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本文以基于连续介质力学的块体单元离散弹簧法为基础,以CDEM计算程序为平台,以简单物理模型实验及现场实验为手段,运用一维应力波理论及量纲分析,研究了打桩过程中PHC桩的破坏机理,探讨了桩锤系统参数、接桩效应及桩尖土体刚度对PHC桩破坏的影响。 块体单元离散弹簧法以连续介质力学的基本理论为基础,以8节点正六面体单元为离散对象,根据有限元的形函数理论及正六面体单元刚度矩阵的具体表达式,将正六面体单元离散成为一系列弹簧的集合,并推导了各弹簧弹簧力的计算公式,给出了各弹簧弹簧力分量的物理意义、对应的弹簧刚度及相关联的位移。在弹性部分的计算结果与传统的有限元计算结果一致的基础上,在弹簧中引入Mohr-Coulomb准则及拉伸破坏准则,进行弹簧破坏的判断,如果块体内的弹簧全部断裂,便将其视为散体。而后,通过相关算例验证了引入破坏准则后所得计算结果的合理性及准确性。
在研究桩锤系统对打桩过程中桩体破坏的影响时:首先通过简单的物理模型实验定性给出了桩锤系统中有无垫层对所产生的冲击载荷特性的影响;而后,通过桩锤系统材料参数的调查统计,对桩锤系统进行简化;在此基础上推导桩锤系统的计算公式,并对影响冲击载荷特性的各类桩锤系统的参数进行敏感性分析;最后,利用块体单元离散弹簧法进行数值分析,给出不同的桩锤系统参数对PHC桩破坏的影响。
在研究接桩效应对打桩过程中桩体破坏的影响时:首先对接桩效应进行力学的抽象及简化;而后通过工程现场测试及简单的物理模型实验观察接桩对应力波传播特性的影响;接着根据一维应力波理论,通过公式推导、量纲分析、数值模拟等方式,探讨了接桩处各参量与应力波传播规律的关系;最后通过数值模拟,分析了接桩作用下,主要参量与桩体破坏规律之间的对应关系。
在研究桩尖土体刚度对打桩过程中桩体破坏的影响时:首先根据一维应力波理论分析了桩尖支承条件对桩体破坏模式的影响;接着探讨了桩尖土体刚度不同的情况下,桩尖附近压应力峰值及桩体中部拉应力峰值的变化规律;而后分析了土体刚度不同时,桩体破坏模式的变化规律;最后对桩尖固定条件下,打桩时桩体破坏模式进行了现场实验,并通过离散弹簧法进行了数值模拟。