基于土体流变特性的单桩沉降计算模型研究

摘要

桩具有承载力高、变形小和适用性强等优点，其被广泛应用于高层建筑、桥梁工程、近海采油平台、海岸码头及核电站等基础工程中。桩周土具有流变性，桩在长期荷载作用下的沉降要大于短期荷载作用下的沉降，甚至会产生蠕变破坏。越来越多的研究者开始关注土体的流变性对桩沉降的影响问题。考虑桩周土体流变性的桩沉降计算是一个复杂的问题，但却具有重要的现实工程意义，一直是一个众多学者研究的课题。
　　本文基于土体的流变性，分别将桩周土考虑成粘弹性体或粘弹塑性体，建立了考虑土体粘性的桩沉降计算模型，求得了均匀粘弹性土中桩沉降随时间变化的半解析解和解析解，分析了土体粘性对桩沉降性状的影响，提出了计算分层粘弹塑性土中桩沉降的波动模拟方法，并提出了室内模拟试验或波动模拟拟合反演确定土体模型粘性参数以及计算桩长期沉降的方法。主要的研究内容如下:
　　1、考虑土体粘弹特性，将桩周土简化为开尔文粘弹体模型，用拉普拉斯变换和傅立叶逆变换等数学工具，求得了均匀地基土中桩沉降随时间变化的半解析解，并采用变量分离法和广义Fourier级数展开，求得了均匀地基土中的桩身变形的解析解。在求得解析解的基础上，得到了桩身位移、应变、轴力、土的总阻力、桩侧摩阻力和粘滞阻力等沿桩身分布随时间的变化规律，并对各参数的变化对桩沉降性状的影响进行了分析。
　　2、考虑土体的粘弹塑性特性，提出了将静荷载在时间上离散化、利用波动理论分析计算粘弹塑性土体中的桩在静荷载作用下沉降的波动模拟方法。该方法将静荷载离散成无数个连续的瞬态荷载，并利用波动理论来分析这些连续的微小时间段内的荷载作用，最后叠加得到桩在静载作用下的沉降。通过与桩身弹性压缩理论、荷载传递法和粘弹性理论解析解的比较，验证了波动模拟法的正确性。由于土体计算模型采用了粘弹塑性模型，工程实例对比结果表明，波动模拟法很好地模拟了桩接近破坏或在破坏时的变形。该方法可计算桩在复杂荷载作用下或在长期荷载作用下的沉降。
　　3、通过分析持荷时间及施加荷载大小对桩沉降的影响，提出了利用室内快速模拟静载试验来确定土体模型粘滞参数的方法。由于土的粘滞性，桩的破坏时间和破坏荷载有关，破坏荷载越大，破坏时间越短，根据模拟静载试验测得的破坏荷载及其对应的破坏时间，来计算得到土的粘滞参数，为考虑土体流变性的桩沉降计算模型提供了较为可靠的土体粘滞参数，用来计算桩的长期沉降。
　　4、为了给计算模型提供可靠的计算参数，提出了根据静载试验数据、利用本文提出的波动模拟法拟合反演土模型参数的方法，并提出了一种计算桩长期沉降的方法。这些参数是根据现场静载试验结果反演得出的，利用这些土粘弹塑参数来计算桩的长期沉降，具有一定的可靠性。工程实例对比结果验证了该方法的正确性。
　　针对以上研究内容，编制了相应的计算程序，方便实际工程应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 单桩沉降计算的主要方法和国内外研究现状

