带约束盘大直径钢管桩贯入机理与承载特性研究

Large diameter open-ended pile has advantages such as higher bearing capacity and less construction period. It has been widely used in infrastructure construction such as offshore platform and cross-sea bridges. As the infrastructure was built under more complex loading environment, the bearing capacity of large diameter open-ended pile needs to be further improved. This project proposes a large diameter open-ended pile with a restriction plate based on the soil plug mechanism. The project intends to establish the DEM (Discrete Element Method) model to study the penetration mechanism of the large diameter open-ended pile with a restriction plate. Secondly, the project will conduct the centrifuge test to study the ultimate bearing capacity and the cyclic load resistance of the pile. Finally, the project proposes to carry out the performance optimization analysis of the foundation considering the size, the type, and other parameters of the restriction plate. The study also wants to propose a theoretical calculation model of large diameter open-ended pipe with a restriction plate under coupled external force. This study aims to understand the influence of the restriction plate to the soil plug inside the pile and provide the guideline to design large diameter open-ended pile with a restriction plate.

大直径开口管桩承载力高、施工周期短，广泛应用于跨海大桥及海上平台等基础设施建设中。随着我国基础设施工程在更复杂的载荷环境下建设，大直径开口管桩的承载力亟需进一步提高。项目基于土塞效应，研究带约束盘大直径开口管桩的贯入机理与承载特性。基于离散元理论，建立考虑粒间粘附力的DEM数值计算模型，研究带约束盘大直径开口管桩在贯入过程中内部土体的扰动方式，建立土塞形成的渐进演化模型；通过离心机实验研究“土体-管桩-约束盘”的耦合作用，分析带约束盘大直径开口管桩在极限载荷及工作载荷下的承载特性及失效模式；将离散元模型与离心机实验相结合，分析约束盘的尺寸、开口方式、桩径等因素对带约束盘大直径开口管桩承载特性的影响，进行管桩的性能优化分析，提出带约束盘大直径开口管桩的理论分析模型。研究将揭示约束盘对大直径开口管桩贯入过程中桩内土塞形成的作用机理，为带约束盘大直径开口管桩的设计与应用提供理论依据。

单桩基础是海洋工程应用最多的基础形式之一，但随着海上风电等海工设施逐渐向深水化、离岸化发展，其基础需要承受更大的荷载，为了有效的控制基础的水平变位，一般需要通过增大桩径或者增加桩埋深来提高其承载力。然而，不断增大桩径和埋深极大的增加了成本，并且对施工工艺也提出了更高的要求。基于目前此种状况，本研究提出了带约束盘的新型桩基础，通过增大管桩内部产生的土塞效应或在桩头施加一个抵抗弯矩以达到提高基础承载力、简化施工工艺、降低成本的目的。.本研究基于离心机模型试验，并运用有限元数值分析的方法，对于内部加装约束盘和外部加装约束盘的两种新型桩基础形式进行了研究。首先，研究基于离心机模型试验，并结合数值分析的结果，验证了有限元数值分析方法的可行性，运用ABAQUS软件建立新型桩基础的数值模型，模拟其在水平荷载作用下的静荷载响应。并通过敏感性分析对土壤性质和桩-土界面参数的影响进行了评估；此外还通过数值分析结果研究了内部加装约束盘的新型桩基础的约束盘下土压力分布、桩身土压力分布和基础旋转破坏时旋转中心的位置变化，并基于Coulomb理论，对传统单桩水平极限荷载计算方法进行了修订，提出了新型单桩基础水平极限荷载的计算方法。相对于传统开口钢管桩基础，加装约束盘后的新型钢管桩基础水平极限荷载有明显的提高，加装单孔约束盘基础的水平极限荷载是其1.24倍，加装四孔约束盘基础的水平极限荷载是其1.50倍。其次，研究结合外部加装约束盘新型单桩基础的几何特点，对新型单桩基础和传统单桩基础在水平荷载下的承载特性进行了研究。结果表明：新型单桩基础在刚度和强度方面均呈现出较好的稳定性，外部加装约束盘后的新型桩基础水平极限荷载有明显的提高。.本研究提出了一种预估新型桩基础水平极限荷载的理论计算方法，为带约束盘大直径开口管桩的设计与应用提供了理论依据与技术支持。