缩径(承台)单桩竖向承载力可靠度及抗力分项系数研究

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由于施工技术、混凝土和易性差、地下水等不利因素的影响,桩基础在施工和使用中易产生缩径缺陷,影响其竖向承载力和可靠度指标,导致实际桩的承载力与设计值出现偏差。目前上部结构设计已采用基于可靠度的概率极限状态设计法。然而,作为下部结构,尤其是桩基工程设计仍采用传统的安全系数设计法。为了与上部结构的可靠度设计方法相统一,研究缩径(承台)单桩的竖向承载性能、可靠度指标和抗力分项系数,科学合理的评价桩基安全尤为重要。因此,本文依托国家自然科学基金项目“缩径桩桩-土相互作用的透明土试验分析及缩径对承载力可靠度影响研究”(No.51978247)和河南省省重点研发与推广专项(科技攻关)“缩径缺陷桩桩-土-承台相互作用的透明土模型试验研究”(No.202102310242),系统的研究了缩径(承台)单桩竖向承载力和承载力可靠度指标,给出了抗力分项系数的建议值。主要内容如下:(1)通过透明土室内模型试验,对2组完整(承台)单桩和54组缩径(承台)单桩进行竖向分级加载,试验结果表明:缩径会改变桩的承载力,且增大桩顶沉降值;随着缩径径向尺寸减小,承载力随之减小;随着缩径轴向尺寸增大,承载力随之减小;缩径位置对无承台单桩和带承台单桩承载力的影响存在明显差异,对于无承台单桩,缩径位置对承载力影响程度为中部缩径>浅部缩径>深部缩径,而对于承台单桩,影响程度为浅部缩径>中部缩径>深部缩径。(2)基于承载力试验结果,分析了桩承载力折减系数的变化规律。在此基础上,利用全概率计算公式,推导出含有缩径(承台)单桩的承载力可靠度指标计算公式。结合工程实例,分析了缩径参数(位置、径向尺寸和轴向尺寸)对可靠度指标的影响规律。研究结果表明:缩径参数对承载力折减系数和可靠度指标的影响规律相同,随着缩径径向尺寸的减小而减小,随着缩径轴向尺寸的增大而减小,随着缩径位置的加深而减小。缩径使承载力折减系数减小,进而导致承载力可靠度指标降低,但对于部分含中部缩径的无承台单桩,其折减系数和可靠度指标出现了突增,究其原因是缩径产生的阻力导致其竖向承载力增大。(3)基于可靠度指标计算结果,利用全概率公式,推导出了含有缩径的(承台)单桩承载力目标可靠度指标,通过实例分析了缩径对承载力目标可靠度的影响规律。研究结果表明:缩径桩的目标可靠度指标随着缩径径向尺寸的增大和缩径轴向尺寸的减小而增大。缩径位置对可靠度有显著影响,随着缩径距离桩顶越远,目标可靠度指标越大。对于浅部缩径单桩和缩径程度较大的中部缩径单桩,其目标可靠度小于3.0,桩基安全性较低;而对于其他的缩径桩,虽然目标可靠度大于3.0,但仍存在安全隐患。(4)基于目标可靠度指标的计算结果,利用一次二阶矩法,给出了考虑缩径缺陷影响的抗力分项系数的计算公式,结合实例分析,研究了缩径参数及荷载比对抗力系数的影响,给出了抗力系数建议值。研究结论如下:抗力系数随着缩径径向尺寸的减小、缩径轴向尺寸的增大以及缩径位置的加深而增大,且三者对于抗力系数的影响程度依次为缩径径向尺寸>缩径轴向尺寸>缩径位置;抗力系数随着荷载比的增大有小幅度的减小,且荷载比对抗力系数的影响程度小于缩径;最后,根据抗力系数计算结果,给出无承台单桩和承台单桩的抗力分项系数建议值,为桩基工程相关规范的修订和完善提供一定的理论支持。
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