邻近斜坡静压沉桩的力学机制与边坡稳定动态可靠度研究

As a usual construction method in current engineering, driving pile near the slope have caused more engineering problems and environmental effects for its more complicated boundary conditions and constraint conditions compared with the normal axial symmetry driving piles, which have currently become an important problem demanding urgent solutions. Considering the characteristics of the jacked piles near the slope, the centrifugal model test, laboratory model test, in-situ investigation, numerical simulation and other comprehensive methodology will be utilized to study the mechanical responses of driving piles near the slope and the safety of the slope. This proposal will focus on the formation, accumulative development and dissipation of excess pore water pressure during the driving piles process, and the establishment of the analytical solution of the pore water pressure and the calculation model. The reinforcing effects, displacement superposition and soil compacting effects in group pile condition will be studied systematically. The mechanism and law of strength change of soils with the conditions and time of driving piles will be discussed to take further analysis of the slope safety during the driving piles process and the time-dependent reliability as the change of driving piles pattern and time, therefore the safety assessment theory of driving piles near the slope can be established. The present researches will provide a theoretical foundation for the analysis of cavity expansion and piles driving with the nonaxisymmetrical boundary conditions. Finally, an evaluation method will be proposed for the analysis of environmental effects and the slope safety.

邻近斜坡沉桩是目前工程中常见的施工形式，因其具有比轴对称沉桩更复杂的边界条件与约束条件，引起的工程问题和环境效应更多，已成为当前亟待解决的研究课题。本项目研究针对邻近斜坡静压沉桩的特点，采用离心模型试验、物理模型试验、现场调查、理论分析与数值模拟等综合研究手段，研究邻近斜坡沉桩的力学响应及边坡的安全性，重点探讨沉桩过程中超孔隙水压力形成、累积发展与消散规律，建立其孔压解析与计算模型；研究多桩条件下的加筋效应、位移叠加与挤土规律；探讨土体强度随沉桩条件、沉桩时间的改变机理与变化规律，进一步分析沉桩过程的边坡安全性和随沉桩方式、时间变化的动态可靠度，建立邻近斜坡沉桩边坡安全性评价计算理论。本项目研究将为分析非轴对称边界条件下的扩孔和沉桩问题提供必需的理论基础，为邻近斜坡沉桩的环境效应与边坡安全性分析提供有效的评价依据与评价手段。

静压桩因其施工方便、工期短、承载力高等优点，在软土地区基础工程中得到了广泛的应用和发展。然而，由于静压桩施工工艺的特殊性，通常会对周边环境产生较大影响。特别在邻近边坡条件下静压沉桩时，沉桩产生的超孔压和挤土作用严重影响到边坡的稳定性。同时，在沉桩完成后桩周土体强度由于超孔压的消散而得到恢复和提高，使得黏土地层静压桩呈现出明显的时效性。本项目针对上述科学问题，基于离心模型试验、理论解析、数值分析等多种手段对静压沉桩引起的环境效应和静压桩的时变承载特性展开了深入研究，得出了若干有意义的研究成果。在静压沉桩方面，根据静压沉桩过程和圆孔扩张的相似性，将饱和粘性土中静压沉桩过程视作柱孔不排水扩张问题，通过SMP强度准则考虑土体三维强度特性，采用K0-MCC模型考虑天然黏土的各向异性特征，推导了天然饱和黏土地层中圆孔不排水扩张的弹塑性解答；探讨了土体三维强度特性和初始应力各向异性对孔周土压、孔压分布规律的影响；将解答成功应用于静压沉桩效应研究，提出了饱和黏土地层静压沉桩桩周土压、孔压及沉桩阻力的理论预测方法，并通过与离心模型试验结果进行对比验证，研究了静压沉桩过程中桩周土压力、孔压及沉桩阻力的变化规律。在静压桩时变承载特性方面，在考虑固结系数随固结时间变化的条件下，改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程，以静压沉桩完成后桩周土体的应力状态为初始条件，采用分离变量法和离散化分析法导出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解，分析了沉桩结束后桩周土体强度和剪切模量的变化规律。在此基础上，分别应用总应力法、有效应力法和CPTU测试法并结合离心模型试验结果，研究了天然饱和黏土地层中静压桩承载力的演变规律，并基于荷载传递法提出了考虑沉桩效应的静压桩时变荷载-沉降曲线预测方法。在邻近斜坡静压沉桩过程中边坡动态稳定性研究方面，以斜坡为对称平面设置镜像扩张球孔抵消真实情况下并不存在的剪应力，采用Boussinesq解答对斜坡正应力进行修正，求得了斜坡非轴对称边界条件下的圆孔扩张解。在此基础上，采用Bishop圆弧滑动法和蒙特卡洛模拟法，对邻近边坡沉桩过程中边坡的动态稳定性可靠度进行了研究，揭示了邻近斜坡静压沉桩过程中边坡动态稳定性的演变规律。