第一章 緒 論

1.1 研究背景

1.1.1 黃土的工程特性
我國的黃土分布面積為 64 萬平方公里，廣泛分布在西北、華北、山東、內(nèi)蒙古等地區(qū)，并且主要位于黃河中游的陜西、甘肅、青海、山西等地，這些地區(qū)黃土面積分布廣泛，而且土層的厚度很大，因此有黃土高原之稱[1]。其中陜西和甘肅地區(qū)的黃土層厚度最大，深度多為 100 至 200 米。當(dāng)黃土被水浸濕后，在自重荷載和外荷載的作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破壞和顯著的附加變形，，這種黃土稱之為濕陷性黃土。根據(jù)黃土的濕陷性，可以把黃土分成非濕陷性黃土和濕陷性黃土。濕陷型黃土主要分布在全新世和更新世的地層中，離石黃土和新黃土中的馬蘭黃土上部土層也具有濕陷性。在本文中只涉及到非濕陷性的黃土。

1.1.2 超長樁應(yīng)用現(xiàn)狀
我國自 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著土木工程的大力發(fā)展，一批批高層建筑以及大跨度橋梁等建筑物在城市中和各類交通干線上廣泛應(yīng)用。為了滿足高層結(jié)構(gòu)以及大跨度橋梁的上部結(jié)構(gòu)對承載力和沉降的特殊要求，在工程中開始廣泛應(yīng)用群樁基礎(chǔ)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國平均每年消耗的各類基樁達(dá)到了一百萬根以上，并且每年超長樁的消耗量達(dá)到了二十萬根以上的驚人數(shù)字[2,3]。繼 20 世紀(jì) 50 年代之后，我國通過不斷地努力，利用管柱技術(shù)使武漢長江大橋和南京長江大橋基樁樁底到達(dá)基巖持力層；而在 20 世紀(jì)60 年代初，我國利用人工旋挖鉆在河南順利澆筑混凝土灌注樁，之后在國內(nèi)各地得到廣泛應(yīng)用。此后，我國學(xué)者在基礎(chǔ)工程技術(shù)領(lǐng)域不斷地進(jìn)行研究，并且伴隨著大型鉆孔設(shè)備的出現(xiàn)，橋梁以及高層建筑的樁基直徑和樁長在不斷地擴(kuò)大，超長群樁注1也應(yīng)運(yùn)而生。
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1.2 超長樁承載特性理論和研究方法
超長樁概念的形成是一個逐步發(fā)展的過程，無論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是工程領(lǐng)域，都是在樁長不斷增加的實(shí)踐中和理論研究中總結(jié)出來的。盡管在施工過程中，超長樁應(yīng)用廣泛，但在學(xué)術(shù)領(lǐng)域目前仍然沒有給予超長樁一個確切的定義。如陽吉寶(1998)[5]、胡建華(1999)[6]、池躍君(2000)[7]等根據(jù)樁的長度對超長樁進(jìn)行定義，他們的觀點(diǎn)是不論端承樁或摩擦樁，當(dāng)樁的長度超過 50 米時都稱之為超長樁；俞炯奇(2000)[8]提出當(dāng)樁端荷載分擔(dān)比小于 10%時即為超長樁，并且在均質(zhì)土中，當(dāng)長徑比 L/D>50 即為超長樁�，F(xiàn)行的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)，根據(jù)樁長、樁徑及樁的長徑比的不同，將超長樁的定義表述為：當(dāng)樁長的長度大于 40 米的情況下，且根據(jù)不同的樁徑進(jìn)行劃分，在長徑比 L/D 超過一定量時，該樁便可稱之為超長樁。具體到各種直徑的樁，定義為:小直徑超長樁：D=250mm，L=40m，L/D=100；中等直徑超長樁：250mm<d<800mm,l=40m，l d="70；大直徑超長樁:800mm<D<1500mm，L=50m，L/D=40；超大直徑超長樁：D=1500mm，L=50m，L/D" =25。現(xiàn)行的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(jtg="" d63-2007)對超長樁沒有明確的定義。 ........

