论文总字数：34112字

摘 要

随着沿海城市的土体资源短缺问题越来越严重，围海造陆这种方式渐渐的引起了民众的关注。围垦这种方式有很多的优点，节约资金、废物利用等等，但同时也存在着不足之处。围海造陆的地基土多数为软弱土层，易受到外部荷载的影响。因此，如何将这种降低这种影响的程度成为了我们关注的问题。

本文将利用现场试验与有限元软件数值模拟分析的方式，分析不平衡堆载对桥梁桩基的影响。现场试验采用浙江台州湾大桥的三根桩试验，并将现场试验的数据与有限元软件模拟实际工程得到的结果进行对比，从而得到有效的有限元分析模型参数。利用得到的模型参数，分析不同工况下的不平衡堆载桩土模型。对比不同影响因素下的桩土模型，得到堆载与桩的距离、堆载宽度、堆载长度、堆载高度等影响因素对桩土模型的影响效果。最后，对比分析施加桩顶荷载时与不施加桩顶荷载时的桩土模型。

现场试验结果与有限元分析软件得到的结果均验证了土拱效应的存在。随着堆载范围的增大、堆载高度的增加，对桥梁桩基的影响也就越大；随着堆载与桩距离的靠近，对桥梁桩基的影响也就越大。施加桩顶荷载时与不施加桩顶荷载时对比，施加桩顶荷载对桥梁桩基的影响发生了变化。

关键词：不平衡堆载；土拱效应；桥梁桩基

ABSTRACT

Nowadays, the shortage of lands is becoming more and more serious in coastal cities. Land reclamation has raised concern among the public. There are many advantages on land reclamation, such as save the money and the sources. However, there are also many problems. For example, the foundation soil of land reclamation most is soft soil layer. That means it is easy to be affected by the exterior load. So how to reduce that effect has become our concern.

The essay will use the method of combining field test and Finite Element Analysis to analyze the effect of imbalance stack to the bridge foundation. Field test uses the result of the three piles test in Taizhouwan Bridge in Zhejiang province and compare the test result with the result acquired by the ABAQUS in order to gain the parameter to analyze the model. Use the parameter, we will analyze pile-soil model in different working conditions. Compare different influencing factors and analyze how the distance of pile-stack, the width of the stack, the length of the stack and the height of the stack effect the result. In the end, analyze the difference of applying pile load and no pile load.

The field test and the result of the Finite Element Analysis both verify the exist of soil arch effect. With the increase stack range, the height of the stack, the effect to the bridge foundation increase. With the decrease of the distance of the pile and the stack, the effect to the bridge foundation increase. Compare the result the of applying the pile load and no pile load, we can find that applying the pile load affect the bridge foundation.

Key words: Imbalance load; Soil arch effect; Bridge foundation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 不平衡堆载的研究现状 3

