超长桥梁群桩基础有效桩长试验与数值模拟研究

Large pile groups composed of super-long single pile are used widely with the rapid development of bridge engineering in china. However, due to the lack understanding of the load-tansfer mechanism of this kind foundation, some blind designs which lead to construction difficulty and high cost are adopted in practice, such as increasing the pile length to obatain high capacity senselessly. Therefore, it is urgent and meanful in practice to deeply study the calculation of the effective pile length of super-long pile groups. In this project, some quesetions about the effective pile length of super-long pile groups will be in-depth studied. Firstly, some in-site and laboratory model test of super-long pile groups will be carried out, so the load-tansfer mechanism, failure model and the load-settlement curve characteristic of super-long pile groups about the full wrecking process will be investigated carefully. Then, catastrophe theory will be introduced to consider the mutability about the the full wrecking process, and the computational formula of the capacity of super-long pile groups correspond to different pile length will be deduced based on the rational load-tansfer model. Finally, based on the analysis of 3D numerical simulation, the infuence of some parameters to the effective pile length of super-long pile groups will be discussed, such as pile spacing, strength of soil and pile diameter. And on that basis, a method of calculation of the effective pile length of super-long pile groups chich cansidering multifactors will be gained. Besides, a guide referencing for super-long pile groups design will also be proposed.

随着我国大型桥梁的不断修建，大型超长群桩基础正被广泛采用。而由于对此类基础的荷载传递规律尚缺乏准确认识，工程设计中具有较大盲目性（如盲目增大桩长以提高承载力），从而极大地增加了施工难度与工程造价，因此深入开展大型超长群桩基础有效桩长的计算方法研究，已成为工程界迫切需要，具有重要工程意义。为此，本研究拟以湖南洞庭湖区实际工程为依托，从现场原型试验与室内模型试验入手，探讨其受力特性，并深入分析其承载破坏全过程的荷载传递机理、破坏模式、荷载沉降曲线特征等；在此基础上，通过建立合理的荷载传递模型，并引入突变理论考虑超长群桩承载过程的突变性，导出对应于于不同桩长的超长群桩基础承载力计算公式。最后，基于数值模拟分析，在解决本构模型的前提下，深入探讨桩间距、桩径、土体强度等对超长群桩基础有效桩长的影响，由此提出考虑多因素情况下超长群桩基础有效桩长确定方法，并编制相应的设计指南，为相关设计提供参考。

随着我国大型桥梁的不断修建，大型超长群桩基础正被广泛采用。而由于对此类基础的荷载传递规律尚缺乏准确认识，工程设计中具有较大盲目性（如盲目增大桩长以提高承载力），从而极大地增加了施工难度与工程造价，因此深入开展大型超长群桩基础有效桩长的计算方法研究，已成为工程界迫切需要，具有重要工程意义。本研究从室内模型试验、理论分析、数值模拟以及现场试验等入手，对超长桥梁群桩的荷载传递机理、承载力与沉降计算等进行了深入系统的研究，主要研究工作及重要结论如下：.（1）以相似理论为指导，设计并完成了超长单桩、超长带台单桩及超长群桩的室内模型竖向承载对比试验，通过量测加载过程中桩身轴力、桩身摩阻力、桩端阻力、承台底土反力以及桩顶沉降，探讨了超长单桩、超长带台单桩及超长群桩的荷载传递机制与沉降特性，揭示了大直径超长灌注桩的荷载传递机理、破坏模式；.（2）采用剪切位移法考虑桩周土体应力的横向传递作用，以荷载传递法模拟群桩中基桩荷载的竖向传递规律，并考虑群桩间遮帘效应，建立了桩-桩相互作用模型，并由此导得了基桩竖向荷载传递的微分方程，通过对该微分方程的求解，得到了深厚软土区的超长群桩的沉降计算方法，再此基础上，通过控制桩顶沉降法来确定超长群桩基础的有效桩长，从而建立了考虑群桩效应的超长群桩有效桩长计算方法，并分析了超长群桩基础的影响因素；.（3）采用ADINA非线性结构分析程序建立超长群桩基础的三维实体有限元模型，结合算例研究，证明了本文模型的准确性。给出了竖向荷载作用下数值计算中超长群桩基础有效桩长的界定方法，在此基础上深入的研究了深厚软土区的超长群桩有效桩长问题，并分析了其影响因素，结果表明：桩顶荷载、桩土刚度系数、土层的内摩擦角及土层的粘聚力对超长群桩基础有效桩长的影响较大，而桩半径、桩间距对超长群桩基础有效桩长的影响较小，土体泊松比对超长群桩基础有效桩长的影响可以忽略不计；.（4）将室内模型及理论计算结果应用于湖南省长湘高速公路深厚软土区超长群桩基础的优化设计计算，通过开展现场深厚软土区大直径超长灌注桩的自平衡静载试验及长期观测试验，试验结果表明，优化设计后的长湘高速公路湘江特大桥的基桩承载力及稳定性满足设计要求，承载性能随时间趋于稳定；.（5针对深厚软土区大直径超长灌注桩施工的复杂性和特殊性，提出了相应的施工质量监控及检测技术，编制了施工指南，从而为实际工程建设提供了技术指导。