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《浙江大学》 2007年
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大直径扩底桩试验研究与数值分析

胡庆红  
【摘要】: 随着大型市政设施、大跨桥梁及超高层建筑等建(构)筑物的建设,近年来大直径扩底桩因具有单桩承载力高等优点在国内工程界逐渐得到广泛应用。本文基于实测数据分析、解析研究及数值计算等方法,对深厚软土地基中大直径扩底桩单桩的承载变形机理及承载性状开展了研究工作。 在深厚软土地基中大直径深长灌注桩及扩底桩静载荷及桩身应力应变实测分析基础上,研究了软土中的大直径深长灌注桩及扩底桩的竖向承载性状和荷载传递机理。重点分析了大直径深长灌注扩底桩与等直径灌注桩承载特性及荷载传递的不同,并得到了扩底桩桩端阻力、桩侧摩阻力发挥规律。研究表明,深厚软土地基中大直径扩底桩的侧阻先于端阻发挥,大直径扩底桩在荷载水平较高时会产生桩侧摩阻力软化;扩底桩的桩端扩大部分对承载能力影响较大,不仅影响到桩端阻力的发挥,还影响到桩侧阻力的发挥;大直径扩底桩在低水平荷载作用下表现为摩擦桩性状,在高水平荷载作用下表现为端承摩擦桩性状。 基于荷载传递法和广义双曲线函数,提出同时应用耦合Mindlin解考虑桩侧摩阻力引起的桩端沉降和Rusch模型考虑高荷载水平下桩身混凝土的弹塑性的方法,建立了大直径扩底桩单桩的解析分析模型。通过与工程实测结果的对比分析,验证了大直径扩底桩单桩解析分析模型的合理性。采用该模型,对比分析了大直径扩底桩和等直径桩单桩承载性状的差异。随后,运用该模型分析了大直径扩底桩的桩身几何参数等因素对其单桩承载变形性状的影响,得到了大直径扩底桩端阻比的变化规律。 采用有限元法,考虑了桩土间的滑移、脱离以及土的非线性等因素,建立了大直径扩底桩单桩承载有限元分析模型。在此基础上,应用功能强大的有关软件包作为计算工具,研究了大直径扩底桩的桩顶沉降、桩周土体变形、桩身轴力和桩侧摩阻力、桩底土应力随荷载变化的规律;对有关影响单桩竖向承载性状的因素进行了分析,对一工程实例进行了数值模拟和对比分析。有限元分析结果表明,基于该模型的有限元方法能够有效模拟桩的承载性状及承载变形机理。桩的承载能力随着桩径、扩底桩径和桩长的增加而增加,一定桩长下桩径、扩底桩径与承载能力问存在一最佳值;桩底土土压力的变化与桩顶荷载大小密切相关,桩周土体的模量对桩的承载能力影响相对较小,而桩端土模量对桩的承载能力影响相对较大,随着桩端土及桩周土模量比的增大,桩端承载能力得到明显提高,桩土间摩擦系数的增加能有效提高桩的承载能力。 最后,考虑到实际工程中大直径扩底桩在主要承受竖向何载的同时还可能经常承受一定的水平荷载,建立了用于研究大直径扩底桩水平承载性状的三维数值分析模型。该模型一并考虑了桩土体系中混凝土开裂引起的非线性、钢筋与混凝土的耦合作用、桩周土体的弹塑性和桩土界面的非线性接触等问题。通过一个算例,着重分析了桩身塑性变形、弯矩、剪力、钢筋应力、桩体水平位移、桩土相对脱离量等因素随桩顶荷载变化而呈现出的不同规律,同时采用该分析模型探讨了不同的影响因素对大直径扩底桩水平承载性状的影响。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU473.1

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