土体侧移作用下既有轴向受荷桩性状模型试验与数值分析

摘要

随着城市建设的快速发展和交通、港口、码头等行业的蓬勃兴起，既有轴向受荷桩受邻近土体侧移作用的问题近年来在工程实践中更是经常遇到，如何对土体侧移作用下既有轴向受荷桩的承载性状进行分析，已成为岩土工程近期研究的一个热点和难点问题。然而目前国内外缺乏实用有效的分析方法，对此类问题的分析通常是依靠工程经验估算为主。因此，有必要对此情况下的被动桩进行系统地研究。本文以土体侧移作用下的轴向受荷桩为研究对象，以数值分析、模型试验和理论计算为研究手段，研究了土体侧移与轴向荷载耦合作用下的被动桩基承载和变形性状，以期为实际工程提供理论依据和实践指导。
　　 本文的研究内容主要包括几个方面：
　　 1.开挖引起的挡墙后土体水平位移场分析。基于对已有研究资料的总结整理，确定开挖或堆载引起的邻近土体位移模式；采用三维有限差分方法，将开挖过程及主要影响因素简化为既定模式的土体位移边界条件，对挡墙后的土体自由位移场进行分析，研究开挖引起的挡墙后土体位移分布规律。
　　 2.土体侧移对既有轴向受荷桩影响的数值分析。利用三维有限差分方法，将开挖过程对桩基的影响，简化为既定位移边界条件对邻近桩基的影响，研究不同土体位移边界条件下邻近单桩和群桩(两桩)的力学响应，和已有文献的算例进行对比，验证本文数值分析方法的正确性；并对主要影响因素进行分析，研究土体侧移和轴向荷载耦合作用下邻近单桩和群桩(两桩)的弯矩、位移等变化规律以及群桩的遮帘效应和加筋效应。
　　 3.土体侧移与轴向荷载耦合作用的模型试验装置设计。设计一种可以模拟多种土体侧移模式的试验装置，此装置主要特点是由钢板和钢化玻璃组装而成，左右两侧箱壁上半部分不封闭，分别用帘状加载板和帘状挡板代替，可以实现多种土体位移模式下的试验，也可以实现单桩、群桩以及半模桩试验。
　　 4.土体侧移作用下既有轴向受荷桩的模型试验研究。设计并进行土体侧移与轴向荷载耦合作用的单桩和群桩(两桩)的室内半模桩试验，研究不同土体位移模式(矩形、半抛物线形)与轴向荷载作用下，桩身弯矩、位移、剪力和桩侧土压力等变化特性以及桩土接触面的土体位移模式，进行对比分析，并研究群桩的遮帘和加筋效应等。
　　 5.轴向和水平荷载作用下单桩的积分方程分析方法。基于弹性半空间内作用一水平集中力的Mindlin基本解，采用Muki提出的虚拟桩模型，结合积分方程理论，建立考虑水平荷载和轴向荷载耦合作用下单桩的第二类Fredholm积分方程，通过数值计算求得桩身的剪力、位移、弯矩等。数值计算结果表明，与已有经典解答相比，本文的方法是可行的。
　　 通过数值分析，研究了土体位移场分布和承受土体侧移的桩基性状，通过试验研究进一步探讨了承受土体侧移的桩基性状，通过理论计算分析，初步探讨了水平荷载与竖向荷载耦合作用下的单桩承载特性变化。由于基坑开挖对邻近桩基的影响本质上属于被动桩的研究范畴，因此本文研究成果同样适用于其它被动桩问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论及文献综述

