土木工程毕业设计中文翻译-垂直荷载对砂层中桩的横向动力响应的影响

1、中文翻译垂直荷载对砂层中桩的横向动力响应的影响S. Karthigeyana, V.V.G.S.T. Ramakrishnaa, K. Rajagopalb,*摘要 桩基往往受到垂直和横向负载的影响。当前的设计实践假定这两个负载的效果是相互独立的, 因此桩设计分别设计了纵向和横向荷载。传统的桩的分析方法基于路基的作用，而不会导致横向和竖向荷载之间的相互作用。本篇论文用三维有限元分析的方法，分析了垂直荷载对砂层中桩的横向动力响应的影响。在数值模型中,桩被视为线弹性材料，用DruckerPrager本构模型的非关联流动法则，将土壤理想化。本论文展示了从单纯的横向荷载作用下单桩的分析结果 并结合纵向

2、和横向载荷。本论文也研究了相关参数的影响，即负载应用的序列，土壤的切边强度（内部摩擦和膨胀的角度)，桩顶固定性及桩长细（L / B）的比例。 桩基被广泛用于支撑各种 建立在松软土上的建筑，这种建筑浅地基会承载过多的居民或具有低 承载能力。这些桩不仅用于支持 垂直载荷，也用于支持横向载荷和以及纵向和横向载荷的组合。根据每天的实践，首先要独立分析桩，以确定其垂直载荷是能否决定其承载容量和居民，横向载荷是否能确定受弯性能。这种方法只适用于小型横向载荷，然而，当建筑建在海边或海上的情况下，横向 负载显著高了垂直载荷的10-20量级，而且在这种情况下，对于垂直和横向载荷相结合产生相互作用的研究就非常重要

3、，这要求一个系统的分析。 一些研究者已经试图研究纯水平荷载作用下桩和群桩的行为。此外，随着新一代的计算机的发明，它现在可以调查，由于非线性和弹塑性土壤介质产生的结果，以及对桩的非对称载重等等，用三维有限元素分析。然而，几乎没有任何协调一致的努力来研究竖向荷载 对桩的侧向响应的影响，关于垂直和水平荷载的文献也很稀缺。根据分析调查有关此方面的有限信息表明，对于一个给定的横向载荷，垂直载荷的存在增加了横向偏移。然而，实验室和现场调查表明在竖向荷载的存在下横向偏移的减少。 阿纳格诺斯托普洛斯和乔治艾迪斯报道，土壤压力的变化和结合垂直和水平荷载作用下土壤中的连续局部塑性体积变化，在一般情况下不能被传统的

4、地基反力和弹性半空间的分析方法所取代。因此，他们建议使用用于分析这个问题的非线性三维有限元技术。Trochanis等人试图采用基于3维非线性有限元方法，结合纵向和横向荷载作用，研究了桩的行为。重点主要集中在横向荷载对单个桩的轴向响应，而不是垂直荷载对群桩的侧向响应。然而，由于桩不是经常在结构设计来抵抗水平荷载，对于设计工程师来说，桩的侧向响应更为关键和有趣。鉴于上述问题，本文着重于论述垂直荷载对桩的侧向响应的影响。也讨论了数值模型的细节，参数研究和对一些领域的情况下开发的模型。 三维有限元程序GEOFEM3D由作者开发，用于分析土壤里桩的相互作用问题。该程序由一个 预处理器支持，来开发的三维网

5、格由8节点或20节点块单元，8个或16个节点的零厚度型界面元素，以及一个后处理程序组成，其能够绘制原始网格，变形的网格，位移的载体，其提取节点位移和单元应力会沿一条线或选定平面等。 在程序中采用的数值模型的有效性是由两个不同版本里预测桩载荷的测试数据证实的，一种是短期刚性桩，另一种是长期柔性桩下面将陈述关于这两种的细节。案例研究1 混凝土试桩由Karasev等人认为的长度和直径分别为3米和600毫米。桩被安装在一个由非常坚硬的砂质壤土构成的土层的前6米，下面是超过7微米厚的低刚度的砂质粘土伏。表层土壤的抗剪强度参数为c=18千帕和/=18？并且，该底层为c= 24千帕和/= 14？基于经验公式

