高桩码头桩竖向荷载下静动力学行为研究

论文摘要

近几年来,随着国家经济建设的高速发展,桩基础在高层建筑、桥梁、港口码头等工程中广泛应用,并逐渐向多桩型、大直径、超长桩方向发展,桩基设计理论也取得了非常迅猛的发展。复合地基理论、疏桩理论、桩基与上层建筑协调工作理论、打桩动力学、桩基无损检测理论等相继问世。然而,由于土的变异性以及桩-土相互作用的复杂性,关于桩基的理论研究仍有许多待完善的方面。港口高桩码头所处的沿海地区,一般上部均覆盖几米到十几米厚的第四纪覆盖层,均质性差,还时常伴有杂填土及淤泥、淤泥质土等软弱土,复杂的工程地质性质造成桩基承受的力学行为非常复杂;由于码头结构本身的特点,桩基础在海底泥面以上的桩自由段较长,在竖向静动力荷载共同作用下,其承载性状更加复杂,桩基更容易产生失稳破坏。因此,开展码头高桩桩-土耦合以及竖向力学、稳定行为的研究,对进一步认识桩-土之间相互作用关系,获得基桩的静动力行为规律,有着重要的理论和实践意义。在总结概括目前国内外桩基理论及桩基静力、动力行为研究现状的基础上,本文进行了5个方面的研究工作:（1）依托某大型港口工程高桩码头进行了水上静载试验、高应变动力试验和应变测量,通过分析试验数据,给出了桩侧、桩端荷载的传递规律和桩身最大锤击力、最大传递能量以及最大压应力沿桩身的分布规律;通过对静载试验和高应变动力试验数据对比分析表明,动力试验所选取的参数以及建立的桩土力学模型,可以反映沉桩时桩-土相互作用的性状。（2）考虑了桩-土之间的接触效应,采用有限元数值计算方法研究了桩-土体系的荷载传递性状和桩、土材料的物理特性、桩的几何参数对基桩竖向承载性状的影响规律,给出了桩长、桩径、桩体弹性模量、桩土模量比、桩体泊松比对基桩的荷载-沉降曲线的影响;分析了桩长、桩径、桩体弹性模量、桩端土层压缩模量与桩身轴力曲线的相互关系,得出了桩土荷载的传递规律。认为对于桩基设计,应优化选择合适的桩径和长径比,并应适当增大桩体弹性模量,长桩设计承载力应按变形控制为主,桩体泊松比对桩的荷载-沉降曲线影响很小。通过桩侧、桩端阻力发挥性状分析,表明桩侧阻力与桩端阻力的发挥是异步的,二者不仅相互影响,而且其发挥性状还与土层性质、入土深度等多种因素有关。（3）根据WINKLER模型建立了码头高桩的静力屈曲计算模型,并通过ANSYS有限元计算,分析了基床系数、基桩埋入比、桩身倾斜等因素对基桩屈曲行为的影响,给出了码头高桩静力失稳的临界荷载的变化规律。结果表明,影响基桩屈曲临界荷载的主要因素有桩侧土反力、桩身截面形状及截面尺寸、基桩的倾斜程度以及4种地基土抗力模型和成层土中第一层土的基床系数;桩侧摩阻力的影响相对较小,一般情况下可以忽略不计,而桩身自重的影响应视工程实际情况予以考虑。（4）根据Smith桩-土耦合动力力学模型,建立了基桩动力计算模型,对锤击荷载作用下的基桩动力响应行为进行了研究,给出了锤击荷载下不同桩径、不同桩入土深度条件时,桩顶、桩端的位移和速度时程曲线的变化规律,分析了桩端位移和桩端速度最大时桩身位移、速度和轴力的的变化趋势;通过不同锤击荷载下不同桩径、不同桩入土深度、不同桩长对基桩动力响应行为的分析,得出了锤击荷载、桩径、桩泥面以上的自由段长度是影响基桩横向位移的主要因素,而桩的入土深度对桩的横向振动的影响不大。（5）利用单桩承载力动测法中实测曲线拟合法,研究了沉桩时桩锤系统能量传递过程,通过对132根混凝土预制桩传递到桩身的能量统计分析表明桩锤系统的效率与理论分析数据基本吻合,沉桩时桩身产生的最大锤击压应力一般发生在桩的中部附近,试验结果与计算分析是一致的;结合现场试验测试,探讨了实测曲线拟合法中桩-土模型的改进问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 桩的应用与发展
• 1.2 桩基竖向承载性能研究现状
• 1.3 桩基静力稳定性研究现状
• 1.4 桩基动力行为研究现状
• 1.5 课题提出及研究内容
• 1.5.1 本课题研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 高桩码头桩-土耦合试验研究
• 2.1 试验方案设计
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验场地的工程地质条件
• 2.1.3 试验桩参数
• 2.2 测试内容与方法
• 2.2.1 高应变动测初打、复打试验
• 2.2.2 静载试验
• 2.2.3 应变测量
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 高应变试验结果及分析
