基于能量法的受扭基桩受力变形分析方法及其数值模拟

摘要

桩基础凭借其承载力高、沉降小、施工方便以及较强的复杂地质环境适应能力等诸多优点在基础工程中被广泛使用。对于跨海大桥、城市立交桥、海上钻井工作平台或风力发电塔等建筑物中的桩基础，除承受常规竖向荷载外，由于桩顶的不均匀或偏心水平力、侧向冲击荷载或地震力等作用而产生较大扭矩。现有的常规设计方法一般不考虑扭矩的影响，而扭矩的存在会加速基桩的破坏，从而导致难以合理地评价桩身承载力，有时甚至使设计偏于不安全而危及上部结构。为此，本文基于已有研究工作和成果，结合国家自然科学基金项目(51378197)，对更接近实际的一般性地基中的受扭基桩进行了理论分析与数值模拟研究，主要工作如下:
　　首先，假定桩侧地表处地基土剪切模量为非零值（已有方法多假定为零）且随深度呈幂函数分布，引入虚土桩法建立出桩土体系的总能量方程后，基于最小势能原理由变分法分别导得桩身及土体的受扭控制方程，进而采用有限差分法获得桩身扭转角的差分方程式。然后，将桩周土体视为理想弹塑性材料，给出了塑性状态下的单桩受扭分析方法，并利用MATLAB编制了计算程序，再将计算结果与已有方法及实验结果进行了对比验证。在此基础上，通过参数分析获得了桩身剪切模量Gp和桩径r0以及土体剪切模量非零因子αg和系数n的取值对桩身扭转响应的影响规律。
　　其次，将单层土地基中基桩受扭分析方法推广至更为复杂的成层土地基，基于各分层土地基土体剪切模量呈幂函数分布的假定，建立了双层非均质地基中桩土体系的能量方程并获得其受扭控制方程，进而采用有限差分法获得桩身扭转角的差分方程式，最终导得桩顶及桩身的扭矩（T)与扭转角（φ)等解答。
　　最后，通过ABAQUS软件，建立了均质与非均质地基中受扭基桩数值分析模型，并将数值分析结果与能量法计算值以及已有室内模型试验测试值进行了对比分析，验证了基于能量法给出的受扭基桩内力变形分析方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 桩基础发展历史与桩基分类

1．1．1 桩基础发展历史

1．1．2 桩基分类

1．2 研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 受扭基桩的承载机理及其研究方法

2．1 概述

2．2 受扭桩常用计算方法

2．2．1 弹性理论法

2．2．2 剪切位移法

2．3 受扭桩的试验研究方法

2．3．1 常规受扭试验

2．3．2 离心机试验

2．4 受扭基桩的数值分析方法

2．4．1 离散元法

2．4．2 有限单元法

第3章 基于能量法的非均质单层地基中基桩受扭分析

3．1 概述

3．2 最小势能原理、变分原理和有限差分法简介

3．2．1 最小势能原理

3．2．2 变分原理

3．2．3 有限差分法

3．3 非均质单层地基中受扭基桩的计算方法

3．3．1 非线性地基模型

3．3．2 桩周土体位移模式

3．3．3 桩-土体系受扭控制方程

3．3．4 控制方程的求解

3．3．5 土体屈服对桩身扭转的影响分析

3．4 方法验证

3．5 参数分析与工程算例

3．5．1 桩身剪切模量Gp值的影响

3．5．2 桩径r0的影响

3．5．3 n值的影响

3．5．4 αg值的影响

第4章 基于能量法的成层地基中基桩受扭分析

4．1 概述

4．2 成层地基中受扭基桩的计算方法

4．2．1 双层非均质地基模型及假定

4．2．2 桩周土体位移模式

4．2．3 桩-土体系受扭控制方程

4．2．4 控制方程的求解

4．2．5 土体屈服对桩身扭转的影响分析

4．3 方法验证

4．3．1 单层非均质地基对比分析

4．3．2 双层均质地基对比分析

4．4 参数分析

4．4．1 桩顶T-Ψ0曲线分析

4．4．2 桩顶扭转影响因子IΦ分析

第5章 受扭基桩数值分析方法研究

5．1 概述

5．2 有限元及ABAQUS计算原理简介

5．2．1 ABAQUS有限元软件简介

5．2．2 非线性求解

5．3 计算模型相关理论

5．3．1 本构模型简介

5．3．2 接触面理论简介

5．4 受扭基桩数值分析

5．4．1 计算参数取值

5．4．2 计算范围的选取

5．4．3 定义接触

5．4．4 单元类型与网格划分

5．5 FEA解答和能量法解答对比

5．6 算例验证

结论与展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间的学术论文及科研情况)