6、，杨氏模量和顶土的泊松比分别取为25000千帕和0.35。在底层的土壤被假定为具有杨氏模量20000千帕和0.40的泊松比。土壤中两个层的扩张角被假定为0？现场测试首先通过装载在垂直方向上的桩，然后通过垂直载荷保持恒定时运用水平载荷进行。负荷应用相同的序列之后是当前的有限元分析。用德鲁克- 普拉格本构模型对土壤的行为进行建模。鉴于其使用简单的物理属性，如C和/对定义失效准则适应性，这种模式已经优于其他模型。桩和土采用20节点实体单元进行模拟。利用对称性，认为只分析了一般的桩。有限元素预测的和报道的数据显示之间的比较在图1中。有限元分析偏离了110千牛顿，这可以被认为是数值极限载荷。数值分析在此

7、阶段停止。在变形的差异是因为土壤的刚度特性是通过基于土壤描述经验公式推导的。然而这种不同可以被视为有利于所有实用的设计目的。案例2 Comodromos已经报道了52米长的反应，1米直径钻孔桩在水平荷载作用下安装在希腊桥址上。现场的地基是由一个厚上软粉质粘的薄层松砂土层构成，延伸至36米的深度。下面这个厚度为12微米的介质硬粘土层存在于一个非常密集的到井孔底部的砂砾层之后。试桩的行为是通过使用该程序GEOFEM3D有限元分析进行分析。 该网包括20节点等参连续砖要素和16个节点的零厚度接合部件来模拟桩土之间的接口。不同的土壤层和有限元网格的属性类似于Comodromos的报道。用德鲁克-普拉格

8、本构模型的土层行为进行建模。利用对称性，认为只分析了一般的桩。在实地试验中所用的负载应用程序的相同序列，随后用于当前有限元分析。有限元预测和报告的数据之间的对比示于图2。到达的横向位移等于约7的桩径，测量和预测桩负荷之间的差小于10。较大的位移等于桩直径的17.5，这两种增长大概有13%的差距。鉴于在分析土壤特性许多不确定性假设，这个百分比误差是可以接受的。 它指出，Comodromos报告的数值解在约0.09B的位移停止，而在本数值分析几乎继续到桩宽度的17%. 因此，可以注意到，在很宽范围的偏差进行短期和长期桩的桩土相互作用问题上，拟议的数值方法是相当准确的。 有限元程序被用于对桩承受垂直

9、和水平荷载的松动和密集砂进行一系列的分析。分析用来研究竖向荷载对桩的侧向响应的影响。有限元模型的细节和结果在下面的章节中讨论。 图3显示桩土的图解的三维有限元网格离散是连续的。根据对称性，只分析了一半桩的横向负荷（在图3中，横向荷载沿X轴应用）。桩土的连续性通过使用20节点等参块单元和桩土之间的接口被打断，桩和土之间的交界面采用了零厚度16节点共同元素来表示可能打滑和被离散。杨和耶雷米奇报道，即使对于高纵横比，20节点块单元具有较高的精度，并且可以精确地模拟桩的抗弯性能。 Hong等人 报道称，在开发有限元网格必须仔细小心，以获得最佳的数值结果。分析了几个越来越细化的试验网，直到位移没有更多的

10、细化改变。在网格中使用的元素的纵横比为0.5附近的桩头在约5的有限元网格的边界附近前面。 网格的尺寸示于图3。所有侧向边界的节点被从正常方向移动到较坚硬，光滑的侧向边界所限制。在底部表面上的节点被限制在所有较粗糙，刚性底表面上三个方面。通常情况下，有限元网格包括约7100个节点，120020节点实体单元和40个16节点界面元素。3.2 桩和土细节信息 桩被视为一个线性弹性材料，土壤的行为已经被德鲁克- 普拉格理想塑性本构模型与非关联流动法则理想化。这个模型的屈服面的公式为，这里是应力张量的第一不变量，是应力张量的第二个不变量，、是著名的莫尔-库伦屈服面的土抗剪强度参数“c”与“”与之相匹配的的

