循环荷载下饱和软土中桩基础竖向承载特性研究.pdf
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1、分类号-TU4 密级UDC _专业学位硕士学位论文循环荷载下饱和软土中桩基础 竖向承载特性研究本课题为国家自然科学基金青年基金(项目编号:51508113)、国家自然科学基金(项目编号:51678166)资助项目。专业学位名称 工程硕士(建筑与土木工程领域)循环荷载下饱和软土中桩基础竖向承载特性研究摘要桩基础被广泛应用于海洋工程建设当中,海洋环境中桩基础承受的荷载极其复杂。复杂的荷载组合对桩的承载特性有着极大的影响,循环荷载作用后桩基础承载特性会产 生一定的弱化。本人在前人研究的基础上,针对竖向循环荷载作用下饱和软土桩基础承 载特性展开研究,主要从桩基模型试验、土体本构模型、数值模拟等方面着手
2、,较为系 统的研究了循环荷载下饱和软土中桩基础竖向承载特性,主要包括以下几个方面:(1)研发了动加载模型桩试验仪系统,试验仪系统主要包括加载系统、压力室、模型桩和数据采集系统四部分组成。该系统可对尺寸为300 mm X 400 mm(直径X高度)的试验土样施加范围为MlMP a的围压,以模拟不同深度处土的应力状态,并可对模型 桩施加最大幅值为5 cm的循环荷载,试验系统可获得桩顶荷载、桩顶位移和土样围压 等分析数据,进而对土中桩基础承载特性开展研究。(2)采用动加载模型桩试验仪开展了饱和软土桩基模型的六组试验,考虑了循环 荷载振幅、循环加载次数、土体固结度和土体固结围压对桩基承载特性的影响。试
3、验结 果表明:桩基的动强度与循环荷载振幅、荷载振动次数及地基土的性质密切相关。在循 环加载期间,桩顶荷载曲线和荷载均值曲线变化趋势均为起始阶段有所下降且最后趋于 稳定;桩基动刚度在循环荷载振幅为0.1 mm时桩基动刚度衰减变化很小基本不变,在 循环荷载振幅为0.4 mm时桩基动刚度衰减很快;随着循环加载次数的增加,土样相对 于桩发生了微小向下的位移,对桩产生了下拉趋势即负摩阻力。(3)采用GDS动三轴仪开展了饱和软土三轴试验,对不同动荷载波形、动应力水 平和循环加载次数影响下饱和软土动力特性进行分析。试验结果表明:动应力水平和动 应力波形都是饱和软土产生循环弱化的影响因素,当动应力水平较低时,
4、土体应变较小,基本不发生塑性应变,整个变形过程可以视为弹性变形过程;当动应力水平较大时,饱 和软土塑性变形逐渐增加,塑性累积变形现象越来越明显,土体的强度和刚度也逐渐产 生弱化;相比于单向全受压循环荷载,双向循环荷载作用下饱和软土弱化速率要快的多,并且土体受拉方向上的弱化比受压方向上的弱化更快更明显。(4)基于非线性运动硬化模型建立了三轴有限元模型和桩基有限元模型,通过数 值模拟结果与试验结果对比验证了其有效可靠性。数值模拟结果反映了该桩承载力主要 由摩阻力发挥作用,桩中心以下的桩侧应力较桩中心以上桩侧应力更大,桩侧应力的弱 化趋势与桩顶荷载弱化趋势基本相同,桩端阻力的弱化要比桩侧应力弱化速率
5、要慢的现 象。关键词:桩基础;模型试验;饱和软土;循环荷载;数值模拟IIStudy on Vertical Bearing Behavior of Pile Foundation inSaturated Soft Soil under Cyclic LoadingABSTRACTP ile foundation is widely used in marine engineering construction.Th e load on th e pile foundation in th e marine environment is extremely complex.Th e comple
6、x load combination h as a great influence on th e bearing ch aracteristics of th e pile.After th e cyclic load,th e bearing ch aracteristics of th e pile foundation will be weakened.Based on th e previous studies,th e bearing ch aracteristics of saturated soft soil pile foundation under vertical cyc
7、lic loading h ave been studied.Mainly from th e pile-soil model test,soil constitutive model and numerical calculation,th e vertical bearing ch aracteristics of pile foundation in saturated soft soil under cyclic loading are systematically studied.Th e main research works and conclusions are as foll
8、ow:(1)A dynamic loading model pile test system was developed.Th e test system mainly consists of four parts:loading system,pressure ch amber,model pile and data acq uisition system.Th e system can apply a confining pressure of 0I MP a to a test soil sample measuring 300 mm x 400 mm(diameter x h eigh
9、 t).Th e test system can simulate th e stress state of soil at different depth s and can apply a cyclic load with a maximum amplitude of 5 cm to th e model pile.Th e test system can obtain th e analysis data of pile top load,pile top displacement and soil sample confining pressure,and th en study th
10、 e bearing ch aracteristics of pile foundation in soil.(2)Six tests of saturated soft soil pile foundation model were carried out by using th e dynamic loading model pile tester.Th e effects of cyclic load amplitude,cycle loading times,soil consolidation degree and soil consolidation confining press
