临坡水平受荷桩计算方法试验及理论研究

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水平受荷桩是指承受较大的水平力或力矩(如风力、震动力、船舶撞击力及行车的制动力等)的桩基础,其内力与位移计算是桩基础设计计算领域的重要内容之一。近年来,大量水平受荷桩被广泛的应用于自然或人工斜坡附近的结构中,如山区桥梁、输电线塔及近海码头等。此时,由于靠斜坡一侧土体抗力的削弱作用,其水平承载能力将明显减少。如何考虑该削弱效应成为计算该类桩基水平承载力的重要问题。针对该问题,本文采用室内模型试验与理论分析等手段,对临近于斜坡的水平受荷桩的破坏模式、承载特性等进行了深入分析,提出了一种可综合考虑桩土参数、斜坡形态和临坡距离的基桩内力与位移计算方法。具体工作如下:(1)开展了水平受荷临坡桩和平地桩的对比室内模型试验,试验中对临坡桩桩前土体变形到破坏的过程做了观测,同时对两试验桩加载过程中桩顶位移,桩身弯矩及最大弯矩做了对比分析。结果表明:临坡桩桩前近表面土体呈楔体破坏模式,遵从土体隆起-出现裂缝-裂缝拓展-不规则楔体滑出的破坏过程;荷载较小时,桩顶位移及桩身最大弯矩几乎相同,随着荷载增大,(同级荷载下)临坡桩比平地桩产生的桩顶位移、桩身最大弯矩更大,弯矩零点的位置也更深;(2)对试验楔体作合理简化,在平地水平受荷桩被动楔模型的基础上提出了一个针对临坡水平受荷桩的土体被动楔体模型,该模型根据楔体发展深度的不同,可将土体被动楔体形状分为三种情况,从而充分考虑斜坡形态及桩临坡距离的影响。在此基础上,根据临坡与平地水平受荷桩的差异,提出了荷载传递等效深度概念,并将等效深度导入传统黏土p-y曲线方程,进而获得了可考虑斜坡削弱效应的水平受荷桩的内力位移求解p-y曲线法。运用该方法对本文模型试验和前人现场试验桩内力位移进行了预测,计算所得桩顶位移和桩身最大弯矩与试验实测值误差均在合理范围内,从而验证了本文方法的合理性;(3)根据本文理论计算方法分析了影响临坡水平受荷桩内力位移的一些主要因素,如土体不排水抗剪强度、斜坡倾角及临坡距离等。结果表明:土体不排水抗剪强度对临坡桩内力位移影响较为显著;随着临坡距离增大,临坡桩内力位移不再发生变化。最后以桩周土体极限抗力分布规律为标准提出了临界临坡距的界定新方法,导得了临界临坡距的表达式,该表达式可考虑土体参数对临界临坡距的影响。
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