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粘性土流变特性及其在桥梁桩基工程中的应用

刘志峰  
【摘要】:随着基本建设的发展,我国沿海和河流中下游及湖泊附近的软土地区兴建公路、铁路、桥梁、建筑、机场以及码头等项目日益增多。软土地基桩基础的长期变形问题也受到越来越多的关注。大量研究和工程实践经验表明,软土地区桥梁建成后的长期变形一般经历的时间都相当长,软粘土流变特性对岩土工程活动,不论长期还是短期活动都产生显著的影响,深厚软土层随着时间的发展其变形也不断发展的蠕变特性是导致建在软土地区的桥梁若干年后发生较大的后期变形致使桥梁损坏,影响桥梁正常使用的一个主要原因。因此,在考虑粘性土应力—应变关系时效特性的基础上,分析软土地基桥梁桩基础在水平荷载作用下的长期变形特性具有非常重要的意义。有鉴于此,本文将以能够反映时间对土体强度、变形影响的粘弹性流变本构模型为基础,通过大量粘性土的流变特性室内试验,结合有限元数值分析的方法对软土地基桥梁基础的长期变形进行模拟研究。研究内容主要包括以下几点: 1) 粘性土的流变现象、本构模型、参数辨识分析研究。影响软土地区桥梁在使用过程中的长期变形稳定性能的深层次原因是软粘土的变形、强度具有明显的时间效应。为此,本文将能较好反映试验土体流变性状的一维微分型Burger模型扩展到三维,并分析推导了其与三维积分型流变本构方程(用Prony级数表征)的等效关系,为采用准确的材料本构进行有限元分析奠定了基础。同时,对桩在水平荷载下的变形、受力机理、计算方法进行了理论分析研究,实现考虑软土流变特性影响的、桥台—桩—土共同作用分析桥梁长期变形稳定性。 2) 软粘土的应力—应变—时间关系(流变特性)室内试验与模型应用研究。为构建粘弹性流变本构模型,采用同济大学先进的GDS高级三轴测试系统以及土体三轴流变试验机,完成了三轴试验条件下的桩侧土体水平向加载蠕变试验、桩侧土体竖向加载蠕变试验(不排水)、桩底土体竖向加载蠕变试验(排水与不排水),并采用粘弹性流变本构模型对室内试验结果进行了回归分析。 3) 有限元数值模拟。采用有限元分析方法对规范“m”法计算水平受荷桩、Poulous弹性理论法计算水平受荷桩以及室内流变试验进行了有限元数值模拟。验证了本文所采用的有限元研究桩土相互作用方法的可信以及可靠,证明了本


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