土与结构界面模型单剪与直剪试验对比研究

论文摘要

工程中地下水位下降、地层移动、地面堆载等现象导致土体与结构的相对移动,由于地层与结构物变形的不同步,使得界面上产生较大的剪应力,引起结构的破坏。在桩基的设计中,为避免破坏事故的发生,确保工程安全,正确模拟土体与结构相互作用、明确界面的抗剪力学行为具有重要的应用意义。本论文依此为工程研究背景,在河南理工大学原有的及改装后的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪试验系统上分别进行不同颗粒级配的砂土（包括:干燥及饱和的砾砂、粗砂、中砂、细砂）及不同含水量的粘土（包括:15%、20%、25%、饱和）与不同结构材料（包括:木材、钢材、混凝土）不同界面（包括:光滑、粗糙）的一系列单剪和直剪试验。根据试验结果得出了界面剪应力与剪切位移、剪应力与法向应力的关系,在此基础上分析了单剪与直剪力学性质的区别;通过对正交试验数据的方差分析和直观分析,探讨了粘土与结构物单剪时各影响因素的敏感性,并分析了粘土含水量对剪切特性的影响规律。此外,本论文运用大型通用有限元分析软件ANSYS对桩—土界面剪切进行了数值模拟分析;通过数值模拟的方法对界面剪切特性影响较显著的界面粗糙度因素展开了定量的研究,并分析了桩身刚度对界面剪切特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题提出
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 剪切试验仪器
• 1.3.2 主要研究成果
• 1.4 研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法及技术路线
• 1.5 小结
• 2 试验系统
• 2.1 DSJ-2 型电动四联等应变直剪仪简介
• 2.2 DSJ-2 型电动四联等应变直剪仪改装后的设备
• 2.3 设备系统
• 2.3.1 设备测量系统
• 2.3.2 设备控制系统
• 2.3.3 设备系统软件
• 2.3.4 试验设备图
• 2.4 小结
• 3 土与结构界面单剪与直剪试验及对比分析
• 3.1 砂土剪切试验及对比分析
• 3.1.1 试验方案
• 3.1.2 试验试样的制备及试验方法
• 3.1.3 试验数据
• 3.1.4 试验数据分析
• 3.2 粘土剪切试验及对比分析
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.2 试验试样的制备及试验方法
• 3.2.3 试验数据
• 3.2.4 试验数据分析
• 3.3 单剪直剪试验下界面抗剪强度指标换算
• 3.3.1 砂土剪切
• 3.3.2 粘土剪切
• 3.4 小结
• 4 粘土与结构界面单剪特性影响因素分析
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 因素水平的安排
• 4.1.2 试验规划
• 4.2 试验结果
• 4.2.1 剪应力—剪切位移关系曲线
• 4.2.2 界面剪应力峰值强度
• 4.2.3 界面剪应力残余强度
• 4.3 正交试验分析
• 4.3.1 正交试验方差分析和直观分析理论
• 4.3.2 界面剪应力峰值强度分析
• 4.3.3 界面剪应力残余强度分析
• 4.4 粘土含水量对界面剪切特性的影响分析
• 4.4.1 试验结果
• 4.4.2 试验数据分析
• 4.5 小结
• 5 桩—土接触界面剪切特性数值模拟研究
• 5.1 有限元分析方法和有限元软件 ANSYS 简介
• 5.2 计算单元及材料模型的选用
• 5.2.1 土体单元Solid45
• 5.2.2 混凝土单元Solid65
• 5.2.3 界面接触单元
• 5.2.4 粘土Drucker-Prager（DP）材料介绍及其计算准则
• 5.2.5 桩线弹性模型介绍及其计算准则
• 5.3 数值模拟方案的安排
• 5.4 有限元模型
• 5.4.1 基本假设
• 5.4.2 计算参数的取值
• 5.4.3 有限元计算模型
• 5.5 数值模拟计算的实现
• 5.6 计算结果
• 5.6.1 界面剪应力在各荷载步下等值线图
• 5.6.2 各工况在各荷载步下界面剪应力值
• 5.6.3 各工况下桩顶竖向位移
• 5.7 计算结果分析
• 5.7.1 界面剪应力等值线图分析
• 5.7.2 界面剪应力强度的分析
• 5.7.3 桩顶竖向位移分析
• 5.8 小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题及建议
• 参考文献
• 附录 I 公开发表（待发表）的学术论文及参与的项目
• 致谢