基桩高应变锤桩土相互作用机理及其模拟试验研究

【摘要】： 本文在参考大量国内外文献资料的基础上,对基桩高应变动力试桩技术的研究现状进行了归纳和总结,针对目前基桩高应变动测中,对激振振源、锤-桩-土相互作用机理、管桩沉桩过程模拟及其承载力预测缺乏有效分析手段的现状,采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的研究方法对基桩高应变动力测试技术中激振振源、锤-桩-土动力响应理论以及应用相关研究成果模拟管桩沉桩过程并对其承载力进行预测的方法开展了系统的研究,本文的研究取得了如下主要成果： 1、参照作者及其他学者的相关研究成果,基于基桩高应变动测Case法相关理论基础及应用实践,应用动弹性理论,本文首先对瞬态冲击荷载作用下桩土相互作用模型进行了总结,分析了基桩高应变动测Case法检测基桩承载力、完整性、桩身应力、打桩能量及打桩效率的基本原理,归纳了Case法的相关子方法,并提出了在高应变动测中将锤-桩-土作为同-系统考虑的研究思路。 2、通过对基桩高应变动测振源的分析与比较,针对基桩高应变动力试桩技术对激振振源研究的不足,基于碰撞锤击模型解析算法,首次提出了特大型组合式重锤的概念及柴油锤激振模型优化仿真算法-热动力算法。不仅对基桩高应变动力试桩各种锤型开展了全面、系统的研究,更重要的是首次提出“双弹簧”等力学模型对特大型组合式重锤的性能进行了深入的分析；基于解析及热动力算法,对柴油锤的工作机理进行了研究。证明了特大型组合式重锤的科学性、安全性及热动力算法在模拟柴油锤工作过程时相对于解析等算法更加精确,从而大大拓宽了高应变动力试桩技术的检测范围并提高了模拟测试精度。 3、针对基桩高应变动力试桩技术中对锤-桩-土相互作用机理缺乏正演分析手段的现状,基于-维杆件相关波动理论,建立了锤-桩-土的动力响应模型与算法,编制了相应软件-重锤桩岩土动力响应分析程序。不仅明确了选择锤重和锤垫时需要考虑的各种因素及其主次关系。更重要的是可更加接近桩土实际力学性状辨识高应变动力试桩中尤其是大直径混凝土灌注桩高应变动力试验中影响承载力的各种因素,如锤重、落距、土阻力分布、桩侧土弹限、桩端土弹限、桩垫刚度等。从而为分析锤-桩-土相互作用机理提供了-种有效的正演分析方法。 4、通过对现有方法的分析与比较,针对目前基桩高应变动力试桩技术中对管桩沉桩过程模拟及其承载力预测的不足,基于锤-桩-土动力响应理论的相关研究成果,首次采用改进的连续杆件模型与优化的离散质弹模型相结合的方法对柴油锤打桩过程进行模拟试验研究并编制了相应程序软件。不仅可以模拟实际打桩过程中锤、桩、土的相互作用,更重要的是用数值模拟的方法实现一个系统包含两种模型,发挥不同模型的优势,将两种模型进行良性衔接的解决方案。解决了目前纯数值解析算法无法精确模拟实际打桩过程这一难题,相关软件的开发亦填补了国内空白。 模型桩、试验桩的试验分析及实际工程应用表明：本文提出的在高应变动力试桩技术中将锤-桩-土作为同一系统考虑的研究思路、特大型组合式高应变动力试桩重锤及重锤性能分析方法、重锤桩岩土动力响应分析方法、锤击管桩沉桩过程模拟及其承载力预测等方法是科学合理的,对于提升基桩设计、施工及检测技术水平具有重要的指导意义。