水平荷载作用下挤扩支盘桩的有限元分析

摘要

挤扩支盘混凝土灌注桩是近年来工程界有较强生命力的新桩型，该桩型是采用仿生学的方法在原有等截面混凝土灌注桩的基础上研发成功的，其显著的特点是承载能力高，具有良好的社会和经济效益。在支盘桩基研究中，人们主要注意其竖向承载力的分析，在海洋、道桥等工程的迅速发展下，桩基的水平承载力也愈来愈引起人们的关注。该桩型在竖向承载方面的优势已基本得到肯定，水平承载方面尚需进一步研究。本文就此问题采用通用工程软件ANSYS，对支盘桩作了水平承载性能的数值模拟，深入分析支盘桩的水平承载受力机理和破坏模式及桩在水平承载下的工作性状。主要工作包括： 首先，运用ANSYS工程软件，建立了适用于挤扩支盘桩和普通桩的三维有限元模型，设计出比较合理的水平承载模拟方案。计算模型中桩与承台采用弹性模型，土体采用D-P模型，桩土之间采用面面接触单元以考虑土体与桩交界面处的开裂与滑移。 其次，对支盘桩与普通桩单桩在同等条件下的水平承载力进行了三维有限元对比分析。利用数值计算结果得出的主要结论有：由于支盘的设置，支盘附近的土层中的应力值较大，使支盘桩的承载力大幅度的提高；支盘桩在水平荷载作用下，支盘离地面越近、支盘间距越小，支盘桩的水平承载力越大；支盘桩在竖向、水平双向荷载作用下，在一定范围内提高竖向荷载会提高桩的水平承载力，超过一定范围后反而会降低桩的水平承载力。再次，建立了桩-土-承台共同作用的三维有限元数值模型，研究了支盘桩和普通桩群桩位移、应力随水平荷载变化的分布规律，指出同等条件下支盘桩桩身中的最大应力明显小于普通桩桩身的最大应力，支盘桩群桩除了在承台下土应力比较集中外，更多的水平应力集中在支盘附近的土体中，使得支盘桩的承载力得到了很大的提高。在此基础上，进一步讨论了不同桩距条件下，桩、土的受力机理和非线性共同作用随荷载变化规律。分析结果表明群桩在水平荷载作用下，桩距的影响是显著的。在总载荷不变的情况下，随着桩距的增大，承台和承台下土的位移和应力均减小。 最后，对比分析支盘桩与普通桩在设置接触单元和无接触单元的应力与位移，验证了使用接触单元的模型更为合理。分析结果表明在水平荷载作用下支盘桩桩土之间的开裂与滑移均比普通桩小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1桩基发展简史

1.2桩的水平承载力

1.3液压挤扩支盘混凝土灌注桩

1.3.1支盘桩的适用范围

1.3.2支盘桩的发展历程

1.3.3支盘桩的特点

1.3.4支盘桩的研究现状

1.3.5支盘桩的受力机理及破坏模式

1.4本课题主要研究内容

第二章桩的水平承载力的发展和现状

2.1水平承载单桩的工作性状

2.2水平荷载下桩的计算

2.3水平承载桩计算方法的研究现状

2.3.1极限地基反力法

2.3.2弹性理论法

2.3.3弹塑性地基反力法(复合地基反力法)

2.3.4数值分析法

2.4本章小结

第三章支盘桩水平承载力的三维有限元模拟

3.1有限元及有限元分析软件ANSYS简介

3.1.1有限单元法简介

3.1.2有限元分析软件ANSYS简介

3.2数值模拟方案的设计

3.2.1基本假定

3.2.2本构模型

3.2.3计算参数的选取

3.2.4边界条件

3.2.5单元的选择

3.3模型的建立

3.4网格划分

3.5接触面单元的设置

3.6加载与求解控制选项的设置

3.6.1加载

3.6.2求解控制选项的设置

3.7后处理

3.8破坏标准

3.9本章小结

第四章挤扩支盘桩单桩水平承载特性分析

4.1普通桩与单支盘桩水平承载力的比较

4.2支盘的位置与水平承载力的关系

4.3不同间距的支盘对桩水平承载力的影响

4.4不同形状的支盘对桩水平承载力的影响

4.5不同角度的支盘对桩水平承载力的影响

4.6支盘桩与普通桩在不同土质中的水平承载力对比

4.7竖向荷载对支盘桩水平承载力的影响

4.8支盘对桩与土的应力的影响

4.9本章小结

第五章挤扩支盘桩群桩水平承载特性分析

5.1模拟方案

5.1.1模型尺寸

5.1.2本构模型

5.1.3边界条件

5.2支盘桩与普通桩群桩桩身、支盘的应力情况

5.3支盘桩与普通桩群桩桩周土的应力情况

5.4不同桩距下承台的位移情况

5.5不同桩距下承台下土应力与位移情况

5.5.1承台下土的应力分布情况

5.5.2承台下土的位移分布情况

5.6本章小结

第六章土与桩交界面的处理

6.1桩与土接触单元的通用处理方法

6.2ANSYS的接触单元简介

6.2.1接触问题的特征

6.2.2一般的接触分类

6.2.3桩—土接触分析模型

6.3接触状态检查情况

6.4接触面对桩水平承载力的影响

6.5水平荷载下接触面上的开裂情况

6.6水平荷载下接触面上的滑移情况

6.7接触面上应力变化情况

6.8本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作的展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文