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水平荷载作用下单桩性状研究

张磊  
【摘要】:桩基础不仅可以承受由上部结构和桩身自重等引起的轴向荷载,而且还可以承受由波浪荷载、风荷载、地震荷载、车辆制动力荷载、土压力、轮船及车辆的撞击等引起的水平荷载。随着我国国民经济的迅猛发展,水平受荷桩的应用日益广泛,但水平荷载作用下桩基础的设计与计算还存在很多尚需解决的问题。因此,研究桩基础在水平荷载下的受力性状及计算方法具有重要的理论价值和现实意义。在对水平荷载作用下单桩及群桩理论分析、数值模拟、模型试验和现场试验等方面研究现状做了较详细分析的基础上,本文主要工作及取得的成果如下: 1.基于地基反力法推导出地基反力系数采用三参数形式表示时,水平荷载单桩的挠曲线微分方程。把桩身分成若干等长的小段,并假定每一小段上地基反力系数为常数。利用每段上桩身响应的解析解、各分界点处桩身响应的连续性及桩顶和桩底已知的边界值,采用迭代法求得桩顶未知的边界值,继而求得桩身任意点处变形和内力的半解析解。 2.考虑轴向荷载的P-△效应,推导出地基反力系数采用三参数形式表示时自由段桩身和地面以下桩身的挠曲线微分方程。结合桩顶及桩底的边界条件并利用地基反力系数为常数时轴、横向荷载共同作用下地面以下桩身响应的解析解,分别求得地面以上及以下桩身响应的幂级数解及半解析解。 3.考虑土体屈服,分别假定地基反力系数在地表处不为零并沿深度线性增加及地基反力系数可采用三参数形式表示,推导出水平荷载作用下塑性段桩身和弹性段桩身的挠曲线微分方程,并结合桩顶及桩底的边界条件求得桩身任意点处变形和内力的解。 4.假定地基反力系数为常数,考虑土体屈服并忽略桩身自重和桩侧摩阻力的影响,推导出轴、横向荷载共同作用下桩的挠曲线微分方程,并求得长单桩变形和内力的解。假定地基反力系数在地表处不为零并沿深度线性增加,考虑土体屈服、桩身自重和桩侧摩阻力的影响,推导出桩的挠曲线微分方程并求得桩身响应的幂级数解。 5.假定地基土为均质的、各向同性的弹性半空间体,桩为部分沉入土中的梁,采用差分法并积分Mindlin位移解求得轴、横向荷载共同作用下单桩的变形和内力。 6.基于以上所得解,采用Fortran语言分别编制了计算程序,并通过计算与已有解的计算结果及模型试验和现场试验的实测结果进行对比分析来验证解及程序的可靠性。 7.通过算例分析了水平荷载、轴向荷载、桩顶及桩底的约束条件、桩的抗弯刚度、自由段桩长、地基反力系数中的各参数、土的屈服位移、土的弹性模量和泊松比等因素对桩身响应的影响。


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