【摘 要】
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桩基础具有承载能力强、沉降量均匀、施工方便及普适性强等众多优点,广泛应用于各种工程实践,如高层建筑、高速铁路、桥梁工程、厂房动力基础设计和建筑抗震设计等。竖向荷载下桩的承载特性作为桩基础设计的重要控制指标,一直受到广泛关注,已取得大量研究成果。研究竖向动、静荷载作用下摩擦桩的桩-土相互作用关系,不仅能加深对摩擦单桩承载特性的客观认识,还可为工程实践和设计提供理论指导,具有重要的研究价值和现实意义。
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桩基础具有承载能力强、沉降量均匀、施工方便及普适性强等众多优点,广泛应用于各种工程实践,如高层建筑、高速铁路、桥梁工程、厂房动力基础设计和建筑抗震设计等。竖向荷载下桩的承载特性作为桩基础设计的重要控制指标,一直受到广泛关注,已取得大量研究成果。研究竖向动、静荷载作用下摩擦桩的桩-土相互作用关系,不仅能加深对摩擦单桩承载特性的客观认识,还可为工程实践和设计提供理论指导,具有重要的研究价值和现实意义。在广泛的文献调研基础上,本文针对层状地基中摩擦单桩的竖向承载特性,建立了薄环层元法计算模型。本文主要研究内容和取得的成果如下:(1)针对竖向静荷载作用下层状地基中摩擦桩的位移和荷载传递问题,本文提出一种薄环层元模型,建立了对应的半解析半数值计算方法。基于虚土桩理论,首先提出了薄环层元法,并对桩-土系统进行了单元划分。然后通过虚位移原理,求得了薄环单元和桩单元的单元矩阵方程,并根据单元间平衡关系建立了整体刚度矩阵。最后根据桩土间协调关系,确定了桩-土系统的位移场。本文模型计算结果与现有方法及工程实例数据吻合良好,验证了本文模型的正确性。基于该模型,本文对静力作用下层状地基中摩擦桩的承载特性进行了分析和研究。参数分析结果表明:静力荷载作用下的三层地基中摩擦桩,中间土层模量越大,则桩侧分担荷载越多,桩顶刚度越大;摩擦桩桩端以下土体厚度越小,则桩端刚度越大。(2)考虑到桩基础在动力机器基础方面应用广泛,本文还应用薄环层元法分析了桩顶简谐荷载对摩擦桩承载特性的影响。首先根据薄环层元对桩-土系统进行单元划分,并运用Hamilton原理建立含惯性项的单元刚度矩阵。然后根据单元间协调条件及桩-土系统边界条件,构建并求解整体刚度矩阵,进而确定桩-土系统的位移场。最后,对层状地基中摩擦桩的竖向振动特性进行了无量纲参数分析,发现:动力竖向荷载下,层状地基中摩擦桩的桩顶复刚度与桩长径比关系紧密,长径比越大,高频荷载作用下的摩擦桩桩顶复刚度越大;动荷载频率超过截止频率后,桩侧摩阻力的作用随频率增高而增大。本文创新地提出了薄环层元法,可用于分析研究层状地基中摩擦桩的承载特性。该方法具有模型简单、参数概念明晰、计算效率高等优点,具有一定的工程应用价值。利用该模型,本文对摩擦桩桩端刚度进行了研究,讨论了按弹性半空间上刚性墩计算的不足。
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