不同沉桩方式下钙质砂土中大直径钢管桩承载特性研究

As compared with normal sandy soil, calcareous sand deposited in South China Sea and the area of 'The Belt and Road' is fragile and porous. The conventional design method of the piling work may not be applicable to the open-ended steel pipe pile (OESP) due to the breakability of the calcareous sand. The study in this research project mainly focus on the dynamic interactions between calcareous sand and OESP pile using different installation methods including hammering and vibrating. To understand the dynamic response of calcareous sand under cyclic/impact loads, such as soil strength degradation and 'rate effect', experimental programs will be conducted in the laboratory. Based on the numerical methods including Finite Elemental Method (FEM) and Material Point Method (MPM), the large deformation analysis on the penetration into calcareous sand will be performed, which will reveal the internal difference of penetration mechanics for different installation methods. Based on the dynamic development of calcareous sand and the dynamic contact relationship between OESP pile and sand, the bearing characteristic of OESP pile will be explored in calcareous sand under different installation methods. The effect of pile diameter on the bearing capacity of OESP is also investigated. An integrated capacity analysis system of OSEP pile in calcareous will be set up considering the effects of soil coring and strength degradation. Consequently, the results from this research project can provide a technical guideline for the design and construction of OSEP in calcareous sand.

我国南海岛礁及“一带一路”工程建设中的钙质砂土具有易碎性、多孔性等特点，该地质条件下的大直径钢管桩无法完全套用传统砂土中桩基础的设计方法。本项目围绕锤击、振动等不同沉桩方式下的大直径钢管桩与钙质砂土动态相互作用这一主题，分析不同沉桩方式的荷载效应，开展钙质砂土动态响应规律的室内试验研究，构建钙质砂土在循环荷载和冲击荷载作用下的强度退化和“率效应”表达模型，揭示不同沉桩方式下钙质砂土强度的动态退化机理；结合有限元法(FEM)和物质点法(MPM)，建立钙质砂土中钢管桩的大变形分析技术，分析不同沉桩方式下钢管桩贯入机理；基于钙质砂土动态演化规律以及桩-土动态接触关系模拟研究，揭示沉桩后钙质砂土中大直径钢管桩的承载机理，分析尺寸效应对钢管桩的承载特性影响规律；建立考虑土芯效应和钙质砂土强度弱化效应的钢管桩承载力计算方法。研究成果可为钙质砂土中钢管桩安全施工和合理设计提供科学依据。

钙质砂具有易碎性、多孔性等特点，目前对南海岛礁钙质砂动力特性的研究极少，该地质条件下的大直径钢管桩无法完全套用传统砂土中桩基础的设计方法。研究不同沉桩方式荷载作用下钙质砂的力学性能，深入探讨钙质砂地层中基础的贯入机理，对我国南海岛礁钙质砂地层的设施建设具有重要的应用价值。该研究工作具有前前瞻性和基础性。以南海岛礁的钙质砂为研究对象，通过静三轴试验、动三轴试验以及霍普金森杆冲击试验来模拟沉桩过程中不同沉桩荷载，对钙质砂的物理性质和力学响应开展研究，对比了不同荷载下钙质砂颗粒破碎情况及其对沉桩施工可打性的影响，可为不同沉桩方式下考虑沉桩过程的钙质砂土动态响应机制的钢管桩承载机理预测提供参考；通过在钙质砂中进行了锤击钢管桩贯入室内模型试验，对比研究了不同锺击能量与不同钙质砂相对密实度控制下锺击次数、沉桩阻力等因素对钢管桩贯入影响，探讨了沉桩阻力构成与沉桩过程能量传递，并重点分析了钙质砂中锤击沉桩贯入机理；同时，开展钙质砂地层中钢管桩竖向抗压静载模型试验，对比研究了锤击式，预埋式钢管桩在不同钙质砂相对密实度、不同柱长径比下的桩基竖向承载和变形性能及其影响因素；运用RITSS大变形分析技术，建立海上大直径开口钢管桩锤击贯入的有限元数值模型，分别就不同桩径和壁厚的大直径开口钢管柱开展了锤击贯入过程的数值仿真研究，分析厚径比和桩径对贯入过程中的大直径开口钢管桩土抗力的影响，以及贯入过程中开口柱的承载特性；并提出了锤击贯入过程中开口桩土塞发生条件、开口桩内土的位移解析解以及锤击荷载下开口桩位移的傅里叶解析解。