基于虚拟嵌固点法计算桩基稳定性的数值分析和模型试验

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目前,有序、合理、综合、高效地开发利用既有建筑物地下空间资源,成为合理扩充基础设施容量,提高城市综合防灾能力,节约土地资源的最为有效的途径之一。在既有建筑物下方建造地下室,需要利用原桩基或者增设新的桩基承担上部结构荷载,再开挖土方。随着桩周土减少,桩基逐渐暴露,这不但影响桩侧摩阻力,还会导致桩的屈曲稳定性明显下降。所以,开展既有建筑桩基在桩周土开挖条件下稳定性的研究尤为重要。本文利用虚拟嵌固点法提出了桩入土深度部分处于嵌固、未嵌固和半嵌固三种状态下受压计算长度公式。并利用数值分析和试验研究的方法验证公式的可靠性:首先,利用ANSYS有限元软件分析特定开挖深度下混凝土方桩随入土深度增加,其稳定性系数的变化规律;其次,进行钢管桩的模型试验,得到不同回转半径的钢管桩在某一开挖深度下的屈曲极限荷载和稳定性随入土深度增加的变化规律。将数值分析和试验结果与公式计算值相比较。结果表明:开挖深度一定时,随入土深度的增加,桩的稳定性系数在软土中逐渐减小,在硬土中却稍有增大,但二者的稳定性系数均趋于定值,这时便可认为入土深度达到其临界嵌固深度,与《港口工程桩基规范》提出的4T值接近。虚拟嵌固点法充分考虑了桩端约束、桩本身和桩周土体等参数对桩基础稳定性的影响,尤其是桩的入土深度对计算长度系数和等效桩长的修正,更符合桩的实际受力状态。数值分析方法和模型试验较好的印证了本文提出的虚拟嵌固点法计算公式的可靠性,也为此公式在地下空间开发利用工程实际中的应用提供理论基础。针对实际工程中,桩长不变,桩周土开挖深度增加的特点,利用ANSYS有限元软件模拟其稳定性的变化规律。结果表明:开挖深度越大、桩顶约束越弱、桩周土水平反力系数越小、桩径越小时,桩基的稳定性系数越小。同一开挖深度下,桩顶、桩身设置水平支撑比桩顶自由的桩基稳定性提高2-3倍。在竖向荷载不变时,增加水平荷载,桩基稳定性明显下降,且随开挖深度的增加,稳定性下降的幅度增大,但水平支撑可有效抵抗水平荷载。在偏心距增大时,相同开挖深度下桩基的稳定性系数明显降低。数值分析结果与虚拟嵌固点法计算值进行比较,二者趋势一致,且数值相差不大。
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