复合荷载作用下斜坡上单桩承载特性研究

发布时间：2017-08-05 01:06

  本文关键词：复合荷载作用下斜坡上单桩承载特性研究

  更多相关文章： 斜坡 竖向荷载 水平荷载 缩尺模型试验 数值分析

【摘要】：近些年,随着国家基础设施的不断完善,在很多实际工程中,由于受到地理位置的限制,很多桩基不得不设在斜坡上。这类基桩均处于复合受力状态,一方面承担上部主体结构的竖向荷载,另一方面也承担较为显著的横向荷载作用。不可预见的地震作用产生的瞬时水平力,如正常使用状态下交通工具的制动力;桥梁桩基工程中的风、海浪、巨潮均会产生水平方向的力和弯矩;而高层建筑、桥梁、海上油田钻井平台以及深基坑支护等工程进行桩基承载力设计时这些荷载作用均不能忽视。为研究基桩复合承载特性,本文提出在斜坡上桩基受到水平和竖向荷载共同作用下桩基的承载特性研究。目前在建筑领域对斜坡上受荷桩的理论研究及试验分析都很少。为完善斜坡上桩的理论和试验研究,以及该种条件下桩型大规模的推广应用,文章基于室内缩尺模型试验和ABAQUS有限元数值模拟分析,对斜坡上承受复杂荷载的单桩承载特性进行了比较全面的探讨和分析,主要的内容有:(1)利用室内缩尺模型进行试验研究,做了室内斜坡上的单桩在受到竖向静载荷作用下的试验,对其承载特性进行了研究分析,在缩尺模型试验的基础上利用大型通用ABAQUS有限元软件对缩尺模型试验进行数值模拟分析,并将数值分析结果与缩尺模型试验结果进行对比分析,得出竖向荷载作用下Q-S曲线、沿桩体埋深应力分布曲线以及桩侧摩阻力变化曲线。(2)利用水平循环加载法进行斜坡上单桩水平静载荷试验,对比水平荷载作用下数值分析与试验Q-S曲线结果,确定模型参数有效性的基础上,依靠ABAQUS对单桩水平试验进行1/2模型三维模拟分析,分析了桩顶侧向位移、桩身弯矩、土体变形规律等多个工作性状。结果表明:当水平荷载增大时,桩顶的水平侧移也随之增大,但在加载前期,由于受到竖向荷载的作用,桩顶侧移较小;在逐级施加水平荷载作用下,由于试桩周围土体的土压力作用,弯矩结果有正有负,到一定深度会出现反向弯矩,并且桩身弯矩沿着桩体自上而下先增加后减小,最后趋于零,凸显了柔性桩的特点。(3)以前期试验及数值模拟积累的参数进行斜坡上单桩承载性能研究,依靠1/2模型模拟斜坡上桩基研究其竖向和水平承载特性。分析不同位置基桩轴力、侧摩阻力分布规律、荷载-位移变化规律、桩间土位移云图分析得出以下结果:1)当只有竖向荷载作用时,位于斜坡中间的P2桩的桩顶水平侧移最大,其次是斜坡底端的P1桩,桩顶水平侧移最小的是斜坡顶端的P3桩,当竖向荷载保持不变时,随着水平荷载的逐渐增大,桩顶的水平侧移也随之变大。当竖向荷载不变,随着埋深增大,土压力值呈“S”型变化。2)在竖向荷载作用下,当水平荷载和桩身应变片位置相同时,该截面处弯矩P1P2P3。桩身弯矩则表现出随着埋深自上而下先增加后减小,最后在E1处趋于零,桩身弯矩的影响主要集中在距离桩顶3/7处。3)桩侧摩阻力最大值并未出现在桩顶,P1桩出现在D1-E1处,P2桩出现在C1-D1处,P3桩出现在B1-C1处。当水平荷载相同时,P1、P2、P3三根试桩在应变片相同位置处的侧摩阻力值P1P2P3。4)在竖向荷载作用下,土体弹性模量为10MPa时的桩顶沉降量约为40MPa时的桩顶沉降量的3倍。在水平荷载作用下,土体弹性模量为40MPa时的桩身侧移量较10MPa时的桩身侧移量小,桩体的桩身侧移量主要取决于桩周的土体条件,当土质条件较好情况下桩身的侧移量小,土质条件较差时桩身的侧移量大。5)在竖向荷载作用下,斜坡上土体滑裂面自坡底转角处发生,呈弧线延伸至斜坡顶端。通过土工试验和数值模拟综合对比分析得出:位于斜坡中间的试桩有助于抵抗土体滑动变形,是桩基设计最合理的位置。
