超长细比路堤桩屈曲理论分析及透明土模型试验研究

目前超长细比路堤桩在工程中得到越来越多地应用，其屈曲临界荷载验算是单桩承载力校核中一项重要内容，而路堤桩的屈曲问题研究尚少，其计算理论已成为路堤桩承载力校核及理论研究中亟待解决的问题。本项目针对超长细比路堤桩区别于传统大直径桩基的特点，改进和完善桩屈曲分析传统方法的局限和不足之处，通过理论研究、透明土模型试验和足尺模型试验等，改变以往分析时桩周土作用仅为单侧土体抗力的方法，通过考虑位移的桩两侧土压力合理分析来模拟桩侧土对屈曲的影响，研究符合路堤桩受力变形特点的桩顶、桩端合理约束形式、判定准则及挠曲线形式。考虑主要影响因素，采用尖点突变理论，建立不同桩顶、桩端约束形式下屈曲破坏尖点突变模型，用于路堤桩屈曲问题的分析。该课题的研究不仅对超长细比路堤桩或其它工程桩的屈曲问题研究有推动和丰富作用，满足工程所需，对桩承式加筋路堤的计算理论、透明土试验技术的发展和完善等方面也将起到积极作用。

沿海及内地湖泊地区存在着众多复杂深厚软弱软土地基，往往需要在其上建设居住房屋、高速公路、铁路、码头等建筑物或构筑物等。在过去的半个世纪中将超长细比路堤桩打入在地表下相当大深度的做法逐渐开始增多，这种类型的基础主要包括支撑近海面的桩、高速公路桥、高层建筑桩基等，这些桩均打入下部稳定持力层内。然而，在竖向荷载作用下，当桩周存在软弱土体或可液化土体或砂时，不同类别超长细比路堤桩均存在屈曲的可能。本文通过理论分析、室内试验、足尺模型试验、（透明土）模型试验等对超长细比路堤桩可能存在的屈曲稳定问题进行了研究，在一定程度上揭示了超长细比路堤桩屈曲临界荷载判定方法并建立了超长细比路堤桩屈曲临界荷载计算算法。获得的主要结论如下：.（1）桩的屈曲稳定特性与竖向加载方式有关。在试验过程中，当荷载即将达到屈曲临界荷载时需改变等应力加载方式为等应变加载，可获得桩在屈曲过程中及屈曲后桩顶荷载沉降曲线变化规律。.（2）细长混凝土桩荷载-沉降曲线在屈曲过程中会呈现锯齿形变化形式，但波动现象并不明显。当进行两次或三次试加载（等应变加载）后荷载未明显增加但是桩顶沉降却变化极大，桩身出现破坏，即可判定竖向荷载已达到屈曲临界荷载。.（3）混凝土材料为脆性材料，屈曲临界荷载与屈曲破坏荷载之间差别较小，在工程应用中可近似认为为桩屈曲临界荷载≈桩屈曲破坏荷载，后者更易在试验中获得。.（4）建立了常见桩端嵌固形式下考虑桩两侧土体对桩屈曲的“推动”和“阻止”作用的桩屈曲临界荷载计算方法，并进行极限主、被动位移计算方法探索及计算方法合理性验证。.（5）通过超长细比路堤桩模型试验验证了本文提出计算方法的合理性。计算结果为试验结果的0.6~0.8倍。并将本文提出计算方法与传统计算方法进行了对比。仅考虑单侧土体作用计算屈曲临界荷载为考虑两侧土体作用结果的15.6倍，传统“m法”计算结果为本文提出计算方法的2.0~3.9倍。.（6）通过透明土模型试验获得了细长桩屈曲过程中的挠曲线及桩周土体的位移变化情况。试验表明桩端约束形式不同的路堤桩屈曲变形取决于桩身强度和长细比的变化。