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深填斜坡中码头桩顶位移研究

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2021/5/25 10:37:13  

摘要:当前国外学者已经进行了较多的桩基研究,并发表较多研究结论。现阶段,针对桩基结构的研究方式主要是计算分析方法,在进行计算分析中,主要使用荷载传递法、剪切变形法、极限地基反力法、地基反力法、弹性理论法等[1,2,3]。其中,地基加权高度概念的提出是在针对荷载受力桩与其自身内力的研究中由赵明华[4]教授提出的,对于当前的研究有一定的推进作用。此外,邹春华[5]针对传统弹性理论中出现的桩基没有嵌入到地基中的问题进行研究之后,提出了使用侧负摩阻力的非线性解析数学模型解决该问题;在进行桩基与土的受力作用研究中,武军[7]教授通过对有限个数值模拟和模型测试进行对比之后,发现了桩基与土之间受力的基本关系。在文章的研究中,通过结合实际工程施工,使用有限元的研究方式进行深填斜坡中桩基受力分析,并尝试发现其中规律,为后续的工程建设提供理论依据。

关键词:深填斜坡; 模型试验; ANAYS; 桩身位移;

在当前航运技术不断发展的今天,长江游已经初步建成了较多的架空直立式码头。该码头通过引桥与陆地相连接。在进行连接的过程中,由于河岸线的限制以及当地的地址条件等原因,需要对当前岸线上的部分区域进行回填。在回填中,由于在进行内河码头建设过程中采用了嵌岩桩基作为基础结构,回填岸坡体自身产生的侧向变形力以及水平推力会引起码头挥着引桥出现较大的形变。当前的桩基在受到竖直方向的的压力作用时会出现轴向变形,引起桩基周围出现摩擦力不均匀现象,造成码头平台和引桥部分出现不同程度的下降。由于上述两种现象会同时存在,因此对于桩基的压力以及影响会更加严重,最终引起其上部结构出现较大的位移并受到严重破坏,使得码头或者引桥不能够进行正常工作。

当前国外学者已经进行了较多的桩基研究,并发表较多研究结论。现阶段,针对桩基结构的研究方式主要是计算分析方法,在进行计算分析中,主要使用荷载传递法、剪切变形法、极限地基反力法、地基反力法、弹性理论法等[1,2,3]。其中,地基加权高度概念的提出是在针对荷载受力桩与其自身内力的研究中由赵明华[4]教授提出的,对于当前的研究有一定的推进作用。此外,邹春华[5]针对传统弹性理论中出现的桩基没有嵌入到地基中的问题进行研究之后,提出了使用侧负摩阻力的非线性解析数学模型解决该问题;在进行桩基与土的受力作用研究中,武军[7]教授通过对有限个数值模拟和模型测试进行对比之后,发现了桩基与土之间受力的基本关系。在文章的研究中,通过结合实际工程施工,使用有限元的研究方式进行深填斜坡中桩基受力分析,并尝试发现其中规律,为后续的工程建设提供理论依据。

1 模型试验

本实验使用的是重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心的港工地基模型试验系统,在进行深填斜坡桩基受力实验中,通过建立较多的实际模型进行实验操作并得到实验数据。实验中,模型的桩长为1 m,直径为10 cm,悬臂长度为20 cm。使用的混凝土桩基强度为C30,岸坡模型的倾斜度为33度,模型的长宽高依次为2.3 m、1.35 m、1.4 m。实验中使用沙泥混合料进行填充并压实,材料参数如表1所示。

进行实验的装置如图一所示,加载过程根据等级不同进行划分,逐级递增。每次增加预估荷载水平的10%,即每次增加100 N。本次实验总共进行15级加载,初步荷为200 N。加载装置如图2所示。

表1 材料参数

图1 模型试验装置

图2 水平加载装置

图3 模型试验桩顶荷载-位移曲线

对提取的桩顶水平位移数据进行处理,得出砂泥岩混合料地基桩水平承载特性试验结果,桩身p-y曲线如图3所示。

2 ANSYS模型验证

根据当前使用模型的尺寸和参数,使用ANSYS进行模型的建立。使用实验工具对模型桩基增加荷载,计算在不同荷载之下桩基顶部的位移量并进行曲线的绘制。之后,将有限元模型计算得到的数据与实验收集到的数据进行对比,验证当前理论中有限元模型建模、单元选择,网格划分、材料参数选择、边界条件设定、施加荷载的正确性。

图4 模型立面图

当前实验模型中,斜坡土体长宽高分别为2.4 m、1.3 m、1.4 m。土坡倾斜程度为33,桩基长度为1m,直径0.1 m。自上而下的悬臂长度分别为20 cm、30 cm、40 cm。本实验中,桩基在y方向的间距为60cm,x方向为70 cm。总共设置6根桩基,分别如图4、图5所示。

回填斜坡中桩基全结构实体数值分析模型,应用Solid95单元模拟桩土结构。桩土之间接触采用面—面接触,面—面接触常采用的接触单元包括

图5 模型平面图

contact173、contact174单元,模型尺寸与试验模型相一致,在进行计算精度的提升中,使用六面体进行网格划分。在模型底部,需要对所有自由度进行约束,其中前后平面进行y方向的约束,两侧平面进行x方向的约束。重力荷载增加中,需要根据加载方式进对于当前模型进行分布求解,屈服准则使用Mohr-Coulomb,在不同的水平荷载中进行桩基水平位移的计算。材料参数如表一所示。

根据试验加载方案对1#模型桩分步施加Y方向集中荷载,其他5根桩不施加集中荷载,使用牛顿-拉普森平衡迭代求解,初始荷载0.1 KN,每级荷载增加0.1 KN,终止荷载1.5 KN,打开大变形,有限元模型位移云图如图6、图7所示。

图6 有限元模型水平方向位移云图

图7 有限元模型竖向位移云图

对模型试验桩分步施加水平荷载,在不同荷载下分别对模型进行计算,提取有限元模型桩顶位移,有限元模型桩顶位移荷载曲线如图8所示。

通过实验数据与物理模型数据比较发现,物理模型结果与实际实验结果数据基本一致,两者数值差异在10%之内,没有显著差异性。其中,出现的差异部分原因可能为在实验中,荷载卸除之后桩基不能够进行完全恢复而出现数据与模型数据的部分不一致现象。整体来看,依据模型试验建立的ANSYS有限元分析模型满足分析要求。

图8 有限元计算桩顶荷载-位移曲线

参考文献

[1] 吕跃征.建筑结构设计中桩基设计浅析[J].居舍,2020,40(6):89.

[2] 刘欢.高桩码头结构设计与桩基内力分析[D].大连:大连理工大学,2018.

[3] 田堃,朱杰江.基于SAP2000考虑上部结构与基础共同作用的桩基沉降计算研究[J].结构工程师,2015,31(1):99-104.

[4] 赵明华.倾斜荷载下基桩的受力研究[D].长沙:湖南大学,2001.

[5] 邹春华.单桩计算的弹性理论法及其改进[D].成都:西南交通大学,2007.

[6] 袁灯平,黄宏伟,马金荣.软土地基桩侧表面负摩阻力解析模型[J].上海交通大学学报,2005,50(5):731-735,741.

[7] 武军.边坡稳定分析及加固方法研究[J].山西建筑,2010,36(3):112-113

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