复杂荷载环境下嵌岩斜直桩群协同承载特性与设计理论研究

The vertical and batter rock-socketed pile groups (VBRPG) has been widely used in mega ocean engineering projects, i.e. deep-sea wharf and the sea crossing bridge, due to their high bearing capacity and lower post-construction settlement. Further studies on the bearing capacity of the VBRPGs under the combined loading conditions are required to guide the field construction activities. The project aims to use the laboratory model test, analytical studies, and numerical studies to investigate the performance of VBRPG used in the deep-sea projects. The objectives of this projects are (a) to investigate and derive the nonlinear constitute model of the pile-rock interface by considering the properties of rock mass, rock-socketed pile and the construction process; (b) to evaluate the failure modes of the batter rock-socketed pile (BRP) in different rock mass with different joint properties under combined vertical and lateral loads, and establish the calculation method of the bearing capacity of the single BRP; (c) to investigate the bearing properties and failure modes of the of the VBRPG under saturated conditions, analyse the load transferring and bearing properties of the VBRPGs, establish the calculation method of the bearing capacity of the pile group. The key deliverables of this project are the designing and construction guidelines of using VBRPG in mega ocean engineering projects.

钢套筒嵌岩桩具有承载力高和工后沉降收敛快等优点，已经快速应用于大型离岸深水港码头、跨海湾桥梁等高难度海洋基础设施建设工程。目前施工经验明显超前于理论研究。本项目拟综合采用模型试验、理论分析和数值模拟等多种手段，对钢套筒嵌岩斜直桩群在复杂组合荷载作用下的协同承载特性及荷载传递机理进行系统深入的研究。最终实现以下研究目标：(1) 建立饱和情况下桩岩非线性接触本构模型，并综合考虑岩石特性、嵌岩桩特性和施工工艺对桩岩接触特性的影响；(2)推导饱和情况下不同岩石特性和荷载组合情况下的嵌岩斜桩破坏模式，建立嵌岩斜桩单桩极限承载力设计计算理论；(3)研究饱和情况下钢套筒嵌岩斜直桩群的协同承载特性及临界破坏模式，建立系统的嵌岩斜直桩群承载特性设计计算理论。项目成果对揭示钢套筒嵌岩斜直桩群协同承载特性，完善我国钢套筒嵌岩斜直桩群设计理论，指导钢套筒嵌岩斜直桩群在大型海洋工程中的应用具有显著的社会和经济效益。

钢套筒嵌岩桩已经快速应用于大型离岸深水港码头、跨海湾桥梁等海洋基础设施建设，目前施工经验明显超前于理论研究。本项目采用模型试验、理论分析和数值模拟等多种手段，对嵌岩斜直桩群在复杂组合荷载作用下的协同承载特性及荷载传递机理进行系统深入的研究。最终实现以下研究目标：（1）开展了深厚软粘土固结下嵌岩斜直桩负摩阻力及弯矩模型试验，揭示了嵌岩桩负摩阻力及弯矩随土体固结度、桩身倾角及桩径的变化规律，分析了嵌岩斜直桩的荷载传递机理和桩土法向相互作用机理，建立了嵌岩斜桩在桩周土沉降作用下负摩阻力及弯矩的理论计算方法。基于理论计算模型，探究了桩体设计参数（桩径、倾角等）及岩土体性质对斜桩负摩阻力和弯矩的影响。（2）开展了成层土固结沉降条件下的嵌岩斜直桩负摩阻力及弯矩模型试验，测试了成层土中嵌岩斜直桩的桩身轴力、侧阻力和弯矩等沿桩身的分布规律以及随成层土沉降的变化规律。基于成层土中嵌岩斜桩的桩-土法向和切向相互作用机理，采用p-y曲线法及荷载传递法，建立了成层土沉降作用下嵌岩斜桩弯矩和负摩阻力计算理论。（3）开展了嵌岩桩的桩-岩界面剪切模型试验。利用非连续变形分析方法(DDA)理论，桩岩接触面采用三折线粘结-滑移模型对嵌岩桩荷载传递机理进行建模分析。基于荷载传递的相关结论，建立了与桩-岩和桩-土界面剪切岩桩竖向承载力作用计算模型，推导了嵌岩桩竖向极限承载力的解析解。（4）开展了不同倾角组成的嵌岩群桩承载模型试验，揭示了嵌岩斜直群桩在复杂组合荷载作用下的协同承载特性。随着桩体倾角从0°增大20°，嵌岩群桩端阻力逐渐减小，嵌岩双斜桩的竖向承载力先增大后减小，桩体倾角10°时嵌岩双斜桩的竖向承载力最大。开展了嵌岩群桩水平加载试验，研究了竖向定荷载对群桩水平承载特性、破坏模式的影响，在竖向定荷载为0.4倍竖向极限荷载时得到的水平极限承载力最大。