（岩土工程专业论文）带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 复合地基能够较好地发挥地基土体和增强体两部分的承担荷载的潜能，进而提高地 基承载能力和减小地基沉降，使得工程实践获得良好的经济效益。然而工程界和学术界 对于复合地基计算理论和设计方法还不成熟，对于复合地基工作特性与机理认识方面还 有待深入。可见，复合地基工作性状的深入研究对于指导工程设计与实践具有深远的现 实指导意义和参考价值。本文研究工作结合复合地基研究状况，针对带垫层桩体复合地 基，采用数值计算方法手段，主要围绕以下两个方面展开： 1 基于a b a q u s 大型有限元平台，通过建立带垫层桩体复合地基弹塑性有限元数 值模型，采用基于m o l a r - c o u l o m b 破坏准则的理想弹塑性本构模型考虑地基土的弹塑性 性质，采用罚函数接触算法描述桩土界面接触特性，采用无限元边界模拟半空间地基 以避免静力边界效应，针对即定工况下带垫层桩体复合地基在加载过程中复合地基体系 中筏板、垫层、桩体所呈现的受力变形特征加以分析与讨论； 2 基于前述所建立的即定工况下带垫层桩体复合地基弹塑性有限元数值模型，通过 改变垫层刚度、筏板厚度和桩基刚度，针对带垫层桩体复合地基模型进行变参数化分析， 进一步探讨了复合地基体系中垫层、筏板及桩基三部分对整体受力变形特性的影响，从 而更全面和深入地揭示了复合地基体系的承载性能和工作机制。一 关键词：复合地基；垫层；桩；弹塑性；有限元法 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 e l a s t o p l a s t i cn u m e r i c a la n a l y s i so fw o r k i n g p e r f o r m a n c e o fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hp i l e sa n dc u s h i o n a b s 仃a c t d u et op o t e n t i a lo fs u b s o i la n dr e i n f o r c e m e n ts u f f i c i e n t l yd e v e l o p e d ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n c a r lm a k ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eb e n e f i tg o o de c o n o m i cr e t u r n sb yi n c r e a s i n gb e a r i n gc a p a c i t y a n dd e c r e a s i n gs e t t l e m e n to fs u b g r a d e h o w e v e r ，s of a rt h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r ya n dd e s i g n m e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sn o ts o u n da n ds o p h i s t i c a t e di ne n 百n e e r i n ga n da c a d e m i c d o m a i n ，a n di t sw o r k i n gp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s mn e e d sm o r ei n t e n s i v es t u d y t h e r e f o r e ， i tm a yp r o v i d ev a l u a b l ea n dr e f e r a b l ee x p e r i e n c ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dd e s i g nt o e x t e n dr e l a t e dr e s e a r c ho n l o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a l f o r c e sa n dd e f o r m a t i o no f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n o nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c h ，a n a l y s e so fw o r k i n gp e r f o r m a n c e o f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hp i l e sa n dc u s h i o nra r ec o n d u c t e da r o u n dt w of a c e s 豁f o l l o w sb y n u m e r i c a lm e t h o di nt h i sp a