高频液压振动锤沉桩机理的颗粒离散元模拟

论文摘要

由于高频液压振动沉桩具有噪音小、穿透能力强、适应范围广、对桩身损伤小等诸多优点，因此在国内外实际工程中被广泛采用，但是高频液压振动沉桩技术研究却远远落后于实际应用，尤其是在国内。高频液压振动沉桩过程非常复杂，涉及诸如反复剪切作用下土的性状、局部液化强度衰减、高频振动作用下桩土间的相互作用等许多难题，过去许多学者研究的都是针对无粘性土，而且多数没有考虑超孔隙水压力的影响。本文以此为背景，充分利用PFC3D程序能很好的模拟土颗粒运动规律的技术优势，从宏细观两方面入手，研究分析高频液压振动沉桩技术在粘性土中的可打入性问题，具体研究内容如下：首先简单阐述了高频振动沉桩的基本原理，并对前人所做的研究进行了详细地总结和归纳，包括试验研究、理论分析研究和数值分析研究,同时对颗粒离散元的发展和应用方面做了概括性总结。接着详细地介绍了颗粒离散元的一些相关基本理论与方法，通过一维压缩与固结的颗粒离散元的模拟,验证DEM-CFD流固耦合程序能有效地模拟孔压的影响。其次对高频液压振动锤沉桩的全程贯入过程进行了颗粒离散元模拟，分析了沉桩过程中桩周土体性状的变化，包括颗粒运动轨迹、孔隙率、接触应力及孔隙水压力，得出了桩侧摩阻力和桩端阻力随深度的变化规律，研究了振动频率、静定荷载、激振力、桩径、土体模量、土体内摩擦角等影响因素对桩体贯入深度和贯入速率的影响；且通过有无孔隙水的对比，分析了孔隙水压力对高频振动沉桩的影响。最后针对大直径超长管桩的可打入性进行模拟，分析一个算例，给出了管桩全贯入过程的数值分析结果，并做了相应地分析。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 高频液压振动打桩系统
• 1.2.1 高频液压振动打桩系统的组成
• 1.2.2 高频液压振动锤的主要参数
• 1.2.3 高频液压振动锤的应用
• 1.3 高频液压振动打桩的原理及研究概况
• 1.3.1 高频液压振动打桩的基本原理
• 1.3.2 高频振动打桩的研究概况
• 1.4 颗粒离散元的发展及应用概况
• 1.5 颗粒离散元在打桩中分析研究概况
• 1.6 动静力触探及颗粒离散元模拟研究概况
• 1.7 本文研究的目的、意义及主要内容
• 1.7.1 本文研究的目的及意义
• 1.7.2 本文研究的主要内容
• 第二章 颗粒离散元理论及方法
• 2.1 引言
• 2.2 颗粒离散元方法的基本原理
• 2.2.1 颗粒离散元方法的基本假设
• 2.2.2 颗粒离散元方法的特点
• 2.3 颗粒离散元方法的基本力学理论
• 2.3.1 力—位移定律
• 2.3.2 运动定律
• 2.4 初始条件和边界条件
• 2.5 颗粒离散元接触本构关系
• 2.5.1 接触刚度模型
• 2.5.2 滑动接触模型
• 2.5.3 粘结模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 一维压缩与固结的颗粒离散元模拟
• 3.1 引言
• 3.2 一维渗流固结的细观模拟
• 3.2.1 模型建立步骤
• 3.2.2 饱和土的模拟
• 3.2.3 刚性墙和土颗粒的生成
• 3.2.4 颗粒板的生成
• 3.2.5 模型参数的选定
• 3.2.6 荷载的施加与渗流边界的设置
• 3.2.7 相似性原理
• 3.3 模拟结果分析
• 3.3.1 孔隙率的变化
• 3.3.2 超静孔隙水压力的验证
• 3.3.3 超静孔压消散引起的沉降
• 3.4 本章小结
• 第四章 高频液压振动沉桩机理的颗粒离散元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 模型箱的生成
• 4.2.2 土颗粒的生成
• 4.2.3 桩的数值模拟过程
• 4.2.4 边界条件的设置
• 4.2.5 打桩力的施加
• 4.2.6 相关量的量测
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 桩端阻力和侧摩阻力随桩贯入过程的变化
• 4.3.2 桩周土应力的变化
• 4.3.3 桩周位移场随桩贯入的变化
• 4.3.4 桩周孔隙率的变化
• 4.3.5 桩周土接触力的变化
• 4.3.6 桩贯入速率和深度随时间的变化
• 4.3.7 桩周超孔压的变化
• 4.4 桩的贯入深度影响参数分析
• 4.4.1 振动锤参数影响
• 4.4.2 桩径参数影响
• 4.4.3 土体参数影响
• 4.5 孔隙水对振动沉桩的影响分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 大直径管桩高频振动下沉的颗粒离散元模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模型的建立
• 5.3 模拟结果分析
• 5.3.1 桩周土颗粒的运动变化
• 5.3.2 桩周土体应力的变化
• 5.3.3 桩端阻力和侧摩阻力随桩贯入过程的变化
• 5.3.4 桩贯入深度和贯入速率随时间的变化
• 5.3.5 桩周超孔压的变化
• 5.4 土塞性状的分析
• 5.4.1 土塞位移变化
• 5.4.2 土塞孔压变化
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历