大直径扩底桩试验研究与数值分析

论文摘要

随着大型市政设施、大跨桥梁及超高层建筑等建(构)筑物的建设,近年来大直径扩底桩因具有单桩承载力高等优点在国内工程界逐渐得到广泛应用。本文基于实测数据分析、解析研究及数值计算等方法,对深厚软土地基中大直径扩底桩单桩的承载变形机理及承载性状开展了研究工作。在深厚软土地基中大直径深长灌注桩及扩底桩静载荷及桩身应力应变实测分析基础上,研究了软土中的大直径深长灌注桩及扩底桩的竖向承载性状和荷载传递机理。重点分析了大直径深长灌注扩底桩与等直径灌注桩承载特性及荷载传递的不同,并得到了扩底桩桩端阻力、桩侧摩阻力发挥规律。研究表明,深厚软土地基中大直径扩底桩的侧阻先于端阻发挥,大直径扩底桩在荷载水平较高时会产生桩侧摩阻力软化;扩底桩的桩端扩大部分对承载能力影响较大,不仅影响到桩端阻力的发挥,还影响到桩侧阻力的发挥;大直径扩底桩在低水平荷载作用下表现为摩擦桩性状,在高水平荷载作用下表现为端承摩擦桩性状。基于荷载传递法和广义双曲线函数,提出同时应用耦合Mindlin解考虑桩侧摩阻力引起的桩端沉降和Rusch模型考虑高荷载水平下桩身混凝土的弹塑性的方法,建立了大直径扩底桩单桩的解析分析模型。通过与工程实测结果的对比分析,验证了大直径扩底桩单桩解析分析模型的合理性。采用该模型,对比分析了大直径扩底桩和等直径桩单桩承载性状的差异。随后,运用该模型分析了大直径扩底桩的桩身几何参数等因素对其单桩承载变形性状的影响,得到了大直径扩底桩端阻比的变化规律。采用有限元法,考虑了桩土间的滑移、脱离以及土的非线性等因素,建立了大直径扩底桩单桩承载有限元分析模型。在此基础上,应用功能强大的有关软件包作为计算工具,研究了大直径扩底桩的桩顶沉降、桩周土体变形、桩身轴力和桩侧摩阻力、桩底土应力随荷载变化的规律;对有关影响单桩竖向承载性状的因素进行了分析,对一工程实例进行了数值模拟和对比分析。有限元分析结果表明,基于该模型的有限元方法能够有效模拟桩的承载性状及承载变形机理。桩的承载能力随着桩径、扩底桩径和桩长的增加而增加,一定桩长下桩径、扩底桩径与承载能力问存在一最佳值;桩底土土压力的变化与桩顶荷载大小密切相关,桩周土体的模量对桩的承载能力影响相对较小,而桩端土模量对桩的承载能力影响相对较大,随着桩端土及桩周土模量比的增大,桩端承载能力得到明显提高,桩土间摩擦系数的增加能有效提高桩的承载能力。最后,考虑到实际工程中大直径扩底桩在主要承受竖向何载的同时还可能经常承受一定的水平荷载,建立了用于研究大直径扩底桩水平承载性状的三维数值分析模型。该模型一并考虑了桩土体系中混凝土开裂引起的非线性、钢筋与混凝土的耦合作用、桩周土体的弹塑性和桩土界面的非线性接触等问题。通过一个算例,着重分析了桩身塑性变形、弯矩、剪力、钢筋应力、桩体水平位移、桩土相对脱离量等因素随桩顶荷载变化而呈现出的不同规律,同时采用该分析模型探讨了不同的影响因素对大直径扩底桩水平承载性状的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 扩底桩施工方法简介现状
• 1.2.1 夯扩桩
• 1.2.2 静压扩底桩
• 1.2.3 机械扩底桩
• 1.2.4 人工挖孔扩底桩
• 1.2.5 压力注浆扩底桩
• 1.2.6 爆炸扩底桩
• 1.2.7 胀扩体扩底桩
• 1.3 扩底桩的研究与应用现状
• 1.3.1 扩底桩的理论研究现状
• 1.3.2 扩底桩的试验研究现状
• 1.3.3 扩底桩的数值分析研究现状
• 1.4 单桩解析理论研究现状
• 1.4.1 荷载传递法
• 1.4.2 弹性理论法
• 1.4.3 剪切位移法
• 1.5 水平荷载作用下桩的承载性状研究进展
• 1.5.1 极限地基反力法
• 1.5.2 弹性地基反力法
• 1.5.3 弹塑性分析法
• 1.5.4 弹性理论法
• 1.5.5 数值分析方法
