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桩—筏基础共同作用体系的时间效应数值分析与研究

崔春义  
【摘要】: 在沿海地区存在深厚饱和软土下卧层,而且往往固结排水条件不良和流变性明显。因此,考虑时间效应的桩-筏基础体系共同作用研究十分必要。桩-筏基础体系共同作用的时间效应问题是一项富有挑战性的基础性和实用性课题。事实上,考虑时间效应的共同作用问题,特别是边界条件复杂的情况下很难依靠实验观测手段进行全面分析,建立在成熟理论框架上的数值模拟方法成为目前共同作用时间效应分析的主要途径和手段。目前,围绕共同作用时间效应的研究已取得较深入和全面的成果。但由于当时计算技术条件和理论的限制,概括地说具有如下特点和局限性:一、大多基于半解析半数值分析方法,无法适应边界条件复杂的情况(如载荷多样、接触条件和结构样式复杂等);二、大多简化成二维平面应变模型无法真实反映体系三维空间效应和考虑上部结构的影响。三、由于固结数值计算的复杂性和求解繁琐性,大多数研究成果简化了基础与地基土接触界面行为的数学物理描述,无法真实反映基础与地基土之间例如滑动、脱空等接触界面行为;四、大多采用地基模型局限在线弹性范围或简单元件流变模型,在高荷载状态下,不能真实地反映地基土本构特性及其对共同作用体系中内力分布与变形发展的影响。本文基于已有研究成果的特点和局限性,更合理全面地考虑影响共同作用时间效应的诸如接触界面行为、地基弹塑性特性和上部结构刚度的影响等各种因素,通过建立更符合实际的数值模拟模型及相应的数值计算,深入地探讨和分析桩-筏基础共同作用体系的协同工作机制,对设计理论和工程实践具有一定指导作用和参考价值。研究内容主要包括如下几个方面: 1在简化成平面应变状态下,应用二维Biot固结理论,对于地基土采用弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则,利用基于罚接触算法的Coulomb接触对模拟基础与土之间允许“滑动和脱空”界面接触行为,对桩-筏基础与地基共同作用体系(包括筏板基础不完全共同作用体系和桩筏基础不完全共同作用体系)进行了二维弹塑性固结有限元数值分析。通过算例分析首先较为详细地讨论了加载后地基固结过程中超孔隙水压力的消散规律及其相关的Mandel-Cryer效应与地基受力变形变化的联系。进一步地,对于不同桩长情况下的桩筏基础不完全共同作用体系进行了固结时效性对比分析,结合已有研究成果,概括出桩-筏基础不完全共同体系时间效应一般性的非单调时间变化特征。分析表明在一定桩长范围内,随着桩长的变化,桩-筏与地基不完全共同作用体系的非单调时间变化特征可以相互转化,筏板基础和深桩桩筏基础呈现的时间变化特征只是此一般性特征的极限情况。并且通过对一般性桩长的具体算例,结合超孔隙水压力场的消散分布变化规律,探讨了桩-筏基础不完全共同作用体系一般性时间变化特征形成的机理和动因。此外,对桩筏基础共同作用体系的平面应变简化固结分析的局限性进行了讨论。从而提出了当沿平面内方向桩的布置较稀疏或土渗透性较好时,进行三维共同作用固结时间效应分析的必要性。 2在前述桩-筏基础不完全共同作用体系时效性分析的基础上,附加考虑了上部结构刚度的影响,并通过建立三维有限元数值计算模型,合理地考虑了共同作用体系中地基土的空间效应。应用Biot固结理论、地基土Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则,利用Coulomb接触对模拟桩基础、筏基础与土之间界面接触行为,通过分别建立上部结构-筏板基础-地基完全共同作用体系和上部结构-桩筏基础-地基完全共同作用体系固结时间效应分析三维有限元模型,对桩-筏基础完全共同作用体系时间效应进行了三维弹塑性固结有限元分析,结合在真实三维状态下超孔隙水压力消散分布变化规律,进一步探讨了桩-筏基础完全共同作用体系受力变形特性和协调机制的非单调时间变化特征及动因。分析还表明上部结构作为完全共同作用体系的一部分,其内力变形特性同样具有非单调的时间变化特征,其自身刚度也对体系时效性的影响也很显著,并且此种影响呈现一定的有限性,不会随上部结构刚度的提高而无限增大。此外,从另一角度论证了共同作用固结时效性平面应变分析的局限性和进行三维完全共同作用分析的必要性。 3以大型非线性有限元软件ABAQUS为平台,通过编制了Fortran语言接口程序,二次开发了Perzyna过应力理论框架下的地基土弹粘塑性模型(EVP),并实现了与Biot固结理论有限元耦合数值计算。基于此弹粘塑性模型,首先探讨了联合考虑地基流变特性和固结作用时,地基土中超孔隙水压力消散分布变化规律,论述了当地基土流变特性明显时,由粘性效应和Mandel-Cryer效应耦合作用下的超孔隙水压力增长机理。其次,建立了完全、不完全共同作用体系弹粘塑性固结有限元数值模型,通过参数对比分析研究了流变特性对共同作用固结时间效应的影响机制。分析表明考虑地基流变特性对固结时效性的影响时,共同作用时间效应呈现出与只考虑固结作用时趋势相近的非单调时间变化特征。当蠕变指数越大,超孔隙水压力受粘性效应和Mandel-Cryer效应耦合效应的影响越显著,从而桩-筏基础下卧层边缘和内部区的超孔压消散不平衡性越强,地基时程内有效应力场和位移变形调整幅度也就越大,桩-筏基础共同作用体系各部分内力变形时间变化特征程度就越明显。


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