竖向循环荷载下管桩承载特性试验研究与颗粒流模拟

摘要

预制管桩由于施工速度快、质量高、环境污染低、较为经济等优点，得到越来越广泛的应用。桩基已广泛应用于交通工程中，其在服役期间不仅要承受上部结构自重产生的恒载，还要长期承担具有明显周期性的竖向循环荷载作用，受力情况复杂。本文利用自行研制的室内大尺度竖向动载试验仪和颗粒流数值模拟软件，研究不同工况下管桩的动力响应，结论如下： （1）砂土中单桩沉桩试验研究表明，随着贯入深度的增加，敞口管桩贯入阻力逐渐增加，内、外侧摩阻力所占比例逐渐增加；沉桩过程中，桩周地表位移随着与桩体距离的增加而快速衰减；沉桩伊始，土塞高度的生成与桩体贯入深度相同，随着贯入深度的增加，土塞形成速度逐渐降低趋于闭塞。 （2）砂土中模型单桩动载试验研究表明，在循环荷载比0.1和0.2的动载作用下，桩周地表位移随着与桩体距离的增加而快速衰减，且振动幅度和频率越大，地表位移量越大；桩顶沉降先快后慢，总沉降量随循环荷载比、振动幅值和频率的增加而增加；随着循环周期的增加，桩体上部外侧摩阻力明显减小、中部外侧摩阻力明显上升，桩体下部内侧摩阻力减小，并在200次循环后逐渐平稳。 （3）砂土中室内静载试验结果表明，加载伊始，桩顶荷载主要由侧摩阻力承担，当荷载达到极限荷载约45%时桩端阻力逐渐发挥，开口管桩极限承载力约为闭口管桩的83%。颗粒流数值模拟表明，开口管桩极限承载力约为闭口管桩的85%，与室内静载试验所得结论相近。 （4）颗粒流模拟结果表明，动载作用下，桩周土体影响范围大致为桩径的5~8倍；桩体的竖向位移主要发生在循环初期，随着循环的进行位移量不断减小并趋于稳定，桩体总沉降量随循环荷载比的增加而增加；随着循环周期的增加，桩体上部外侧摩阻力明显减小、中部外侧摩阻力明显上升并在10次循环后逐渐平稳，桩体内部侧摩阻力无明显变化。 （5）黏土中单桩竖向动载试验结果表明，在循环荷载比0.5的动载作用下，桩体沉降速度先快后慢逐渐趋于稳定，总沉降量随着荷载频率的增加而增加；加载伊始桩身上、中部外侧摩阻力明显减小、下部外侧摩阻力明显增加，桩体下部内侧摩阻力明显减小，并在200次循环后逐渐平稳。

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摘 要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1土体的循环特性规律

1.2.2 竖向循环荷载作用下桩基模型试验研究

1.2.3 竖向循环荷载下桩-土作用理论研究

1.3课题的提出及意义

1.4本文的主要工作

1.4.1本文研究的主要内容

1.4.2文章结构及研究思路

第2章 大比例桩基竖向动力加载试验系统

2.1简介

2.2模型试验装置的研制

2.2.1 实验室大尺度模型试验装置的布置

2.2.2 模型箱装置

2.2.3 竖向加载装置

2.2.4 电控装置

2.2.5 数据采集装置

2.2.6 油压控制装置

2.2.7 土样制备

2.3试验材料

2.4双壁模型管桩

2.4.1 几何设计

2.4.2 光纤光栅应变传感器的安装

2.4.3 拉线位移传感器的安装和重锤的放置

2.4.4 YWD-100型传感器的安装

2.4.5 压力传感器的安装

2.5双壁开口管桩室内试验的技术路线

2.5.1 试验依据

2.5.2 试验技术方案

2.6本章小结

第3章 室内模型管桩沉桩及静动载试验分析

3.1沉桩试验过程

3.1.1 沉桩试验准备

3.1.2 试验数据处理

3.1.3 沉桩阻力

3.1.4 桩周土体位移变化

3.1.5 桩身轴力变化

3.1.6 桩身内、外侧摩阻力变化

3.1.7 土塞高度发展规律

3.2静载试验过程

3.2.1 静载试验准备

3.2.2 加载和测量

3.2.3 桩工作原理

3.2.4 桩顶位移变化

3.2.5 桩侧摩阻力变化

3.3动载试验过程

3.3.1 动载试验准备

3.3.2 加载和测量

3.3.3 桩周土体位移变化

3.3.4 桩顶累积沉降分析

3.3.5 竖向位移随竖向荷载的变化

3.3.6 桩侧压力变化

3.3.7 桩身轴力变化

3.3.8 桩身内、外侧摩阻力变化

3.4本章小结

第4章 颗粒流数值模拟与分析

4.1引言

4.2颗粒流数值模型的建立

4.2.1 土样的生成

4.2.2 桩体的生成

4.2.3 加载方法

4.2.4试验技术方案

4.3颗粒流数值模拟静载试验结果及分析

4.3.1 模拟静载过程

4.3.2 模拟静载试验结果分析

4.4 颗粒流数值模拟动载试验结果及分析

4.4.1模拟动载过程

4.4.2 桩周土体位移变化

4.4.3 桩顶累积沉降分析

4.4.4 竖向位移随竖向荷载的变化

4.4.5 桩侧压力变化

4.4.6 桩身内、外侧摩阻力变化

4.5本章小结

第5章黏土中竖向静动载试验分析

5.1试验土样

5.2试验过程

5.2.1 试验准备

5.2.2 试验加载和测量

5.3静载试验过程

5.4动载试验过程

5.4.1 桩顶累积沉降分析

5.4.2 桩身轴力变化

5.4.3 桩身内、外侧摩阻力变化

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

6.2.1 实验室大尺度模型试验装置的改进

6.2.2 双壁模型管桩试验优化

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