组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法的研究

组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法的研究 摘要 随着我国经济的迅速发展,基本建设规模不断扩大,地基处理技术在长期的 工程实践和理论研究过程中形成了一套比较完善的理论体系,同时复合地基的形 式也发生了较大的变化。在满足安全性的前提条件下,为了寻求更大的经济性, 近些年来,组合桩型复合地基在许多实际工程中得到了应用。目前该类型的复合 地基仍处于尝试、试验研究阶段,它的理论研究相对于:程实践还很落后。为了 研究组合桩型复合地基的工作机理和承载力计算方法,进一步完善组合桩型复合 地基的理论体系,使其能够对工程实践起到更好的指导作用,本文在以往众多学 者研究成果的基础上,进行了以下几方面的工作: 阐述了复合地基的基本概念,在单一桩型复合地基分类的基础之上,根据 复合地基的加固机理及设计理念,对复合地基进行了重新分类。根据不同工程地 质条件,给出了可供选择的组合桩型复合地基设计方案。对组合桩型复合地 基的 承载性状和承载力计算方法的研究现状进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 总结。 、利用基于显式有限差分方法的”应用程序,针对组合桩型复合地基中 的刚桩一散碎石桩组合型复合地基进行数值模拟。在模型的加载过程中采 用分步加载的方式,使模型的受荷过程与工程实际更为接近。计算过程中分别考 虑了荷载变化、垫层厚度、垫层模量以及桩长变化等对组合桩型复合地基承载性 状的影响,通过对数值计算结果的分析,得出了桩身应力、桩土应力比和荷载分 担比随各参数的变化规律,所得结论对优化工程设计具有一定的指导意义。 在对原有组合桩型复合地基承载力计算方法进行充分研究的基础上,考虑 组合桩型复合地基受荷后的实际工作性状和施工方法对桩闻土承载力的综合影 响,引入主控桩、辅桩和桩间土承载力发挥系数及桩间土承载力提高系数,进一一 步修正了组合桩型复合地基承载力计算方法,并结合工程实例加以验证,实例验 证表明,复合地基承载力计算值与载荷试验实测值基本吻合。该方法对完善组合 桩型复合地基设计理论具有一定的促进作用。对组合桩型复合地基工程实践具有 一定的借鉴价值。 关键词:组合桩型复合地基;承载性状;;数值模拟 儿 血 : , , 昌丁 咖 用 ?, ., , ,?. ,. ? , ? ?’, : , 舀,“ , 王 , , ,.? 如 但 讲 , 一擘 , 印. 叠 如 .谪电, . ,舀 , ,吐; . ,?. , ,矗 订 嗣 , , ??.. “ “ ? 】, 玎 .【 :? ; ;; 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包台其他人已经 发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得塑垦盛些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的浇明并表示谢意。 签字日期: ‖年占月陟日 学位论文作者签名:朱第克, 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦壑些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑些盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名: 学位论文作者签名 乏一垄? 巷第未 签字日期:砷‖年月,上日 签字日期:妒年;月,?日 学位论文作者毕业后去向: 电话: 工作单位: 自编:组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法研究 绪论 .引言 ..复合地基的概念与分类 复合地基 ,. 咖的概念是曰本学者在世 纪年代初提出的,当时是指一种砂型地基的数学模型。随着地基处理技术的发展, 复合地基的概念得到了很大的扩展,而且还处在不断发展之中。迄今为止,复合地基 技术在国内外土木工程建设中已得到广泛应用,但是对什么是复合地基,或者说哪些 地基基础形式可称为复合地基,无论是学术界还是工程界,至今尚无比较统一的认识 【。 单一型复合地基 复合地基?是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在 天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体天然地基土体或被改良的天然地基土体 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载的作用。 根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。其 示意图分别如图所示。 ???衄堕墨 ????????? ??????增强体 ??????????一 《竖向增强体蔓台地荽 水平向增强体复合地基 图单一型复古地基 竖向增强体习惯上称为桩。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。目前在 工程中应用的竖向增强体有碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩、灰土桩、各种低强度 桩和钢筋混凝土桩等。