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水泥搅拌桩复合地基动力特性及其与上部结构动力作用研究

梁旭  
【摘要】: 软土地基广泛分布于我国经济发达的沿海地区,随着这些地区经济的飞速发展和城市化水平的不断提高,将会兴建大量的建筑物和构筑物。工程上常常采用水泥深层搅拌法(Cement Deep Mixing Method)形成水泥搅拌桩复合地基来改善软弱土地基的工程性质。而我国处于地震多发区域,历次大地震都给人民造成了严重的生命和财产损失。基于以上原因,开展水泥搅拌桩复合地基的动力特性及其与上部建筑结构在地震荷载作用下的共同作用研究,并以此用于指导工程抗震设计,具有重要的理论意义和巨大的工程实用价值。 本文通过试验系统地研究了水泥搅拌桩复合地基的静力和动力特性,得到了复合地基的静力Duncan—Chang模型参数和Hardin—Drevich非线性弹性动力模型参数,采用非线性方法对地震加速度进行了反演并将之作为基岩输入加速度。在此基础上,结合自行编制的有限元程序,研究了地震荷载作用下水泥搅拌桩复合地基和上部结构的动力共同作用以及建筑结构地震作用之后的震陷变形,得到了一些对工程抗震设计有指导意义的结论。 本文在前人的基础上改进了水泥土复合试样的制备方法,并且进行了复合试样的静力三轴试验,考虑不同置换率和围压的影响,得到了在静力有限元分析中所必需的Duncan—Chang模型参数。通过不排水动三轴试验详细地分析了置换率、应变幅和围压等因素对水泥土复合试样动模量和阻尼比的影响,根据有关数据,得到了较为完整的复合试样的动力变形曲线,通过回归分析方法,得到了考虑置换率,应变幅和围压影响的水泥搅拌桩复合试样动模量和阻尼比的拟合公式。 利用反演分析所得的地震加速度曲线作为基岩的地震输入曲线代入下一步动力分析步骤之中。采用时程分析法,以渗流和动力分析相耦合的Biot动力固结方程为基本方程,推导了动力分析有限元计算分析的格式,编制了相关计算程序,水泥搅拌桩复合地基的静力和动力参数由本文的试验确定。在进行有限元计 浙江大学博士学位论文 算时研究了自由场地和上部结构建成后的动力响应情况,同时还考虑了复合地基 不同置换率对结构动力响应的影响。通过研究发现:在复合地基加固范围之内, 随着置换率的增加,复合地基的加速度峰值逐渐减小,剪应力峰值逐渐增加;置 换率相同时,离地表越近,复合地基的加速度峰值越大而剪应力峰值越小。在复 合地基加固范围之外,随着置换率的增加,复合地基中加速度峰值逐渐增大而剪 应力逐渐减小。当存在上部建筑结构时,和自由场地相比,无论是在复合地基加 固区之内还是加固区之外,复合地基的加速度峰值都有了不同程度的减小,而剪 应力峰值有所增大。在上部建筑结构中,复合地基置换率相同时,随着层数增加, 结构中的加速度和剪应力峰值都随之增大;而置换率增大时,结构中的加速度和 剪应力峰值也增大。 通过复合试样的震陷试验,采用软化模型的概念,得到了该模型有限元计算 的有关参数,将这些参数和置换率的关系绘制成曲线并且给出了拟合公式。通过 有限元计算后认为:采用水泥搅拌桩复合地基处理后,建筑结构的的震后变形小 于位于软土地基的建筑结构的震后变形,表明采用复合地基对软土地基进行处理 对于减小震后变形是有效的。 本文通过系统地对水泥搅拌桩复合地基静力和动力特性的试验研究和回归 分析,得到了一些简单实用的拟合经验公式,供缺乏试验数据时参考。将地震曲 线进行反演施加于基岩表面,通过对水泥搅拌桩复合地基和上部建筑结构动力相 互作用以及建筑结构的震后变形的分析研究,得到了一些对抗震设计有意义的结 论,为今后累似工程合理地进行地基处理和结构抗震设计提供了良好的参考作 用。


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