循環(huán)荷載作用下單樁沉降的數(shù)值模擬研究.pdf

1、針對(duì)循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)承載特性的研究，以往主要有三類。一是針對(duì)海洋平臺(tái)樁基礎(chǔ)的研究。與動(dòng)力機(jī)器荷載相比較，該課題研究具有荷載頻率低、加載時(shí)間短且樁循環(huán)位移幅值大等特點(diǎn)。二是針對(duì)高速公路、高速鐵路等基礎(chǔ)的研究。該課題研究具有加載時(shí)間短且加載量級(jí)較低等特點(diǎn)。三是針對(duì)承受風(fēng)荷載的一些構(gòu)筑物樁基礎(chǔ)的研究，該研究的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上部承受的是水平向的循環(huán)荷載，對(duì)于下部基礎(chǔ)，則是循環(huán)彎矩的作用。其中，針對(duì)海洋平臺(tái)樁基礎(chǔ)的研究與本試驗(yàn)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(jìn)行單向循環(huán)荷載的研究。前人的模型試驗(yàn)、原型試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算的相關(guān)研究表明，此類循環(huán)荷載對(duì)于樁基礎(chǔ)沉降帶來(lái)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(jié)構(gòu)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(chǔ)的沉降規(guī)律，首先進(jìn)行了砂土中的單樁模型試驗(yàn)。然后通過(guò)有限元數(shù)值分析進(jìn)行模擬與驗(yàn)證。在有限元分析中，采用了下負(fù)荷面(tij)彈

3、塑性模型來(lái)描述土的本構(gòu)特性。如不考慮長(zhǎng)期作用，在較小循環(huán)荷載下的位移仍將達(dá)到一個(gè)有限的幅值。但是，如果循環(huán)荷載超過(guò)穩(wěn)定容許值，樁項(xiàng)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(jì)算結(jié)果與循環(huán)荷載作用下的實(shí)測(cè)值吻合較好。 論文共分為以下幾個(gè)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(chǔ)的沉降進(jìn)展，并進(jìn)行綜述分析。與常規(guī)動(dòng)力機(jī)械樁基礎(chǔ)相比較，這一課題的研究具有荷載頻率較低、加載時(shí)間短等特點(diǎn)。第一個(gè)階段

4、是二十世紀(jì)初到六十年代中期，這段時(shí)間是理論準(zhǔn)備時(shí)期，主要研究循環(huán)載荷在不同基礎(chǔ)情況下的解析解。第二個(gè)階段是六十年代中期到八十年代中期，這一時(shí)期不但在理論方面進(jìn)一步完善，而且在計(jì)算方面也得到了較大的提高，能夠分析較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)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(lǐng)域內(nèi)得到合理的解釋。第三個(gè)階段是在八十年代中期以后，這一時(shí)期的研究進(jìn)一步深化，各種更為精確更為實(shí)用的方法得到了發(fā)展，并逐漸向三維分析過(guò)渡，而且非線性

5、分析逐漸成為研究的主流方向，同時(shí)各種試驗(yàn)及觀測(cè)也得到了廣泛的應(yīng)用。 2.循環(huán)荷載下樁基礎(chǔ)的試驗(yàn)：為了使模型試驗(yàn)的結(jié)果更切合實(shí)際，2006年9月28日、29日在上海某造船基地進(jìn)行了為期兩天的吊車工作荷載現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。實(shí)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(yàn)加載的周期、大小等加載特性。 3.室內(nèi)試驗(yàn)的內(nèi)容：在傳統(tǒng)的巖土力學(xué)研究中，多數(shù)是對(duì)土樣進(jìn)行各種室內(nèi)力學(xué)特性試驗(yàn)以確定其強(qiáng)度變形關(guān)系和力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值計(jì)算做

6、準(zhǔn)備。本章對(duì)土體進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)，循環(huán)三軸試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本次試驗(yàn)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(yàn)，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(guò)程較為繁瑣，需要將粘土風(fēng)干后碾碎，去掉土中夾雜物。模型試驗(yàn)后，從槽內(nèi)直接取出原狀飽和粘土。常規(guī)土工試驗(yàn)是分別對(duì)試驗(yàn)所用的砂土和粘土進(jìn)行了常規(guī)物理試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、固結(jié)

