地下结构抗浮及抗拔桩试验研究与分析

摘要

大量带有纯地下室的高层建筑，以及地下车库、下沉式广场的兴建，使抗浮问题非常突出，而目前主要采用的抗浮措施为抗拔桩，而针对这二者的研究成果仍然较少，相关国标也未做具体规定，因而有必要通过模型试验和数值模拟对地下结构抗浮和抗拔桩竖向承载力特性进一步研究。本文主要通过地下结构抗浮模型试验、抗拔桩模型试验、桩土颗粒图像测速(PIV)试验、抗拔模型桩有限元模拟和工程尺寸抗拔桩有限元模拟几个方面进行研究，主要工作和成果如下:
　　1)通过地下结构抗浮模型试验研究了土体渗透系数对地下结构浮力大小的影响，以及存在承压水状态下地下室底板位于透水层和不透水层对地下结构浮力大小的影响，研究表明:当地下室底板处于渗透系数很低的弱透水层时，地下室浮力计算可进行折减，本文采用的淤泥质粘土的折减系数为0.6。
　　2)利用模型试验对抗拔桩的相关性质进行了研究，主要研究了抗拔桩和纯摩擦抗压桩侧摩阻力发挥的异同、等直径抗拔桩和扩底抗拔桩的承载力特性以及扩底大小对扩底抗拔桩承载力的影响。研究表明:纯摩擦抗压桩的侧摩阻力大于抗拔桩的，且随着长径比的增加，二者的差值线性减小;扩底的增加对抗拔桩承载力有明显的提升，但之后通过扩底直径的增加对抗拔桩承载力的提升有限。
　　3)采用颗粒图像测速(PIV)技术对扩底抗拔桩的受力机理进行研究，利用桩土模型轴对称的特性，建立扩底抗拔桩透明模型，在抗拔桩上拔过程中采集一系列图像数据，运用MA TLAB图像分析程序对桩土位移进行分析。研究表明:扩底抗拔桩在工作时共分为4个阶段，即土体加强阶段→侧摩阻力发挥阶段→扩散角不断扩大阶段→形成滑裂面破坏阶段，同时解释了扩底抗拔桩承载力提高的原因。
　　4)采用有限元分析软件ABAQUS对抗拔模型桩进行数值模拟，将模拟结果与模型试验和PIV试验结果对比分析，肯定了ABAQUS分析的可靠性，并得到了试验中不易测量的物理量，如桩身轴力、桩侧摩阻力、位移矢量、位移云图、应力云图等，有助于分析抗拔桩竖向承载力特性。
　　5)将以上研究成果进一步推广到工程尺寸抗拔桩的应用当中，通过等比例工程桩数值模拟分析，研究工程尺寸抗拔桩竖向承载力特性，同时分析了不同因素对承载力的影响。研究表明:通过提高桩径所带来的承载力的提高是不经济的，而增加扩底直径对提高承载力有显著效果;扩底抗拔桩极限承载力并不仅仅取决于桩身直径d的大小，而是受桩身直径d、扩底直径D和扩底夹角δ共同决定的，因此在进行扩底抗拔桩设计时，合理选择扩底夹角δ至关重要。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 工程实例概述

1．1．2 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 抗浮设防水位选取方法的研究现状

1．2．2 浮力大小计算的研究现状

1．2．3 抗浮措施的研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 地下结构抗浮模型试验研究

2．1 引言

2．2 试验系统及仪器设备

2．2．1 试验系统介绍

2．2．2 试验土体

2．2．3 数据采集仪器

2．3 试验方法

2．3．1 渗透系数对浮力影响的试验方法

2．3．2 承压水对浮力影响的试验方法

2．4 试验测试及分析

2．4．1 渗透系数对浮力影响的分析

2．4．2 承压水对浮力影响的分析

2．5 本章小结

第3章 抗拔桩模型试验研究

3．1 引言

3．2 试验系统及仪器设备

3．2．1 试验系统介绍

3．2．2 模型柱

3．2．3 数据采集仪器

3．3 试验方法

3．4 试验测试及分析

3．4．1 抗拔柱与抗压柱

3．4．2 等直径抗拔柱与扩底抗拔柱

3．5 本章小结

第4章 抗拨桩PIV模型试验研究

4．1 引言

4．2 数字图像处理理论

4．2．1 数字图像处理的基本概念

4．2．2 图像相关分析方法

4．2．3 相关技术在PIV中的应用

4．2．4 PIV软件介绍

4．3 试验系统及方法

4．4 试验结果分析

4．4．1 单帧位移分析

4．4．2 累计位移分析

4．5 本章小结

第5章 抗拨柱有限元对比分析

5．1 引言

5．2 使用方法

5．2．1 有限元软件ABAQUS使用方法简介

5．2．2 轴对称的应用

5．2．3 量纲的约定

5．2．4 本构模型的选择

5．2．5 初始地应力

5．2．6 接触关系的设定

5．2．7 单元选择与网格划分

5．2．8 加载方式

5．2．9 土体参数

5．3 抗拔模型桩有限元模拟分析

5．3．1 与模型试验对比分析

5．3．2 与PIV试验对比分析

5．3．3 柱身轴力及桩侧摩阻力

5．3．4 位移云图

5．3．5 应力云图

5．4 本章小结

第6章 工程尺寸抗拔桩有限元模拟分析

6．1 引言

6．2 模型参数

6．3 有限元分析结果

6．3．1 柱径的影响

6．3．2 扩底直径的影响

6．3．3 桩身轴力及柱侧摩阻力分布

6．3．4 位移云图及矢量图

6．3．5 应力云图

第7章 结论和展望

7．1 主要成果与结论

7．2 研究建议与展望

参考文献

作者简介