基于桩土界面概化模型的湖区软土地段桥梁基桩受力研究

There is very great influence for bridge piles load transfer and force deformation in lacustrine soft soil as lake water at low tide and water tables falling. It is necessary to carry out drainage of soft soil under different traits microstructure rheological tests to establish any suitable analog mechanical behavior of soft clay path Lakes microscopic changes in the moisture content of the constitutive model, that provided a basis for the study of stress and deformation of bridge piles in lacustrine soft soil. pile-soil interface shear test and model test will be developed to simulate changes in the water content of the lake caused by falling water tables, and generalized model for pile-soil interface will be established using three- dimensional CT reconstruction from the microscopic point of detection pile-soil interface morphology and intensity changes. At the same time, combining microscopic constitutive model and pile-soil interface generalized model, the three-dimensional fluid-solid interaction numerical simulation and sensitivity analysis for bridge piles in lacustrine soft soil will be carried out. Based on load transfer method and using dual-spring model, bridge piles force segmented analytic solution considering pile-soil contact interface generalized model in lacustrine soft soil is deduced, and the soil pile deformation control considerations model pile load transfer theory and force calculation is put forward.

针对湖区软土地段枯水季节湖水退却、地下水位下降对该地区桥梁基桩桩土接触与荷载传递及其受力变形的影响，开展不同排水条下软土流变力学性状微结构试验，建立适用于模拟任意含水量变化路径下的湖区软粘土力学行为微观本构模型，为湖区软土地段桥梁基桩的受力及变形研究提供基础。开展桩土接触界面剪切试验与室内模型试验，模拟湖区地下水位下降引起含水量变化对桩-土相互作用的影响，采用CT三维重构，从微观角度探测桩土接触界面变化形态与其强度的关系，建立桩土界面分形概化微观模型，结合软粘土任意含水量变化路径下的微观本构模型，构建软土地段桥梁基桩三维流固耦合数值模型，并开展敏感性分析对其影响因素进行分析。在此基础上，采用桩土荷载传递的双弹簧模型，推导可考虑桩土接触界面概化模型影响的桩身受力分段解析解，进而提出按变形控制的湖区地段桥梁基桩荷载传递理论与受力计算方法。

本课题《基于桩土界面概化模型的湖区软土地段桥梁基桩受力研究》在执行期间，根据湖区软土地段桥梁基桩所处环境的特点，依据相似理论，开展了基于CT扫描的桩土界面细观试验。为模拟湖区水位下降，分五个阶段对桩土模型进行降水，分析了试验过程中模型外观及桩土接触面的变化，其基桩负摩阻力在形成和发挥的过程中桩土接触面并不是连续接触，而是属于非连续接触的范畴，其桩侧摩阻力不能按照传统的“完全接触”计算求解。同时，通过开展的桩土接触界面剪切试验，得到了在模拟湖区水位变化引起的软土干湿循环环境下，随着干湿循环次数的增加，土体的界面抗剪强度总体表现为先略有增加后持续降低：经过一次干湿循环后其平均增加了 5.9%，经过二次干湿循环后则比一次干湿循环平均减小 8.6%，经过三次干湿循环后，较前者又平均减小了 4.3%。通过对桩土接触界面采用CT三维重构，可以得到湖区水位下降过程中，在负摩阻力作用下，桩与桩周土脱离段（包括完全脱离和部分脱离）总长度的变化规律：初始时，脱离段总长度占整个桩长比例较小，随降水强度增强，其所占比例越来越大，总体呈抛物线型变化。也得到了桩土界面脱离段范围内完全脱离与部分脱离各自所占的百分比，并且论证了各降水阶段部分脱离段桩土界面的接触程度从上至下逐渐增大，呈线性变化，亦即桩土界面部分脱离段的变化是与水位变化相关的一次函数，可作为桩土界面分形概化微观模型的函数表达。在考虑不同法向应力下的参数拟合，提出了基于统计损伤本构模型的改进接触面模型，建软土地段桥梁基桩三维流固耦合数值模型，进行了数值模拟。最后综合桩土概化模型和数值模拟结果，进行了相关假设及条件简化，采用桩土荷载传递的双弹簧模型，推导可考虑桩土接触界面概化模型影响的桩身受力分段解析解，并与传统计算模型进行了算例对比分析，在降水8d的情况下，考虑桩土接触面的非连续接触时，中性点位置下移了1.6m，桩身最大轴力下降了5.2%。