H-T联合作用下单桩承载特性试验研究及数值分析

摘要

近年来，随着近海资源的不断开发，海上钻井平台、风力发电塔等工程大量兴建。桩基础因其承载力高、造价低、施工方便等优点在这类工程中得到广泛应用，且这类桩基不仅承受水平力、竖向力和弯矩的作用，还常常承受不可忽略的扭矩。当上部结构的自重等竖向荷载相对较小(如风力发电塔)时，水平力H和扭矩T就成为了桩身承载力的控制因素，基于简单的叠加原理可能会使设计偏于不安全并导致灾难性后果。为此，本文基于已有相关研究工作，重点考虑桩顶水平力H和扭矩T两种荷载的组合作用，采用室内模型试验和数值模拟分析，并结合相关理论，探讨单桩基础在其不同大小及加载顺序等组合工况下的承载特性，主要工作如下：
　　首先，总结归纳了单一水平受荷桩和纯受扭桩的内力变形分布规律，并基于改进的有限单元法探讨了H-T联合作用下单桩的承载特性，为室内模型试验研究和数值模拟分析提供基础。
　　其次，利用自主研制的组合加载装置，设计完成了一系列均质砂土地基中单一水平力H、扭矩T和H-T联合作用下的单桩静载试验，获得了相应的桩身内力与变形的大小与分布规律及桩身极限承载力，由此探讨了桩身承载破坏机理，分析了不同H-T加载顺序对桩身承载力产生的影响，进而获得了H-T联合受荷桩承载特性的相互影响曲线即桩身承载力包络线，并经拟合给出了H-T联合受荷桩承载力简化计算公式。
　　最后，基于 ABAQUS建立了砂土地基中单桩基础的三维数值分析模型，结合已有理论与试验研究成果对单一水平受荷桩与纯受扭桩进行模型验证后，对H-T联合受荷桩进行了数值模拟分析，获得了桩身及桩周土体的应力与位移云图，由此探讨了H-T联合受荷桩的承载变形特性。在此基础上，经参数对比分析，获得了桩、土材料的弹性模量Ep(Es)与泊松比υp(υs)、桩-土摩擦系数μ、桩身长径比及桩顶荷载加载顺序等参数对H-T联合受荷桩内力变形的影响规律。同时，将获得的1/2Tu→Hu荷载组合作用下桩身扭矩与改进的有限单元法计算结果和模型试验实测值进行了对比分析。

目录

第1章 绪论

1.1 桩基础概述

1.2 选题背景及研究意义

1.3 H-T联合受荷桩承载特性研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 单一受荷桩及H-T联合受荷桩承载特性分析

2.1 引言

2.2 能量法分析水平受荷桩的承载特性

2.3 纯受扭单桩的承载特性分析

2.4 H-T联合受荷单桩承载特性分析

2.5 本章小结

第3章 H-T联合作用下单桩承载特性模型试验研究

3.1 引言

3.2 模型试验参数的确定

3.3 模型试验设计

3.4 试验内容及步骤

3.5 试验结果分析与对比

3.6 模型试验结果验证

3.7 本章小结

第4章 H-T联合作用下单桩承载特性数值模拟分析

4.1 引言

4.2 ABAQUS计算原理

4.3 模型建立

4.4 模型分析

4.5 参数分析

4.6 加载顺序的影响

4.7 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文及科研情况