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 材料的本构模型
• 2.2.1 土体的本构模型
• 2.2.2 混凝土的本构模型
• 2.2.3 钢筋的本构模型
• 2.3 有限元分析采用的单元类型
• 2.3.1 空间八节点单元
• 2.3.2 空间八节点无限元
• 2.3.3 轴对称四节点单元
• 2.3.4 杆单元
• 2.3.5 接触单元
• 2.4 本章小结
• 第三章 大直径扩底桩静载荷试验数据分析
• 3.1 引言
• 3.2 单桩承载力的确定方法
• 3.3 大直径扩底桩静载荷试验研究
• 3.3.1 静载荷试验方法
• 3.3.2 静载荷试验加载方式和极限荷载的确定
• 3.4 大直径扩底桩承载变形试验测试数据分析
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 静载荷试验数据分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 大直径扩底桩的单桩解析解
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 桩土体系荷载传递分析
• 4.2.2 桩身混凝土的弹塑性
• 4.2.3 桩侧传递函数
• 4.2.4 桩端传递函数
• 4.2.5 桩侧摩阻力对桩端沉降的影响
• 4.2.6 参数的确定
• 4.3 计算方法
• 4.4 方法验证及与等直径桩的对比
• 4.4.1 方法验证
• 4.4.2 扩底桩与等直径桩的Q-s计算曲线对比
• 4.5 影响参数分析
• 4.5.1 桩长对荷载—沉降特性的影响
• 4.5.2 桩径对荷载—沉降特性的影响
• 4.5.3 扩底桩径对荷载—沉降特性的影响
• 4.5.4 桩身混凝土模量对荷载—沉降特性的影响
• 4.5.5 桩侧土体模量对荷载—沉降特性的影响
• 4.5.6 桩端荷载分担比
• 4.6 本章小结
• 第五章 大直径扩底桩单桩竖向承载性状数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型建立
• 5.2.1 ABAQUS简介
• 5.2.2 基本假定
• 5.2.3 边界条件和初始条件
• 5.2.4 基本计算模型及计算参数
• 5.3 大直径扩底桩单桩性状分析
• 5.3.1 单桩Q-s曲线分析
• 5.3.2 不同荷载时桩土变形及土体屈服特性
• 5.3.3 不同荷载时桩底土的应力变化
• 5.3.4 不同荷载时桩身轴力的变化
• 5.3.5 不同荷载时桩侧摩阻力的变化
• 5.4 大直径扩底桩单桩性状影响因素分析
• 5.4.1 桩长对单桩性状的影响
• 5.4.2 桩径对单桩性状的影响
• 5.4.3 扩底桩径对单桩性状的影响
• 5.4.4 桩模量对单桩性状的影响
• 5.4.5 桩周土体及桩端土体模量对单桩性状的影响
• 5.4.6 摩擦系数对单桩性状的影响
• 5.5 工程实例及其数值对比分析
• 5.5.1 工程概况
• 5.5.2 试验结果及数值分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 大直径扩底桩单桩水平承载性状分析
• 6.1 引言
• 6.2 混凝土材料属性
• 6.3 三维有限元模型建立
• 6.3.1 基本假定
• 6.3.2 几何模型及边界条件
• 6.3.3 模型计算参数
• 6.4 大直径扩底桩单桩水平承载性状算例分析
• 6.4.1 桩体性状分析
• 6.4.2 土体性状分析
• 6.5 大直径扩底桩单桩水平承载性状影响因素分析
• 6.5.1 桩周土体性质的影响
• 6.5.2 竖向荷载的影响
• 6.5.3 桩径的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