采用有厚度接触单元对桩基沉降的研究

选用描述桩土接触面特性的有厚度接触面本构模型与土塑性特点的弹塑性本构模型, 利用研制的二维有限元程序, 研究了在荷载作用下桩的几何特征、物理特性与土及接触面的物理特性对桩基沉降的影响, 得出了几点规律性的结论。     

基于统计损伤本构模型的改进桩-土接触面模型研究

建立准确合理的接触面本构模型是研究桩基承载力、沉降及变形等问题的前提。考虑桩-土界面初始剪切刚度的深度效应,提出基于统计损伤本构模型的无厚度接触面本构模型,根据剪切试验的数据对改进的接触面本构模型参数进行拟合,得到了不同法向应力下的模拟曲线。利用FLAC3D软件内嵌的FISH语言,对桩-土界面进行改进本构模型的二次开发,提出的无厚度接触面模型合理地模拟出桩-土界面刚度的非线性,成功实现了桩-土剪切试验过程的数值模拟。计算结果表明：提出的无厚度接触面本构模型能够合理地模拟桩-土界面的力学行为,可以描述接触面刚度的非线性变化,也适于程序化计算,拓展了接触面统计损伤本构模型的应用领域,为深入探讨桩基承载变形性状奠定了基础。     

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩?土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩?土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩?土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩?土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩?砂土接触面热?力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩?土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩?土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩?土接触面热?力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。     

土与结构物接触面损伤本构模型

根据粗糙接触面变形机理,建立了基于损伤力学基本原理的接触面本构模型来描述其力学特性。所建议的损伤模型可以用一个统一的表达式来表述,能够较好地反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀等力学特性;模型参数较少,物理意义明确。对接触面直剪试验和单剪试验成果进行了验证,模型计算与试验结果吻合较好,表明建议的土与结构物粗糙接触面损伤模型是合理可行的。     

用有限单元法分析超长单桩的荷载传递

用描述桩侧摩阻力与桩-土相对位移关系的指数函数,推导出桩-土接触面本构模型,并设置了Goodman接触面单元来分析桩土相互作用。针对超长桩钢筋混凝土受应力大的特点,用混凝土的弹性非线性模型来分析受轴向荷载下钢筋混凝土的应力应变关系。编制的有限元程序能解决层状土及层状土导致沿桩身不同位置处桩-土相互作用不同特性,并针对工程实例桩变截面的特点,采用合理的计算手段使得按等截面桩计算分析结果与按实际变截面桩计算分析结果相同。用此程序对一工程实例进行了计算分析,计算结果与静载试验实测值较符合。     

桩土接触面单元参数分析

桩的抗拔特性与接触面的特性密切相关，正确选定接触面的力学参数对于分析桩的抗拔机理有重要意义。根据桩土接触面点面接触模型和库仑摩擦变形原理，在10组土－结构（钢、混凝土）剪切摩擦试验分析的基础上，对桩土接触面摩擦参数的取值问题进行了研究，得到了一些结论，对于桩土接触面力学参数正确取值有一定的参考价值。     

粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型

基于试验结果,探讨了粗粒土与结构接触面的三维力学特性,该接触面在三维剪切时两个方向上的剪应力-应变关系表现出较强的耦合特性,但其主剪应变的大小只与主剪应力的大小有关。基于提出的接触面弹塑性损伤理论,建立了描述三维条件下接触面力学特性的本构模型及其数值格式。编制了有关程序,采用该模型对接触面的力学响应进行了预测。预测结果表明,建立的接触面三维本构关系及数值模型是合理和可行的,能够较好地反映包括剪切耦合特性在内的接触面主要力学特性。     

填埋场衬垫系统界面本构模型研究

典型垃圾填埋场衬垫系统由土/土工膜、土工膜/土工织物等多个界面组成,这些界面抗剪强度低,成为潜在的滑裂面,容易使填埋场发生沿界面的失稳破坏。本文根据大量土/土工膜界面直剪试验的研究,针对该界面的变形机理和应变软化特性,在前人研究的基础上确定了接触面的厚度,定义了接触面的切向应变和法向应变,将界面的变形分为3个阶段:弹性阶段,塑性阶段和残余阶段。同时提出了适合于土与土工膜界面的弹塑性本构模型。该本构模型参数较少,物理意义明确,运用简单方便。最后,结合Filz接触面直剪试验和钱学德单剪试验的结果,将通过该模型得到的拟合结果与之进行了对比验证分析。研究结果表明:本文提出的土与土工膜界面弹塑性本构模型是合理可行的,且建模方便,适用于工程实践。     

