黄土桩基桩土共同作用性状仿真与试验研究

论文摘要

黄土的工程特性和地层分布具有其自身的特点，黄土区桥梁桩基桩—土—承台共同工作的研究越来越受到工程界和学术界的关注。本论文在总结国内外研究现状的基础上，通过现场测试和离心试验研究，利用数值仿真技术，结合理论推导，对黄土区桥梁桩基桩—土—承台共同作用进行了系统分析。 1、基于Visual Fortran平台，对大型通用有限元软件Marc进行了二次开发，研编了更适用于分析桩基和岩土问题的系列用户子程序包，主要包括：模拟地基初始应力及其释放子程序、移动分布荷载子程序、参数随工况变化的非线性弹性本构关系子程序、接触面单元子程序和动态接触状态子程序等。 2、进行了黄土地区桥梁桩基现场静载试验，试验中对各级荷载下的桩顶沉降、桩身轴力、桩端反力及桩侧摩阻力进行了现场测试和分析；同时进行了现场浸水试验，对黄土湿陷区干燥状态及浸水状态单桩竖向承载特性变化情况进行了研究。揭示了地面浸水对黄土区域桥梁桩基承载力性状的影响规律：分析了桩及桩周土浸水期间的沉降变化特征。 3、建立了分析桥梁桩基单桩空间轴对称有限元模型；结合此模型提出了计算自重湿陷性黄土地区合理桩长的方法——叠加法，得出了当中性点上、下土层摩擦力分布形式相同时，应增加的桩长与摩擦力的分布形式无关，而只与极限摩擦力的大小有关的结论。运用此方法分析了自重湿陷性黄土湿陷特性对桩基承载性状的影响规律，结果表明：在极限荷载时，中性点深度与桩长有关；湿陷系数对桩剩余承载力的影响是非线性的；定量给出了中性点深度及应增加桩长的范围。基于剪切位移法并利用弹性理论，推导了自重湿陷性黄土条件下桩基沉降、轴力及中性点计算公式，并与工程实测进行了对比验证。 4、考虑桩周土体及桩—土接触的非线性，建立了分析群桩的三维空间有限元计算模型，分析了各种土体和桩体参数条件下群桩基础的承载性状及各参数对群桩效应的影响；对Vesic法进行了改进，克服了原公式不能考虑群桩桩长的缺点；通过初应力释放子程序，模拟了黄土的自重湿陷，并进一步分析了负摩阻力条件下的群桩效应。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.1.1 黄土的工程特性
• 1.1.2 课题的提出
• 1.2 桩基研究评述
• 1.2.1 桩─土共同作用理论研究
• 1.2.2 桩土共同作用试验研究
• 1.2.3 桩基负摩阻力研究
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 桩土体系作用性状数值仿真技术
• 2.1 仿真软件
• 2.2 计算模型建立
• 2.2.1 几何模型
• 2.2.2 单元类型
• 2.2.3 材料本构模型
• 2.2.4 计算参数选取
• 2.3 用户子程序开发
• 2.3.1 基本功能
• 2.3.2 Marc用户子程序研发
• 2.3.3 自定义单元类型子程序 SUBROUTINE USELEM
• 2.3.4 土体初始应力子程序 SUBROUTINE UINSTR
• 2.4 桩土接触面模拟技术
• 2.4.1 2 节点接触单元
• 2.4.2 8 节点三维接触单元
• 2.4.3 局部坐标系的规定和坐标转换矩阵
• 第三章 桩基现场静载试验
• 3.1 概况
• 3.1.1 工程概况
• 3.1.2 地质概况
• 3.1.3 试验概况
• 3.1.4 试验研究目的
• 3.1.5 试验研究内容
• 3.1.6 试验研究思路
• 3.2 试验设计方案
• 3.2.1 试桩设计
• 3.2.2 测试元件布设
• 3.2.3 锚桩设计
• 3.3 加载系统设计
• 3.3.1 反力梁设计
• 3.3.2 反力梁的加工
• 3.3.3 加载系统安装
