基于透明土材料的被动桩模型试验和数值模拟研究

摘要

随着国家建设的大规模开展，大量高层建筑、桥梁和港口不断涌现，高速铁路、公路路网的加密，城市地铁建设的发展，沿海地区围垦以及大面积回填，被动承受周围土体侧压力的被动桩现象在诸多工程实践中出现。目前国内外对被动桩桩-土相互作用的研究大多是以桩体本身为研究对象，而对桩周土体的关注有限，并且模型试验研究中由于土体的性质导致其可视化程度较低，而不能得到完整准确的变形场。本研究将透明土材料和 PIV 技术结合应用到被动桩模型试验中，自行设计了包括光学平台、模型箱系统、激光器、CCD 相机等在内的三维测量系统，对受土体侧向位移作用下被动桩桩周土体三维位移场进行非插入式测量；并通过有限元分析软件ABAQUS对透明土模型试验进行了重要参数的敏感分析。　　通过大量阅读相关文献、总结前人的结论和经验并结合本模型试验特点，本文首先设计制作了适用于被动桩透明土试验的模型箱系统，并优选确定了合理的配置透明土的材料和方法以保证试验过程中激光穿透透明土产生的散斑场清晰可见。　　使用PIVview2C 软件对透明土模型试验得到的图像进行处理，得到的结果表明：单桩情况下桩的埋深对桩土相互作用的影响明显，埋深越大桩周土体的相对位移越大；两桩情况下桩间距对桩间土拱效应的影响显著，桩间距越小桩间土体位移等值线越接近拱的形状。桩周土体位移场呈现出这种变化规律是由于土体受到外部荷载作用下发生水平位移，在位移过程中由于桩的存在限制了部分土体的移动，使土体内部产生不均匀的相对位移，又由于土体颗粒之间存在粘聚力和摩擦力，在发生相对位移之后土壤颗粒之间产生“楔紧”效应。　　通过有限元分析软件ABAQUS对透明土模型试验进行三维建模分析，将得到的桩周土体位移场与试验等值线图进行比对，结果表明两者基本一致，这也验证了透明土模型试验的可行性与准确性。之后对单桩的数值模拟，研究了土体侧向位移形状和桩径两个变量对桩周土体位移场的影响，位移等值线图表明当位移形状为矩形时影响最为明显，抛物线形次之，三角形最小；随着桩径的减小桩土相互作用逐渐减弱。对两桩和双排桩的数值模拟，从土体应力的角度分析了桩间距、土体粘聚力对两桩间土拱效应和双排桩布置方式对土拱效应的影响。分别绘制了土体应力分量沿X、Y轴的分布曲线并计算了桩土荷载分担比，曲线的变化规律表明随着桩间距的减小、土体粘聚力的增大，两桩间土拱效应越来越明显，桩土相互作用也更显著；双排桩前3后2的布置方式相比前2后3的布置方式桩土相互作用略明显。本研究对揭示被动桩与周围土体的作用规律以及深入了解桩土相互作用机理有参考价值，并可为被动桩的优化设计等实际工程问题提供科学依据。

目录

1绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土体侧移作用下被动桩桩-土相互作用研究背景和现状

1.2.2 桩间土拱效应的研究现状

1.3.1 配置透明土的材料和方法

1.3.2 透明土图像处理技术

1.3.3 透明土中散斑场的形成

1.4 本文主要研究内容

2透明土模型试验系统

2.1 概述

2.2 模型试验装置

②模型箱系统

③CCD 相机

④激光器

2.3.1 概述

2.3.2 基本原理

2.3.3 PIVview2C软件

2.4 本章小结

3透明土模型试验过程及结果分析

3.1.1 透明土中的光学原理及特性

3.1.2 骨架材料

3.1.3 孔隙液体

3.1.4 透明土试样的配置过程

3.2 模型试验方案

3.3 模型试验过程

3.4 模型试验结果

3.4.1 土体侧移作用下单桩桩长对桩周土体位移场的影响研究

3.4.2 土体侧移作用下两桩桩间距对桩间土拱效应的影响

3.4.3 土体侧移作用下双排桩不同布置方式对桩间土拱效应的影响

3.5 本章小结

4被动桩桩-土相互作用的有限元分析

4.1.1 概述

4.1.2 非线性有限元分析软件ABAQUS

4.1.3 模型的建立

4.2.1 单桩土体位移场数值与试验对比

4.2.2 侧向位移分布形状的影响分析

4.2.3 桩径影响分析

4.3 两桩间土拱效应的数值分析

4.3.1 两桩土体位移场数值与试验对比

4.3.2 粘聚力对土拱效应的影响

4.3.3 桩间距对土拱效应的影响

4.4 双排桩间土拱效应的数值分析

4.4.1 双排桩土体位移场数值与试验对比

4.4.2 双排桩不同布置方式的影响分析

4.5 本章小结

5总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的学术会议

D. 学位论文数据集

致谢