復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁樁基承載性狀研究

本書是編者在總結(jié)多年來(lái)從事橋梁樁基科研和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外橋梁樁基研究的最新成果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模型試驗(yàn)研究，利用數(shù)值仿真技術(shù)，并結(jié)合理論推導(dǎo)，對(duì)海洋環(huán)境、濕陷性黃土地基等復(fù)雜環(huán)境下橋梁樁基承載特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)。

我國(guó)地域遼闊，從內(nèi)陸到沿海，由平原到山區(qū)，分布著多種多樣的土類，由于不同的地理環(huán)境、氣候條件、地質(zhì)成因、物質(zhì)成分和次生變化等原因，不同地質(zhì)條件下的橋梁樁基承載性狀也大相徑庭。樁基礎(chǔ)與周圍巖、土體之間的相互影響十分復(fù)雜，當(dāng)橋梁等構(gòu)筑物坐落于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，會(huì)使樁基的設(shè)計(jì)計(jì)算與施工技術(shù)大大復(fù)雜化。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的大發(fā)展，當(dāng)代橋梁建設(shè)在東部向海上發(fā)展，西部向黃土高原延伸，這些正在建設(shè)或者籌劃中的橋梁基礎(chǔ)建設(shè)帶動(dòng)了樁基工程的發(fā)展，同時(shí)也帶來(lái)了一系列新的技術(shù)難題。

我國(guó)黃土分布廣，厚度大，其中濕陷性黃土的分布面積約占60%。對(duì)黃土特有的工程特性，特別是濕陷性考慮不足，導(dǎo)致的工程病害屢見(jiàn)不鮮。交通部橋梁樁基方面的規(guī)范由于頒布時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很多內(nèi)容已不適合于指導(dǎo)當(dāng)前橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)；對(duì)于在濕陷性黃土場(chǎng)地的樁基設(shè)計(jì)，規(guī)范給出的只是半經(jīng)驗(yàn)性的、粗略的定性規(guī)定，對(duì)于濕陷性黃土地基下樁基的諸多理論問(wèn)題都還未能給出令人滿意的解答，這些問(wèn)題都嚴(yán)重制約著橋梁樁基的建設(shè)和發(fā)展。

超大跨江、跨海大橋?qū)⒃谖覈?guó)未來(lái)的政治、經(jīng)濟(jì)和交通樞紐中占有重要地位，僅我國(guó)當(dāng)前已建和要建的跨海橋梁已經(jīng)近10座，且每座跨海大橋的工程造價(jià)都在幾十億甚至上百億元。然而目前海洋環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)的理論研究很少，海上橋梁樁基設(shè)計(jì)多套用跨河橋梁基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)。在跨海橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，采用以前的荷載組合設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式是否合理？規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法是否還適合？海洋環(huán)境下樁基的受力特性如何等一系列問(wèn)題都還沒(méi)有很好的研究和解決。

復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境包羅眾多，本書僅是圍繞以上兩個(gè)專題研究成果的總結(jié)，特別是海洋環(huán)境下橋梁基礎(chǔ)的研究還處于起步階段，理論研究嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐，至今尚無(wú)較為完整與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論。因此，無(wú)論從科研還是從工程應(yīng)用的角度，本專著的出版都是必要的，以期能拋磚引玉，推動(dòng)該問(wèn)題的研究。

本書研究?jī)?nèi)容，分別得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“濕陷性黃土地基橋梁群樁負(fù)摩阻力效應(yīng)及有效承載力研究（51108255）”、山東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目：“復(fù)雜應(yīng)力條件下高墩橋梁基礎(chǔ)受力特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究（2010Y25-1）”和“青島跨海大橋施工臨時(shí)鋼管樁基礎(chǔ)承載力研究（2010Y10-2）”等的系列資助。

在課題研究期間，長(zhǎng)安大學(xué)謝永利教授在百忙之中多次給予指導(dǎo)和鼓勵(lì)，在此表示感謝。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)中，得到了山東路橋集團(tuán)有限公司膠州灣大橋工程項(xiàng)目部，濟(jì)南金曰公路工程有限公司的大力支持，研究生張起、陳杰、韓濤等參與了資料整理、模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真工作，在此一并表示感謝。

