上拔荷载作用下桩—桶基础结构受力数值分析

作     者：李小强 

作者单位：上海海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘文白

授予年度：2007年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：上拔荷载 桩-桶基础 结构应力 模型试验 数值模拟 尺寸效应 

摘      要：地球表面面积的70.8%是海洋,海洋蕴藏着丰富的石油、天然气以及其它矿产资源,能为人类提供大量的生存资源。科学技术的发展,使人们能够有机会从陆地向海岸,甚至向远海、深海进军,开采海洋资源,以满足人类不断增长的生存和生活需要。 在进行海洋开发的过程中,首先面临的是海洋建筑物的建造,而一切建筑物都要建立在合适的基础之上。本文所研究之桩-桶基础是一种新型的海洋工程基础,目前正处于理论研究和试验分析阶段,本文主要研究的是桩-桶基础在上拔荷载作用下结构的力学响应,首先采用室内模型试验进行分析,接着运用ABAQUS有限元数值模拟进行分析,进行对比分析后对桩-桶基础的结构尺寸效应进行分析。 首先分析了本课题研究的脉络,从桩基础工作性能、桶型基础工作性能及桩-桶基础上拔时地基土体的受力特性这些已有科研成果出发,寻求本文研究的着入点。 然后设计了测量上拔荷载作用下的桩-桶基础的结构变形的试验装置和试验流程,对试验原理进行介绍,对试验结果数据进行整理和分析。通过分析可知随着上拔荷载的增加,桩-桶基础结构应力及变形随之增加,上拔荷载达到极限时,基础应力及变形也达到最大;土体破坏后,桩-桶结构各部分的受力趋于稳定;桶结构和桩结构从上到下,所受应力逐渐减小;桶顶结构在上拔过程中体现固支梁的效果;桶顶远桩边缘和桶壁上部的连接属于固接;上拔过程中,桶底和桩底会出现空腔,对桶底部结构和桩底部结构受力有减小的影响,对桶的减小影响比对桩的要小,由于空腔导致摩擦力减小,桶底结构应力较最大应力减小8.6%;桩底结构应力较最大应力减小13.5%;桩和桶的结合部位在上拔过程中应力最大,达到3MPa左右,上拔荷载往下传递时在该处进行再分配;桶顶边缘处在上拔过程中应力也较大,达到3MPa左右,桩-桶基础上拔过程中,该处土体产生剪切破坏。 接着运用ABAQUS软件建立桩-桶基础的数值模型,并进行分析和后处理,通过对模型10个测点的应力曲线的分析,知道从第1级荷载步到第9级荷载步,主要由桩来抵抗上拔荷载的作用,桩体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的11.0%,桶体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的1.0%;第9级荷载步之后,主要由桶结构来抵抗上拔荷载的作用,桶体结构每荷载步的应力增长量增加为其最大应力值的10.0%,桩体结构每荷载步的应力增长量减小为其最大应力值的1.0%。桩-桶结构较单桩结构能增加抵抗上拔荷载的能力得到体现。 将数值模拟所得结论与室内模型试验所得结论进行对比分析,两者基本一致,这就验证了数值模拟方法的可行性。 然后运用ABAQUS软件分析不同尺寸的桩-桶基础在上拔荷载作用下的不同的受力特性,通过分析可知,达到破坏荷载时,地基土体的破坏曲线是倒锥形曲线,且曲线起始点不是从桩的端部开始,而是在桩端部以上桩土摩擦力最大处开始,经桶的底部,到地表面,形成倒锥形曲线,可推断,土体的破坏面为倒锥形曲面;在桶外侧和桩周围离基础轴心由近到远的过程中,土体应力出现二次曲线级的减小。在摩擦力达到最大时,离桶侧表面为0.5R（R=桶半径）处的应力较桶侧表面应力减小11.3%;桩底部离桩表面为3r（r=桩半径）处应力较桩侧表面应力减小19.5%;桶半径的变化对抗拔承载力影响最大,入土桩长的变化对抗拔承载力影响其次,桶壁高的变化对抗拔承载力影响最小;各尺寸结构在达到最大上拔位移时,地基土体的影响范围各不相同,影响土体横向范围的主要是桶的半径,其次是入土桩长,最后是桶壁高;影响土体纵向范围的主要是入土桩长,其次是桶壁高,最后是桶的半径。 最后对桩-桶基础进行初步设计,提出了桩-桶结构设计时的基本步骤。为了充分发挥桩-桶基础的桩和桶的组合作用,研究发现桶顶以下入土桩长与桶半径的比例关系为8;1时能将桩和桶的特点表现出来,桶半径与桶壁高度的比例关系为0.6;1时能将桶结构的特点表现出来;在桩和桶的结合部位加三角形肋梁,在桶角的内部做成圆倒角进行加强。 桩-桶基础在上拔荷载作用下的结构的力学分析对于理论分析及工程实践都有重要的作用。