p e ： 1o nt h eb a s i so fa b a q u sp r o g r a m s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lf o r c e sa n d d e f o r m a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gr a f t ，c u s h i o na n dp i l e sd u r i n gl o a d i n g s t a g e s a r ea n a l y z e db yd e v e l o p i n ge l a s t o - p l a s t i cf em o d e li np l a n es t r e s ss t a t e ，a d o p t i n g m o h r - c o u l o m by i e l dc r i t e r i o nt od e s c r i b et h ee l a s o - p l a s t i c i t yo fs u b s o i la n dc o u l o m bc o n t a c t p a i rt h e o r yt os i m u l a t et h ec o n t a c tb e h a v i o ro ff o u n d a t i o na n ds o i l ，a sw e l la su s i n gi n f i n i t e e l e m e n ti nm o d e lb o u n d a r yt oa v o i ds t a t i cb o u n d a r ye f f e c t 2b a s e do nt h ee l a s t o - p l a s t i cn u m e r i c a lm o d e lo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hp i l e sa n d c u s h i o nu s e da b o v e ，p a r a m e t c r i z e dc o m p a r a t i v ea n a l y s e sa r ec o n d u c t e db yc h a n g i n g c o m p u t a t i o n a lp a r a m e t e r sr e l a t e dt or a f tt h i c k n e s s ，c u s h i o ns t i f f n e s sa n dp i l e ss t i f f n e s s t h e n t h ee f f e c t so fr a f t ，c u s h i o na n dp i l e so nt h ew h o l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns y s t e ma r ef u r t h e r d i s c u s s e d ，w h i c hc a nm o r ei n t e n s i v e l yd i s p l a yt h em e c h a n i s mo ft h eb e a r i n gc a p a c i t ya n d w o r k i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c u s h i o n ：p i l e ；e l a s t o - p l a s t i c i t y ；f e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：加日期：丝! 兰：! 兰! ! p 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：锄 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 我国软土地基类别多，分布广，自改革开放以来土木工程建设规模大，发展快。我 国又是发展中国家，建设资金短缺。如何在保证工程质量前提下，节省工程投资显得十 分重要。复合地基技术能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担建( 构) 筑物荷载 的潜能，因此具有比较经济的特点。复合地基技术近年来在我国得到重视、发展是与我 国工程建设对它的需求是分不开的。目前，复合地基较多应用于多层建筑以及高层建筑 的基础、路堤、大面积堆场基础、油罐基础、港口码头地基处理等工程建设当中。复合 地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c o m p o s i t es u b g r a d e ，c o m p o s i t eg r o u n d ) 这个概念最早是在 2 0 世纪6 0 年代提出的。随着地基处理技术的不断发展和复合地基技术在土木工程建设 中的推广，各种型式的复合地基在工程实践中得到广泛的应用。相应地，复合地基概念 也得到了很大扩展。