根据竖向增强体的性质.又可分为三类:散体材料桩、柔性桩 和刚性桩。散体材料桩如碎石桩、砂桩等,只有依靠土体的围箍作用才能形成桩体, 桩体材料本身不能形成桩体。对应于散体材料桩,柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料 桩。视桩体刚度不同将粘结材料桩分为柔性桩和刚性桩两种,也有人将其称为半刚性 桩和刚性桩。柔性桩如水泥土桩、灰土桩等。刚性桩如钢筋混凝土桩、低强度混凝土河北农业大学硕士学位 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 桩等。严格讲,桩体的刚度不仅与材料性质有关,还与桩的氏径比、土体的刚度有关, 应采用桩土相对刚度来描述。 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。加筋材料主要是土工织物和土工格栅 等。龚晓南教授考虑在荷载作用下加筋土地基中筋体与土体的复合作用,将加筋土地 基也纳入复合地基的范畴, 在复合地基中,增强体设置方向不同,复合地基性状亦不同。桩体复合地基中, 桩体足由散体材料组成还是由粘结材料组成,以及糕结材料桩的刚度大小,都会影响 复合地基荷载传递性状。根据复合地基工作机理可将复合地基作如下分类: 若不考虑水平向增强体复合地基,则竖向增强体复合地基可称为桩体复合地 基或 散体材料桩复合地基 竖向增强体复合地基 复合地基 粘结材料桩复合地基萧藿蓉萎喜蓑萋 水平向增强体复合地基 简称为复合地基。 另外,近年来出现的实散组合桩?】与劲芯水泥土组合桩“,考虑其加固机理及 设计理念,笔者认为亦应归入此类。所谓实散组合桩图是指复合地基中的单桩由 上下两段组成,上段是实体桩,下段是散体桩;劲芯水泥土组合桩技术是在水泥土搅 拌桩的基础上发展而来的,郧在水泥土搅拌桩成桩之后、水泥土幸刀凝之前,用压桩机 械将刚性加强体混凝土芯桩压入水泥土体内到设计位置,待水泥土凝固后,芯桩与 水泥土共同作用,承受上部荷载的一种新桩型。上述两种型式的组合桩与桩间土共同 组成复合地基。 漫凝土 沉管夺 扩鲢 图水泥土组台桩的种形式 图实散组合桩示意图组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法研究 目前,国内常见的水泥土组合桩可分为种类型:?将预制钢筋混凝土芯桩插入 水泥?搅拌桩内,形成以钢筋混凝土预制桩为硬芯,水泥土为外桩的共同受力的结构 体见图,这种结构充分利用了芯桩和水泥土两种材料,其材料强度得到极好的发 挥,是目前最常用的形式;?采用预制混凝土中空管桩或钢管桩作为加强体,待管 桩压入后,在管桩中部空腔内现浇混凝土,以增加上部桩体强度,提高单桩承载力见 图:?采用沉管灌注桩的设备在水泥土桩中心成孔灌注混凝土形成水泥土组合桩 见图。是新近出现的一种组合桩形式,较?、?两种形式施工更快捷、更简便, 而且具有较好的经济性;?采用沉管灌注桩的设备在沉管内加一小夯锤在水泥土桩 中心成孔灌注混凝土,并在指定位置进行夯扩,进而形成夯扩水泥土组合桩见图, 这是在第?种形式的基础上发展来的,但较之振捣更密实,承载力更高。 相对于近些年出现的其它形式的新型复合地基而占,笔者将上述复合地基称为 单一型复合地基。对于单一型复合地基目前已做了大量的研究工作,对于其计算理论, 如沉降理论,承载力理论,已有许多成果。有学者指出,单桩型复合地基的理论研究 和实际应用已经只趋成熟。 自年复合地基出现以来,因其能充分利用桩间土和桩体共同作用的特有优 势和相对低廉的工程造价得到了广泛的应用。但单一型复合地基,所能解决的地基问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 也比较单一】。单一型复合地基虽然能改变地基土的特性,但它们只能改变地基土 某一方面的性质【】。而在实际工程中,由于工程地质条件的复杂多变性,加上技术经 济的制约,单一型复合地基往往不能满足设计需求“。 组合型复合地基 近十多年来,地基处理技术得到了极大发展。其主要表现为多种地基处理方法的 综合运用。随着我国经济建设的迅猛发展,基本建设规模越来越大。在土建、交通、 水利等工程建设中经常遇到软弱不良地基,必须对天然土层进行人工加匿处理。目前 不少地基处理方法是通过形成复合地基以达到提高地基承载力、减小沉降和消除液化 的目的。许多工程实践证明,当岩土工程条件较为复杂或建筑物对地基要求较高时, 采蹋单一的地基处理方法处理地基,往往满足不了设计要求或造价较高,而由两种或 多种地基处理措施组成的综合处理方法很可能是最佳选择”?。 目前工程中应用的组合型复合地基有以下两类: ?双向复合地基 文『】提出了双向竖横向增强体桩一网复合地基复合地基的概念,是指通过 在地基中联合设罱竖向和水平向增强体而形成的新型复合地基如图所示;其特点可北农业大学硕士学位毕业论交 是设计时认为双向复合地基的竖向和水平向增强体在荷载作用下共同承担荷载的作 用。通常复合地基设计中竖向增强体的 水平向垫层或加筋垫层,设计时仅考虑 其使荷载均匀地作用于竖向增强体及桩 间土上,而不认为是复合地基承载能力 的来源。而双向复合地基中水平向增强 体不仅可以使荷蔽均匀沲作用予竖向增 下群蓉纛慝 强体及桩间土上,而且设计时认为其参 与承担荷载作用,是复合地基承载能力 图桩一网复合地基组成示意囱 的来源。双向复合地基虽然是文提 出的新概念,但在近年的工程实践串.