• 2.3.2 静载试验结果分析
• 2.3.3 两组试桩静动试验对比分析
• 2.3.4 应变测试结果及分析
• 2.3.5 桩侧摩阻力发挥性状分析
• 2.3.6 桩端阻力发挥性状分析
• 2.4 试验过程中注意问题
• 2.4.1 电阻应变片选用
• 2.4.2 电阻应变片的安装
• 2.4.3 应变计的防护
• 2.4.4 零漂问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 高桩码头桩-土耦合计算分析
• 3.1 桩-土耦合计算数值模型
• 3.1.1 桩土界面模型数值分析方法
• 3.1.2 接触问题的ANSYS分析
• 3.1.3 ANSYS接触单元实常数
• 3.1.4 桩周土体弹塑性本构关系
• 3.2 单桩竖向承载性能分析
• 3.2.1 单桩 Q-s曲线与桩长的关系
• 3.2.2 单桩的Q-s曲线与桩径的关系
• 3.2.3 单桩的Q-s曲线与桩体弹性模量的关系
• 3.2.4 单桩的Q-s曲线与桩体泊松比的关系
• 3.2.5 单桩的Q-s曲线与桩端土层压缩模量的关系
• 3.2.6 单桩的Q-s曲线与桩土模量比的关系
• 3.3 桩身轴力分布曲线、摩阻力分布曲线分析
• 3.3.1 桩身轴力分布曲线分析
• 3.3.2 摩阻力分布曲线分析
• 3.4 桩侧、桩端阻力发挥性状分析
• 3.4.1 桩侧阻力发挥性状分析
• 3.4.2 桩端阻力发挥性状分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 高桩屈曲稳定分析
• 4.1 高桩屈曲分析的有限元理论
• 4.1.1 两类稳定问题
• 4.1.2 第一类稳定安全系数
• 4.1.3 第二类稳定安全系数
• 4.1.4 失稳状态的判别准则
• 4.1.5 结构几何非线性的分析方法
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 模型简化
• 4.2.2 参数计算
• 4.3 计算分析
• 4.3.1 土抗力系数模型影响分析
• 4.3.2 桩身自重和桩侧摩阻力对屈曲的影响
• 4.3.3 基床系数对屈曲的影响
• 4.3.4 基桩长径比对屈曲的影响
• 4.3.5 基桩的埋入比对屈曲的影响
• 4.3.6 基桩刚度对屈曲的影响
• 4.3.7 土体的成层性对屈曲的影响
• 4.3.8 基桩截面形状对屈曲稳定的影响
• 4.3.9 基桩倾斜对屈曲的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 锤击荷载下高桩动力响应分析
• 5.1 结构非线性动力有限元方法
• 5.1.1 结构动力学有限元方法原理
• 5.1.2 直接积分法
• 5.1.3 ANSYS/LS-DYNA算法基础
• 5.2 土体模型和打桩模型
• 5.2.1 桩侧土体模型
• 5.2.2 桩端土体模型
• 5.2.3 桩顶的锤击力
• 5.3 锤击荷载下基桩竖向动力响应分析
• 5.3.1 锤击动力响应计算模型
• 5.3.2 计算参数的取值
• 5.3.3 桩径对基桩动力响应的影响
• 5.3.4 桩的入土深度对基桩动力响应的影响
• 5.4 锤击荷载下基桩横向动力响应分析
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 桩径对基桩动力响应的影响
• 5.4.3 基桩入土深度对基桩动力响应的影响
• 5.4.4 桩长对基桩动力响应的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 单桩竖向承载力动测法试验研究
• 6.1 基桩动测法原理
• 6.1.1 CASE法
• 6.1.2 实测曲线拟合法
• 6.2 桩锤系统能量传递分析
• 6.3 实测曲线拟合法在实际工程中的应用
• 6.3.1 钢管桩、混凝土预制方桩基本数据
• 6.3.2 动测法实测结果分析
• 6.4 动测分析方法的改进的探讨
• 6.4.1 桩单元的修正分析
• 6.4.2 土阻力模型的修正
• 6.5 动测法测试应注意的问题
• 6.5.1 参数设定
• 6.5.2 传感器安装
• 6.5.3 信号采集
• 6.5.4 成果分析
• 6.5.5 锤击沉桩应注意的问题
• 6.6 正确处理动测法与静载试验的关系
• 6.7 本章小结
• 结论
• 主要结论
• 不足及建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及科研成果