学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

超高韧性水泥基复合材料在桩承式基础中的应用研究

作　者: 沈伟
导　师: 胡亚元
学　校: 浙江大学
专　业: 土木工程
关键词: 超高韧性水泥基复合材料桩帽冲切破坏桩土沉降土拱系数正交试验
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 25次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

桩承式路堤基础(又称托板桩路堤基础)处理技术是近年在国内高速发展的针对深厚软土地基的一种地基加固方法,这种路堤由路堤填料、带桩帽(或称托板)刚性桩(如钢筋混凝土预制桩)和地基土体组成。通过在桩顶设置桩帽,桩承式路堤中形成土拱,大部分路堤荷载由桩承担并向下传递给了深层承载力较高的土层,而桩间土承担的路堤荷载很少,因而路堤沉降可大大减小。国内外学者常用桩土应力比(stress concentration ratio)或桩体荷载分担比(load share ratio of pile)来表示土拱效应。桩体荷载分担比为基桩承担的路堤荷载与基桩处理范围内路堤总荷载的比值,桩体荷载分担比越大,表示桩承担的路堤荷载份额越大,在一定程度上影响土拱效应的发挥水平。在桩间距一定时,增加桩桩帽宽度是提高桩的荷载分担比的有效方法。在以往的研究中,桩帽一直被视为刚性体考虑而忽视了其本身可能发生的脆性冲切破坏,加之普通钢筋混凝土材料性能的局限性,导致桩帽尺寸不可能任意扩大,限制了桩体材料性能的发挥。局限于桩顶桩帽发生的冲切破坏,传统的混凝土材料设计思路已经很难再有突破,由此,在满足承载能力的条件下采用性能更加优越的新型材料来设计尺寸更大的桩帽以寻求更优的桩体荷载分担比已逐渐成为优化桩承式地基处理技术的常用手段。本文所采用的随机分布的短纤维增强的超高韧性水泥基复合材料,简称UHTCC,是一种近年逐渐受到工程界青睐的新型混凝土材料,在各类型的混凝土结构中得以广泛研究和开发应用。由于其具有良好的延性和多裂缝稳态开展性能,在抗拉压、弯曲和剪切方面的性能均优于传统混凝土材料,这些研究成果为UHTCC桩帽材料替代传统钢筋混凝土桩帽的思路提供了依据。对于普通桩帽经常发生的冲切破坏,由于实际存在弯曲和冲切破坏的相互耦合作用,其破坏机理具有一定复杂性。文中依托综合考虑弯曲和冲切的复合破坏模型,利用塑性极限法对UHTCC桩帽的抗冲切性能进行分析,在求解其极限荷载时,选择一种能实际包含弯曲损伤影响的破坏强度准则,其结果更能反映板冲切的真实破坏机理。在前人研究的基础上,结合京沪高速铁路李窑试验段的现场试验,针对桩帽覆盖率对桩承式路堤工作机理的影响,本文首先按照实际工程地质条件和设计施工参数建立了符合实际的轴对称单元有限元模型,通过与普通钢筋混凝土桩帽对比,分析了采用UHTCC桩帽及使用UHTCC垫层替代传统格栅后,桩承式路堤的工作机理及其相应地优化程度,最后针对UHTCC材料在不同桩帽直径和桩间距组合下,进行基于有限元的正交试验分析,得到桩帽和桩间距对桩土沉降和土拱系数的影响效应,通过试验给出适合UHTCC材料的桩帽尺寸与桩间距的工程组合,为其实际运用提供一定理论依据。通过上述分析,主要得出如下结论：(1)相同的工作条件下,与传统混凝土板相比,UHTCC材料板的抗冲切性能优于混凝土板,应用到桩帽上,可使桩帽尺寸的设计有较大选择空间,可按实际工况对UHTCC桩帽进行尺寸设计。(2)单桩有限元计算表明,采用新型桩帽后,桩间距较小时,桩帽尺寸增大导致桩帽上冲切荷载变大,当未超过其设计极限冲切荷载时,普通混凝土桩帽和UHTCC桩帽均可承担上覆土体传递的荷载而不发生冲切破坏,但当桩帽或者桩间距增大到较大值时(本文例：桩间距4.5D,桩帽直径1.5m),普通混凝土桩帽将发生冲切破坏,必须配置冲切筋进行加强,而UHTCC桩帽仍可继续发挥其正常功用；通过铺设一层较薄的UHTCC垫层,取消传统格栅的铺设,桩土差异沉降减小,桩间土体应力降低,表明UHTCC垫层可有效调节上覆土体荷载分布,桩承担更多路基荷载,可充分发挥其材料性能。总体来说,可作出判定：将UHTCC材料应用到桩承式基础的桩帽或垫层设计中,桩承式基础的处理效能可获得明显提升。