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原文传递拔桩过程中桩土力学响应的试验与数值模拟研究

论文题名：	拔桩过程中桩土力学响应的试验与数值模拟研究
关键词：	桥梁施工;支护拆除;拔桩过程;桩土力学响应
摘要：	随着我国城镇化建设的快速发展，桥梁工程建设亦是如火如荼地进行，在桥梁施工中需打设钢管桩作为临时支撑，配合脚手架、贝雷梁等形成临时支撑体系。桥梁施工完成后，需要拆除临时支护体系，对于上部的贝雷梁和满堂支架等构造来说较易拆除，但是下部的钢管桩却较难拔除。传统的方法需要潜水员到水下切割河床以上的钢管桩，河床下的钢管桩就面临废弃或者遗留的问题。为了体现资源节约型和环境友好型社会的构建理念，拔除遗留的钢管桩就显得尤为迫切，这也是推广施工材料、废旧材料再生和综合利用的要求，更是推动绿色发展、坚持节约优先、全面提高资源利用效率的迫切要求。　　本文以建宁大桥拔桩项目为工程背景，通过室内试验和数值模拟的方法，进行了拔桩时桩土作用的系列问题的研究，揭示了拔桩时周围土体响应机理，发现了拔桩时桩土变化的规律，具体主要研究内容如下：　　（1）提出了桩土接触面粗糙度的评定方法，采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）材料并利用3D打印技术打印出6种不同粗糙度的试块。通过系列直剪试验确定桩土接触面的力学参数，为数值模型的建立提供了数据支持。　　（2）结合不同粗糙度直剪试验结果，对土体细观参数进行了标定并构建了不同粗糙度直剪数值模型，系统的阐述了接触面处的位移-应力曲线、损伤演化、力链演化、剪切带、配位数和孔隙率等宏、细观力学参数变化机理。结果表明：各参数可以有效反映接触面破坏的宏、细观机理，且各剪切阶段响应一致。　　（3）基于直剪试验结果，利用相似理论建立了室内缩尺静力、动力拔桩试验模型，同时对待拔桩、土体的系列参数进行了监测和分析，讨论了不同桩径、桩长和埋置深度下的拔桩影响、桩身轴力分布、土压力分布、上拔力对比等，初步确定了静力、动力的拔桩力以及拔桩时的影响区域。结果表明：动力拔桩的影响区域大于静力拔桩，且动力拔桩利于待拔桩的顺利拔出。　　（4）基于缩尺静力拔桩试验，构建了静力拔桩数值仿真离散元模型，同时对比了室内试验、二维模型和三维模型，验证了数值模型的准确性。考虑不同拔桩高度时的土体应力变化、颗粒位移变化、速度变化、配位数和力链等宏、细观参数的影响。结果表明：拔桩时对桩侧的影响范围在3倍桩径左右，对桩底的影响范围在3～4倍桩径。　　（5）基于缩尺动力拔桩试验，构建了动力拔桩数值仿真模型，选择特定区域土体对比室内试验与数值模型，验证了数值模型的准确性。从细观角度出发分析了不同振动荷载下不同拔桩高度时的土体动力响应。结果表明：从桩顶到桩底的响应曲线也符合“倒锥形”传递的特点。桩顶土体破坏显示，桩顶颗粒随着拔桩高度的增加出现隆起，裂缝呈放射状并沿着桩身向四周不断扩散。在动力拔桩过程中6倍的桩径范围内会对周围区域产生较大影响，10倍区域范围之外影响较小。　　为了研究拔桩的系列问题，采用桩土接触面直剪试验、静力拔桩试验和动力拔桩试验测定桩土相关力学参数，以此为基础建立了桩土接触面数值直剪模型、静力拔桩数值模型和动力拔桩数值模型，得到了相应的宏、细观参数，为判断拔桩影响区域提供了理论和数据基础。本研究也可为海洋平台拔桩、废弃建筑拔桩等类似项目提供相应借鉴。
作者：	孙亭亭
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	杨吉新
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021