如湖南省强长高速公鼹软土路基处理守己有所 应用,并取得了良好的效果。 ?组合桩型复合地基 组合桩型复合地基符合《建筑地基处理技术规范》?基本的规定。目 前,此类复合地基仍处于尝试、试验研究阶段,尚无相应的国家规范,其名称叫法各 异。从文献研究采看,笔者认为可将组合桩型复合地基定义为:组台桩型复合地基是 指由两种或两种以上不同类型的桩或桩长的桩与桩问土组成的复合地基其示意图见 图。在这类复合地基中。通常格柱身强度 较高的桩称为主桩或强桩,将强度较低的桩 称为次桩或弱桩,且大都为长短桩复合。此 类复合地基的名称叫法各异,如组合型复合地 基、长短桩复合地基、多元复合地基、混合桩 型复合地基、三元组合型复合迭基等。考虑其 加固机理及设计理念,笔者将长短桩复合地基 也纳入此类。 组合桩型复合地基的类型很多,有刚性 图刚柔桩复合地基剖面示意图 长短桩组成的复合地基,刚性桩与柔性桩形 成的复合地基,性桩与散体材料桩形成的夏台地基,柔性桩与散体材料桩形 成的复 合地基等。 综上.可对复合地基作如下分类:组合桩型复合地基承载性状及承载力计算 方法研究 体 材黼桩复合地 地 结材靴 桩复合地 裂腓啪雠樾麟联群锄钠地地 基胡‰兰一 地 合桩鼢合 基 合 趔 长耻桩桩短蜘与与馘蟛雠蠢 复联体体合釉材材地屿料料基妻桩桩蹴蹴瀚黼 愎蝮拾治抛抛 堪蟮 ; 慑雌黼嚣 ..组合桩型复合地基方案的选择 当岩土工程条件较为复杂或建筑物对地基要求较高时,采用单一的地基处理方法 处理地基,往往满足不了设计要求或造价较高,而由两种或多种地基处理措施组成的 综合处理方法很可能是最佳选择”。组合桩型复合地基正是基于这一设计思想而产生 的。 通常在下述情况下可考虑选用组合桩型复合地基: 当基底以下存在厚度不大的软弱或不良土层时,采用短桩对该区域土层进行 加固,可提高基底软弱、不良土层的承载力,消除软弱、不良土层引起的不均匀沉降 与不良特性。短桩的加固深度、加固范围可视地基土的物理力学特性及其分布情况而 定。一般情况下短桩可采用夯实水泥土桩、旋喷桩等形式与刚性长桩间作形成组合桩 型复合地基:对于建筑物地基存在中等、严重液化场地,可采用短桩如碎石桩消 除场地土的液化,采用刚性长桩落在较好的桩端持力层,以提高地基承载力和满足建 筑物对地基变形要求;对于厚填土或欠固结的湿陷性黄土类,可采用振动沉管挤密施 工 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 施工短桩,如生石灰桩、灰土挤密桩等,使桩问土挤密,再利用长桩提 高复合 地基承载力。 化当基底以下存有上下两层较为理想的桩端持力层时,如全部采用短桩,将桩 端放在上层持力层,即使复合地基承载力能够满足设计要求,由于加固区较浅,沉降 计算结果偏大;如全部采用长桩,将桩端放在下层持力层,复合地基承载力、变形计 算均能够满足设计要求,但地基处理工作量加大,费用较高。此时。可采用长、短桩 组合的剐性桩复合地基,长、短桩分别落在下、上两层桩端持力层上,充分利用上、 下两层桩端持力层的承载能力,利用短桩提高复合地基的承载力,通过长桩控制变形, 在满足设计要求的同时也减少了地基处理的工作量。 在下文引用参考文献时,为忠实于原作和体现其用意,对各种组合桩型复合地 ’ 基仍采用原称谓。河北农业大学硕士学位毕业论文 .组合桩型复合地基研究现状 组合桩型复合地基虽然在实际工程中得到了应用,由于研究时间尚短,研究深度 不够,应用的工程数量有限,所以有许多方面诸如承载机理,计算模型的选择,参数 的确定等都有待进~步提高完善,“,其理论的发展还是远远落后于工程实践【。 下面将对组合桩型复合地基近些年来的研究成果避行阐述。 ..组合桩型复合地基承载性状研究现状 针对组合桩型复合地基,有部分学者对其进行了理论和试验研究: 王步云【?等,通过试验与工程实践,介绍了采用碎砂石桩及低强度混凝土桩 组合构成的复合地基的载荷试验成果,详细研究了不同情况下桩土应力比的变化规律 及桩体的应力和位移变化。 白晓红 等,通过生石灰搅拌桩和桩的室内力学试验和复合地基现场载荷试 验的分析结果,对这两种桩组成的复合地基进行了分析研究,并提出了有关设计计算 的新观点。 郑俊杰 等,提出了多元复合地基的概念及检测方法,对多元复合地基设汁施工 中的若干问题进行了讨论,结合工程实例说明多元复合地基法具有较好的技术效果和 经济效益。 杨军龙口等,以数值方法为工具,建立桩和水泥土桩组合长短桩复合地基三 维有限元计算模型,探索了长短桩复合地基桩土相互作用机理,荷载传递性状及附加 应力分布规律。 邓超,用二维有限元法分析研究了长短桩复合地基沉降特性,探索了长短桩复 合地基中桩的荷载传递性状、附加应力分布情况,并考察了长短桩复合地基主要参数 变化对桩土荷载分担和复合地基沉降的影响,同时重点分析了褥垫层的作用。 尚新生】等,从单桩与桩间土的荷载一沉降曲线出发,采用荷载一沉降的双曲线 模型,给出了多元复合地基桩土应力比的解析解,通过分析得出,桩土应力比随荷载 的变化形式与桩、桩问土的初始切向压缩模量和极限承载强度有关。 刘海涛硎等,阐述了深厚软土地基中刚一柔性长短桩复合地基的设计思想。通过 大型现场试验,分析此类复合地基的主要工程性状,并研究了桩土应力比及荷载分担 的发展规律。 周德泉?矧等,对组合桩型复合地基进行了具体的试验研究,通过试验,对三元 和四元复合地基的工程特性进行了对比,对获得的三元和四元复合地基中 桩、土垂直 受力特性试验数据进行综合分析,讨论了其性状的影响因素。 