坡地条件下水平受荷桩p-y曲线试验与数值模拟研究

摘要

水平受荷分析是桩基设计计算的重要内容之一。以往的水平受荷桩的研究大多针对于平地桩基，而随着我国西部山区基础设施建设的高速发展，为了满足公路平纵线性及保护自然环境的要求，出现了大量位于坡地条件下的桩基础，与平地上基桩相比，坡地条件桩基由于临空面一侧土体缺失，该侧土体对桩基抗力将明显减弱，从而与平地段桩土体系呈现不同的承载机理，如何合理考虑坡体侧临空面对桩基水平承载性能的影响，已成为坡地条件下桩基设计计算亟待解决的问题。针对该问题，本文采用室内模型试验与数值分析等手段，对坡地条件水平受荷桩的承载特性、破坏模式等进行了深入分析，建立了考虑坡度效应的水平受荷桩的p-y曲线法，并对影响其受荷性能的诸多因素进行了探讨，具体工作如下：
　　(1)针对坡地条件与平地段两种不同工况，开展了45°粘性土坡地与平地条件下基桩的水平静力承载对比室内模型试验，对试验得到的桩顶荷载-位移关系、桩身弯矩以及不同深度下的 p-y曲线进行了对比分析。结果表明：平地基桩桩顶荷载-位移曲线相对平滑，而坡地基桩的桩顶荷载-位移曲线在荷载达到600N时，荷载增幅较小的情况下，桩顶位移出现急剧增大的现象；同时浅层区域内坡地基桩的桩身弯矩较平地基桩的偏大，且坡地基桩弯矩趋于零值的深度也相对更大；2D、4D、6D深度处的p-y曲线对比表明，坡地基桩的p-y曲线，在桩侧位移相同时，土体抗力p明显较平地基桩偏小。由以上现象可知，坡地条件下的水平受荷桩，其桩身受到的土体抗力减弱，即边坡侧土体的缺失消弱了基桩的水平承载性能。
　　(2)为模拟坡地条件下边坡侧土体抗力的折减效应，基于 ABAQUS数值分析软件建立了不同边坡角度下水平受荷桩的计算模型，获取了相应坡度条件下单桩不同深度处的 p-y曲线，并对初始刚度和极限抗力等关键参数进行了分析。计算结果表明： p-y曲线的初始刚度和极限抗力的折减现象随着深度的增大而逐渐消失，当达到一个和坡角有关的临界深度后折减现象已可忽略不计。在此基础上：建立了水平极限抗力的关键参数 Np和初始刚度 ki的修正函数表达式，进而导得了适用于坡地条件下水平受荷桩的静力p-y曲线。
　　(3)根据有限差分法的基本理论，将桩视为弹性地基梁，土视为弹性变形体，桩和桩周土离散为若干微元段，桩-土之间的相互作用由非线性弹簧来代替，导得了坡地条件下基桩内力和位移的有限差分公式。利用修正后适用于坡地的 p-y曲线，并根据迭代原理，编写了Matlab计算程序进行了求解，由此获得了坡地条件下的基桩内力位移表达式。通过与本文实验数据及已有文献计算方法的对比，验证了该方法的合理性，其计算误差可控制在15％以内，因此可较好的预测坡地条件基桩的水平受荷性能，进而为坡地条件下水平受荷桩的设计提供参考。

目录

第1章 绪 论

1.1 概述

1.2 研究背景与意义

1.3 水平受荷桩国内外研究现状

1.4 本文研究的主要内容和研究思路

第2章 水平承载桩p-y曲线计算理论

2.1 概述

2.2水平承载桩工作性状

2.2 桩的挠曲微分方程

2.3 水平承载桩的计算理论

2.4 p-y曲线计算理论

2.5 坡地条件下水平受荷桩的坡度效应分析

2.6本章小结

第3章 水平受荷桩室内模型试验对比研究

3.1 概述

3.2试验目的

3.3 试验设计

3.4试验结果与分析

3.6 本章小结

第4章 坡地条件下水平受荷桩静力p-y曲线的数值分析

4.1 概述

4.3 有限元模型

4.4 基桩受水平荷载作用下的受力性状分析

4.5 本章小结

第五章 坡地条件下水平受荷桩的p-y曲线法

5.1 概述

5.2 双曲线p-y曲线

5.3 坡地条件下p-y曲线

5.4 用p-y曲线求解水平承载桩的理论方法

5.5 算例

5.6 本章小结

结论

主要结论：

进一步工作建议：

参考文献

致谢