基于贝叶斯信息融合的钻孔灌注桩桩底沉渣概率分析及沉渣对竖向承载力可靠度影响研究

It is easy to exist toe debris during drilled bored pile construction, which reduces vertical capacity and reliability index of piles. The project will take the toe debris in sand soil for example, based on investigation, theoretical analysis, laboratory model tests and numerical simulation, the project will study the probabilistic characteristics of toe debris, and the influences of physical dimension for piles and debris parameters(e.g thickness, cohesion, angle of internal friction and modulus of compression) on vertical bearing capacity and reliability index. The content study is: Firstly, the probability model of toe debris in sand is formulated based on Bayesian information fusion theory; Secondly, 3D finite element model is established based on state dependent shear expansion model of sand, ALE finite element method and re-divided grid method; Thirdly, the results of numerical simulation are validated and revised through laboratory model tests. On this basis, reduce factor of bearing capacity and Monte Carlo simulation are employed to study the influences of physical dimension for piles and debris parameters on vertical bearing capacity and reliability index, then obtaining the according target reliability index.

钻孔灌注桩在施工过程中易产生桩底沉渣，对竖向承载性能造成不利影响，降低竖向承载力的可靠度指标。本课题拟以砂土中钻孔灌注桩为例，利用理论分析、调研、模型试验和数值模拟相结合的方法，研究桩底沉渣的概率特性、桩的几何尺寸和沉渣参数(厚度、黏聚力、内摩擦角和压缩模量)对桩的竖向承载力及可靠度指标的影响规律。具体研究内容为：首先利用贝叶斯信息融合理论建立砂土中桩底沉渣的概率模型；其次采用砂土状态相关剪胀模型、任意拉格朗日-欧拉有限元方法和网格重新划分法建立沉渣桩竖向承载性能的三维有限元模型；然后通过室内模型试验对数值模拟结果进行验证和修正；在此基础上，利用承载力折减系数和蒙特卡洛模拟法研究桩的几何尺寸和沉渣参数对竖向承载力可靠度指标影响规律，进而确定不同条件下目标可靠度指标。

灌注桩孔底沉渣的存在会降低基桩承载力，研制了一种沉渣厚度检测装置。该检测装置由测试杆、测试锤、速度计、传输线缆和数据接收处理装置组成。基于一维波动理论，分析了测试杆与沉渣交界面处由于波阻抗的变化导致在测试杆顶部接收到的速度时程曲线突变的机理，从而理论上验证了该装置的可行性。最后对多种工况下的沉渣进行了ABAQUS数值仿真模拟，以验证装置的可靠性。结果表明，在灌注桩孔底存在50cm厚的沉渣时，采用该装置测得的最大误差约为50mm。依照测试结果进行清孔作业后，剩余沉渣最大厚度可满足现行规范的限值要求，且此装置不受沉渣材质属性的影响，能够较好地完成工程中灌注桩孔底沉渣厚度的检测。. 桩底沉渣厚度超过一定数值后，会影响基桩承载性能的发挥，进而对承载力可靠度指标和目标可靠度指标造成不利影响。利用全概率计算公式推导出考虑沉渣桩的端承桩和摩擦桩竖向承载力可靠度指标和目标可靠度指标的计算公式，并给出了计算公式中每个参数的计算方法。通过实例分析了沉渣参数（厚度、压缩模量、粘聚力、内摩擦角和泊松比）对沉渣端承桩和摩擦桩竖向承载力可靠度指标的影响规律。在此基础上，研究了沉渣桩出现概率对考虑沉渣桩的承载力可靠度指标和目标可靠度指标的影响规律。研究表明：沉渣的存在大大降低了沉渣桩的竖向承载力可靠度指标；沉渣厚度和压缩模量对可靠度指标有显著影响，粘聚力、摩擦角和泊松比对可靠度指标影响很小。沉渣桩的出现概率对考虑沉渣桩的承载力可靠度指标和目标可靠度指标有显著影响，尤其当概率值较大时，基础会出现一定的安全隐患。