V-T联合受荷桩承载特性理论分析与数值模拟研究

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桩基础因其承载力高、沉降小、抗震性能强及能较好地适应复杂工程环境等优点而得到广泛使用。近年来迅猛发展的海上钻井平台、跨海大桥和风力发电塔等基础设施建设,更是将桩基础特别是大直径单桩基础作为一种重要的基础形式。但由于此类海洋结构物所处受力环境的特殊性,如巨浪、飓风等偏心水平力产生的扭矩效应,导致其桩基础在承受竖向力V、水平力H和弯矩M的同时,还承受不可忽视的扭矩作用T。设计中如忽略这类扭矩荷载,将难以准确评价桩身承载力,导致设计偏于不安全甚至危及上部结构,合理的设计方法应该考虑V、H、M及T的不同组合作用。但鉴于问题的复杂性,本文重点针对V-T联合作用这一基础性载荷工况,基于已有研究基础,结合理论简化分析与数值模拟,探讨V-T联合作用下单桩基础的承载特性,主要工作如下:首先,针对单一竖向受荷桩和纯受扭桩,考虑地面处桩周土体剪切模量为非零值且随深度呈幂函数分布,计入桩-土接触面处的位移非协调性,视桩周土与桩身段分别为理想弹塑性体和弹性体,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,引入相应力和位移边界条件后导得了桩周土体达到不同受力状态下桩身的内力位移解答。并将其结果与已有研究成果进行了对比验证分析。其次,基于导得的单一竖向受荷桩与纯受扭桩解答,同时考虑不同加载顺序(V→T与T→V)的影响,推导出V-T联合作用下桩身的内力位移解答,并求得相应的桩身极限承载力。在此基础上,采用Mathcad编制了 V-T联合受荷桩内力位移计算程序,进而完成了参数分析,获得了桩身长径比L/D、桩土弹性模量比λ以及桩侧土体的剪切模量和极限侧阻力分布常数比n等参数对桩身承载变形特性的影响规律,并由此给出了不同加载顺序下的桩身承载力包络线。最后,基于ABAQUS建立了 V-T联合作用下的单桩基础承载力三维数值分析模型,经模型验证与对比分析,获得了不同载荷工况下桩身及桩周土体的应力与位移云图,由此探讨了 V-T联合受荷桩的承载变形机理,并进一步探讨了 V-T联合桩承载力的主要影响因素及其规律。
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