刘奋勇【等,通过混合桩型复合地基载荷试验测定了不同桩型及桩间土的应力, 分析了这种复合地基的桩土应力比变化规律、破坏模式和各类桩及桩问土的承载力折 减系数及其影响因素。组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法研究 陈龙珠 等,在实际工程的建造和使用过程中测定了长、短桩和地基土的受力和 基础沉降变化情况,从而分析了长短桩复合地基的桩土荷载分担特性、桩土共同作用 机理和荷载沉降特性,为理论研究及工程设计提供有益的参考依据。 王明山等,通过一个具体工程的试验研究,分析了多桩型复合地基桩士应力比、 荷载分担比、桩土承载力发挥等桩土承载性状,并据此提出了若干建议性结论。 随着计算机技术在岩土工程中的普遍应用,部分学者利用岩土工程计算程序对实 际工程建模,用数值方法进行模拟分析: 葛忻声”等,结合具体工程采用有限单元法,对软土中由钢筋混凝土桩与水泥搅 拌桩组合而成的长短桩复合地基工作性状进行了研究。 粱发云等,对带褥垫层冈?一柔混合桩型复合地基工作性状进行了有限元分析。 其中刚性桩采用钢筋混凝土沉管灌注桩,柔性桩采用水泥搅拌桩,褥垫层为碎石层和 素混凝土组成。 陈强,】等,运用有限单元法对桩与桩组合型复合地基进行了数值模 拟研究,重点分析了该类复合地基的应力特性及变形特性。 杨秀红?,根据固结理论,采用可以考虑渗流与变形耦合的非线性有限元程 序,对桩和桩组合型复合地基的应力、应变和排水固结问题进行了非线性计 算。 李建光,利用有限元程序分析了垫层厚度、桩长、置换率和桩体模量对复合地 基沉降和主应变的影响。 张世民圳,采用有限元计算程序,对刚柔复合地基进行了三维有限元分析,考察 了不同荷载水平下,不同刚柔性桩比例的情况下,复合地基的平均沉降量、土体的沉 降等值线和应力等值线以及刚性桩和柔性桩桩顶荷载比值随不同基础荷载水平的变 化规律。 陆文哲【,采用有限元程序对长短桩复合地基固结变形展开了较深入的研究。 林旭武”,从优化设计角度对组合桩地基进行有限元分析,对组合桩地基性状 的 影响参数和垫层的作用机理进行了探讨和分析,并对组合桩地基优化设计提出自己的 看法。 ..组合桩型复合地基承载承载力计算方法研究现状 组合桩型复合地基的承载力计算方法目前也并不成熟,已有少数学者和工程技术 人员对其进行了研究: 王步云?】等,先确定经砂石桩加密的桩间土的承载力与低强度混凝土桩的承载 力,然后按照一定的原则叠加这两部分承载力得到组合型复合地基承载力。 党昱敬叭,将碎石桩与桩间土所形成的复合地基土层假定为理想的“碎石土层”, 该“碎石?层”‘ 桩废形成的复合地基特性,其实质就是桩复合地基的特性, 不同的是桩周的介质不同而已,并据此给出组台型复合地基承载力的计算公式。河北农业犬学硕学位毕业论文 马骥【。等,对长短桩复合地基的承载力计算方法进行了介绍,着重对设计中有关 参数的确定进彳『了分析,并结合工程实例加以验证。 郑俊杰【等,综合利用两种及两种以上的地基处理方法形成多元复合地基,运用 而积加权原理得到了承载力计算方法。 邓超】,根据长桩在长短桩复合地基中作用形式的不同,将长短桩复合地基分为 两类:长桩协力式长短桩复合地基和长桩控沉式长短桩复合地基。并据此提出了长短 桩复合地基的承载力计算方法。 现有的组合桩型复合地基承载力计算方法不同都程度地考虑了对复合地基承载 力影响较大的因素,也各自提出了相应的计算方法和重要结论,为实际工程的优化设 计提供了非常有价值的参考,但其理论方法仍处于初始阶段,有待进行更加深入的研 究。 .本文的研究内容 本文以水泥粉煤灰碎石桩桩和碎石桩联合形成的组合桩型复合地基 为主要研究对象,在前人:作所得结论的基础上利用基于显式有限差分法理论的快速 拉格朗日分析程序对其进行三维数值模拟,考虑组合桩型复合地基中不同荷载、垫层 厚度、垫层模量、桩体长度对组合桩型复合地基承载性状的影响,对荷载传递规律、 应力特性进行了研究。 结合现有组合桩型复合地基承载力计算方法,综合考虑复合地基受荷后的工 作性状和旌工方法对桩间土承载力的影响,对组合桩型复合地基承载力计算方法进行 研究,提出复合地基承载力分步计算新方法,供工程设计参考。组台桩型复台地基承载性状及承载力计算方法研究 理论背景 随着电子计算机应用技术的快速发展,各种数值模拟技术在岩土力学中有了很大 的发展和广泛的应用,但大部分数值分析方法都是以小变形假设为前提的,并且在程 序计算过程中需要大量的内存,因此在模拟过程中一些实际问题由于计算机内存不足 而不能得到全面的分析。近些年发展起来的快速拉格朗日分析方法即显式有限差分法 是在吸取卜述方法的优点和克服其缺点的基础上形成的一种新型的数值分析方法。以 显式有限差分方法】为理论背景而编制的程序即,是 擘舀 的缩写形式,是可以完成“拉格朗目分析”的“显式有限差分程序”。 是由美国咨询集团公司开发并维护的应用软件,该软件是目前世 界范围内最为广泛的通用性岩土工程数值模拟软件之一。分析软件包括二维和 三维两种形式,是建立在二维计算程序基础之上,其功能和分析能力 都有了?定的扩展,在许多方面具有一定的先进性引,它不仅可以分析计算一 般岩土 体的应力和变形情况,而且可以在以下多个领域进行广泛地应用: ’地下建筑领域进行渐进破坏和崩塌现象分析; 、在矿山设计中应用界面模型分析断层结构的影响,各种结构单元能用来模拟 岩石加固系统; 摩擦材料中的局部化发展以及剪切带演化的研究; 合并地水流动推理与力一流体流动固结耦合作用,在土力学中广泛应 用; 气中豹动态分析选项使其编码可以用于动力学问题,进行地震工程的分 析等等。