浅谈土体侧移作用下既有轴向受荷桩性状模型试验与数值分析

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1、同济大学土木工程学院博士学位论文土体侧移作用下既有轴向受荷桩性状模型试验与数值分析姓名：姚国圣申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：李镜培;梁发云20091201摘要摘要随着城市建设的快速发展和交通、港口、码头等行业的蓬勃兴起，既有轴向受荷桩受邻近土体侧移作用的问题近年来在工程实践中更是经常遇到，如何对土体侧移作用下既有轴向受荷桩的承载性状进行分析，已成为岩土工程近期研究的一个热点和难点问题。然而目前国内外缺乏实用有效的分析方法，对此类问题的分析通常是依靠工程经验估算为主。因此，有必要对此情况下的被动桩进行系统地研究。本文以土体侧移作用下的轴向受荷桩为研究对象，以数值分

2、析、模型试验和理论计算为研究手段，研究了土体侧移与轴向荷载耦合作用下的被动桩基承载和变形性状，以期为实际工程提供理论依据和实践指导。本文的研究内容主要包括几个方面：1．开挖引起的挡墙后土体水平位移场分析。基于对已有研究资料的总结整理，确定开挖或堆载引起的邻近土体位移模式；采用三维有限差分方法，将开挖过程及主要影响因素简化为既定模式的土体位移边界条件，对挡墙后的土体自由位移场进行分析，研究开挖引起的挡墙后土体位移分布规律。2．土体侧移对既有轴向受荷桩影响的数值分析。利用三维有限差分方法，将开挖过程对桩基的影响，简化为既定位移边界条件对邻近桩基的影响，研究不同土体位移边界条件下

3、邻近单桩和群桩(两桩)的力学响应，和已有文献的算例进行对比，验证本文数值分析方法的正确性；并对主要影响因素进行分析，研究土体侧移和轴向荷载耦合作用下邻近单桩和群桩(两桩)的弯矩、位移等变化规律以及群桩的遮帘效应和加筋效应。3．土体侧移与轴向荷载耦合作用的模型试验装置设计。设计一种可以模拟多种土体侧移模式的试验装置，此装置主要特点是由钢板和钢化玻璃组装而成，左右两侧箱壁上半部分不封闭，分别用帘状加载板和帘状挡板代替，可以实现多种土体位移模式下的试验，也可以实现单桩、群桩以及半模桩试验。4．土体侧移作用下既有轴向受荷桩的模型试验研究。设计并进行土体侧移与轴向荷载耦合作用的单桩和

4、群桩(两桩)的室内半模桩试验，研究不同土体位移模式(矩形、半抛物线形)与轴向荷载作用下，桩身弯矩、位移、剪力和桩侧土压力等变化特性以及桩土接触面的土体位移模式，进行对比分析，并研究群桩的遮帘和加筋效应等。摘要5．轴向和水平荷载作用下单桩的积分方程分析方法。基于弹性半空间内作用一水平集中力的Mindlin基本解，采用Muki提出的虚拟桩模型，结合积分方程理论，建立考虑水平荷载和轴向荷载耦合作用下单桩的第二类Fredholm积分方程，通过数值计算求得桩身的剪力、位移、弯矩等。数值计算结果表明，与已有经典解答相比，本文的方法是可行的。通过数值分析，研究了土体位移场分布和承受土体侧

5、移的桩基性状，通过试验研究进一步探讨了承受土体侧移的桩基性状，通过理论计算分析，初步探讨了水平荷载与竖向荷载耦合作用下的单桩承载特性变化。由于基坑开挖对邻近桩基的影响本质上属于被动桩的研究范畴，因此本文研究成果同样适用于其它被动桩问题。关键词：被动桩；位移边界；数值分析；室内模型试验；土体侧移；轴向荷载；耦合作用；积分方程IIAbstractABSTRACTWiththerapiddevelopmentofurbanconstructionsandtheflourishrisingoftransportation，portsandwharfs，theaxiallyloade

6、dpilessubjectedtolateralsoilmovementhavebeenincreasinglyencounteredinengineering．Theanalysisofthebebaviorofaxiallyloadedpilesunderlateralsoilmovementhasbecomeahotanddifficultissueingeotechnicalengineering．However,thereisshortofpracticalandeffectiveanalysismethodsfortheproblemingeotechnical

7、engineeringfields．Theanalysisfortheproblemisusuallyestimatedrelyingonengineeringexperience．Therefore，it’Snecessarytomakeasystematicresearchonthepassivepile．Inthispaperasystematicresearchonthecharacteristicsofpassivepile，undercouplingoflateralsoilmovementsandax