山区斜坡特大拱桥直-斜组合桩基础承载性能研究

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我国西部山区地形地貌复杂,为了满足线路展线需求,势必要在斜坡上修建桥梁结构。而目前有关斜坡桥梁桩基础研究大多集中在梁桥,缺乏对以水平荷载为主的复杂荷载作用下拱桥桩基的分析;且研究内容大多集中在直桩,单个斜桩,或者传统群桩基础,对于对直—斜组合桩基础的承载性能缺乏系统认识。本文首先在阅读大量文献的基础上,总结了山区斜坡条件下拱桥直—斜组合桩基础的受力特点,并分别对直桩和斜桩进行了受力特性分析。在与传统群桩基础的承载特性对比研究中,论证了直—斜组合桩基础内力和变形的优势所在,揭示了直—斜组合桩基础的工作机理。接着利用FLAC3d软件进行了数值模拟,对影响直—斜组合桩基础承载特性的关键因素进行了分析和总结,从而为设计时参数的调整提供了参考。最后,基于弹性理论提出了斜坡直—斜组合桩基内力设计计算方法,总结了设计计算流程,并结合实例,利用数值计算论证了方法的可行性。主要得出以下结论:(1)斜桩承受水平荷载的本质与直桩并无区别,斜桩竖向受力可视为直桩竖向受力和直桩水平受力的叠加,所以当斜下方土体受到挤压时,桩侧还将增加一个附加土抗力,在其作用下桩侧将产生附加侧阻力。这也是斜桩侧摩阻力较大的原因。(2)直—斜组合桩基础变形以竖向位移为主,水平位移较小。桩身轴向变形、水平变形数值较传统桩基均小,特别是水平变形,后者的水平变形数值是前者的3倍左右。直—斜组合基础在抵抗水平变形方面优势明显,适用于大跨度拱桥,可以保证基础的安全性与稳定性。(3)直—斜组合桩基础能够发挥优良作用得益于三个关键作用机理。即:刚架效应、斜撑效应和实体基础效应。因此,设计时应该紧紧围绕此工作机理,进行改良优化。(4)斜桩桩长对直—斜组合桩基础体系影响较大,斜桩桩长嵌入基岩传递斜桩的支撑力是发挥斜撑效应的关键。因此设计成嵌岩桩十分有必要,但嵌岩深度不宜过长,嵌入基岩深度1.2D增加到2D,对整个基础体系影响已经不大了。(5)桩径、桩身刚度对直—斜组合桩基础体系的影响程度有限。对于桩径的设计,不可盲目的追求大直径来减小变形;以混凝土强度等级提高来控制桩基的变形的设计思路不可取,效果不明显。(6)承台的有效约束是直—斜组合桩基础作用机理之一——刚架效应发挥的前提条件。故桩顶设计时应采取固结联结。(7)结合边坡直—斜组合桩基础的受力性状,对地质和受力条件进行假定,构建了设计计算模型,通过团队实验给出了斜桩桩后抛物线型的分布函数,根据桩基坡体压力推导了抛物线的表达式,并通过结构力学的推导,求得了桩基内力和位移的公式,总结了设计计算流程,以供设计师参考。并结合西南某拱桥具体实例,和数值模拟对比论证了计算方法的可行性。
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