竖向与水平组合荷载作用下大直径长桩承载特性的数值模拟研究

论文摘要

组合荷载作用下桩基承载问题在港口、桥梁、支挡建筑、高耸塔型建筑及近海钻采平台等工程中经常遇到。水平与竖向荷载组合作用下桩基的设计方法通常是将荷载竖向分力和水平分力分开计算,然后按照叠加原理计算桩身内力和位移,而这种简化方法仅适用于线弹性小变形情况,具有一定的局限性。有关水平与竖向荷载组合下桩基的研究主要采用理论研究及模型试验方法,其中前者不能考虑大变位下桩周土体反力的非线性、土体介质的连续性,而后者则很难模拟出真实的应力环境;有关水平与竖向荷载组合下桩基承载特性的研究内容主要集中在水平荷载如何影响竖向荷载桩或者竖向荷载如何影响水平荷载桩等问题上,就荷载倾角对桩基内力和变形的影响问题做的工作较少;有关水平与竖向荷载组合下桩基破坏包络线特性的分析仅局限在几个特殊荷载倾角（30°、45°、60°等）,未能反映包络线的整体轮廓。本文在前人研究的基础上,利用有限差分FLAC3D软件就上述问题对水平与竖向荷载组合下均质粘土中大直径长桩进行了数值研究。论文主要成果包括以下几个方面:（1）采用双曲线本构模型对库伦剪切模型进行修正,并通过两个工程实例验证了修正算法的可行性。（2）随着荷载倾角的逐渐增加,桩的承载方式由竖向承载为主逐渐向水平承载为主转化,表现为桩顶沉降逐渐减小,桩顶水平位移逐渐增加;荷载倾角在0°10°范围内变化时对桩顶沉降影响较小。随着荷载倾角的增大,桩身侧移、桩身最大弯矩与桩两侧最大合土压力均增大,而桩端阻力减小。（3）在本文极限承载力取值方法下,V-H荷载空间中桩基破坏包络线存在一特征屈服点,屈服点对应的荷载倾角为临界角θcr。当荷载倾角θ小于θcr时,桩基的竖向承载能力决定桩基稳定性;当荷载倾角θ大于θcr时,桩基的水平承载能力决定桩基稳定性;当荷载倾角θ在θcr附近变化时,桩基的稳定性由竖向和水平承载能力共同决定。本文所研究的工况θcr约为20°。Koumoto经验修正系数和Meyerhof包络线半经验公式均不能反映出包络线上的特征屈服点。加载路径对水平与竖向组合荷载下桩基破坏包络线影响不显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 组合荷载下桩基的研究现状
• 1.2.1 组合荷载下桩基内力位移理论求解方法研究概况
• 1.2.2 组合荷载下桩基承载力研究概况
• 1.2.3 不同类型荷载之间的相互影响研究概况
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 基桩的工作性状
• 2.1 竖向荷载下基桩的工作性状
• 2.1.1 荷载传递理论分析
• 2.1.2 单桩竖向受压的极限状态
• 2.2 水平荷载下基桩的工作性状
• 2.2.1 承载特性及破坏性状
• 2.2.2 受力计算方法
• 2.2.3 承载特性及破坏性状
• 2.3 本章小结
• 第三章 数值计算模型
• 3D 软件概述'>3.1 FLAC^3D软件概述
• 3D 求解方法特征'>3.1.1 FLAC^3D求解方法特征
• 3.1.2 实体离散化和初始、边界条件
• 3.1.3 主要计算步骤
• 3.2 Moh r-Coulomb本构模型
• 3.2.1 增量弹性法则
• 3.2.2 屈服函数和势函数
• 3D 接触面本构模型的修正'>3.3 FLAC^3D接触面本构模型的修正
• 3D 内置接触面本构模型'>3.3.1 FLAC^3D内置接触面本构模型
• 3.3.2 双曲线本构模型
• 3.3.3 修正接触面本构模型
• 3.4 数值计算模型的建立
• 3.4.1 假设条件
• 3.4.2 模型建立与网格划分
• 3.4.3 桩与土接触条件
• 3.4.4 计算参数选取
• 3.4.5 数值模型有效性验证
• 3.4.6 加载方式及计算工况
• 3.5 本章小结
• 第四章 竖向与水平荷载组合下桩基承载特性数值分析
• 4.1 桩在竖向受压荷载下的模拟结果
• 4.1.1 荷载- 位移曲线特征及承载力分析
• 4.1.2 单桩轴力和侧摩阻力分布
• 4.1.3 桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线分析
• 4.1.4 土中竖向应力分布
• 4.2 桩在水平荷载下的模拟结果
• 4.2.1 荷载- 位移曲线特征及承载力分析
• 4.2.2 桩身侧向位移和桩身弯矩
• 4.2.3 土中水平应力分布
• 4.2.4 桩侧土压力分布
• 4.2.5 桩周土水平土反力与桩身挠度变形曲线（P -y 曲线）
• 4.3 桩在45°倾斜荷载下的模拟结果
• 4.3.1 荷载- 位移曲线特征
• 4.3.2 桩身弯矩
• 4.3.3 土中应力分布
• 4.4 荷载倾角对桩基承载性状的影响研究
• 4.4.1 荷载倾角对桩身侧移的影响分析
• 4.4.2 荷载倾角对桩身弯矩的影响分析
• 4.4.3 荷载倾角对土中应力的影响分析
• 4.4.4 荷载倾角对桩侧土压力的影响分析
• 4.4.5 荷载倾角对桩端阻力的影响分析
• 4.4.6 荷载倾角对桩土相互作用机理的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 V-H 荷载空间中桩基桩基破坏包络线特性数值分析
• 5.1 极限承载力取值
• 5.2 桩基破坏包络线特性
• 5.3 与前人研究成果比较
• 5.4 加载路径对水平与竖向组合荷载下桩基破坏包络线的影响分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 主要成果总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间参与项目及发表论文