水平偏心受荷群桩响应及影响因素分析

摘要

桩基础作为常见的深基础形式，常用于桥梁、海上平台、跨海输电塔和海上风机等大型建筑物中。这些结构物经常受到风荷载、水流荷载、船舶碰撞荷载等作用，从而引起群桩基础受到较大水平荷载作用。这些荷载的作用位置和作用方向具有很大的随机性，传递至群桩基础时往往使桩基础同时发生水平和扭转位移，导致群桩内不同位置基桩的响应出现较大差别。当某根基桩内力超过其极限承载力时该基桩会因发生破坏而退出工作，使荷载在剩余群桩中重新分配，进而出现基桩依次破坏的群桩失效过程。
　　本文基于弹性地基假设建立了考虑多种桩-土-桩相互作用影响的水平偏心受荷群桩分析模型。模型中考虑的桩-土-桩相互作用包括(1)两基桩水平力间相互作用和(2)两基桩水平力和扭矩之间相互作用;两基桩水平力间相互作用包括受相互平行水平力的两基桩间相互作用和受相互垂直水平力的两基桩间相互作用。模型中单桩水平响应采用Randolph利用有限元法得到的地表桩头响应计算公式;单桩扭转响应采用Randolph基于理想弹塑性理论给出桩头扭转闭合解。本文对上述模型进行了扩充，集成了Randolph提出的群桩竖向分析方法，使模型具有分析任意荷载组合的能力，适合于实际工程问题的分析。
　　利用该模型分别研究了桩-土-桩相互作用、荷载作用位置和方向、群桩参数以及地基参数对水平偏心加载群桩响应的影响规律，探讨了群桩受到撞击时的最不利受力位置及方向。利用扩展模型研究了承台倾覆对高承台群桩响应的影响。
　　研究发现，桩-土-桩相互作用降低群桩水平承载力，对群桩抗扭承载力的影响与群桩规模有关，桩-土-桩相互作用降明显增大桩头剪力间差异，是造成桩头剪力和桩头位移方向不一致的主要原因之一;承台水平位移和承台扭转角随桩间距减小，基桩桩头剪力随桩间距的增大趋于均匀;承台位移和承台扭转角随承台高度的增大而增大;基桩桩头剪力随承台高度趋于均匀;考虑承台倾覆时，群桩水平位移显著增大，且基桩桩头剪力大小和方向均有所差异，成为导致桩头剪力和位移方向不一致的另一个原因。
　　相同基桩数目的群桩在不同布置形式下的表现的存在差异，正方形布置形式群桩各方向上水平刚度相同，桩头剪力分布最均匀;三角形布置群桩在某一方向的水平承载力大于正方形布置群桩，但基桩桩头剪力均匀性较差;圆形布置群桩在任意方向上水平刚度相同，但桩头剪力分布均匀性不及矩形布置群桩;不规则布置群桩桩头剪力均匀性差，不利于群桩整体承受外部荷载。
　　水平荷载作用位置和作用方向影响群桩中荷载分配规律，使群桩存在最不利受荷情况。对于均匀布置的群桩，最不利受力位置一般为承台角部，最大桩头剪力总是发生在靠近荷载作用点的基桩上;对于正方形布置群桩，最不利受力方向为垂直于经过该承台角点的对角线方向。

目录

声明

致谢

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水平受荷单桩研究

1．2．2 受扭单桩响应研究

1．2．3 水平受荷群桩响应研究

1．2．4 受扭群桩响应研究

1．2．5 水平偏心受荷群桩研究

1．3 本文主要研究工作

2 水平偏心加载群桩分析模型

2．1 引言

2．2 单桩响应分析

2．2．1 水平受荷单桩响应

2．2．2 受扭单桩响应

2．2．3 考虑自由长度的单桩响应分析

2．3 群桩响应中的桩-土-桩相互作用分析

2．3．1 两桩水平荷载问的相互作用

2．3．2 两桩水平荷载和弯矩的相互作用

2．3．3 两桩弯矩间的相互作用

2．3．4 两桩水平荷载和扭矩间的相互作用

2．4 群桩分析模型

2．5 程序验证

2．6 本章小结

3 水平偏心加载群桩响应分析

3．1 群桩响应影响因素分析

3．2 桩-土-桩相互作用的影响

3．2．1 群桩承台响应

3．2．2 基桩响应

3．3 荷载组合影响

3．3．1 荷载偏心距的影响

3．3．2 荷载作用方向的影响

3．3．3 荷载作用位置和方向的组合影响

3．4 群桩参数的影响

3．4．1 群桩布置形式的影响

3．4．2 桩间距的影响

3．4．3 承台高度的影响

3．4．4 桩身刚度的影响

3．5 土体参数对群桩响应的影响

3．5．1 土体模量分布的影响

3．5．2 泊松比的影响

3．6 群桩最不利受力条件分析

3．7 本章小结

4 考虑承台倾覆的水平偏心受荷群桩分析模型

4．1 引言

4．2 模型建立

4．2．1 单桩竖向响应

4．2．2 两桩竖向荷载间的相互作用

4．3 程序验证

4．3．1 大尺寸模型试验对比分析

4．3．2 离心模型试验对比分析

4．4 承台倾覆对水平偏心受荷群桩响应的影响

4．4．1 对承台响应的影响

4．4．2 对基桩响应的影响

4．4．3 倾覆弯矩对水平偏心受荷群桩响应的影响

4．5 本章小结

5 实际工程算例

5．1 引言

5．2 工程概况

5．3 最不利受力条件研究

5．3．1 荷载组合

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

6 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及硕士期间所取得的科研成果