沉桩挤土的球形孔扩张理论研究及其数值模拟分析

摘要

近年来，如何准确获取静压桩贯入土体的桩-土作用机理是学者们研究的热点课题，其中，球形孔扩张理论是热点之一，但由于沉桩挤土规律复杂、多变、且影响因素繁多，因此，对静压桩贯入问题的研究还存在诸多问题。例如，球形孔扩张理论研究的前提条件不够完善，数值模拟考虑的外在因素也并不全面等等。为了弥补和完善沉桩机理的这些不足，本文做了如下工作：
　　1）针对扩孔模型破坏区，考虑超固结粘土应变软化效应的影响，推导了扩孔破坏区的扩张应力、超孔隙水压力以及破坏区半径与塑性区半径关系的数学表达式，并进行了相关规律分析。
　　2）考虑土体孔隙比随深度变化，利用位移贯入法，采用修正剑桥模型对静压桩贯入土体的全过程进行数值模拟计算，分析总结沉桩规律。之后，深入探讨了土体模型参数对沉桩挤土效应的影响机制。
　　3）结合理论推导和数值计算，针对具体工程项目，分析了静压桩施工对桩周土体环境的影响规律。
　　研究结果表明：（1）随着贯入过程中扩孔压力的增大，破坏区产生塑性流动并出现应变软化现象，与此同时，破坏区土体出现应力主轴变动的现象。（2）对于正常固结土，破坏区范围约为5~6倍桩径，随着超固结比的增大，破坏区半径逐渐减少。（3）超孔隙水压力随超固结比的增大而增大，随计算点距离的增大而明显下降。（4）扩孔压力的有效传递半径约为桩孔直径5~7倍左右，该范围也可视为塑性区的边界值。（5）静压桩数值影响因素的主次顺序为：①摩擦系数f、②膨胀指数?、③硬化模量?、④泊松比?、⑤正常固结线（NCL）在e轴上的截距e1、⑥破坏线斜率M。
　　通过对静压桩贯入土体过程的理论推导，数值计算和实际监测数据分析，总结了沉桩贯入机理及其对周边土体环境的影响规律，全面，有效的反映了静压桩贯入土体过程中的挤土现象，具有一定的创新性与参考价值。

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1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与方法

1.4 技术路线

1.5 本文创新点

2 考虑超固结粘土软化效应的球孔扩张理论

2.1 力学模型及基本假设

2.2 应变软化模型

2.3 考虑软化后的破坏区分析

2.4 计算分析

2.5 小结

3 沉桩贯入过程的数值分析

3.1 ABAQUS的简介

3.2 数值分析中土体本构模型的选定

3.3 桩贯入土体过程的模型建立

3.4 数值模拟的结果分析

3.5 不同土体模型参数对沉桩挤土的影响分析

3.6 小结

4 沉桩挤土效应对现场环境的影响监测分析

4.1 工程概况

4.2 工程地质条件

4.3 监测工作内容

4.4 静压桩施工对桩周环境的影响分析

4.5 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著