桩基竖向承载力研究及ansys模拟——本科毕业论文(编辑修改稿)

桩基竖向承载力研究及ansys模拟——本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

常用的具代表性的传递函数模型有： Kezdi的指数曲线模型、佐滕悟的线弹性全塑性模型、 Gardner的双曲线模型和 Kraft(1981)提出的理想荷载传递曲线等等。 而位移协调法是由 Seed和 Reese(1955)、 Coyle和 Reese (1966)提出的。 位移协调法得到的传递函数一般比较复杂，要从其它途径获得，如根据平衡条件和位移协调原 则，经反复试算以求得桩身轴向力和桩侧摩阻力。 我国学者何思明、陈竹昌与徐和、陈龙珠、房卫民等人在荷载传递法研究中也获得了一定进展。 何思明 (1994)提出广义传递函数，它具有双曲线关系。 陈龙珠 (1994)提出双折线硬化模型，房卫民 (1999)提出了三折线模型。 龚维明等 (1997)将荷载传递法与剪切位移法巧妙结合起来，提出广义荷载传递法，既考虑单桩非线性特征又考虑群桩共同作用。 目前，荷载传递分析法己被广泛地推广应用到桩基础的各个方面。 例如戴国亮，郭忠贤等分别将其推广应用于嵌岩桩、夯实水泥土桩、复合地基单桩的荷 载～沉降性状分析；傅旭东等根据桩周阻抗三阶段理论，提出用荷载传递计算单桩沉降可靠度的方法。 总之，将荷载传递法应用于桩基础沉降分析时，如果具备标准化的地区性桩荷载试验资料和现成的计算机专用程序，则分析工作就变得较为简单。 安徽理工大学毕业论文 8 1． 3． 2 弹性理论法 弹性理论法，将土体看成均匀各向同性的线弹性半空间体，用弹性模量 ( sE ) 和泊松比 (sv )两个变形指标表示土的性能．弹性理论法在今天已经发展成为一种可用于工程实践的、较为完整的理论体系。 这些方法的共同特点都以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响应，并都使用了在半无限体内施加荷载的 Mindlin方程求解。 Poulos和 Davis， Mates和 Poulos等以作用在各单元桩段四周圆环面积上的均布荷载代替桩侧剪应力分布，并且 Poulos于 1980年出版了基于弹性理论的桩基础经典著作 Pile Foundation AnalysiS And Design ，书中对桩基负摩阻力的现场实测，下拉荷载的时间效应，单桩负摩阻力的理论解答，群桩负摩阻力的综合分析以及实测数据与理论分析结果的对照作了一个整体的阐叙，对以后的研究工作打下了坚实的基础。 国内学者在弹性理论法的改进和发展研究方面也取得了一定成果。 刘金砺对弹性理论法中的相互影响系数和沉降比的理论值提出了修正方案；汤永净以Poulos弹性理论法为基础，计算地下连续墙和中间支承桩的沉降。 1． 3． 3 剪切位移法 Cook(1974年 )提出摩擦桩荷载传递物理模型，假定当荷载水平较小时，桩在轴向荷载作用下沉降较小，桩与土之间不产生相对位移，因此桩沉降时，周围土体也随之发生剪切变形。 剪切力在桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。 分析时假定桩侧上、下土层之间没有相互作用，此外，认为摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担荷载较小，计算中可略去，即假定桩沉降主要由桩侧荷载传递引起。 以上所述剪切位移传递法不考虑上、下土层之间的作用，并认为地基土的剪切变形是线弹性的，且桩～土间不发生滑动，这些均与桩的实际工作性状差别较大。 Randolph和 Wroth（ 1978)对剪切变形传递法作了补充和修正，提出桩的影 响半径与桩长及土层性质有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算式。 这与实际工程中土的非均质性及桩和土具有非线性的实际情况并不相符。 另外 该方法假定桩～土之间位移协调，即桩～土之间不产生滑动，这与桩的实际工 作性状也不相符，仅在荷载较小时能得出较准确的解，荷载较大时，则会产生 较大的偏差。 尽管如此，近年来以该法计算单桩沉降的可靠性己得到了工程技 术界广泛重视；另外该方法的一个主要优点是只要通过简单地推广便可进行群 桩 的分析，没有考虑土连续性的方法则不能分析群桩。 1． 3． 