竖向荷载下轻微倾斜桩及倾斜荷载下竖直桩工作机理研究

摘要

基坑开挖时，坑外土体向基坑内运动导致坑内已有桩基础倾斜；同时桩基础施工过程中，打桩、挖孔顺序不当也会导致桩基础倾斜，倾斜桩的垂直度一般超过《建筑桩基技术规范》允许的偏差。确定这些轻微倾斜桩的竖向承载力一直是工程实践中的难题。
　　 本文首先介绍天津市某基坑工程不同垂直度的倾斜桩(垂直度0.7％～2.4％)的载荷试验，然后利用有限元分析软件ABAQUS对现场试验结果进行模拟，反演得到土体参数，在此基础上进行仿真模拟，研究不同土质条件下(天津市区土质和开发区软弱土质)整体倾斜桩的竖向承载力随垂直度变化的规律。同时还对局部倾斜桩、倾斜群桩及基坑开挖导致的局部倾斜桩的竖向承载力进行了分析。另外，本文还研究了超静孔隙水压力消散过程中倾斜桩的竖向承载力随时间变化的规律。
　　 现场试验及有限元计算结果表明：轻微倾斜桩的竖向承载力并不一定下降，当桩的垂直度不大于4％时，相同竖向荷载下，倾斜桩的桩项沉降反而小于竖直桩的桩顶沉降，但桩身会产生较大的弯矩；相同竖向荷载作用下，垂直度在5％以内时，局部倾斜桩的桩顶沉降均小于竖直桩的桩顶沉降，上段倾斜桩的轴力传递到垂直度转折点处时对下段竖直桩产生水平向推力，当垂直度转折点位于整体倾斜桩的反弯点以下时，水平向推力将导致局部倾斜桩产生更大的反向挠曲变形，竖向荷载作用下桩更易于因为弯曲变形过大而破坏；相同固结过程，桩顶沉降、桩顶侧移的增加量均随着垂直度增加而增加；基坑开挖导致桩局部倾斜时，尽管桩的局部倾斜程度较小(垂直度为0.15％)，相同竖向荷载作用下，局部倾斜桩的桩顶沉降大于未经历开挖的竖直桩的桩顶沉降，垂直度增加较小时(由0.07％增加到0.15％)，竖向荷载引起的桩顶水平位移明显增加，同时，基坑开挖导致桩身产生了较大的初始弯矩。
　　 此外，本文还利用有限元分析软件ABAQUS研究倾斜荷载作用下竖直桩的工作机理。就本文的算例而言，先施加竖向荷载再施加水平荷载时，存在一个最优竖向荷载，在最优竖向荷载作用下，相同水平荷载引起的桩项侧移最小，且竖向荷载减小桩顶侧移的有利作用主要表现在水平荷载加载后期：土质条件较好时，竖向荷载对桩项侧移的有利作用不如土质条件较差时那样明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究背景

1.1.1轻微倾斜桩的竖向承载力

1.1.2倾斜荷载作用下竖直桩的承载力

1.2国内外研究现状

1.2.1轻微倾斜桩的竖向承载力研究现状

1.2.2倾斜荷载作用下竖直桩的承载力研究现状

1.3本文主要工作

第二章有限元分析软件ABAQUS的部分模型简介

2.1 D-P模型简介

2.1.1屈服准则

2.1.2塑性势函数

2.2修正剑桥模型简介

2.2.1屈服准则

2.2.2硬化定律

2.3接触面的库仑摩擦模型

第三章轻微倾斜桩的竖向承载力现场试验及有限元分析

3.1倾斜桩的载荷试验

3.2倾斜桩载荷试验有限元模拟

3.2.1有限元模型参数

3.2.2有限元计算结果

3.3天津市区地质条件下垂直度为0.7％～10％的倾斜桩有限元分析

3.3.1桩项荷载-沉降曲线

3.3.2桩身位移

3.3.3土中水平应力分布

3.3.4桩侧摩阻力分布

3.3.5桩身弯矩分布

3.3.6承台对倾斜桩的影响

3.3.7本节小结

3.4开发区软土地质条件下垂直度为0.7％～10％的倾斜桩有限元分析

3.4.1桩项荷载-沉降曲线

3.4.2桩身水平位移

3.4.3桩侧摩阻力

3.4.4桩身弯矩

3.4.5本节小结

3.5局部倾斜桩承载力有限元分析

3.5.1有限元模拟分组说明

3.5.2垂直度转折点在地面下6.5m上段倾斜、下段竖直的局部倾斜桩

3.5.4垂直度转折点位于地面下6.5m上、下段桩均倾斜的局部倾斜桩

3.5.5垂直度转折点在地面下6.5m上段竖直、下段倾斜的局部倾斜桩

3.5.6垂直度转折点深度变化的局部倾斜桩

3.5.7本节小结

3.6倾斜群桩承载力有限元分析

3.6.1两根桩条形承台仿真模拟

3.6.2两根倾斜程度相同的桩组成的条形承台的计算结果

3.6.3倾斜桩A与竖直桩B组成的两桩条形承台的计算结果

3.6.4五根桩条形承台有限元模拟

3.6.5五根桩条形承台的计算结果

3.6.6本节小结

3.7基坑开挖导致的倾斜桩承载力有限元分析

3.7.1依据现场实验反演有限元模型参数

3.7.2基坑开挖模拟说明

3.7.3有限元模拟工况

3.7.4有限元模拟结果

3.7.5本节小结

3.8土体固结过程中倾斜桩的承载力、变形有限元分析

3.8.1有限元参数

3.8.2桩顶沉降曲线

3.8.3垂直度为5％的倾斜桩的桩身侧移曲线

3.8.4垂直度为5％的倾斜桩的桩侧摩阻力

3.8.5垂直度为5％的倾斜桩的土中孔隙水压力及竖向应力

3.8.6不同垂直度倾斜桩的计算结果比较

3.8.7本节小结

3.9倾斜支盘桩抗压承载力有限元分析

3.9.1支盘桩简介

3.9.2支盘桩现场载荷试验模拟

3.9.3倾斜支盘桩抗压承载力仿真模拟

3.9.4本节小结

3.10倾斜支盘桩抗拔承载力有限元分析

3.10.1倾斜支盘桩抗拔承载力仿真模拟

3.10.2本节小结

第四章倾斜荷载作用下竖直桩承载力有限元分析

4.1倾斜荷载、水平荷载作用下桩的工作性状比较

4.1.1有限元模型参数

4.1.2模拟现场单桩载荷实验

4.1.3倾斜荷载作用下桩身变形的仿真模拟

4.1.4本节小结

4.2水平荷载和竖向荷载相互作用对超长桩承载力的影响

4.2.1有限元模型参数

4.2.2竖向荷载对超长桩水平承载力的影响

4.2.3土体性质变化时竖向荷载对超长桩水平承载力的影响

4.2.4桩身直径变化时竖向荷载对超长桩水平承载力的影响

4.2.5桩顶自由长度变化时竖向荷载对桩顶水平位移的影响

4.2.6加载顺序变化对超长桩承载力、变形的影响

4.2.6本节小结

第五章结论与建议

5.1本文成果

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