由于時(shí)間和作者水平有限，書中難免有錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)、指正。

前言

第1章 特殊地質(zhì)條件下橋梁樁基應(yīng)用現(xiàn)狀 1
1.1 樁基礎(chǔ)發(fā)展歷程 1
1.2 橋梁樁基應(yīng)用現(xiàn)狀 2
1.3 發(fā)展與挑戰(zhàn) 7
1.3.1 橋梁樁基發(fā)展趨勢(shì) 7
1.3.2 橋梁樁基面臨的挑戰(zhàn) 9
第2章 樁—土理論與試驗(yàn)研究進(jìn)展 10
2.1 理論研究進(jìn)展 10
2.2 試驗(yàn)研究進(jìn)展 15
2.3 數(shù)值仿真二次開發(fā)技術(shù) 18
2.3.1 基本功能 19
2.3.2 MARC用戶子程序研發(fā) 19
2.3.3 自定義單元類型子程序
SUBROUTINE USELEM 19
2.3.4 土體初始應(yīng)力子程序
SUBROUTINE UINSTR 20
2.3.5 接觸面單元 20
第3章 濕陷性黃土地基樁基研究進(jìn)展 27
3.1 黃土的工程特性 27
3.2 研究意義 27
3.3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 28
第4章 浸水黃土地基大型橋梁樁基現(xiàn)場(chǎng)
靜載試驗(yàn) 31
4.1 工程概況 31
4.1.1 工程簡(jiǎn)介 31
4.1.2 地質(zhì)概況 31
4.1.3 試驗(yàn)概況 31
4.1.4 試驗(yàn)研究目的 31
4.1.5 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容 32
4.1.6 試驗(yàn)研究思路 32
4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案 32
4.2.1 試樁設(shè)計(jì) 32
4.2.2 測(cè)試元件布設(shè) 32
4.2.3 錨樁設(shè)計(jì) 35
4.3 加載系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35
4.3.1 反力梁設(shè)計(jì) 35
4.3.2 反力梁的加工 36
4.3.3 加載系統(tǒng)安裝 36
4.4 試驗(yàn)加載與測(cè)試 38
4.4.1 測(cè)試內(nèi)容 38
4.4.2 加、卸載方法 38
4.5 浸水試驗(yàn)設(shè)計(jì) 38
4.5.1 浸水范圍 38
4.5.2 注水孔設(shè)計(jì)參數(shù) 39
4.5.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè) 39
4.5.4 測(cè)試設(shè)計(jì) 40
4.5.5 浸水試驗(yàn)保溫措施 40
4.6 試驗(yàn)成果分析 41
4.6.1 試驗(yàn)成果 41
4.6.2 樁浸水后的承載特性 51
4.6.3 樁的承載力性狀 51
4.6.4 樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮性狀 52
4.6.5 樁的側(cè)阻力發(fā)揮性狀 53
4.7 主要結(jié)論 54
第5章 沉陷地基樁長(zhǎng)確定理論 56
5.1 可靠性論證 56
5.1.1 模型驗(yàn)證 56
5.1.2 分析方法 57
5.2 仿真計(jì)算 58
5.2.1 選取計(jì)算參數(shù) 58
5.2.2 合理樁長(zhǎng)計(jì)算 58
5.3 成果分析 64
5.3.1 濕陷系數(shù) 對(duì)中性點(diǎn)的影響 64
5.3.2 濕陷系數(shù)對(duì)P1/P0的影響 65
5.3.3 樁徑對(duì)P1/P0的影響 65
5.3.4 樁長(zhǎng)對(duì)P1/P0的影響 66
5.3.5 △L與h0的關(guān)系及影響因素 67
5.4 理論計(jì)算分析 68
5.4.1 力學(xué)模型的建立 68
5.4.2 計(jì)算公式的推導(dǎo) 68
5.4.3 分析 72
5.5 工程應(yīng)用 75
5.5.1 工程概況 75
5.5.2 對(duì)比分析 75
5.6 主要結(jié)論 76
第6章 海上樁基研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 77
6.1 問(wèn)題的提出 77
6.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 77