由于在岩土工程中应用具有良好的适用性,因而在国内外的许多实 际工程中得到了应用“?。 .三维显式有限差分模型 ..数学模型描述 是一个三维显式有限差分程序,所建模型中的各种材料的力学行为都是 以理论中的准则和被理想化后材料的本构方程为前提的,计算程序内部在计算过程中 得出的最终数学表达式是一系列与力学应力和运动学应变率、速度变量相关 的分步微分方程,然后在已经给定的边界条件和初始条件下根据几何形状和材料属性 进行求解。 在模拟过程中需要把模拟的区域划分成若干个六面体单元,并对每个单元的 本构 关系及属性进行定义,在外力作用下,根据拉格朗日算法,每个单元所产生的应力使 材料发生不同程度的变形,用于描述该材料行为的网格单元也随之变形,所有网格单河北农业大学硕士学位毕业论文 元随时记录加我过程中的应力大小和变形量,从而可以模拟实际问题。 是研究三维连续介质达到平衡状态或稳定塑性流动状态时的力学行为的 是式有限差分程序。三维快速拉格朗法的求解使用了种计算方法: 离散模型方法。连续介质被离散为若干互相连接的六面体单元,作用力均被 集中在节点上。 有限差分方法。变量关于空间和时间的一阶导数均用有限差分来近似。 动态松弛方法。应用质点运动方程求解,通过阻尼使系统运动衰减至平衡状 态。 连续体的运动方程通过这三种方法被转变为离散的节点处的运动方程,最终整个 模型系统的差分方程则通过时域内的显式差分法在数值上得到解答。 有限差分程序中的惯例 在。所采用钓拉格朗公式中,材料中的每个点的状态都是用向量分量 空间位置工。,位移“,速度和加速度咖,/出进行定义,并且拉应力为正,压应力为 负,拉应变为正,压应变为负。 应力 材料中给定一点的应力状态用对称的应力张量,来描述,任意平面上的单位法 向量【】与牵引向量【之间的关系可以用公式来表示,具体公式如下: 。% 式中,拉应力为正。 应变速率和旋转速率 当材料中的某一质点以速度【】运动时,在无限小的时间饥内,质点经历一个瞬 时应变出,相应的应变速率张量可以用下式表示: . ‰,。 单元体的体积膨胀率可以用第一应变速率张量不变量来反映,除了用应变速率张 量来描述单元体的变形外,单元体还经历瞬时刚体直线运动】和刚体转动,转动的 角速度为: ? 。?一专耻 式中:‰为转换符号,【】为转动速率张量。 转动速率张量的组成向量%用下式定义 ? %??一“ 运动平衡方程 通过连续形式的动量 定理 三点共线定理勾股定理的证明证明勾股定理共线定理面面垂直的性质定理 的应用可以得出运动方程 ? ‰呐一% 式中:为材料单元体纳密度,弘】单位体力 】似 为秀速度。组合桩型复合地 基承载性状及承载力计算方法研究 在静力平衡计算中加速度项【/出为零,则运动方程变为: 盯?,,加, 边界条件和初始条件 模型模拟过程中的边界条件除了旋加在边界面上的应力、速度和体力之外, 还需 要确定单元的初始应力状态。 本构方程 通过运动方程和应变速率张量公式共构成包含个未知量的个方程,个来 知量分别为个应力张量分量、个应变速率张量分量和个速度矢量分量。另外 个方程通过材料本构模型来表示,一般定义为: 为考虑加载历史的参数。应 式中:为应力变化率张量,阻】为给定函数, 力变化率张量【】等于材料应力的导数,定义为: ? 等一%%%% 式中:【仃/出应力矢量【口】对时间的导数,【】为转动速率张量。 . 空间导数的差分表示 快速拉格朗分析的有限差分程序在分析过程中采用混合离散法,将区域离散为 常应变六面体单元的集合体,又将每个六面体看成以六面体为角点的常应变四面体的 集合体,应力、应变、节点不平衡力均在四面体上进行计算,六面体单元的应力应变 取值为其内四面体的体积加权平均,这种方法既避免了常应变六面体单元常会遇到的 位移剪切锁死现象,又使得四面体单元的位移模式可以充分适应一些本构的要求。 如图所示四面体单元,节点编号为~,第面表示与节点相对应的面,设 单元内任一点的速度分量为,则由公式可得:/\ ? \\ /、一 图四面体单元 ? .孓。肌 。河北农业人学硕士学忙毕业论文 式中:矿为四面体体积,为四匝体外表面积,,为外表丽的法向向量分量。对 于常应变率单元,速度,为线性分布,【】在每个面上为常量,则山上式积分后 可得: 一 %?薹帕,“? 式中:厂表示面厂上相关变量的值,表示速度分量,在平面上的平均值,因 为速度为线性分布,可得: ? 彰一,磊; 将此式带入?得: 一 ‰广善《,澎门: 如果分景,则.』,由公式得:荟”‖枷 将式.除以,可得: ? ,专善”,“’ 式中:上标表示节点的变量,表示面的变量。 .,节点运动方程 由前面的运动平衡方程可得节点得运动方程表示为口?,筇。 节点处的不平衡力满足下面的关系: 旧 牡叫甜? 式中:‰为所代表的连续体的总节点数 当连续体达到平衡状态时,不平衡力‘’将收敛予零;达到稳定塑性流动状态 时 不平衡力’将收敛于某一非零常数。 .。阻尼力 对于静力阚题,节点不平衡力的表达式中规入了局部非猫滞性阻尼力,使系 统的 组合桩型复合地基承载’生状及承载力计算方法研究 震动逐渐衰减至达到平衡状态,即不平衡力收敛于零。此时上式表示为: 陋忉 机弘叫甜七二 式中:碟为阻尼力,其表达式为: ? 九一喀: 『, 增:一,。。 【 式中:为阻尼系数,其默认值为.,阻尼的大小由阻尼系数控制。 ..计算循环流程图 圈计算循环 . ”中包含本构模型 具有强大的适合模拟岩土材料的本构模型及结构模型,其中包括零模型、 弹性模型、摩尔一库仑模型、德鲁克一普拉格卜模型、节理化模型、 应变硬化一软化模型、双线性应变硬化一软化模型、双屈服模型、修正的剑 桥粘土模 型和霍克一布朗模型。