目前我国应用的复合地基类型主要有：由多种施工方法形成的各类 砂石桩体复合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩、灰土桩复合地基、 钢筋混凝土桩复合地基、加筋土地基等。复合地基技术的推广应用产生了良好的社会效 益和经济效益。现在，复合地基一般指天然地基的一部分，或全部被人工置换或加强， 加强体与原有地基共同承担外部荷载作用的人工地基【l 】。龚晓南【2 1 ( 1 9 9 2 ，2 0 0 2 ) 对复合 地基进行较全面和准确的定义，认为复合地基是在地基处理过程中，部分土体得到增强 或被置换，或在地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两个部分组成的人工地 基；在荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载作用。在地基基础理论分析中复合地基 概念的引入是一个巨大的进步，复合地基理论研究的发展亦很大程度上促进了地基处理 技术的发展。随着基础建设规模的不断扩大，复合地基应用在理论和实践上均已取得了 相当程度的成果，但是由于目前的复合地基研究还远远不能满足工程实践的需要，仍然 存在大量问题有待解决。特别是对于复合地基工作特性与机理认识方面，理论研究还不 完善和成熟，设计方法还偏于保守，这就造成了人力和物力资源的浪费，甚至产生一些 不合理的情况。可见，复合地基工作性状的深入研究对于指导工程设计与实践具有深入 的现实指导意义和参考价值。近年来，随着计算理论不断的发展、大型计算机的出现以 及微型计算机的普及，为复合地基分析提供了强有力的计算手段和条件，使更加深入和 全面地认识复合地基工作性状成为可能。 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 1 2 复合地基的分类与特点 啪籀黔 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基承载能力的要求时，需要进行地基处理， 形成人工地基，以保证建筑物的安全与正常使用。地基处理的方法很多，按照地基的加 固原理分类，主要有下述六大类：置换、排水固结、振密、挤密、灌入固化物，以及冷、 热处理等。经过处理形成的人工地基大致上可分为三类：均质地基、多层地基和复合地 基。人工地基中的均质地基是指天然地基在地基处理过程中加固区土体性质得到全面改 良，加固区土体物理力学性质基本上是相同的，加固区的范围，无论是平面位置与深度， 与荷载作用对应的地基持力层或压缩范围相比较都满足一定要求。人工地基中的双层地 基是指天然地基经地基处理形成的均质加固区的厚度与荷载作用面积或者与相应持力 层和压缩层厚度相比较为较小时，在荷载作用影响区内，地基由两层或多层性质相差较 大的土体组成睁引。不同地，复合地基的加固区是由基体( 天然地基土体或被改良后的 天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承 担荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体 复合地基，如图1 1 所示。 体 ( a ) 水平增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图1 1 复合地基的分类 f i g 1 1t y p e so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 竖向增强体习惯上称为桩、有时也称为柱。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合 地基。目前在工程中应用的竖向增强体有碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩、灰土桩、 钢筋混凝土桩等。根据竖向增强体的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复 合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基如：碎石桩复合地基、 砂桩复合地基等。散体材料桩只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，桩体材料本 身单独不能形成桩体。对应于散体材料桩，柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料桩。视桩 大连理工大学硕士学位论文 体刚度不同将粘结材料桩分为柔性桩和刚性桩两种。也有人将其称为半刚性桩和刚性 桩。柔性桩复合地基如水泥土桩复合地基、灰土桩复合地基等。刚性桩复合地基如钢筋 混凝土桩复合地基，低强度混凝土桩复合地基等。严格地讲，应采用桩土相对刚度来描 述【9 , 1 0 】。 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。随着土工合成材料的发展，加筋土地基 应用越来越多。加筋材料主要是土工织物和土工格栅等。复合地基中增强体方向不同， 复合地基性状不同。桩体复合地基中，桩体是由散体材料组成，还是由粘结材料组成， 以及粘结材料桩的刚度大小，都将影响复合地基荷载传递性状。根据复合地基工作机理 分类如图1 2 所示。 图1 2 复合地基的分类框图 f i g i 2 b l o c kd i a g r a mo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 若不考虑水平向增强体复合地基，则竖向增强体复合地基可称为桩体复合地基或简 称为复合地基。