土工织物加筋地基及加筋桩基的三维有限元分析

论文摘要

随着地基处理技术的发展,土工织物作为一种新型的土工合成材料,在我国岩土工程建设中得到了广泛的应用。土工织物加筋技术的设计主要是基于传统的极限平衡法,没有考虑复合地基中的各种材料的相互作用,其理论研究还不是很完善。而且,当前的数值分析基本上将加筋复合地基简化为平面应变或平面应力模型,与实际工程的空间属性有较大的差异。因此,对加筋地基的承载机理进行三维有限元分析有着重要的理论意义和实际应用价值。本文论述了土工织物加筋技术的研究现状、分析方法及问题的复杂性。以某公路路基为例,进行了三维非线性有限元分析,建立了土工织物加筋地基和桩承土工织物加筋地基两种模型。采用Drucker-Prager弹塑性模型来模拟土体的材料非线性；土工织物当作一种只能受拉不能受压的柔性薄膜材料,采用薄膜单元模拟；桩土、筋土界面设置面-面接触单元；采用Coulomb摩擦准则作为接触面的本构模型来考虑界面的状态非线性。在土工织物加筋地基的模型分析中,首先,通过对地基加筋与未加筋两种情况的对比分析,探讨了铺设土工织物对地基的变形特性和规律、应力分布的影响。成果表明：加筋能有效地发挥抗拉性能,限制地基的侧向位移,减小沉降,使地基变形均匀,提高地基的稳定性。然后通过改变土质条件、筋土界面参数、加筋模量和加筋层数,研究了各种因素对加筋效果的影响,得出了对工程应用有价值的结论,为工程设计施工提供了一定的依据。在桩承土工织物加筋地基的模型分析中,通过桩承土工织物加筋地基与土工织物加筋地基的对比分析,揭示了两种复合地基承载性能的差别,表明了桩承土工织物加筋地基可以更好地减小地基的沉降,抑制地基的侧向变形。另外,在分析桩体、土工织物及上部填土刚度对复合地基的位移场和应力场的影响时发现：当桩体、织物及上部填土刚度增大时,地基沉降量将减小,反之则地基沉降量增大；尤其是桩体对地基沉降的影响最为显著,而织物和上部填土的刚度影响不甚明显。因此,对于要求较小沉降的工程宜采用桩基来提高地基的承载力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 加筋技术的发展概述
• 1.3 复合地基理论
• 1.3.1 复合地基理论的发展
• 1.3.2 复合地基的分类
• 1.4 土工合成材料概述
• 1.5 土工合成材料在地基工程中的应用
• 1.5.1 在加筋土地基方面
• 1.5.2 在桩承土工织物加筋地基方面
• 1.6 存在的问题及发展趋势
• 1.7 本文的主要研究工作
• 1.7.1 本文的研究目的
• 1.7.2 本文的主要工作
• 2 承载机理分析
• 2.1 土工织物加筋地基的承载机理
• 2.1.1 加固机理
• 2.1.2 破坏形式
• 2.1.3 传力途径
• 2.1.4 界面处理及其分析计算方法
• 2.2 桩承土工织物加筋地基的承载机理
• 2.2.1 加固机理
• 2.2.2 褥垫层
• 2.2.3 破坏形式
• 2.2.4 传力途径
• 2.2.5 界面处理及其分析计算方法
• 2.3 本章小结
• 3 复合地基有限元分析基本理论
• 3.1 本构模型
• 3.1.1 土体的本构模型
• 3.1.2 土工织物的本构模型
• 3.1.3 桩体的本构模型
• 3.2 非线性分析的基本方法
• 3.2.1 非线性方程组的解法
• 3.2.2 直接迭代法
• 3.2.3 Newton-Raphson方法（简称N-R方法）
• 3.2.4 增量法
• 3.2.5 数值分析软件的选择
• 3.2.6 非线性解的收敛性与稳定性
• 3.3 接触分析
• 3.3.1 接触问题
• 3.3.2 接触界面条件
• 3.3.3 接触界面的状态描述
• 3.3.4 接触问题求解的过程
• 3.3.5 本课题的接触处理
• 3.4 ANSYS中的收敛问题
• 3.4.1 影响非线性收敛的主要因素
• 3.4.2 加强收敛的技巧
• 3.5 本章小结
• 4 土工织物加筋地基的非线性分析
• 4.1 有限元模型选取
• 4.2 计算条件
• 4.3 计算成果分析
• 4.3.1 位移
• 4.3.2 应力
• 4.4 加筋效果分析
• 4.4.1 土质条件对加筋效果的影响
• 4.4.2 织物与土界面强度对加筋效果的影响
• 4.4.3 加筋模量对加筋效果的影响
• 4.4.4 加筋层数对加筋效果的影响
• 4.5 本章小结
• 5 桩承土工织物加筋地基的非线性分析
• 5.1 桩承土工织物加筋地基的数值模型
• 5.2 桩承土工织物加筋地基与土工织物加筋地基的对比分析
• 5.2.1 位移
• 5.2.2 织物受力
• 5.3 桩承土工织物加筋地基承载特性的分析
• 5.3.1 桩体刚度对桩承土工织物加筋地基的影响分析
• 5.3.2 织物刚度对桩承土工织物加筋地基的影响分析
• 5.3.3 上部填土刚度对桩承土工织物加筋地基的影响分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录