(3) UHTCC桩有限元正交试验表明,扩大桩间距后桩间土的沉降增加较大,而桩顶沉降由于桩体刚度较大,总体变化不大。桩顶及桩间土应力分布均随桩间距增加而变大。扩大桩帽,桩顶沉降变化不大,但桩间土沉降降低较多,桩土差异沉降减小。桩帽尺寸的增加导致更多的路基荷载由桩体承担,土体应力强度降低。极差分析表明,路基沉降对桩间距的敏感性高于桩帽直径,但二者对土拱系数的影响效应相当。控制沉降需要对桩间距和桩帽直径两项参数的影响综合考虑来进行选择,同时还需要考虑工程成本因素,结合本文工程实例,为了达到控制路基总沉降和充分发挥桩及土体承载性能的效果,本文建议在该工程条件下,UHTCC桩可采用4.5D～5.5D桩间距和1.5m～2.0m桩帽直径的区间试验组合。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 桩承式路堤  13-17
    1.2.1 桩承式路堤的承载特性  13-14
    1.2.2 桩承式路堤的工程现状  14-15
    1.2.3 桩承式路堤的研究现状  15-17
  1.3 超高韧性水泥基复合材料  17-20
    1.3.1 超高韧性水泥基复合材料的研究现状  17-19
      1.3.1.1 UHTCC材料的单轴拉伸性能  18
      1.3.1.2 UHTCC材料的单轴压缩性能  18-19
      1.3.1.3 UHTCC材料的弯曲性能  19
    1.3.2 超高韧性水泥基复合材料的工程应用  19-20
  1.4 本文的主要工作  20-22
2 UHTCC板的冲切性能分析  22-36
  2.1 引言  22
  2.2 板的冲切破坏机构  22-25
  2.3 冲切破坏强度准则  25-27
  2.4 UHTCC材料的拉压本构关系  27-28
  2.5 基于塑性极限分析法的UHTCC板的极限冲切承载力计算  28-33
    2.5.1 处于受弯弹性阶段的材料冲切极限承载力  28-31
    2.5.2 处于受弯屈服阶段的材料冲切极限承载力  31-33
    2.5.3 计算公式与普通混凝土冲切承载力计算式对比  33
  2.6 UHTCC板的冲切分析实例验证  33-35
  2.7 本章小结  35-36
3 UHTCC桩承式基础的有限元分析  36-55
  3.1 数值模拟中基本理论  36-41
    3.1.1 Plaxis软件简介  36
    3.1.2 使用的单元类型  36-38
    3.1.3 使用的土体本构模型  38-41
  3.2 单桩计算模型的建立  41-44
  3.3 计算验证  44-53
    3.3.1 桩帽尺寸变化后桩土沉降及应力分析  44-51
    3.3.2 UHTCC垫层作用下应力应变分析  51-53
  3.4 本章小结  53-55
4 基于有限元的正交试验分析  55-83
  4.1 计算方案  55-57
    4.1.1 正交试验设计  55
    4.1.2 本章设计方案  55-57
  4.2 UHTCC桩间距的影响  57-65
    4.2.1 桩土沉降分布规律  57-61
    4.2.2 桩土应力分布规律  61-65
  4.3 UHTCC桩帽尺寸的影响  65-74
    4.3.1 桩土沉降分布规律  65-69
    4.3.2 桩土应力分布规律  69-74
  4.4 UHTCC桩正交试验分析  74-77
    4.4.1 关于桩土沉降的正交试验分析  74-75
    4.4.2 关于土拱系数的正交试验分析  75-77
  4.5 UHTCC桩与普通混凝土桩正交试验对比分析  77-81
  4.6 本章小结  81-83
5 结论和展望  83-86
  5.1 结论  83-84
  5.2 展望  84-86
参考文献  86-90
作者简历及发表文章情况  90
  作者简历  90
  硕士期间完成的主要学术论文  90

超高韧性水泥基复合材料在桩承式基础中的应用研究

内容摘要

全文目录

相似论文