4 有限元法以及其它方法简化 安徽理工大学毕业论文 9 随着计算机的高速发展和计算技术的进步，有限单元法 (FEM)、边界元法 (BEM)等数值计算方法也被引入桩基的计算分析之中，它以模拟功能较强而具有 较强的理论分析价值。 有限元法是用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构， 来分析应力与变形。 它很适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而土体 的应力变形分析恰好就存在这些困难问题。 此外，有限元可以把地基、基础， 甚至上部结构作为一个整体进行计算，可以考虑土体的非 线性弹塑性，考虑地 基、基础和上层结构的相互作用，使它们之间本来存在着的有机联系得到很好 的反映。 自 1966年美国 Clough和 Woodward首先用有限元法分析土坝以来，有 限元法在岩土工程中的应用发展迅速。 Ellison等人于 1971年较早将有限元法用于单桩沉降计算分析，首先使用二维轴对称有限元法来分析钻孔灌注桩，Ottaviani将三维有限元用于群桩的分析，尤其是桩身与土之间的荷载传递特性。 有限元法也有缺点，如计算参数不易确定、计算结果及其影响因素间的关 系不直观等，而且其结果的准确性在很大程度上依 赖于所选择的土和桩土界面 的本构关系模型参数是否能够准确地反映真实情况。 对于单桩的有限元分析，可以按轴对称问题考虑，而对于群桩的计算则是一个连续半空间的三维问题了。 三维有限元法计算精度很高，较为符合实际情况，但计算过程复杂，耗时较长。 为此，需要较大的计算机内存和较快的运行速度，使得实用性受到限制。 边界元法计算工作量比有限元法要小，只需要对桩土界面进行离散，在接 触面用荷载传递函数或弹性理论模拟土的性状，建立桩土之间的平衡和位移协 调关系。 但是边界元法难以处理土的非均质性，且需要对解析点进行双重积分， 有时 这很困难并费时。 Poulous(1969年 )提出了单桩沉降计算的边界元法， Butcrficld和 Bancrjee在 1971年对边界元法加以深入。 杨敏以边界积分法为基础分析桩，并以 Mindlin应力解为基本解，在考虑各种非均质情况时要对基本解进行修正，使桩的分析结果适用于各种实际地基情况。 1． 3． 5 灰色系统理论、神经网络理论和最优化理论 灰色预测理论是一种新型预测理论，它利用连续的灰色微分方程模型，对系 统进行观察分析，并做出长期预测。 在处理方法上，灰色系统理论首先将杂乱无 章的原始数据通过累加或累减整理成规律性较强的生成数，然后再进行进一步研究，从而使寻找数据内在规律的过程变得非常简单明了。 根据灰色预测理论，把那些有限的、不确切的、包含系统行为特征的原始数据序列进行变换后，通过建立灰色微分方程，可对系统的发展变化进行全面地分析、预测，从而寻找到数据内在的规律性。 我们知道，桩土体系是一个由桩和桩周围的岩土介质组成的复杂系统，用系统理论的观点来看，桩土体系是个灰色系统，因此，完全可以把桩基安徽理工大学毕业论文 10 工程的有关问题作为灰色系统来看待，用灰色系统理论加以预测。 目前灰 色系统理论在桩基工程中 的应用主要包括对单桩承载力、沉降的预测以及用灰 色关联分析研究单桩的承载性能，所采用的模型大多为 GM(1， 1)模型。 用灰色 系统理论进行单桩极限承载力的估算，只需对单桩静载荷试验中各级荷载下桩 的沉降观测值进行累加或累减使之呈现一定的规律性，再用特定的函数去逼近 拟合建立灰色微分模型和响应函数，跟踪桩顶沉降随荷载增加的发展趋势，就 可以推测预定沉降对应的荷载值或预定荷载的沉降值。 用灰色系统理论预测单 桩承载力和沉降还有不受样本数量限制的优点。 人工神经网络 (ANN)是由大量而简单的处理单元以某种拓扑结构广泛 的互 相连接而形成的复杂网络系统。 神经网络具有自适应性强、非线性、容错性强 等特点，特别适用于处理各种非线性问题。 在桩基工程中，神经网络方法更多 的被用于预测单桩的承载力、沉降和分析单桩的承载性能等方面。 所谓最优化， 就是研究在一定限制条件下，如何寻找并选取某种方案以达到最优目的的一门 科学。 对桩基进行优化设计，在保证安全的前提下，减小桩数或减小桩径，最 大限度的发挥地基土和桩的承载潜力，降低桩基造价，以达到技术效益和经济 效益的高度统一应该是桩基础发展的方向。 不少专家学者己经在这方面展开了 积极的探索并取 得了阶段性成果。 1． 3． 