微型钢管桩桩体力学性能及用于中小跨径桥梁基础的承载特性研究.pdf

分类号TU43密级 U D C624编号201731603070 河北工业大学硕士学位论文 微型钢管桩桩体力学性能及用于中小跨径桥梁微型钢管桩桩体力学性能及用于中小跨径桥梁 基础的承载特性研究基础的承载特性研究 论 文 作 者葛辰贺学 生 类 别全日制 专业学位类别工 程领 域 名 称建筑与土木工程 指 导 教 师肖成志职称教授 资助基金项目河北省自然科学基金资助项目E2018202108；承德市科技支撑计划项目 201706A075 Dissertation ted to Hebei University of Technology for The Engineering Master Degree of Architectural and Civil Engineering STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES AND BEARING CHARACTERISTICS OF MINIATURE STEEL PIPE PILES FOR MEDIUMAND SMALL SPAN BRIDGE FOUNDATIONS by Ge Chenhe Supervisor Prof. Xiao Chengzhi March 2020 This work supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province. No. E2018202108 and Chengde Science and Technology Support Project. No. 201706A075. 原创性声明原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表 的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声 明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名日期2020 年 5 月 19 日 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定学校有 权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全 文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名日期2020 年 5 月 19 日 导师签名日期2020 年 5 月 19 日 I 摘要 微型钢管桩由于其优良的工程特性而广泛应用于工程中，对于中小跨径桥梁，且 伴随施工作业面积狭小，地处人口密集区，要求对周边环境不产生较大干扰等问题， 微型钢管桩基础的优点明显。为了深入的了解微型钢管灌注桩的受力特点，本课题就 注浆微型钢管桩桩体的受力性能以及微型钢管桩用于中小跨径桥梁基础的受力性能 开展研究，其研究成果对微型钢管桩的施工与设计有指导意义。 本文首先通过室内轴压试验和数值模拟对比验证，综合分析轴向静载作用下钢管 直径与桩径之比d/D、钢管壁厚t、桩体长H、注浆体强度等多种影响因素对桩体承载 与变形特性的影响。研究结果表明随着钢管与桩体直径比d/D增大，微型钢管桩体 极限承载力相应增加，且d/D为0.4和0.72是桩体极限承载力发生显著变化的临界值， 桩体破坏为钢管发生屈曲破坏、钢管与外包浆体共同破坏、钢管外包浆体破坏三种破 坏模式为主，给出不同破坏模型下微型钢管桩体极限承载力计算公式；壁厚增加时， 桩体极限荷载值呈线性增加，而桩体轴向荷载与轴向应变曲线由壁厚较小时的软化特 征，逐渐向理想塑性和硬化特征发展；桩体长度H增加，桩体极限承载力先呈非常缓 慢的减小趋势，当H/D＞4时，微型钢管桩极限承载力显著降低；相同桩径下注浆体抗 压强度提升对微型钢管桩体承载能力的影响不明显。进一步地，利用前期研究成果， 结合承德地区典型地质条件为工程背景，基于位移加载法模拟微型钢管桩在竖向和水 平荷载作用下的桩体性能，综合分析了单桩桩长L、桩径D、群桩桩间距S、桩体排布 形式、桩体数量N等因素对单、群桩力学性能的影响。研究结果表明桩长设计合理 范围值在10-15 m之间，单桩桩径增大对桩体水平承载力的提高明显；当桩间距达到 S5D时为极限荷载值趋于稳定的临界间距值；桩间距在4-6D之间，群桩效应系数趋 近于1值，群桩中各平均单桩承载能力效果最大；梅花形排布方式相对矩形排布形式 平均单桩极限承载力体升明显，群桩效应更低；桩数量增加承载能力逐步增大，极限 荷载近似呈线性增长且群桩效应更加明显。 关键词关键词微型钢管桩；轴压试验；数值模拟；承载特性；群桩效应 II III ABSTRACT Miniature steel pipe piles are widely used in engineering due to their excellent engineering characteristics. For small and medium-span bridges, which are accompanied by a small construction area and are located in densely populated areas, they require no major disturbance to the surrounding environment. The advantages of the pipe pile foundation are obvious. In order to deeply understand the mechanical characteristics of micro steel pipe cast-in-place piles, this subject conducts research on the mechanical properties of grouting micro steel pipe piles and the mechanical perance of micro steel pipe piles used in small and medium-span bridge foundations. It is instructive to the construction and design of micro steel pipe piles. In this paper, first, through laboratory axial pressure tests and numerical simulation comparison verification, comprehensive analysis of the ratio of steel pipe diameter to pile diameter under axial static load d/D, steel pipe wall thickness t, pile length H, grouting strength, etc. The influence of these factors on the bearing and deation characteristics of piles. The results show that as the diameter ratio d/D of the steel pipe to the pile increases,theultimatebearingcapacityofthemicrosteelpipepileincreases correspondingly, and d/D of 0.4 and 0.72 are the critical values for the significant change in the ultimate bearing capacity of the pile. Pile failure is mainly caused by three kinds of failure modes steel tube buckling failure, joint failure of steel tube and outer slurry, and steel tube outer slurry failure. The ulas for calculating ultimate bearing capacity of micro steel tube piles under different failure models are given. The ultimate load value of the pile increases linearly, while the axial load and axial strain curve of the pile gradually develops from the softening characteristics when the wall thickness is small to the ideal plasticity and hardening characteristics; as the pile length increases, the ultimate bearing capacity of the pile first appears very slowly decreasing trend, when H/D 4, the ultimate bearing capacity of micro steel pipe piles decreased significantly; the increase of grout compressive strength under the same pile diameter had no obvious effect on the bearing capacity of micro steel pipe piles. Further, using the previous research results and IV combining typical geological conditions in Chengde as the engineering background, the pile perance of the micro steel pipe pile under vertical and horizontal loads is simulated based on the displacement loading , and the single pile length L, Factors such as diameter D, group pile spacing S, pile arrangement, and number N of piles affect the mechanical properties of single and group piles. The research results show that the reasonable range of pile length design is between 10-15 m, and the increase of the single pile diameter increases the horizontal bearing capacity of the pile; The