桩体复合地基有两个基本特点： ( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质各向异性的； ( 2 ) 在荷载作用下基体和增强体共同承担荷载。 第一个特点使复合地基区别于均质地基，第二个特点使复合地基区别于桩基础。桩 基础中土不承担荷载( 高桩基础) 或只承受极小部分荷载( 低桩基础) ，土体处于弹性 变形阶段，而复合地基中桩和土共同承担荷载，土体承担较大的荷载，使得部分土体在 工作荷载阶段达到非线性变形或塑性变形阶段，这就使得复合地基和桩基础的计算方法 不同，从荷载传递机理看，复合地基介于非均质地基和桩基础之间。 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑l 生数值分析 组成复合地基中增强体的材料不同，施工方法不同，复合地基的效用不同。综合各 类复合地基的效用，主要有五个方面：一桩体效用；二垫层效用；三排水效用；四挤密 效用；五加筋效用。每种复合地基具备其中一种或几种效用。各种复合地基中的效用都 是为了提高地基承载力，改善地基的变形特性，减小在荷载作用下可能发生的沉降和不 均匀沉降，有时还为了改善地基的抗震性能。并且复合地基技术较充分地发挥了桩间土 的承载能力，有效地节省了工程造价。选用合理的增强材料，如二灰混凝土桩复合地基 技术，合理利用工业废料，能解决环境污染问题。合理地选用和使用复合地基技术具有 较大的生命力，日益受到重视，并得到愈来愈多的应用。 1 3 复合地基研究现状与方法 1 3 1 复合地基研究现状 。朱小友等【1 1 1 ( 1 9 9 0 ) 通过采用水泥粉喷桩成功补强原基础的实践，提出这种二元组合 桩基作为桩基补救处理措施可行性。 郭培红旧( 1 9 9 9 ) ：乖u 用原有沉管灌注桩，通过水泥搅拌桩加固的方法，解决了旧房拆 除后原旧桩基上新建房屋的基础设计问题。 吴建华等t 1 3 1 ( 1 9 9 9 ) 提出了刚性桩和柔性桩共同组合的复合地基承载力标准值的计 算公式，并通过静荷载试验方法来确定公式系数。 刘吉福等( 1 9 9 0 ) 根据一个由沉管灌注桩、深层搅拌桩和褥垫层组成的复合地基工 程实例，指出褥垫层在复合地基中的重要作用。 a l a m g i r 等【1 3 1 ( 1 9 9 6 ) 等在分析柔性基础下端承桩复合地基时，假定桩和桩间土均为 线弹性体，通过选择合适的典型单元体变形模式，利用典型单元体侧面零剪应力和桩土 界面位移协调条件，通过各桩、桩间土单元的平衡分析给出了柔性基础下端承桩复合地 基中桩和桩周土的附加应力和沉降计算的解析方法。 郭红梅等( 2 0 0 0 ) 结合工程实例介绍了利用夯实水泥土桩与高压灌注桩组合进行 地基处理，认为通过合理布桩，并设置砂石褥垫层来协调两种桩及桩间土受力与变形的 组合型复合地基是可行的。 戴浩等【1 7 1 ( 2 0 0 0 ) 认为尽管刚一柔性桩复合地基技术还不够成熟，但对于土层多样性 而言，特别是房屋的增层改造中对原有地基基础的进一步加固处理方面应用前景较好。 大连理工大学硕士学位论文 应永法等f 】町( 2 0 0 0 ) 针对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基各自的缺点，构想出复合 桩地基，并认为该复合桩地基设计可按常规刚性桩基础进行，在此基础上提出了承载力 和变形的计算公式，但该强度公式未考虑变形协调的问题，变形公式按刚性桩和柔性桩 各自承担的荷载比例分配沉降。 ： 马骥【l 叨( 2 0 0 1 ) 阐述了长短桩复合地基的设计思想，介绍了长短桩复合地基承载和变 形的计算方法，并对设计中有关设计参数进行了分析。 郭志强【2 0 】( 2 0 0 3 ) 通过一个由夯实水泥土桩和c f g 桩构成的组合桩型复合地基工程 实例，说明采用组合桩型复合地基既可消除地基土层的湿陷性，又能获得较高的承载力。 巨玉文等叫( 2 0 0 3 ) 结合工程实例针对石灰搅拌桩和c f g 桩复合地基进行了室内试 验、现场载荷试验及非线性有限元分析，探讨了柔性桩复合地基和半刚性桩复合地基受 力、变形性能的不同所在，指出桩体刚度的变化是影响复合地基承载特性的重要因素， 进而提出了区分这两类复合地基的大致界限范围。 徐新跃【捌( 2 0 0 3 ) 提出刚柔组合桩复合地基及其复合模量的基本概念、承载力及复合 模量的计算方法和检测方法。 周德泉等渊( 2 0 0 4 ) 为组合桩型复合地基在具体工程中要结合基础类型、荷载大小、 场地地质条件和环保要求，合理选择褥垫层和桩体材料、施工工艺、尺寸和布局，使设 计的地基基础满足强度、变形和稳定性要求。 石旭光 2 4 1 ( 2 0 0 1 ) 禾u 用a l g o r 有限元分析程序对由一根刚性桩和四根柔性桩构成的 刚一柔性桩复合地基承载和变形进行了分析。 张忠苗等【2 5 】( 2 0 0 2 ) 对由两根刚性桩和两根柔性桩构成的刚一柔性桩复合地基进行 有限元分析，并结合工程实例对刚性桩、柔性桩以及注浆加固后桩间土组合复合地基进 行研究，得出注浆后刚一柔性桩复合地基承载力提高显著，沉降量明显减少的结论。 王经雨( 2 0 0 2 ) 对混凝土桩、碎石桩、土构成的复合地基进行三维弹塑眭分析，研 究其受力变形特性。 杨军龙【2 7 1 ( 2 0 0 2 ) 探讨了长短桩复合地基沉降计算模式，建立了复合地基沉降计算简 化公式。 