嵌岩单桩承载性能的数值模拟研究

论文摘要

嵌岩桩是岩体地基上重要的基础型式。本论文在全面总结嵌岩桩承载机理、极限端侧阻力计算方法、容许承载力计算方法、桩顶位移计算理论的基础上,以ANSYS有限元软件数值计算手段,模拟了嵌岩深度、桩径比等对其承载性状的影响,取得以下认识:（1）嵌岩桩设计应以避免桩身材料屈服、沿桩-岩界面纯剪切破坏、桩底岩体整体剪切破坏和因桩顶沉降而失效4种破坏模式为前提,设计内容包括桩身强度设计、桩基承载力计算和桩顶位移计算三部分。（2）嵌岩桩桩顶的竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力两部分承担,桩侧阻力先于桩端阻力发挥作用。为使桩侧、桩端达到“等安全度”,应在精确计算极限侧阻力和极限端阻力的基础上,以分项系数法确定其容许承载力。（3）极限侧阻力是桩-岩界面的极限抗剪强度与嵌入岩体的桩侧面积的乘积,桩端极限承载力是极限端阻力与桩底面积的乘积。其中,桩-岩界面的极限抗剪强度、桩底极限端阻力均可采用折减岩块饱和单轴抗压强度的方法确定。（4）在一定范围内,增大嵌岩深度有助于提高嵌岩单桩的极限承载力。但当嵌岩深度达到一定值时,继续增加嵌岩深度对提高承载力作用很小,即对于特定条件下的嵌岩桩存在最佳嵌岩深度。（5）嵌岩桩径大小与桩侧阻力之间的关系,取决于随桩径增大、因侧面积增加而提高的侧阻力值是否足以弥补因侧阻力计算系数减小而降低的侧阻力值,盲目通过提高桩径来增加极限承载力的方法亦并不一定适用。（6）用ANSYS有限元软件模拟嵌岩桩承载性状是一种经济可靠、简便实用的计算方法,不仅能较好地反映桩-土-岩之间的荷载传递规律,而且数值模拟结果也与规范计算结果和静载试验结果基本吻合,从而保证了研究成果的可信度和精确度。本论文是以数值模拟手段研究嵌岩桩荷载传递机理和承载性状的一次有益尝试。所取得的阶段性研究结论,对丰富嵌岩状设计理论与方法、指导嵌岩桩的设计和施工均有重要的理论意义和现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方案及准备采取的技术路线
• 2 嵌岩单桩工作机理
• 2.1 嵌岩桩承载机理
• 2.2 嵌岩桩荷载传递机理
• 2.3 嵌岩桩破坏模式
• 2.4 嵌岩桩承载力的影响因素
• 3 嵌岩单桩容许承载力确定方法
• 3.1 容许承载力计算原则
• 3.2 极限侧阻力确定方法
• 3.2.1 极限侧阻力研究的思路和方法
• 3.2.2 单位抗剪强度与岩石单轴抗压强度之间关系
• 3.2.3 极限侧阻力建议确定方法
• 3.3 极限端阻力确定方法
• 3.3.1 极限端阻力计算理论研究现状
• 3.3.2 极限端阻力建议计算公式
• 3.4 研究极限端、侧阻力承载比例问题
• 4 嵌岩单桩桩顶位移计算理论
• 4.1 桩顶位移计算理论研究现状
• 4.1.1 弹性状态下桩顶位移计算理论
• 4.1.2 桩-岩界面处于弹塑性状态下桩顶位移计算理论
• 4.2 桩顶位移理论计算模型
• 4.2.1 理论计算模型
• 4.2.2 嵌岩桩类型划分方案
• 4.2.3 嵌岩桩工作状态
• 4.3 弹性状态下弹性嵌岩桩的桩顶位移
• 4.3.1 计算桩顶位移的指导思想
• 4.3.2 全阻桩的桩顶位移
• 4.3.3 摩擦桩的桩顶位移
• 4.4 完全滑动状态下弹性嵌岩桩的桩顶位移
• 4.4.1 计算桩顶位移的指导思想
• 4.4.2 摩擦桩的桩顶位移
• 4.4.3 全阻桩的桩顶位移
• 4.5 理论评述桩-岩界面参数取值
• 5 嵌岩单桩承载性状的有限元分析
• 5.1 有限单元法
• 5.1.1 有限单元法简介
• 5.1.2 ANSYS软件简介
• 5.2 桩-土-岩共同作用模型
• 5.2.1 基本假定
• 5.2.2 材料选取及本构关系
• 5.2.3 模型建立
• 5.3 模拟计算方法、步骤及预期目标
• 5.3.1 嵌岩桩竖向承载力具体计算步骤
• 5.3.2 预期目标
• 5.4 嵌岩单桩桩项位移的确定
• 5.4.1 根据规范确定竖向极限承载力
• 5.4.2 应用ANSYS绘制荷载Q─沉降S曲线
• 5.4.3 与规范结果比较
• 5.4.4 Q-s曲线分析
• 5.5 嵌岩深度对嵌岩桩承载性状的影响
• 5.5.1 确定加载情况
• 5.5.2 绘制侧阻力和轴向力随桩身变化曲线
• 5.5.3 结果分析
• 5.6 嵌岩桩径对嵌岩桩承载力的影响
• 5.6.1 确定不同桩径极限承载力
• 5.6.2 绘制桩径-极限承载力、侧阻力曲线
• 5.6.3 结果分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 主要参考文献
• 附录