改进的荷载传递法在桩基沉降计算中的应用研究

摘要

如今的大型基础设施的建设都离不开桩基础,但是桩基础的沉降计算一直以来都是一个难题.而对大量的桩基沉降的原位试验和离心试验都表明桩基的侧摩阻力在不同应力水平下呈现很明显的非线性,于是很有必要将非线性考虑到单桩或群桩的沉降计算中.本文针对侧摩阻力非线性的多样性,包括侧阻硬化,侧阻软化和弹塑性模型,建立了改进的荷载传递法--统一三折线模型对单桩和群桩的沉降计算做了解析方法和数值方法上的研究. 对荷载传递法中的一些容易引起误解的概念做了对比分析,首先发现桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系和桩侧摩阻力与桩身位移的关系是相同的,其原因是桩土相对位移和桩身位移在桩侧表面实际上是同一个物理量.其次明确了荷载传递的双曲线模型有经验双曲线与理论双曲线之分,以及侧摩阻力为加工硬化时临界位移值是如何确定的. 通过建立统一三折线模型(可以统一表示侧阻硬化、侧阻软化和侧阻弹塑性特性),导出了考虑极限侧摩阻力沿深度线性增加时的单桩荷载传递的解析解,并给出了荷载传递过程中桩身塑性段和滑移段的计算方法.利用该解析解分别对侧阻弹塑性,侧阻软化和侧阻硬化三种情况进行计算,并和已有文献算例的计算结果及桩基离心机试验结果进行了对比,发现吻合较好.采用该模型,分析了桩身几何参数、桩顶荷载水平和桩周(端)土特性对单桩承载变形性状的影响,并得出端阻比随桩身参数的变化规律. 将统一三折线模型与杆系有限元耦合,建立了一种简便的矩阵位移法,从而将统一三折线模型扩展到成层土中单桩的沉降计算.该法通过统一三折线将桩侧摩阻力化为等效非线性弹簧,而将桩身离散成杆系单元,采用初应力法求解非线性方程组,同时可将桩身混凝土的弹塑性以及桩侧摩阻力对桩端沉降的影响计入到最终的单桩沉降计算值.利用该法对文献已有算例,离心试验以及工程实测中的单桩沉降进行计算对比,发现与实测结果以及解析法的计算结果比较吻合.利用该模型研究了高水平荷载作用下,混凝土弹塑性的分布规律以及侧阻对桩端沉降影响的适用范围. 将三折线模型的线弹性段荷载传递关系通过群桩混合法的概念引入到群桩沉降计算中.通过和Randolph模型的类比,得出该线弹性段刚度的理论表达式,并将该表达式应用到群桩计算中,进行了相关的参数研究.分析了在弹性半无限空间中不同群桩的基桩荷载沉降比和各基桩的荷载分布随长径比、距径比、桩土刚度比的变化规律；分析了有限厚度土层以及桩端土模量与桩周土模量之比对群桩沉降和荷载分布的影响；最后还分析了成层土各土层的分布形式对群桩荷载分布的影响. 将统一三折线模型通过群桩混合法引入到群桩沉降计算中,从而能够将侧摩阻力的非线性计入到群桩沉降的计算.用该方法对离心试验和工程实例中的群桩沉降进行计算,并将计算结果与实测结果进行对比,验证了方法的可行性.同时用该法研究了群桩端阻比和桩端沉降随承台顶荷载的变化规律,以及软化程度对群桩承载变形特性的影响.

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1对桩土体系的回顾

1.2.2单桩沉降的研究现状

1.2.3群桩沉降的研究现状

1.3本文的研究思路和研究内容

第二章荷载传递法中的几个问题

2.1引言

2.2桩土相对位移的概念

2.3两种双曲线模型的对比

2.3.1经验双曲线模型

2.3.2理论双曲线模型

2.3.3两类模型的对比

2.4三折线模型各阶段的划分

2.5本章小结

第三章单桩荷载传递法的统一三折线模型研究

3.1引言

3.2计算模型

3.2.1桩侧传递函数模型

3.2.2桩端传递函数模型

3.2.3计算假设

3.3统一三折线解析解的推导

3.3.1桩周土全部处于弹性阶段

3.3.2桩周土部分进入塑性状态

3.3.3桩周土部分进入滑移阶段

3.4桩顶刚度的讨论

3.4.1桩周土完全处于弹性状态

3.4.2桩周土部分进入塑性段

3.4.3桩周土部分进入滑移段

3.5模型参数的取值

3.5.1极限侧摩阻力参数τ0和f的确定

3.5.2桩侧和桩端刚度系数的确定

3.6三折线法算例与实例分析

3.6.1桩周土为侧阻硬化模型的实例验证分析

3.6.2桩周土为弹塑性模型的算例分析

3.6.3桩周土为侧阻软化模型的参数分析

3.7本章小结

第四章荷载传递法与杆系有限元耦合分析单桩沉降

4.1引言

4.2计算模型

4.2.1桩周土与桩端土模型

4.2.2单桩的有限元模型

4.2.3桩身混凝土的弹塑性

4.2.4桩侧摩阻力对桩端沉降的影响

4.3计算处理方法

4.3.1初应力法

4.3.2线性方程组解法

4.3.3计算程序流程

4.4实例验证和分析

4.4.1侧阻软化算例对比

4.4.2离心试验侧阻硬化的验证

4.4.3温州世贸中心实例分析

4.5本章小结

第五章侧阻线弹性对群桩荷载分布和沉降计算的影响

5.1引言

5.2混合法的计算步骤

5.2.1平衡方程的建立

5.2.2刚度系数的确定

5.2.3计算步骤

5.3各向同性的半无限空间中群桩的特性

5.3.1长径比对荷载分布和群桩沉降的影响

5.3.2距径比对荷载分布和群桩沉降的影响

5.4有限厚度土层中群桩的特性

5.4.1刚性层埋深和长径比对荷载分布与群桩沉降的影响

5.4.2刚性层埋深和距径比对荷载分布与群桩沉降的影响

5.4.3桩端土模量对群桩荷载分布的影响

5.5分层土中群桩的特性

5.6本章小结

第六章侧阻非线性对群桩沉降和荷载分布的影响

6.1引言

6.2考虑侧阻非线性的混合法

6.2.1非线性的荷载传递模型

6.2.2桩土体系平衡方程的建立

6.2.3计算流程

6.3实例对比验证

6.3.1工程实例对比

6.3.2离心机试验对比

6.3.3考虑侧阻软化的群桩沉降计算

6.4方法应用的讨论

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.2进一步研究工作的展望

参考文献

致谢

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