在本文的建模及计算过程中,主要用到了弹性模型和摩尔一库 仑模型,因此下面只对这两种模型进行详细的介绍。 ..弹性模型 弹性模型中包含有各向同性弹性模型和横观各向同性弹性模型两种模型,本文中 河北农业大学硕士学何毕业论文 只用到了各向同性弹性模型,在此只对它进行详细介绍。 弹性各向同性模型提供了材料最简单的表述,这种模型适用于应力应变特性呈线 性关系的无卸载滞后现象的均质、各向同性、连续性材料。 在各向同性弹性模型中,应力应变关系依照胡克定律,用应变增量的形式表达。 其平面应变的表达式为: ?盯血“? ?口血? ? ?盯? ?皇? ?口”;心船 式中:。趸/;:又/;一体积模量;一剪切模量。 降, 肾精斗 式巾:?%一应变张量增量;“一位移速率;?一时步。 在平面应力下,这些等式为: ?盯多厶 卢?口 ?仃翌卢?巳属? ? ?? ?盯?口 ?仃” 式中:,;屈。;卢::一;/口,。 时于轴对称几何体; ?盯???缸站 。。?? ? ?‖兰口 ?缸 ?盯站?口?已?已丑 ..摩尔一库仑模型 摩尔一库仑模型的破坏包络线对应于摩尔一库仑判据剪切屈服函数和拉伸 分 离点拉应力屈服函数,与拉应力流动法则相关而与剪切流动不相关。 增量弹性法则 中,在摩尔一库仑模型实现过程用到了主应力分量盯。,仃:,仃,和平面 外应力盯。组成,假定仃,口:吒,其相应的主应变增量为?.,曲,血,,可分解 为: ??已;? 其中血和妇分别为弹性和塑性应变增量,?只有在塑性流动阶段不为零组合 桩型复合地摹承载性状及承载力计算,法研究 胡克定律的主应力和主应变得增量表达式为: 仃 口 口 十 , 盯 口 吐 ????盯 口 如船舶 口 船.船曲 山““蜮埘蟛 ?叫?列 式中:乜,女,;?一,。 屈服函数和势函数 按照 :盯,这个假定,在应力空间和,,平面的破坏准则可表示为 图和图的形式。由摩尔一库仑屈服函数定义的从点到点的破坏包络线为: 厂 ? 口~口???, 由点到点拉应力屈服函数定义为: ?. ? 式中:驴一摩擦角;~粘聚力:盯一抗拉强度; ?.:塑型 ? 一西 材料的拉伸强度不能超过如下定义的口的值:盯;圭 西 对应于非关联的流动法则,其表达式如下 剪切塑性势函数 ? ?一。 势函数。对应于拉伸破坏的相关联流动法则,其表达式如下: ‘兰一盯 ? 对于剪切一拉应力处于边界的情况,摩尔一库仑模型的流动法则由如下所示 方法 确定。定义三维应力空间中边界附近的混合屈服函数。定义函数.,以。,用 以 表示口.,‖:平面中,‘和,,‘所代表曲线的对角线,此函数的表达式为: ? 穹口一口’’仃一盯 式【:和盯’为常量,定义如下:’??;??;盯’盯‘?一?川 弹性假设和破坏准则不一致,分别由,,平面中位于区或区,如图 。如位于区?,说明是剪切破坏,应用由剪叨塑性势函数譬确定的流动法 则,应力点回归到,的曲线上。如果位于区 ,说明是拉应力破坏,应 用由拉伸塑性势函数 ‘确定的流动法则,应力点回归到‘的曲线上。河北农 业火学硕士学位毕、论文 一 ’ 固主应力空闻中的摩尔一库仑屈服面与屈服面的比较 图摩尔一库仑破坏准则组合桩复合地基承载性状及承载力计并方法研究 图摩尔一库伦模型中用以定义流动准则的区域 塑性修正 酋先考虑剪切破坏,流动法则如下: ?彳:?兰:, . 式中是待定的参数,将式?代入上式,偏微分后,得到: 血? ?; ?;一。?? 弹性应变增量可以从式?表示的总增量减去塑性增量,进一步利用上式的流 动法则,式?的弹性法则变为: ?口??已?一口一口? ? ?盯?口??一刀口一?? ?盯???一万一乜?? 用上标和分别代表新旧应力状态,然后通过定义 , ? 口,仃吼 用此式代替式.,并用上标表示由弹性假设得到的应变和原来应变之和, 由总应变计算得到的弹性增量为: 口盯“?口?? ? 口;仃? 纽?? 盯;口?巳口??河北农业大学硕士学位毕业论文 对于拉伸破坏的情况,流动法则为: ? ?《:?里:, 仃. 式中石是待定的参数,将式.中的‘,通过偏微分法以后,此式变为 缸 ? 船: 血;一? 熏复上面楣似的推理,可得到: 盯?譬仃? 盯,盯;? 口一盯;刀% 甜;丛尘 其中: . 组台桩型复合地基承载性状及承载力计算力法研究 组合桩型复合地基承载性状的数值分析 .计算模型 本文采用数值方法对由桩和碎石桩联合形成的组合桩型复合地基进行分 析,采用三维六面体和圆柱体网格对地基进行离散,目的在于求得其在受荷状态下的 应力场,从而对此类组合桩型复合地基的承载性状的变化规律进行综合的分析。 , 模型的基本假定 为了揭示组合桩型承载性状的普遍规律,在数值模拟过程中,不考虑天然地基土 层的各项指标随深度的变化,假设地基土为均质材料。承台和桩的本构模型采 用线弹性模型,垫层、碎石桩和地基土均采用莫尔一库仑模型。在模拟过程中考虑桩 土之的相对滑动,在桩体与地基土之间和承台与垫层之间都设接触面。 ..模型的几何尺寸 本模型模拟的是×的群桩带承台的复合地基,承台下设有垫层,考虑对称性, 取整个模型的/进行计算。在基本模型中,碎石桩桩长,桩桩长,碎 石桩和桩的桩径均为,桩间距为,桩端以下下卧层厚度为, 碎石桩桩和桩间隔布置。基本模型取/后宽,高.,承台厚, 长.,宽.,垫层厚度为,长和宽的尺寸均为.。具体桩位布置以 及模型如图和图。 ?』 ???? 引 ??? ???? ??? ???? ??? ???? ?桩 碎石桩 图桩位布置圈河北农业大学硕士学位毕业论文 图 蛆合桩型复合地基模型图 ,.