高承臺樁基動力屈曲機理與穩(wěn)定分析

針對工程中常用高承臺樁基可能存在的動力屈曲穩(wěn)定問題，首先設計并完成了一組軸向簡諧循環(huán)荷載作用下的樁-土動力相互作用大比例模型試驗，通過埋設力與位移傳感器及改變樁土試驗參數(shù)，獲得了不同組合邊界條件下的樁頂位移、動位移幅值、樁身軸力及樁底反力等動力響應的時程變化曲線，由此探討了樁－土動力接觸特性與屈曲穩(wěn)定機理。然后，引入能量法和Hamilton原理，分別按m法和C法考慮樁側土抗力，建立出兩端鉸支、兩端固支及一端固支一端自由三種不同組合邊界條件時豎向簡諧荷載作用下的樁身動力穩(wěn)定Mathieu方程，采用三角級數(shù)求解獲得了基樁發(fā)生參數(shù)共振時不穩(wěn)定區(qū)域邊界的近似解，由此進行的參數(shù)分析給出了樁身長徑比、埋置率、樁頂自由長度、樁周土強度及樁頂動力荷載大小等參數(shù)對樁身動力穩(wěn)定的影響規(guī)律（隨樁身長徑比的增加、埋置率的減小、自由長度的增加及樁周土強度的降低，樁身動力不穩(wěn)定區(qū)域將增大，而固定荷載P0的影響則較小）。同時，鑒于工程中樁周土的非均勻性及樁端約束的不確定性，基于三維連續(xù)介質模型，綜合考慮樁端土的應力擴散效應和樁周土體的弱化效應，導出了高承臺樁基樁頂?shù)膭恿ψ杩?、位移及速度頻域函數(shù)，并經(jīng)傅里葉逆變換和卷積定理，得到相應的時域響應半解析解。此外，引入具有波動特點的樁-土位移影響理論，經(jīng)適當簡化，基于動力文克爾梁模型建立了動力荷載作用下樁-土相互作用的運動微分方程，并給出了基于動力相互作用因子的方程求解方法。最后，基于動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA和引入新型無單元伽遼金法，完成了高承臺樁基的動力數(shù)值模擬分析，將數(shù)值分析結果與所獲得的理論簡化計算結果和模型試驗實測值進行了對比分析，驗證了理論解答與有限元分析的可行性，進而討論了樁身位移及內(nèi)力的開展與分布規(guī)律，獲得了樁間距、樁土剛度比及樁長等參數(shù)對群樁基礎樁頂動位移的影響規(guī)律。在此基礎上，結合某特大橋的樁基設計問題，通過三維實體建模，完成了靜力與動力分析，并探討了不同地震加速度作用下群樁基礎的中樁與角樁的樁端豎向位移與樁頂水平位移分布規(guī)律，且考慮靜動荷載的共同作用，分析了樁-土-承臺體系在不同地震波作用下的動力特性變化規(guī)律，獲得了動力荷載對群樁基礎位移幅值及失穩(wěn)臨界荷載的影響規(guī)律，有助于進一步掌握高承臺樁基的動力特性與屈曲穩(wěn)定機理。 2100433B

樁基礎因具有承載力高、沉降小等優(yōu)點應用廣泛，但在跨河跨谷鐵路或公路大橋、高樁碼頭及海上石油鉆井平臺等工程中，多采用高承臺樁基。對于這類高承臺樁基，因基樁自由長度較大，在靜力荷載（上部結構荷載及基礎本身自重等）和動力荷載（高速列車、汽車產(chǎn)生的沖擊與制動力，以及風力、波浪力或地震力等）同時作用下，可能產(chǎn)生屈曲破壞，其具有突發(fā)性且后果嚴重，如何分析樁基的動力特性特別是動力屈曲穩(wěn)定性成為本學科新難題。為此，本研究擬從樁土動力相互作用大比例模型試驗入手，深入探討樁－土動力接觸特性與相互作用機理；在此基礎上，通過單樁與群樁的動力屈曲破壞對比試驗，探討樁身屈曲破壞機理與判定準則；然后，引入新型無單元法編程進行數(shù)值模擬試驗，討論樁端約束條件、幾何尺寸、參數(shù)共振、土抗力、阻尼力及荷載等對樁身動力壓屈穩(wěn)定的影響規(guī)律，由此給出樁身穩(wěn)定長度的計算方法，并結合模型試驗與理論分析結果相互驗證完善后加以推廣應用。

當基樁自由長度較大、樁周土體軟弱或遇地震易液化時，高承臺樁基常發(fā)生屈曲破壞，甚至引發(fā)工程事故，造成重大經(jīng)濟損失與不良社會影響。故高承臺樁基的屈曲穩(wěn)定問題研究具有重要的理論學術價值與工程實際意義。但高承臺樁基的屈曲穩(wěn)定受樁側土體抗力、樁頂樁端約束條件、承臺、樁型（摩檫或端承）、樁頂荷載(軸、橫向荷載共同作用)等因素影響而非常復雜，簡化分析方法存在一定局限性，而有限差分、有限元等數(shù)值方法因網(wǎng)格存在而難以克服樁土相互作用中存在的介質不連續(xù)、剛度懸殊、大變形及接觸面滑移與開裂等問題。為此，本研究將從樁土接觸面力學特性及室內(nèi)單樁與群樁屈曲破壞試驗入手，建立樁土材料及接觸面本構關系，再引入無網(wǎng)格法建立高承臺樁基屈曲穩(wěn)定分析實體模型，通過改進無網(wǎng)格模式、采用非平衡迭代技術等手段，實現(xiàn)樁基屈曲機理的數(shù)值模擬，并結合模型試驗及工程實測結果予以驗證和完善，以期對該問題的研究獲得新的突破，并應用于工程實踐。 2100433B

樁身全部埋于土中、承臺底面與土體接觸的樁基。