高承台樁基動力屈曲機理與穩定分析

《高承台樁基動力屈曲機理與穩定分析》是依託湖南大學，由鄒新軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高承台樁基動力屈曲機理與穩定分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒新軍
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

樁基礎因具有承載力高、沉降小等優點套用廣泛，但在跨河跨谷鐵路或公路大橋、高樁碼頭及海上石油鑽井平台等工程中，多採用高承台樁基。對於這類高承台樁基，因基樁自由長度較大，在靜力荷載（上部結構荷載及基礎本身自重等）和動力荷載（高速列車、汽車產生的衝擊與制動力，以及風力、波浪力或地震力等）同時作用下，可能產生屈曲破壞，其具有突發性且後果嚴重，如何分析樁基的動力特性特別是動力屈曲穩定性成為本學科新難題。為此，本研究擬從樁土動力相互作用大比例模型試驗入手，深入探討樁－土動力接觸特性與相互作用機理；在此基礎上，通過單樁與群樁的動力屈曲破壞對比試驗，探討樁身屈曲破壞機理與判定準則；然後，引入新型無單元法編程進行數值模擬試驗，討論樁端約束條件、幾何尺寸、參數共振、土抗力、阻尼力及荷載等對樁身動力壓屈穩定的影響規律，由此給出樁身穩定長度的計算方法，並結合模型試驗與理論分析結果相互驗證完善後加以推廣套用。

結題摘要

針對工程中常用高承台樁基可能存在的動力屈曲穩定問題，首先設計並完成了一組軸向簡諧循環荷載作用下的樁-土動力相互作用大比例模型試驗，通過埋設力與位移感測器及改變樁土試驗參數，獲得了不同組合邊界條件下的樁頂位移、動位移幅值、樁身軸力及樁底反力等動力回響的時程變化曲線，由此探討了樁－土動力接觸特性與屈曲穩定機理。然後，引入能量法和Hamilton原理，分別按m法和C法考慮樁側土抗力，建立出兩端鉸支、兩端固支及一端固支一端自由三種不同組合邊界條件時豎向簡諧荷載作用下的樁身動力穩定Mathieu方程，採用三角級數求解獲得了基樁發生參數共振時不穩定區域邊界的近似解，由此進行的參數分析給出了樁身長徑比、埋置率、樁頂自由長度、樁周土強度及樁頂動力荷載大小等參數對樁身動力穩定的影響規律（隨樁身長徑比的增加、埋置率的減小、自由長度的增加及樁周土強度的降低，樁身動力不穩定區域將增大，而固定荷載P0的影響則較小）。同時，鑒於工程中樁周土的非均勻性及樁端約束的不確定性，基於三維連續介質模型，綜合考慮樁端土的應力擴散效應和樁周土體的弱化效應，導出了高承台樁基樁頂的動力阻抗、位移及速度頻域函式，並經傅立葉逆變換和卷積定理，得到相應的時域回響半解析解。此外，引入具有波動特點的樁-土位移影響理論，經適當簡化，基於動力文克爾梁模型建立了動力荷載作用下樁-土相互作用的運動微分方程，並給出了基於動力相互作用因子的方程求解方法。最後，基於動力有限元軟體ANSYS/LS-DYNA和引入新型無單元伽遼金法，完成了高承台樁基的動力數值模擬分析，將數值分析結果與所獲得的理論簡化計算結果和模型試驗實測值進行了對比分析，驗證了理論解答與有限元分析的可行性，進而討論了樁身位移及內力的開展與分布規律，獲得了樁間距、樁土剛度比及樁長等參數對群樁基礎樁頂動位移的影響規律。在此基礎上，結合某特大橋的樁基設計問題，通過三維實體建模，完成了靜力與動力分析，並探討了不同地震加速度作用下群樁基礎的中樁與角樁的樁端豎向位移與樁頂水平位移分布規律，且考慮靜動荷載的共同作用，分析了樁-土-承台體系在不同地震波作用下的動力特性變化規律，獲得了動力荷載對群樁基礎位移幅值及失穩臨界荷載的影響規律，有助於進一步掌握高承台樁基的動力特性與屈曲穩定機理。