XCC桩沉桩挤土效应及其对邻近既有桩影响的研究

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现浇X形混凝土桩(XCC桩)复合地基技术作为一种新型地基处理技术,由于其具有“节省材料”、“提高效能”等优点,已广泛用于高速公路、港口和机场建设等地基加固工程中,效果显著并取得非常大的社会经济效益。目前,在黏性土地基中XCC桩的贯入机理已开展了较多研究,但对于砂土地基中XCC桩的相关研究却很少;此外,XCC桩贯入砂土和黏土地基中主要研究的是沉桩挤土效应,而忽略了在实际工程施工中这些挤土位移荷载会对邻近既有桩产生附加桩身响应这一关键问题。因此,本文通过室内模型试验、数值模拟以及理论简化分析相结合的方法,对XCC沉桩挤土效应以及引起的邻近既有桩侧向响应开展了系统的研究,从而为工程设计的初步阶段提供一定的科学依据。本文主要的工作如下:(1)基于设计的一套可装配式砂土地基浇筑框架和沉桩加载模型试验系统,开展了多组砂土地基中XCC桩沉桩贯入的室内模型试验,研究了相对密实度和截面几何效应对贯入过程中桩周土体应力变化的影响。通过对试验结果的分析,发现无论是XCC桩的强轴剖面还是弱轴剖面,XCC桩贯入过程中周围土体径向应力σ’r/σ’v0的变化都表现出显著的h/R效应,表明了XCC桩贯入问题中也存在h/R效应。此外,根据桩周土体变形模式的不同,可将强轴和弱轴剖面的径向应力沿深度方向分布划分为三个区域,即桩身区域、桩尖区域和桩尖以下的土体区域。在每个区域中,径向应力随着土体深度的变化表现出不同的发展趋势。相对密实度和截面几何形状对σ’r/σ’v0沿径向方向衰减的速度有显著的影响,主要表现为随着相对密实度的增大而不断的变缓,而随着截面几何参数b/a的减小而不断的变快。(2)开展了一系列砂土地基中相邻XCC桩贯入引起的既有桩侧向行为的室内模型试验,研究了砂土相对密实度、既有XCC桩截面几何效应以及既有桩类型(等截面面积条件下的XCC桩和圆桩)对既有桩侧向响应和桩周土体应力变化的影响。基于测得的试验结果发现,不同的贯入深度下既有XCC桩表现出不同的桩身弯曲形态。既有XCC桩侧向响应受相对密实度和截面几何效应的影响很敏感,主要表现为既有XCC桩的弯矩随着砂土地基相对密实度和截面几何参数的增加而增大。相邻XCC桩贯入过程中,既有XCC桩周围不同深度位置处的土体径向应力σ’r/σ’v0随贯入深度H/R的变化呈现出不同的发展趋势;而且,由于既有XCC桩的遮挡效应,土体的径向应力的变化不在表现出“h/R效应”。桩周土体的径向应力峰值σ’rmax/σ’v0随着距桩轴径向距离r/R的增加表现出以指数函数的形式在减小。松砂地基中σ’rmax/σ’v0随r/R的衰减指数要大于中密砂和密砂地基的衰减指数。在相同截面面积条件下,圆桩的侧向承载能力要低于XCC桩,以及XCC桩强轴工况侧向承载能力要高于XCC桩弱轴工况。(3)基于室内模型试验,采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)大变形数值技术,建立了相邻贯入XCC桩-砂土-既有XCC桩的整体CEL数值分析模型,并且采用前面开展的模型试验结果对其进行对比验证。在此基础上,开展了一系列相邻XCC桩贯入引起的既有XCC桩侧向响应的参数分析,研究发现既有桩侧向响应受多种因素影响,包括贯入深度、既有XCC桩与相邻XCC桩的间距、既有桩桩头边界条件、相邻XCC桩和既有XCC桩的截面几何形状以及砂土的弹性模量和内摩擦角。最后,基于参数分析的结果,编制了一套可预测相邻XCC桩贯入过程中既有XCC桩最大侧向响应的设计图。(4)基于有限元软件ABAQUS,开展了一系列校准的水平荷载作用下XCC单桩数值模拟研究,黏土本构模型采用的是基于UMAT子程序二次开发的边界面弹塑性模型,量化了截面几何形状对侧向受荷XCC桩响应的影响。通过数值参数分析结果,研究了土体流动失效机理和极限侧向土压力,以揭示控制截面几何形状相关响应的潜在机制。最后,提出了一种侧向受荷XCC桩的土体抗力模型(p-y模型),该模型能够很好地捕捉不同截面几何形状XCC桩的侧向行为。此外,与等截面面积条件下的传统圆形桩比较,XCC桩在抵抗侧向荷载方面更有效。(5)提出了一种用于研究相邻XCC桩贯入引起的既有XCC桩侧向响应的两阶段简化分析方法。在第一阶段,采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)大变形数值技术模拟了XCC桩的贯入过程,从而精确地捕捉由于相邻XCC桩贯入引起的自由场侧向土体位移。在第二阶段,基于Winkler地基模型并结合侧向受荷XCC桩的p-y曲线,求解了由于第一阶段获得的土体侧向位移引起的既有XCC桩侧向响应。通过与整体的CEL数值模型的结果比较,证明提出的简化分析方法的有效性。最后,执行了一系列参数化研究,评估了各种因素对既有XCC桩侧向响应的影响。
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