高承臺樁基動力屈曲機(jī)理與穩(wěn)定分析中文摘要

樁基礎(chǔ)因具有承載力高、沉降小等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)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(jié)構(gòu)荷載及基礎(chǔ)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(fēng)力、波浪力或地震力等）同時(shí)作用下，可能產(chǎn)生屈曲破壞，其具有突發(fā)性且后果嚴(yán)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(xué)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(yàn)入手，深入探討樁－土動力接觸特性與相互作用機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，通過單樁與群樁的動力屈曲破壞對比試驗(yàn)，探討樁身屈曲破壞機(jī)理與判定準(zhǔn)則；然后，引入新型無單元法編程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，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(jì)算方法，并結(jié)合模型試驗(yàn)與理論分析結(jié)果相互驗(yàn)證完善后加以推廣應(yīng)用。

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(shè)計(jì)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(yàn)，通過埋設(shè)力與位移傳感器及改變樁土試驗(yàn)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(yīng)的時(shí)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(jī)理。然后，引入能量法和Hamilton原理，分別按m法和C法考慮樁側(cè)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(shí)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(shí)不穩(wěn)定區(qū)域邊界的近似解，由此進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度的降低，樁身動力不穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒃龃?，而固定荷載P0的影響則較小）。同時(shí)，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(zhì)模型，綜合考慮樁端土的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)和樁周土體的弱化效應(yīng)，導(dǎo)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(yīng)的時(shí)域響應(yīng)半解析解。此外，引入具有波動特點(diǎn)的樁-土位移影響理論，經(jīng)適當(dāng)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(yùn)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(jié)果與所獲得的理論簡化計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了理論解答與有限元分析的可行性，進(jìn)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(chǔ)樁頂動位移的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某特大橋的樁基設(shè)計(jì)問題，通過三維實(shí)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(chǔ)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(chǔ)位移幅值及失穩(wěn)臨界荷載的影響規(guī)律，有助于進(jìn)一步掌握高承臺樁基的動力特性與屈曲穩(wěn)定機(jī)理。 2100433B

當(dāng)基樁自由長度較大、樁周土體軟弱或遇地震易液化時(shí)，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(jì)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(xué)術(shù)價(jià)值與工程實(shí)際意義。但高承臺樁基的屈曲穩(wěn)定受樁側(cè)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(fù)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(zhì)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(xué)特性及室內(nèi)單樁與群樁屈曲破壞試驗(yàn)入手，建立樁土材料及接觸面本構(gòu)關(guān)系，再引入無網(wǎng)格法建立高承臺樁基屈曲穩(wěn)定分析實(shí)體模型，通過改進(jìn)無網(wǎng)格模式、采用非平衡迭代技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)樁基屈曲機(jī)理的數(shù)值模擬，并結(jié)合模型試驗(yàn)及工程實(shí)測結(jié)果予以驗(yàn)證和完善，以期對該問題的研究獲得新的突破，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。 2100433B

樁身全部埋于土中、承臺底面與土體接觸的樁基。