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强湿陷性黄土模型试验材料的研制与黄土地基单桩承载行为研究

作　者: 张延杰
导　师: 王旭；梁庆国
学　校: 兰州交通大学
专　业: 岩土工程
关键词: 强湿陷性黄土模型试验材料单桩模型试验有限元分析负摩阻力
分类号: TU444
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着基础建设规模的扩大,黄土地区的建设项目日益增多,尤其是强湿陷性黄土地区的工程问题,对科学研究和工程实践都提出了一系列挑战性的课题。正确地选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键,强湿陷性黄土模型试验材料一直是地质力学模型试验相似材料研究的瓶颈,限制了湿陷性黄土地区模型试验的应用。本文介绍了相似理论与国内外地质力学模型相似材料研究的现状,结合黄土湿陷的机理与原因,采用不同的制样方法,通过大量的配合比试验,成功研制了强湿陷性黄土模型试验材料,该材料选用重晶石粉和砂作为无粘结性材料,工业盐、石膏和膨润土作为粘结性材料,加水均匀拌合,润湿24小时后采用空中自由下落方法制成试样,50℃恒温条件下风干试样,以模拟风成黄土的沉积方式和形成条件。通过湿陷试验,得到该相似材料具有和天然湿陷性黄土相似的湿陷特征,浸水产生强烈的湿陷；通过直剪试验,得到该材料的强度参数也与天然黄土相似,而且可调节的容重范围广,易于购置,价格便宜,是一种比较理想的强湿陷性黄土模型试验材料。在成功研制出模型试验材料的基础上,采用铝管模拟单桩,控制密实度和含水率,填入研制的模型试验材料,进行强湿陷性黄土地基单桩模型试验。通过桩侧应变片测试桩身轴力和侧阻力,在土体不同断面和桩底布置土压力盒,测试土体湿陷附加应力和桩端阻力,在土体表面和桩顶布置位移传感器,测试土体湿陷变形量和桩顶沉降,分析了强湿陷性黄土地基单桩的承载力特征、桩侧负摩阻力及沉降变形规律。利用大型有限元软件ANSYS,基于模量折减法分别建立与模型试验相应的工况,对不同湿陷厚度土层进行单桩承载特性的数值模型,研究了湿陷系数变化时对单桩的承载行为、沉降变形和负摩阻力的影响,通过对比分析室内模型试验的研究和数值分析的结果,对强湿陷性黄土地基单桩的荷载传递机理与规律、负摩阻力分布特征、地基土和单桩的沉降变形特征分别作出系统的分析和比较。本论文研究取得主要的结论：通过强湿陷性黄土模型试验相似材料的研制,得出采用空中自由下落方法能够合理的模拟天然风成湿陷性黄土的结构,具有和天然黄土相似的湿陷性、物理性能和力学性能,使湿陷性黄土模型试验材料的试验结果具有重复性和控制性,可直接控制材料的组成,因此,能很好地评价组分变化的影响,为湿陷性黄土地质力学模型试验相似材料的使用起到借鉴作用。通过湿陷性黄土地基单桩模型试验,得到在自重湿陷作用下,由于负摩阻力的作用,使桩身受到显著的轴力,进而产生一定的沉降,桩侧负摩阻力对湿陷性黄土地区单桩的承载力会产生明显的折减,虽然场地的湿陷类型、湿陷量的大小、湿陷土层厚度等因素影响负摩阻力的大小,但将负摩阻力作为下拉荷载计入桩顶附加荷载,对自重湿陷性较强场地,负摩阻力取较大值是比较保守和安全的。基于模量折减法,将重力作用作为初应力指定为一种“荷载”进行施加,能够使模型中应力与自重作用产生的应力相同,但位移场为零,即由重力引起的应力场但无位移场,然后进行参数折减,能够消除数值计算时重力的影响,较好地实现了对黄土自重湿陷变形的数值模拟,模拟出自重湿陷变形对基桩承载特性的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-28
  1.1 湿陷性黄土的研究现状  12-20
    1.1.1 黄土的地质特征  12-13
    1.1.2 黄土的地层划分  13-14
    1.1.3 黄土的成因  14
    1.1.4 黄土的结构特征  14-15
    1.1.5 黄土的湿陷原因和机理  15-17
    1.1.6 湿陷性黄土地基的评价  17-20
  1.2 相似材料地质力学模型试验的研究现状  20-21
  1.3 桩基承载行为的研究现状  21-24
    1.3.1 荷载传递法  22
    1.3.2 弹性理论法  22-23
    1.3.3 剪切位移法  23
    1.3.4 数值分析法  23-24
    1.3.5 其他方法  24
  1.4 桩基负摩阻力的研究现状  24-27
    1.4.1 国外桩基负摩阻力的研究  24-25