青藏冻结粉土与玻璃钢接触面本构模型研究

冻土与构筑物基础接触面的本构模型是分析冻土区构筑物与冻土相互作用、评价工程安全稳定性的基础和关键.为了降低切向冻胀力对基础的上拔作用,防止发生冻拔失稳破坏,青海-西藏±400 kV直流联网工程基础广泛采用玻璃钢覆盖基础表面,以消减冻胀力.为了合理描述玻璃钢与冻土接触面力学特性,采用应变直剪仪开展了青藏冻结粉土与玻璃钢基础接触面直剪试验,获取了不同冻结温度条件下接触面剪应力-位移曲线,分析总结了接触面的强度变化规律和受力变形特性,基于试验得到的接触面本构规律建立了耦合温度效应的冻结粉土与玻璃钢基础接触面剪切应力-位移关系.模型预测结果与试验结果的比较表明,预测结果与试验结果吻合良好,该模型能够较好的描述接触面的力学特性.     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

注浆桩土接触面试验研究及后注浆抗拔桩承载特性数值分析

桩侧后注浆抗拔桩是一种新型的抗拔桩基础。借助于试验和数值手段对这种抗拔桩的承载变形特性开展了深入研究。首先进行了接触面的大型剪切试验,以揭示桩土接触面在注浆与未注浆前后其力学特性的差异性,并基于大型接触面剪切试验成果,建立了桩土接触面的修正库仑摩擦模型。将接触面模型应用到有限元数值分析,分别模拟了传统等截面抗拔桩与后注浆抗拔桩的承载变形特性。研究表明,相比传统的抗拔桩,桩侧后注浆抗拔桩的侧摩阻力得到了显著的改善,特别是深处的桩侧极限摩阻力得到了更充分的发挥,从而桩侧注浆抗拔桩的承载能力有了较大程度的提高。     

改进的薄层单元在桩-土动力相互作用中的应用

在地震荷载作用过程中,由于桩身材料性能与周围土体性质差异较大,土体在桩-土接触面上发生张开或滑移,该强非线性接触行为直接影响接触面附近土体与桩体应力状态,从而影响上部结构地震响应水平。真实桩-土接触面由于桩身表面混凝土约束关系,具有一定厚度且存在相关体变规律的接触带。通过有限元软件ABAQUS用户自定义单元UEL程序编写改进Desai薄层接触单元,在Desai薄层接触单元中加入Rayleigh阻尼项以模拟地震作用时桩-土强非线性接触行为能量耗散过程。接触面法向与两切向本构关系采用双曲线模型。规定了Desai薄层接触单元在桩-土接触面上的行为模式以模拟土体在接触面黏结、滑动、张开、再闭合等接触状态。建立精细三维桩-土-结构体系动力相互作用模型以研究改进Desai单元对上部结构峰值动力响应水平影响,为工程结构抗震设计时程分析提供参考依据。     

基于湛江组结构性黏土的桩土接触面模型及解析解

湛江组结构性黏土因其特有的结构特性而使该土层中桩基承载性状复杂,传统的桩基设计计算理论和方法应用于该土层中桩基承载力计算时其理论计算值与工程实测值或多或少存在一定误差而存在适用性问题。基于湛江组结构性黏土直剪试验及无侧限抗压强度试验,在剪切位移法的基础上,提出了桩土接触面软化模型,即桩土接触面处于弹性阶段时,桩侧摩阻力随位移线性增加;桩土接触面处于软化阶段时,桩侧摩阻力随位移线性减小,且减小速率与土体灵敏度、桩土接触面法向压力有关;桩土接触面处于滑移阶段时,桩侧摩阻力不随位移变化。依据该模型推导了湛江组结构性黏土中竖向荷载作用下单桩位移及轴力解析解,并比较了计算与试验结果,验证了所提模型的合理性。     

