用有限元分析复合地基的水平受力机理和性能

论文摘要

随着我国国民经济的飞速发展，我国基础工程的建设规模日益扩大，难度不断提高。土木工程功能化、城市建设立体化、交通高速化和改善综合居住条件成为现代土木工程的特征。土木工程领域中，与上部结构相比较，地基不确定因素多、问题复杂、难度大。越来越多的天然地基都不能满足工程要求，因而复合地基这种地基处理技术也由此得到了极大的发展。复合地基技术能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担建（构）筑物荷载的潜能，而且相对经济适用。另一方面，与复合地基的应用实践相比，复合地基的理论却滞后于实践的发展，从而严重制约了这类地基处理方法的发展和完善。目前，大多数研究是围绕着刚性桩复合地基在竖向荷载作用下的工作性状，对其在竖向荷载作用下的荷载传递机理、桩土应力分担比、合理褥垫层厚度等均有了较深入的研究，而对其在水平荷载作用下的研究还较少，尚处于初级阶段，为了加强对复合地基水平受力理论的研究，本文利用三维有限单元法对单桩复合地基在水平荷载作用下的位移分布规律和接触单元的变化规律进行了详细的分析。文章首先介绍了复合地基的基本概念和特点以及刚性桩复合地基的应用与研究动态，简要讨论了CFG桩复合地基的工作机理和破坏形式，以及CFG桩中褥垫层的重要性。针对目前广泛使用的CFG单桩复合地基，并且结合文献[13]中的实验资料以及《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002），利用大型通用有限元软件ANSYS9.0，首先建立了一个简化的平面应变模型，通过分析简化模型的位移变化规律和接触单元的滑移、接触压力以及渗透值，了解程序的运作方式和结构的表现行为，掌握了非线性求解的一些参数设置。然后建立了三维有限元计算模型，并且给出了两种建模方式的比较：一种是从低级向高级建模，即先建立1／4模型，采用映射网格划分的方法，然后扫略生成体网格，最后镜面映射为整个模型；另一种是从高级向低级建模，即直接建立高级图元，利用布尔运算，承台、褥垫层和桩身采用映射网格划分，桩间土采用自由网格划分。通过对两种不同建模方式的求解运行时间的比较，发现后一种建模方法提高了近四倍的求解运算时间，同时也不会降低求解精度。所以本文决定采用后一种建模方式，具体分析了桩顶与褥垫层之间的接触面的初始状态、滑移距离、渗透值和接触压力值的变化过程。研究了不同影响因素下单桩复合地基在水平荷载作用下桩顶与桩身的水平位移变化规律。其主要内容以及结论为：（1）其他条件相同时，所施加的竖向荷载越大，桩顶与桩身的水平位移越小；竖向荷载越小，桩顶与桩身的水平位移越大；（2）其他条件相同时，褥垫层的压缩模量取值越小，桩顶与桩身的水平位移越小；褥垫层的压缩模量取值越大，桩顶与桩身的水平位移也越大；（3）其他条件相同时，褥垫层越厚，桩顶与桩身的水平位移越小；褥垫层越薄，桩顶与桩身的水平位移越大；（4）其他条件相同时，有埋深的基础，其桩顶与桩身的水平位移明显小于无埋深基础的水平位移；（5）其他条件相同时，桩间土的压缩模量越小，桩顶与桩身的水平位移越大，随着桩间土压缩模量的增加，桩顶与桩身的水平位移明显减小。数值分析结果表明，竖向荷载的大小对单桩复合地基的水平位移有很大的影响；适当厚度的褥垫层、压缩模量的选取以及基础埋置深度，都会影响桩顶与桩身的水平位移的变化规律。该结论可以对工程实践起理论指导作用，并且为研究群桩复合地基理论的进一步发展奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 复合地基概述
• 1.1.1 复合地基的定义及分类
• 1.1.2 复合地基的特点
• 1.1.3 复合地基的应用及研究方向
• 1.2 刚性桩复合地基的应用及研究动态
• 1.2.1 刚性桩复合地基的应用简介
• 1.2.2 刚性桩复合地基的研究动态
• 1.3 本文的研究思路和主要工作
• 1.3.1 本文的研究思路和方法
• 1.3.2 本文所做的主要工作
• 第二章 CFG桩复合地基的工作机理及破坏形式
• 2.1 CFG桩复合地基的破坏形式
• 2.2 CFG桩复合地基的破坏形式
• 2.3 CFG桩复合地基的计算理论及试验要求
• 2.3.1 CFG桩复合地基承载力计算方法
• 2.3.2 CFG桩复合地基承载力特征值的试验测定
• 第三章 CFG桩复合地基的褥垫层技术
• 3.1 CFG桩复合地基中褥垫层的作用机理
• 3.1.1 桩土竖向变形协调方程
• 3.1.2 桩及桩侧土的应力和变形
• 3.2 CFG桩复合地基褥垫层的作用
• 3.2.1 保证桩、土共同承担荷载
• 3.2.2 减小桩顶对基础底面的应力集中
• 3.2.3 调整桩和桩间上垂直荷载分担比
• 3.2.4 调整桩和桩间土的水平荷载分担
• 3.3 CFG桩复合地基中褥垫层厚度的合理选取
• 第四章 有限元分析的基本原理
• 4.1 CAE技术简介
• 4.2 本文所用有限元软件ANSYS9.0介绍
• 4.3 有限元法的基本原理
• 4.3.1 有限元法的发展概述
• 4.3.2 有限元的基本思想
• 4.4 计算参数的确定
• 4.4.1 本构模型的选取
• 4.4.2 单元的选择
• 第五章 单桩复合地基的水平受力机理和性能
• 5.1 概述
• 5.2 有限元模型计算参数的选取
• 5.3.1 几个关于载荷选项的术语
• 5.3.2 简化模型位移云图分析
• 5.3.3 简化模型的接触单元分析
• 5.4 三维有限元模型分析
• 5.4.1 三维有限元模型的建模方法比较
• 5.4.2 三维有限元模型接触单元的模拟
• 5.5 单桩复合地基的水平受力的ANSYS结果分析
• 5.5.1 整体模型与1/2模型有限元分析结果云图
• 5.5.2 接触面单元的有限元分析
• 5.6 桩身水平位移在不同影响因素下的规律
• 5.6.1 竖向荷载不同时对桩顶水平位移的影响
• 5.6.2 计算结果分析
• 5.6.3 褥垫层厚度对桩顶水平位移的影响
• 5.6.4 计算结果分析
• 5.6.5 褥垫层压缩模量对桩顶水平位移的影响
• 5.6.6 计算结果分析
• 5.6.7 基础埋深对桩顶水平位移的影响
• 5.6.8 计算结果分析
• 5.6.9 桩间土压缩模量对桩顶水平位移的影响
• 5.6.10 计算结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文