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工学硕士学位论文

多年冻土区竖向荷载作用单桩
变形和承载力研究

硕士研究生: 孙雨洋
导师: 徐学燕教授
申请学位: 工学硕士
学科: 岩土工程
所在单位: 土木工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TU475+.2
: 624

Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON DEFORMATION AND BEARING
CAPACITY OF SINGLE PILE UNDER VERTICAL
LOAD IN PERMAFROST REGION

Candidate: SUN Yuyang
Supervisor: Prof. XU Xueyan
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Geotechnical Engineering
Affiliation: School of Civil Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
目前,在多年冻土地区进行基础设施建设的规模与复杂程度日益加大,桩基
础以其具有较高承载力及对周围冻土较小的热扰动等优点在工程中的应用屡见不
鲜。
尽管人们在非冻土区对桩基有很深厚的实践积累,但是在多年冻土区由于桩
基周围冻土性质的复杂性及设计理论的不完善,不可避免的提出了许多新的科学
问题。本课题以塔河-漠河输电线路新建工程为背景,对桩基在多年冻土中的承载
性能、静载荷试验标准、破坏模式进行了系统研究。
首先,研究桩基承载性能的最可靠方法是静载荷试验法,为此进行了现场灌
注桩原位静载荷试验。在对试桩进行静载荷试验的同时对桩周冻土的温度与桩基
施工前场地冻土的温度进行对比,从而判断桩周冻土是否回冻。两个批次(桩周
冻土回冻前和桩周冻土回冻后)的原型试验得到的桩顶荷载位移曲线均为缓变型、
桩顶沉降与时间对数关系曲线也没有发现陡降段。其中 5# 试桩桩顶荷载为 2000kN
时,桩顶沉降仅为。
其次,采用英国进口的核磁共振分析仪对取自漠河地区原状冻土(共 4 层)
的未冻水含量进行室内实验。在实验时通过采用氮气加压模拟每层原状冻土受到
的自重压力,得到了每层原状冻土在自重压力下温度与未冻水含量的关系。然后
建立了冻土弹性模量与未冻水含量的关系。室内实验的结果为后续数值计算提供
基础参数。
第三,采用 ABAQUS 软件对现场灌注桩原型试验中的 5# 试桩进行了三维有
限元数值计算模拟,并将数值计算结果与原型试验进行对比分析。然后通过改变
桩长、桩径、桩体模量、桩体泊松比、桩端持力层内摩擦角、桩端持力层粘聚力、
桩端持力层未冻水含量等参数获得各种工况下(共计 29 种工况)桩的荷载位移曲
线,提出了影响多年冻土区桩基承载性能的主要因素。
最后,由于锚桩钢筋被拉断,静载试验没有达到破坏状态,对 5# 试桩继续加
载直至达到破坏,结果证明按照现行规范中静载荷试验沉降变形为 40mm 确定桩
基极限承载力的方法存在问题。根据单轴抗压强度试验值与数值计算相结合提出
多年冻土区桩基静载荷试验确定极限承载力的沉降变形值应与冻土温度相匹配,
并肯定小于 40mm。接着分析了桩基在桩端冻土温度为-2℃和-6℃时的破坏模式。
研究结果表明:桩基在多年冻土中的破坏模式是三轴压-剪破坏。

关键词:多年冻土;静载荷试验;未冻水含量;沉降变形标准;破坏模式
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
As the scale plexity of the infrastructure construction is growing, pile
foundation is widely used in projects in permafrost region because its high bearing
capac