distance between piles is S5D, which is the critical distance value where the ultimate load value becomes stable; The pile spacing is between 4-6D, the group pile effect coefficient approaches 1 and the average single pile bearing capacity in the group pile has the largest effect; the average single pile limit of the plum blossom arrangement is relative to the rectangular arrangement; The bearing capacity increases obviously, and the group pile effect is lower; as the number of piles increases, the bearing capacity gradually increases, the ultimate load increases approximately linearly, and the group pile effect becomes more obvious. Key words micro-steel-pipe pile; axial compression test; numerical simulation; load bearing characteristics; roup pile effect V 目录 摘要..................................................................................................................................... I ABSTRACT..........................................................................................................................III 目录....................................................................................................................................V 第一章 绪论......................................................................................................................- 1 - 1.1 本文研究背景和意义.........................................................................................- 1 - 1.2 微型钢管桩的特点及应用.................................................................................- 2 - 1.2.1 微型钢管桩的特点..................................................................................- 2 - 1.2.2 微型钢管桩的应用..................................................................................- 3 - 1.2.3 微型钢管桩的施工工艺..........................................................................- 5 - 1.3 国内外研究现状.................................................................................................- 6 - 1.3.1 国内外研究现状......................................................................................- 6 - 1.3.2 竖向承载力研究......................................................................................- 7 - 1.3.3 水平承载力研究......................................................................................- 9 - 1.4 本文的研究内容与方法...................................................................................- 10 - 1.5 本文的研究思路...............................................................................................- 10 - 第二章 轴载作用下微型钢管桩体体力学特性的试验分析........................................- 13 - 2.1 引言...................................................................................................................- 13 - 2.2 室内模型试验设备...........................................................................................- 14 - 2.2.1 试件制备模具........................................................................................- 14 - 2.2.2 加载平台系统........................................................................................- 15 - 2.2.3 试验数据监测和采集设备....................................................................- 16 - 2.3 室内模型试验材料...........................................................................................- 17 - 2.3.1 试验材料................................................................................................- 17 - 2.3.2 试样制备................................................................................................- 17 - 2.3.3 标准试块加载........................................................................................- 18 - 2.4 模型试验方案...................................................................................................- 19 - 2.5 试验加载过程...................................................................................................- 20 - 2.6 试验结果分析...................................................................................................- 21 - VI 2.6.1 注浆微型钢管桩的钢管直径对轴向承载特性影响............................- 21 - 2.6.2 注浆微型钢管桩试件高度对轴向承载特性影响................................- 22 - 2.6.3 注浆微型钢管桩管壁厚对轴向承载特性的影响................................- 23 - 2.6.4 注浆微型钢管桩浆液水灰比对轴向承载特性影响............................- 24 - 2.7 本章小节...........................................................................................................- 25 - 第三章 注浆微型钢管桩体力学性能的试验与数值分析............................................- 27 - 3.1 引言...................................................................................................................- 27 - 3.2 静载作用下注浆微型钢管桩体力学性能的有限元分析...............................- 28 - 3.2.1 微型钢管桩体材料本构模型及参数....................................................- 28 - 3.2.2 接触关系、单元种类............................................................................- 28 - 3.2.3 有限元数值模拟计算方案....................................................................- 29 - 3.3 试验与数值计算结果分析...............................................................................- 30 - 3.3.1 数值分析与试验结果对比验证............................................................