葛忻声【2 8 1 ( 2 0 0 2 ) 利用有限元对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和天然地 基的情况进行了应力、变形的对比分析，认为长短桩复合地基在有效减小建筑物沉降量 的同时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀。 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 张世民【2 明( 2 0 0 4 ) 参照复合桩基沉降计算方法，提出了刚一柔性桩复合地基沉降计算 的简化办法，即在修正应力法的基础上，假定刚性桩实际承载力达到极限承载力极限值 来计算沉降。 刘杰等【3 叼( 2 0 0 7 ) 探讨了碎石桩复合地基的承载力、加固区压缩量与桩周土塑性区 展开半径的关系，在基于碎石桩与桩周土的竖向位移相等、侧向变形协调与连续的条件 下，利用弹塑性理论对碎石桩复合地基的承载及变形性状进行了分析研究，推导出了作 用在复合地基上的荷载、碎石桩所分担的荷载及加固区压缩量与桩周土塑性区半径的关 系的系列解析算式。 郑刚等【3 1 1 ( 2 0 0 6 ) 对刚性桩复合地基褥垫层的工作机理进行了分析，并据此设计了 桩竖向刚度很大的刚性桩复合地基模型试验，进行了桩顶进入不同厚度褥垫层的复合地 基试验，- 研究了刚性桩复合地基褥垫层在竖直荷载作用下的工作性状。 倪光乐等嘲和苏克之等【3 3 】( 2 0 0 6 ) 针对目前刚性桩复合地基现行设计方法的不足， 根据刚性桩复合地基桩土的荷载分担情况，提出一种既考虑力的平衡、又考虑变形协调 的刚性桩复合地基设计新方法。同时通过对广东不同地区不同类型刚性桩复合地基进行 压板和原型测试，获得了桩土应力变化规律。这对刚性桩复合地基设计有一定的参考意 义。 楼晓明掣3 4 1 ( 2 0 0 6 ) 提出了用迭代法分析带垫层刚性桩复合地基荷载传递特性计算 方法。将大规模群桩复合地基中的任意一根桩及其周围的桩间土看作一个存在相互作用 力的柱杆系统，单个柱杆用荷载传递法分析，柱杆之间的相互影响用迭代法分析，讨论 了桩土应力比随垫层厚度、垫层模量、桩间距和桩间土模量等因素的变化规律。 s t e w a r t 等【3 5 1 ( 2 0 0 4 ) 以某工程为背景，采用对试验段采取现场测试和数值分析的方 法，对复合地基性状进行了研究，分析了桩体模量和强度、土体模量、置换率对桩土应 力比和地基土体侧向位移的影响。 h i r o s h i 等【3 6 】( 2 0 0 4 ) 针对悬桩和端承桩二种情况，分别提出了路堤荷载下低置换率水 泥搅拌桩复合地基设计计算方法。其中对于悬桩情况，仍采用刚性基础下复合地基的复 合模量法；对于端承桩情况，则根据模型试验结果提出假设的桩顶和桩间土荷载分担比 例，然后再分别计算桩顶沉降和桩间土沉降。并通过数值分析和工程实践对该方法进行 了对比验证。 大连理工大学硕士学位论文 朱世哲等【3 7 1 ( 2 0 0 4 ) 研究了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算方法，同时 考虑了桩顶刺入垫层和桩端刺入下卧层的情况，并分别假设了垫层为理想弹性体和理想 弹塑性体两种情况进行讨论，随后对计算公式进行了分析，从理论上分别论证了各种因 素对桩土应力比的影响。 陈龙珠等【3 习( 2 0 0 4 ) 提出用柔性短桩处理浅层软弱土、刚性长桩控制沉降、褥垫层 调整和改善桩土应力分担比的带褥垫层刚柔性桩复合地基形式。通过进行现场实测数 据表明，在垫层的作用下，桩土荷载分担在加载初期的弹性阶段近似按各自的相对刚度 分配，随着上部荷载的增加，浅层地基土和柔性桩逐渐进人非线性状态，新增荷载主要 由刚性桩来承担。 s t e w a r t 等【”】等( 2 0 0 5 ) 对桩承式路堤的土拱效应以及土拱比的计算方法进行了归纳 总结，指出上述方法均未考虑桩间土的压缩性，并采用数值方法分析了桩间土压缩性对 土拱比的影响。 朱奎掣4 0 ，4 1 1 ( 2 0 0 6 ) 研究了带褥垫层刚一柔性桩复合地基这种新型复合地基桩土共同 作用特征，采用刚柔性复合地基的工程开展静荷载试验研究。分析了复合地基q s 曲 线呈缓变形，承压板底土反力分布呈现出中部大边缘小的形态以及土应力在桩端平面出 现应力增大现象。 刘冬林等【4 2 1 ( 2 0 0 7 ) 针对高层建筑筏板荷载分布特点，采用内密外疏布桩和仅在筏板 中心布桩方式，通过现场模型试验完成了带上部结构无桩筏板和刚性桩复合地基筏板静 载荷试验。分析了筏板沉降、桩端平面以下地基沉降和筏板外侧地面沉降、筏板下桩土 反力分布、桩土荷载传递及桩土荷载分担比，研究了工作荷载下不同布桩方式降低筏板 差异沉降的效果。 仇亮等【4 习( 2 0 0 7 ) 以剪切位移法为基础，假定桩周摩阻力与桩一土相对位移之间为弹 塑性关系，推导了柔性基础下刚性桩复合地基的沉降计算公式，探讨了桩顶沉降、桩身 应力、桩周摩阻力、中性层等分布规律，并将中性层位置及桩端应力等计算结果与有限 元及差分计算结果比较，得到了相一致的结论，证明了所采用方法的正确性。 俞建霖等1 ( 2 0 0 7 ) 采用数值方法，考虑复合地基、垫层和基础之间的共同作用，对 柔性基础下刚性桩复合地基桩侧摩阻力、桩身轴向应力、桩端刺入变形等工作性状进行 了研究，讨论了基础弹性模量、基础高度、基础宽度、桩体弹性模量、置换率、土体弹 性模量等因素对复合地基工作性状的影响。 