水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载性状研究.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载性状研究.精品文档.分类号 U446 单位代码 10618密 级 学 号 106260278硕 士 学 位 论 文论文题目: 水平荷载下超长钻孔灌注群桩承载性状研究 Bearing behaviour research of super-long drilling perfusion clustered piles to laterl loading于 大 晶 研究生姓名: 导师姓名、职称: 王 成 教授申请学位门类: 工 学 专 业 名 称: 桥 梁 与 隧 道 工 程论文答辩日期: 2009 年 3 月 30
2、 日学位授予单位: 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席: 高 峰 评阅人: 高 峰 唐 树 名 2009 年 3 月 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文
3、的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等),同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名: 指导教师签名:日
4、期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘 要桩基础能较好地适应各种地基条件和各种荷载情况,是我国工程建设中广泛采用的基础形式。随着钢桩在工程实践中的应用,桩的水平承载能力越来越引起人们的重视。特别是对水平受载群桩,由于荷载传递机理复杂,影响因素多,正确分析群桩桩土作用机理,为工程提供合理、可靠、实用的计算方法。这方面研究还很不足,急需更加深入、细致的研究。本文结合西部交通建设科技项目“超长桩承载力和承载性能研究”,主要开展了以下几方面的研究:回顾、总结了目前水平荷载作用下单桩、群桩、以及桩土相互作用工作的受力机理成果和分析计算方法。分析了群桩在水平荷载作用下模型试验数据,验证三维有限元模型的合理
5、性。通过假定桩侧土抗力的新模式,选择合适的桩侧土抗力分布函数,分别推导了桩侧土抗力的群桩折减率公式和水平地基系数的群桩折减率公式,并运用模型试验验证群桩效率公式的正确性。建立水平荷载作用下超长群桩与土的三维有限元模型,进行了数值分析,计算超长群桩在水平荷载作用下,桩间距、桩身弹性模量、土体弹性模量对超长群桩承载性状的影响。关键词:水平荷载;超长群桩;桩土桩相互作用;群桩效率;数值分析;荷载传递ABSTRACTWidely used in the construction of our country, pile foundation is the foundation form that ca
6、n well adapt to a variety of ground conditions and load cases. With the application of steel piles in engineering practice,people are paying more and more attention to the horizontal bearing capacity of such piles.Due to the complicated mechanism of load transfer and many affecting factors. We are n
7、ow in great need of profound and meticulous study to correctly analyze the mechanism of plie and soil in pile group and supply the engineering with reasonable, reliable and practical method of calculating, study in this aspect is insufficient,especially in the study of pile group under the effect of
8、 horizontal load. In the thesis ,I mainly carry out the following study with the combination of transport construction projects in western areas Study of Super-long Pile Bearing Capacity and Behavior. Reviewing and summarizing the latest mechanism and calculation of single pile ,pile group and the e