11、圆与外角的材料常数。据其他研究者报道，这种模型可能超过预测延期应力路径的摩擦角，但是这仅对向桩的界面附近的背后区域有影响。在塑性流动中，最初形成的本构矩阵的基于目前的切线模量和泊松比的弹性状态。然后进行了更正，取得了弹塑性本构矩阵。雅克和对Zienkiewicz描述称，应力的校正到沿流动方向的屈服面（由扩张角瓦特定义的垂直于潜表面）。有限元分析分为两个阶段。在第一阶段中，通过实行一个虚拟分析使得原有的应力在土壤中被初始化从而得到修改后的泊松比的静止土压力系数与。通过得到的值。在此阶段结束时，所有的变形和应变都设置为零来定义用于进一步分析数据。在这个阶段的分析中，桩和土壤元素都被分配了相同的材料

12、特性（杨氏模量，泊松比和单位重量），便于不产生任何多余的剪切应力。在分析过程中的第二阶段，土壤和桩中的实际元素的性能被分配给它们。表1展现了该组考虑的桩土性质。鲍尔斯提出土壤性质的松散和密集状态，利用土壤SPT N-值和杨氏模量之间的相关性。该接口被假定为具有零粘结强度，内摩擦角被假定为周围土壤的摩擦角的2/3。最初，该界面元素被假定为具有106kN/m2/m的非常高的标准和剪切刚度值。剪切破坏后，剪切刚度被设定为初始刚度为0.1的值。当接口被拉紧时，正常的刚度降低到初始值的0.1，以利于土壤和桩的分离。在分析的第二阶段中，外部负载以小的增量被应用于多个负载步骤。每个载荷步骤进行多次反复，以满

13、足 平衡方程。迭代次数会在每个载荷步继续，直到外部平衡力和位移增量的规范均小于0.5，或直至50次迭代完成。分析通过更新刚度矩阵在每个载荷步的第一次迭代使用部分牛顿 - 拉夫逊方案的进行。一系列的三维有限元分析已经研究了纯水平荷载作用下桩的行为和竖向荷载对桩的侧向响应的影响。这个参数研究包括有有几个因素，即（i）加载的方法（ii）土壤参数（iii）本桩头固定性及（iv）桩长细比（L / B）。从这个调查参照各种参数得到的结果示如下。 在本分析中，桩的垂直载荷有两种不同的方式，（i）同时施加横向载荷，（ii）侧向载荷优先。在第一种情况下，无论是在桩顶的竖向荷载和水平位移均同时适用于每个载荷步小的

14、增量。种情况，在书中被称作同时应用垂直和水平荷载（SAVL）。在第二种情况下，垂直载荷优先，在第二阶段中，相等的横向位移增量被加到对应于桩头的节点上，而垂直载荷保持恒定。在节点的反作用力被用来计算对应于所施加的侧向位移的横向力。横向方向上的分析使用了位移控制（而不是负载控制），以便了解在不同的横向位移水平桩大小的百分比下的载重。第二个案例在书本上被称为垂直载荷优先于侧向负荷（VPL）。单桩竖向极限载荷（Vult）容量是由单独的数值分析优先计算的。 复合加载情况下桩的响应情况分别用以下情况分析：垂直荷载等于零（纯横向负载的情况下），0.2Vult，0.4Vult，0.6Vult 和0.8Vult