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑i 生数值分析 王兵掣4 5 1 ( 2 0 0 8 ) 通过现场静载荷试验，研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对夯 实水泥土单桩及多桩复合地基承载特性的影响，试验结果表明，随垫层厚度的增加，桩 身分担荷载的比例逐渐减小，而桩间土分担荷载的比例却逐渐增大，表现为桩土应力比 随垫层厚度增加而降低的特点。 吴慧明【蛔( 2 0 0 0 ) 利用a l g o r 有限元程序，对不同刚度基础下复合地基位移场和应 力场进行了初步分析。通过现场模拟试验和有限元分析发现，在基础刚度较小的情况下， 复合地基中桩和桩间土不再满足协调变形，对复合地基的承载力和沉降变形得出了一些 定性的观点，并对柔性基础下复合地基的设计进行了一定的探讨。 1 3 2 复合地基主要分析方法 ( 1 ) 平面应变分析法 这种方法对计算进行合理简化，很大程度上节约了工作量和计算消耗，使问题的处 理简化。龚晓南等【3 】采用平面有限元法对刚性桩、柔性桩及搅拌桩复合地基的不同情况 进行了计算分析，通过对复合地基的应力场、变形场、应力水平等特性的研究，得到一 些有益结论。 ( 2 ) 等效均质法 将整个加固区视为桩、土组成的均质各向异性的复合材料，通过恰当方式建立反映 复合地基整体特性的本构方程，采用半解析或数值方法求解。 ( 3 ) 三维有限元法 又称“群桩”问题分析法，是对加固区中的桩和土分别设置单元，能够模拟桩一土 上的相互作用，可以正确分析复合地基的承载机理。张爱军【l 】采用有限元一无限元三维 非线性分析程序对复合地基进行了研究。这种完全三维有限元方法精度较高，但是计算 消耗很大，甚至有时会由于计算量太大而求解困难。 ( 4 ) 双层地基法 将复合地基中加固区和未加固区土体材料视作性质不同的均质体，加固区模量用复 合模量来描述。未加固区视为一般的天然地基土，则由加固区和未加固区便组成了一个 “双层地基”计算模型。这种方法的关键是加固区复合土体的本构关系及复合模量如 的确定。若按线弹性分析，在桩土等应变条件下，复合压缩模量可以分别由材料力学和 弹性力学方法获得近似解( 1 1 ) 和精确解( 1 2 ) 式： 大连理工大学硕士学位论文 如= m e c + ( 1 一朋) e s ( 1 1 ) e c s = m e + ( 1 一所) 墨+ 刁4 ( v i e - v 面s ) k 瓦e x s 可g s ( 1 i - m 丽) m ( 1 2 ) 式中鼠。为复合地基复合压缩模量；鼠为复合地基中桩体的压缩模量；最为复合地基中 桩间土压缩模量；为复合地基中桩体泊松比；y 。为复合地基中桩间土泊松比；m 为面 积置换率：k c2 承再了5 哥j 霸5k s2 承i 了翩；g s 2 趸矗訇。 1 4 本文技术路线 见图1 3 所示。 l 变| 燮 i 数l i 分l 析i i l l 乞j ： 图1 3 论文中采用的技术路线 f i g1 3 r e s e a r c hp r o c e d u r eo ft h ed i s s e r t a t i o n 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 1 5 本文主要研究工作 本文研究工作结合复合地基研究状况，采用数值计算方法手段，主要围绕以下两个 方面展开： 1 基于a b a q u s 大型有限元平台，通过建立带垫层桩体复合地基弹塑性有限元数 值模型，采用基于m o h r - c o u l o m b 破坏准则的理想弹塑性本构模型来考虑地基土的弹塑 性性质，采用罚函数接触算法描述桩土界面接触特性，采用无限元边界模拟半空间地 基以避免静力边界效应，针对即定工况下带垫层桩体复合地基在加载过程中复合地基体 系中筏板、垫层、桩体所呈现的受力变形特征加以分析与讨论； 2 基于前述所建立的即定工况下带垫层桩体复合地基弹塑性有限元数值模型，通过 改变垫层刚度、筏板厚度和桩基刚度，针对带垫层桩体复合地基模型进行变参数化分析， 进一步探讨了复合地基体系中垫层、筏板及桩体三部分对整体受力变形特性的影响，从 而更全面和深入地揭示了复合地基体系的承载性能和工作机理。 大连理工大学硕士学位论文 2 数值分析数值实施与本构模型 2 1a b a q u s 概述 前处理 a b a q u s 舭或其它软件 厂输入文件_ 、 望 模拟 a b a o u s st a n d a 丑 y e j 商涌f i o b 弛；，j o b f i l ，j d b o 西 后处理 a b a q u s l f p o , t 或其它软件 直接输入k e y w o z d 字符命令行 = 、尖开发f o r t r 棚c 用户接口子程序 根据j 曲娜g 文件计算 信息调试程序 输出水印t ，水妇等格式 图2 1a b a q u s 计算结构与步骤 f i g2 1 c o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r ea n ds t r u c t u r eo fa b a q u sp r o g r a m 本文采用的计算工具是著名的大型非线性有限元分析平台a b a q u s 4 7 1 。