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桩基础水平响应计算方法及其抗液化性能研究

作　者: 徐令宇
导　师: 王国新
学　校: 大连理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 桩基础应变楔形体模型 p-y曲线材料非线性群桩效应等效单桩法砂土液化抗液化措施
分类号: TU473.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

桩基础在当前日益发展的土木工程基础设施建设中得到了广泛的应用,而桩基础不仅仅承担着竖向荷载,同时也会承担水平向荷载,特别在地震过程中,桩头所支撑的上部结构会产生很大的惯性力,使得钢筋混凝土桩很容易进入非线性状态,从而产生破坏,因此,如何合理地建立水平加载条件下考虑钢筋混凝土桩的材料非线性的静力分析方法是桩基础抗震设计中重要的研究课题,对于软土地区的水平加载桩,桩与其后侧粘土的分离对桩基础的水平承载性能有很大影响,如何在计算中考虑这一影响尚待研究,同时,对于软土地区的桩基础会涉及到地基改良问题,如何确定经济有效的改良深度也是个研究课题,另外,目前对于群桩基础的水平承载力设计方法还不够完善,需要做进一步研究,同时,在地震过程中,饱和砂土场地会产生砂土液化现象,而目前对于液化场地上群桩基础抗液化性能的研究甚少,也是需要进一步开展的工作。本文围绕着桩基础做了以下研究工作：(1)针对现有的应变楔形体模型存在的缺点,如楔形体前破坏面不连续、应力应变路径的公式比较复杂且参数不易选取、不适用于超固结粘土的计算等,本文提出了修正的应变楔形体模型以用于桩基础的水平响应的计算,编制了SWPILE有限元程序,并通过已有文献中大量的砂土、粘土以及层状土中水平加载桩试验,验证了该修正模型的可行性,并讨论了应变楔形体模型中的收敛问题、楔形体中应变和楔形体高度变化规律以及参数的敏感性等,最后,利用该修正的应变楔形体模型研究了p-y曲线的影响因素；(2)基于修正的应变楔形体模型,研究了双层地基(密砂土和软粘土)中桩基的水平响应,并研究了土的成层效应对桩基水平响应的影响规律,包括密砂土中的软粘土夹层和软粘土中密砂土夹层,在此基础上,分析了密砂土场地和软粘土场地中地表土层最大影响深度及其与计算出的楔形体高度的关系；(3)在修正的应变楔形体模型中,采用纤维单元实现了水平加载条件下考虑钢筋混凝土桩的材料非线性的计算,并根据已有文献中的水平加载桩试验资料和计算结果,验证了该计算方法的可行性。利用该方法研究了钢筋混凝土桩截面刚度在水平荷载作用下的变化规律以及桩的材料非线性对桩的挠度以及最大弯矩的影响；采用了单元应力磨平的方法把纤维单元高斯点的应力恢复到截面网格节点上,并绘制了截面的应力云图,从而了解了中性轴在不同荷载下的变化以及混凝土开裂的发展情况；(4)在修正的应变楔形体模型中引入了p-y乘子的概念来考虑群桩效应,并综合了应变楔形体模型和Mokwa等效单桩法的优点,提出了改进的等效单桩法,通过已有文献中的水平加载单桩与群桩实验,验证了该方法的有效性,并基于该方法,研究了p-y乘子对不同位置(排)桩工况中计算出的p-y曲线的影响,并分析了不同深度处以及不同位置(排)桩工况中计算出的粘土和砂土的极限地基反力,还研究了水平荷载和场地深度对群桩效应的影响以及不同桩头条件对单桩和群桩基础水平响应的影响；(5)初步研究了液化场地桩基础水平响应计算方法。基于完整的震后房屋损坏调查资料,应用完全耦合的动力有限元方法再现了由砂土液化引起的房屋破坏情况,利用修正的Pastor-Zienkiewicz Mark-Ⅲ模型来模拟砂土在地震荷载作用下的液化特性,用三轴试验结果和标准贯入数据来确定该模型参数,根据一组竖向分布的加速度传感器记录,采用SHAKE91程序确定了地震动输入,并把有限元计算出的地表水平位移与已有文献中经验公式计算出的结果以及震害调查的结果进行了比较,从而验证了有限元计算结果的合理性,随后,通过一系列的工况分析了边坡对房屋震害的影响,并对比研究了群桩、水泥土、排水系统的抗液化性能,为液化场地上群桩基础设计提供了计算方法和参考依据。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
TABLE OF CONTENTS  13-16
图表目录  16-21
主要符号表  21-24
1 绪论  24-39
  1.1 问题提出与研究意义  24-26
  1.2 国内外相关研究进展  26-37
    1.2.1 桩基础水平响应计算方法研究现状  26-32
    1.2.2 桩基础抗液化性能研究现状  32-37
  1.3 本文主要研究内容  37-39
2 砂土及粘土中水平加载单桩计算方法研究  39-83
  2.1 引言  39
  2.2 弹性地基上水平加载桩的有限元验证  39-41
    2.2.1 有限元程序编程概要  39-41
    2.2.2 算例验证  41