11、ure on th e bearing ch aracteristics of pile foundation were inconsidered.Th e test results sh ow th at th e dynamic strength of th e pile foundation is closely related to th e cyclic load amplitude,th e number of load vibrations and th e nature of th e foundation soil.During th e cyclic loading per
12、iod,th e pile top load curve and th e load mean curve ch ange trend h ave both declined and finally stabilized.Th e dynamic stiffness of th e pile foundation decreases little under th e small amplitude cyclic load and remains basically unch anged.Under th e cyclic load of large amplitude,th e dynami
13、c stiffness of th e pile foundation decays rapidly.With th e increase of th e number of cyclic loadings,th e soil h as a sligh t downward displacement relative to th e pile,and th e pile h as a downward pulling tendency,th at is,negative friction resistance.(3)Th e saturated soft soil triaxial test
14、was carried out with GDS dynamic tri axial instrument.Th e dynamic ch aracteristics of saturated soft soil under different dynamic load waveforms,dynamic stress levels and cyclic loading times were analyzed.Th e test results sh ow th at th e dynamic stress level and dynamic stress waveform are th e
15、influencing factors of th e cycle weakening of saturated soft soil.Wh en th e dynamic stress level is low,th e soil strain is small,and plastic strain does not occur at all,and th e wh ole deformation process can be regarded as an clastic deformation process.Wh en th e dynamic stress level is large,
16、th e plastic deformation of saturated soft soil increases gradually,th e plastic cumulative deformation ph enomenon increases,and th e strength and stiffness of th e soil gradually weaken.Compared with th e full compression cyclic load,th e weakening rate of saturated soft soil under bidirectional c
17、yclic loading is much faster.Th e weakening of th e soil in th e direction of tension is faster and more pronounced th an th e weakening in th e direction of compression.(4)Based on th e nonlinear kinematic h ardening model,a triaxial lest finite element model and a pile-soil finite element model ar
18、e establish ed.Th e effective reliability is verified by comparing th e numerical simulation results with th e experimental results.Th e numerical simulation results reflect th at th e IVbearing capacity of th e pile is mainly affected by th e frictional resistance.Th e lateral frictional resistance
19、 of th e pile below th e center of th e pile is larger th an th at of th e pile above th e center of th e pile.Th e weakening tendency of th e side frictional resistance of th e pile is basically th e same as th e weakening trend of th e pile top load.Th e weakening of th e pile end resistance is sl
20、ower th an th e weakening of th e pile side frictional resistance.Key words:P ile foundation;model test;saturated soft soil;cyclic load;numerical simulationv目录摘要.IABSTRACT.I ll第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 国内外研究现状.21.2.1 桩基试验研究现状.21.2.2 竖向循环荷载作用下桩基承载特性研究现状.61.2.3 饱和软土动力特性研究现状.81.3 研究内容和技术路线.101.3.1 研究内容.101.
