斜桩基础的工作特性研究

发布时间：2018-01-24 13:27

本文关键词： 斜桩工作特性轴向荷载桩周摩阻力桩—土变形协调径向荷载 p-y曲线倾斜荷载综合刚度荷载分担比模型试验地震响应　出处：《福州大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：斜桩常被应用在桥梁、码头、输电线路及近海采油平台的群桩基础之中。虽然斜桩已经在许多基础工程中得到应用,但斜桩工作特性的分析方法和理论仍滞后于工程应用。鉴于此,本文采用理论分析、数值模拟与模型试验相结合的技术手段,以斜桩的工作特性为主线,对轴向压荷载作用下斜桩的承载特性、径向荷载作用下斜桩的工作机理、倾斜压荷载作用下斜桩的工作特性、水平与竖向荷载作用下斜群桩的受力特性以及地震荷载作用下斜群桩基础的动力响应等5个方面进行了较为系统的研究,主要工作与结论如下：(1)根据斜桩桩周摩阻力呈现出不均匀分布的特点,基于桩—土受力变形相互协调的原则,推导了第一临界状态下斜桩轴向承载力以及沉降的计算公式。本文计算公式得到的单桩轴向承载力与桩顶沉降量均随着桩身倾角的增大呈现逐渐降低趋势。对于不同桩径,本文承载力公式计算值小于规范承载力公式计算值,规范沉降公式计算值略小于本文沉降公式计算值。当桩长较小时,规范承载力公式计算值小于本文承载力公式计算值,但随着桩长的增大,本文承载力公式计算值小于规范承载力公式计算值；规范沉降公式计算值随桩长增加逐渐降低,而本文沉降公式计算值随桩长的增加呈现先降低后增大的趋势。当桩周极限摩阻力较小时,规范承载力公式计算值大于本文承载力计算值,但随着桩周极限摩阻力的增大,本文承载力公式计算值将大于规范承载力计算值；相同荷载作用下,不同桩周摩阻力的斜桩,本文沉降公式计算值均大于规范沉降公式计算值。(2)基于大量数值模拟结果,建立了径向荷载作用下考虑桩身倾角影响的倾斜单桩p-y曲线,在此基础上,编制计算程序,以揭示径向荷载作用下倾斜单桩的受力特性。计算结果表明：本文p-y曲线法计算得到的弯矩与位移小于m法计算值,且随着桩身倾角增大,斜桩桩身弯矩与位移逐渐减少。(3)基于非关联流动Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构关系,建立3D弹塑性有限元模型,分析了倾斜荷载作用下荷载倾角和桩身倾角对斜桩受力特性的影响。计算结果表明：当荷载倾角较小时,倾斜荷载作用下的斜桩刚度同时取决于轴向与水平向刚度,二者刚度存在一个平衡,这将使斜桩刚度并非在轴向受力时达到最大；斜桩极限抗压承载力随着荷载倾斜角度呈现M型,桩身极限抗压承载力峰值并非出现在轴向受力时,而出现在荷载倾斜小角度附近；正向倾斜荷载作用下,桩的刚度和承载力均随桩身倾角的增大而增大,在负向倾斜荷载作用下,其结果却相反；不同倾角斜桩的极限荷载受桩—土摩擦系数影响较大。(4)采用3D弹塑性有限元技术,分析了水平与竖向荷载作用下不同倾角、不同桩距的斜群桩受力特性。水平荷载作用下相同桩距、不同倾角的群桩和不同桩距、不同倾角的群桩,各桩沿桩身的位移与弯矩的分布形状基本相似；当桩身倾角较小时,前排桩荷载分担比下降,但中排桩荷载分担比增大；当桩身倾角逐渐增大,前排与中排桩的荷载分担比总体呈下降趋势,但后排桩的荷载分担比显著增大。竖向荷载作用下,斜桩倾角对于各排桩承载力的影响不大,不同桩距、不同倾角的群桩中各桩沿桩身的位移分布情况基本相同,均随着桩身深度的增加而减小。(5)基于模型试验相似理论,分别对不同桩身倾角与不同桩身埋深的单斜桩进行轴向、径向和斜向3种加载,量测桩顶位移、桩周土压力分布与桩身内力变化值；对不同桩身倾角的3×3高桩承台斜群桩基础进行水平向或竖向2种加载,获得各排斜桩的内力分布与荷载分担比。通过对比分析,验证理论推导与数值模拟方法的可靠性,更深入地分析了多种静力荷载作用下的斜桩基础的工作机理和特性。(6)为揭示地震荷载作用下高桩承台斜群桩基础的地震反应特性,采用3D弹塑性动力有限元技术,以3种地震波(唐山波、EL波、迁安波)为例,分析了桩身倾斜角度、自由桩长对高桩承台斜群桩基础地震反应的影响规律。结果表明：各模型加速度最大截面均位于冲刷线以下5-10 m左右,轴力最大的截面均出现在冲刷线以下2.5 m左右,总弯矩最大的截面均位于承台与桩顶交界处；相同模型的左、右斜桩除竖向位移、Y方向弯矩沿桩身呈对称分布外,加速度、水平位移、轴力、总弯矩沿桩身的分布规律相同；承台高度越大,自由桩长越大,桩身轴力越大而弯矩越小；桩身倾斜度越大,其轴力与弯矩均越大,承台高度对桩身内力的影响大于桩身倾斜度；地震荷载中斜桩的加速度与位移反应降低,但轴力和弯矩增大,斜桩总弯矩主要受控于Y方向的弯矩。因此,斜桩结构抗震设计时,为保证桥梁上部结构稳定,斜桩配筋应重点关注Y方向弯矩。
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【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU473.1

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