水平循環(huán)及偏心荷載作用下群樁性狀模型試驗研究.pdf

1、近海工程項目通常體型巨大、結(jié)構(gòu)高聳，其下部基礎(chǔ)除了要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的自重荷載外，還長期受到風(fēng)、波浪、水流等水平循環(huán)荷載的作用。群樁基礎(chǔ)在該循環(huán)荷載作用下不僅容易產(chǎn)生累積變形，極端條件下甚至可能發(fā)生破壞。另一方面，大型結(jié)構(gòu)在承受水平荷載時，由于荷載作用方向的隨機(jī)性，傳遞至下部群樁基礎(chǔ)的荷載在某些情況下還可能存在一定的偏心距。這意味著基礎(chǔ)將同時承受水平和扭轉(zhuǎn)荷載的作用，從而產(chǎn)生復(fù)雜的受力和變形響應(yīng)。目前人們對群樁基礎(chǔ)在水平循環(huán)及偏心荷載作用下

2、承載性狀的認(rèn)識存在很多的不足，因此有必要結(jié)合近海工程的特點(diǎn)對上述問題展開系統(tǒng)深入的研究。
　　本文通過1g大比尺模型試驗以及離心機(jī)模型試驗，分別研究了高承臺群樁在水平循環(huán)及偏心荷載作用下的受荷性狀。本文開展的主要工作及相應(yīng)的研究成果如下:
　　(1)采用鋼管及混凝土分別設(shè)計并制作了大比尺的單樁及群樁模型，利用浙江大學(xué)大型土工物理模型試驗系統(tǒng)開展了一系列加載試驗，對水平循環(huán)及偏心等復(fù)雜荷載條件下的群樁受力和變形性狀進(jìn)行了系統(tǒng)的

3、研究。全部模型試驗包括:1×2鋼管群樁水平偏心加載試驗、2×2混凝土群樁水平偏心加載破壞試驗、3×3鋼管群樁水平循環(huán)加載試驗，以及相關(guān)的單樁加載試驗。
　　(2)基于3×3鋼管群樁水平循環(huán)加載試驗，分析討論了群樁水平剛度、基樁內(nèi)力及荷載分配等響應(yīng)隨荷載循環(huán)的變化規(guī)律，并引入了循環(huán)效應(yīng)系數(shù)以評估循環(huán)荷載對樁基水平承載性狀的影響。研究結(jié)果表明，樁基的水平剛度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而減小，且先期循環(huán)加載歷史會影響樁基后期的水平加載剛度;各

4、級循環(huán)加載中，單樁及群樁的樁頭峰值荷載隨循環(huán)次數(shù)增加依次表現(xiàn)出穩(wěn)定型、發(fā)展型和破壞型等三種不同的衰減形態(tài)，反映了樁周土體由彈性到塑性再到破壞的發(fā)展過程;群樁中各排基樁分擔(dān)的荷載比例隨著循環(huán)次數(shù)增加不斷變化，其中前排樁分擔(dān)的荷載逐漸增大;由于承臺的約束作用，基樁軸向循環(huán)拉壓受荷，導(dǎo)致群樁伴隨水平循環(huán)加載過程產(chǎn)生嚴(yán)重沉降;荷載循環(huán)效應(yīng)對群樁水平受荷性狀的影響要比單樁大得多。
　　(3)基于1×2鋼管群樁水平偏心加載試驗，分析了群樁的整

5、體變形以及基樁內(nèi)力等響應(yīng)，并通過ABAQUS有限元模擬，討論了不同偏心距大小及基樁布置形式對群樁水平偏心受荷性狀的影響。試驗結(jié)果表明，水平偏心荷載下群樁中各基樁的內(nèi)力存在較大的區(qū)別，離加載點(diǎn)近的基樁承擔(dān)的荷載更大;受水平與扭轉(zhuǎn)荷載耦合效應(yīng)影響，群樁中基樁的抗扭承載力較單樁顯著提高;基樁樁頭扭矩及水平剪力共同抵抗水平荷載偏心引起的附加扭矩，且基樁剪力對抵抗群樁扭轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)隨荷載的增加不斷增大。數(shù)值計算結(jié)果顯示，水平荷載偏心距對群樁整體變形的

6、影響相對較小，但對基樁的內(nèi)力影響較大;基樁布置形式顯著影響群樁的水平和抗傾覆剛度，但對群樁的整體扭轉(zhuǎn)響應(yīng)影響較小。
　　(4)基于2×2混凝土群樁水平偏心加載破壞試驗，揭示了群樁的漸進(jìn)破壞過程，配合數(shù)值分析研究了各基樁的內(nèi)力隨加載的變化規(guī)律，并對混凝土群樁在水平偏心荷載下的破壞過程及機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。研究結(jié)果表明，較高的加載高度、上部結(jié)構(gòu)的自重以及樁身混凝土的開裂等因素加劇了群樁在水平偏心荷載下的傾覆破壞;群樁在加載初始階段基本處于

7、彈性狀態(tài)，各基樁的水平剛度較大;當(dāng)荷載超過一定的臨界值后混凝土基樁先后出現(xiàn)開裂，群樁剛度隨之降低，變形相應(yīng)增大;上部結(jié)構(gòu)自重荷載引發(fā)的P-△效應(yīng)使前排基樁承受的軸向荷載迅速增加，最終前排角樁出現(xiàn)軸向偏壓破壞，群樁及其上部結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生整體傾覆。
　　(5)利用浙江大學(xué)ZJU-400土工離心機(jī)，開展了砂土中群樁承受水平及偏心荷載的系列模型試驗，著重對比研究了直樁群樁與斜樁群樁在不同荷載條件下的變形及承載特性。試驗結(jié)果表明，斜樁群樁的水

8、平及扭轉(zhuǎn)承載力均顯著大于直樁群樁;水平偏心荷載下斜樁群樁中各基樁的樁頂位移差異較直樁群樁更大;斜樁群樁通過基樁軸向受荷可以更有效地抵抗水平荷載。數(shù)值計算結(jié)果表明，基樁斜度對群樁水平承載性狀的影響較大，群樁水平剛度隨基樁斜度的增加而增大。
　　(6)提出了考慮多向荷載共同作用的群樁分析模型;在剛性承臺的假設(shè)下推導(dǎo)了群樁整體剛度矩陣的表達(dá)式;同時考慮不同方向的群樁效應(yīng)以及基樁各向荷載之間的耦合效應(yīng)影響，討論歸納了基樁各向剛度的計算確定