路堤荷载下现浇X形混凝土桩负摩阻力特性试验与桩-土相互作用机理研究

对路堤荷载作用下桩-土相互作用性状进行合理预测的一个关键点是如何确定桩-土荷载传递随时间的变化关系，但目前相关研究成果较少。本项目拟结合南京长江第四大桥接线工程现浇X形混凝土桩软基处理工程，开展路堤荷载作用下现浇X形混凝土桩桩-土相对位移、桩-土应力比以及桩身轴力的现场试验和大比尺模型试验，研究桩侧负摩阻力和中性点位置的规律特性。根据实测数据，建立描述桩侧负摩阻力与桩-土相对位移和地基土固结时间三者关系的桩-土荷载传递蠕变接触面模型，基于变分法原理得到桩侧负摩阻力计算解析解。将建立的接触面模型开发到岩土工程专业程序FLAC3D中，根据针对典型工程实例的模拟，对模型进行验证和修正，最终建立正确、有效的计算桩侧负摩阻力和中性点位置的有限差分计算方法。研究成果将丰富并创新刚性桩复合地基和桩-土相互作用机理理论，对指导高速公路、高速铁路等软基处理工程设计、施工具有重要的理论意义和实用价值。

路堤荷载下桩-土相互作用问题是预测路堤工后沉降的关键，而对路堤荷载作用下桩-土相互作用性状进行合理预测的一个关键点是如何确定桩侧负摩阻力中性点位置和分析桩-土荷载传递随时间的变化规律；但目前相关研究成果相对较少。本项目结合南京长江第四大桥接线工程现浇X形桩软土地基处理工程，开展了路堤荷载作用下现浇X形桩桩-土相对位移、桩-土应力比以及桩身轴力的现场试验，测得了路基表层沉降、土体分层沉降、侧向位移、土压力以及孔隙水压力等监测数据，系统分析了路堤荷载下桩、土荷载分担，桩侧负摩阻力和中性点位置随时间的变化规律；续而建立考虑时间效应的桩-土界面荷载传递蠕变模型和确定中性点位置计算公式。基于现浇X形桩在任意方向轴惯性矩控制方程和异形几何截面特性以及地基反力法的基本原理，分析了现浇X形桩在任意水平向荷载作用下截面应力分布规律及其控制参数变量对截面应力集中现象的影响规律；并与同等情况下，等周长和等面积的圆形桩、方形桩的力学特性进行对比分析；并提出考虑截面应力分布的X形截面设计最优化设计形式。基于Davis非线性固结理论，求得桩周土体固结沉降随时间和深度的计算公式；结合桩-土荷载传递模型，建立复合地基中桩体平衡方程的矩阵表达式，通过将矩阵方程组联立迭代求解，得到复合地基中桩侧摩阻力、桩身轴力及中性点位置。通过针对某工程实例的对比分析，验证了所建理论计算方法的可靠性；续而，探讨了地基土固结度、桩周土体初始体积压缩系数、桩端土体压缩模量及桩-土应力比对桩侧负摩阻力和中性点位置的影响。研究结果表明，实际工程中建议外包圆直径可以取0.5-0.7 m左右，开弧间距取0.1-0.2 m左右，开弧角度采用110o -130o左右；考虑土体非线性固结沉降的桩侧负摩阻力计算模型可以有效、准确地反映复合地基中基桩负摩阻力和中性点位置随地基土固结时间的变化规律；桩周土体初始体积压缩系数对桩侧摩阻力影响显著，桩端土体压缩模量对中性点位置影响显著。本项目研究成果丰富并创新了桩-土相互作用机理和桩侧负摩阻力分析理论，对阐明复合地基现浇X形桩-土荷载分担机理具有重要的理论意义，对指导高速公路、高速铁路等软基处理工程设计、施工具有重要的实用价值和经济效益。