15、。 图4和5显示了横向载荷，以及桩在松散沙子中的挠度关系（=30），分别对应SAVL和VPL例。从这些图中可看出，桩在松砂的情况下，垂直负载对桩的侧边响应只有轻微影响，这同时适用于SAVL及VPL例。图6和7展示了桩在密集砂（=36）的响应，也同时适用于SAVL和VPL例。桩在密集砂中时，竖向荷载对桩基的横向响应的影响在VPL情况下比在SAVL情况下更显著。表1图4 一个在桩散沙的侧向荷载-挠度行为SVAL情况图5一个在桩散沙的侧向荷载 - 挠度行为VPL情况。图6桩在密砂的侧向荷载 - 挠度行为 SAVL情况。图7一个桩在密砂的侧向荷载 - 挠度行为 VPL情况。 一个称作横向容量比例提高（

16、PIC）的数量，被定义为测量桩在松动和密实砂中的垂直荷载的横向响应的影响。 它可以从表2可以观察到的SAVL情况下，在松砂的情况下，在PIC值增加与在等于0.05B（即，60mm）中的横向偏转的垂直载荷高达2.5。在横向挠度等于0.1B（即120毫米）时，在垂直荷载超出0.6 Vult的横向能力甚至出现了下降。但是，另一方面，表2和表3相当展现了，侧向能力在致密砂的情况下，有了大量增加。表2 表3很显然，在砂密集的情况下，对应于0.05B的挠度，PIC值增加了1.7-6.8，垂直载荷有0.1B的高度挠度时，PIC值也会有12的大量顺序增加。 同样从表3的VPL例中可看出，在松砂的情况下，在两个

17、考虑的偏转水平中，垂直载荷不断提高2.8-14.2时，PIC会增加，而在砂密集的情况下，PIC值会增加更多，且增幅在5.8-39.3的范围内。通过上面的表格和讨论，可明显看出，桩在砂的横向能力提高，一般以垂直载荷的存在为前提。 这可以归因于下列各项：（i）竖向荷载的作用下，土壤中较高的垂直土压力沿着桩表面，这导致土壤中较高的横向土压力，（）较高的横向土压力依次沿桩长产生了较的大摩擦力。横向土压力在不同垂直负荷水平下横向偏移等于0.1B桩的前方，进行进一步阐述，图8a和8b分别说明了VPL情况下的松散砂和密集砂。很显然，图8a中所示的，松砂的情况下，垂直荷载没有太大影响到横向土压力。另一方面，如

18、图8b所示，垂直载荷导致密集砂的横向压力增加。横向土压力的增加导致密砂的情况下，出现了更高的横向载荷。图8a 侧向土压力（RXX）在前面一堆变异0.1B的散沙横向偏移。图8b侧向土压力（RXX）在前面一堆变异0.1B中密砂的横向偏转。图 9和10显示，顺着桩的长度，竖向荷载对横向挠度的影响揭示了在松动和密实砂的相似行为。 横向挠度在松软砂中，横向负荷水平为398kN，在密砂中为641kN。这些负载分别对应松砂和密砂中，纯横向载荷下为0.1B的横向偏移。很显然，在松砂中，垂直载荷对横向偏移的影响非常小。在松砂中，该桩旋转点也不会受垂直载荷的影响。另一方面，密砂中，由于垂直负荷，横向偏转已大大减少

19、。密砂中,旋转点也会因为垂直载荷的增加而向上移动。图9 垂直载荷对横向偏转的变化影响沿桩在松砂的长度。图10垂直载荷对横向偏转的变化影响沿桩在密砂的长度。横向挠度数据清楚地表明竖向荷载对桩的侧向行为的影响。图11（a）- （e）显示了，不同的垂直载荷下，密砂中侧向土压力（RXX）的轮廓。这些轮廓被绘制在一个横向偏移等于0.1B的位置，距地表3m深度，如图8b所示，这里的侧向土压力最高。可以观察到，随着垂直载荷水平的增加，侧向土压力也绕桩增加。也可以从这些图中观察到，在更高的垂直载荷水平下，对桩的周围影响区域大小的增加。图11侧向应力（RXX）在0.1B和不同的垂直负荷水平的一堆变形轮廓。从上面

