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考虑水泥土峰值后软化特性复合地基性能研究

作　者: 周敏锋
导　师: 张克绪
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 峰值后软化复合地基水泥土桩三维有限元分析破坏机制
分类号: TU472.3
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

复合地基是在天然地基土体中设置加固体的一种人工地基。水泥土桩复合地基是复合地基的一种,在土木工程中有着广泛的应用。但是,对复合地基桩-土共同工作的机理和荷载传递机制的认识,仍停留在比较粗浅的阶段,这极大地制约了复合地基的推广和进一步发展。针对这些问题,本课题对水泥土桩复合地基的工作机理和破坏形式进行了深入系统的研究,在此基础上提出了水泥土桩复合地基承载力确定方法的建议。本文首先总结了当前复合地基的研究现状,根据现场和室内试验的结果,提出了一个以分段函数形式表示的水泥土非线性应力-应变关系模型,其参数可以由试验结果确定。模量的表达式也可以由此模型方便地求得。用此模型拟合试验点的吻合程度相当好。通过参数分析发现,水泥土强度的增加主要表现为粘结力的增加;围压增加时,水泥土的模量在对数关系下线性增长,并且围压改善了水泥土的延性;高掺合比的水泥土强度获得的增长比低掺合比水泥土大,但是破坏时其强度的损失也大。根据相关的土力学理论和计算方法,开发了一个可以进行单桩和群桩复合地基受力分析三维有限元程序。将桩体、土体、底板、垫层、桩-土接触面分别划分为不同类型的有限单元;根据对称性取体系的1/4进行计算,以节省计算量;采用分级加荷来模拟加载过程;程序中设置了接触面单元以考虑桩体和土体之间的相互作用;考虑了桩体、土体、桩-土接触面的非线性性能;采用增量割线法以考虑围压的增长对垫层材料模量的影响;采用中点增量法以改进分级加荷计算误差积累的影响。运用本文提出的水泥土的力学模型及模拟分析方法,对一个单桩复合地基进行了三维有限元模拟分析,计算结果和试验数据很接近,验证了该模型的适用性。对两种典型土类的复合地基进行了大量的参数影响分析,研究了水泥土桩复合地基的荷载-沉降曲线、水泥土桩的轴向力、侧摩阻力和桩土应力比,以及母土、水泥掺合比、桩径和桩长等因素的影响。考察了水泥土桩复合地基的荷载传递机制;指出了水泥土桩复合地基荷载-沉降曲线是一条开始为一段直线,破坏后陡降型的曲线;在荷载-沉降曲线上有一个明显的弯曲点,该点相应于水泥土桩顶发生压缩破坏点,因此可按该点来确定水泥土桩复合地基的承载力;基于模拟分析的结果,探讨了随荷载增加桩身轴向力及桩侧摩阻力沿深度分布的曲线,分析了桩土应力比,尤其是破坏时的桩土应力比。研究了水泥土桩端破坏时的桩端变形和桩身压缩。基于水泥土复合地基破坏机制,对确定水泥土桩复合地基承载力提出了建议。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-31
  1.1 课题背景  13
  1.2 复合地基的定义、分类和作用  13-15
  1.3 复合地基的发展和研究现状  15-23
    1.3.1 试验研究现状  16-20
    1.3.2 理论研究现状  20-23
  1.4 复合地基承载力和沉降计算方法  23-29
    1.4.1 基本概念  24-25
    1.4.2 承载力计算方法  25-27
    1.4.3 沉降计算方法  27-29
  1.5 本文主要工作  29-31
第2章水泥土材料的非线性应力－应变关系模型  31-51
  2.1 引言  31
  2.2 试验资料汇总  31-33
  2.3 水泥土应力―应变关系数学模型  33-49
    2.3.1 应力－应变关系曲线的拟合  34
    2.3.2 关系线的参数确定  34-39
    2.3.3 模量的表达式  39
    2.3.4 曲线拟合结果  39-41
    2.3.5 模型参数讨论  41-49
  2.4 本章小结  49-51
第3章复合地基数值模拟分析  51-75
  3.1 引言  51
  3.2 复合地基体系分析模型  51-53
  3.3 三维有限元分析方法概述  53
  3.4 八结点等参单元刚度分析  53-57
    3.4.1 形函数  54-55
    3.4.2 几何方程  55-56
    3.4.3 本构关系  56
    3.4.4 单元刚度矩阵  56-57
  3.5 材料的力学非线性的考虑  57-60
    3.5.1 土的非线性弹性模型  57-60
    3.5.2 桩体材料的非线性弹性模型  60
  3.6 八结点接触面单元刚度分析  60-63
    3.6.1 形函数  61-62
    3.6.2 几何方程  62
    3.6.3 本构关系  62-63
    3.6.4 单元刚度矩阵  63
  3.7 接触面的力学非线性的考虑  63-64
  3.8 整体刚度矩阵和等效结点荷载列阵  64-65
    3.8.1 整体刚度矩阵  64
    3.8.2 等效结点荷载列阵  64-65
  3.9 中点增量法  65-66
  3.10 增量割线法  66-68
  3.11 主应力的求解  68-71
  3.12 复合地基三维有限元程序流程  71-74
  3.13 本章小结  74-75
第4章水泥土单桩复合地基的承载与变形特性  75-105
  4.1 引言  75
  4.2 水泥土桩与桩周土体系的模拟及分析方法适用性的验证  75-79
    4.2.1 工程实例概况及现场测试资料  75-77
    4.2.2 工程实例的模拟分析  77
    4.2.3 分析结果及对比  77-79
  4.3 水泥土桩复合地基性能模拟分析  79-100
    4.3.1 分析情况组合  80
    4.3.2 分析参数  80-83
    4.3.3 载荷板的荷载－沉降（p-s ）曲线的一般特征及承载力  83-88
    4.3.4 桩端荷载－沉降曲线  88-90
    4.3.5 水泥土桩轴向力的分布和桩侧阻力的发挥  90-96
    4.3.6 桩周土单元应力及桩土应力比  96-99
    4.3.7 桩身压缩变形  99-100
  4.4 水泥土桩复合地基破坏机制及确定承载力方法的建议  100-103
    4.4.1 水泥土桩复合地基破坏机制  100-101
    4.4.2 确定承载力方法的建议  101
    4.4.3 对建议方法的讨论  101-103
  4.5 本章小结  103-105
结论  105-107
参考文献  107-116
攻读学位期间发表的学术论文  116-118
致谢  118-119
个人简历  119

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