循环动载下软土地区高速铁路桥梁桩基承载机理及承载力研究

Based on laboratory test of soil mechanical properties and pile model experiment on cyclic dynamic, the stress-strain distribution of soil around pile, lateral friction of pile and pile-tip resistance and creep characteristics of soft-soil are obtained and dynamic characteristics law of pile foundation is also gained in this research project. The analytical model and bearing capacity calculation methods of pile load transfer are established considered residual strain and negative friction of pile in soft soil ground. Meanwhile, based on the Hamilton variation principle, the formula of pile-soil system under cyclic dynamic load is derived by adopting the nonlinear analysis method of viscoelastic-plastic model. Further, introduced the meshless- finite element method with self-adaptive coupling, the calculation model of pile-soil system interaction is deducted by the variational principle. The pile-soil deformation compatibility mechanics are discussed deeply by considering stiffness ratio between pile and soil, initial imperfections, plastic behavior and large deformation of pile and time-dependent fluid-solid interaction of soft soil.Thereby, load transfer law, deformation mechanism and failure modes of high-speed railroad bridge pile foundation under cyclic dynamic loads are obtained in soft soil region.

本研究紧密围绕循环动载作用下软土地区桥梁桩基的承载机理和承载力，以现场测试和室内模型试验为研究平台，获得循环动力荷载作用下软弱土体蠕变特性、桩侧摩阻力、桩端阻力、桩周土体的应力应变分布和桩基动力响应的规律，基于Hamilton变分原理，采用(粘)弹塑性模型的非线性分析方法，建立循环动载作用下桩土体系承载特性的力学分析模型；进而引入可自适应耦合的无网格－有限元法，基于变分原理推导建立基于桩土共同作用下循环动载作用下软土地区高速铁路桥梁桩基计算模型，推导出能反映软土固结流变特性和桩土协同工作特性的自适应耦合无网格－有限元法的桩基承载力计算方法，深入探讨桩身内力变形、土体附加应力和孔隙水压力等的时程响应，获得软土地区高速铁路桥梁桩基的循环动力承载特性和失效破坏模式。

随着经济的高速发展，我国高速铁路建设步伐加快，随着列车运行速度的提高，其动态环境急剧恶化，将在轨道结构中产生很大的冲击振动，轨道下的桥梁结构也将承受巨大的动力作用。从保证高速列车高速安全运营和结构的使用安全角度出发，有必要针对高速列车循环运动荷载下桥梁基桩动力特性及桩土共同工作机理进行深入系统的研究。本项目从软土地区桥梁桩基础荷载传递机理、承载力计算、动力影响因素三个关键问题出发，通过室内模型试验、理论分析及数值模拟对该问题进行较深入系统的研究。.首先，利用MTS电液伺服加载系统对直径为130mm的混凝土单桩进行了长期轴向循环荷载试验，获得了循环荷载条件下不同加载频率、动荷载幅值对带台单桩动力特性的影响规律；然后，考虑桩-土界面初始剪切刚度的深度效应，提出基于统计损伤本构模型的无厚度桩-土界面非线性本构模型，根据剪切试验的数据对改进的本构模型参数进行拟合，得到了不同法向应力下的模拟曲线，能够实现桩-土界面剪切力学过程的数值模拟，合理反映桩-土界面刚度的非线性；最后，基于数值模拟软件FLAC3D，利用其系统的开放性，使用FLAC3D中内嵌的FISH语言，实现桩周土体在循环荷载作用下的强度衰减，通过比较数值模拟结果和试验结果，验证了强度折减法在FLAC3D中实现的可能性，通过对超长桩的动力数值模拟，探讨了循环动载作用下超长桩外部荷载因素和桩基自身因素对桩基动力变形特性的影响。.本项目的研究成果可以为高速铁路桥梁桩基础建设、施工和运营维护各阶段工程质量、变形控制、优化桩基设计和降低工程造价提供可靠的理论依据和技术支持。项目的研究成果丰富了桥梁工程、桩基工程和岩土工程的相关理论体系，可为铁路、公路、市政、港口海岸建设和水利等领域中的类似工程建设提供坚实的理论依据和可靠的技术支持，具有广阔的推广应用前景，潜在经济效益和社会效益显著。