材料的参数 本文模型材料参数的选取源于以下文献:天然地基土层参数来源于何结兵刈 等的 《桩复合地基桩土应力比数值分析》;桩参数采用白晓红【等的《两种桩体 材料复合地基性状的对比研究》;碎石桩和砂垫层参数来源于姚琪阳】《碎石 桩复合 地基承载力机理及优化设计研究》;承台的参数采用王瑞芳【】《桩复合地基 工作 性状研究》。在数值模拟过程中,采用材料属性中的模量采用的是体积模量和 剪切模量,杨氏模量需要应用下两式进行相应转换来满足程序要求: . :?‰ 一劬 :上 ? ” 式巾:为体积模量:为剪切模量:为杨氏模量;为泊松比。 具体的参数取值见表。。 塑鱼竺型墨金丝量墨茎堡鉴墨墨鍪尘..壁塑鲨型塑 表模型参数取值 接触面的法向刚度。和切向刚度女,根据接触面两侧的材料的参数按下面的 计算 方法进行计算,计算公式如下: 。 。南 式中:。为法向刚度:为岩体的杨氏模量;,为完整岩体的杨氏模量:为 接触面的间距。 ”。 芸‰ 簸,一 式中:,为剪切刚度;为岩体的剪切模量;,为完整岩体的剪切模量;接 触面的间距。 .计算结果分析 ..自重应力下平衡 组合桩型复合地基模型首先在土体自重作用下平衡,这一过程也就是模拟地质历 史上土层沉积固结过程,在”中用最大不平衡力的大小来表示,当最大不平衡力 降低到满足我们要求的一定范围时,模型趋于稳定。图所示为土体模型在自重应 力下最大不平衡力随时步的变化曲线。从图中可知,在个时步后,最大不平 衡力为初始状态下的一,表明在重力作用下模型已经稳定。河北农业大学硕二学位毕业论文 工.:; . :嚣氍。。,。。 ??口 :‰,。?。。。 图 天然地基土在重力作用下随时步演化曲线 .,分步加载过程中复合地基的承载?眭状 不同荷载下桩的轴向应力特性 图所示为分步加载下桩桩身应力变化曲线,从图中曲线可以看出,在 桩联合碎石桩组合桩型复台地基中,刚性桩即桩的桩身最大应力点都不在 桩顶,而是在桩顶下某个位置。随着荷载的不断增加,桩身最大应力位置从开始加载 时深度处逐渐向上移动,在最后一级荷载施加完毕后,桩身最大应力基本达到了 桩顶附近。刚性桩桩身擐大应力位置的变化呈现这样的规律分析其原因,主要是由于 在基础与复合地基之间设置了褥垫层,在开始施加荷载时,刚性桩的桩体模量相对于 碎石桩和土体很大,因此在刚性桩桩顶会出现应力集中,褥垫层在刚性桩桩项位置产 生应力塑性区,髓着施加荷载的不断增大,刚性桩会向褥垫层中刺入,从而在某一深 度处形成中性点,中性点以上范围内桩周土相对于桩身发生了向下位移,使桩顶至 深度范围内形成负摩阻力区,桩身轴向应力随深度增加而增大,中性点向下桩体 的位移大于土体的位移,桩身轴向应力随深度增加而减小,上部荷载通过刚性桩传递 ,”。 到土体中,在中性点处刚性桩的轴向应力出现最大值 从模拟结果中可以看出,随着荷载的增加,刚性桩的桩身应力不断增大,总体上 桩的上部应力较大,下部随深度的增加应力逐渐减小,这一规律明显的地表现了刚性 桩均匀向下传递荷载的特性,这也反映了刚性桩在没有达到刺入破坏之前是通过桩问 土对其产生的侧摩阻力和桩端端阻力来承担外部荷载的。组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法研究 ??一 ? ??? 勺 ?》 目 ??一 ?叶一】 深度 图不同荷载下组台桩复合地基中桩轴向应力 不同荷载下碎石桩的轴向应力特性 随着荷载的不断增加,碎石桩桩身轴向应力变化情况如图所示。. ??一?? . ??一 套 ? 菩?十 .十 ??一 . ?斗一 十 潦度? 图不同荷载下组合桩复台地基中碎石桩轴向应力 在分步加载过程中碎石桩桩身轴向应力并没有表现出与桩类似的变化规 律,而是有自身的承载特征。从桩身轴向应力曲线图中可以看出,散体材料桩即碎石 桩桩身轴向应力在桩顶变化幅度很小,在加载初的三个阶段碎石桩桩身轴向应力基本 表现出类似于桩的变化规律,也呈现出向下传递荷载的特性,在第四步加载之 后的每步加载过程中,碎石桩桩身应力在各个位置都增加,但增加的幅度不同,在桩 身深度巾左右和左右增加较快,在中部增加较慢,出现此变化规律可能是由于 以下原因:在碎石桩的上部呈现了刚性桩的轴向应力变化趋势,是由于碎石 桩的弹性 模量比上体的弹性模量大,在垫层的作用下碎石桩上部也有负摩阻力的出现,因而使 碎石桩上部轴向应力在到之问呈现先增加后减小的趋势,但在以后,碎 石桩桩身应力有开始增加,刨处增加到最大,然后开始减小,出现这种应力分部河北农业大学硕士学位毕业论文 规律主要是由于随着外部荷载的不断增大,在二体的围压和刚性桩的侧限约束作用 下,散体材料桩即碎石桩桩身下部应力增大,从而使部分荷载能够通过碎石桩传递到 下部去。 不同荷载下桩土应力比变化 图和图分别为不同荷载下桩、碎石桩和桩间土的应力变化曲线图, 从图中可知,在分步加载过程中,桩、碎石桩和桩间土的应力均随荷载增加而 增大,三者应力增长率关系为:桩碎石桩桩问土。 桩和碎石桩桩土应力比随荷载变化的曲线图如图所示,随着荷载的不断 增加,桩与土的应力比近乎呈线性增长,丽碲石桩与土的应力比虽然有所增长, 但增长趋势比较缓慢,呈现这样的变化规律主要是由于在本模型模拟过程中,复合地 基中各种组成材料所采用的弹性模量不同,采用的桩的弹性模量相对地基土的 模量来说很大,而碎石桩的弹性模量与地基土相比相差不是很多,因此桩桩 土 应力比增长较大,而碎石桩桩土应力比增长较小。通过以上分析可知复合地 基中的应 力有向刚度较大的桩体集中的趋势,且刚度越大集中程度越明显。 .‘ . . 查.十 蒿. . . ?一荷载 豳 桩桩顶应力随荷载变化 . . . 