侧向受荷桩模型试验与颗粒流分析

摘要

采用室内模型试验和颗粒流(PFC2D)数值分析方法对砂土中的侧向受荷桩性状进行了较为深入的研究。首先对侧向受荷载桩理论研究进行了系统归纳和总结，并对最近的相关模型试验成果及数值分析研究进展进行了介绍，之后发现绝大多数的研究都无例外的将焦点放在桩身上，而对桩周的土体则缺少应有的关注。而实际上，桩的侧向受荷性状在很大程度上取决于桩周土体的变形破坏特性，桩的侧向受荷过程是一个桩土相互作用过程，研究侧向受荷桩桩土相互作用问题不能忽略土的一面。本文即重点关注侧向荷载作用下桩与桩周土的变形破坏过程，在室内模型试验中采用数字照相无标点变形量测系统来实现这一目的，结合桩身土压力、桩顶荷载及桩顶位移的量测，研究了桩周土体的变形和破坏对侧向受荷桩性状的影响。在试验的基础上，对二维颗粒流程序进行二次开发，借助颗粒流理论在处理土与结构物的相互作用、大变形与破坏等方面的优势和能模拟砂土颗粒细观特性等特点，模拟桩侧向受荷试验结果并对试验结果进行合理的延伸，进一步揭示桩土相互作用过程中桩周土体所扮演的角色，从而更全面地理解桩土相互作用机理。根据桩基与桩周土体的相互作用，侧向受荷桩可分为两大类，即主动桩(activive pile)和被动桩(passive pile)，本文围绕这两种类型的桩展开研究。首先对砂土中受水平荷载作用的桩顶自由短桩(主动桩)进行了研究。给出了桩顶荷载～位移关系，桩身位置随桩顶荷载的变化，桩身土压力分布及其随桩顶荷载的变化等桩的侧向受荷性状，结合桩周土体位移分布与发展及破坏、应力分布与发展等对相关的桩受荷性状进行了解释，从而对桩的受荷性状有了更深的理解，给出了砂土中桩顶自由短桩侧向受荷情况下较完整的变形和破坏模式及极限土压力分布模式。对相应情况下桩在水平面上的性状进行了研究，从桩周土体变形的角度观测了双桩之间的相互作用，给出了桩间距对桩一土一桩相互作用影响的变化规律。被动桩是指承受土体水平位移的桩，为了对其性状进行研究，必需让土体产生水平的位移。为了能较明确地知道土体水平位移的大小和分布范围，我们设计采用千斤顶水平推移刚性挡墙的方法来使土体水平移动。因此首先研究了无桩情况下的刚性挡墙问题，在模型试验过程中观测了刚性挡墙后土体位移与破坏过程，分析了其对挡墙承载力的影响。并进一步计算了不同移动方式挡墙后土压力的分布与发展规律，并与试验结果进行了对比。在刚性挡墙后的土体中插入桩，由刚性挡墙产生水平的土体位移。给出了挡墙荷载～位移关系，桩项位移对挡墙位移的响应规律等，研究了桩的插入对砂土的加强效果与砂土密实度及桩的插入位置等的关系。这些结果与墙后桩周土体的位移和破坏观测结果的对比表明，仍然是砂土的变形和破坏决定了桩的受荷性状。此外，对平行荷载方向竖向剖面上的砂土破裂面随着其距离桩的远近变化规律进行了研究；同时对单桩、不同间距的双桩桩周土体在水平面上的变形进行了观测，讨论了它们与桩受荷性状的关系。当墙高、桩长及桩一墙之间的距离发生变化是，桩的受荷载性状将发生显著变化，本文在应用颗粒流模拟试验结果的基础上，对上述关系变化情形下的桩身受荷性状进行了研究，获得了规律性的结果。此外还较详细的研究了被动桩排单根桩之间土拱的产生及其影响因素。关键词：侧向受荷桩 主动桩 被动桩 刚性挡墙 数字照相 无标点 位移量测 模型试验 颗粒流模拟

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2侧向受荷桩的极限平衡分析方法与极限侧向抗力

1.2.1桩的极限平衡分析方法

1.2.2桩侧土体极限抗力的大小和分布

1.3主动桩理论研究进展

1.3.1地基反力法

1.3.2弹性理论法

1.3.3侧向受荷桩应变楔(strain wedge)理论

1.4被动桩的分析计算

1.4.1承受一般的土体水平位移的被动桩计算方法

1.4.2抗滑桩的设计计算

1.5侧向受荷桩试验研究最新进展

1.5.1主动桩试验

1.5.2被动桩试验

1.6侧向受荷桩数值分析进展

1.7侧向受荷桩研究进展评述与本文的研究思路

1.7.1评述

1.7.2本文研究思路

1.8本文主要研究内容

1.9本文主要创新点

第二章 试验概述与数字图像变形量测技术介绍

2.1引言

2.2试验概述

2.2.1模型试验装置与材料

2.2.2试验过程

2.3 数字图像变形量测技术简介

2.3.1图像处理概述

2.3.2数字图像变形量测无标点法

第三章 颗粒流理论简介及其在挡墙和侧向受荷桩中的应用

3.1引言

3.2颗粒流基本理论

3.3挡墙土压力的模拟

3.3.1颗粒流模型的建立

3.3.2控制挡墙不同移动方式

3.3.3位移的观测

3.3.4土压力的量测

3.4 砂土中侧向受荷短桩的颗粒流模拟方法

3.4.1 clump的基本理论

3.4.2砂土中侧向受荷载桩颗粒流模拟

第四章 主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流模拟分析

4.1引言

4.2主动单桩试验研究

4.2.1试验简述

4.2.2试验结果

4.3主动桩颗粒流模拟分析

4.3.1模拟准备工作

4.3.2模拟结果分析

4.4主动桩变形破坏模式综合分析暨本章小结

第五章 挡墙试验研究与颗粒流分析

5.1引言

5.2刚性挡墙模型试验研究

5.2.1试验概述

5.2.2试验结果

5.3刚性挡墙颗粒流模拟分析

5.3.1颗粒流模型的建立

5.3.2控制挡墙不同移动方式

5.3.3土压力的量测

5.3.4被动土压力的PFC2D模拟结果

5.3.5计算结果与试验结果的对比

5.4本章小结

第六章 被动单桩的试验研究与颗粒流模拟分析

6.1引言

6.2松砂被动单桩试验

6.2.1试验简述

6.2.2试验结果

6.3被动受荷单桩颗粒流分析

6.3.1分析准备工作

6.3.2颗粒流分析结果

6.4本章小结

第七章 侧向受荷桩在水平面上的性状

7.1引言

7.2主动桩

7.2.1试验结果

7.2.2颗粒流模拟

7.3被动桩

7.3.1试验结果

7.3.2颗粒流模拟

7.4本章小结

第八章 结论和建议

8.1 主要研究结论

8.1.1主动桩相关研究结论

8.1.2被动桩相关研究结论

8.2进一步研究的建议

参考文献

个人简历及攻读博士期间撰写的学术论文

致谢