井筒式地下连续墙桥梁基础变位与承载力研究

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井筒式地下连续墙是一种新型的桥梁基础形式,具有整体刚度大、承载力高和抗震能力强的优越性能;然其荷载传递机理复杂,承载性状不明确以及计算方法不成熟,制约了这种基础形式的发展应用。目前,水平变位主要采用八弹簧和四弹簧计算方法(分别针对刚性和弹性井筒式地下连续墙);竖向沉降主要采用荷载传递法;这些计算方法均基于Winkler地基模型,将墙侧土体视为弹簧。Winkler弹簧模型简洁方便,但具有很强的经验性,不能揭示土体的连续性、基础尺寸效应以及地基横观各向同性特性的影响。此外,针对井筒式地下连续墙基础动力响应的理论计算方法以及组合荷载作用下地基承载力的研究尚未见报道。因此,本文基于改进Vlasov地基模型,提出了矩形截面井筒式地下连续墙基础水平和竖向受荷响应的计算方法,提示了水平和竖向土抗力的产生机理;建立了组合荷载作用下地基承载力包络面,可判定其在荷载空间内的稳定性。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)基于改进Vlasov地基模型,建立了井筒式地下连续墙基础水平受荷响应半解析解。根据水平静荷载作用下矩形截面井筒式地下连续墙-土体系的相互作用,基于墙土位移协调特性,将墙土视为完全接触的连续体,提出了墙土体系的水平位移模式。基于铁木辛柯梁模型和水平位移模式,分别建立了各向同性和横观各向同性地基中墙-土体势能泛函,根据最小势能原理得到了墙-土体系水平位移模式中未知函数的控制方程和边界条件。引入转换函数对地下连续墙水平位移函数和弯曲转角函数耦合控制方程进行解耦。建立了墙体的水平土抗力计算模型,阐释了水平土抗力的产生机理。引入迭代算法对地下连续墙水平位移函数和土体位移衰减函数进行解耦并求解。通过算例验证了计算理论和程序的正确性,并研究了各向同性地基中土芯、矩形截面尺寸、地下连续墙厚度以及横观各向同性地基性质对井筒式地下连续墙水平受荷响应的影响。(2)基于改进Vlasov地基模型,建立了井筒式地下连续墙基础竖向沉降半解析解。根据墙土位移协调特性,将墙与土视为完全接触的连续体,提出了墙-土体系的竖向沉降位移模式。基于竖向位移模式和“虚土桩”模型分别建立了各向同性和横观各向同性地基中井筒式地下连续墙和土体势能泛函,根据最小势能原理得到了竖向位移模式中未知函数的控制方程和边界条件。建立了墙体竖向侧阻力计算模型,阐释了竖向侧阻力产生机理。引入迭代算法对地连续墙竖向位移函数和土体位移衰减函数进行解耦并求解。研究了各向同性地基中土芯率、矩形截面尺寸及横观各向同性地基性质对竖向位移、轴力和侧阻力的影响。(3)基于改进Vlasov地基模型,建立了井筒式地下连续墙基础水平受荷动力响应的半解析解。根据水平动荷载作用下矩形截面井筒式地下连续墙-土体系的相互作用,提出了墙-土体系分离变量形式的动水平位移模式。基于铁木辛柯梁模型和水平位移模式分别建立了各向同性和横观各向同性粘弹性地基中墙-土体系的能量泛函,根据哈密尔顿变分原理得到了墙-土体系水平运动控制方程及边界条件。引入转换函数对地下连续墙水平位移函数和弯曲转角函数耦合控制方程进行解耦。建立了墙体水平动荷载作用下土抗力计算模型,阐释其产生机理。引入迭代算法对地连续墙水平位移函数和土体位移衰减函数进行解耦并求解。通过算例验证了计算理论和程序的正确性。研究了各向同性地基中井筒式地下连续墙厚度(土芯率)、截面尺寸以及横观各向同性地基性质对井筒式地下连续墙墙顶复刚度的影响。(4)基于改进Vlasov地基模型,建立了井筒式地下连续墙基础竖向受荷动力响应的半解析解。依据竖向动荷载作用下矩形截面井筒式地下连续墙土体系的相互作用,提出了墙-土体系分离变量形式的竖向位移模式。基于“虚土桩”模型和竖向位移模式分别建立了各向同性和横观各向同性粘弹性地基中墙-土体系的能量泛函,根据哈密尔顿变分原理得到了墙体、土柱和土体竖向运动控制方程和边界条件。建立了墙体竖向动侧阻力计算模型,阐释其产生机理。引入迭代算法对地连续墙竖向位移函数和土体位移衰减函数进行解耦并求解。通过算例验证了计算方法的正确性。研究了各向同性地基中土芯率、矩形截面尺寸、墙底土层模量和厚度以及横观各向同性地基性质对井筒式地下连续墙竖向墙顶复刚度的影响。(5)通过有限元模型固定位移比加载方法,建立了不同高宽比、墙土摩擦系数、竖向荷载比情况下的地基水平—弯矩(H-M)承载力包络线。将本文计算的浅基础承载力系数与文献结果对比验证了本文墙土接触模型建模的准确性。通过固定位移比加载方法(Probe test)得到了浅基础地基承载力包络线,并与文献经典包络线对比,验证了加载方法的正确性。分析了井筒式地下连续墙高宽比、墙土摩擦系数和竖向荷载比对包络线的影响。
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