非均匀地基中单桩和群桩的线性及非线性分析

摘要

地基土是沉积而成的非均匀介质，沿深度方向呈现为层状或力学参数随深度而变化。考虑地基土的非均匀性，才能更真实地反映土与桩的共同作用特性。
　　本文提出了一种分析非均匀地基中桩基础共同作用的数值方法。该方法应用层状材料介质的广义Kelvin基本解，由于该基本解考虑了各土层界面上位移和应力的协调条件，从而避免了在考虑桩土共同作用时沿土层界面上的积分，因此，可以简便地分析沿深度方向呈非均匀性的地基中桩及群桩问题。
　　首先，分别建立桩和地基土剪应力和位移之间的方程。在建立土体的剪应力与位移方程时，采用层状材料的广义Kelvin基本解；在建立桩身剪应力与位移差分方程时，采用Bernoulli-Euler杆理论。然后，利用桩与土之间位移协调条件建立整体方程，并依据建议的方法编写Fortran程序。通过三个单桩和一个群桩的实例，验证所提出的方法的正确性和计算精度。应用该方法详细地分析了层状地基和Gibson土层中单桩和群桩的工作性状，在弹性条件下，得出了直接应用于实际工程设计与施工的结论。
　　随桩承受荷载的增加，桩侧阻力也增加，当桩侧阻力达到地基土的极限强度时，滑移会发生。考虑桩－土界面的滑移，对上述建议的弹性分析方法进行改进处理，并采用两个实例，验证了建议方法的正确性和精度。
　　地基土的变形是非线性的，土的变形参数与各点的应力水平有关，桩基础的分析和设计必须考虑地基土变形的非线性。采用Duncan-Chang非线性模型，对上述建议方法进行改进处理，建立非均匀地基中桩基础非线性分析方法，与两个现场试验实测数据比较，非线性分析的计算结果接近于实测结果。
　　桩基础优化设计是重要的，能最大限度地发挥桩的承载潜力，在保证安全的前提下减少桩数、减小桩径和桩长，使桩基础成为较经济的设计方案。用本文提出的非均匀地基中桩基础非线性分析方法，按单桩极限承载力设计桩基础，进行沉降和整体安全度的双重复核。建议的桩基础设计优化方法，应用于实际工程，可取得明显的经济效益。

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Contents

1 绪 论

1.1 工程背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究方法、研究内容及创新点

2 层状材料广义Kelvin基本解

2.1 引言

2.2 基本解的表达式

2.3 数值计算

3 非均匀地基中单桩及群桩的理论分析及数值验证

3.1 引言

3.2 桩与非均匀地基共同作用的弹性理论分析

3.3 计算程序设计

3.4 数值方法的验证

4 单桩及群桩的线弹性实例分析

4.1 引言

4.2 悬浮桩在竖向荷载作用下的工作性状分析

4.3 端承桩在竖向荷载作用下的工作性状分析

4.4 层状地基中在竖向荷载作用下桩的分析

4.5 Gibson土层中在竖向荷载作用下桩的分析

4.6 本章小结

5 考虑桩与地基土相互滑动的分析方法

5.1 引言

5.2 考虑桩土之间相互滑动的分析

5.3 现场试桩试验

6 竖向荷载作用下单桩的非线性分析

6.1 引言

6.2 竖向荷载作用下单桩的非线性分析方法

6.3 工程实例

7 桩基础的优化设计

7.1 引言

7.2 优化设计计算方法

7.3 工程实例

7.4 本章小结

8 主要结论与展望

8.1 主要结论

8.2 需要进一步做的工作

参考文献

附 录

致谢

作者在攻读博士学位期间的主要研究成果