破碎波浪对直立桩柱的损伤破坏研究

摘要

桩基础具有良好的承载能力、稳定的工作性能、克服复杂不良地质灾害的重要措施并能有效控制建筑物的沉降和不均匀沉降等优点，特别是钻孔灌注桩因其具有施工设备简单、操作方便、性价比高等优点被广泛的应用于土木和水利工程。 我国南方沿海地区台风频发，台风期间引起的巨浪不断地撞击海岸和海洋工程建筑物。特别是卷破波，其卷舌部位具有巨大的能量，与结构作用时会对结构产生巨大的水平冲击力，对结构物的安全构成威胁。虽然很多学者提出了有关卷破波对桩柱结构的冲击力计算公式，多数还是集中于水动力试验研究，到目前还没有相关结构响应的研究，这为极端海况下结构物的安全评估带来了一定的困难，所以研究卷破波对桩柱结构的损伤破坏就尤为重要，研究成果可为工程的安全设计和评估提供借鉴作用。 本文先对ABAQUS有限元中所应用的本构模型和网格划分的原理和应用进行简单的介绍，然后通过ABAQUS有限元建立水平荷载作用下的桩土模型模拟已有的物理模型试验工况，通过对比桩顶的位移，来验证数值模拟的正确性和可行性。 通过深入的研究分析，得到如下结论： 1.广东某石化码头工程，桩基形式有直桩和斜桩，类型为钢管桩，土质偏软，于2014年开始建设，在2014年-2017年之间，遭遇数次台风，导致钢管桩发生折断和倾倒。参照此工程的波浪数据，研究了钻孔灌注桩在三种工况下，桩基混凝土损伤、混凝土结构裂缝开裂、参考点水平位移和土体屈服等分析结果的规律和原因。结果表明，随着波高的增加，结构的损伤面积增加，参考点水平位移加大。 2.根据广东某石化码头工程的岩土勘察资料、波浪设计资料和码头结构设计资料，对此工程在近几年来台风期间钢管桩的破坏机理进行初步分析。分析结果表明，此工程钢管桩发生折断和倾倒的现象很有可能是由于台风条件下的海面卷破波撞击钢管桩的顶部造成泥面处的弯矩过大，因而破坏。 3.为研究工程上如何提高卷破波作用下钻孔灌注桩的水平承载力，从桩基参数和土体参数两个方面进行研究，分析了“桩身混凝土强度”、“桩顶约束（位移约束、转角约束）”、“桩身配筋率”、“桩身自由段长度”、“土体内摩擦角”和“土体弹性模量”六个因素对桩基承载能力的影响。分析结果表明：桩身配筋率的增加对桩基承载力的提高作用最为明显；桩身自由段长度直接影响到卷破波冲击桩身上作用的面积，固桩身自由段越小，损伤越小。综上所述，在工程中可适当提高钻孔灌注桩的配筋率和减小桩基自由段长度来提高水平承载力。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 桩基础的应用

1.1.2 波浪对桩基础的冲击作用

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 单桩水平受荷性能分析

1.2.2 波浪对桩的作用

1.2.3 目前研究工作的不足

1.3 本文研究主要内容

2 有限元数值分析研究方法

2.1 ABAQUS介绍

2.2 本构关系

2.2.1 Mohr-Coulomb模型

2.2.2 混凝土损伤塑性模型

2.3 网格划分

2.3.1 网格划分技术

2.3.2 网格划分算法

2.3.3 网格划分结果

2.4 桩土接触

2.4.1 接触对算法

2.4.2 接触行为

2.5 模型验证

3 波浪冲击桩身数值模拟

3.1 数值模型介绍

3.1.1 有限元模型参数

3.1.2 混凝土本构关系

3.1.3 波浪荷载

3.1.4 波浪理论

3.2 荷载工况

3.3 水平承载力机理及破坏模式

3.4 依托工程

3.4.1 工程概况介绍

3.4.2 工程案例分析

3.4.3 模型等效及 Mises 应力等效

3.4.4 钢材本构关系

3.4.5 岩土工程勘察及土体本构

3.4.6 荷载工况

3.4.7 结果分析

3.5 本章小结

4 桩基水平承载力特性的影响因素分析

4.1桩身参数影响分析

4.1.1 桩身混凝土强度的影响

4.1.2 桩身配筋率的影响

4.1.3 桩顶约束的影响

4.1.4 桩基自由段长度的影响

4.2 土体因素影响分析

4.2.1 土体内摩擦角的影响

4.2.2 土体弹性模量的影响

4.3 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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