9、ffect of pile and soil. Analyzing the model experimental data in pile group under the horizontal load and verifying the reasonability of models in three-dimensional finite element method. Respectively deducing the formula of the discount rate and the coefficient of horizontal foundation in pile grou
10、p under the effect of soil resistance visa the new model and distribution function of soil resistance,verifying that the formula of the discount rate is correct. Establishing the three-dimensional finite element method model under the effect of horizontal load in super long pile ; calculating the ef
11、fect to the super long pile bearing capacity under the influence of distance between piles, elastic modulus of pile and soil with the help of numerical analysis.KEY WORDS: horizontal load; super-long group pile; pile-soil-pile interaction ; group pile efficiency;numerical analysis; load transfer 目 录
12、第一章 绪 论11.1问题的提出及研究意义11.2群桩水平承载力国内外研究现状11.3群桩水平承载力分析方法研究状况31.3.1理论方法研究31.3.2试验方法研究61.4本文的研究内容及方法71.4.1本文研究内容71.4.2本文研究方法7第二章 水平承载桩的工作性状82.1水平承载桩的破坏机理82.1.1水平承载单桩的破坏机理82.1.2水平承载群桩的破坏机理102.2水平受载单桩的分析理论和计算方法102.2.1基桩的挠曲微分方程102.2.2线弹性地基反力法112.2.3非线性分析方法182.3水平受载群桩的分析理论和计算方法252.3.1水平荷载作用下群桩的工作性状252.3.2水平
13、荷载下群桩的计算302.4本章小结38第三章 超长群桩水平承载试验资料的分析整理393.1试验概况393.1.1试验模型393.1.2试验装置413.2试验成果433.2.1桩身泥面处实测水平位移433.2.2桩身实测弯矩453.3本章小结48第四章 水平荷载作用下的群桩效应计算方法地基系数折减法494.1桩侧土抗力的群桩效率494.1.1基本假定494.1.2后排桩的桩侧土抗力折减系数504.1.3桩侧土抗力群桩折减效率534.2水平地基系数的群桩折减率534.3水平地基系数群桩折减率的计算554.4算例分析644.5本章小结65第五章 桩土结构有限元分析基本理论675.1有限单元法简介67
14、5.1.1有限单元法的适用范围675.1.2有限单元法的主要特点和优越性675.1.3有限单元法分析过程的步骤685.2桩土相互作用的空间数值模型705.2.1土的非线性本构模型705.2.2三维八结点等参单元的有限单元模型725.2.3桩土接触面单元755.3本章小结77第六章 超长群桩水平承载性状的非线性有限元分析786.1超长群桩水平承载力有限元计算模型786.1.1基本假定786.1.2桩身、土体采用的单元类型806.1.3几何模型与边界条件806.1.4计算参数及工况816.2计算结果分析836.2.1位移比较836.2.2群桩的桩身弯矩分布856.3本章小结91第七章 结论与展望9
15、27.1本文主要结论927.2需要进一步研究的问题92致 谢93参考文献94在学期间发表的论著及取得的科研成果99第一章 绪 论1.1问题的提出及研究意义桩基作为一种古老、传统的基础形式,在岩土工程中被广泛采用,但用竖直桩来承担水平荷载还是近几十年的事。随着我国工程建设事业的蓬勃发展,在高层建筑、重型厂房、港口码头、桥梁、水闸、海上采油平台以及核电站等工程中大量采用桩基础,桩基础已经成为我国工程建设中广为采用的一种重要基础形式。但过去相当长的时期内,把它的功能局限于传递上部结构竖向荷载给下部地基的作用,这是由于:一般的房屋基础,水平荷载不大,靠承台基础和基础前面的土抗力或底部的摩阻力就足以抵抗