• 3.4 试验加载与测试
• 3.4.1 测试内容
• 3.4.2 加、卸载方法
• 3.5 浸水试验设计
• 3.5.1 浸水范围
• 3.5.2 注水孔设计参数
• 3.5.3 测点布设
• 3.5.4 测试设计
• 3.5.5 浸水试验保温措施
• 3.6 载荷试验成果分析
• 3.6.1 试验成果
• 3.6.2 桩浸水后的承载特性
• 3.6.3 桩的承载力性状
• 3.6.4 桩身轴力及桩端阻力发挥性状
• 3.6.5 桩的侧阻力发挥性状
• 第四章 湿陷性黄土地区单桩合理桩长
• 4.1 数值仿真可靠性论证
• 4.1.1 模型验证
• 4.1.2 分析方法
• 4.2 仿真计算
• 4.2.1 计算参数选取
• 4.2.2 合理桩长计算
• 4.3 成果分析
• s对中性点的影响'>4.3.1 湿陷系数δ_s对中性点的影响
• 1/P₀的影响'>4.3.2 湿陷系数对 P₁/P₀的影响
• 1/P₀的影响'>4.3.3 桩径对 P₁/P₀的影响
• 1/P₀的影响'>4.3.4 桩长对 P₁/P₀的影响
• 0的关系及影响因素'>4.3.5 △L与h₀的关系及影响因素
• 4.4 理论计算分析
• 4.4.1 力学模型的建立
• 4.4.2 计算公式的推导
• 4.4.3 分析
• 4.5 工程应用
• 4.5.1 工程概况
• 4.5.2 对比分析
• 4.6 主要结论
• 第五章 群桩受力特性仿真分析
• 5.1 几何模型
• 5.1.1 取土深度的影响
• 5.1.2 取土宽度的影响
• 5.1.3 结论与建议
• 5.2 群桩基础沉降分析
• 5.2.1 土体模量对高、低承台群桩基础沉降的影响
• 5.2.2 高、低承台群桩基础沉降对比
• 5.2.3 承台厚度对群桩基础沉降的影响
• 5.2.4 接触单元位移及桩端位移分析
• 5.3 群桩基础承载性状分析
• 5.3.1 桩长对群桩基础承载性状的影响
• 5.3.2 桩距对群桩基础承载性状的影响
• 5.3.3 桩身轴力分析
• 5.3.4 承台对群桩基础承载性状的影响
• 5.3.4 群桩效应分析
• 5.4 自重湿陷性黄土地基群桩效应研究
• 5.5 工程实例
• 5.5.1 工程概况
• 5.5.2 试桩设计
• 5.5.3 仿真计算分析
• 5.5.4 小结
• 5.6 主要结论
• 第六章 桩基施工过程数值模拟
• 6.1 岩土工程施工数值计算概述
• 6.1.1 概述
• 6.1.2 研究现状
• 6.2 桩基施工数值计算思路
• 6.2.1 研究背景
• 6.2.2 灌注桩施工数值计算思路
• 6.2.3 施工计算流程图
• 6.3 工程实例
• 6.3.1 工程概况
• 6.3.2 模型的建立及计算参数的选取
• 6.3.3 仿真成果分析
• 6.4 主要结论
• 第七章 桥梁桩基离心试验
• 7.1 试验目的
• 7.2 离心模型试验理论
• 7.2.1 试验原理
• 7.2.2 桩基离心模型的比尺关系
• 7.2.3 模型制作误差分析
• 7.3 离心机主要技术指标与仪器研发
• 7.3.1 TLJ-3离心机主要技术性能
• 7.3.2 试验仪器研发
• 7.4 桩基离心模型试验计划及方法
• 7.4.1 模型比率
• 7.4.2 模型材料选取
• 7.4.3 测点布置
• 7.4.4 试验方案
• 7.4.5 试验数据处理
• 7.4.6 安装模型
• 7.5 试验结果分析
• 7.5.1 Q-S曲线分析
• 7.5.2 轴力分析
• 7.6 主要结论
• 第八章 主要结论与建议
• 8.1 主要结论
• 8.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