管桩水泥土复合桩荷载传递规律及优化设计研究

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管桩水泥土复合桩是适用于软土地基的一种新型复合桩。可由PHC管桩在水泥土初凝前压入水泥粉喷桩(或水泥搅拌桩)中,通过两者特定匹配关系复合而成。它综合了PHC管桩和水泥搅拌桩的优点:既利用PHC管桩承担荷载,又利用大直径水泥土提供侧摩阻力。目前对其极限承载力、施工工艺、检测方法等方面的研究已较成熟,对其竖向受荷荷载传递规律、管桩与水泥土荷载承担比例、桩体参数优化设计等方面仍有待深入研究。本文依托管桩水泥土复合桩基工程应用实例,主要研究内容及成果如下:  (1)结合现场静载荷试验与桩身光纤光栅应力测试成果,通过实测管桩桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力分布,研究管桩水泥土复合桩荷载传递规律、桩身破坏模式及各类破坏模式发生的条件。比较管桩水泥土复合桩区别于一般管桩的抗力、沉降特点,探讨其承载力显著提高的机理。  (2)通过现场试验及数值模拟,研究管桩与水泥土共同受荷载时管桩、水泥土桩身应力、桩侧摩阻力、桩端阻力分布及各自荷载承担比例。管桩、水泥土有效复合变形协调所需满足的条件。管桩、水泥土桩及下卧土层压缩量随桩顶荷载的变化及管桩、水泥土各自桩端阻力和桩端沉降之间的关系。  (3)结合静载荷试验的相关资料,以ABAQUS为工具建立较为合理的有限元模型。研究了管桩桩长、截面含芯率、水泥土外径及弹性模量对管桩水泥土复合桩竖向承载性能的影响。得到管桩和水泥土桩的最佳匹配关系,最终实现其优化设计。  研究表明:管桩水泥土复合桩Q-S曲线呈缓变型。管桩是上部荷载的主要承担者,其工作特性与刚性单桩相似。桩端阻力占桩项荷载比例较小,复合桩表现出摩擦桩的工作特性。管桩和水泥土侧摩阻力分布规律相似,其比值约为水泥土外径和管桩外径的比值。管桩桩长是影响管桩水泥土复合桩承载特性的主要因素,水泥土弹性模量对桩顶沉降影响较小。管桩与水泥土长度比宜取3/5~4/5,截面含芯率宜取0.19~0.25。水泥土桩外径应比管桩外径大300 mm以上,以满足构造要求。
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