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创新点

通过基于透明土与PIV技术的位移场可视化模型试验,采用相似理论对等截面桩、扩底桩以及不同根键层数与间距条件下根键桩的抗拔承载能力与位移场发展特征进行对比分析,明确了根键对基础承载能力的提升规律,总结了不同形式基础抗拔过程桩周位移场发挥特点,从桩土作用理论方面解释了根键的受荷机理,并通过像素统计,定性定量的对各桩不同阶段位移场发挥程度与特点进行了分析,进一步基于现有研究成果与本文所得结果,获得了适用于透明土模型试验的桩身侧阻力计算模型。

作 者

张吉禄1,黄雪峰1,2,韦林辉1,周俊鹏3,袁 俊4,王学明4

2单 位

1.兰州理工大学 土木工程学院;2.重庆交通大学 土木工程学院;3.陆军勤务学院 军事设施工程系;4.中国电力工程顾问集团 西北电力设计院有限公司

3研究背景 对基础承载特性的深入探究有助于指导工程实践根据不同现场条件选择不同基础类型,以确保工程的安全性以及经济效益。针对基础抗拔领域,随着工程建设需求的提高,基础承载力设计值大幅提升,以等截面桩为主的摩擦型桩由于其承载力仅由侧摩阻力提供,经济效益随承载力需求的提高而逐渐降低,因此,近年来诸多截面异形桩如雨后春笋般涌现。

截面异形桩由于变截面法向阻力的作用,在增加较小材料用量的同时大幅提高了基础承载力,但是诸如扩底桩或支盘桩多数情况下需人工掏挖成孔或爆破成孔,随着基础深度的增加,人工掏孔的安全问题尤为突出,而爆破目前并不能适用于所有地质条件,且变截面处无法设置钢筋,在抗拔过程中有可能发生混凝土塑性破坏的危险,而根键桩作为近几年新出现的变截面桩,其无需大面积掏挖,根键与桩身通过钢筋连接且对地质条件适应能力强等优点逐渐被业界所接受,但是对其抗拔承载机理的研究目前较为匮乏,理论成果尚不足以指导工程实践。因此,对于不同截面形式抗拔基础承载特性以及适用范围的探究已成为目前桩基领域热门问题之一。

4摘 要

为探究根键桩抗拔承载特性,基于PIV技术(粒子图像测速技术) 与透明土组成的桩土变形可视化试验系统,对上拔荷载作用下同尺寸根键桩、扩底桩以及等截面桩进行非介入式模型试验。

测得各桩荷载-位移曲线并对桩周土体位移场变化情况进行实时采集,通过对不同时刻各桩桩周土体位移场等值线图不同色阶部分像素点进行统计,实现对位移场发展规律以及土体塑性变形区域的精确对比,并进一步结合现有透明土三轴试验成果提出适用于小尺寸透明土模型试验桩土侧阻力计算模型,结果表明:

试验条件下,虽然同尺寸扩底桩承载力更高,但是在中低荷载时,多层根键桩表现出对基础位移更好的控制能力,更适用于对位移有严格要求的建筑基础;根键的设置存在优化问题,为保证土体以及根键承载力的充分发挥,初步建议根键纵向间距以(4~6)L为宜(L为根键外伸长度)。

当根键层数较少时,根键对荷载扩散作用不明显,土体位移场范围相比等截面桩甚至出现小幅降低,而随着根键层数的增多,桩周土体位移场范围也随之显著扩大,在试验条件下,4层根键所带动的土体位移场面积约为扩底桩的113%,而塑性区面积仅为扩底桩的58%,根键桩承载能力提升潜力要优于扩底桩。

极限荷载下,各桩桩周土体位移场均为“倒三角形”分布,且与水平面夹角均为(45°+φ/2);基于现有透明土研究成果所得桩土侧阻力计算模型能够在一定程度上反映基础荷载传递规律,由计算分析得,根键与扩大头的设置分别使土体极限承载力提高了1.27与1.18倍,变截面的设置使土体承载力得到了更大程度发挥,且深度效应对根键法向阻力影响远小于侧摩阻力。

5部分图片

试验布置

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透明土制备示意

模型桩设计示意及实物

图像处理流程

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桩顶荷载-位移关系曲线

模型相似计算与文献Q-S曲线对比

荷载作用下桩周土体竖向位移等值线

极限荷载向下桩周土体竖向位移等值线

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文献[19]不同围压的应力-应变曲线

不同密实度下围压与屈服应变关系

模型桩侧阻力分布

6作者简介

张吉禄,男,1993年5月22日生,山东德州人,中国共产党党员,硕士研究生,毕业于兰州理工大学土木工程学院。

研究方向

特殊土与非饱和土理论、黄土湿陷性与地基处理技术

主要成果

致力于桩基抗拔领域—根键桩抗拔理论与应用技术的研究,取得多项创新性成果,形成了根键桩抗拔理论体系,为根键桩在抗拔方面的应用提供了理论指导;在湿陷性黄土处理技术方面,对螺杆桩处理黄土地基湿陷性问题的适用性以及黄土湿陷性与土体饱和度的关系进行了探究,并取得一定成果。

来源:

张吉禄,黄雪峰,韦林辉,等.根键桩抗拔位移场分布特征及荷载传递模型探究[J].煤炭学报,2020,45(10):3435-3445.

ZHANG Jilu,HUANG Xuefeng,WEI Linhui,et al. Research on visual model test of displacement distribute characteristics and load transfer model of root pile during uplifting[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(10):3435-
3445.

责任编辑:郭晓炜 编辑整理:郭晓炜 审核:常 琛

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