【关键词】：斜坡 竖向荷载 水平荷载 缩尺模型试验 数值分析
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU473.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 水平荷载作用下单桩荷载传递特性及分析方法12-14
• 1.2.1 水平荷载作用下弹性桩的计算方法12
• 1.2.2 m法12-13
• 1.2.3 双参数法13
• 1.2.4 p-y曲线法13-14
• 1.3 倾斜桩国内外研究状况和发展前沿分析14-18
• 1.4 本文创新内容和研究方案18-21
• 1.4.1 创新内容18
• 1.4.2 研究方案18-21
• 第二章 试验研究21-35
• 2.1 模型试验方案21-26
• 2.1.1 试验材料21-22
• 2.1.2 试验装置22-24
• 2.1.3 试验加载方案24-25
• 2.1.4 测试内容与方法25-26
• 2.2 实验结果分析26-33
• 2.2.1 竖向荷载作用下桩顶沉降量分析26-27
• 2.2.2 桩顶侧移对比分析27-28
• 2.2.3 土压力值对比分析28-30
• 2.2.4 桩身弯矩对比分析30-31
• 2.2.5 桩侧摩阻力对比分析31-33
• 2.3 试验结果总结33-35
• 第三章 竖向和水平荷载作用下斜坡上单桩有限元分析35-63
• 3.1 引言35
• 3.2 ABAQUS软件中的本构模型35-36
• 3.2.1 土体本构模型36
• 3.2.2 桩身本构模型36
• 3.3 有限元模型的建立36-41
• 3.3.1 模型参数及几何尺寸的确定36-37
• 3.3.2 单元类型37-38
• 3.3.3 边界条件38
• 3.3.4 荷载加载方式38-39
• 3.3.5 地应力平衡过程分析39-41
• 3.4 竖向荷载作用下数值结果分析41-44
• 3.4.1 桩顶沉降规律分析41-42
• 3.4.2 桩侧摩阻力分布规律42-43
• 3.4.3 桩底土体变形分析43-44
• 3.5 水平荷载作用下数值结果分析44-47
• 3.5.1 土体和桩水平位移规律分析44-46
• 3.5.2 桩身位移规律分析46
• 3.5.3 桩顶侧移对比分析46-47
• 3.6 桩体位置影响分析47-56
• 3.6.1 桩体沉降量分析47-48
• 3.6.2 桩顶侧移对比分析48-50
• 3.6.3 桩身侧移对比分析50-51
• 3.6.4 土压力值对比分析51-52
• 3.6.5 桩侧摩阻力对比分析52-53
• 3.6.6 桩身弯矩对比分析53-55
• 3.6.7 安全系数分析55-56
• 3.7 土体模量影响分析56-61
• 3.7.1 桩顶沉降量分析56-57
• 3.7.2 桩身水平侧移分析57
• 3.7.3 桩身弯矩对比分析57-61
• 3.8 斜坡上单桩和普通单桩的区别61
• 3.9 本章小结61-63
• 第四章 结论与展望63-67
• 4.1 结论63-64
• 4.2 进一步的研究与展望64-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-73
• 攻读学位期间发表的学术论文目录73-74

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本文编号：622496