基于桩土能量平衡的基桩竖向承载力设计理论研究

超长大直径桩因竖向承载力高而广泛应用于桥梁工程，其承载性状与地基土的状态密不可分。从能量角度来说，基桩从受荷到稳定的过程，即桩顶荷载做功将能量传递至桩身，再由桩身传递至桩周及桩端土层直至能量平衡的过程。因此，超长大直径桩的竖向承载力设计宜考虑桩-土体系的能量传递方式。由于目前国内外学者还较少关注桩-土体系的能量传递问题，为此，本研究拟从超长大直径桩室内模型试验入手，探讨桩土体系中土体的能量传递边界及位移模式，结合数值方法建立能量扩散边界及位移模式的样本参数数据库。在此基础上，深入研究体系内部各单元的变形能、势能、摩擦功相互之间的转换规律及土体位移模式对该转换规律的影响，以期通过确定各级荷载下桩-土体系内部最终能量状态来反映基桩受力、沉降、桩侧阻强化效应、深度效应等超长大直径桩特有的承载特征。此外，拟结合模型试验及现场试验资料深入探讨相关计算参数的确定方法，完善超长大直径桩设计计算理论。

针对基桩竖向荷载作用下的能量平衡问题，提出了基桩工作性状的能量法解答，给出了程序算法，并利用室内模型试验及工程实例对该解答进行了验证。首先，基于基桩工作的荷载传递机理及桩土之间能量传递方式，提出了考虑卸载的桩土荷载传递多折线模型，并给出描述桩土之间能量平衡的能量法差分方程。在此基础上编制了基桩工作性状计算程序，就程序收敛条件及收敛策略做了详细的分析和探讨，并通过结合工程实例的计算对各桩土模型及程序算法进行了验证。除此以外，深入分析了考虑桩周土沉降，基桩桩身产生负摩阻力时，基桩的工作性状等。最后，进行了室内模型试验，得到、整理了相关试验数据，并利用已开发程序对模型试验进行了分析计算，结果与试验数据相符合，证明了能量法基桩承载力设计计算理论的合理性与可靠性。