珊瑚礁地质钢管桩贯入机理与承载特性研究

Many characteristics of coral reef, such as fragility, porosity and high compressibility, cause severe questions in the proceeding of pile driving and on bearing capacity of steel pipe pile. Until now, the proper solution and prediction methods have not been put forward in academic papers yet. Therefore, theme of this project is to study the pile-soil interaction and to aim at the fragility of coral reef in the proceeding of pile driving. Constitutive relations and mathematical mechanical model will be established, which consider the effect of particle impact crushing, cement of coral reef. The microscopic mechanism of coral reefs particles is founded in process of installation and particle breakage around pile body. Depending on large deformation problem, the scientific numerical analysis methods will be founded. The formula which forecast pile slipping and its depth will be put forward. Mechanism of capacity of steel pipe pile will be founded in the proceeding of pile driving, and construction technology, which enhances the capacity of steel pipe pile in the coral reef, will be put forward. What’s more, computational methods of steel pipe pile in the coral reef area under dynamic loading will be constructed, which make sure the safety of pile driving and working condition.

珊瑚礁地质具有易碎性、多孔性、高压缩性等特点，导致珊瑚礁地质区域存在钢管桩安装过程溜桩和服役期间承载力不足等工程问题。目前，国内外对此缺乏可靠的预测方法和解决措施。本项目围绕珊瑚礁地质中钢管桩贯入过程桩-土相互作用这一主题，针对贯入过程中珊瑚礁地质颗粒破碎特性，建立考虑颗粒冲击破碎、胶结性状的珊瑚礁地质多孔材料的本构模型，揭示锤击钢管桩过程中珊瑚礁地质颗粒冲击破碎的细观机理以及桩周土颗粒的破碎演化发展规律；针对沉桩过程中大变形问题，建立科学合理的数值分析方法，提出珊瑚礁地质中钢管桩溜桩的预测方法和溜桩深度计算公式；揭示破碎珊瑚礁地质中基桩水平承载性能发挥机理，提出珊瑚礁地质中钢管桩承载力提升技术，建立波浪等动荷载作用下珊瑚礁地质中钢管桩水平承载力计算方法。为珊瑚礁地质中钢管桩的顺利安装提供科学依据，保证钢管桩服役过程中的安全。

钙质砂具有易碎性、多孔性、高压缩性等特点，在沉桩过程中，尤其是长大直径预制桩，钙质砂会发生严重的颗粒破碎，将对桩基础安装过程及承载性能产生显著影响，因此需要对沉桩过程中钙质砂的力学特性开展深入的研究。常见沉桩的安装方式包括静压贯入、振动贯入和锤击贯入，通过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。.首先，在珊瑚钙质砂中进行了锤击钢管桩贯入室内模型试验，通过沉桩过程全过程模拟，对比研究了不同锤击能量与不同钙质砂相对密实度控制下锤击次数、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，并重点分析了珊瑚钙质砂中锤击沉桩贯入机理。对珊瑚钙质砂中钢管桩进行了竖向抗压静载室内模型试验，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、不同桩长径比下的桩基竖向承载和变形性能及其影响因素，揭示了珊瑚钙质砂中钢管桩竖向承载特性以及荷载传递规律，并探讨了桩侧阻力、桩端阻力发挥机制。.其次，建立大直径开口钢管桩锤击贯入的有限元数值模型。为了研究海上风电大直径开口钢管桩的锤击贯入过程，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；基于Randolph等的研究，绘制锤击荷载曲线，并采用GRLWEAP软件对比验证锤击荷载曲线的合理性；通过现场测试资料，验证建立的锤击贯入有限元模型的合理性。提出大直径开口钢管桩的打桩预测公式。分别就不同桩径和壁厚的大直径开口钢管桩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桩的承载特性，通过与已有文献的打桩预测公式进行对比，构建大直径开口钢管桩的打桩预测公式。.最后，建立大直径开口钢管桩安装效应计算公式。为了分析完成锤击贯入后大直径开口钢管桩的安装效应发挥规律，建立完成贯入后的孔压消散和安装效应数值模型，并验证模型的合理性。