6 试验方法 目前研究桩基承载性状主要是指通过现场试验或模型试验，建立土的物理 力学性质指标与桩基承载性状的关系。 如有些规范中根据土类、土的状态及桩基类型与成桩工艺确定桩侧阻力，采用原位测试 (如：静力触探 )估算单桩承载力等近年来，大量的工程技术人员还从理论与实践相结合的角度出发，又探索出各种单桩承载性能的简便估算方法。 用室内试验进行单桩荷载传递研究，集中在采用直剪仪或三轴剪力仪测定 不同土类、不同压力下土的荷载传递函数。 Coyle和 Reese在三轴剪力仪中测 定粘土与钢管桩 间的荷载传递函数； Kezdi用直剪仪测定砂土的荷载传递函数。 目前绝大多数研究人员采用的是现场试验。 现场试验主要包括单桩静载试 验及桩身应力测试，静载试验是目前研究单桩的承载性能及单桩荷载一沉降特性 最常用的手段。 运用静力载荷法测试单桩竖向承载力，尽管设备笨重、造价高、 时间长，但迄今为止还是其它任何动力检验法无法替代的基桩检测方法，其试 验结果的可靠性也是毋庸置疑的。 1989年由加拿大伯明翰公司 (Berming Hammer) 和荷兰皇家科学院建工研究所 (TNO)联合研制成功的静动法 (Statnamic)，是目前国际上一种崭新的桩基荷载测试方法，它利用一个类似于火箭的装置，携带一定量的反力作用于桩头，点火后在桩头产生一个相对平缓持续的推力，从而获得安徽理工大学毕业论文 11 可分解的荷载试验曲线，最终通过解析处理获得静荷载曲线。 该方法允许 测量最大承载力可达 7000吨，而且不受桩型、桩斜和桩周环境的限制，特别适 用于测量斜桩、群桩和水上作业的各种桩型，简便易行，相对成本比静载低， 使试验结果更接近于静载，因此被称为静动法。 目前已在荷兰、加拿大、美国、 德国、日本、韩国和新加坡等国得到认可和应用，我国建设部的质检中心于 1995 年 6月 ，首次运用静动法成功地进行了灌注桩承载力的测试表演，但至今未能 得到全面推广。 20世纪 80年代中期，在美国提出了一种桩承载力自平衡试验法 (也称 Osterberg试桩法 )，国内清华大学、东南大学等已开始对其进行研究，该 法是省去试验的外加反力系统，通过在桩体内植入扁式千斤顶进行试验，装备 简单，无需构筑笨重的反力设施，而且可以清楚地分出侧摩阻力与端摩阻力分 布和各自的荷载～位移曲线，试验成本也大大降低，近几年来该方法在我国公 路和铁路上得到推广应用。 提高竖向承载力措施 影响灌注桩承载力 的因素较多，离散性较大，缺乏合理的评价指标。 影响大直径灌注桩竖向承载力的主要因素有 :桩侧、桩端土层性质，直接关系到桩侧摩阻和桩端阻力大小，该因素可在工程勘察时基本查明。 其次是桩身混凝土质量，也可在成桩后通过超声波或各种动测设备测定和评价。 另外对桩竖向承载力影响较大、也不容易检测或定量考虑的是 :桩底沉渣厚度、桩侧泥皮厚度、孔壁形状、成桩时间长短及施工工艺、技术水平，桩身混凝土刚度等。 桩底沉渣对承载力的影响比较突出。 实验证明，沉渣厚度大小往往决定桩的破坏方式，使桩沉降量比正常桩大，桩端土的承载力在允 许的桩顶沉降下难以发挥。 当有较厚沉渣时，极限状态下桩端阻损失达 90%以上，桩侧阻损失也很大， 从而直接损失桩竖向承 载力。 泥皮厚度过厚也会导致桩侧土层侧阻不能正常发挥。 影响也比较大，过长的成孔时间会导致桩侧阻、端阻损失，从而直接损失桩竖向承成孔时间对桩承载力正常发挥使单桩承载力损失可达 5080%以上。 孔壁形状、成桩工艺和技术等对桩的竖向承载力都会造成一定影响，从而使桩竖向承载力有很大的离散性和随机性。 综合上述因素，在计算单桩竖向承载力时应考虑除场地因素以外的其它因素对承载力降低的影响。 为了提高桩竖向承载力， 针对以上原因，除了严格施工程序和改进施工工艺以外，近年来国内出现了桩底、桩侧后注浆的工艺技术。 大量工程实践证明，采用合理工艺的桩底注浆效果很不错，不但可提高单桩承载力，还可以减小单桩沉降量以及群桩的不均匀沉降。 1． 5 问题的提出及研究意义 安徽理工大学毕业论文 12 在钻孔灌注桩工程中，承载力的要求始终是比较关注的核心问题，贯穿勘 查、设计、施工等全部过程。 大直径深长钻孔灌注桩具有与一般桩有着不同的 承载特点，影响其单桩极限承载力的因素很多且不稳定，合理地确定其极限承 载力，充分提高桩基的经济技术效益，是工程设计人员和施工人员十分 关心的 问题。 关于影响大直径深长钻孔灌注桩承载力因素的研究，不少学者从施工质 量、承载力的确定方法、计算模型、岩土层条件等不同的角度作出不少的探索 和研究，但是由于影响。