大尺寸柔性基础与地基接触应力的理论分析和实验研究

论文摘要

基础设计规范只规定了“台阶的宽高比小于或等于2.5”基础底板弯矩计算公式,对于台阶宽高比大于2.5的底板弯矩没有计算依据,目前输电线路柔性基础设计均按2.5控制底板宽高比,这一限制使得底板厚度大,相应也增加了基础底板的材料用量。底板弯矩计算方法关键在于确定基础底板与地基间的接触应力,在传统计算方法和建筑地基基础设计规范中,接触应力均视为线性分布,事实上,在载荷作用下,基础底板(尤其是大柔度基础底板)与土壤的接触应力往往呈非线性分布,其分布形式主要由地基土的类型和基础底板的刚度决定。因此分析基础底板与地基间的接触应力分布是一项复杂而有实际意义的工作。本文依据实验结果提出了方形基础底板非线性接触应力分布函数的假设,分析了接触应力非线性效应对现有规范弯矩计算的影响。同时,本文基于严宗达等[1]提出带补充余项的位移函数,根据基础底板的对称性,得到了对称加载时的位移函数。通过对施加于方形基础底板上的对称荷载进行双重余弦函数傅里叶级数展开并对位移函数中的多项式进行余弦函数傅里叶级数展开,结合板的弯曲方程、边界条件,解方程组得到了接触应力呈非线性分布时位移函数中的待定系数。再由位移函数表示的内力方程,得到弹性地基上四边自由方形基础底板位移及内力的解析解。为了验证非线性接触应力分布函数的准确性,本文用有限元分析软件ANSYS模拟了对称荷载作用下基础底板与地基之间的相互作用,将提取的结果与分布函数进行了拟合；同时本文设计了一系列不同宽高比的基础板模型,采用压力膜系统和土压力盒测定不同土壤类型、不同宽高比、不同荷载作用下基础底板与地基接触应力的分布形式,将测得的接触应力与解析法和有限元分析结果进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外基础底板与土壤接触应力的研究现状
• 1.3.1 国内外基础底板模型的研究现状
• 1.3.2 弹性地基上基础底板弯曲问题的研究现状
• 1.3.3 基础底板与土壤间接触应力的研究现状
• 1.4 研究内容
• 第2章 接触应力分布形式数学模型的建立
• 2.1 基础底板与地基接触应力的基本概念
• 2.2 薄板理论对基础底板的适用性探讨
• 2.3 基础底板与地基间接触应力的函数描述
• 2.3.1 板中心承受集中对称荷载时的接触应力函数
• 2.3.2 板中心承受反对称荷载时的接触应力函数
• 2.4 接触应力非线性效应对现有规范弯矩计算表达式的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 四边自由方形基础底板的内力和位移求解
• 3.1 四边自由方形基础底板的弯曲挠度控制方程与边界条件
• 3.2 四边自由方形基础底板位移函数的建立
• 3.3 四边自由方形基础底板在对称荷载作用下的内力和位移
• 3.3.1 方形基础底板接触应力分布函数的双重余弦傅里叶展开
• 3.3.2 方形基础底板在对称荷载作用下的内力和位移
• 3.4 对称荷载作用下的解析解与数值模拟结果的对比
• 3.5 本章小结
• 第4章 接触应力分布形式的有限元计算确定
• 4.1 有限元法在模拟土体与基础相互作用中的应用
• 4.2 有限元分析中的接触问题
• 4.3 有限元确定对称荷载作用下的接触应力分布形式
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 方形基础底板在对称荷载作用下接触应力的数值解
• 4.3.3 接触应力函数与方形基础底板接触应力数值解的拟合
• 4.4 本章小结
• 第5章 压力膜测量基础底板接触应力的分布形式
• 5.1 实验目的
• 5.2 压力膜测量接触应力的实验方案
• 5.2.1 实验模型和实验装置
• 5.2.2 实验加载方案
• 5.3 实验数据的处理方法
• 5.4 接触应力函数的拟合曲面图及误差分析
• 5.4.1 砂土中接触应力函数的拟合曲面图及误差分析（大膜）
• 5.4.2 粘土中接触应力函数的拟合曲面图及误差分析（大膜）
• 5.4.3 砂土中接触应力函数的拟合曲面图及误差分析（小膜）
• 5.5 本章小结
• 第6章 室内深基坑基础底板接触应力的实验测量
• 6.1 实验目的
• 6.2 柔性基础室内真型实验方案
• 6.2.1 基础的尺寸设计
• 6.2.2 实验加载方案
• 6.2.3 实验测点布置
• 6.3 实验数据的处理方法
• 6.4 接触应力函数的拟合曲面图与误差分析
• 6.4.1 砂土中接触应力函数的拟合曲面图和误差分析
• 6.4.2 粘土中接触应力函数的拟合曲面图和误差分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献