20、的讨论显然看出，竖向荷载对桩的侧向响应的影响在密砂中比松砂更为显著。行为的差异可以通过以下因素进行进一步的估计：如内摩擦角，剪胀角和土壤模量。土壤模量的影响和内部摩擦角通过图12展示，图12表明了纯横向载荷的情况下桩的响应和垂直载荷都等于0.6Vult。 由于垂直载荷的存在，横向容量比例提高（PIC）对于摩擦角差别（30和36）很重要。然而，该行为被发现几乎与具有36摩擦角的土壤相同，不同的杨氏模量值为20至50兆帕。同样，利用从零到最大值/3的不同瓦（即在松砂中为10，在密集砂中为12），分别研究扩张角（w）的影响。图13显示了在不同扩张角度，横向容量比例提高（PIC）的变化。可以看出，PI

21、C也依赖于扩张角，但相对于密集砂，松散砂百分比提高要少得多。 图12 竖向荷载对桩基不同土壤模量和内摩擦角的侧反应的影响。图13 扩张角对桩PIC影响密实，疏松砂 以前的结果清楚地表明，在VPL和密集砂情况下，竖向荷载的影响更加突出，只在VPL和密集砂情况下，研究桩头固定性的影响。研究桩头固定性的影响，要在自由桩头和固定磁头情况下进行分析。模拟自由桩头情况下，该桩头部可以在侧向变形的应用过程中自由转动。在固定桩头的情况下，桩头不能通过约束桩头节点的垂直形变进行旋转，和侧向变形的应用相同。从侧向载荷挠度曲线，横向容量比例提高（PIC）通过在自由头部和在不同的垂直负荷水平固定磁头堆的不同偏转水平，

22、进行估计，表4中有所总结。可以观察到，横向负荷比在自由桩头比固定桩头更高。据观察，即使有垂直负载，这种情况也是真的。在一般情况下，在自由和固定桩头，PIC值都有高的横向变形减小。固定桩头有较高的横向荷载，直接原因是局限在桩顶。此外，这种现象可以通过图14的桩固定头前面的图前面的较高的横向土压力进行解释。可以看出，横向压力在自由桩头下比在固定桩头下对垂直载荷更加敏感。侧向土压力增加的百分比（PIS）可以被定义为： 其中，“LSWV”是桩在侧向土压力下的竖向荷载，而“LSNV”的是纯侧向荷载下的侧向土压力（没有垂直载荷）。图14显示了自由和固定桩头的PIS值。可以看出，PIS值在自由桩头比为固定桩

23、头的更高。直接原因是固定桩头的垂直压力比自由桩头的要低。图14在侧向土比例增加应力（PIS）中的前堆就桩头条件。为了研究这种影响，用600600毫米大小的桩，在密集砂中5米，10米和15米的不同长度，进行了一系列的三维有限元分析。图15示出了三种不同L / B比值（8.3，16.7，和25）之间典型的载荷 - 挠度关系，参照了纯横向载荷，受到了典型垂直载荷（V=0.6Vult）的影响。从图中可以看到，在所有情况下，桩的横向负载能力随着L / B的增加而增加。我们可以注意到这个很有趣，即桩长（长细比）增加时，竖向荷载对桩的侧向响应的影响会相对而减少。可以注意到是，竖向荷载的影响是最高的一个短桩。

24、产生这种情况的原因可能是由于与长桩相比，短桩的侧向土压力比例增加（PIS）相对比较高，图16有所展示。图15 竖向荷载对桩的侧向响应与影响力对于不同的L / B比值。图16 在侧向土比例增加应力（PIS）中的前堆相对于不同的L / B比值。 1.基于本次调查得到的结果，得出的以下结论与垂直荷载对桩的侧向响应的影响有关。2.垂直负载对桩埋入沙中的横向响应有着显著影响。然而，这种影响取决于荷载的顺序，土壤参数（内摩擦角，剪胀角和土壤模量），桩头固定性和长细比（L / B）。3.当垂直负荷与横向负载（SAVL情况下）同时应用时，其仅对较大的偏转水平有影响，然而当垂直负荷优先应用于横向载荷（VPL情况下