竖向荷载下群桩基础承载性能试验及数值模拟研究

摘要

随着我国基础设施建设的大规模实施,高层建筑及大型桥梁等构筑物的建设发展迅猛,对于这些对沉降控制及承载性能要求极高的构筑物,传统的基础型式已不能满足要求,因此作为深基础型式代表的群桩基础应运而生并得到快速发展。与传统的浅基础由地基土直接承担上部结构荷载不同,群桩基础通常选择坚硬的岩土层作为其持力层,将承受的荷载传递到深层土体,特别适用于压缩性较高的软弱土体,其加固区特性符合荷载作用下地基中的应力场和位移场特性,已被证明在提高基础安全性和减小沉降上是经济且有效的基础型式。　　论文在认识国内外单桩、群桩基础、承台及桩周土总体研究现状的基础上,阐述了竖向荷载作用下群桩基础的工作性能和承载力理论计算方法,针对群桩沉降计算的两种常用方法进行了较深入的介绍和分析,并讨论了其适用范围。　　通过室内土工试验测定了模型试验所用土体的相关物理参数,在此基础上设计并进行了竖向荷载下单桩和群桩基础承载性能的室内模型试验。通过测量桩身应变及单桩桩顶和群桩承台的沉降数据,研究分析了单桩及两种不同角桩桩距条件下群桩基础的承载性能和沉降变形特征。利用有限元软件Midas/GTS,在模型试验的基础上,对五种不同角桩桩距条件下梅花型群桩的承载性能进行数值模拟,分析了群桩沉降、桩身轴力、桩顶轴力和桩端阻力等承载性能的变化规律。通过模型试验和数值模拟,得出了以下结论:　　(1)单桩和群桩的荷载-沉降曲线分别呈陡变型和缓变型,群桩基础在角桩桩距从2.5d增大为6d的过程中沉降逐渐减小,但增大为8d时沉降反而变大,因此从控制沉降的角度考虑,将角桩桩距设置为6d较好。　　(2)单桩和群桩的轴力均沿深度呈非线性减小趋势,随着加载的增大,轴力减小的速率增大,群桩中角桩桩顶轴力大于中心桩,但这一差距随角桩桩距的增大而变小;单桩和群桩的桩侧摩阻力在深度范围内都出现了两个峰值,群桩中各桩基的摩阻力沿深度呈“B”型分布且最大摩阻力出现在桩身三分之一处。　　(3)当承台净面积不变时,群桩中承台的荷载分担量随荷载等级的提高近似呈线性增大,承台的荷载分担比随角桩桩距的增大而减小;群桩中各桩的桩端阻力随加载的增大而增大,随角桩桩距的增大而减小,角桩端阻力大于中心桩,两者间差距随角桩桩距的增大而变小,当角桩桩距增为8d时减小地尤为显著,角桩与中心桩端阻力占各自桩顶轴力的分担比随荷载的增大呈先减小后增大最后逐渐稳定的趋势。

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1 绪论

1.1问题的提出

1.2桩基础的国内外研究现状

1.3本文的主要工作内容

2 竖向荷载下群桩基础的工作性能及承载力研究

2.1群桩的工作性能研究

2.2群桩的承载力计算理论

2.3群桩的沉降计算理论

2.4小结

3 竖向荷载下群桩基础的室内模型试验设计

3.1模型试验的基本理论

3.2 试验填土的室内土工试验

3.3室内模型试验方案设计

3.4 试验前的准备及仪器介绍

3.5小结

4 模型试验结果整理与分析

4.1沉降分析

4.2桩身轴力分析

4.3桩侧摩阻力分析

4.4承台分担荷载分析

4.5小结

5 竖向荷载下群桩基础承载性能的非线性有限元分析

5.1有限元法的基本理论和Midas/GTS软件简介

5.2群桩基础承载性能GTS有限元模型的建立

5.3有限元模型结果及分析

5.4小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果