饱和软土中桩基础长期竖向循环弱化特性研究

Pile foundations are widely used in the construction of offshore engineering in the soft soil coastal area of China. However, more studies of the axial response of piles in saturated soft soil subjected to long-term axial cyclic loads and the degradation of pile- saturated soft soil interface under cyclic shear are still in great need. In this study program, a model test of piles in saturated soft soil foundation under long-term axial cyclic loads will be carried out to study the degradation process and mechanism of pile capacity firstly. The behaviors of saturated soft soil and pile- saturated soft soil interface will be studied through test study and numerical simulation, then a pile- saturated soft soil interface constitutive model with parameters of definite physical meanings will be proposed. Elasto-plastic finite element simulations of pile foundation under axial cyclic loading will be conducted based on this interface constitutive model. At last, the reasonable τ-z curves and σ-z curves of pile will be suggested to obtain the simple analysis method of pile foundation in saturated soft soil under long-term axial cyclic loading. The results of this program will be beneficial for the pile foundation designing of offshore wind turbines or large bridge on rivers or straits.

桩基在我国软土海岸地区广泛应用，而目前对于饱和软土中桩基的长期竖向循环加载特性、饱和软土桩土接触面循环弱化特性等方面还需要进一步深入的研究。本课题拟开展高质量的室内桩基长期竖向循环加载模型试验，以深入探讨饱和软土中桩基竖向循环弱化的演变过程和机理；通过试验研究和数值模拟等手段，开展饱和软土循环剪切特性和饱和软土中桩土接触面循环剪切特性的研究，以建立参数物理意义明确的饱和软土接触面本构模型；借助于饱和软土接触面本构模型进行竖向循环荷载作用下桩基的弹塑性有限元模拟，之后提出合理的桩侧土τ-z曲线和桩端土σ-z曲线以得到理论上严谨的桩基长期竖向循环加载简化分析方法。本项目的研究成果可为海上风电场、跨江海长大桥梁等离岸工程桩基础的设计提供充实的理论基础，从而为保障此类工程项目的安全建设以及长期运营提供科技支撑。

桩基在我国软土海岸地区广泛应用，而目前对于饱和软土中桩基的长期竖向循环加载特性、饱和软土桩土接触面循环弱化特性等方面还需要进一步深入的研究。研制了小型桩基竖向循环加载模型试验系统，该系统通过伺服电机驱动联轴器带动滚柱丝杠转动，进而滚柱丝杠的滑块带动加载板对模型桩施加位移荷载，通过水压加载法对土样进行围压加载，模拟不同深度土层的应力状态及固结情况；开展了高质量的室内桩基长期竖向循环加载模型试验，分析了固结围压、固结度和循环荷载幅值、循环振次对竖向循环受荷桩承载特性的影响，深入探讨了饱和软土中桩基竖向循环弱化的演变过程和机理；分别针对饱和粉砂、饱和黏土、饱和圆砾土开展了大量动静三轴试验，分析总结了饱和土的循环弱化特性；通过土单元试验、理论分析和有限元数值模拟等方法，建立了参数物理意义明确、应用方便的饱和软土和饱和圆砾土循环加载弹塑性本构模型；借助于饱和软土本构模型进行了竖向循环荷载作用下桩基的弹塑性有限元模拟，在与模型试验结果对比验证后进一步分析了竖向循环加载过程中桩周土的应力应变演变过程；建立了考虑循环弱化的软黏土简化非线性模型，其中引入了土体的强度和模量的衰减比公式，在此基础上提出了桩基长期竖向循环加载简化分析方法。本项目的研究成果可为海上风电场、跨江海长大桥梁等离岸工程桩基础的设计提供充实的理论基础，从而为保障此类工程项目的安全建设以及长期运营提供科技支撑。