自然科学基金申请书模板

申请书正文:
1．项目名称
****机理研究
3．本项目研究目标，及其与申请者研究工作长期目标的关系
3.1 总体目标
本项目旨在研究欠固结土中密集群桩的土拱效应及其对群桩负摩擦力的影响，通过解析、数值模拟、模型试验方法研究欠固结饱和软土地基中的群桩土拱产生机制，研究土拱的几何和力学特征，分析土拱对群桩负摩擦力的影响，从而揭示群桩负摩阻力的内在机理，为滩海围垦软土地基中群桩的设计与使用提供理论指导。

3.2 具体目标
(1) 掌握群桩的土拱产生机制和力学分析方法，为欠固结土中群桩的土拱效应存在及其作用机理提供理论依据。

(2) 掌握群桩的土拱效应数值分析方法，实现欠固结软土地基中群桩土拱效应及其对群桩负摩擦力的影响的数值模拟。

(3) 掌握土拱存在的试验证据及群桩负摩阻力的分布，为欠固结软土地基中群桩土拱效应分析和负摩阻力计算提供试验验证资料。

3.3 与申请者研究工作长期目标的关系
本项目申请人长期从事桩土相互作用的理论与应用研究，研究工作的长期目标是研究和发展适于滩海工程的桩基及相应的计算理论，而本项目的研究重点—群桩土拱效应与负摩阻力机理研究是滩涂围垦区欠固结地基中桩土相互作用理论中基础规律研究的重要内容之一，与本项目组长期目标有着密切的联系。

4．项目研究内容、研究方案和进度安排
4.1 项目研究内容
本项目主要研究欠固结软土地基中群桩土拱效应机理及其对群桩负摩阻力的影响，研究内容包括欠固结土中群桩的土拱产生机制、群桩的土拱效应数值模拟及其对群桩负摩阻力遮拦效应的影响、欠固结土中群桩土拱效应与负摩阻力模型试验研究三部分，详述如下：
(1) 欠固结土中群桩的土拱产生机制及其形成条件研究。

由于桩土间存在相对位移，当土层沉降大于桩的沉降时，表现出负摩阻力特征，土体调动自身抗剪强度抵抗这一不均匀沉降，桩土界面构成摩擦拱脚，形成土拱。

通过分析欠固结土中土拱的成拱机制，采用弹性理论结合极限平衡法建立土拱的力学模型，确定土拱的拱脚随欠固结土固结沉降发展而产生的位置变化关系，进而确定土拱的拱形和拱体参数，并分析群桩的桩间距、桩径、桩土摩擦角、粘聚力、中性点变化等对于土拱的影响。

(2) 群桩的土拱效应数值模拟及其对群桩负摩阻力遮拦效应的影响。

采用Abaqus有限元分析软件建立3×3群桩的三维有限元计算模型，桩为弹性体，土体为饱和多孔介质，上下端面排水，本构关系服从摩尔库仑准则，考虑桩土的滑移作用，界面采用库仑摩擦模型，计算群桩的负摩阻力分布、应力场和位移场，分析土拱效应的产生条件及相关参数对土拱效应的影响，并对群桩的负摩擦力遮拦效应进行相关分析，揭示土拱效应对群桩负摩擦力的影响，分析土层固结对负摩擦力的时间效应。

(3) 欠固结土中群桩土拱效应与负摩阻力模型试验研究。

欠固结土中群桩模型试验采用3×3群桩试验，通过桩身应变、桩顶位移、土层位移、桩端压力、土层内部压力和孔压测试，总结桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递特性，分析不同位置桩（角桩、边桩和中心桩）的负摩擦力及其时间效应，验证群桩的土拱效应和遮拦效应。

4.2 研究方案
4.2.1 研究方法
本研究通过解析、数值模拟、物理模型试验方法开展饱和欠固结地基中群桩的土拱效应和负摩擦力研究。

4.2.2 技术路线
项目研究的基本技术路线如图1示意，其中包含理论分析、数值计算和模型实验三部分，具体技术路线详述如下，其中实验技术在4.2.3节实验手段中详细说明。

图1 项目研究的技术路线示意图
具体技术路线依次是：首先通过解析方法建立欠固结软土地基中群桩土拱效应的力学模型，阐明欠固结土中群桩土拱的存在机制，而后通过数值模拟法建立欠固结土中群桩三维有限元模型，计算群桩的应力场、位移场和负摩擦力分布，揭示土拱效应机理及其对负
摩擦力的影响，最后通过群桩模型试验，测试群桩在桩周固结沉降时土中应力、位移、孔压和桩身负摩阻力的变化规律，并通过与理论分析和数值模拟结果进行对比，验证群桩土拱效应的存在和负摩阻力分布规律。

4.2.3 实验手段
本项目模型试验研究主要测试群桩的土拱效应存在的证据和负摩擦力分布，采用3×3群桩模型。

实验装置示意图如图2所示。

通过自制模型试验装置，开展欠固结土中群桩在土层固结条件下的负摩擦力试验，采用位移计和沉降标尺测试群桩的桩顶沉降、土层沉移，采用应变仪测试桩身应变，并转换桩身轴力和桩侧摩阻力，采用薄膜压力测试系统测试桩端压力和土层内部土压力分布，采用微型动态孔压测试系统测试土中孔压变化，观测和分析群桩土拱效应和群桩的负摩阻力的遮拦效应。

