循环荷载下基于薄层边界面模型的桩土界面特性分析

摘要

竖向循环荷载作用下桩土界面的力学特性对桩土相互作用及桩基应力变形有着决定性的影响，桩基与桩周土的相互作用从根本上归结于土-结构接触面问题。接触面问题历来是岩土领域的研究重点之一，如何全面准确地反映出循环荷载作用下接触面复杂的力学特征和体变规律对解决土与结构相互作用问题至关重要。通过采用更精确的接触面模型可以更好地揭示桩基应力变形特征。
　　本文对现有的薄层界面边界面模型进行修正，使其能够在加、卸载过程中对应变硬化和软化特征都能适用;采用该模型建立循环荷载下的隐式迭代算法，考虑CNL和CNS边界条件，在单调和循环荷载作用下对砂土进行数值剪切试验;将薄层界面边界面模型作为荷载传递函数引入到桩基的承载性状分析中，建立简化的单桩数值分析模型，研究桩在循环荷载作用下的承载性状;对循环荷载下考虑该薄层界面边界面模型的桩基有限元分析做了初步尝试，借助于ABAQUS所提供用户子程序接口UINTER，编制了薄层边界面模型隐式算法迭代程序，探讨UINTER子程序在桩-土接触面问题上的适用性，通过与Goodman接触单元和库伦摩擦接触的对比分析，进一步说明各种模型的特点。
　　主要结论如下:
　　(1)经修正后基于土体状态参数建立的薄层边界面模型，能够描述循环荷载作用下土-结构接触面包括硬化软化特征以及法向切向耦合特性在内的复杂的应力应变关系。
　　(2)土-结构接触面在循环荷载作用下，在总体上，循环剪应力随着循环次数而不断减小最后保持稳定，累积体积变形随循环次数不断增加，但增长速率减小且最后以体缩为主;在每一次循环中体缩、体胀交替出现，而体缩体胀的相对趋势受到各因素的影响。
　　(3)桩土接触面和土-结构接触面的力学特性和体变规律及各因素对其的影响类似;桩侧摩阻力的退化与加载水平、法向应力、初始孔隙比、相对粗糙度有着密切关系;循环应力历史通过不断改变土体的初始应力状态继而影响了后继加载性能。
　　(4)借助于ABAQUS的二次开发平台UINTER，可以实现接触面自定义的本构模型在ABAQUS有限元中的应用;ABAQUS软件默认使用的库伦摩擦接触模型在描述摩阻力与位移的关系时过于简单。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 循环荷载作用下的土-结构接触面研究进展

1．2．1 试验技术

1．2．2 本构模型

1．2．3 数值模拟

1．3 竖向循环荷载作用下桩土界面特性研究进展

1．4 本文主要工作

2 土-结构接触面边界面模型

2．1 引言

2．2 边界面模型的基本理论

2．3 薄层边界面模型

2．3．1 临界状态线以及状态参数

2．3．2 剪胀方程

2．3．3 屈服函数

2．3．4 本构方程

2．4 模型参数的确定

3 循环荷载下土-结构接触面力学特性分析

3．1 引言

3．2 接触面边界面模型程序算法

3．3 单调荷载下接触面力学特性分析

3．3．1 恒定法向应力边界：CNL

3．3．2 恒定法向刚度边界：CNS

3．4 循环荷载下接触面力学分析

3．4．1 接触面及模型参数介绍

3．4．2 恒定法向应力边界：CNL

3．4．3 恒定法向刚度边界：CNS

3．4．4 循环剪应力的弱化分析

3．5 本章小结

4 竖向循环荷载下桩土界面性状分析

4．1 引言

4．2 竖向循环荷载下单桩简化分析方法

4．2．1 模型介绍及基本假定

4．2．2 分析内容及程序流程

4．3 竖向单调荷载作用下桩-土界面特性模拟

4．3．1 计算模型及界面参数

4．3．2 计算结果与讨论

4．4 竖向循环荷载作用下桩-土界面特性模拟

4．4．1 计算模型及界面参数

4．4．2 计算结果与讨论

4．5 竖向循环荷载作用下桩侧摩阻力的退化分析

4．5．1 计算模型及界面参数

4．5．2 桩侧摩阻力的退化效应分析

4．5．3 初始孔隙比对桩侧摩阻力退化效应的影响

4．6 桩-土界面的后循环响应分析

4．6．1 循环荷载幅值对后循环响应的影响

4．6．2 循环加载次数对后循环响应的影响

4．7 本章小结

5 考虑接触面模型的单桩有限元模拟

5．1 ABAQUS及用户界面子程序介绍

5．1．1 ABAQUS简介

5．1．2 ABAQUS用户子程序：UINTER

5．2 UINTER算法流程介绍

5．3 桩-土接触面的模拟分析

5．3．1 有限元模型的建立及参数取值

5．3．2 采用TIBM模型计算结果分析

5．3．3 采用Goodman单元和库伦摩擦接触面模型的有限元分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历