软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究

论文摘要

软土中常用的地下基础型式有桩基础和地下连续墙,近年来随着设计理论和施工工艺设备的发展,桩基础及地下连续墙基础的型式都有了很大的发展,如薄壁筒桩、集挡土、防渗及承重多功能于一体的地下连续墙等。这类复杂的软基基础结构与土体相互作用的受力机理相当复杂,目前相关的研究资料比较少。 目前,在研究结构与土相互作用的问题时,常采用数值分析方法,建立结构与土共同作用体系的数学模型,通过有限元法计算出整体结构的应力和位移。 由于结构与土的材料特性、受力性能等方面的差异,为了满足有限元计算精度和效率的要求,合理的反映结构与土体之间的位移协调,需要在结构与土体之间设置恰当的接触面单元,正确的模拟土的本构关系,并尽可能地简化结构的数值模型。 本文在总结已有的结构与土相互作用问题中的接触面单元形式、土的本构关系以及结构的数值模拟方法的基础上,对半无限地基上任意形状弹性基础板,考虑地基水平变形和地基分布反力的弹性基础板的受力分析进行了研究;对桩与地基相互作用的数值分析进行了研究;对软基中地下墙基础结构的数值分析进行了研究,用广义位移法解决薄壁结构与土间的变形协调问题,采用厚度较小的薄层单元模拟薄壁结构与土的相互作用,提出了薄壁结构与土的相互作用的分析方法。 通过软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法的研究,给出了软土中地下结构的合理和可行的计算分析方法,本文将研究成果应用于上海浦南东片出海闸等水利工程,得到了合理的结果。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 软基上建筑物受力特征的研究和发展现状
• 1.2.1 土体本构关系
• 1.2.2 结构体离散方法
• 1.2.3 结构与土体相互作用的分析模拟
• 1.2.4 水闸底板与地基相互作用
• 1.2.5 桩与土相互作用
• 1.2.6 连续墙与土相互作用
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 结构与地基相互作用相关基本理论
• 2.1 本文主要采用的单元形式
• 2.1.1 等参单元位移模式
• 2.1.2 矩形薄板单元位移模式
• 2.1.3 强化假定应变（EAS）单元模式
• 2.2 土体本构关系的数值模拟
• 2.2.1 土体材料的本构特征
• 2.2.2 土体本构模型
• 2.3 钢筋混凝土本构模型
• 2.3.1 混凝土的本构模型
• 2.3.2 钢筋的本构模型
• 2.4 结构与土相互作用的接触面单元模型及合理选用
• 2.4.1 接触面单元模型
• 2.4.2 接触面单元的合理选择
• 2.5 小结
• 第三章 结构与地基相互作用的半解析法
• 3.1 概述
• 3.2 半弹性空间的解析解
• 3.2.1 半空间体受重力及均布压力
• 3.2.2 半空间体在边界上受法向集中力
• 3.2.3 半空间体在边界上受切向集中力
• 3.3 任意形状弹性基础板的受力分析
• 3.3.1 任意四边形板单元刚度矩阵
• 3.3.2 地基柔度矩阵及有限元求解方程
• 3.3.3 算例
• 3.4 考虑地基水平变形的弹性基础板的受力分析
• 3.4.1 板底面位移与中心面位移之间的关系
• 3.4.2 地基表面形心点位移与反力的关系
• 3.4.3 地基表面单元形心点反力与板节点位移之间的关系
• 3.4.4 有限元方程
• 3.4.5 算例
• 3.5 考虑地基分布反力的弹性基础板的受力分析
• 3.5.1 地基柔度矩阵的建立
• 3.5.2 算例
• 3.6 工程应用
• 3.6.1 工程概况
• 3.6.2 材料参数
• 3.6.3 有限元模型
• 3.6.4 计算工况及荷载
• 3.6.5 各工况计算结果
• 3.6.6 泵房部分特征面应力分布图
• 3.7 小结
• 第四章 桩与地基相互作用的数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 桩土相互作用有限元模拟方法
• 4.2.1 软基中桩结构数值模拟
• 4.2.2 用广义位移法模拟桩结构
• 4.2.3 广义位移法大直径结构体结构的内力计算
• 4.3 桩的水平受力机理与承载能力分析
• 4.3.1 工程概况与计算参数
• 4.3.2 桩体的极限承载力确定
• 4.3.3 桩体的损伤分析
• 4.3.4 土体抗力分析
• 4.4 桩的垂直受力机理与承载能力分析
• 4.4.1 荷载传递法
• 4.4.2 弹性理论法
• 4.4.3 剪切位移法
• 4.5 群桩受力分析的局部网格加密方法
• 4.5.1 局部网格加密方法
• 4.5.2 局部非协调网格的协调位移解法基本原理
• 4.5.3 算例
• 4.6 工程应用
• 4.6.1 工程概况
• 4.6.2 研究目的
• 4.6.3 桩基础空间有限元结果分析
• 4.7 小结
• 第五章 软基中地下墙基础结构的数值分析
• 5.1 概述
• 5.2 软基中地下墙基础结构的数值模拟
• 5.3 与土体共同作用薄壁结构受力分析的广义位移法
• 5.3.1 薄壳单元及其表面节点位移
• 5.3.2 薄壁结构与土相互作用接触面单元
• 5.3.3 算例
• 5.4 工程应用
• 5.4.1 上海浦南东片出海闸工程
• 5.4.2 冶勒沥青混凝土墙堆石坝工程
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新成果
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位发表的论文