上拔荷载作用下桩-桶基础结构受力数值分析

摘要

地球表面面积的70.8％是海洋，海洋蕴藏着丰富的石油、天然气以及其它矿产资源，能为人类提供大量的生存资源。科学技术的发展，使人们能够有机会从陆地向海岸，甚至向远海、深海进军，开采海洋资源，以满足人类不断增长的生存和生活需要。 在进行海洋开发的过程中，首先面临的是海洋建筑物的建造，而一切建筑物都要建立在合适的基础之上。本文所研究之桩-桶基础是一种新型的海洋工程基础，目前正处于理论研究和试验分析阶段，本文主要研究的是桩-桶基础在上拔荷载作用下结构的力学响应，首先采用室内模型试验进行分析，接着运用ABAQUS有限元数值模拟进行分析，进行对比分析后对桩-桶基础的结构尺寸效应进行分析。 首先分析了本课题研究的脉络，从桩基础工作性能、桶型基础工作性能及桩-桶基础上拔时地基土体的受力特性这些已有科研成果出发，寻求本文研究的着入点。 然后设计了测量上拔荷载作用下的桩-桶基础的结构变形的试验装置和试验流程，对试验原理进行介绍，对试验结果数据进行整理和分析。通过分析可知随着上拔荷载的增加，桩一桶基础结构应力及变形随之增加，上拔荷载达到极限时，基础应力及变形也达到最大；土体破坏后，桩-桶结构各部分的受力趋于稳定；桶结构和桩结构从上到下，所受应力逐渐减小；桶顶结构在上拔过程中体现固支梁的效果；桶顶远桩边缘和桶壁上部的连接属于固接；上拔过程中，桶底和桩底会出现空腔，对桶底部结构和桩底部结构受力有减小的影响，对桶的减小影响比对桩的要小，由于空腔导致摩擦力减小，桶底结构应力较最大应力减小8.6％；桩底结构应力较最大应力减小13.5％；桩和桶的结合部位在上拔过程中应力最大，达到3MPa，左右，上拔荷载往下传递时在该处进行再分配；桶顶边缘处在上拔过程中应力也较大，达到3MPa左右，桩-桶基础上拔过程中，该处土体产生剪切破坏。 接着运用ABAQUS软件建立桩-桶基础的数值模型，并进行分析和后处理，通过对模型10个测点的应力曲线的分析，知道从第1级荷载步到第9级荷载步，主要由桩来抵抗上拔荷载的作用，桩体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的11.0％，桶体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的1.0％；第9级荷载步之后，主要由桶结构来抵抗上拔荷载的作用，桶体结构每荷载步的应力增长量增加为其最大应力值的10.0％，桩体结构每荷载步的应力增长量减小为其最大应力值的1.0％。桩-桶结构较单桩结构能增加抵抗上拔荷载的能力得到体现。将数值模拟所得结论与室内模型试验所得结论进行对比分析，两者基本一致，这就验证了数值模拟方法的可行性。 然后运用ABAQUS软件分析不同尺寸的桩-桶基础在上拔荷载作用下的不同的受力特性，通过分析可知，达到破坏荷载时，地基土体的破坏曲线是倒锥形曲线，且曲线起始点不是从桩的端部开始，而是在桩端部以上桩土摩擦力最大处开始，经桶的底部，到地表面，形成倒锥形曲线，可推断，土体的破坏面为倒锥形曲面；在桶外侧和桩周围离基础轴心由近到远的过程中，土体应力出现二次曲线级的减小。在摩擦力达到最大时，离桶侧表面为0.5R(R=桶半径)处的应力较桶侧表面应力减小11.3％：桩底部离桩表面为3r(r=桩半径)处应力较桩侧表面应力减小19.5％；桶半径的变化对抗拔承载力影响最大，入土桩长的变化对抗拔承载力影响其次，桶壁高的变化对抗拔承载力影响最小；各尺寸结构在达到最大上拔位移时，地基土体的影响范围各不相同，影响土体横向范围的主要是桶的半径，其次是入土桩长，最后是桶壁高；影响土体纵向范围的主要是入土桩长，其次是桶壁高，最后是桶的半径。 最后对桩-桶基础进行初步设计，提出了桩-桶结构设计时的基本步骤。为了充分发挥桩-桶基础的桩和桶的组合作用，研究发现桶顶以下入土桩长与桶半径的比例关系为8：1时能将桩和桶的特点表现出来，桶半径与桶壁高度的比例关系为0.6：1时能将桶结构的特点表现出来；在桩和桶的结合部位加三角形肋梁，在桶角的内部做成圆倒角进行加强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1问题提出的背景

1.2基础上拔性能研究现状

1.2.1上拔承载力的研究进展

1.2.2桩基础抗拔性能的研究进展

1.2.3桶形基础抗拔性能的研究进展

1.2.4桩-桶基础性能的研究进展

1.2.5有限元数值分析技术在基础领域的研究进展

1.3课题研究的意义及创新点

1.3.1课题研究的意义

1.3.2课题研究的创新点

第二章 桩-桶基础上拔的结构受力分析及模型试验研究

2.1桩-桶基础上拔机理及结构受力分析

2.1.1桩-桶基础上拔机理分析

2.1.2桩-桶结构在上拔荷载作用下的受力分析

2.2模型试验研究

2.2.1模型试验的基本原理与纲量分析

2.2.2主要试验装置及原理介绍

2.2.3主要试验过程

2.2.4试验结果整理

2.3试验结果分析

2.3.1土体破坏模式分析

2.3.2上拔荷载与位移关系

2.3.3桩-桶结构受力分析

2.4小结

第三章 基于ABAQUS软件的基础结构的数值模拟

3.1基本知识

3.1.1有限元介绍

3.1.2土体本构模型介绍

3.1.3本论文所用Drucker-Prager模型介绍

3.1.4 ABAQUS介绍

3.2运用ABAQUS对桩-桶基础进行数值模拟

3.2.1基于ABAQUS软件数值模拟的建模过程

3.2.2提交分析作业模拟计算

3.2.3 ABAQUS数值模拟的后处理分析

3.2.4小结

3.4 ABAQUS数值模拟与室内模型试验所得结论的对比分析

3.5小结

第四章 上拔荷载作用下桩-桶基础的结构尺寸效应的数值分析

4.1单一尺寸的桩-桶基础的数值模拟

4.1.1桩-桶结构应力及位移分析

4.1.2地基土体应力及位移分析

4.2不同尺寸的桩-桶基础的上拔数值模拟

4.2.1极限上拔荷载的变化

4.2.2地基土体位移的变化

4.3桩-桶基础结构分析及初步设计

4.3.1桩-桶基础结构的特点

4.3.2桩-桶形基础结构设计的主要问题

4.3.3单个桩-桶基础结构的初步设计

4.4小结

第五章 结论和展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献