軟基橋頭路堤填筑對橋臺樁基礎(chǔ)影響研究李雪峰PPT課件

1、 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第1頁/共53頁問題的提出問題的提出“十一五十一五”湖南湖南高速公路快速發(fā)展高速公路快速發(fā)展湖南境內(nèi)湖泊池湖南境內(nèi)湖泊池塘密布塘密布穿越洞穿越洞庭湖區(qū)庭湖區(qū)高速公路穿越湖區(qū)高速公路穿越湖區(qū)第2頁/共53頁問題的提出問題的提出 臺后路基加寬加高，橋頭下臥軟土地基在上覆路堤荷臺后路基加寬加高，橋頭下臥軟土

2、地基在上覆路堤荷載作用下產(chǎn)生側(cè)向變形，對橋臺樁基產(chǎn)生不利影響：載作用下產(chǎn)生側(cè)向變形，對橋臺樁基產(chǎn)生不利影響：（1 1）軟土層塑性流動(dòng)擠壓橋臺基樁，使）軟土層塑性流動(dòng)擠壓橋臺基樁，使樁撓曲開裂；樁撓曲開裂；（2 2）橋臺產(chǎn)生前移橋臺產(chǎn)生前移造成支座、伸縮縫等受壓變形破壞；造成支座、伸縮縫等受壓變形破壞；（3 3）路基填土引起的地基土固結(jié)，使鄰近橋臺樁基受）路基填土引起的地基土固結(jié)，使鄰近橋臺樁基受到負(fù)摩擦而下沉，造成到負(fù)摩擦而下沉，造成不均勻沉降。不均勻沉降。第3頁/共53頁 軟基橋臺樁基礎(chǔ)受力模式軟基橋臺樁基礎(chǔ)受力模式湖湖區(qū)區(qū)軟軟基基橋橋臺臺樁樁基基受受力力特特點(diǎn)點(diǎn)第4頁/共53頁國內(nèi)外研究現(xiàn)

3、狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)場觀測現(xiàn)場觀測 ：定性分析樁土相互作用，認(rèn)識路基定性分析樁土相互作用，認(rèn)識路基對橋臺樁基影響規(guī)律；對橋臺樁基影響規(guī)律； 模型實(shí)驗(yàn)：模型實(shí)驗(yàn)：砂槽實(shí)驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)；砂槽實(shí)驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)； 樁土相互作用計(jì)算方法：樁土相互作用計(jì)算方法：經(jīng)驗(yàn)法、基于土壓力、經(jīng)驗(yàn)法、基于土壓力、基于土體位移；基于土體位移； 有限元有限元第5頁/共53頁現(xiàn)場觀測現(xiàn)場觀測 Franx (1948)、 Nicu(1961)、Heyman(1965)、南科院(1982)、聶如松(2005)等 結(jié)論：影響具有結(jié)論：影響具有時(shí)效性時(shí)效性、3 3倍軟土層不排水抗剪倍軟土層不排水抗剪強(qiáng)度（臨界荷載）強(qiáng)度（臨界荷

4、載）、路基填筑速率路基填筑速率感性認(rèn)識感性認(rèn)識第6頁/共53頁模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn) 砂槽模型試驗(yàn)砂槽模型試驗(yàn)陳永戰(zhàn)（1993）：樁基組合形式和樁臺約束情況樁基組合形式和樁臺約束情況對樁基應(yīng)力和變形均有重要影響；Pan J L（2002）：樁間距約為2 2至至5 5倍樁徑倍樁徑時(shí)，沿樁身分布的極限壓力比單樁要來得小，而且當(dāng)樁距減小時(shí)，群樁效應(yīng)隨之減?。?定性分析定性分析第7頁/共53頁離心模型試驗(yàn)離心模型試驗(yàn)（1）樁身彎矩：）樁身彎矩：前、后排樁最大彎矩分布最大彎矩分布不同，后排樁稍大；隨路堤填筑以30%（后）（后）和15%（前）（前）的速率增加增加；（2）樁頂位移：）樁頂位移：70%（不排水階段）

5、30%（排水固結(jié)階段）；（3）樁側(cè)土壓力：）樁側(cè)土壓力：固結(jié)度固結(jié)度有關(guān)；路基荷載0.75倍倍（短期），0.35倍倍（長期）；（4）路基與地基土之間有較大剪應(yīng)力；有較大剪應(yīng)力；定性、定量分析定性、定量分析第8頁/共53頁 樁土相互作用計(jì)算方法樁土相互作用計(jì)算方法 經(jīng)驗(yàn)方法：經(jīng)驗(yàn)方法：試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 樁身變形樁身變形 土壓力分析法：土壓力分析法：樁側(cè)土壓力樁側(cè)土壓力 樁身變形樁身變形 （ITO、沈珠江）、沈珠江） 土體位移分析法：土體位移分析法：土體位移土體位移 樁身變形樁身變形 （Polous， Marche ） 有限元：有限元：樁土看做整體研究，適用于復(fù)雜荷樁土看做整體研究，適用于復(fù)雜荷載

