考虑土-桩-桥墩耦合效应的超大直径空心桩动力特性研究

Construction of traditional bridge pile foundation in large karst areas is very difficult, and the quality is hard to control. The advent of super-large-diameter hollow piles provides a good solution to this problem. However, the dynamic characteristics and failure modes of this kind of piles are still unclear. This project aims to: Research the 3D dynamic characteristics of the super-large-diameter hollow piles considering the size effect based on apparent elasticity method, and further reveal the propagation mechanism of stress waves in piles; Propose the vertical vibration model of soil-pile-pier interaction system according to impedance transfer principle, and indicate the transfer law of vertical dynamic load in the new type bridge foundation; Conduct a shaking table tests in which the features of supersize and no cushion caps will be rigorously simulated, and obtain the dynamic failure modes of the soil-pile-pier interaction system subjected to seismic load, and establish a horizontal dynamic calculation model of the soil-pile-pier system to find out the main factors affecting the failure modes; Propose the design method for the dynamic characteristics of the soil-pile-pier interaction system, and further evaluate the performance of the super-large-diameter hollow piles when applied in the bridges subjected to dynamic loading. The outcome of the project can provide guidance for the wider application of the innovative super-large-diameter hollow piles in bridge engineering.

大面积岩溶地区传统桥桩基础施工存在成桩难、质量不易保证等诸多问题。超大直径空心桩的出现很好地解决了这一难题。然而超大直径空心桩的动力特性及动力破坏模式目前尚不明确。项目拟基于表观弹性法，研究尺寸效应对超大直径空心桩三维动力特性的影响，揭示桩身应力波的传播机制；依据阻抗传递原理，建立土-桩-桥墩竖向振动模型，揭示该桥桩基础的竖向动力传递规律；开展拟地震力振动台试验，严格模拟大尺寸、无承台等构造特点，获取地震力作用下土-桩-桥墩相互作用体系的动力破坏模式，建立水平振动模型，揭示导致动力破坏模式的主导因素；提出以超大直径空心桩为核心的土-桩-桥墩相互作用体系动力特性的计算方法，评价超大直径空心桩在桥桩基础动力体系中的作用。本项目的研究成果可为超大直径空心桩这一新技术在桥梁工程中的推广提供参考。

随着我国基础工程的快速发展，更多的交通基础工程推进到中西部等地质情况复杂的地区，在桩基分项工程中经常出现岩溶问题。超大直径空心桩就是在这样的背景下产生的。本项目针对阶梯形超大直径空心桩的研究有利于推进类似江西省等岩溶发育地区深大桥梁桩基的优化设计和长期服役中的性能研究。本项目以动力振动理论为基础，针对阶梯形超大直径空心桩及其所形成的桩-土-桥墩结构进行全面的分析研究，拟建立一套适用于该桩的涵盖静力和动力等多方面的分析理论。首先，动力方面提出了楔形环土桩模型，借助该模型建立了阶梯形超大直径空心桩的纵向和扭转振动分析理论，并针对超大直径空心桩的扩径特性进行了全面的分析。该方法同时适用于类似阶梯状地下结构的动力问题研究。其次，静力方面提出了修正的应力楔模型，实现阶梯桩水平内力及位移的计算，为类似桩体的工程设计提供了理论参考。最后，开展了大量室内试验研究了水平扰动对竖向承载力的影响，证明了扰动荷载的作用频率和幅值都可降低桩基的竖向承载力。对应上述理论研究编制了相应的采样控制和分析程序，可实现各类桩型的振动特性曲线、竖向沉降、水平变形及内力的快速计算。并根据桥桩在横风、列车等动力荷载方面的振动特性，研发了一款智能吸振器的减震设备，可用来减轻桥身的振动幅值。综上，本课题的成果既有理论价值又有实用价值，符合国家及江西省地区的基础设施建设的发展战略，为加快区域化建设增砖添瓦。