1.3被动桩的研究现状 4

1.3.1 试验研究 4

1.3.2 理论研究 5

1.3.3 有限元研究 6

1.4 本文研究的主要内容及技术路线 7

第二章 不平衡堆载现场试验研究 9

2.1 依托工程介绍 9

2.1.1 工程概况 9

2.1.2 地质条件 9

2.2 试验方案的介绍 12

2.2.1 试桩方案 12

2.2.2 堆载方案 13

2.3 现场测试及试验结果分析 15

2.3.1 试验桩施工过程 15

2.3.2 堆载施工 15

2.3.3 测斜管的埋设 16

2.4 试验结果分析 16

2.4.1 测斜仪 16

2.4.2 测斜管试验数据 17

2.5 本章小结 22

第三章 有限元模型建立 23

3.1 前言 23

3.2 土拱效应的分析研究 23

3.3 有限元法 25

3.3.1 有限元法介绍 25

3.3.2 ABAQUS简介 26

3.4 试验结果与有限元分析结果的比较 27

3.4.1 有限元建模分析 27

3.4.2 有限元模型计算结果分析 28

3.4.3 现场试验结果与有限元分析结果对比研究 32

3.5 本章小结 34

第四章 不平衡堆载对桥梁桩基的影响因素 35

4.1 前言 35

4.2 不同工况下的模拟结果分析 35

4.2.1 堆载与桩的距离对桥梁桩基的影响 35

4.2.2 不同宽度堆载对桥梁桩基的影响 41

4.2.3 不同堆载长度对桥梁桩基的影响 47

4.2.4 堆载高度对桥梁桩基的影响 53

4.3 堆载状态下施加桩顶荷载模拟结果分析 59

4.4 本章小结 65

第五章 结论与展望 66

5.1 结论 66

5.2 展望 67

致谢 68

参考文献 69

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

随着城市的不断发展，沿海城市面临着土地资源短缺的问题。为了解决日益短缺的可用于开发的土地问题，越来越多的沿海城市选择围垦作为解决这一问题的的途径。围垦，对缺乏可利用土地的沿海城市来说是一种非常快捷、非常便利的途径。对沿海城市来说，围垦这一方法既可以利用填海造陆地区的周围土体，该土体与原有土体性质相似，这样的做法经济实惠，减少了因为长距离的运输而产生的高额费用。同时，围垦还可以最大程度的利用土地，将废弃的地区利用起来，非常符合现代社会提倡的绿色工程的理念。正是因为这些优点的存在，围海造陆成为了越来越多的国家所选择的开垦土地的方式。然而，虽然选择围垦这种方式有着很多的优点，这种新兴的开垦方式本身还是有很多的不足之处。

因为围海造陆所选用的地基土多数为靠近湖泊或者海水的土壤，该土壤多数为软弱土层，土质较差。软土层抗剪强度低、透水性低、压缩性高、对结构破坏敏感，因此，在软土地基中修建的桥梁桩基，会因为施工期间的路边堆载、路基填土或使用期间桥下大面积填土而引发桥梁地基土的变形，从而使得桥梁桩基发生偏移，桥梁桩基的沉降量增加超过沉降应许值，桥梁桩基变形过大，严重时甚至会引起上部结构的破坏，从而影响到桥梁的稳定和安全。软土主要由淤泥、淤泥质土组成，并含有少量的有机质。软土的天然含水率和孔隙比相对较高，含水率越大，土体的抗剪强度越低，土体的压缩性越大。反过来说，土体的含水率越小，抗剪强度越大，压缩性越小。同时，软土的渗透系数非常的小，渗透性存在各向异性，水平向渗透系数多数情况下比垂直向渗透系数大。软土层在施工中一旦受到扰动，土体强度会发生显著变化。土体强度的显著降低会导致土体变形增大，变形增大会影响土体的稳定性和安全性。因此在施工时，应注意对地基土的扰动情况，一旦影响土体的强度，就会对桩基产生非常严重的不良影响。 由此可以看出，软土土层其实并不是非常适合作为建筑物的地基土的。软土的强度低，上部建筑物的荷载不能过大，压缩性较高，基础的沉降和不均匀沉降会较大。沉降会造成上部建筑物的倾斜、不稳定，严重时甚至会造成上部建筑物的坍塌。

正因为地基土土质较差，所以在施工过程中需要严格注意周边堆载可能对桩基的影响，然而现今对围垦地区的研究还非常之少，缺乏实际工程的试验数据支持，因此限制了围海造陆的发展。在围海造陆工程中，极有可能会出现因为路基土无处堆放或者吹填土固结而产生的不平衡堆载，对桩基产生不利影响。现今对堆载的研究主要集中在垂直受荷桩上，对不平衡堆载的研究少之又少。然而在施工过程中。不平衡堆载无法完全避免，较大的不平衡堆载很有可能会使得桩基的沉降量增加，当沉降量大于桩基沉降最大应许值时，会对桩基的承重产生不利影响。同时，由于不平衡堆载很有可能使得桩周土体的沉降量大于桩基本身的沉降量，从而产生桩侧负摩阻力。负摩阻力的出现，会对桩产生附加荷载，这种附加荷载不仅不会对桩产生有利影响，还会增加桩基的沉降量，降低桩基的承载力。不平衡堆载还会对桩产生水平方向的荷载，桩基会产生水平方向的位移。水平方向的荷载过大会导致桩的弯曲变形过大，从而产生断桩的现象。由此可见，不平衡堆载对桥梁桩基非常不利，尤其是建立在软弱地基土层上的桩基。不平衡堆载的示意图如图1.1所示。

图1.1 不平衡堆载示意图

因此，不平衡堆载对桥梁桩基影响的研究变得尤为重要，这样的研究对我国围海造陆的发展有着非常重要的影响。本文将结合浙江台州湾大桥的三根桩试验，通过数值模拟与现场试验数据的对比，分析不平衡堆载对桥梁桩基的影响，同时研究不平衡堆载的不同影响因素对桥梁桩基的不同影响。通过分析，目的在于得出不平衡堆载对桥梁桩基的影响机理以及如何减小施工过程中不平衡堆载的影响。

1.2 不平衡堆载的研究现状

近年来，对于垂直受荷桥梁桩基的研究已经取得一些理论上的进展。不论是现场试验研究，还是通过有限元分析的室内模型模拟都取得了一些不错的结果，对实际工程也有着一定程度上的帮助。根据现有研究显示，随着桩顶荷载的增加，负摩阻力出现的时候会随之延后，负摩阻力的稳定值也随之减小。同时，荷载的增加意味着桩沉降量的增加，桩端阻力也在同时增加。