6.2.1 豎向荷載 78
6.2.2 水平荷載 78
6.3 工程應(yīng)用現(xiàn)狀 82
第7章 跨海橋梁的受力環(huán)境 85
7.1 中國(guó)海洋概況 85
7.2 中國(guó)近海地質(zhì)地形 85
7.2.1 中國(guó)近海的地形 85
7.2.2 中國(guó)近海沉積物分布特點(diǎn) 86
7.3 風(fēng) 87
7.4 潮汐 89
7.4.1 我國(guó)沿海潮差 89
7.4.2 我國(guó)近海潮流 89
7.4.3 大洋環(huán)流 90
7.5 波浪 90
7.5.1 波浪參數(shù) 90
7.5.2 我國(guó)近海波高 91
7.5.3 海嘯 91
7.6 海冰 92
第8章 跨海橋梁荷載組合分析 93
8.1 汽車制動(dòng)力 93
8.2 波浪荷載 93
8.2.1 規(guī)范計(jì)算方法 93
8.2.2 改進(jìn)方法 94
8.3 風(fēng)荷載 95
8.3.1 橫向風(fēng)荷載 95
8.3.2 順橋向風(fēng)荷載 98
8.4 冰荷載 99
8.4.1 國(guó)內(nèi)冰荷載計(jì)算方法 99
8.4.2 國(guó)外冰荷載計(jì)算方法 100
8.5 主要結(jié)論 101
第9章 海上鋼管樁承載特性數(shù)值仿真 102
9.1 數(shù)值仿真軟件 102
9.2 土體本構(gòu)模型 102
9.2.1 屈服面 103
9.2.2 塑性勢(shì)面 103
9.3 ABAQUS鋼管樁三維數(shù)值仿真計(jì)算 104
9.3.1 數(shù)值仿真模型的確定 104
9.3.2 模型參數(shù) 104
9.3.3 模型建立 105
9.3.4 地應(yīng)力平衡 107
9.4 ABAQUS模型仿真結(jié)果分析 108
9.4.1 鋼管樁群樁基礎(chǔ)豎向位移分析 108
9.4.2 鋼管樁群樁基礎(chǔ)水平承載
特性分析 110
9.4.3 鋼管樁群樁基礎(chǔ)剪刀撐和橫梁
應(yīng)力分析 114
9.4.4 深水區(qū)鋼管樁基礎(chǔ)水平承載
特性分析 117
9.5 主要結(jié)論 121
第10章 海上鋼管樁模型試驗(yàn)研究 122
10.1 試驗(yàn)?zāi)康?122
10.2 相似判據(jù)的確定 122
10.2.1 相似判據(jù)的推導(dǎo) 123
10.2.2 模型設(shè)計(jì) 125
10.2.3 試驗(yàn)方案 125
10.2.4 變形監(jiān)測(cè)方案 127
10.3 兩種監(jiān)測(cè)方法結(jié)果分析 129
10.3.1 三維激光掃描測(cè)量結(jié)果分析 129
10.3.2 千分表測(cè)量結(jié)果分析 132
10.3.3 兩種方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較 133
10.4 水平往復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析 134
10.5 主要結(jié)論 136
第11章 海上鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn) 137
11.1 試驗(yàn)背景 137
11.2 第一次試樁 137
11.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 137
11.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備 137
11.2.3 根據(jù)地質(zhì)圖計(jì)算第一次試樁的
極限荷載 138
11.2.4 第一次試樁試驗(yàn)結(jié)果 139
11.2.5 第一次試樁單樁承載力理論
計(jì)算 140
11.3 第二次試樁 140
11.3.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容 140
11.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 140
11.3.3 根據(jù)地質(zhì)圖計(jì)算第二次試樁的
極限荷載 141
11.3.4 第二次試樁試驗(yàn)結(jié)果 142
11.3.5 第二次試樁單樁承載力理論計(jì)算 142
11.4 主要結(jié)論 143
第12章 總結(jié)與展望 144
12.1 本書主要成果 144
12.2 今后工作的展望 145
參考文獻(xiàn) 146