饱和砂土液化过程中桩土相互作用p-y曲线研究

论文摘要

评价地震荷载作用下桩的水平承载特性是进行桩基础设计的一项重要内容。虽然国内外对饱和砂土液化后的桩基水平承载力已有一些研究,但是仍然没有得到一个被广泛接受的结论。注意到地震荷载作用下,尽管饱和砂土没有液化,但是由于震动残余孔压的产生会导致土层发生弱化,以往的研究很少探讨弱化土层中桩的水平承载特性。为此,本文通过水平荷载作用下的桩土相互作用模型试验,研究不同弱化状态以及液化后的饱和砂土中单桩的水平承载特性及相应的p-y关系曲线,具体内容如下:首先,应用有效应力原理,提出了一种模拟震动导致的具有残余孔压饱和砂土与桩相互作用的模型试验方法。该方法通过在饱和土层中施加反压,使饱和砂土中维持某一特定的孔压比,以此模拟震动荷载作用下饱和砂土中由于残余孔压的产生而导致土强度降低的弱化状态。进而针对不同弱化状态的饱和土层进行了水平荷载作用下的单桩承载特性模型试验,研究了残余孔压对桩基水平承载力的影响。结果表明,随土层残余孔压的增加,桩的水平承载力逐渐降低,土层液化后,其降低的程度与已有的振动台及离心模型试验结果一致。进一步,分析了弱化饱和砂土层桩土相互作用的p、y关系,研究了确定弱化土层p-y曲线必要参数的变化规律。通过分析土层在液化过程中的破坏模式,提出了依据弱化土强度参数确定其水平极限抗力的方法。通过利用3-D有限元的方法研究三段结构p-y曲线上的特征桩侧位移yu、ym与土反力模量系数的变化,分析了它们随弱化土参数以及桩径的变化关系,建立了依据桩、土参数确定yu、ym及土反力模量系数的方法。最后,参照Reese及API规范建议的方法,综合本文对弱化p-y曲线及相应参数的研究结果,建立了构造饱和砂土三段结构形式与双曲形式弱化p-y曲线的方法。采用所建立的两种方法确定的饱和砂土弱化p-y曲线与模型试验得到的p-y曲线基本吻合。进一步,依据弱化p-y曲线计算的桩身弯矩与模型试验实测结果也基本一致。这说明本文建立的两种方法均可用于分析具有残余孔压弱化土层中的桩基水平承载特性。相对三段结构形式的弱化p-y曲线,双曲形式的弱化p-y曲线更为简便,更加便于工程应用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 桩基水平承载力计算方法的发展与现状
• 1.2.1 极限平衡法
• 1.2.2 弹性地基反力法
• 1.2.3 p-y 曲线法
• 1.2.4 有限元法
• 1.3 液化土层桩基水平承载力的评价方法
• 1.4 砂土层中水平受荷桩基承载特性的试验研究
• 1.4.1 离心模型试验
• 1.4.2 振动台试验
• 1.4.3 实体桩现场试验
• 1.4.4 依据试验结果确定土抗力的方法
• 1.5 目前存在的问题及本文研究内容
• 第二章 饱和弱化砂土中单桩水平承载特性模型试验
• 2.1 试验装置
• 2.1.1 模型试验箱
• 2.1.2 加载装置
• 2.1.3 密封装置
• 2.1.4 反压装置
• 2.2 模型桩的几何参数及其制作
• 2.3 试验砂土基本物性指标及饱和砂土制备
• 2.4 试验步骤
• 2.5 试验方案
• 2.6 模型试验结果及分析
• 2.6.1 桩顶荷载位移曲线
• 2.6.2 桩身弯矩
• 2.7 小结
• 第三章 弱化土层中的桩-土p-y 关系
• 3.1 依据桩身弯矩确定p、y 关系的方法
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 土层抗力p
• 3.1.3 桩侧位移y
• 3.2 Reese 建议的砂土p-y 曲线
• 3.3 弱化砂土p、y 关系分析
• 3.3.1 弱化土层p、y 关系沿深度的变化规律
• 3.3.2 弱化土层水平极限抗力随孔压比的变化规律
• 3.3.3 弱化土层土反力模量系数k 的变化规律
• 3.3.4 弱化土层桩侧位移的变化规律
• 3.4 小结
• 第四章 弱化土层水平极限抗力的确定方法
• 4.1 弱化土层的强度参数测定
• 4.1.1 试验步骤
• 4.1.2 弱化饱和砂土的土参数分析
• 4.1.3 不同孔压比土强度与有效强度的联系
• 4.2 饱和砂土液化过程中土层水平极限抗力分析
• 4.2.1 土层理论水平极限抗力关系式的确定
• 4.2.2 依据土强度确定弱化土层极限抗力的合理性分析
• 4.3 小结
• 第五章 桩径对桩土相互作用p-y 曲线的影响
• 5.1 3-D 有限元的建立
• 5.2 确定p-y 曲线的方法
• 5.3 桩-土有限元计算方法的可行性分析
• 5.3.1 有限元土参数的分析
• 5.3.2 Reese 足尺桩现场试验结果模拟
• 5.3.3 弱化土层桩土模型试验结果的有限元模拟
• 5.4 不同桩径p-y 曲线的有限元分析
• 5.4.1 有限元模型计算参数选择与分析结果
• 5.4.2 小桩径p-y 曲线的验证
• 5.4.3 桩侧土体极限位移yu 随桩径的变化规律分析
• 5.4.4 桩侧土体位移ym 随桩径的变化规律分析
• 5.5 小结
• 第六章 弱化土层的土反力模量系数
• 6.1 无残余孔压砂土模量系数的确定
• 6.2 模型试验弱化土层的模量系数分析
• 6.3 弱化土反力模量系数的分析
• 6.3.1 依据有限元结果确定弱化土层的模量系数
• 6.3.2 依据桩土参数确定弱化土层模量系数分析
• 6.4 小结
• 第七章 弱化土层的p-y 曲线
• 7.1 三段结构形式弱化p-y 曲线
• 7.1.1 构造方法
• 7.1.2 三段结构形式弱化土层p-y 曲线合理性分析
• 7.2 双曲形式弱化p-y 曲线
• 7.2.1 确定弱化土层双曲形式p-y 曲线参数的分析
• 7.2.2 双曲形式弱化p-y 曲线的合理性分析
• 7.3 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要研究成果与结论
• 8.2 研究工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