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近年来,随国内经济的快速发展,大型基础建设项目越来越多,特别是在我国沿海软土深厚的华东地区出现了大量的高层建筑和特大型桥梁建设项目。自由长度较大的高承台桩和超长桩得到了广泛的应用,当桩周围的土较软弱或易液化,桩自由长度较长时易发生屈曲。邹新军博士通过实验验证了超长桩存在屈曲问题,指出传统的m法不适应于超长桩稳定的计算。因此有关竖向荷载下的桩身屈曲稳定己受到桥梁、港口、建筑和矿业等工程领域进一步的重视。但目前仅对普通桩基的稳定计算分析较为成熟,而对超长及桩的稳定研究却鲜为报道。
为此,本文在传统地基土水平抗力模型的基础上提出C值法与常数法相结合的组合模型。并基于最小势能原理,推导出顶部集中荷载作用下,部分埋置于Winkler地基中的超长桩的临界荷载公式。
基于组合模型,利用推导出的临界荷载公式求得超长桩临界荷载值,并与土体水平抗力经典的m法,常数法相比较,计算结果表明本文模型计算得到的临界荷载值比较合理,m法计算的临界荷载偏大。系统地探讨了桩身自重,地基反力系数分布模式,桩身埋置率以及复合模型中不同比例系数等因素对桩身屈曲稳定的影响,在这些因素中重点讨论了学术界有争议的桩土摩阻力对桩稳定的影响。基于复合模型,本文对超长桩摩阻力对基桩稳定的影响进行了分析,计算结果表明摩阻力对基桩稳定影响显著。并利用m法对普通桩摩阻力对基桩稳定的作用进行了探讨。指出摩阻力对基桩稳定的影响与桩土变形系数有关,当基桩变形系数小于某值时应当记取摩阻力对基桩稳定的影响,桩土变形系数较大时可以忽略摩阻力。
利用大型有限元软件Ansys对基桩的稳定进行了模拟计算分析。同时进行了参数化研究,利用该模型分析了缩颈、蜂窝等初始缺陷,桩侧土体弹性模量、内摩擦角、粘聚力、桩体倾斜及桩体埋置率等因素对基桩稳定的影响,通过对结果分析得到当桩身缺陷越靠近地表面,对基桩的屈曲极限承载力影响就越大;并且当桩身缺陷在地表面时,随着桩身有效截面的缩小,屈曲极限承载力降低较快。桩身的初始倾斜将导致基桩的极限屈曲荷载随着基桩的倾斜角度大致呈线性降低,此外桩体的埋置率对基桩屈曲影响显著,随着基桩自由长度的增加,基桩的埋置率的降低,基桩的极限屈曲荷载急剧下降,因此在设计中应控制桩体自由端的长度等结论。所得结论对实际工程有参考价值。