乌审旗人工牧草灌溉制度及灌溉工程管理影响的分析

第一章 绪 论

1.1 引言
21 世纪是海洋开发与利用的新时代，随着科学技术水平的加强，国家加大了对海洋的开发力度，促进我国沿海地区临港工业蓬勃发展。沿海地区，存在着大量的泥沙堆积，包括淤泥质软土和结构松散的砂土，其力学性质表现为孔隙比大，，含水量高,土质松散或软弱，土压缩性高、地基承载力低，常表现出典型的欠固结土特征。在这些地区进行农业设施建造时，常采用桩基础。由于欠固结土的固结尚未完成，后续固结过程会引起地基土沉降，存在地基沉降量大于桩沉降量的可能，这时就会产生桩侧负摩阻力，对桩产生下拽力，这一载荷可能会造成桩身破坏、桩端地基的破坏等；地基一旦沉降幅度较大，还会使承台底部与地基土相互脱离，产生承台脱空现象，带来管线破坏，严重影响建筑外观（如图 1 所示）；局部地基沉降可能也会对临近的建筑物产生影响，使临近建筑物产生倾斜或者裂缝。因此，我们需要对欠固结土中桩身负摩擦力问题及地面沉降控制技术进行研究。新型纺锤型桩的研究将是一项具有创新性的研究工作，它能有效地减少负摩阻力对建筑物的影响，对于欠固结地基中农业设施的建造与使用具有重要的理论价值和工程意义；掌握地面沉降控制技术，能更好的减少工程隐患，保证人们的生命财产安全；因此，纺锤型桩的研究具备较高的学术价值和工程应用价值。
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1.2 国内外研究现状及分析
桩基负摩阻力现象是在桩基础设计中的一个重要问题。20 世纪中期, 人们才逐步认识到桩基负摩阻力对桩基设计的影响, 并逐渐提出桩侧负摩阻力、桩身轴力、中性点等观点。20 世纪中后期，国际上对于桩负摩阻力问题更加努力地探寻钻研，使其成为这个时代最为热门的研究；Terzaghi[1]于 1960 年发现了估算端承桩单桩下拽力大小的方式,它假定桩身摩阻力彻底达到极限值时,将会在全体桩长内形成桩与土之间的相对位移的运动过程；Johannessn 和 Bjerrum[2]发现桩负摩阻力的计算是通过有效应力的运算得出的。有效应力计算法是极限剖析法的体现,在桩土产生相对位移比较小的时候往往采用该方法，会产生明显的成效。在最近的几十年中, 负摩阻力和桩的时间效应的研究，已成为一个热点，是我国岩土学术界和工程界的难题。许多学者从理论分析、数值模拟、模型实验和现场试验四种途径开展，对等截面桩、楔形桩、扩底桩的负摩阻力特性方面进行了深刻研究，并且取得了丰硕的成果。理论分析方法,能够清楚的了解桩基负摩阻力现象产生的机理，概念清楚，是一种重要的研究手段。桩基负摩阻力经常使用的理论分析方法包括：极限理论与弹塑性理论分析，荷载传递与剪切位移分析等等。极限分析法和弹塑性理论分析是假定土体特性是弹性、塑性的连续体，并对其负摩阻力进行研究，与实际受力状况差异较大，其方法很难考虑桩土界面滑移机理。荷载传递法，因为它具有计算方式简单, 能清晰地表现出桩周土体、桩本身的应力、应变关系的特点, 因此在工程实践中应用广泛。但是这种方法也存在着一定的缺陷,如对于土的应力场、固结沉降等问题,并没有进行深入研究，更不用说考虑群桩效应,顾虑到土下卧层因素, 也就不能反应桩侧阻力增强或减弱的规律。
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第二章欠固结软土地基中等截面单桩负摩阻力数值模拟

