水位升降对黄泛区刚性桩复合地基承载性状的影响研究

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黄泛区粉土具有粉粒含量高、级配不良、颗粒磨圆度高等特点,在实际工程当中,按照现行规范的压实方法难以形成结构密实的土体,且压实后的土体内毛细孔隙发达,利于水分运移。刚性桩复合地基因其处理深度大、承载力高、工期短和工程造价低等优点,在黄泛区中房屋以及基础设施建设(例如公路、铁路路基)具有广泛应用。现有刚性桩复合地基基于饱和土理论进行分析,未考虑水位变化以及饱和度变化对既有复合地基承载性状的影响。而在实际工程中,绝大部分土体均处于非饱和状态。此外,地下水位的不合理开采将导致地下水位的下降,而季节性降雨增多、地下水位开采量减小以及河流湖泊对地下水位的补给作用等因素都会造成地下水位的上升。由于黄泛区粉土的土体工程性质受含水率的影响较大,采用传统饱和土力学理论分析其土体的承载变形必然产生较大误差,因此需引入非饱和土理论对黄泛区刚性桩复合地基承载性状进行研究。地下水位变动引起土体含水率以及土体内部孔隙结构的改变,进而造成土体压缩模量以及桩土界面强度参数的弱化,桩间土在上部荷载作用下产生沉降,桩土相对位移增大,桩身承担负摩阻力增大,桩身各节点轴力增大,桩身强度的安全裕度降低,诱发工程问题。然而目前该地区针对刚性桩复合地基的设计和安全评估未考虑该粉土的特殊性质以及地下水位循环升降因素对黄泛区刚性桩复合地基长期承载性状影响,因而存在巨大安全隐患。本研究以黄泛区刚性桩复合地基为研究对象,通过室内实验和理论分析相结合的方法,考虑基质吸力对黄泛区粉土压缩模量及桩-粉土界面剪切强度的影响,提出基于桩土变形协调的复合地基沉降计算方法。具体研究成果如下:(1)正常使用荷载条件下,随着地下水位的上升,桩端土和桩间土体由非饱和状态转为饱和状态,桩周土的压缩模量和抗剪强度参数均发生弱化,桩周土在地下水上升以及上部荷载共同作用下发生整体沉降。由于褥垫层调节桩和桩间土荷载分配,桩顶上刺入量增大,桩承担荷载增大,桩间土承担荷载减小,复合地基总体沉降量增大。随着水位循环升降次数的增多,复合地基持续产生沉降,且沉降均为不可恢复的塑性沉降。(2)在除去第一水位上升过程的水位循环升降过程中,由于水位升降引起土体有效应力发生周期性变化,进而引起桩和桩间土承担荷载发生周期性变化。水位上升引起土体有效应力减小,土体发生略微回弹,桩顶上刺入量减小,桩间土承担荷载略微增大,桩承担荷载略微减小,桩土应力比减小,桩身轴力减小。水位下降引起土体有效应力增大,桩间土在上部荷载和水位下降共同作用产生沉降,桩间土承担荷载减小,桩承担荷载增大,桩土应力比增大,且桩土相对位移增大,桩身轴力增大。(3)建立基于荷载传递法的刚性桩复合地基沉降计算方法,引入更符合实际工况的侧阻软化模型计算桩侧摩阻力,并考虑基质吸力对土体压缩模量和桩土界面剪切强度参数的影响,扩展了该方法的适用范围,并通过室内模型试验结果验证本方法的准确性。
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