6、和地層條件載和地層條件（ M. F. Bransby Stewart ）第9頁/共53頁 目前研究存在的不足目前研究存在的不足 合理計(jì)算合理計(jì)算樁側(cè)土壓力的方法樁側(cè)土壓力的方法仍值得進(jìn)一步研究；仍值得進(jìn)一步研究； 如何考慮如何考慮土體非線性、成層性、連續(xù)性，以及群樁效應(yīng)土體非線性、成層性、連續(xù)性，以及群樁效應(yīng)還值得進(jìn)一步研究；還值得進(jìn)一步研究； 建立合理的建立合理的三維有限元三維有限元模型，考慮模型，考慮樁土接觸特性。樁土接觸特性。第10頁/共53頁研究思路研究思路文獻(xiàn)資料收集，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀樁側(cè)極限土壓力計(jì)樁側(cè)極限土壓力計(jì)算方法研究算方法研究軟基軟基- -橋臺橋臺- -樁基數(shù)樁基數(shù)值分析值分

7、析現(xiàn)有計(jì)算公式影響因素分析鄰荷側(cè)采用樁側(cè)極限側(cè)壓力p-y曲線考慮土體非線性驗(yàn)證驗(yàn)證提出防止橋臺前移措施結(jié)論與展望樁側(cè)極限土壓力計(jì)樁側(cè)極限土壓力計(jì)算方法研究算方法研究改進(jìn)樁側(cè)土壓力計(jì)算改進(jìn)樁側(cè)土壓力計(jì)算方法方法樁側(cè)土壓力適用性分析樁土相互作用機(jī)理樁側(cè)土壓力分布規(guī)律樁身變形及其影響因素軟基橋臺樁-土相互作用計(jì)算模型建立路堤-軟基-橋臺三維有限元模型第11頁/共53頁 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固

8、措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第12頁/共53頁樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究 現(xiàn)有計(jì)算方法（基于抗滑樁）現(xiàn)有計(jì)算方法（基于抗滑樁）ITOITO（塑性理論）沈珠江（散粒體平衡理論）（塑性理論）沈珠江（散粒體平衡理論）A.C.C.T.PA.C.C.T.P（塑性理（塑性理論）論） 121p zDDDc z單單位位樁樁寬寬土土壓壓力力隨隨、 、 變變化化第13頁/共53頁 側(cè)壓力計(jì)算方法適用性分析側(cè)壓力計(jì)算方法適用性分析 臨界荷載臨界荷載 現(xiàn)有計(jì)算方法樁側(cè)土壓力隨路堤荷載現(xiàn)有計(jì)算方法樁側(cè)土壓力隨路堤荷載線性增加線性增加 公路橋規(guī)公路橋規(guī)規(guī)定規(guī)定 ，在此區(qū)

9、間內(nèi)：，在此區(qū)間內(nèi)： 沈珠江（沈珠江（單樁繞流單樁繞流） A.C.C.TP A.C.C.TP（不計(jì)內(nèi)摩擦角不計(jì)內(nèi)摩擦角） ITO ITO（考慮土拱效應(yīng)考慮土拱效應(yīng)）3uS210.6,0.85DD 建議采用建議采用ITOITO公式計(jì)算橋臺樁基礎(chǔ)樁側(cè)土壓力公式計(jì)算橋臺樁基礎(chǔ)樁側(cè)土壓力第14頁/共53頁改進(jìn)公式改進(jìn)公式 模型假設(shè)（Ito塑性變形理論）：主動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力假設(shè)滑動(dòng)面假設(shè)滑動(dòng)面連續(xù)條件連續(xù)條件待求量待求量AA面：朗金主動(dòng)土壓力BB面：連續(xù)條件DD面：待求量11 220+2xzxzNcN2001221 cosxxD Dr 111D DDDxpD 1 2tan11 21 21111 211

10、 22(2tan2)tan12NNzC DcNNp zDNNDzNcN樁土摩擦樁土摩擦第15頁/共53頁 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第16頁/共53頁 軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究 考慮地基成層性、土體非線性樁側(cè)極限土壓樁側(cè)極限土壓力（第二章）力（第二章）p-y 曲線非線曲線非線性、成層

