循環(huán)荷載作用下單樁沉降的數(shù)值模擬研究.pdf

1、針對循環(huán)荷載作用下基礎承載特性的研究，以往主要有三類。一是針對海洋平臺樁基礎的研究。與動力機器荷載相比較，該課題研究具有荷載頻率低、加載時間短且樁循環(huán)位移幅值大等特點。二是針對高速公路、高速鐵路等基礎的研究。該課題研究具有加載時間短且加載量級較低等特點。三是針對承受風荷載的一些構筑物樁基礎的研究，該研究的特點是結構上部承受的是水平向的循環(huán)荷載，對于下部基礎，則是循環(huán)彎矩的作用。其中，針對海洋平臺樁基礎的研究與本試驗研究相類似，區(qū)別在于荷

2、載模式：前者主要是雙向循環(huán)荷載，而我們僅進行單向循環(huán)荷載的研究。前人的模型試驗、原型試驗以及數(shù)值計算的相關研究表明，此類循環(huán)荷載對于樁基礎沉降帶來的影響與單純的靜載并不完全相同，影響樁沉降的因素除結構上部荷載水平外，循環(huán)荷載所占總荷載比例、循環(huán)周期以及循環(huán)振次的影響也是不容忽視的。 為了研究循環(huán)荷載下樁基礎的沉降規(guī)律，首先進行了砂土中的單樁模型試驗。然后通過有限元數(shù)值分析進行模擬與驗證。在有限元分析中，采用了下負荷面(tij)彈

3、塑性模型來描述土的本構特性。如不考慮長期作用，在較小循環(huán)荷載下的位移仍將達到一個有限的幅值。但是，如果循環(huán)荷載超過穩(wěn)定容許值，樁項有可能產(chǎn)生危害工程的明顯沉降。這種數(shù)值分析方法的計算結果與循環(huán)荷載作用下的實測值吻合較好。 論文共分為以下幾個部分。 1.介紹論文的研究背景、意義和主要內(nèi)容：介紹循環(huán)荷載下樁基礎的沉降進展，并進行綜述分析。與常規(guī)動力機械樁基礎相比較，這一課題的研究具有荷載頻率較低、加載時間短等特點。第一個階段

4、是二十世紀初到六十年代中期，這段時間是理論準備時期，主要研究循環(huán)載荷在不同基礎情況下的解析解。第二個階段是六十年代中期到八十年代中期，這一時期不但在理論方面進一步完善，而且在計算方面也得到了較大的提高，能夠分析較為復雜的結構與基礎之間的相互作用，考慮各種條件的分析方法相繼出現(xiàn)，并且在各自的領域內(nèi)得到合理的解釋。第三個階段是在八十年代中期以后，這一時期的研究進一步深化，各種更為精確更為實用的方法得到了發(fā)展，并逐漸向三維分析過渡，而且非線性

5、分析逐漸成為研究的主流方向，同時各種試驗及觀測也得到了廣泛的應用。 2.循環(huán)荷載下樁基礎的試驗：為了使模型試驗的結果更切合實際，2006年9月28日、29日在上海某造船基地進行了為期兩天的吊車工作荷載現(xiàn)場調(diào)查。實地考察的目的在于調(diào)查吊車日常工作荷載的特性，以確定模型試驗加載的周期、大小等加載特性。 3.室內(nèi)試驗的內(nèi)容：在傳統(tǒng)的巖土力學研究中，多數(shù)是對土樣進行各種室內(nèi)力學特性試驗以確定其強度變形關系和力學參數(shù)，為數(shù)值計算做

6、準備。本章對土體進行常規(guī)土工試驗，三軸試驗，循環(huán)三軸試驗，并對試驗結果進行分析。本次試驗用砂取自上海市崇明島處于河口、砂嘴、砂島相的東灘地區(qū)。為了完成試驗，砂土需要烘干并且重塑。另外，粘土取自上海市閔行區(qū)華翔路某工地的11m深基坑，為第三層灰色粉質(zhì)粘土。粘土的制備過程較為繁瑣，需要將粘土風干后碾碎，去掉土中夾雜物。模型試驗后，從槽內(nèi)直接取出原狀飽和粘土。常規(guī)土工試驗是分別對試驗所用的砂土和粘土進行了常規(guī)物理試驗、壓縮試驗、滲透試驗、固結

