长期重复堆载下软土流动及其与临近桩基相互作用特性与机理研究

The responses of passive pile induced by adjacent surcharge in soft soil area is one of the key topics concerned by the engineering and academic community, especially for the long-term repeated loading-unloading conditions of heavy industrial plants, silos and oil tanks, in which the soil displacement field is difficult to calculate, and relevant design specification/code, engineering cases or centrifuge experiments for reference are lacking, making it rather difficult for accurate analysis of passive piles in practical engineering. Based on the scientific problem discussed above, the project aims to carry out the following research, including: .(1) A series of centrifuge experiments under different working conditions will be carried out to investigate the development of horizontal displacement field and the calculation method of the passive pile foundation under the long-term consolidation and load-unload. .(2) Based on the finite element analysis and theoretical analysis, a simplified calculation model of soil displacement field will be established, and the concrete solution and design method of the above problem will be explored..(3) Based on the full scale field tests, the validity of the proposed calculation model for soil displacement field and design method for passive piles under long term repeated loading-unloading conditions will be discussed. .The project is aimed to reveal the distribution model of the soil displacement field and the interaction mechanism between soil and passive piles in soft soil area under the long-term repeated loading-unloading conditions, and establish a set of complete and feasible design method for passive pile to facilitate the practical design.

在软土地区中由堆载引起的被动桩工作特性是工程及学术界所重点关注的课题之一，特别是对于重工业厂房、筒仓、油罐等存在长期重复加卸载的情况，其土体位移场难以计算，设计时也缺少相关规范、工程案例或离心机试验作为参考，导致在实际工程设计中往往无法对其工作特性进行准确的计算分析。针对以上科学问题，本项目将对软土地区长期重复堆载下被动桩工作特性及场地水平位移场分布模式进行系统性研究，主要内容包括：①通过离心机试验研究不同工况下长期重复堆载引起的土体水平位移场的发展及被动桩受力变形计算方法；②通过有限元和理论分析，建立简化的土体位移场及被动桩桩-土相互作用计算模型；③基于现场足尺原位试验，对所提出的土体位移场计算方法及被动桩分析理论进行评价验证。本项目旨在从理论与试验上揭示软土地区长期重复堆载条件下土体位移场分布及其桩-土相互作用的机理，并建立一套完整可行的被动桩设计方法，为工程设计提供参考。

软土地区堆煤场、油罐和重工业厂房等的建设不可避免的会导致临近既有桩基产生附加内力和变形，存在既有建筑物倒塌的风险，如1998年上海宝钢厂房倒塌事故。事故调查及后期研究表明，长期低频的往复堆卸载是导致此类事故的根本原因，然而，截至目前我国规范仍未针对此类问题给出明确的实际工程设计与分析方法。基于此，本项目开展了一系列的试验与理论研究，明确了低频往复荷载下软土及地基的变形特性，建立了考虑往复堆卸载和地基固结的理论方法并编制了有限元程序，进而给出了可用于实际工程的设计与分析方法。取得的主要成果简述如下：① 建立了软土变形指标的确定方法，明确了往复加卸载下考虑软土固结的土体模量和强度变化规律，并通过编制的有限元程序较好的反演了本项目及文献中的试验数据；② 揭示了堆载条件下软土地基的变形规律，重点明确了地基堆载方式、堆卸载周期、软土地基固结等对软土地基沉降和侧移的影响规律和机制，建立了考虑往复堆卸载与软土地基固结的土体位移计算方法；③ 明确了往复堆卸载条件下临近既有桩基础的力学响应特征，揭示了长周期往复堆卸载且存在部分排水固结情况下桩土作用规律与机制，结合BIOT固结理论开发了可模拟往复堆卸载和土体固结的被动桩分析有限元程序；④ 结合实际工程实践，针对临近堆载的被动桩基础提出了三自由度Winkler地基梁模型分析与设计方法，给出了桩土作用力与桩土作用刚度的确定方法；在此基础上，建立了荷载安全系数法以预测长期低频往复堆卸载条件下的桩基力学响应特征。本项目研究成果可为软土地基上仓储构筑物桩基础分析与设计、全寿命周期安全评估提供理论依据和计算方法。