2.6.1 颗粒级配的影响  35-38
    2.6.2 砂泥岩颗粒比例的影响  38-39
    2.6.3 干密度的影响  39-40
    2.6.4 含水率的影响  40
  2.7 钢-土界面特性  40-44
  2.8 本章小结  44-45
第三章钢护筒嵌岩桩承载性状的有限元模拟方法研究  45-62
  3.1 概述  45
  3.2 大直径钢护筒嵌岩桩的有限元模拟方法  45-57
    3.2.1 本构模型  46-51
    3.2.2 材料参数的确定  51-54
    3.2.3 桩-岩（土）体接触面理论  54-56
    3.2.4 钢护筒嵌岩桩的有限元模型  56-57
  3.3 算例验证  57-61
    3.3.1 钢管混凝土结构  57-60
    3.3.2 嵌岩桩  60-61
  3.4 本章小结  61-62
第四章钢护筒嵌岩桩竖向承载性状  62-77
  4.1 概述  62
  4.2 有限元模型及加载方法  62-65
    4.2.1 有限元计算模型  62-63
    4.2.2 计算参数  63
    4.2.3 加载方式  63-64
    4.2.4 桩身混凝土本构模型的选取  64-65
  4.3 计算结果分析  65-69
    4.3.1 荷载-沉降曲线  65-66
    4.3.2 桩身的轴力  66-67
    4.3.3 桩侧摩阻力  67-69
  4.4 竖向承载性状影响因素分析  69-75
    4.4.1 嵌岩深度的影响  69-70
    4.4.2 桩径的影响  70-71
    4.4.3 钢护筒嵌岩深度  71-72
    4.4.4 上覆土层的影响  72-73
    4.4.5 地基岩体参数的影响  73-75
  4.5 本章小结  75-77
第五章钢护筒嵌岩桩水平承载性状  77-92
  5.1 概述  77
  5.2 有限元模型建立  77-78
    5.2.1 几何模型  77
    5.2.2 材料参数  77
    5.2.3 边界条件  77-78
  5.3 计算结果分析  78-82
    5.3.1 桩顶的荷载-位移曲线  78
    5.3.2 桩身的水平位移  78-79
    5.3.3 桩身的应力  79-81
    5.3.4 桩身的弯矩  81-82
  5.4 水平承载性状影响因素分析  82-91
    5.4.1 嵌岩深度的影响  82-83
    5.4.2 桩径的影响  83-84
    5.4.3 钢护筒嵌岩深度的影响  84-86
    5.4.4 钢护筒壁厚的影响  86-88
    5.4.5 上覆土层的影响  88-89
    5.4.6 地基岩体参数的影响  89-91
  5.5 本章小结  91-92
第六章结论与展望  92-94
  6.1 全文总结  92-93
  6.2 研究展望  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-99
在学期间发表的论著及取得的科研成果  99

钢—土界面特性及钢护筒嵌岩桩承载性状研究

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