7、試驗以及直剪試驗等常規(guī)土工試驗。使用國際先進的GDS三軸儀進行飽和土體的三軸試驗研究，與模型試驗相結合，從微觀、宏觀兩方面入手，分析了影響樁的沉降的因素。 4.下負荷面tij彈塑性模型基本概念： 巖土工程問題大體上可以分為兩大類：變形問題和穩(wěn)定問題。傳統(tǒng)的巖土工程設計計算方法中，對于變形問題，大多采用先彈性模型；對于穩(wěn)定問題，采用基于理想剛塑性模型的極限平衡分析方法。本質(zhì)上來講，巖土工程的變形和穩(wěn)定問題并不是完全割裂的兩

8、個問題，巖土體的強度和變形間存在密切的聯(lián)系，本構模型是描述其應力應變關系的數(shù)學模型，也即本構關系。巖土材料的真實應力應變關系特性非常復雜，不僅具有非線性、彈塑性、粘塑性，還具有各向異性、剪漲性等特性，同時應力路徑、強度發(fā)揮以及土的組成、結構、狀態(tài)和溫度等因素均對其有著不同程度的影響。通常對這類問題有兩種解決途徑：一種是引入簡化假設，使其達到能用解析法求解的地步，求得問題在簡化狀態(tài)下的近似解，這種方法并不總是可行，常導致不正確甚至錯誤的解

9、答。另一種方法是保留問題的復雜性，利用數(shù)值計算方法來求得問題的近似數(shù)值解。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，已使得采用這種方法解決實際工程問題成為可能，并能得到令人滿意的結果。有限元法把結構離散成有限個有限大小的單元，通過在結點互相聯(lián)結而構成集合體，利用物理上的相似性，把求解偏微分方程的問題變成求解線性方程組的問題，從而利用計算機解線性方程組，可得到工程上滿意的數(shù)值解。有限元方法是一種基于性能的計算方法，理論上來說有限元方法能夠合理的預測結構受

10、荷后的全過程，并且能夠反映出試驗難以詳細測定的參數(shù)。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元方法日趨完善，能較好的描述土體的非線性特征。 5.模型試驗結果與數(shù)值分析結果比較：利用有限元程序建立豎向循環(huán)荷載作用下模型樁-土體系的軸對稱有限元模型，并結合試驗成果進行比較。本文以下負荷面tij彈塑性理論為依據(jù)，利用室內(nèi)試驗的參數(shù)，對循環(huán)荷載下樁基礎的沉降規(guī)律進行研究，為循壞荷載下的設計提供理論依據(jù)。通過對比模型試驗結果與數(shù)值模擬計算結果，可以得到

11、以下結論：對于單調(diào)載荷，數(shù)值計算得到的結果能夠比較好地描述模型試驗的特性。 6.通過以上研究工作，得出以下結論：基于有限元基本原理，通過使用下負荷面tij彈塑性模型結合室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)得到的土工參數(shù)，對模型樁在循環(huán)荷載下的沉降特性進行模擬計算，并對計算的到的結果進行了比對分析?，F(xiàn)將本部分內(nèi)容總結如下： 1)基于室內(nèi)試驗所獲參數(shù)，進行數(shù)值計算，通過數(shù)值計算的結果和模型試驗的比較可知： (1)盡管材料不同，但是由于長期荷載的原因

12、，小的循環(huán)荷載作用也可以使得累積位移到達一個極限值。然而，當循環(huán)荷載值超過其穩(wěn)定承載值，樁頭的位移將顯著增長，最終將導致建筑物不利的影響。另外，數(shù)值結算在考慮土體的典型力學性能后能夠很好地預測循環(huán)荷載作用下短樁的行為。 (2)計算結果和實測數(shù)據(jù)的比較顯示，數(shù)值分析定性地和定量地模擬樁在單向荷載作用下的承載能力。其結果適用于所用的情況。然后，在作用的后期階段會出現(xiàn)一些差別。(3)模型樁的數(shù)值模擬沉降比曲線與實測沉降曲線發(fā)展趨勢基本一致，而

13、在循環(huán)荷載比較小的時候，計算得到的結果偏大。循環(huán)荷載比較高的時候，計算結果與試驗得到的結果較為吻合。即數(shù)值模擬能夠定性地描述模型試驗結果，但是數(shù)值上總是超過其值。 (4)室內(nèi)試驗的結果顯示，上海粘土和砂的力學特性與日本Toyoura砂和Fujinomori粘土非常相似。 2)關于進一步工作的方向簡要的討論：目前本課題的數(shù)值模擬仍存在許多不足之處：(1)采用的參數(shù)不是很適當，而且這些參數(shù)難以用簡單試驗獲得，因此數(shù)值分析方法有很大的