该软件是 由美国h k s 公司针对固体和结构力学问题进行数值分析而开发的一套通用有限元程序 系统。由于其先进的非线性计算引擎，目前a b a q u s 己成为国际上最先进的大型通用 非线性有限元力学分析软件，并广泛地应用于科研和工程设计领域之中。作为具有强大 功能的通用有限元软件a b a q u s ，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能 够驾驭处理非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题【4 8 1 。a b a q u s 由两个主要的分 析模块a b a q u s s t a n d a r d 提供了通用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传递 等a b a q u s e x p l i c i t 应用对时间进行显式积分的动态模拟，提供了应力、变形分析的能 力。作为通用的模拟计算工具，a b a q u s 能解决结构分析( 应力位移) 、岩土力学分析( 流 体渗透一应力藕合分析) 等。在一个非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和 收敛限度 4 7 , 4 8 。 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 一个完整的a b a q u s 分析过程，通常由3 个步骤组成，即前处理、模拟计算和后 处理，如图2 1 所表。前处理模块( a b a q u s p r e ) 提供了包括单元生成的前处理功能，这 个过程可以直接通过字符命令进行输入，也可利用a b a q u s c a e 模块将分析问题的模 型图形化输入；模拟计算步骤应用a b a q u s 的s t a n d a r d 与e x p l i c i t 分析模块，采用不 同的有限元公式和分析过程，求解输入文件所确定的计算模型，计算过程通常在内存中 运行并存储在二进制文件中，便于进行后处理，完成该过程所需要的时间取决于闯题的 复杂程度和计算机的运算能力；后处理模块a b a q u s p o s t 或a b a q u s v i s u a l i z a t i o n 对 模拟分析和计算所得到的位移和应力进行处理，将读入的二进制输出文件，通过彩色等 值线图、动画、变形形状绘图、x y 剖面图和时程曲线等形式表达计算结果。a b a q u s 将上述3 个步骤集成一体，用户可以方便直观地调用上述功能，以实现对实际问题的计 算与分析。 此外，a b a q u s 具有强大的非线性求解能力和便捷的子程序接口及相应的二次开 发功能，广泛地应用于工程科学计算与分析中。在国外，a b a q u s 在岩土工程中的应 用研究非常普遍。近年来国内已开始关注与重视这一大型有限元软件，但总体上看， a b a q u s 在岩土工程中的应用研究及二次开发仍处于起步阶段，还不够成熟和完善。 a b a q u s 中的用户材料子程序库为用户提供了自定义材料本构模型的程序接口，用户 也可以根据需要通过自己开发f o r t r a n 或v c 程序来实现调用a b a q u s 以解决相应的工 程科学问题，包括在岩土工程领域中遇到的材料非线性、几何非线性及接触非线性与多 场耦合分析等复杂问题。 2 2 本构模型 本文中对桩一筏基础共同作用时间效应研究，首先是不考虑地基流变特性影响的固 结时间效应分析，其次是流变特性对共同作用固结时间效应的影响。这里将简要介绍在 固结时间效应效应分析中地基土所采用的m o h r - c o u l o m b 弹塑性本构模型，对于考虑流 变特性时所采用的弹粘塑性本构模型和其具体数值实施过程将在第五章中详细介绍。 a b a q u s 平台提供的m o h r - c o u l o m b 模型定义与常规不同，其破坏面在子午面 ( r 眦g p ) 上定义为 f ( p ，q ，o ) - r , , 。q - p t a i l 矽一c = 0( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中 k ) = 丽1s i n h 詈) + 扣h 习t a n 仁2 ， 其中c 0 s ( 3 0 ) 。孛( o o 州3 ) ，o = o 时对应三轴拉伸状态， = 衫3 对应于三轴压缩 状态，如图2 2 所示。 月i 4 c p e 墨 ( m i ) ( a ) 子午面上的m - c 破坏线 c o ) 瓦平面上的m - c 破坏面 图2 2a b a q u s 中所采用的m c 破坏面 f i g2 2 m o h r - c o u l o m by i e l ds u r f a c ei na b a q u s a b a q u s 中的m o l a r - c o u l o m b 模型中采用连续光滑的塑性势面g ，其在子午面上为 双曲面函数，在偏平面上为光滑的椭圆函数，如图2 3 所示，故其塑性流动在偏平面上 总是非关联的，即a b a q u s 中采用的是服从m o h r - c o u l o m b 破坏准则与非关联流动法 则的理想弹塑性本构模型，其塑性函数定义为 _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - - - _ _ - - _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ 一 g = 4 ( e co t a n v ) 2 十o o g ) 2 一p t a n v ( 2 3 ) 式中 2 磊髻璇鬻耘k ( 割 叫， 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 这里占控制着塑性势面g 的形状及接近于其渐近线( 直线) 的速度，通常取o i ，而8 则控制着塑性势面g 在偏平面的扁平程度，其范围在三2 p s 1 ，一般地取已= 莲等。 