21、3.2 技术路线.11第二章动加载模型桩试验仪的研发.122.1 引言.122.2 动加载模型桩试验仪.122.2.1 加载系统.132.2.2 压力室.142.2.3 模型桩.152.2.4 数据采集系统.152.2.5 试验步骤.1623 土样制备.172.3.1 土样预固结.172.3.2 土样基本参数测定.192.4本章小结.21第三章饱和软土中桩基础竖向承载特性模型试验.223.1 桩基模型试验方案.223.2 桩基模型试验结果及分析.243.2.1 初始静载试验结果及分析.243.2.2 竖向循环加载试验结果及分析.253.2.3 竖向循环加载后静载试验结果及分析.343.3 本章
22、小结.35第四章竖向循环荷载下饱和软土不排水变形特性.374.1 引言.374.2 饱和软土动三轴试验.374.2.1 GDS动三轴仪与土样制备.374.2.2 三轴试验方案与试验步骤.384.2.3 静三轴试验结果.434.2.4 动三轴试验结果.434.3 基于非线性运动硬化饱和软土循环弱化模型.504.4 模型验证.514.5 本章小结.55第五章基于非线性运动硬化模型的饱和软土桩基竖向循环弱化数值模拟.565.1 引言.565.2 桩基有限元模型.565.3 桩基模型试验结果与数值分析对比.575.3.1 静载结果对比分析.575.3.2 循环加载结果对比分析.585.3.3 桩侧摩阻
23、力与桩顶阻力变化趋势.615.4 本章小结.二.64第六章 结论与展望.656.1 主要结论.656.2 未来研究展望.66参考文献.67致谢.71攻读学位期间参与科研项目及发表论文情况.72hi广西大学工程硕士学位论文诟环荷载下饱和软土 中 桩基础竖向 承载特性研究第一章绪论1.1 研究背景桩基础是通过承台把若干根桩连接成整体,让其共同承受荷载的一种深基础型式,被作为建筑工程、桥梁工程和港口工程等结构物的主要基础形式之一。与其他基础型式 相比,桩基础凭借其承载能力高、变形小、施工机械化程度高等优点获得了大量工程师 的青睐,在全世界内都有着广泛应用,尤其是在海洋工程建设中应用更广。海洋是一个巨
24、大的宝库,占地表总面积约70%,不仅孕育了人类赖以生存的气候 环境、自然环境,而且还赋予了人类可持续发展过程中不可或缺的丰富资源,提供了人 类生存的广阔空间。我国幅员辽阔、人口众多,拥有绵延18000 km的海岸线,而广西 的海岸线西起东兴的北仑河口,东至合浦县山口镇,长度就有1595 km。进入21世纪以 来,我国将海洋的战略位置置于空前的高度,通过有效、合理的开发和利用海洋资源,大力发展海洋经济,将我国逐步建设成为海洋强国,而桩基础又是近海钻井平台、港口 码头、风电机组、跨海大桥等结构物最常见的基础型式之一。尽管桩基础的设计较为简 单,与陆地环境相比,复杂的海洋环境增加了更多的安全隐患,海
25、洋结构物在使用过程 中不可避免地遭受强烈地震、波浪或暴风等引起的大幅度循环荷载作用,对桩基础承载 特性有着较大的影响。如海上风机运行时传递给桩基础的循环荷载(图l-l(a)、跨海大 桥上车辆经过时传递给桩基础的交通荷载(图l-l(b),这些荷载都包含有竖向循环荷载,这类荷载的循环幅值以及它的持续时间都比较显著,在长期竖向循环荷载作用下的效应 对桩基承载特性的影响更加不容忽视。我国软土分布广泛,在我国滨海平原、三角洲、湖盆地周围均有分布,在三角洲软 土中最典型的是长江三角洲的上海,珠江三角洲的广州。近十几年来,我国的高速公路、跨海大桥的建设取得了很大的发展,成为土木工程建设领域重要的一方面。我国
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