  2.3 应变楔形体模型  41-54
    2.3.1 模型概述  41-43
    2.3.2 改进工作  43-44
    2.3.3 楔形体中地基模量的确定  44-49
    2.3.4 楔形体高度的确定  49-50
    2.3.5 楔形体下部地基反应模量的确定  50
    2.3.6 楔形体中砂土和粘土的极限地基反力  50-53
    2.3.7 SWPILE有限元程序流程图  53-54
  2.4 砂土中水平加载单桩算例验证  54-66
    2.4.1 参数选取  54-55
    2.4.2 算例验证  55-61
    2.4.3 讨论  61-66
  2.5 粘土中水平加载单桩算例验证  66-77
    2.5.1 参数选取  66-67
    2.5.2 算例验证  67-73
    2.5.3 讨论  73-77
  2.6 p-y曲线影响因素研究  77-82
    2.6.1 研究背景  77-78
    2.6.2 算例验证  78-79
    2.6.3 影响因素研究  79-82
  2.7 本章小结  82-83
3 层状地基中单桩水平响应研究  83-94
  3.1 引言  83
  3.2 应变楔形体中同时存在粘土和砂土的处理方法  83-84
  3.3 计算工况  84-86
  3.4 层土中桩基的水平响应  86-88
    3.4.1 地表密砂土厚度的影响(工况3)  86-88
    3.4.2 地表软粘土厚度的影响(工况4)  88
  3.5 层状地基中夹层影响  88-93
    3.5.1 密砂土中软粘土夹层深度(厚度3D)的影响(工况5)  88-90
    3.5.2 软粘土中密砂土夹层深度(厚度3D)的影响(工况6)  90-91
    3.5.3 地表土层最大影响深度  91-93
  3.6 本章小结  93-94
4 桩的材料非线性对单桩水平响应的影响  94-110
  4.1 引言  94
  4.2 非线性实现  94-98
    4.2.1 钢筋材料的应力应变关系  95
    4.2.2 混凝土材料的应力应变关系  95-97
    4.2.3 钢筋混凝土的变形协调条件  97-98
  4.3 算例验证  98-108
    4.3.1 Reuss et al.(1992)  98-100
    4.3.2 Huang et al.(2001)  100-103
    4.3.3 Liang (1997)  103-104
    4.3.4 Liang (2000)  104-108
    4.3.5 Price and Wardle (1981)  108
  4.4 本章小结  108-110
5 群桩基础水平响应计算方法研究  110-125
  5.1 引言  110
  5.2 应变楔形体模型中p-y乘子的引入  110-120
    5.2.1 地基反应模量的修正  110-111
    5.2.2 极限地基反力的修正  111-112
    5.2.3 实例验证  112-120
  5.3 应变楔形体模型中等效单桩法的实现  120-124
    5.3.1 技术路线  120-121
    5.3.2 桩头转动刚度的选取  121-122
    5.3.3 实例验证  122-124
  5.4 本章小结  124-125
6 液化场地桩基础水平响应初步研究及抗液化性能研究  125-156
  6.1 引言  125
  6.2 液化场地桩基础水平响应初步研究  125-129
    6.2.1 不排水条件下饱和砂土的应力应变路径  125-127
    6.2.2 完全液化条件下及部分液化条件下饱和砂土的应力应变路径  127-129
  6.3 桩基础抗液化性能研究  129-155
    6.3.1 研究背景  129
    6.3.2 破坏房屋震后调查  129-132
    6.3.3 UWLC有限元简述  132-136
    6.3.4 有限元计算截面  136-139
    6.3.5 模型参数确定  139-143
    6.3.6 地震动输入  143-144
    6.3.7 Zhang et al.(2004)方法比较  144-147
    6.3.8 数值模拟结果及砂丘边坡对房屋的影响  147-152
    6.3.9 不同抗液化措施的效果研究  152-155
  6.4 本章小结  155-156
7 结论与展望  156-162
  7.1 结论  156-159
  7.2 创新点摘要  159-161
  7.3 展望  161-162
参考文献  162-175
攻读博士学位期间科研项目及科研成果  175-177
致谢  177-179
作者简介  179-180

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