    1.4.2 国内桩基负摩阻力的研究  25-26
    1.4.3 湿陷性黄土地基中桩基负摩阻力的研究  26-27
  1.5 本文主要的研究内容和方法  27-28
2 相似材料地质力学模型试验的基本理论及方法  28-39
  2.1 引言  28
  2.2 地质力学模型试验的相似理论  28-29
  2.3 相似模拟法的单值条件和相似判据  29-32
    2.3.1 几何相似  29-30
    2.3.2 质量相似  30
    2.3.3 荷载相似  30-31
    2.3.4 介质物理性质相似  31-32
    2.3.5 边界条件相似  32
  2.4 地质力学模型试验相似关系的推导  32-36
    2.4.1 由平衡方程推导的相似关系  32-33
    2.4.2 由几何方程推导的相似关系  33-34
    2.4.3 由物理方程推导的相似关系  34-36
  2.5 地质力学模型试验应满足的相似关系  36
  2.6 地质力学模型试验系统  36
    2.6.1 框架式模型试验  36
    2.6.2 离心模型试验  36
  2.7 地质力学模型试验的量测方法  36-38
    2.7.1 量测方法  37
    2.7.2 测点布置  37-38
  2.8 小结  38-39
3 强湿陷性黄土模型试验材料的研制及相关试验  39-69
  3.1 引言  39-40
  3.2 常用相似材料及其特性  40-42
  3.3 强湿陷性黄土模型试验材料的选取  42-43
    3.3.1 配重材料  42
    3.3.2 胶结材料  42
    3.3.3 容重敏感材料  42
    3.3.4 粘聚力敏感材料  42
    3.3.5 内摩擦角敏感材料  42-43
    3.3.6 渗透系数敏感材料  43
    3.3.7 变形模量和泊松比敏感材料  43
    3.3.8 湿陷性敏感材料  43
  3.4 强湿陷性黄土模型试验材料研制  43-68
    3.4.1 材料简介  43-44
    3.4.2 溶盐孔隙法  44-48
    3.4.3 空中自由下落法  48-68
  3.5 小结  68-69
4 湿陷性黄土地基单桩模型试验  69-93
  4.1 湿陷性黄土地基桩基础的承载理论  69-71
    4.1.1 桩基承载行为的理论分析  69-70
    4.1.2 桩基负摩阻力研究  70-71
  4.2 湿陷性黄土地基单桩模型试验设计与制作  71-82
    4.2.1 模型箱  72
    4.2.2 模型桩  72-75
    4.2.3 土样的制备  75-78
    4.2.4 测试仪器埋设  78-81
    4.2.5 试验测试过程  81-82
  4.3 模型试验结果整理与分析  82-91
    4.3.1 桩身轴力分析  82-85
    4.3.2 桩侧摩阻力分析  85-87
    4.3.3 土体附加应力分析  87-89
    4.3.4 土体湿陷变形分析  89-91
  4.4 小结  91-93
5 强湿陷性黄土地基单桩承载行为的非线性有限元分析  93-106
  5.1 引言  93-95
    5.1.1 湿陷性黄土自重湿陷变形的数值模拟  93-94
    5.1.2 桩、土本构模型  94-95
  5.2 有限元模型  95-97
    5.2.1 计算模型的单元类型  95-96
    5.2.2 接触面本构模型和接触单元  96-97
    5.2.3 边界条件与网格划分  97
    5.2.4 加载与求解  97
  5.3 有限元计算模型的建立  97-100
    5.3.1 概述  97
    5.3.2 有限元模型的建立  97-99
    5.3.3 计算模型的基本假定  99
    5.3.4 计算模型的建立  99-100
  5.4 计算结果分析  100-105
    5.4.1 中性点深度  101-103
    5.4.2 负摩阻力分布  103-105
  5.5 小结  105-106
6 结论与展望  106-109
  6.1 结论  106-107
  6.2 展望  107-109
参考文献  109-113
致谢  113-114
攻读学位期间的研究成果  114

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