“不对称”填土作用下桩基负摩擦力试验研究与数值模拟

摘要

桩基础作为最古老、最基本的基础型式，具有整体性好、刚度大、稳定性好、承载力高以及工后沉降值小等优点，应用于高层建筑、桥梁、港口、码头等工程中，尤其在各类软弱地基处理的工程中得到广泛的应用。随着科学技术和经济建设发展的需要，在各种复杂地基上建造建筑物的情况越来越多，不仅采用桩基作为建筑物的基础也日趋普遍，而且桩的设计直径、长度及荷载也越来越大、功能也越来越多。在土木工程的发展中，桩基础正起着越来越重要的作用。 “不对称”填土作用下兼顾挡土的桩基础，就是桩基功能多元化的一种体现，其在桥台、高桩码头的驳岸工程中都得到了应用。该结构中桩土相互作用相当复杂，桩身不仅要承当竖向荷载的作用，而且还要承担巨大的水平作用力，同时由于填土的作用，桩土之间的负摩擦力问题也不容忽视。对此结构中的桩基础，负摩擦力对桩基础的作用随着填土的“不对称”也呈现出“不对称”性，如将其当作均匀承受负摩擦力的桩基础考虑不甚合理，并且当前相关的理论方法和计算方法很少见，所以对于此类桩基负摩擦力的研究具有较大的理论价值和实际意义。 结合上述研究背景，首先，叙述了桩基础负摩擦力产生的机理、产生条件、影响因素等，并对桩基负摩擦力的危害以及相应的处理措施进行了阐述；叙述了负摩擦力的时间效应与群桩效应等特性；对中性点位置的确定、下拉荷载的计算以及建筑桩基规范中负摩擦力的确定方法进行了简单介绍。 其次，针对“不对称”填土作用下的桩基础，进行室内模型试验和数值模拟计算。模型试验中通过测试桩身应变，计算桩身轴力，在此基础上分析桩身轴力、弯矩的分布规律以及随填土过程的变化规律，着重分析了负摩擦力的分布规律、中性点位置以及随填土高度的变化规律。以模型试验为基础，建立三维有限元数值模型，进一步分析研究“不对称”填土作用下桩基础的轴力、弯矩与负摩擦力的分布规律以及随施工步骤变化情况，中性点位置等关键参数的确定方法，此外，还对后方土体的位移矢量场、桩土相对位移进行了分析，得出相关结论。 从研究结论来看，由于“不对称”填土影响，导致桩身两侧的受力特性差异较大，采用传统的负摩擦力计算方法已经不再合适。本文对“不对称”填土作用下桩基的负摩擦力只进行了机理的分析，所以还需进一步对该工况下的桩基负摩擦力进行量化研究，以给工程实际提供设计和施工的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究的背景和意义

1.2桩基础负摩擦力国内外研究现状

1.2.1经验公式与理论研究

1.2.2现场试验方面

1.2.3模型试验方面

1.2.4数值模拟方面

1.3问题的提出

1.4主要研究内容

1.5研究的主要技术路线

第二章 桩基础负摩擦力的理论研究

2.1负摩擦力形成的机理和产生条件

2.1.1负摩擦力形成的机理

2.1.2负摩擦力产生的条件

2.1.3负摩擦力存在与否的判定方法

2.2影响负摩擦力的因素

2.3负摩擦力的危害及处理措施

2.3.1负摩擦力产生危害

2.3.2负摩擦力处理措施

2.4负摩擦力的特性

2.4.1负摩擦力的中性点

2.4.2负摩擦力的时间效应

2.4.3负摩擦力的群桩效应

2.4.4下拉荷载计算

2.5负摩擦力计算

2.5.1有效应力法

2.5.2按室内外测定土的力学参数确定单位负摩擦力

2.5.3贯入试验锤击数确定

2.5.4负摩擦力的经验值

2.6本章小结

第三章 桩基负摩擦力试验研究

3.1模型试验目的

3.2模型试验理论

3.2.1.相似准则基本定理

3.2.2相似准则的导出方法

3.3模型设计与制作

3.3.1模型砂箱

3.3.2模型桩及承台

3.3.3模型土

3.4试验步骤与仪器选择

3.4.1试验步骤

3.4.2试验设备及率定

3.5试验数据整理及分析

3.5.1试验数据处理

3.6试验成果分析

3.6.1桩身轴力和弯矩分析

3.6.2桩侧负摩擦力分析

3.7本章小结

第四章 桩基负摩擦力数值模拟研究

4.1基本思路

4.2 ANSYS软件简介以及参数化建模

4.2.1 ANSYS软件简介

4.2.2 ANSYS参数化建模

4.3有限元模型的建立

4.3.1基本假定

4.3.2本构的选择

4.3.3单元的选择

4.3.4计算参数的确定

4.3.5边界条件确定

4.3.6模型建立

4.4桩土位移分析

4.4.1土体位移矢量场

4.4.2桩土相对位移

4.5桩身负摩擦力分析

4.5.1桩身轴力分析

4.5.2桩身弯矩分析

4.5.3桩身负摩擦力分析

4.6计算结果与模型试验结果对比分析

4.7本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录