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打桩下沉过程中的动力响应研究

王娜娜  
【摘要】:动力沉桩是一种不连续的稳态过程,每次锤击,桩基都会在短时间内下沉一定深度,且每次深度都不确定;此外,桩土接触面上的剪应力不连续,每次锤击完成后立即解除,下次锤击过程中再次施加,为一系列作用在节点上的循环荷载,因此桩基下沉过程是一个复杂的动力反应问题,涉及到几何大变形、材料非线性和接触非线性等问题,使得桩基动力下沉过程的数值仿真非常困难。 本文在总结了现有阶段桩—土相互作用的研究方法及不足后,建立了打桩下沉的动力仿真模型,旨在进一步探索解决桩-土动力作用的新方法和手段,继续开展桩基在竖向荷载作用下的动力学研究。本文将弹性应力波理论、土动力学理论和非线性数值分析方法相结合,以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为工具,采用粘弹塑性本构模型,用非线性弹簧元模拟分层土,建立桩土相互作用的数值模型。该模型能够用一系列不连续的时间和空间点反应来模拟整个桩基下沉过程。利用该模型本文重点研究了动土强度折减系数、桩基入土深度、桩径、混凝土等级、桩侧摩阻力系数等对基桩动力响应的影响。为了进一步模拟打桩过程中桩土界面的滑移和粘结等过程,本文利用流固耦合算法建立了三维实体模型。其中,采用ALE算法解决了土体大变形问题,对桩基使用了刚体-弹性体转换功能,不仅提高了计算效率,而且当其转为弹性体后又能分析其受力状态。为了实现多次锤击过程的仿真模拟,本文也进行了重启动分析,从而研究了打桩下沉过程中土体的应力、变形和三维挤土排土效应等,并利用能量平衡法对该有限元模型进行了验证。最后进一步探讨了桩基重力、桩土摩擦系数、锤击力大小、土体密度等因素对基桩可打入性的影响。


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