7 一、r ，一态 惑 7 澎 ( a ) 子午面上的m - c 双曲线 ( b ) 兀半回上的m c 望住秀回 图2 3a b a q u s 中所采用的m - c 塑性势面 f 远2 3m o h r - c o u l o m bp l a s t i cp o t e n t i a ls u r f a c ei na b a q u s 将总应变速率分解为弹性应变速率p 。 和塑性速率应变譬p 两部分 p ) = p 。) + p p ) 其中，弹性应变速率与塑性应变速率分别由广义h o o k 定律和塑性流动法则确定 p ) = 陋玲。) = d ) 一p pj ) 蚪五为 综合考虑上列各式，采用塑性一致性条件，得到下列弹塑性本构方程 p ) = 【d 印k ) 式中 d e p 】为弹塑性系数矩阵，在塑性加载条件下 d 印】= b 。】_ d c 学) l d 仃 j l辔p ， a 仃7i 。 。 【d 。】( 警)么+ 警 t ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 大连理工大学硕士学位论文 厶蝌1 嬲，日为硬化戮g 耀眭势溅坩愀坏溅对 于理想弹塑性情况，a = 0 。 2 3a b a q u s 中材料非线性问题的求解方法 a b a q u s 使用n e w t o n - r a p h s o n 法来求解非线性问题。在非线性分析中的求解不能 象线性问题中那样，只求解一组方程即可，而是逐步施加给定的载荷，以增量形式趋于 最终解。因此a b a q u s 将计算过程分为许多载荷增量步，并在每个载荷增量步结束时 寻求近似的平衡构形。a b a q u s 通常要经过若干次迭代才能找到某一载荷增量步的可 接受的解。所有增量响应的和就是非线性分析的近似解。 考虑作用在物体上的外部作用力p 和内部( 结点) 作用力( 分别见图2 4 ( a ) 与 2 4 ( b ) ) 。作用于一结点上的内部作用力是由包含此节点的各单元中的应力引起的。 ( a ) 模拟计算中的外部载荷( b ) 作用于节点上的内部作用力 图2 4 物体上的外部载荷和内部作用力 f i g 2 4 e x t e r n a ll o a d sa n di n t e r n a lf o r c e so nb o d y 为了使物体处于平衡状态，每个节点上施加的净作用力必须为零。因此平衡的基本 判据为内部作用力j 和外部作用力p 必须互相平衡： p - i = 0 ( 2 - 1 0 ) 2 3 1 平衡迭代和收敛性 在非线性分析中，一个分析步中施加的总载荷被分解为许多小的增量，这样就可以 按照非线性求解步骤来进行计算。当提出初始增量的大小后，a b a q u s 会自动选择后 继的增量大小。每个增量步结束时，结构处于( 近似) 平衡状态，结果可以写入输出数 带垫层桩体复合地基工作性状弹塑性数值分析 据库文件、重启动文件、数据文件或结果文件中。选择某一增量步的计算结果写入输出 数据库文件的数据称为帧。迭代步是在一增量步中找到平衡解的一种尝试。如果模型在 迭代结束时不是处于平衡状态，a b a q u s 将进行另轮迭代。随着每一次迭代， a b a q u s 得到的解将更接近平衡状态；有时a b a q u s 需要进行许多次迭代才能得到一 平衡解。当平衡解得到以后一个增量步才完成，即结果只能在一个增量步的末尾才能获 得。结构对于一个小的载荷增量p 的非线性响应示于图2 5 中。a b a q u s 利用基于玩 时构形的结构初始刚度肠，和增量廿来计算结构的位移修正值c a 。利用c a 将结构的构 形更新为玩。 矾 ， 位移 图2 5 增量步中的首次迭代 f i g 2 5 i n i t i a li t e r a t i o ni na l li n c r e m e n ts t e p 基于结构新的构形阢，a b a q u s 形成新的刚度局。利用墨来计算更新后的构形中 结构的内部作用力厶。所施加的总载荷尸和厶的差值可如下计算n 2 1 ，1 2 2 】： 咒= p l ( 2 1 1 ) 其中尺。是迭代的作用力残差值。 如果尺。在模型的每一自由度上均为零，图2 5 中的a 点将位于载荷一挠度曲线上， 结构将处于平衡状态。在非线性问题中，几乎不可能使尼等于零，因此a b a q u s 将 见与容许残差进行比较。如果r 。比作用力容许残差小，a b a q u s 就接受结构的更新构 形作为平衡结果。默认的容许残差设置为结构中对时间进行平均的作用力的0 5 。 a b a q u s 在整个模拟过程中自动从空间分布和对时间平均的角度计算这个值。 载c l r 厶 荷0 a 足 大连理工大学硕士学位论文 若飓比目前的容许残差小，就认为p 和厶处于平衡状态，玩就是结构在当前载荷 下合理的平衡构形。而a b a q u