第二章 黃土地區(qū)單樁合理樁長有限元分析

2.1 概述
近十幾年來，經(jīng)過許多學(xué)者的努力，橋梁樁基的理論研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，而且在求解樁基的理論方法上，從之前基于二維平面分析逐漸發(fā)展到了三維空間求解。然而在求解三維問題時，依舊存在一定的技術(shù)瓶頸，因此現(xiàn)今工程經(jīng)驗(yàn)仍超前于理論，現(xiàn)有的樁基理論與實(shí)際工程應(yīng)用仍有很大差距。數(shù)值分析有很多種方法，主要包括有限單元法、有限差分法、離散單元法和邊界元法等，目前有限單元法在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要原因在于其理論上比較成熟，計(jì)算較為準(zhǔn)確，是較為高效的分析方法。有限單元法在模擬土體的塑性變形、固結(jié)特性以及樁體與土體的摩擦接觸上有很大的優(yōu)勢，所以通過有限單元法來分析黃土地區(qū)的樁基受力以及變形特性，對指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工有著十分重要的意義。
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2.2 ANSYS 有限元軟件介紹
ANSYS 有限元分析軟件是由美國 ANSYS 公司經(jīng)過多年的努力而研制開發(fā)完成的，該軟件是世界上增長速度最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件（CAE）之一，能與許多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）進(jìn)行接口，從而實(shí)現(xiàn)各軟件之間數(shù)據(jù)的共享和交換，例如 AutoCAD、Creo、NASTRAN 等。ANSYS 有限元軟件可以對結(jié)構(gòu)、流體等多種領(lǐng)域進(jìn)行建模計(jì)算，并且有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。ANSYS 擁有十分強(qiáng)大的功能，而且可以通過 GUI 和命令流兩種方式進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)分析，簡便易行，因此現(xiàn)已成為世界上應(yīng)用最為廣泛的有限元分析軟件之一。近幾年來 ANSYS 公司合并了美國其他的有限元軟件開發(fā)公司，因此 ANSYS 的功能在不斷增強(qiáng)。ANSYS 的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
1）ANSYS 擁有強(qiáng)大的建模能力。其軟件本身就可通過前處理的命令流或 GUI 建立各種各樣的幾何模型。建模的方式主要包括自底向上建模法、自頂向下建模法和混合建模法三種方法，而且可通過運(yùn)用各種布爾運(yùn)算來建立自己所需要的幾何模型。
2）ANSYS 能夠解決許多非線性問題。它不僅可以對接觸非線性問題與幾何非線性問題進(jìn)行計(jì)算分析，還可以分析材料非線性問題和單元非線性問題，在分析樁土共同作用問題時普遍應(yīng)用的是接觸非線性分析。
3）ANSYS 具有很強(qiáng)的求解能力，其提供了多種求解器類型，具體使用時可根據(jù)具體的問題和求解的精準(zhǔn)度來選擇合適的求解器進(jìn)行求解，其主要有迭代求解器、直接求解器、特征值求解法、并行求解器等。
4）ANSYS 可以根據(jù)不同的幾何模型所擁有的特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格的智能劃分，從而生成有限元網(wǎng)格。而且用戶也可根據(jù)具體問題和不同的求解精度，進(jìn)行多種方式的網(wǎng)格劃分，如映射劃分，掃掠劃分等。
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第三章 群樁承載特性以及群樁效應(yīng)....27
3.1 綜述......... 27
3.2 群樁效應(yīng)....... 28
3.3 群樁的承載特性 ....... 30
3.4 群樁極限承載力的計(jì)算方法 ..... 33
本章小結(jié).......41
第四章 黃土地區(qū)群樁合理樁長有限元分析.... 42
4.1 群樁基礎(chǔ)有限元模型的建立 ..... 42
4.2 群樁效應(yīng)分析 ..... 44
4.3 承臺荷載分擔(dān)比分析 ..... 50
4.4 不同樁長對群樁承載性狀的影響 ......... 53
4.5 不同樁距對群樁承載性狀的影響 ......... 55
4.6 樁身軸力分析 ..... 58
本章小結(jié).......61