11、性性、成層性第17頁/共53頁p-y 曲線曲線p-y曲線：土體某深度下土反力p與樁身撓度y之間的關(guān)系曲線（砂土、粘性土） 粘性土 砂性土第18頁/共53頁模型求解模型求解 模型假設(shè)： （1）僅考慮水平荷載作用；（2）將樁視為彈性地基梁；（3）土抗力與樁身變形符合 p-y 曲線；（4）樁土不發(fā)生脫離第19頁/共53頁模型求解模型求解求解方法：有限差分法求解過程：（1）樁身離散化（n段）；（2）增加四個(gè)虛擬點(diǎn)；（3）邊界條件（4）求解方程得到樁身撓度 55nniy第20頁/共53頁求解流程及實(shí)例驗(yàn)證求解流程及實(shí)例驗(yàn)證 求解流程： 實(shí)例驗(yàn)證：計(jì)算結(jié)果較實(shí)測值偏大原因：（1）使用極限土壓力 （2）群樁

12、效應(yīng) （3）實(shí)際土層差異計(jì)算方法基本能夠計(jì)算方法基本能夠反應(yīng)實(shí)際情況反應(yīng)實(shí)際情況第21頁/共53頁 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第22頁/共53頁 軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析 模型簡介：總應(yīng)力、縱向平面應(yīng)變、樁土采用接觸單元模型簡介：總應(yīng)力、縱向平面應(yīng)變、樁土采用接觸單元 土體（土體（M-CM-C模型）、

13、樁模型）、樁+ +承臺（線彈性）、承臺（線彈性）、 路堤分級加載路堤分級加載 路堤路堤軟土層軟土層硬土層硬土層承臺承臺第23頁/共53頁計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算結(jié)果分析 土體位移模式土體位移模式第24頁/共53頁樁前土體位移模式樁前土體位移模式坡腳處坡腳處與與樁間土樁間土位移位移 差異顯著差異顯著自由土場位移自由土場位移預(yù)測值預(yù)測值 較樁間土位移值較樁間土位移值偏大偏大樁基樁基對土體側(cè)向位移對土體側(cè)向位移影響顯著影響顯著，基于自由土體位移基于自由土體位移計(jì)算方計(jì)算方法可能法可能夸大夸大計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果。第25頁/共53頁樁土相對位移樁土相對位移樁身位移： 軟土（撓曲），硬土（嵌固）樁土相對位移： 軟

14、土（被動(dòng)受力） 硬土（主動(dòng)受力）軟土作用方向軟土作用方向驗(yàn)證樁基受力模型（第三章）假設(shè)的正確性第26頁/共53頁鄰荷側(cè)樁側(cè)土壓力鄰荷側(cè)樁側(cè)土壓力樁側(cè)土壓力值與軟土樁側(cè)土壓力值與軟土層所受層所受荷載水平荷載水平有關(guān)，有關(guān)，荷載水平較低時(shí)，公荷載水平較低時(shí)，公式計(jì)算結(jié)果偏大。式計(jì)算結(jié)果偏大。最大樁側(cè)土壓力約為最大樁側(cè)土壓力約為路堤荷載的路堤荷載的0.74倍倍第27頁/共53頁 樁身平均側(cè)向土壓力樁身平均側(cè)向土壓力 樁身平均側(cè)向土壓力：鄰荷側(cè)土壓力樁后土抗力的合力2011.5前排樁前排樁對對后排樁后排樁具有具有阻攔作用阻攔作用第28頁/共53頁 樁土相對位移與樁側(cè)平均側(cè)壓力樁土相對位移與樁側(cè)平均側(cè)壓

15、力前排樁（前排樁（近似雙曲線近似雙曲線） 后排樁（后排樁（直線直線）樁土樁土相對位移?。ň€性）相對位移?。ň€性）樁土樁土相對位移大（非線性）相對位移大（非線性）第29頁/共53頁 樁身彎矩及其影響因素樁身彎矩及其影響因素軟土層最大彎矩：軟土層最大彎矩： 前排樁（前排樁（中上部中上部） 后排樁（后排樁（樁頂樁頂）硬土層最大彎矩：硬土層最大彎矩： 接近接近軟硬土交界面軟硬土交界面最大彎矩與荷載關(guān)系：最大彎矩與荷載關(guān)系： 前排樁（前排樁（直線直線） 后排樁（后排樁（折線折線）第30頁/共53頁 樁身彎矩及其影響因素樁身彎矩及其影響因素增加粘聚力或增大內(nèi)摩 擦角均減小樁身彎矩樁身彎矩隨軟土層厚增 加不

