循环荷载作用下海洋大直径管桩土塞弱化机理及长期承载特性研究

During service period, the marine pile foundation will withstand complex cyclic loading generated by wind, waves, currents, traffic and so on. By virtue of field test, a new objective phenomenon has been discovered by the applicant, which shows that the soil plug inside the marine large-diameter pipe pile can be weakened due to the aforementioned cyclic loading. How to reasonably evaluate the weakening effect of soil plug and its influence on the long-term bearing capacity of pipe pile is one of the urgent problems need to be solved. In this project, by means of model tests, both the weakening process of soil plug and the accumulated settlement and deformation of pipe pile are systematically investigated for different engineering conditions. Combining unit test technique, discrete element method, scanning electron microscope SEM with meso analysis based on advanced image test technique, the mechanical behavior of the interface of surrounding soil-pipe pile-soil plug and the relationship between interface strength of surrounding soil-pipe pile and soil plug-pipe pile are investigated in depth when there is cyclic vertical or lateral loading applying on the pile head. Then, the analytical models for pipe pile undergoing cyclic vertical loading and the p-y curves for pipe pile undergoing cyclic lateral loading are established when the weakening effect of surrounding soil and soil plug of pipe pile is considered. On this basis, the computational theories of bearing capacity and deformation characteristics of marine large-diameter pipe pile are built when there is cyclic vertical loading or cyclic lateral loading acting on pile head. Based on the above results, the empirical formulas and calculation charts will be provided. The research results of this project can provide a valuable guide for the design and construction of pipe pile foundation.

海洋桩基础在服役期间会承受由风、波浪、海流和交通等产生的复杂循环荷载。申请人通过工程试验发现，海洋大直径管桩内土塞在上述循环荷载作用下会发生弱化现象，如何定性甚至定量地描述循环荷载作用下土塞的弱化过程及其对管桩长期承载特性的影响是亟需解决的难题之一。项目拟通过模型试验研究不同工况时的土塞弱化过程及桩顶累积沉降和变形规律。利用单元体试验、离散元数值模拟技术、扫描电镜SEM和基于先进图像测试技术的细观分析等方法，揭示循环荷载作用下桩侧土-管桩-土塞界面力学行为、桩侧土-管桩和土塞-管桩界面强度的关联性，并建立竖向循环荷载作用下桩侧土和土塞循环弱化的理论分析模型及水平循环荷载作用下的开口管桩p-y曲线。在此基础上，建立相应循环荷载作用下海洋大直径管桩基础长期承载特性的计算理论，并给出可用于工程设计和施工的计算公式和图表，从而为海洋工程中管桩基础的设计和施工提供更加完善的理论指导。

海洋桩基础在服役期间会承受由风、波浪、海流和交通等产生的复杂循环荷载。申请人通过工程试验发现，海洋大直径管桩内土塞在上述循环荷载作用下会发生弱化现象，如何定性甚至定量地描述循环荷载作用下土塞的弱化过程及其对管桩长期承载特性的影响是亟需解决的难题之一。项目采用模型试验、数值模拟和理论研究手段，对竖向和水平循环荷载作用下管桩的受力变形过程进行了深入研究，探明了竖向和水平循环荷载作用下的土塞弱化机理以及其对管桩竖向和水平长期承载特性的影响机理；在此基础上，建立了竖向循环荷载和水平循环荷载分别作用下管桩长期承载特性的计算理论，并给出了可用于工程设计和施工的计算公式及分析程序。主要成果有五个方面：①竖向荷载作用下管桩土塞效应机理及桩土界面力学行为特征；②竖向荷载作用下管桩长期承载特性计算理论；③水平荷载作用下管桩土塞效应机理及桩土界面力学行为特征；④水平荷载作用下管桩长期承载特性计算理论；⑤桩土界面力学行为与承载特性试验；⑥围绕海上桩基静动力特性的其他补充成果；⑦围绕海上桩基的试验设备和新型桩专利设计。本项目揭示了土塞循环弱化机理及土塞对管桩视波速的影响机理，提出的分析方法可以反映长期循环荷载作用下管桩承载特性的变化规律及视波速变化规律，对丰富和发展桩基工程理论和技术及指导工程实践具有十分重要的理论与工程应用价值。共发表科技论文34篇，其中SCI 收录23篇，EI收录7篇，核心期刊论文2篇，会议论文2篇；获国家专利10项，其中发明专利5项；软件著作权2项。共培养博士研究生5人，硕士研究生7人，本科生10人。受本基金项目支持，团队成员参加国内外学术会议23次。研究成果先后应用于港珠澳大桥试桩工程等30余项工程桩的设计和现场测试工作。项目负责人先后入选中国科协“青年人才托举工程”、浙江省自然科学基金杰出青年基金、中国地质大学“摇篮计划”、“地大学者”等人才计划。