原创《大变形条件下单桩水平承载性状分析》：关于免费性状论文范文在这里免费下载与阅读,为您的性状相关论文写作提供资料。
摘 要：针对大变形条件下承受水平荷载的单桩基础,采用沿深度线性增加并能较好的反映上部土体抵抗侧向变形能力的地基反力系数,及简化的土体弹塑性本构关系,推导出桩身变形和内力的计算公式,并用FORTRAN语言编制了计算程序.算例表明：桩的水平位移和弯矩随水平力和力矩的增加而非线性增大；桩身位移随距离地面的距离的增加而减小,距地面的距离超过10倍桩径时桩身响应极小,可忽略不计；桩顶约束是桩身响应沿桩身分布的重要影响因素；随着桩周土体力学性质的改善,桩的最大位移和最大弯矩均明显减小.计算值和现场实测值吻合度很高,且比已有解计算结果更优,所得解及程序是可靠的.
关键词：
桩基础；幂级数解；地基反力法；水平荷载；屈服；弯距
中图分类号：TU473.1 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02006105
对于承受水平荷载的桩基础,许多学者做了大量研究[17].为了计算桩身响应,中国桩基规范[8]建议采用m法,并编制了相关表格.由土体沉积特点可知,土抵抗侧向变形的能力一般随深度的增加而增大.m法假定地基反力系数沿深度线性增加,近似体现了地基土体这一特点.实测及计算结果均表明,水平荷载桩的桩身位移一般上部较大,下部较小.m法假定地表处地基反力系数为零,对上部土体抵抗侧向变形的能力考虑不周,导致上部土体强度较高时,如为岩石或硬黏土等,计算结果和实测值相差较大[9].另外,该法为线弹性地基反力法的一种,只适用于地面处桩身位移小于10 mm的情况[10].当桩身位移较大时,如海洋工程中的桩基础[11],土体的非线性特性表现的非常明显,此时计算误差就较大.Matlock[12]和Reese等[13]基于实验结果提出py曲线法.该法通过量测桩身响应,总结出土反力和桩身位移的关系曲线,可以考虑土体变形的非线性和弹塑性,并在一定程度上考虑了土弹簧之间的相互作用,计算精度较高；但由于计算复杂,参数选取困难等原因,未能推广使用[14].Hsiung等[1516]通过简化py曲线,把地基土分为上部的塑性段和下部的弹性段,求得地基反力系数为常数且桩顶自由条件下桩身响应的解析解,常林越等[17]求得桩顶固定时的解,张磊等[18]求得考虑桩身轴力影响的解；Guo[1920]考虑了土弹簧之间的相互作用,求得桩身响应的解析解.然而,以上研究[1520]均假定地基反力系数为常数,一般适用于超固结黏土和密实砂土.对于正常固结土、欠固结土以及松砂,考虑地基反力系数沿深度的变化,对提高计算精度及研究桩土相互作用机理具有重要意义.
基于Poulos[21]的建议,考虑土体屈服,针对地基反力系数在地表处不为零并沿深度线性增加的情况,求得桩身响应的解,并用FORTRAN语言编制了计算程序.和现场实测值及Hsiung解[1516]的计算结果对比,还分析了一些因素对桩身响应的影响.
张 磊,等：大变形条件下单桩水平承载性状分析
1 控制方程及求解
1.1 方程的建立
水平承载单桩分析模型如图1所示,桩顶作用水平力Q0和力矩M0.上部土体由于桩身位移超过土体屈服位移而进入塑性流动状态,下部土体仍处于弹性状态[1517].塑性段桩长为H1,弹性段桩长为H2.采用的桩土相互作用分析模型如图2（a）所示,土反力和桩身位移的关系如图2（b）所示.塑性段土反力为
pu等于 k1（z′）bu* （1）
式中：b为桩的宽度；u*为土体屈服位移；k1（z′）等于m（z0+z′）,为地基反力系数,z0为地面处当量深度,m为比例系数.
由文献[12],黏土的屈服位移可取为
u*等于20εcb（2）
式中：εc为应变,根据土的状态取值,一般为0.005～0.02.由文献[13],砂土的屈服位移可取为
u*等于3b/80（3）
弹性段土反力和桩身水平位移成正比：
p等于k2（z）bu（4）
式中：u为桩身位移；k2（z）等于mz0+H1+z,为弹性段地基反力系数.
求得式（7）和式（9）后,桩顶未知的边界值可通过桩顶和桩底已知的边界值,以及桩的变形和内力在弹塑性分界点处的连续性求得,桩身任一点处的变形和内力也可通过式（7）和式（9）求得.弹塑性分界点的位置可由二分法求得.另外,还可采用二分法近似求得桩身剪切力为零的点,也即桩身弯矩的微分为零的点,再比较该点弯矩和桩顶弯矩以得到最大弯矩.
2 算例验证
基于所得解,采用计算机语言FORTRAN编制了计算程序.为了验证解及程序的可靠性,以下和现场实测值及Hsiung解[1516]的计算结果进行对比.Mohan等在1971年报道了一组水平荷载桩现场实测结果[22],桩身由钢管制成,桩长为5.25 m,桩径为10 cm,抗弯刚度EI等于313.6 kN·m2,桩顶和桩底的约束条件均为自由.地面至地面以下3.3 m范围内为砂土,其下为黏土.由于水平荷载桩的位移一般发生在桩身上部,土体屈服位移按砂土取值：u*等于 3.75 mm.本文解土体参数取值：m等于24.0 MN/m4,z0等于0.3 m；Hsiung解[1516]中地基反力系数：k等于15.8 MN/m3.桩顶施加水平力Q0 等于4.9 kN,力矩M0等于0 kN·m.桩的水平位移和弯矩沿桩身分布的实测值及计算值如图3所示.
图3可见,Hsiung解[1516]计算出的地面处桩身位移约比实测值大11.2%,计算出的桩身最大弯矩约比实测值小14.2%；而解计算出的地面处桩身位移只比实测值大2.0%,桩身最大弯矩比实测值小2.3%.
3 影响因素分析
另以某工程钢管桩为例分析,桩长为20 m,直径为0.61 m,抗弯刚度EI等于170.2 MN·m2；土体屈服位移u*等于1 cm,z0 等于 0.2 m,m等于40 MN/m4；桩底约束条件为自由.
性状论文参考资料：
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