16、斷增大，反彎點(diǎn)位 置在交界面附近，隨軟 土增厚下移第31頁/共53頁 樁身彎矩及其影響因素樁身彎矩及其影響因素樁身模量增加對樁身 彎矩和變位影響較小軸向荷載產(chǎn)生壓應(yīng) 力可以抵消一部分 拉應(yīng)力，樁身彎矩 較無軸向荷載下偏 小，但效果不明顯。第32頁/共53頁 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第33頁/共53頁 軟基橋臺樁基病害防治及加固

17、措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施路基填土影響橋臺樁基的關(guān)鍵問題： 路基填土對橋臺樁基影響的時(shí)效性； 路基填土對橋臺樁基的影響距離與范圍； 臨界填土高度 與軟土強(qiáng)度； 防治及加固措施 地基改良、減輕荷載、基礎(chǔ)阻力、控制填土速率等。第34頁/共53頁 匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱緒緒 論論軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基側(cè)壓力計(jì)算方法研究軟基橋臺樁軟基橋臺樁- -土相互作用計(jì)算方法研究土相互作用計(jì)算方法研究軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基三維有限元分析軟基橋臺樁基病害防治及加固措施軟基橋臺樁基病害防治及加固措施結(jié)論與展望結(jié)論與展望論文框架第35頁/共53頁結(jié)論與展望結(jié)論與展望主要結(jié)論主要結(jié)論

18、1.比較現(xiàn)有樁側(cè)土壓力計(jì)算方法及其影響因素，指出Ito法較適合計(jì)算基橋臺樁基礎(chǔ)樁側(cè)壓力，同時(shí)對公式改進(jìn)，使其能夠考慮樁土摩擦效應(yīng)，并用實(shí)例驗(yàn)證公式的有效性；2.通過引入p-y曲線，提出能夠考慮樁土相互作用、土體非線性、成層地基等因素下軟基橋臺樁基礎(chǔ)變形性狀的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合，可作為一種計(jì)算軟基橋臺樁基變形性狀的方法；3.建立路堤-軟基-橋臺樁基三維有限元模型，對樁側(cè)土壓力分布、樁土位移模式、以及樁身彎矩分布及其影響因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究；第36頁/共53頁結(jié)論與展望結(jié)論與展望4.針對路基填土影響橋臺樁基的幾個(gè)關(guān)鍵問題，初步提出了有效控制軟 基橋臺側(cè)移的技術(shù)措施。展望展望1

19、.基于土體位移來計(jì)算樁身變形形狀較基于樁側(cè)極限土壓力的計(jì)算方法更為合理。因此，對土體位移的合理預(yù)測需進(jìn)一步研究。2.p-y曲線的實(shí)質(zhì)還是將土看作是互不影響的土彈簧，在計(jì)算時(shí)考慮土體連續(xù)性值得探討。3.如何提高仿真模擬的準(zhǔn)確性，即在土體本構(gòu)模型、力學(xué)指標(biāo)、樁土界面摩擦系數(shù)等參數(shù)選取需要進(jìn)一步研究。第37頁/共53頁結(jié)論與展望結(jié)論與展望4.任何理論研究終將由現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其合理性，因此有必要進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)來對理論計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)。第38頁/共53頁2011.5謝謝各位專家！敬請指導(dǎo)！長沙理工大學(xué)碩士論文答辯長沙理工大學(xué)碩士論文答辯第39頁/共53頁樁基側(cè)壓力現(xiàn)有計(jì)算方法樁基側(cè)壓力現(xiàn)有計(jì)算方法第40頁/共

20、53頁111 211112221 2121122212211( )exp1tantan2tan1tan842exptantan84GIGDDGp zDcNNDNDGGDDDDDzcNcNGDNDDDp 2tan2211tan2221221114tan113tancos2tan1 sinsin1 sin1 sin4tan13tansin2tan1 coscos1sin4tan1110.45 1.4sin2zccScccDeDDLezDD LPtgDLD+ 0.1405222112216.05215.41cAcDcDdpDLDpzDDcpDLD單位樁寬土壓力單位樁寬土壓力第41頁/共53頁 側(cè)壓力計(jì)算方法比較分析側(cè)壓力計(jì)算方法比較分析第42頁/共53頁臨界荷載臨界荷載第43頁/共53頁路堤荷載與樁側(cè)土壓力關(guān)系路堤荷載與樁側(cè)土壓力關(guān)系第44頁/共53頁公式驗(yàn)證公式驗(yàn)證