高速铁路标准梁桥桩基有限元分析及有效桩长探讨

摘要

桩基因其承载力高、稳定性好、沉降及差异沉降小、沉降稳定快、抗震性能好以及能适应各种复杂地质条件等特点，在高速铁路、高速公路、桥梁工程等工程建设中得到广泛使用。而对于桩基的理论研究落后于工程实践，即便是在竖向荷载下的单桩，它与桩侧土的相互作用机理和荷载传递特性，至今尚未完全弄清，导致设计中盲目的增加桩长，直接把桩打入持力层，以提高安全系数。针对这种现象，本文利用大型通用软件ADINA建立了单桩有限元模型，对高速铁路标准梁桩基有效桩长的影响因素以及各因素的影响规律作了深入的讨论分析，主要工作如下:
　　 (1)基于ADINA软件中接触问题的处理方法，探讨时间T和摩擦系数μ的选取方法。ADINA软件用临界相对位移增量△Su来控制切向接触状态，其切向接触条件与Goodman单元类似。时间T不再是虚拟变量，而是与接触有关的变量，其值根据临界相对位移增量△Su来确定，并用土工离心机模型试验进行验证。而多层土摩擦系数μ则是内摩擦角按厚度的加权平均值。
　　 (2)通过软件ADINA建立有限元单桩模型，并根据有效桩长的概念，提出了确定有效桩长的基于桩顶沉降控制和桩侧摩阻力发挥程度控制的两种方法。基于该方法讨论了桩承荷载、桩周土层模量和摩擦系数对有效桩长的影响，并将确定有效桩长的方法用于计算标准梁桥的有效桩长。结果表明，桩基的有效桩长随桩承荷载增加而增加、随桩周土层模量、摩擦系数增加而减小。因此，有效桩长与荷载水平呈正相关性。不同的荷载水平，有效桩长会不同。
　　 (3)建立高速铁路标准梁桩基的有限元单桩模型，得到桩身轴力、桩体沉降、桩土相对位移和桩侧摩阻力发挥系数的传递规律。基于有效桩长的确定方法，即以桩侧摩阻力平均发挥系数小于等于15％时的桩长为有效桩长，得到高速铁路某标准梁桩基的有效桩长为35m。
　　 (4)利用规范的计算方法，如铁路桥涵地基和基础设计规范、建筑桩基技术规范，计算了高速铁路标准梁桩基的桩顶沉降，并与有限元计算结果进行对比讨论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桩土相互作用研究现状

1．2．2 有效桩长研究

1．3 本文主要工作

第2章 桩基有限元计算模型

2．1 单桩几何模型的建立

2．2 本构关系

2．2．1 桩体本构模型

2．2．2 土体本构模型

2．3 界面接触模型

2．3．1 接触问题对接触面的力学描述

2．3．2 ADINA中接触算法

2．3．3 接触参数的取值

2．4 初始地应力平衡

2．4．1 ADINA初始地应力平衡方法

2．4．2 算例

第3章 桩基的有效桩长确定方法及影响因素

3．1 基本算例有限元分析

3．2 有效桩长的确定方法

3．3 有效桩长的影响因素及影响规律分析

3．3．1 桩顶荷载P对有效桩长的影响

3．3．2 桩周模量Es对有效桩长的影响

3．3．3 摩擦系数μ对有效桩长的影响

第4章 高速铁路标准梁桩基的有效桩长

4．1 计算条件

4．1．1 荷载条件

4．1．2 地层条件及计算参数

4．2 标准梁桥桩基有限元计算

4．3 标准粱桥桩基有效桩长的确定

第5章 规范计算

5．1 规范算法

5．1．1 铁路桥涵地基和基础设计规范

5．1．2 建筑桩基技术群桩规范

5．1．3 建筑桩基技术单桩规范

5．2 规范计算结果

5．2．1 铁路桥涵地基和基础设计规范计算结果

5．2．2 建筑桩基技术群桩规范计算结果

5．2．3 建筑桩基单桩规范计算结果

5．2．4 规范计算结果与有限元计算结果对比

5．3 单桩承载力验算

5．3．1 铁路桥涵地基和基础设计规范单桩承载力验算

5．3．2 建筑桩基规范单桩承载力验算

结论

致谢

参考文献