1．2．1 弹性理论法

1．2．2 剪切位移法

1．2．3 荷载传递法

1．2．4 有限元法

1．2．5 其他分析方法简介

1．3 问题的提出

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

2 土的流变现象及流变本构方程

2．1 概述

2．2 土的流变现象

2．2．1 土的蠕变和松弛

2．2．2 影响土流变现象的因素

2．2．3 土的流变性对工程的影响

2．3 土的流变本构模型

2．3．1 岩土流变体的微分型本构模型

2．3．2 岩土流变体的积分型本构模型

2．3．3 积分型本构方程与微分型本构方程的关系

2．4 土的蠕变试验

2．5 小结

3 桩的静载试验及结果分析

3．1 概述

3．2 桩在静荷载作用下的破坏及桩的极限承载力

3．2．1 桩在静荷载作用下的破坏

3．2．2 桩的极限状态及其极限承载力

3．2．3 桩的侧摩阻力和端阻力的影响因素

3．3 桩的静载试验方法

3．3．1 静载试验的目的和功能

3．3．2 静载试验的基本做法

3．3．3 静载试验的几点讨论

3．4 单桩竖向抗压极限承载力确定及极限承载力的推算

3．4．1 常见Q~s曲线形态

3．4．2 单桩竖向抗压极限承载力确定

3．4．3 静载试验曲线的回归拟合及极限承载力的推算

3．5 桩身内力的测试及侧阻力和端承力的分析

3．5．1 桩身内力测量的原理和方法

3．5．2 桩侧摩阻力及端阻力的计算

3．6 测试实例及分析

3．6．1 概况

3．6．2 试桩的静载试验及结果分析

3．6．3 工程桩的验收静载试验及结果分析

3．7 小结

4 桩在静荷载作用下沉降的粘弹性理论分析

4．1 概述

4．2 基本假定以及定解问题的建立

4．3 定解问题的Laplace和Fourier变换求解

4．3．1 Laplace变换求解

4．3．2 Laplace变换结合Fourier变换求解

4．3．3 半解析解的意义

4．4 定解问题的辅助函数法求解

4．4．1 边界条件的齐次化

4．4．2 辅助函数的求解

4．4．3 新函数V的求解

4．4．4 问题的解

4．4．5 解析解的物理意义

4．5 桩身的物理量及其随时间变化分析

4．5．1 桩身物理量

4．5．2 桩身物理量分布随时间变化的分析

4．6 各参数变化对单桩沉降性状的影响分析

4．6．1 桩长细比变化的影响

4．6．2 桩身弹性模量变化的影响

4．6．3 桩侧桩端土体刚度比变化的影响

4．6．4 土体粘滞系数变化的影响

4．7 解析解的工程实例比较分析

4．7．1 计算模型及计算参数的设置

4．7．2 计算结果及比较

4．7．3 误差分析

4．8 小结

5 考虑土的粘弹塑性计算桩沉降的波动模拟法

5．1 概述

5．2 Boltzmann叠加原理的意义讨论及荷载的分段离散

5．2．1 Boltzmann叠加原理的两种表达形式及意义

5．2．2 荷载的分段离散及离散荷载作用的叠加

5．3 桩在分段离散荷载作用下的运动方程及其波动解的意义

5．3．1 桩在分段离散荷载作用下的运动方程及其解

5．3．2 达朗贝尔解的意义

5．4 应力波在桩中的传播

5．4．1 应力波在不同阻抗界面上的反射和透射

5．4．2 土阻力波及土阻力的产生

5．5 利用波动模拟计算桩沉降的方法---波动模拟法

5．5．1 波动模拟法的基本原理

5．5．2 波动模拟法的基本假定

5．5．3 桩、土计算模型的设置

5．5．4 波动模拟的数值计算

5．5．5 波动模拟法计算流程

5．6 波动模拟法的验证及比较分析

5．6．1 无桩侧摩阻力的简化模型——弹性压缩理论的验证

5．6．2 无粘滞阻尼的简化模型——荷载传递法的验证

5．6．3 均匀地基简化模型——第4章粘弹性理论解的验证

5．7 波动模拟法的工程实例比较分析

5．7．1 计算模型及计算参数的设置

5．7．2 计算结果及比较

5．7．3 误差分折

5．8 小结

6 桩在静荷载作用下长期沉降的计算

6．1 概述

6．2 荷载大小及持荷时间对桩沉降的影响分析

6．2．1 荷载大小对桩沉降特性的影响分析

6．2．2 分级加载的荷载作用时间对桩沉降的影响分析

6．3 荷载大小及持荷时间对桩沉降的影响实例分析

6．3．1 持荷时间不同对试验结果的影响

6．3．2 荷载大小对对试验结果的影响

6．4 土的粘滞阻尼参数的确定

6．4．1 获得土体粘滞参数的方法

6．4．2 试验确定静荷载作用下土粘滞阻尼参数的方法

6．4．3 由静载试验数据反演土粘滞性参数的方法

6．5 桩长期沉降的推算及工程实例

6．5．1 桩长期沉降的推算方法

6．5．2 实例的对比分析

6．6 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 本文的创新点

7．3 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录