樁-筏基礎(chǔ)共同作用體系的時(shí)間效應(yīng)數(shù)值分析與研究.pdf

1、在沿海地區(qū)存在深厚飽和軟土下臥層，而且往往固結(jié)排水條件不良和流變性明顯。因此，考慮時(shí)間效應(yīng)的樁-筏基礎(chǔ)體系共同作用研究十分必要。樁-筏基礎(chǔ)體系共同作用的時(shí)間效應(yīng)問題是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)性和實(shí)用性課題。事實(shí)上，考慮時(shí)間效應(yīng)的共同作用問題，特別是邊界條件復(fù)雜的情況下很難依靠實(shí)驗(yàn)觀測手段進(jìn)行全面分析，建立在成熟理論框架上的數(shù)值模擬方法成為目前共同作用時(shí)間效應(yīng)分析的主要途徑和手段。目前，圍繞共同作用時(shí)間效應(yīng)的研究己取得較深入和全面的成果。但由

2、于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)條件和理論的限制，概括地說具有如下特點(diǎn)和局限性：一、大多基于半解析半數(shù)值分析方法，無法適應(yīng)邊界條件復(fù)雜的情況(如載荷多樣、接觸條件和結(jié)構(gòu)樣式復(fù)雜等)；二、大多簡化成二維平面應(yīng)變模型無法真實(shí)反映體系三維空間效應(yīng)和考慮上部結(jié)構(gòu)的影響。三、由于固結(jié)數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜性和求解繁瑣性，大多數(shù)研究成果簡化了基礎(chǔ)與地基土接觸界面行為的數(shù)學(xué)物理描述，無法真實(shí)反映基礎(chǔ)與地基土之間例如滑動、脫空等接觸界面行為；四、大多采用地基模型局限在線彈性范圍

3、或簡單元件流變模型，在高荷載狀態(tài)下，不能真實(shí)地反映地基土本構(gòu)特性及其對共同作用體系中內(nèi)力分布與變形發(fā)展的影響。本文基于已有研究成果的特點(diǎn)和局限性，更合理全面地考慮影響共同作用時(shí)間效應(yīng)的諸如接觸界面行為、地基彈塑性特性和上部結(jié)構(gòu)剛度的影響等各種因素，通過建立更符合實(shí)際的數(shù)值模擬模型及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，深入地探討和分析樁-筏基礎(chǔ)共同作用體系的協(xié)同工作機(jī)制，對設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐具有一定指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。研究內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面：

4、1.在簡化成平面應(yīng)變狀態(tài)下，應(yīng)用二維Biot固結(jié)理論，對于地基土采用彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，利用基于罰接觸算法的Coulomb接觸對模擬基礎(chǔ)與土之間允許“滑動和脫空”界面接觸行為，對樁-筏基礎(chǔ)與地基共同作用體系(包括筏板基礎(chǔ)不完全共同作用體系和樁筏基礎(chǔ)不完全共同作用體系)進(jìn)行了二維彈塑性固結(jié)有限元數(shù)值分析。通過算例分析首先較為詳細(xì)地討論了加載后地基固結(jié)過程中超孔隙水壓力的消散規(guī)律及其相關(guān)的 Mandel-Cryer 效應(yīng)

5、與地基受力變形變化的聯(lián)系。進(jìn)一步地，對于不同樁長情況下的樁筏基礎(chǔ)不完全共同作用體系進(jìn)行了固結(jié)時(shí)效性對比分析，結(jié)合已有研究成果，概括出樁-筏基礎(chǔ)不完全共同體系時(shí)間效應(yīng)一般性的非單調(diào)時(shí)間變化特征。分析表明在一定樁長范圍內(nèi)，隨著樁長的變化，樁-筏與地基不完全共同作用體系的非單調(diào)時(shí)間變化特征可以相互轉(zhuǎn)化，筏板基礎(chǔ)和深樁樁筏基礎(chǔ)呈現(xiàn)的時(shí)間變化特征只是此一般性特征的極限情況。并且通過對一般性樁長的具體算例，結(jié)合超孔隙水壓力場的消散分布變化規(guī)律，探討

6、了樁-筏基礎(chǔ)不完全共同作用體系一般性時(shí)間變化特征形成的機(jī)理和動因。此外，對樁筏基礎(chǔ)共同作用體系的平面應(yīng)變簡化固結(jié)分析的局限性進(jìn)行了討論。從而提出了當(dāng)沿平面內(nèi)方向樁的布置較稀疏或土滲透性較好時(shí)，進(jìn)行三維共同作用固結(jié)時(shí)間效應(yīng)分析的必要性。 2.在前述樁-筏基礎(chǔ)不完全共同作用體系時(shí)效性分析的基礎(chǔ)上，附加考慮了上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，并通過建立三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，合理地考慮了共同作用體系中地基土的空間效應(yīng)。應(yīng)用Blot固結(jié)理論、地基土M

7、ohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則，利用Coulomb 接觸對模擬樁基礎(chǔ)、筏基礎(chǔ)與土之間界面接觸行為，通過分別建立上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基完全共同作用體系和上部結(jié)構(gòu)-樁筏基礎(chǔ)-地基完全共同作用體系固結(jié)時(shí)間效應(yīng)分析三維有限元模型，對樁．筏基礎(chǔ)完全共同作用體系時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行了三維彈塑性固結(jié)有限元分析，結(jié)合在真實(shí)三維狀態(tài)下超孔隙水壓力消散分布變化規(guī)律，進(jìn)一步探討了樁-筏基礎(chǔ)完全共同作用體系受力變形特性和協(xié)調(diào)機(jī)制的非單調(diào)時(shí)間變化特征及動因。分析

8、還表明上部結(jié)構(gòu)作為完全共同作用體系的一部分，其內(nèi)力變形特性同樣具有非單調(diào)的時(shí)間變化特征，其自身剛度也對體系時(shí)效性的影響也很顯著，并且此種影響呈現(xiàn)一定的有限性，不會隨上部結(jié)構(gòu)剛度的提高而無限增大。此外，從另一角度論證了共同作用固結(jié)時(shí)效性平面應(yīng)變分析的局限性和進(jìn)行三維完全共同作用分析的必要性。 3.以大型非線性有限元軟件 ABAQUS 為平臺，通過編制了 Fortran 語言接口程序，二次開發(fā)了 Perzyna 過應(yīng)力理論框架下的地

9、基土彈粘塑性模型(EVP)，并實(shí)現(xiàn)了與 Biot固結(jié)理論有限元耦合數(shù)值計(jì)算?；诖藦椪乘苄阅Ｐ?，首先探討了聯(lián)合考慮地基流變特性和固結(jié)作用時(shí)，地基土中超孔隙水壓力消散分布變化規(guī)律，論述了當(dāng)?shù)鼗亮髯兲匦悦黠@時(shí)，由粘性效應(yīng)和 Mandel-Cryer 效應(yīng)耦合作用下的超孔隙水壓力增長機(jī)理。其次，建立了完全、不完全共同作用體系彈粘塑性固結(jié)有限元數(shù)值模型，通過參數(shù)對比分析研究了流變特性對共同作用固結(jié)時(shí)間效應(yīng)的影響機(jī)制。分析表明考慮地基流變特性對