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桩基础水平承载力性能研究

作　者: 曹维科
导　师: 王幼青
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 桩土相互作用单桩群桩水平荷载数值模拟
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类社会的不断进步、经济的高速发展,资源和环境问题也就日益凸现,如何更加有效地利用有限的资源和空间也就摆在了工程设计者的面前。正因为如此,人类也在不断地突破原有建筑物的高度,各种高层和超高层建筑更如雨后春笋般出现,这就对高层和超高层建筑的基础提出了更高的要求。一般的浅基础难以满足承载力和变形的要求,再加上有些软弱土层又难以提供足够的承载力。桩基础以其优异的承载力性能,正成为越来越多建筑物首选的基础形式。以往工程设计者们只是把桩作为一种受压构件看待而忽略了桩体做为一种受弯构件在建筑物中的所起的作用。然而,在实际工程实践中,有很多桩基础会受到很大的水平推力,在某些情况下水平力甚至会成为控制性因素。例如:地震荷载作用下的桩基础、承受风浪作用的码头桩基、公路桩基础、上部结构起拱、堆土产生的水平推力等。桩基础在横向荷载作用下的承载力性能实质上是桩土之间的相互作用。近年来,桩基础水平承载力不足造成的重大工程事故更是层出不穷,这些工程事故让人们不得不开始审视和反思现有的设计模式。本文将依托一个因上部结构起拱而对桩基础产生很大水平推力的桩基础实际工程和针对这种情况而进行的单桩水平静载试验。笔者运用ANSYS有限元软件模拟单桩和群桩在水平荷载作用下的工作性能,找出影响单桩和群桩水平承载力的因素。本文关注的影响因素主要有:不同的水平荷载、桩长、桩径、桩体弹性模量、土体弹性模量、土体泊松比、土体粘聚力、土体摩擦角、桩头自由和约束、竖向荷载等。在实际工程实践中桩基础的水平静载试验是确定桩基础水平承载力最可靠的方法,然而由于技术条件所限和试验经费过高等原因工程设计者往往进行的是单桩水平静载试验而很少采用群桩水平承载试验,然而实际工程中高层和超高层建筑的基础一般都是以群桩的形式出现,如何根据单桩水平静载试验结果求出群桩的水平承载力是每个工程设计者必须面对的问题,同时也是进行群桩设计的重要依据,本文正是基于解决这一工程实践问题和矛盾。本文通过ANSYS有限元软件模拟单桩在横向荷载作用下的位移和弯矩沿桩身变化的规律,然后模拟群桩在水平荷载作用下的工作性能进而建立群桩的荷载-位移曲线,通过容许桩顶位移并借助荷载-位移求出群桩的水平承载力,最后探讨一下影响群桩水平承载力的因素:桩长、桩径、土体弹性模量、竖向荷载。为了验证有限元模拟结果的正确性,文中还进行了两个方面的对比:将单桩水平静载试验结果与单桩在横向荷载作用下的有限元模拟结果进行了对比;将群桩按照单桩试验和现有规范计算出来的结果与群桩有限元模拟的结果进行了比较,以此来验证有限元模拟结果的正确性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-21
  1.1 课题来源及研究意义  12-13
    1.1.1 课题来源及意义  12-13
    1.1.2 研究目标  13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 室内模型试验研究  13-15
    1.2.2 现场原位试验研究  15-16
    1.2.3 极限地基反力法  16
    1.2.4 弹性地基反力法  16-17
    1.2.5 p-y 曲线法  17-18
    1.2.6 横向荷载作用下群桩承载力性能研究  18-19
  1.3 本文主要工作内容  19-21
第2章水平受力桩三维有限元数值模拟相关理论  21-30
  2.1 引言  21
  2.2 有限元相关理论介绍  21-27
    2.2.1 有限元基本原理  21-23
    2.2.2 ANSYS 软件简介  23
    2.2.3 土体和桩体本构关系的选择  23-24
    2.2.4 实体单元类型的选择  24-25
    2.2.5 桩土接触单元的选择  25-26
    2.2.6 ANSYS 非线性求解过程  26-27
  2.3 横向荷载作用下桩基础的破坏形式  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章基于ANSYS 软件的单桩水平承载力性能研究  30-49
  3.1 引言  30-31
  3.2 刚性短桩三维有限元模型的建立  31-33
    3.2.1 基本原理与假定  31
    3.2.2 有限元模型尺寸的确定  31
    3.2.3 有限元模型参数的确定  31-32
    3.2.4 有限元模型边界条件的确定  32
    3.2.5 有限元模型接触单元的确定  32-33
    3.2.6 有限元模型的网格划分  33
    3.2.7 有限元模型的加载方式  33
  3.3 刚性短桩三维有限元模型的结果分析  33-46
    3.3.1 三维有限元模型的地应力平衡  33-34
    3.3.2 不同水平荷载作用下桩身位移和弯矩分布规律  34-36
    3.3.3 桩径变化时桩身位移和弯矩分布规律  36-38
    3.3.4 桩长变化时桩身位移和弯矩分布规律  38-39
    3.3.5 桩体弹性模量变化时桩身位移和弯矩分布规律  39-40
    3.3.6 桩周土体弹性模量变化时桩身位移和弯矩分布规律  40-42
    3.3.7 上部土体泊松比变化时桩身位移和弯矩分布规律  42-43
    3.3.8 上部土体摩擦角变化时桩身位移和弯矩分布规律  43-44
    3.3.9 上部土体粘聚力变化时桩身位移和弯矩分布规律  44-45
    3.3.10 桩顶自由和桩顶约束时桩身位移和弯矩分布规律  45-46
    3.3.11 桩顶约束时水平桩在竖向荷载作用下桩身位移分布规律  46
  3.4 本章小结  46-49
第4章单桩水平静载试验及群桩水平承载性能模拟  49-66
  4.1 引言  49
  4.2 单桩水平静载试验  49-54
    4.2.1 工程概况  49-50
    4.2.2 单桩水平静载试验  50-54
  4.3 单桩水平静载试验单桩三维有限元模型结果对比  54-57
  4.4 群桩水平承载力的确定  57-62
    4.4.1 横向荷载作用下群桩三维有限元模型的建立  57-58
    4.4.2 横向荷载作用下群桩三维有限元模型的结果分析  58-62
  4.5 群桩水平承载力性能研究  62-64
    4.5.1 桩径变化群桩位移的影响  62
    4.5.2 桩长变化对群桩位移的影响  62-63
    4.5.3 土体弹性模量变化对群桩位移的影响  63-64
    4.5.4 竖向荷载对群桩水平位移的影响  64
  4.6 本章小结  64-66
结论  66-68
参考文献  68-74
致谢  74-75

桩基础水平承载力性能研究

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