1.1研究背景及意义

1.2轴向受荷桩分析方法

1.3被动桩与土体相互作用研究现状

1.3.1经验方法

1.3.2基于土压力的分析方法

1.3.3基于土体变形的分析方法

1.3.4有限单元法

1.4开挖对邻近桩基影响研究现状

1.4.1隧道开挖对邻近桩基影响研究现状

1.4.2基坑开挖对邻近桩基影响研究现状

1.5本文主要研究内容

第2章开挖引起挡墙后土体水平位移场分析

2.1引言

2.2开挖或堆载引起的土体位移模式

2.2.1隧道开挖引起的土体水平位移模式

2.2.2基坑开挖引起的土体水平位移模式

2.2.3堆载引起的土体水平位移分析

2.3三维有限差分方法

2.3.1数值分析模型的建立

2.3.2本构模型

2.3.3围护结构与土体相互作用的接触面模型

2.3.4位移边界条件确定

2.3.5模型有效性验证

2.4不同位移模式下的土体水平位移分析

2.4.1墙后土体水平位移沿深度方向分布规律

2.4.2挡墙后土体最大水平位移分布规律

2.5小结

第3章土体侧移对既有轴向受荷桩影响的数值分析

3.1引言

3.2数值计算模型

3.2.1模型几何尺寸

3.2.2材料模型选择

3.2.3材料参数取值

3.2.4位移边界条件

3.3基本算例分析

3.3.1模型有效性验证

3.3.2基本算例结果分析

3.4单桩性状参数分析

3.4.1桩顶轴向荷载对桩基性状的影响

3.4.2桩柔度系数的影响

3.4.3位移边界大小的影响

3.4.4桩顶约束条件影响

3.4.5桩与挡土墙距离的影响

3.4.6土体分层对桩基性状的影响

3.5群桩(两桩)变形特性数值分析

3.5.1桩顶荷载影响分析

3.5.2桩间距影响分析

3.5.3与挡墙距离影响分析

3.5.4桩顶约束影响分析

3.6小结

第4章土体侧移与轴向荷载耦合作用的模型试验装置设计

4.1引言

4.2模型试验基本原理

4.2.1相似模型试验基本概念

4.2.2相似理论

4.3模型试验设计

4.3.1试验模型箱的设计与制作

4.3.2试验模型桩的制作

4.3.3应变片设计

4.3.4试验土体材料的制备

4.3.5加载、测试与数据处理设备

4.4试验步骤设计

4.5小结

第5章土体侧移作用下既有轴向受荷桩的模型试验研究

5.1试验方案设计

5.2数据处理的理论依据

5.2.1土体内部位移分析

5.2.2应变片数据处理

5.3土体内部位移分析

5.3.1半抛物线形位移模式下的土体内部位移

5.3.2矩形位移模式下土体内部位移分析

5.4单桩的试验结果分析

5.4.1试验1数据分析

5.4.2试验2数据分析

5.4.3试验3数据分析

5.4.4试验4数据分析

5.4.5试验5数据分析

5.5两桩的试验数据分析

5.5.1试验6数据分析

5.5.2试验7数据分析

5.5.3试验8数据分析

5.5.4试验9数据分析

5.6参数分析

5.6.1试验1与试验2结果对比

5.6.2试验1与试验4结果对比

5.6.3试验1与试验6后桩的结果对比

5.6.4试验2与试验7后桩的结果对比

5.6.5试验6与试验7结果对比

5.6.6试验与数值分析比较

5.7小结

第6章轴向和水平荷载作用下单桩积分方程解法

6.1引言

6.2水平荷载作用下的基本解

6.2.1基本方程

6.2.2水平圆形均布荷载下的基本解

6.3水平和轴向荷载作用下单桩的积分方程解答

6.3.1计算模型

6.3.2弹性半空间扩展土

6.3.3虚拟桩

6.3.4第二类Fredholm积分方程的建立

6.3.5桩身剪力和位移的解答

6.4数值计算方法及算例验证

6.5单桩弯矩变化的参数分析

6.5.1桩顶自由条件

6.5.2桩顶固定转角约束

6.6土体侧移作用下轴向受荷单桩积分方程求解思路

6.7小结

第7章结论与展望

7.1研究结论

7.2进一步的研究设想

参考文献

致 谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果