2.1 引言
伴随着科学技术的飞速发展，在土木工程、桩基研究方面计算机技术的使用范围越来越广。在岩土本构模型的研究方面，大多学者采用数值模拟分析法。因为数值模拟方法不仅能够节约大量的实验资金和缩短工期,还能避免实验过程中产生的误差。通过对数值模拟计算结果与现场实验或者模型实验的结果进行对比,来验证模型的可行性、合理性。本章运用 ABAQUS 三维有限元数值模拟软件，创建了等截面单桩的有限元数值模型。通过模型研究了桩顶在竖向荷载与桩周土堆载作用下,桩顶的沉降、桩周土体表面的沉降、中性点的位置以及桩侧摩阻力之间的变化规律。
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2.2 ABAQUS 软件简单介绍
ABAQUS 程序常用的几个菜单命令：
1.模型单元定义：通常分为三角形单元和矩形单元，尝试划分单元时要规则划分，从而避免异常单元；
2.材料属性的定义：要求分析和定义不同类型特点材料，大多包含应力材料特性分析和其他材料特性分析，如弹塑性、渗透性等等；
3.分析步的定义：根据所建模型，模拟其操作步骤。按照具体情况合理定义时间步长，否则容易造成计算的不收敛。
4.接触条件的定义：定义桩土们之间的相互作用关系，需要设置桩土间的接触面，摩擦系数等条件。
5.边界条件的设定：ABAQUS 提供了好多种边界条件的设定类型，如应力应变分析，热传导分析，流体耦合分析等；我们还要注意边界条件的自由度问题，设置好位移转角。
6.载荷条件的定义：包括静力通用、动力、重力载荷、土瞬态固结等载荷的定义。
7.网格划分：需要将网格合理划分为四面体或六面体单元，网格划分不要太密，否则会增加计算时间、计算工作量；网格划分也不要太稀疏，否则会造成计算不住准确，效果不明显
8.初始条件定义：需要编辑关键字，输入命令来完成初始条件的定义和施加，它包括初始地应力、初始孔隙比、初始孔压等条件。
9.提交运行与后处理：条件设定完成后，建立 job 文件并提交运行；工作完成后根据需要进行后处理，得出场变量和历程输出，比如位移，应力，应变、孔压、温度等场变量。
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第三章 纺锤型桩的单桩负摩阻力特性理论分析.....24
3.1 负摩阻力的定义 ........24
3.2 产生负摩阻力的主要原因 ....24
3.3 影响负摩阻力的因素 ......25
3.4 中性点的位置 ......25
3.5 纺锤型桩的竖向荷载传递性状分析 ......26
3.6 纺锤型桩负摩阻力特性分析 ......26
3.7 减少桩基负摩阻力的方法 ....28
第四章 欠固结土中纺锤型单桩负摩擦力数值模拟及设计优化.....30
4.1 引言 ....30
4.2 纺锤型单桩负摩阻力特性有限元数值模拟 ......30
4.3 纺锤型桩负摩阻力模拟计算结果分析 ........32
第五章 软土地基中纺锤型桩控制地面沉降的技术应用.....44
5.1 背景技术 ........44
5.2 地基沉降带来的危害 ......44
5.3 现有的防治地基沉降方法 ....44
5.4 纺锤型桩的设计工艺 ......45
5.5 纺锤型桩控制地面沉降技术应用 .....47

第五章 软土地基中纺锤型桩控制地面沉降的技术应用

5.1 背景技术
软土由于其本身具有高的含水量，孔隙比，压缩变形以及固结时间长和变形稳定所需时间长等工程特性[58]，所以一般情况下，不能把它作为天然地基直接使用，而是需要经过地基加固处理来减小地基在荷载作用下引起的沉降或不均匀沉降。地基沉降会导致建筑物桩基承台脱空，产生裂缝，甚至使建筑物发生倾斜、断裂，从而带来一系列的工程隐患，因此我们需要做好软土地基处理工作。软土地基处理方法很多，但是其目的是地基必须满足强度、变形和透水性的要求，减小地面沉降。在软土地基中的建筑物，由于土质疏松，很容易使土体发生压缩变形，这将导致桩侧负摩阻力的产生,但是桩基础受到负摩阻力的影响最大。因此我们要综合考虑这些问题,否则桩基础的设计时可能会导致:桩端地基破坏,桩身损坏,建筑物不均匀沉降。尤其是，我国沿海地区存在着大量的淤泥或软粘土,所以负摩阻力的问题更加突出，从而带来一系列的工程危害。

结论

本文主要是对纺锤型桩负摩阻力特性及控制地面沉降技术应用的研究，分析了土体弹性模量、摩擦系数、土体固结时间、桩顶竖向荷载与地面堆载作用等因素对中性点的位置、桩侧负摩阻力、下拉载荷和桩土位移做了较为系统的介绍与阐述。运用ABAQUS 软件建立了桩土的三维数值模型, 分析了桩侧负摩阻力和地面沉降的变化规律, 通过对纺锤型桩与等截面桩的负摩阻力和下拉载荷的数值模拟分析,得出了以下结论：
1、通过对等截面桩和纺锤型桩的三维数值模拟，研究在桩顶竖向载荷、地面堆载共同作用下其负摩阻力和地面沉降的变化规律。分析土体固结时间、桩土间摩擦系数的大小、地面堆载、桩顶竖向载荷等因素对中性点的位置、桩侧负摩阻力、下拉载荷的影响规律。结果证明：桩土间相对位移影响桩负摩阻力发展变化；当在桩顶施加的竖向荷载越大,那么土体对桩身的下拉载荷越小，桩负摩阻力减小；地面堆载越大，地面沉降越大,桩基受到的桩身下拽力和桩身沉降越大，负摩阻力增大；摩擦系数越小，有利于减小负摩阻力；随着土体固结时间的增长,桩侧负摩阻力的变化规律也表现出明显的时间效应，随着时间的增长而逐渐稳定。
2、纺锤型桩较一般等截面桩而言,由于桩体楔形面的存在，使桩周土体的受力情况发生了改变,桩的拱脚处给土体提供了更大的支撑,有利于提高桩基承载力。
3、纺锤型桩的桩侧负摩阻力，随着桩周土体弹性模量的增大而增大；桩土间摩擦系数减小，桩负摩阻力减小；桩顶竖向载荷增加，桩负摩阻力减小。
4、纺锤型桩锥角的大小影响桩侧负摩阻力，它随着锥角的增大而减小，并且有利于减小地面沉降。但是，锥角不能的无限扩大，它是有一定限度的，否则会对桩体本身产生破坏。
5、纺锤型桩具有良好的端承性状、高的承载力和较小的沉降，其技术经济效果显著,能够节省材料，降低成本；在软土或软粘土等地基中，纺锤型桩具有明显的优势，有较高的工程应用价值。
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参考文献（略）