7、試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)等常規(guī)土工試驗(yàn)。使用國(guó)際先進(jìn)的GDS三軸儀進(jìn)行飽和土體的三軸試驗(yàn)研究，與模型試驗(yàn)相結(jié)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(fù)荷面tij彈塑性模型基本概念： 巖土工程問(wèn)題大體上可以分為兩大類：變形問(wèn)題和穩(wěn)定問(wèn)題。傳統(tǒng)的巖土工程設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，對(duì)于變形問(wèn)題，大多采用先彈性模型；對(duì)于穩(wěn)定問(wèn)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(lái)講，巖土工程的變形和穩(wěn)定問(wèn)題并不是完全割裂的兩

8、個(gè)問(wèn)題，巖土體的強(qiáng)度和變形間存在密切的聯(lián)系，本構(gòu)模型是描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，也即本構(gòu)關(guān)系。巖土材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性非常復(fù)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(shí)應(yīng)力路徑、強(qiáng)度發(fā)揮以及土的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和溫度等因素均對(duì)其有著不同程度的影響。通常對(duì)這類問(wèn)題有兩種解決途徑：一種是引入簡(jiǎn)化假設(shè)，使其達(dá)到能用解析法求解的地步，求得問(wèn)題在簡(jiǎn)化狀態(tài)下的近似解，這種方法并不總是可行，常導(dǎo)致不正確甚至錯(cuò)誤的解

9、答。另一種方法是保留問(wèn)題的復(fù)雜性，利用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)求得問(wèn)題的近似數(shù)值解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已使得采用這種方法解決實(shí)際工程問(wèn)題成為可能，并能得到令人滿意的結(jié)果。有限元法把結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)有限大小的單元，通過(guò)在結(jié)點(diǎn)互相聯(lián)結(jié)而構(gòu)成集合體，利用物理上的相似性，把求解偏微分方程的問(wèn)題變成求解線性方程組的問(wèn)題，從而利用計(jì)算機(jī)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(jì)算方法，理論上來(lái)說(shuō)有限元方法能夠合理的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)受

10、荷后的全過(guò)程，并且能夠反映出試驗(yàn)難以詳細(xì)測(cè)定的參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)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(duì)稱有限元模型，并結(jié)合試驗(yàn)成果進(jìn)行比較。本文以下負(fù)荷面tij彈塑性理論為依據(jù)，利用室內(nèi)試驗(yàn)的參數(shù)，對(duì)循環(huán)荷載下樁基礎(chǔ)的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，為循壞荷載下的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以得到

11、以下結(jié)論：對(duì)于單調(diào)載荷，數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果能夠比較好地描述模型試驗(yàn)的特性。 6.通過(guò)以上研究工作，得出以下結(jié)論：基于有限元基本原理，通過(guò)使用下負(fù)荷面tij彈塑性模型結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的土工參數(shù)，對(duì)模型樁在循環(huán)荷載下的沉降特性進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算的到的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析?，F(xiàn)將本部分內(nèi)容總結(jié)如下： 1)基于室內(nèi)試驗(yàn)所獲參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和模型試驗(yàn)的比較可知： (1)盡管材料不同，但是由于長(zhǎng)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(dá)一個(gè)極限值。然而，當(dāng)循環(huán)荷載值超過(guò)其穩(wěn)定承載值，樁頭的位移將顯著增長(zhǎng)，最終將導(dǎo)致建筑物不利的影響。另外，數(shù)值結(jié)算在考慮土體的典型力學(xué)性能后能夠很好地預(yù)測(cè)循環(huán)荷載作用下短樁的行為。 (2)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)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(jié)果適用于所用的情況。然后，在作用的后期階段會(huì)出現(xiàn)一些差別。(3)模型樁的數(shù)值模擬沉降比曲線與實(shí)測(cè)沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致，而

13、在循環(huán)荷載比較小的時(shí)候，計(jì)算得到的結(jié)果偏大。循環(huán)荷載比較高的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果較為吻合。即數(shù)值模擬能夠定性地描述模型試驗(yàn)結(jié)果，但是數(shù)值上總是超過(guò)其值。 (4)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，上海粘土和砂的力學(xué)特性與日本Toyoura砂和Fujinomori粘土非常相似。 2)關(guān)于進(jìn)一步工作的方向簡(jiǎn)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(dāng)，而且這些參數(shù)難以用簡(jiǎn)單試驗(yàn)獲得，因此數(shù)值分析方法有很大的