竖向荷载下基桩承载性状的理论与试验研究.docxVIP

竖向荷载下基桩承载性状的理论与试验研究

一、引言

（一）研究背景与工程意义

随着我国西部大开发的持续推进与中部崛起战略的深入实施，基础设施建设迎来了前所未有的发展机遇。在公路桥梁工程、高层建筑等领域，超长大直径桩凭借其独特的优势得到了广泛应用。例如，在一些大型桥梁建设中，超长大直径桩能够有效承载巨大的上部结构荷载，确保桥梁在各种复杂环境下的稳定性；在超高层建筑中，它为高耸的建筑提供了坚实的基础支撑。

超长大直径桩通常具有较大的长径比和入土深度，桩周地质条件往往极为复杂。这种复杂性使得其传力体系与普通基桩存在显著差异。在竖向荷载作用下，桩身不仅要承受较大的轴向压力，还会因桩周土的约束和相互作用产生复杂的应力应变分布。尤其是桩身压缩变形量较大，这一特点在设计过程中不容忽视。按照传统的设计理念，以桩顶沉降控制基桩的竖向承载力，已无法满足超长大直径桩的实际工程需求。因此，深入研究超长大直径桩在竖向荷载下的承载性状，对于优化设计方法、确保工程安全具有重要的现实意义。

当桩周地基土较为软弱或者桩的自由长度较大时，超长大直径桩在竖向荷载作用下容易发生失稳破坏。这种失稳破坏不仅会对工程结构的安全性造成严重威胁，还可能导致巨大的经济损失和社会影响。在一些沿海地区的软土地基上进行工程建设时，由于地基土的强度较低，超长大直径桩的失稳问题尤为突出。因此，在超长大直径桩的设计与计算中，必须充分考虑地基土质条件、成桩工艺、基桩的荷载传递过程、几何尺寸以及埋置率等诸多因素的综合影响。只有这样，才能准确评估基桩的承载能力和稳定性，为工程设计提供可靠的依据。

目前，虽然国内外学者在基桩承载性状研究方面取得了一定的成果，但对于超长大直径桩这一特殊类型的基桩，其竖向承载性状的研究仍有待进一步深入。在理论研究方面，现有的计算模型和方法往往难以准确描述超长大直径桩的复杂传力机制和非线性变形特性；在试验研究方面，由于超长大直径桩的尺寸较大、试验成本高，相关的足尺试验数据相对较少，这也限制了对其承载性状的深入理解。因此，开展超长大直径桩竖向承载性状的理论与试验研究，具有重要的学术价值和工程实际意义。通过本研究，有望揭示超长大直径桩在竖向荷载下的荷载传递规律和变形机制，建立更加准确合理的承载力计算方法，为工程实践提供更加科学、可靠的理论支持和技术指导。

（二）研究目标与核心问题

揭示基桩在竖向荷载下的荷载传递规律与变形机制：通过理论分析、数值模拟和现场试验等多种手段，深入研究超长大直径桩在竖向荷载作用下，桩身轴力、侧摩阻力和端阻力的分布规律及其随荷载和时间的变化特性。明确桩土相互作用的力学机制，分析桩身压缩变形、桩周土的位移和应力分布等因素对荷载传递的影响，从而全面揭示基桩在竖向荷载下的荷载传递规律与变形机制。

建立考虑非线性特性和沉降控制的承载力计算方法：针对超长大直径桩的特点，考虑桩土材料的非线性特性、桩身与桩周土之间的接触非线性以及施工过程等因素对基桩承载力的影响。基于荷载传递理论、弹性力学和塑性力学等相关理论，建立能够准确反映超长大直径桩竖向承载性状的非线性力学模型。在此基础上，结合桩顶沉降控制的设计思想，提出一套考虑非线性特性和沉降控制的基桩竖向承载力计算方法，为工程设计提供更加准确、合理的计算依据。

验证理论模型的工程适用性，提出失稳破坏判别准则：将建立的理论模型和计算方法应用于实际工程案例，通过与现场实测数据和其他已有研究成果的对比分析，验证其工程适用性和可靠性。针对超长大直径桩在桩周土软弱或自由长度较大时易发生失稳破坏的问题，深入研究失稳破坏的机理和影响因素。结合理论分析、数值模拟和试验研究结果，提出基于桩身应力应变状态、桩周土的力学性质以及桩的几何尺寸等因素的失稳破坏判别准则，为工程实践中预防超长大直径桩的失稳破坏提供有效的技术手段。

二、基桩承载性状理论分析

（一）荷载传递机理与解析模型

1.基本方程与荷载传递函数构建

基于弹性理论和连续介质力学，建立基桩竖向荷载传递微分方程。假设桩身材料为线弹性，桩周土视为连续介质，考虑桩身与桩周土之间的相互作用，引入荷载传递函数来描述桩侧阻力和端阻力的发挥过程。在建立基本方程时，充分考虑桩身的几何尺寸、材料特性以及桩周土的力学参数，确保方程能够准确反映基桩在竖向荷载下的力学行为。

引入双折线模型来考虑桩侧阻力的弹性-塑性阶段。在弹性阶段，桩侧阻力与桩土相对位移呈线性关系；当桩土相对位移达到一定值后，桩侧阻力进入塑性阶段，其增长速度减缓。通过对双折线模型的参数进行合理确定，能够较好地模拟桩侧阻力在不同阶段的发挥特性。同时，引入双曲线模型来描述非线性荷载-沉降关系。双曲线模型能够准确地反映基桩在竖向荷载作用下，荷载与沉降之间的非线性变化规律，为深入分析基桩的承载性状提供了有力的工具。

在此基础上，通过数学推导