水平循環(huán)及偏心荷載作用下群樁性狀模型試驗(yàn)研究.pdf

1、近海工程項(xiàng)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)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(duì)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(shí)存在很多的不足，因此有必要結(jié)合近海工程的特點(diǎn)對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)深入的研究。
　　本文通過(guò)1g大比尺模型試驗(yàn)以及離心機(jī)模型試驗(yàn)，分別研究了高承臺(tái)群樁在水平循環(huán)及偏心荷載作用下的受荷性狀。本文開(kāi)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(jì)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(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了一系列加載試驗(yàn)，對(duì)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(yàn)包括:1×2鋼管群樁水平偏心加載試驗(yàn)、2×2混凝土群樁水平偏心加載破壞試驗(yàn)、3×3鋼管群樁水平循環(huán)加載試驗(yàn)，以及相關(guān)的單樁加載試驗(yàn)。
　　(2)基于3×3鋼管群樁水平循環(huán)加載試驗(yàn)，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(píng)估循環(huán)荷載對(duì)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(huì)影響樁基后期的水平加載剛度;各

4、級(jí)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(guò)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(tái)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(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重沉降;荷載循環(huán)效應(yīng)對(duì)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(yàn)，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(guò)ABAQUS有限元模擬，討論了不同偏心距大小及基樁布置形式對(duì)群樁水平偏心受荷性狀的影響。試驗(yàn)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(duì)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(jì)算結(jié)果顯示，水平荷載偏心距對(duì)群樁整體變形的

6、影響相對(duì)較小，但對(duì)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(duì)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(yàn)，揭示了群樁的漸進(jìn)破壞過(guò)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(duì)混凝土群樁在水平偏心荷載下的破壞過(guò)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(kāi)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(guò)一定的臨界值后混凝土基樁先后出現(xiàn)開(kāi)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(kāi)展了砂土中群樁承受水平及偏心荷載的系列模型試驗(yàn)，著重對(duì)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(yàn)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(guò)基樁軸向受荷可以更有效地抵抗水平荷載。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，基樁斜度對(duì)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(tái)的假設(shè)下推導(dǎo)了群樁整體剛度矩陣的表達(dá)式;同時(shí)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(jì)算確定