图2 模型实验研究的试验系统示意图（单位：mm）
4.2.4 关键技术
(1) 欠固结软土地基中群桩的土拱效应简化模型的建立是群桩的土拱效应存在的力学机制，是本项目的关键技术之一，拟通过弹性理论分析和极限平衡理论解决。

(2) 欠固结土中群桩的三维有限元分析中，桩土接触面模型处理是数值计算的关键技术之一，拟通过abaqus软件中的库仑摩擦接触单元进行模拟，施加限定位移保证收敛。

(3) 欠固结土中群桩模型试验的土拱效应的实验依据是本项目的关键技术之一，拟通过桩周土中应力、位移和孔压测定来间接验证土拱的存在。

4.3 进度安排
本研究拟用2年时间完成，具体进度安排如下：
2012.01-2012.04 查阅国内外研究资料，完成必要的调研工作，制订详细的项目研究实施计划，完成试验方案设计。

2012.05-2012.09 完成欠固结软土地基中群桩模型试验，掌握群桩的桩侧摩阻力变化规律，掌握群桩的土拱效应及其对桩周摩阻力的影响。

2012.10-2012.12 完成群桩的土拱效应理论分析工作，掌握欠固结土中群桩的土拱力学机制。

2013.01-2013.08 完成群桩的土拱效应和负摩阻力的三维有限元分析工作。

2013.09-2013.12 完成群桩理论、数值和模型试验验证工作，成果发表，编写项目总结报告。

5．项目创新之处
与以往的研究成果相比，本项目通过建立欠固结土中群桩的土拱效应机制及负摩阻力机理研究，提出欠固结软土地基中群桩在土层固结沉降时存在土拱效应，并对土拱效应的产生机制从力学分析、数值模拟和模型试验三个方面进行验证，因此欠固结土中群桩土拱
效应假说与证明是本项目的特色和创新之处。

6．工作基础与工作条件
6.1、工作基础
项目申请人和项目组主要成员长期从事桩土相互作用理论方面的研究，对桩土相互作用理论的发展前沿有着较深的研究和较高的把握度。

项目申请人与主要成员主持和参加过多项省部科研项目的研究工作，已在国内外重要刊物上发表相关论文30余篇，其中SCI/EI 收录20余篇，具备良好的前期基础工作。

项目组主要成员由具有高级职称、博士、硕士学位的中青年研究人员组成，具有较强的科研进取精神、创新能力和良好的团队合作意识，在岩土工程技术、桩土相互作用理论、模型试验方面有着丰富的经验，为本项目的顺利完成提供了重要的基础和技术保证。

6.2、工作条件
6.2.1 已具备的条件
项目承担单位在本学科建设上提供了相当的便利条件，拥有土工实验室、结构实验室等，其设备及试验人员的配备能够满足本项目研究工作的需要。

实验室拥有先进的静动态电液伺服加载系统，可以为基桩试验提供加载反力装置和控制系统。

具备薄膜压力测试系统、微孔压测试系统、静态电阻应变仪等其他各种岩土工程试验和检测设备，为本项目的试验研究提供了便利的硬件条件。

若本项目获得省基金委的资助，项目承担单位还将为本项目提供配套资金，为项目的开展奠定了良好的资金基础。

6.2.2 尚缺少的实验条件和拟解决的途径
本项目将建立模型试验槽，用于模拟群桩模型试验。

本项目拟在得到资助后，自行设计加工一套群桩试验槽（实验装置示意见图2）。

7．预期研究结果、利用研究结果计划和今后发展思路
7.1 预期研究成果
项目实施后将揭示欠固结土中群桩的土拱效应及负摩阻力机理研究，研究成果可以为欠固结软土地基中采用密集群桩施工提供理论指导。

项目预期获得的知识产权成果如下：
(1)学术论文：完成EI检索论文不少于3篇。

暂定名为“欠固结软土地基中群桩的土拱效应及其机理分析”、“欠固结软土地基中群桩的土拱效应数值模拟”、“欠固结软土地基中群桩的土拱效应模型试验研究”。

(2)专利：申请发明专利1项，暂定名“一种欠固结软土中群桩负摩擦力的预测方法”。

7.2 研究成果利用
本项目的密集群桩对于消除欠固结土中桩侧负摩阻力具有明显的作用，研究成果可以为欠固结软土地基中采用密集群桩施工提供理论指导，项目研究期间将尝试与企业单位合作开展现场试验，积极推动密集群桩技术在滩涂围垦工程中的应用。

7.3 今后发展思路
本项目若能获得省自然基金的资助，申请人在保质保量按时完成拟定研究内容的同时，将基于本项目的研究成果，积极争取国家自然基金项目，继续开展以下两方面研究：
(1) 欠固结软土地基中考虑承台作用的群桩土拱效应与负摩阻力研究。

(2) 欠固结软土地基中密集群桩的时效设计理论及其关键技术研究。