然而，在实际工程中，桩的不可能只承受来自桩顶荷载的力的施加，还会受到来自桩周围土体的力或者由于桩周大面积堆载而产生的附加荷载。这种桩周附加荷载对桩的稳定性会有一定程度上的影响，侧边不平衡堆载会使得桩周围土体的沉降量大于桩的沉降量，从而对桩身产生负摩阻力。负摩阻力的增加会在桩身上产生一种下拉荷载，该荷载不仅不会增加桩的承载能力，还会影响桩本身的安全性能。同时，桩侧的不平衡堆载还会使得桩产生水平向的位移或者挠曲变形，严重时可能会造成桩体严重倾斜甚至断裂。根据研究资料显示，不平衡堆载的范围越大，对桩体的影响也就越大。一定范围内的堆载，堆载高度越大，对桩体的影响也就越大。目前，国内外对于不平衡堆载对桩基影响的理论研究主要集中在单桩方面，理论方面所取得的成就也集中在对单桩的影响。然而，实际工程中的基坑施工中桩不可能只是单桩，每根桩与每根桩之间也会相互影响，这种影响结果可能会导致实际变形情况与理论分析不符。群桩效应的影响情况一直就是多种工况下理论研究的重点，这种影响是不可预估的，必须通过现场试验与数值模拟分析相结合，才可以得到经验公式和可靠的研究理论。岩土工程中还会出现常见的土拱效应，单桩的计算模型中基本不能体现土拱效应的影响结果，因此不能说是非常的准确。

因此，根据现有的研究资料我们可以看出，对于不平衡堆载对桥梁桩基的影响的研究还并不系统，还有很多的影响因素等待我们去分析研究。不平衡堆载对群桩的影响是否相同，桩间距达到多少距离时相互之间的影响可以忽略不计，堆载与桩之间的距离达到多远时影响可以忽略不计等等问题都是需要我们进行理论研究和试验检测的。本文将主要依靠有限元法数值模拟不平衡堆载下的三根桩的受力情况，对不同的影响因素进行分析比较。

1.3被动桩的研究现状

根据桩基与土体之间受力性质的不同，可以分为两类不同的桩——“主动桩”和“被动桩”^[1]。主动桩，是指桩体承受直接作用在桩上的荷载而向土中传递应力，从而产生变形的桩体；被动桩，是指不直接承受荷载，受到周围土体的荷载对桩的影响而产生变形的桩。

Tomio Ito等(1975，1979，1982)对抵抗土坡滑动的被动桩进行了研究工作^[2]。魏汝龙等(1992，1993)对建于软土地基的码头由于路基填土和货物堆放引起岸坡变形进行了研究工作^[3][4]。M．F．Bransby，Sarah Springman(1996)^[5]，朱碧堂(2003)^[6]、 陈福全(2005)^[7]、李忠诚(2006)^[8]，周洪波(2007)^[9]对堆载造成的地基变形方面进行了研究工作。近年来，随着城市的不断发展，盾构施工、基坑开挖、地下铁施工等工程不断的在建筑物密集的城市中心地区进行施工。这些工程会对邻近建筑物的建好的桩基产生附加荷载，从而造成桩基的水平附加应力，进而造成侧向变形。这些变形可能会桩基的变形倾斜，严重时甚至会影响到上部建筑物的安全。Poulos(1997a)^[10]指出，土体的水平方向的荷载对桩的影响更为突出，然而我们在设计桩基时，尤其是混凝土桩基时并没有考虑过这一问题。因此对这一方面的研究就显得尤为重要。本文中进行的不平衡堆载试验就属于被动桩的影响情况。目前，对于被动桩与土体之间的相互作用机理的计算方法主要有以下几种：（1）经验法；（2）基于土压力的分析方法；（3）现场观测法；（4）有限单元法；（5）基于位移的分析方法^[11]。但是被动桩与土之间的相互作用原理非常复杂，目前国内外学者虽然对此进行了深入研究，但仍然缺乏突破性的进展。目前，国内外的学者对于被动桩的研究主要集中在三个方面，试验研究、理论研究和有限元研究。

1.3.1 试验研究

关于被动桩的试验研究主要采用了两种试验方式：现场试验和室内模型试验。

1.3.1.1 现场试验

通过对被动桩的现场试验结果分析，我们现今得出了两个计算所用的经验公式。一个经验公式用于计算桩身侧向土压力，一个经验公式用于计算桩身的最大弯矩和桩顶的水平位移^[12]。Nicu^[13]总结出了关于最大土压力的估算公式：

(1.1)

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