16、。所以,在设计时仅考虑竖向荷载;人们往往假定作用在桩基上的水平荷载由斜桩来承担,因而在许多大型桩基工程中经常设置较多的斜桩,例如,桥梁桩基础、港口码头桩基础等1,但这种斜桩的设置给桩基的施工带来不便和麻烦。自50年代以后,高层建筑、公路和铁路上大型桥梁及大吨位码头等大型工程的不断兴建,要求人们采用大直径的桩,以满足巨大荷载的需要。然而,设置大直径的斜桩在施工技术上存在困难,施工机具上存在问题。同时应看到,从灌注桩诞生以来,由于灌注桩的桩径和桩身刚度较大,桩顶和承台的嵌固条件较好,使得竖直桩桩基的水平承载能力有较大提高2。所以对水平荷载作用下的桩基的研究很具意义。目前,国内外对桩基础竖直承载力的
17、研究较多,即使有一些水平荷载作用下桩的计算理论,也多限于单桩的承载力计算,而实际工程中的桩往往是以群桩的形式出现的。群桩在水平力作用下桩与桩之间影响因素很多,关系错综复杂,而且群桩的原型试验要比单桩困难得多,且费用非常高。国内外在水平荷载作用下群桩的试验资料和研究资料都相当少,在各种技术规范中也少有反映。为了满足工程设计和施工的需要,我们必须对群桩在水平荷载作用下的工作性状作出实际的、正确的分析,提供有效可靠的计算理论和科学依据。1.2群桩水平承载力国内外研究现状群桩基础是桩基工程中的主要基础形式,群桩基础在承受中心的或偏心的竖向荷载外,还常常受到风力、土压力、车辆制动力和地震力等水平荷载的作
18、用。以往的设计常假定作用在群桩上的水平荷载由群桩中设置的斜桩来承担,竖直桩只承担竖直荷载1。自从钻孔灌注桩诞生以来,由于灌注桩桩径和桩身刚度较大,桩顶嵌固条件较好,其水平承载力有较大提高2,目前不但用它来承担较大的垂直荷载,而且也用它来承担较大的水平荷载,扩大了桩基的使用范围,标志着桩基的发展到了一个新的阶段。然而,到目前为止,受试验条件和数值分析技术上的限制,水平荷载群桩桩土共同工作的力学性状、相互作用机理及破坏规律的研究存在不少问题有待进一步研究、探索最终得到解决。一早在1967年,黄委会2就对灌注桩群桩基础进行了现场试验,通过试验发现单桩和群桩承载能力相差较大,特别是水平承载能力,后于1
19、968年春又进行了群桩试验,试验表明:群桩水平承载能力随桩数的增加而减小,和垂直承载能力一样,也存在一个效率系数问题。随后1976年开始在章丘庄子闸进行了小桩现场试验,而从1979年开始,黄委会在黄河洛口对单、群桩进行大规模的现场原型试验,得到了更为宝贵的群桩试验资料,对水平荷载群桩的工作性状和群桩效率有了进一步的认识。七、八十年代,国外不少学者对水平荷载群桩也作了试验研究和理论研究。Mahock3等人对软土中的群桩进行了水平承载力试验:Poulos45视桩为半无限弹性体中的梁,用Mindlin方程计算土抗力,用有限差分法求得各种条件下由于两根桩相互作用而引起的附加位移和转角,对水平荷载群桩进
20、行了弹性分析,指出水平力在群桩中个桩的分配情况,得出了一个群桩水平承载能力效率系数计算公式。后来,Focht和Koch6发展了Poulos方法,把Poulos方法和单桩的曲线结合起来提出了用群桩的位移增大系数y乘以单桩曲线中的位移值y来考虑群桩效率,反映了桩土体系荷载位移关系的非线性性质,称为Focht-Koch-Poulos综合效率系数法;而印度的Hariharan和Kumatasamy则提出了建立在通用的曲线法和地基土抗力理论上的方法;Holloway7在沙土中进行了木桩现场试验,实测出群桩的曲线的影响范围约为11D之内;Znamensky和Konnov8通过试验资料和理论分析,导得了群桩
21、水平承载力综合效率系数;另外,Tamura9等人对群桩的水平承载力进行了数值和理论分析,Reese10也通过载荷试验和理论分析,研究了水平荷载群桩的受力变形特性。八、九十年代以来,国内对水平荷载群桩也进行了一些试验研究和理论分析工作。黄委会2经过大量的现场原型试验,得到了群桩水平承载力与桩径、桩长、桩距、桩数、排列和承台设置方式等因素的关系曲线,进而求得了水平承载力与诸因素的经验关系式,测得了群桩中各排桩位移和地基系数分布规律,并了解了水平荷载作用下群桩桩内弯距的分布情况,同时观测了水平荷载群桩的两种破坏形式整体破坏和局部破坏。谢耀辉11在调查研究的基础上分析了水平荷载群桩的工作性状,并通过模
22、型试验,对单向常规循环、多循环荷载变位规律,双桩的曲线进行了试验分析,提出了把排桩中“后桩”修正为单桩计算的土反力折减系数公式。韩理安1213对弹性理论法不能考虑土的塑性性质而不很符合实际等不足点进行了分析,在土体达极限状态时,导出了考虑群桩效应的水平承载力计算公式。他认为,群桩效率宜只考虑桩土共同作用产生的桩与桩之间的相互影响,在此基础上再考虑其他因素的影响,引入了新的概念群桩综合效率。周洪波和茜平一14基于Focht-Koch-Poulos综合效率系数法采用曲线法计算单桩位移比较烦琐,土质参数的选取无明确目标,以及此法不能正确反映群桩中各桩的实际荷载分担比这些不足之处,对它进行了改进,提出
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