第四章 黃土地區(qū)群樁合理樁長有限元分析

4.1 群樁基礎(chǔ)有限元模型的建立
當(dāng)土體參數(shù)和樁基的幾何模型確定下來后，土體幾何模型尺寸選取的是否合理對有限元計(jì)算精度的影響很大。如果土體幾何模型選取的太小，計(jì)算結(jié)果會因?yàn)檫吔缧?yīng)而與實(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)；如果土體幾何模型選取的太大，則會增加計(jì)算量，顯得并不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試算，在考慮到三維有限元計(jì)算困難的前提下，決定土體深度選為樁長的 3 倍，土體的寬度選為樁基承臺寬度的 5 倍。圖 4.5 表示的是在樁距一定（Sa=3d）樁長為 L=12m 時，單樁與 2×2 群樁、3×3群樁、4×4 群樁的 P-S 對比曲線。從圖 4.5 中我們可以看出，當(dāng)樁數(shù)從單樁增加到 16樁的過程中，群樁的總承載力呈不斷增大的趨勢，且其增長幅度逐步提高。隨著群樁樁數(shù)的增加 P-S 曲線逐漸變緩，其拐點(diǎn)越不明顯。圖 4.6 表示的是在樁距一定（Sa=3d）樁長為 L=12m 時，單樁與 2×2 群樁、3×3群樁、4×4 群樁的平均單樁承載力的對比曲線。從圖 4.6 可以看出在樁長為 L=12m 時，2×2 樁的平均單樁承載力曲線要明顯緩于單樁的 P-S 曲線，而且在荷載較小時，群樁的沉降稍大于單樁沉降，并且各群樁的平均單樁承載力變化幅度并不顯著，說明群樁效應(yīng)不是很明顯。

結(jié)論

1.通過 ANSYS 有限元程序?qū)S土地區(qū)單樁承載力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力以及樁身軸力的分析，得到了如下結(jié)論。
（1）當(dāng)長徑比 L/D≥40 時，確定單樁承載力的合理方法是以樁頂沉降控制為準(zhǔn)。
（2）樁長愈長，單樁的承載能力就愈大，但是樁端阻力分擔(dān)荷載比例卻在逐步減小，當(dāng)樁很長（L/D>50）時，且在樁頂沉降受到控制時并不能使樁端土體承擔(dān)荷載的能力最大限度發(fā)揮出來，所以在設(shè)計(jì)橋梁樁基礎(chǔ)的過程中，當(dāng)施工條件允許時，利用擴(kuò)大樁徑來增強(qiáng)樁的承載力和控制沉降，這比通過增加樁長的方法要有明顯的效果。但是在擴(kuò)大樁徑的過程中，又會造成混凝土使用比例的提高，施工中并不一定是最佳選擇。所以，在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時需要采取較為合理的樁徑與長徑比。
2.在對黃土地區(qū)群樁基礎(chǔ)的數(shù)值模擬中，對群樁效應(yīng)、承臺分擔(dān)比、樁長與樁距對承載力的影響以及樁身軸力的分析，對群樁基礎(chǔ)的合理樁長范圍給出以下結(jié)論。
（1）摩擦型群樁基礎(chǔ)的荷載—沉降曲線并不存在顯著的拐點(diǎn)而是呈現(xiàn)緩慢變化趨勢。當(dāng)樁的長徑比較小(L/D≤20)時，隨著樁的長度不斷地增大,基礎(chǔ)的沉降量呈現(xiàn)大幅度減小的趨勢；而在樁的長徑比較大(L/D≥40)的情況下，通過增大樁長的方法來降低群樁沉降量已經(jīng)十分不明顯。
（2）當(dāng)樁距一定時，隨著樁數(shù)的增多，群樁效應(yīng)系數(shù)不斷減小，且群樁效應(yīng)系數(shù)的大小與樁數(shù)的多少呈現(xiàn)非線性關(guān)系；在樁長增加的同時，群樁效應(yīng)系數(shù)逐步降低。計(jì)算群樁效應(yīng)時，本文利用考慮了群樁樁長影響的修正公式與其他方法進(jìn)行了對比，在樁長徑比 L/D<60 時,可以采取修正公式的方法，粗略計(jì)算群樁在彈性階段的沉降量。
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參考文獻(xiàn)（略）