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原文传递深厚软土地区高速铁路桥梁桩基工后沉降特性研究

论文题名：	深厚软土地区高速铁路桥梁桩基工后沉降特性研究
关键词：	深厚软土地区;高速铁路;桥梁桩基;工后沉降;数值模拟
摘要：	高速铁路桥梁桩基的工后沉降直接影响到高速铁路线路的平顺性及安全运营，其控制效果的优劣甚至从某种程度上决定了高速铁路建设的成败。由于桩基沉降计算理论自身的不足，加之计算参数难以准确选取，往往导致桩基沉降量的计算值与实测值存在较大的差异。尤其是深厚软土桩基的工后沉降，目前还没有一套完整而又实用的计算方法，现行各种设计规范也只是对工后沉降及不均匀沉降的控制标准作了规定。桥梁桩基的工后沉降是桩、承台、地基土相互作用的长期变形协调体系，一直是岩土工程领域最为棘手的问题之一，其理论研究远落后于工程应用。本文结合原铁道部科技研究开发计划重点项目和上海铁路局科研计划项目，采用现场监测、室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法，针对深厚软土地区高速铁路桥梁桩基的长期（工后）沉降与承载特性开展研究。主要工作有: 　　(1)通过室内试验，掌握深厚软土地区软黏土的基本物理力学特性。通过长期蠕变试验，研究软黏土的蠕变特性。结果表明，该软黏土存在明显的蠕变效应，Koppejan蠕变模型能较好地描述其蠕变特性。　　(2)基于分层总和法，采用应力比法确定压缩层厚度，使用Koppejan蠕变模型构建桩底土层的应力～应变～时间关系，建立考虑蠕变效应的桥梁桩基工后沉降计算方法。以该方法为基础编制计算程序CPPS-Ⅰ，计算了典型桥墩的工后沉降，计算结果表明，该计算方法能较好地计算深厚软土桥梁桩基的工后沉降，且假设合理，方法简便，参数物理意义明确，通过简单的土工试验即可确定。使用CPPS-Ⅰ程序分析了地基土主、次固结系数、桩端持力层、架梁后预压时间对深厚软土地区高速铁路桥梁桩基工后沉降的影响。　　(3)以剪切位移法为基础，使用Burgers模型描述桩周土和桩底土的蠕变特性，考虑群桩桩间“束缚”作用，提出了基于Burgers模型的桥梁桩基长期沉降计算方法。以该方法为基础编制计算程序CPPS-Ⅱ，计算了典型桥墩的长期沉降、工后沉降。计算结果表明，该方法能较好地计算深厚软土桥梁桩基的长期沉降和工后沉降。使用CPPS-Ⅱ程序对桩侧土和桩底土的Burgers模型进行了参数敏感性分析，结果表明，桩侧土Maxwell体粘滞系数对桩基工后沉降的影响最大。使用该方法探讨了不同桩端持力层、桩间距、桩数和架梁后预压时间对深厚软土地区高速铁路桥梁桩基长期变形的影响。　　(4)对Koppejan蠕变模型进行改进，采用增量形式描述应力～应变～时间之间的关系，构建了基于改进Koppejan蠕变模型的黏弹塑本构模型。以该模型为基础，使用ABAQUS的UMAT子程序二次开发了软土蠕变本构模型。分别采用一维蠕变试验、三轴蠕变试验和桩基长期沉降算例对改进Koppejan蠕变模型进行了验证。结果表明，改进Koppejan蠕变模型能较好地描述软土的蠕变特性，基于此模型二次开发的ABAQUS黏弹塑本构模型能够用于深厚软土地区高速铁路桥梁桩基长期沉降的数值模拟分析。　　(5)以Goodman接触单元的非线性弹性本构关系为基础，推导了接触面弹-黏塑本构模型，使用ABAQUS的FRIC子程序二次开发了接触面弹-黏塑摩擦模型。采用接触面剪切试验对模型的合理性进行验证，结果表明:接触面弹-黏塑本构模型能够较好地描述接触面的流变本构关系，基于此模型二次开发的ABAQUS接触面弹-黏塑摩擦模型能够用于深厚软土桩基工程的数值模拟分析。　　(6)对杭甬铁路客运专线2个工点4个典型桥墩在桥梁施工期和运营阶段的桩身应变、桩身压缩量、桩端下土压缩量、桩间土压缩量等进行了长期现场监测，揭示了深厚软土地区高速铁路桥梁的桩身压缩量、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端土压缩量、桩间土压缩量随时间的变化规律。　　(7)借助ABAQUS有限元分析软件，地基软土和桩土接触面分别使用二次开发的改进Koppejan蠕变本构模型、接触面弹-黏塑本构模型，建立杭甬铁路客运专线柯桥特大桥328＃桥墩和宁波特大桥667＃桥墩桩基的三维有限元分析模型，模拟实际施工过程，分析了两个典型桥墩桩基的工后沉降量、桩身轴力、桩侧摩阻力随时间的变化规律，揭示了深厚软土地区高速铁路桥梁桩基的长期沉降发展规律和桩基内力随时间的发展情况。使用宁波特大桥667＃桥墩有限元分析模型，研究了不同上部荷载、桩长对桩基长期沉降和桩基承载特性的影响。　　(8)基于全文研究成果，提出了深厚软土地区高速铁路桥梁桩基工后沉降控制措施和建议，为深厚软土地区高速铁路桥梁桩基的设计和施工提供参考。
作者：	冯胜洋
专业：	土木工程
导师：	魏丽敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文