- 30 - 3.3.2 注浆微型钢管桩体 d/D 对微型钢管桩体承载性能的影响................- 31 - 3.3.3 注浆微型钢管桩体长度 H 对其承载性能的影响...............................- 35 - 3.3.4 钢管壁厚 t 对注浆微型钢管桩体承载特性的影响.............................- 36 - 3.4.5 注浆体水灰比对微型钢管桩体承载性能的影响................................- 37 - 3.4 本章小结...........................................................................................................- 38 - 第四章 微型钢管桩单、群桩力学性能的数值分析....................................................- 39 - 4.1 引言...................................................................................................................- 39 - 4.2 工程背景介绍...................................................................................................- 39 - 4.3ABAQUS 简介...................................................................................................- 40 - 4.4 竖向荷载下微型钢管桩桩体力学性能分析...................................................- 41 - 4.4.1 本构模型................................................................................................- 41 - 4.4.2 设置接触................................................................................................- 42 - 4.4.3 材料参数及加载方式............................................................................- 43 - 4.4.4 数值计算模型及布桩形式....................................................................- 44 - 4.4.5 有限元数值模型计算方案....................................................................- 45 - 4.5 数值模拟分析的模型建立与结果分析...........................................................- 46 - 4.5.1 单桩桩长 L 对桩体力学性能的影响....................................................- 46 - 4.5.2 单桩桩径 D 对桩体力学性能的影响...................................................- 50 - 4.5.3 桩间距 S 对群桩承载特性的影响........................................................- 50 - 4.5.4 桩体排布形式对群桩承载特性的影响................................................- 52 - 4.5.5 桩体数量 N 对群桩承载特性的影响................................................... - 54 - VII 4.6 本章小结...........................................................................................................- 57 - 第五章 水平荷载作用下微型钢管桩单、群桩力学性能数值分析............................- 59 - 5.1 引言...................................................................................................................- 59 - 5.2 数值模拟方案...................................................................................................- 60 - 5.3 水平荷载下桩体模型的建立...........................................................................- 60 - 5.4 数值模拟结果分析...........................................................................................- 61 - 5.4.1 桩长 L 对桩体力学性能的影响............................................................- 61 - 5.4.2 桩径 D 对桩体力学性能的影响...........................................................- 63 - 5.4.3 桩间距 S 对群桩承载特性的影响........................................................- 64 - 5.4.4 桩体排布形式对群桩承载特性的影响................................................- 65 - 5.4.5 桩体数量 N 对群桩承载特性的影响................................................... - 66 - 5.6 本章小结...........................................................................................................- 67 - 第六章 结论与展望........................................................................................................- 69 - 6.1 结论...................................................................................................................- 69 - 6.2 本文不足以及展望...........................................................................................- 70 - 参考文献..........................................................................................................................- 71 - 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果..................................................................- 77 - 1.学术论文...............................................................................................................- 77 - 2.科研项目...............................................................................................................- 77 - 3.专利.......................................................................................................................- 77 - 致谢..............................................................................................................................- 79 - VIII 河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 本文研究背景和意义 当前，伴随着中国经济的快速发展，交通基础设施建设取得了不错的发展，尤其 是公路桥梁的修建越来越多，桥梁工程在经济建设和交通运输上的重要地位尤其突 显。截止目前，国内公路桥梁达 77.92 万座，其中中、小跨径普通桥梁占比接近 90， 这标志着我国不仅已成为世界桥梁大国，而且也表明我国桥梁建设技术已进入世界先 进水平行列。目前，桥梁结构及其桥梁基础的稳定性与安全性正日益引起关注，而桥 梁基础设计是确保桥梁安全重要保障，因此，围绕桥梁尤其是中、小跨径桥梁基础的 研究具有重要的意义和现实需要。 考虑到桥梁结构及其墩台传递的荷载、地质条件、水文和施工条件等是影响桥梁 基础设计的重要因素。当前，桩柱式桥墩深基础因其具有强度高和沉降小等特点而被 广泛采用。钻孔灌注微型钢管桩因其施工方便在实际工程中得到了大量应用，目前大 多以边坡抗滑桩和基坑支护为主； 作为桥梁基础的情况， 多以大直径嵌岩灌注桩出现。 对于中小跨径桥梁，且伴随施工作业面积狭小，地处人口密集区，要求对周边环境不 产生较大干扰等问题，此时微型钢管桩基础的优点非常明显，非常适用这些要求。 注浆微型钢管灌注桩是一种微型桩，有时也叫树根桩。20 世纪 50 年代，意大利 的学者 Lizzi 提出了微型桩的概念并将其用于实际工程中[1-2]。日本是在 50 年代中期 引进微型钢管桩，因日本人多地少，地震多发且四周靠海[2]，故沿海软弱地基与人工 围海造地逐渐被开发利用起来， 用来建设各式各样的高大并且抗震的建筑物，而微型 钢管桩正好满足以上功能需求。 钢管混凝土具有承载力高、 塑性和韧性好、 施工方便、 耐火性能好和经济效果好等优点[3-4]。钢管中充填核心混凝土避免了钢管过早屈曲，