多元荷载联合作用下软基深水超长桩承载特性及计算方法研究

作     者：谢院仕 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺林林

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：超长桩 多元荷载联合作用 承载特性 承载力包络线/面 计算方法 

摘      要：超长桩因适用于软土地基,且承载力高、结构简单、施工方便、对生态环境影响小等优点,被广泛用于深水码头、海上风电、跨海大桥等典型海洋工程结构建设中。这类桩基入土深度通常可达50米,甚至100米以上;同时,由于水深加大,桩身自由长度可达30米,甚至更长。因此,针对这类超长桩基础,一方面,超长桩在运行期间将受到恶劣外海环境荷载与多种形式工作荷载的联合作用,受荷情况十分复杂,是典型的受到多元荷载联合作用的情况;另一方面,超长桩桩身长度与桩身自由长度均较长,结构柔性较大,导致相同荷载作用下的结构变形量明显增加,结构受力变形特性复杂。尤其是在多元荷载联合作用下超长桩受力变形特性更趋复杂,承载特性不明,也无相应的设计计算方法。 然而,目前针对多元荷载联合作用下软基深水超长桩承载特性与计算方法研究鲜有报道,传统桩基础计算理论大多仅考虑单一竖向或水平受荷情况,尚未充分考虑荷载间作用效应的相互影响。基于此,本文首先采用ABAQUS有限元软件建立了软基深水超长桩计算模型并与现场试验进行验证;然后,对V-H-M荷载联合作用下软基深水超长桩承载特性进行研究,并采用Swipe法和Probe法对软基深水超长桩在多元荷载联合作用下的承载力包络线/面开展系统研究;最后,基于所得超长桩承载力包络线/面,建立了软基深水超长桩在多元荷载联合作用下的承载力理论计算公式。本文主要研究内容与结论如下: （1）计算表明软基深水超长桩在受到V-H或V-M荷载联合作用时,必须考虑P-Δ效应的影响。不考虑P-Δ效应时,水平荷载H或弯矩荷载M对竖向承载力几乎没有影响,而考虑P-Δ效应后,水平荷载H或弯矩荷载M对竖向承载力影响显著。随着H/M的增加,超长桩竖向极限承载力明显降低,当H/Hult为0.2、0.4、0.6时,相应的竖向承载力降低32.22%、53.80%、73.48%;当M/Mult为0.2、0.4、0.6时,相应的竖向承载力降低36.60%、59.03%、78.04%。此外,在V-H或V-M荷载联合作用下,由于桩身发生挠曲变形,桩侧摩阻力和土抗力发生重分布,单桩基础受荷一侧的桩-土发生脱开分离,靠近该侧泥面附近的土抗力和摩阻力变为0,而另一侧土体发生挤压隆起,靠近该侧泥面附近的土抗力和摩阻力增大。 （2）分析得出在单一受荷情况下软基深水超长桩失稳破坏模式:在水平荷载H或弯矩荷载M作用下超长桩破坏模式为弯曲失稳破坏,此时由于桩身产生过大塑性变形而最终形成“塑性铰导致弯曲失稳破坏;在竖向荷载V作用下超长桩的破坏模式是由于土体承载力不足而引起的沉降破坏。而软基深水超长桩在V-H或V-M荷载联合作用下的破坏模式受水平荷载H和弯矩荷载M的大小影响而不同,当水平荷载H和弯矩荷载M较小时,如0.03Hult或0.03Mult,钢管桩刺入地基土体,为沉降破坏;当水平荷载H和弯矩荷载M较大时,如0.2Hult或0.2Mult,钢管桩发生较大弯曲变形,钢管桩为弯曲失稳破坏。这是因为在H/M作用下,桩身产生一定的初始水平位移,而再施加竖向荷载作用时,由于P-Δ效应,相当于桩身产生附加弯矩,因此,最终导致超长桩弯曲失稳。 （3）研究表明超长桩基础在V-H和V-M荷载空间的承载力包络线均类似于经典椭圆,H-M荷载空间的承载力包络线则类似于倾斜椭圆,V-H-M荷载空间的包络面则为向外凸起的封闭曲面;随着桩径D的增加,V-H、V-M、H-M、V-H-M荷载空间的承载力包络线/面向外扩张;随着桩长L的增加以及土体不排水抗剪强度Su的增大,V-H和V-M、V-H-M荷载空间的承载力包络线只沿V轴方向外扩,而H-M荷载空间的承载力包络线几乎无变化。四种荷载空间的承载力包络线/面类似为经典椭圆或倾斜椭圆,即水平极限承载力、竖向极限承载力、弯矩极限承载力之间存在互相影响,表明荷载间作用效应具有显著的互相影响。 （4）通过理论分析,利用经典椭圆方程和倾斜椭圆方程建立了V-H、V-M、H-M承载力包络线计算公式。此外,结合实际工程超长桩受荷情况,绘制出了预先施加不同竖向荷载的V-H-M荷载空间的归一化三维承载力包络面。并基于此,建立了预先施加不同大小竖向荷载的V-H-M三维承载力包络面计算理论公式,可为实际海洋工程中多元荷载联合作用下软基深水超长桩的设计计算提供参考与借鉴。