大直径超长桩侧阻软化试验与理论研究

论文摘要

随着高层、超高层建筑及大跨桥梁等建（构）筑物的建设,大直径超长桩因具有单桩承载力高等优点逐渐得到广泛应用。本文针对软土地基中大直径超长桩承载变形机理和试验中发现的桩侧阻软化现象,从现场试验、室内常规试验与离心模型试验、理论分析三方面开展了研究工作。 对深厚软土地基中的大直径超长桩进行了同时观测桩顶、桩端沉降和桩身应力应变的静载荷试验,研究了荷载水平、桩身几何参数、桩端持力层性质、桩身压缩变形特性对其承载变形性状的影响;得到了侧阻与端阻的发挥规律,二者的发挥是一个异步且互相耦合的过程。研究发现深厚软土中的大直径超长桩存在侧阻软化现象,在实测基础上给出了侧阻软化后桩的典型Q-S曲线。 对现场取样的桩侧泥皮土和桩间土进行了室内常规试验和三轴试验,得到了其物理力学性能和变形特性。试验结果表明,泥皮土比桩间土更容易发生应变软化。对9根不同桩长、桩径、持力层的单桩和4组群桩进行了考虑与不考虑泥皮效应的离心模型试验,分析了泥皮对桩侧摩阻力和承载力的影响,进一步研究了软土中大直径超长桩承载变形性状,得到了桩径、桩长对桩侧摩阻力的影响规律,研究了侧阻软化效应并与现场测试结果进行对比;分析了桩距对大直径超长群桩承载性状的影响以及承载力的群桩效应,对比了单桩与群桩侧阻发挥的异同。 采用统一强度理论和三折线软化模型分析了柱孔收缩问题,基于Drucker-Prager模型分析了桩侧土体的结构性软化影响因素,研究了不同摩擦本构关系以及桩侧土体主应力轴旋转对侧摩阻力的影响,分析了长径比对桩身压缩量及桩侧摩阻力的影响。结果表明,桩周土体性状、桩土界面性状、荷载水平、桩身几何与压缩变形特性都将对侧阻软化产生影响。通过对离心试验结果与现场实测结果的归纳分析,建立了归一化后的桩侧摩阻力与桩土相对位移函数关系,提出了侧阻在不同阶段的计算方法。 提出了一个广义双曲线函数来考虑侧阻软化效应,基于荷载传递法,通过耦合Mindlin解来考虑桩侧摩阻力引起的桩端沉降,采用Rusch模型来考虑高荷载水平下桩身混凝土的弹塑性特性,建立了大直径超长单桩分析模型。通过与现场实测结果和离心试验结果的对比,验证了其合理性。采用该分析模型,分析了桩身几何参数、桩顶荷载水平、混凝土弹塑性和桩侧阻软化效应对大直径超长单桩承载变形性状的影响。提出了最优桩长和最优弹性模量概念,得到了大直径超长桩轴向割线刚度和端阻比的变化规律。 利用有限元方法,建立了群桩分析模型,模型中考虑了桩侧土体的应变软化以及桩土界面的摩擦性状,对大直径超长群桩进行了研究,得到了群桩侧摩阻力

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题国内外研究现状
• 1.2.1 大直径超长桩研究现状
• 1.2.2 桩基离心试验研究现状
• 1.2.3 桩侧摩阻力研究现状
• 1.3 目前存在的问题
• 1.4 本文研究思路与研究内容
• 第二章 大直径超长桩静载荷试验与侧阻软化
• 2.1 引言
• 2.2 单桩承载力确定方法
• 2.3 大直径长桩静载荷试验研究
• 2.4 高荷载水平下大直径超长桩承载变形研究
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 静载荷试验方案
• 2.4.3 静载荷试验结果分析
• 2.5 侧阻软化现象发现及其定义
• 2.6 本章小结
• 第三章 考虑泥皮效应的大直径超长桩离心试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 泥皮力学性能与变形特性
• 3.2.1 泥皮物理力学性状
• 3.2.2 泥皮强度特性
• 3.2.3 泥皮应力-应变特性
• 3.3 离心试验原理
• 3.4 试验设备
• 3.4.1 数据采集系统
• 3.4.2 计算机控制电液伺服加荷系统
• 3.4.3 工作原理
• 3.5 离心试验方案
• 3.5.1 试验模型示意图
• 3.5.2 模型土的选取与制备
• 3.5.3 模型桩的设计
• 3.5.4 泥皮的模拟
• 3.5.5 承台及荷载的模拟
• 3.5.6 桩基的入土与加载
• 3.6 应变、应力和变形测量与计算
• 3.7 离心试验结果分析
• 3.7.1 单桩试验结果分析
• 3.7.2 群桩试验结果分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 大直径超长桩侧阻软化影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 软土的材料软化及其对桩侧摩阻力的影响分析
• 4.2.1 屈服准则与流动法则
• 4.2.2 基本方程
• 4.2.3 问题解答
• 4.2.4 影响因素分析
• 4.3 土体的结构性软化及其对桩侧摩阻力的影响
• 4.4 加载过程中土单元应力路径对桩侧摩阻力的影响
• 4.5 界面性状及其对桩侧摩阻力的影响分析
• 4.5.1 摩擦性状
• 4.5.2 不同摩擦关系对桩侧摩阻力的影响
• 4.6 长径比对桩侧摩阻力的影响分析
• 4.7 侧阻的确定方法
• 4.8 本章小结
• 第五章 考虑侧阻软化的大直径超长单桩解析解
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型
• 5.2.1 桩土体系荷载传递分析
• 5.2.2 桩身混凝土的弹塑性
• 5.2.3 考虑侧阻软化的桩侧传递函数
• 5.2.4 桩端传递函数
• 5.2.5 桩侧摩阻力对桩端沉降的影响
• 5.2.6 参数的确定
• 5.3 计算方法
• 5.4 方法验证
• 5.4.1 与实测结果的对比
• 5.4.2 试验结果的对比
• 5.5 影响参数分析
• 5.5.1 桩长对荷载—沉降特性的影响
• 5.5.2 桩径对荷载—沉降特性的影响
• 5.5.3 桩身混凝土模量对荷载—沉降特性的影响
• 5.5.4 混凝土弹塑性性状对荷载—沉降特性的影响
• 5.5.5 桩顶荷载水平对桩身混凝土模量的影响
• 5.5.6 桩侧土体软化对荷载—沉降特性的影响
• 5.5.7 桩侧摩阻力发挥性状分析
• 5.5.8 单桩轴向刚度分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 考虑侧阻软化的大直径超长群桩有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 有限元计算模型与方案
• 6.3 与实测结果的拟合对比
• 6.4 对不同的参数下进行分析
• 6.4.1 桩侧摩阻力曲线
• 6.4.2 桩土界面对群桩荷载沉降的影响
• 6.4.3 桩间距对群桩的影响
• 6.4.4 桩长对群桩承载变形的影响
• 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
• 主要符号说明
• 参考文献 （REFERENCES）
• 致谢
• 作者简介
• 附录