基桩高应变锤桩土相互作用机理及其模拟试验研究

摘要

本文在参考大量国内外文献资料的基础上，对基桩高应变动力试桩技术的研究现状进行了归纳和总结，针对目前基桩高应变动测中，对激振振源、锤—桩—土相互作用机理、管桩沉桩过程模拟及其承载力预测缺乏有效分析手段的现状，采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的研究方法对基桩高应变动力测试技术中激振振源、锤—桩—土动力响应理论以及应用相关研究成果模拟管桩沉桩过程并对其承载力进行预测的方法开展了系统的研究，本文的研究取得了如下主要成果：
　　 1、参照作者及其他学者的相关研究成果，基于基桩高应变动测Case法相关理论基础及应用实践，应用动弹性理论，本文首先对瞬态冲击荷载作用下桩土相互作用模型进行了总结，分析了基桩高应变动测Case法检测基桩承载力、完整性、桩身应力、打桩能量及打桩效率的基本原理，归纳了Case法的相关子方法，并提出了在高应变动测中将锤—桩—土作为同一系统考虑的研究思路。
　　 2、通过对基桩高应变动测振源的分析与比较，针对基桩高应变动力试桩技术对激振振源研究的不足，基于碰撞锤击模型解析算法，首次提出了特大型组合式重锤的概念及柴油锤激振模型优化仿真算法—热动力算法。不仅对基桩高应变动力试桩各种锤型开展了全面、系统的研究，更重要的是首次提出“双弹簧”等力学模型对特大型组合式重锤的性能进行了深入的分析；基于解析及热动力算法，对柴油锤的工作机理进行了研究。证明了特大型组合式重锤的科学性、安全性及热动力算法在模拟柴油锤工作过程时相对于解析等算法更加精确，从而大大拓宽了高应变动力试桩技术的检测范围并提高了模拟测试精度。
　　 3、针对基桩高应变动力试桩技术中对锤—桩—土相互作用机理缺乏正演分析手段的现状，基于一维杆件相关波动理论，建立了锤—桩—土的动力响应模型与算法，编制了相应软件—重锤桩岩土动力响应分析程序。不仅明确了选择锤重和锤垫时需要考虑的各种因素及其主次关系。更重要的是可更加接近桩土实际力学性状辨识高应变动力试桩中尤其是大直径混凝土灌注桩高应变动力试验中影响承载力的各种因素，如锤重、落距、土阻力分布、桩侧土弹限、桩端土弹限、桩垫刚度等。从而为分析锤—桩—土相互作用机理提供了一种有效的正演分析方法。
　　 4、通过对现有方法的分析与比较，针对目前基桩高应变动力试桩技术中对管桩沉桩过程模拟及其承载力预测的不足，基于锤—桩—土动力响应理论的相关研究成果，首次采用改进的连续杆件模型与优化的离散质弹模型相结合的方法对柴油锤打桩过程进行模拟试验研究并编制了相应程序软件。不仅可以模拟实际打桩过程中锤、桩、土的相互作用，更重要的是用数值模拟的方法实现一个系统包含两种模型，发挥不同模型的优势，将两种模型进行良性衔接的解决方案。解决了目前纯数值解析算法无法精确模拟实际打桩过程这一难题，相关软件的开发亦填补了国内空白。
　　 模型桩、试验桩的试验分析及实际工程应用表明：本文提出的在高应变动力试桩技术中将锤—桩—土作为同一系统考虑的研究思路、特大型组合式高应变动力试桩重锤及重锤性能分析方法、重锤桩岩土动力响应分析方法、锤击管桩沉桩过程模拟及其承载力预测等方法是科学合理的，对于提升基桩设计、施工及检测技术水平具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 基桩高应变动测技术发展现状

1.2.1 基桩高应变动测技术发展简史

1.2.2 国内、外研究现状

1.2.3 基桩高应变动测技术的特点

1.3 本文主要研究内容

第二章 基桩高应变动力测试Case法相关理论

2.1 Case法桩—土力学模型

2.1.1 桩的力学模型

2.1.2 桩侧土的力学模型

2.1.3 桩端土的力学模型

2.2 行波理论及应力波在桩中的传播规律

2.2.1 上、下行波

2.2.2 应力波在桩端的传播特征

2.2.3 桩身阻抗变化对应力波传播的影响

2.3 桩侧土阻力波

2.4 Case法计算桩的承载力

2.4.1 动力打桩过程中岩土对桩的总阻力

2.4.2 动、静阻力的分离—桩的承载力的计算

2.4.3 Case法的子方法及其适用条件

2.5 Case法检测桩的完整性

2.6 打桩过程中的桩身拉应力

2.7 锤击能量与打桩系统的效率

2.8 本章小结

第三章 基桩高应变动力重锤

3.1 基桩动测锤击力解析算法

3.2 特大型组合式高应变动力试桩重锤

3.2.1 锤体构造

3.2.2 锤体与螺栓的内力分析

3.2.3 现场实测与理论分析对比

3.3 柴油锤冲击模型与算法

3.3.1 喷液式柴油锤的工作原理

3.3.2 三角冲击荷载模拟法

3.3.3 热动力模型

3.4 本章小结

第四章 锤-桩-土动力响应理论及其模拟试验研究

4.1 基本思路

4.2 锤-桩-土动力响应模型与算法

4.2.1 桩模型

4.2.2 锤体冲击过程

4.2.3 土模型

4.2.4 应力波在桩中的传播规律

4.3 计算内容及结果分析

4.3.1 数值计算内容

4.3.2 结果分析

4.3.3 重锤选择影响因素分析

4.3.4 重锤上测力新方法的验证

4.4 本章小结

第五章 锤击管桩沉桩过程模拟建模方法

5.1 沉桩过程分析

5.1.1 沉桩阶段

5.1.2 收锤标准

5.1.3 总锤击数

5.2 锤击管桩沉桩过程模拟数值计算方法研究

5.2.1 柴油锤对打桩系统作用过程

5.2.2 锤及打桩系统模型

5.2.3 离散质弹模型数值计算方法

5.2.4 锤及打桩系统数值计算算法

5.2.5 考虑桩挚锤击系统与桩界面的数值计算方法

5.2.6 桩周土阻力模型

5.2.7 桩的连续杆件模型数值计算方法

5.2.8 应力波在桩中传播规律

5.2.9 计算过程说明

5.3 本章小结

第六章 工程实例与验证

6.1 锤桩土动力响应比对试验

6.1.1 不同锤重重锤的比对试验

6.1.2 特大型组合式重锺的应用效果研究

6.2 锤击管桩沉桩过程研究

6.2.1 锤击管桩沉桩过程影响因素分析

6.2.2 工程应用实例分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望与建议

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果目录