注浆成型螺纹桩桩土接触面机制的离散元模拟

为了揭示新型注浆成型螺纹桩的承载力特性及桩土接触特性,利用二维离散元（DEM）数值分析不同螺纹间距的桩-土接触特性。在既有螺纹桩-土界面的大型直剪试验方案的基础上,建立模拟试验的离散元模型。通过模拟试验的伺服加载机制,实现在接触面法向上施加恒定的压力,然后水平移动接触面底板进行剪切,得到不同螺纹数下剪切位移与剪切应力的关系曲线、孔隙比分布图和力链传力机制。离散元分析表明,存在一个最优的螺纹间距,使接触面的极限抗剪强度最大;螺纹桩桩土接触面周围土体会出现一个拱形的破坏面,该微观机制与室内试验观察一致。     

基于扰动理论修正的桩-土接触面荷载传递模型 及其应用

利用硬化模型、双曲线模型、指数模型以及软化模型模拟的桩-土接触关系存在参数取值困难、误差大的问题。为深入研究土-结构接触面的强度与变形机理,基于扰动理论,假定完整状态接触单元的抗剪强度服从线弹性模型,而扰动部位则服从塑性模型,建立修正的桩-土接触面荷载传递模型。该模型参数分析表明,参数k、η对模型τ-s曲线形态影响大,而参数τ、ζ对模型τ←s曲线形态影响很小;并通过大型桩-土接触面室内直剪试验,量化接触面上剪切应力与剪切位移的关联性,进一步确定修正桩-土接触模型内部计算参数。结果表明模型τ-s曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性。扰动桩-土接触模型既能描述桩侧应变软化也能描述硬化特性,有助于理解复杂应力条件下桩-土接触面的强度计算与变形机理。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

粗粒料接触面模型及其在土石坝工程中的应用

在土石坝工程中越来越重视岸坡与坝料之间的接触特性,将土体本构模型中使用较多的双曲线型硬化规律运用至接触面模型,提出了一个简洁的接触面本构模型,推导了接触面模型刚度矩阵表达式。通过对4组试验的预测结果与试验结果的对比,表明该模型可以较好地预测粗粒料的界面剪切试验。将提出的接触面模型嵌入有限元程序,应用于如美心墙坝河谷与坝料的接触分析。三维有限元计算结果表明：坝体两侧岸坡的剪切位移变化规律都是中间部分剪切滑移量较大,岸坡边缘部分相对较小,陡坡一侧最大滑移量大于较缓一侧。这些均符合粗粒料滑移的基本规律,可为岸坡?坝料接触特性研究以及土石坝工程计算提供参考。     

复合地基沉降的复合本构有限元分析

提出了平面应变条件下复合地基沉降计算的复合本构有限元法。根据桩土界面处力的平衡条件和竖向变形协调条件,由桩、土材料各自的本构方程形成复合地基的本构方程,桩和桩周土可以采用任意非线性本构模型。工程实例分析表明,所建议的方法是有效的。     

横观各向同性地基中管桩扭转振动响应解析解

考虑地基沉积过程中产生的竖向和水平向力学性质的差异,对横观各向同性地基中管桩扭转振动频域响应进行了理论研究。基于横观各向同性材料的本构关系以及桩-土耦合扭转振动,建立了桩土系统定解问题,通过Laplace变换和分离变量法求得了桩周土和桩芯土扭转振动位移形式解。通过桩-土接触面的连续条件,求得了管桩扭转频域响应解析解,并得到了桩顶复动刚度和速度导纳的表达式。将所得解退化到横观各向同性地基中实心桩解以及均匀地基中管桩解,并与已有文献进行了对比,验证了解的合理性。通过数值算例,分析了桩周土和桩芯土的横观各向同性力学参数对桩顶扭转复刚度及速度导纳的影响。     

考虑基坑开挖影响的群桩基础竖向承载性状数值分析

对土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,用接触面单元模拟桩-土相互作用,利用ABAQUS建立桩筏基础--地基--基坑开挖三维有限元分析模型。对基坑开挖影响下的群桩基础竖向承载性状进行了分析,讨论了桩顶反力分布、桩身轴力、桩侧摩阻力以及开挖引起的桩身水平位移及其弯矩的变化规律,并进行了考虑基坑开挖与不考虑基坑开挖的群桩基础竖向承载性状的对比分析。通过研究,取得了基坑开挖对高层建筑桩筏基础影响的基本认识,这些认识对于改进桩筏基础设计理论有一定的参考意义。