循环荷载作用下珊瑚砂地基中桩-土动力相互作用机理研究

For the requirements of national defense and oil and gas resources exploitation and the needs of tourism development, the land reclamation project construction of the islands of the south China sea is developing rapidly. However, the foundation of the reef in the south China sea area is calcareous sand, which has the particularity. This study aims to reveal the dynamic interaction mechanism of pile-soil system in calcareous sand under cyclic loading by experimental research, theoretical analysis and numerical simulation methods. The background of this study is the calcareous sand in Xisha Yongxing island . The main research contents include: (1) obtaining the weakening characteristics of pile side resistance and pile end resistance in calcareous sand foundation under cyclic loading. (2) revealing the particle breaking features of calcareous sand around pile under cyclic loading. (3) to clarify dynamic interaction mechanism of pile group in calcareous sand foundation under cyclic loading. (4) developing new methods to calculate the dynamic response of single pile and pile groups considering the weakening characteristics of both side and tip resistances. This study can provide a reference for engineering design of pile foundations in calcareous sand under dynamic load.

为了国防建设和油气资源开采以及岛礁旅游业开发的需要，我国南海岛礁吹填造陆工程建设正飞速发展，岛礁和海上现代化工程数量日趋增多，规模将日渐增大。而南海地区岛礁为钙质砂地基，具有特殊性。本项目以西沙永兴岛的钙质砂为研究对象，采用试验研究、理论分析和数值模拟等手段对循环荷载作用下钙质砂地基中桩-土动力相互作用机理开展研究，主要研究内容包括：（1）研究得到循环荷载作用下钙质砂地基中桩侧阻力和桩端阻力的弱化特性。（2）揭示循环荷载作用下钙质砂地基中桩周土颗粒破碎特性。（3）阐明循环荷载作用下钙质砂地基中群桩动力相互作用机理。（4）建立考虑桩侧土和桩端土弱化特性的单桩和群桩动力响应计算方法。通过本项目研究，可为循环动荷载下钙质砂地基中桩基工程设计提供参考依据。

本项目针对岛礁珊瑚砂地基中桩基循环受荷力学响应问题，通过理论、试验和数值模拟手段对此开展了系统的研究，取得的主要成果包括：（1）进行了珊瑚砂地基中单桩静载荷试验、往复加卸载试验以及循环荷载作用下的桩基承载特性试验研究，通过进行不同循环荷载幅值以及静偏载组合荷载作用下的加载试验，得到桩顶循环累积荷载的发展规律、桩身轴力分布随循环次数的变化、桩端-桩侧阻力随循环次数的变化，揭示了循环荷载作用下的单桩竖向承载特性以及荷载传递规律。（2）开展了桩端贯入试验并测定桩周颗粒破碎空间分布，采用多种破碎率指标进行桩周颗粒破碎结果分析；测定桩端贯入过程中的桩周颗粒破碎范围与大小，对比硅砂地基中桩基，分析颗粒破碎对贯入侧阻力与端阻力的影响，揭示了珊瑚礁砂中的桩-土相互作用规律；采用PFC构建可破碎颗粒簇模拟桩周可破碎珊瑚礁砂颗粒，FLAC差分网格构建桩体，实现考虑颗粒破碎下的桩-土相互作用数值模拟，探究了桩周土破碎特性以及桩侧阻力和桩端阻力的变化特性。（3）开展了群桩在静荷载和循环荷载下的承载特性试验，建立了群桩与钙质砂相互作用的有限元数值分析模型，通过与单桩试验结果的对比分析，研究了钙质砂地基中的群桩效应，揭示了钙质砂地基中群桩相互作用机理以及群桩侧摩阻力和端阻力的变化机理。（4）考虑土体颗粒破碎导致桩侧和桩端土抗力的变化，建立了考虑桩周土颗粒破碎影响的桩-土耦合振动响应计算方法；考虑双桩动力相互作用，采用双桩动力相互作用因子法和叠加原理将单桩动力响应方程推广到群桩，得到群桩的荷载~位移求解矩阵。研究成果可为循环动荷载下钙质砂地基中桩基工程设计提供参考。