十碎石桩 誉. ?一桩问土 萄. . . .鲢 荷载 图碎石桩桩顶和桩问土应力随荷载变化组合桩型复合地基承载性状及承载 力计算方法研究 麓??一时’注 丑,一碎石桩 萄:裟 . ;罂荷载 图 桩和碎石桩桩土应力比黼荷载变化 ??一桩 童 ?一碎石桩 土体 蓍 鑫 枢?荷载 图荷载分担比随荷载变化 图为桩、碎石桩和桩间土的荷载分担比随施加荷载变化的曲线图。当荷 载为时,桩、碎石桩和桩间土的荷载分担比分别为%、.%和.%。 荷载增至时,桩、碎石桩和桩间土的荷载分担比分别变为.%、。% 和.%。随着荷载水平逐渐增加,桩间土的荷载分担比下降明显,桩增长显 著,而碎石桩分担的荷载变化不大,但总体上呈减小趋势。桩的荷载分担比随 着荷载的增加基本呈线性增加的趋势,在加载完毕后其仍处于弹性状态。还有较大的 承载空间。碎石桩在承载过程中虽然承担的荷载并不是很大,但是由于它为散体材料 桩,在施工及承载过程中起到了挤密土体和排水固结的重要作用,从而也起到了提高 复合地基的承载能力的作用。 通过以上的模拟结果可知,由于褥鼙层的存在,桩问土在开始加载时就充分发挥 了其自身的承载能力,虽然随着所加荷载的不断增大桩间土的应力不断减小,但是由 于桩问土的面积相对于桩和碎石桩来说较大,所以在加载的始末桩间土始终承 担了较大的荷载。河北农业大学硕十学位毕业论文 .垫层厚度对复合地基承载性状的影响 垫层厚度变化对复合地基主控桩的轴向应力的影响 复合地基中的褥垫层在承载过程中起到了重要作用:保证桩土共同承担 荷载;调整桩土荷载分担比:缓解基础底面的应力集中;调整桩土水平荷 载的分配,从而使复合地基能够充分发挥其承载力。目前,对单一桩型复合地基褥垫 层的研列岱删】较多,在实际工程中也得到了广泛的应用并取得了蘸好的效 果。 图是垫层厚度分别为、、、和啪时桩身轴向 应力变化曲线图,从图中可知,从整体上看,垫层厚度的变化对桩的上半部桩 身应力所受的影响较大,随着垫层厚度的增加,桩桩身应力呈不断减小的趋 势, 尤其是基础下无垫层和设置有的垫层这两种情况下桩身应力变化幅度最大, 自挚层厚度为以后,垫层厚度的增加虽然对桩身应力有一定地影响,但影响 不大。 . . ?.? . ??一 , ??一? , ? . ?》 . ??~ , . . , ? 深度 图不同垫层厚度下桩桩身应力 垫层厚度变化对复合地基辅桩的轴向应力的影响 图是碎石桩桩身轴向应力随垫层厚度变化曲线图,通过不同垫层厚度下碎石 桩桩身应力曲线可知,碎石桩桩身应力随着垫层厚度的增加不断降低,但降 低的幅度 很小,在垫层厚度为、、时,碎石桩桩身应力基本一致,垫层 厚度为时桩身应力最小。组合桩型复合地基承载性状及承载力计算方法研究 . . ?一 . ??一四 . ??一? 叶 哪 ?一 急 ??一 深度? 图不同垫层厚度下碎石桩桩身应力 垫层厚度变化对复合地基桩土应力比的影响 从图不同垫层厚度下桩和碎石桩桩土应力比变化曲线可明显看出,两种 桩的桩土应力比变化的整体趋势是随着垫层厚度的增大而减小,桩桩土应力 比 变化幅度较大,尤其在无垫层和垫层厚度为时应力比下降幅度最大,从无垫 层时的.下降到垫层厚度为时的.,在之后应力比缓慢减小, 而碎石桩桩土应力比自始至终都是平缓的下降,数值变化不大。当褥垫层厚 度从 到的变化中,两种桩的桩土应力比变化都很小。 . . . ??一桩 . ?一碎石桩 . . .垫层厚度衄 图不同垫层厚度下桩土应力比变化 通过以上的分析,褥垫层的厚度变化对于复合地基的承载性状影响较大,对于桩 身轴向应力的影响主要集中在桩体的上部。在不设置垫层时,由于桩的桩身模 量较碎石桩和土来说都很大,根据变形协调原理,施加的外茹载很大一部分由 桩来承担,因此桩桩身应力较大,其次是碎石桩,最小的是桩间土的应力。设 置褥垫层后,在施加荷载过程中,桩和碎石桩会向褥垫层发生不同程度的刺入, 而在刺入的同时,由于褥垫层具有良好的流动性,所以在荷载作用下受压后会向桩顶 的四周流动,通过褥垫层材料在桩问的流动补偿作用,使桩问土的应力得到有效的发河北农业大学硕士学位毕业论文 挥,同时也使桩和碎石桩的桩项应力有不同程度的减少,桩土应力比也随之有 不同程度的降低。从图中也可看出,随着褥垫层厚度的不断增加,桩祁碎石 桩的桩项应力逐渐减小,但是减小的幅度逐渐降低,褥垫层所起的作用也不再显著。 因此,在实际工程中要注意褥垫层厚度的设置,太薄不利于桩土承载力的充分发挥, 太厚则不经济。 ..垫层模量对复合地基承载性状的影晌 图、图和图分别为不同垫层模量下桩、碎石桩桩身应力以及 桩和碎石桩桩土应力比变化曲线,从图中可以看出,随着垫层模量的不断增加, 桩和碎石桩的桩身轴向应力都有不同程度的增大,但应力增大区域主要集中在桩身的 上部,下部变化很小,尤其是碎石桩,它的桩身下部应力基本不变。桩和碎石 槛的桩土应力比随垫层的模量增加而增加,但桩桩土应力比增加速度较快,碎 石桩桩土应力比增加缓慢,分析其原因主要是因为桩的模量与碎石桩和土体相 比很大,在复合地基承受荷载时,应力将向模量较大的桩集中,而碎石桩的模 量与土体相比相差不多,应力集中不明显。随着垫层模量的不断增大,垫层的刚度较 大,相当于在基础与复合地基之间有设置了一层剐性筏扳,垫层也就成为刚性基础的 一部分,复合地基桩土应力的变化规律也就不断趋近删于不设垫层时的情况。 ???一 ??一 ??一 ?一 ??一 深度 图不同垫层模量下桩桩身应力变化组台桩型复合地基承载性状及承载力计 算方法研究 ?。?一 ??‘一 京 ?。?一 ? 倒 ?。一 ??一 深度 图不同垫层模量下碎石桩桩身