国家开放大学办学体系第七届优秀科研成果展示(一)

发布时间:2016-11-21浏览次数:20

成果名称:混合桩型复合地基的位移相互作用系数解法及其应用研究

成果类型:学术专著

获奖奖项:一等奖

成果作者:曹明(理工学院副教授)

出版社:上海科学技术出版社

出版时间:20154

成果简介:

1.主要研究结论

(1) 采用弹性理论、积分变换、传递矩阵和积分方程理论,计算出均质和层状地基中桩-桩之间的位移相互作用系数,本研究采用虚拟桩来考虑桩-土相互作用,充分考虑了桩土分离以后桩体孔洞的存在,计算方法严密。通过与现有方法的计算结果比较,发现本文方法得到计算结果较为合理。

(2) 采用位移相互作用系数法分析群桩,由于不对群桩整体建立方程组进行求解,而是通过计算桩-桩之间的位移相互作用系数,再利用叠加原理对桩基础进行分析,这样的计算量就大大减小了。在3×3桩的高承台群桩基础计算中,本书计算方法所用时间约为对群桩基础整体建立方程组进行求解所用时间的20%。

(3) 通过高承台群桩基础位移相互作用系数法参数分析,发现其群桩效应随着桩间距的减小或桩身刚度的增加而增大;而随着桩长细比的增大,群桩效应对于桩土弹性模量比较小的有先增大后减小的趋势。桩间距的增大、桩身刚度的降低以及对于刚度相对不是很大的桩,桩长细比的增加都有使刚性承台下各桩间荷载分布趋于均匀的作用,其中,对于角桩和内桩的影响比较明显;对于刚度比较大的桩,随着桩长细比的增加,荷载分布的不均匀性先增大再减小。

(4) 现有方法分析群桩忽略了群桩在土中的“加筋效应”,因而过高的估计了群桩条件下桩-桩之间的相互作用,使基础沉降和荷载在各桩中分布的不均匀性都偏大。通过对比分析,本书计算结果克服了这些缺点与实际更符合。

(5) 在桩筏基础的分析中,本书将桩-桩位移相互作用系数扩展到桩-土、土-土位移相互作用系数,建立了桩筏基础的位移相互作用系数解法。计算结果表明,本书基于积分方程理论方法建立的桩-土和土-土位移相互作用系数计算方法,可以进一步减少计算量,而结果的计算精度并不受影响。

(6) 采用位移相互作用系数法对复合地基进行参数分析,发现垫层有效地起到了调节桩土荷载分担的作用,从而充分地发挥地基土承担荷载的能力,改善了各桩之间的受荷不均匀状态。垫层模量和厚度对复合地基的荷载分担和沉降特性均可起到调节作用,而垫层厚度的增加或模量的降低都会增大复合地基的沉降;垫层存在着最佳厚度,可同时使地基土的承载力能够得到充分地发挥且基础的沉降又满足工程设计要求。

(7) 本书基于传递矩阵法,研究了层状地基中桩-桩之间的位移相互作用系数以及群桩的沉降比、各桩的荷载分担百分比。本书计算的层状地基中桩-桩之间的位移相互作用系数小于Poulos  Davis 1980)计算结果但与Southcott1996)的计算结果较接近;同样在群桩分析中,本书方法所求得的群桩刚度折减系数与Chin & Chow1990)的计算结果较接近,但比Poulos & Davis 1980)的计算结果明显要大。这些成果为评估各种方法的应用效果及其差别提供了有益的参考依据。

2.主要创新之处和学术价值

为了研究混合桩型复合地基的工程特性和进行设计分析,本书对桩-桩、桩-土、土-土间的相互作用系数以及群桩和复合地基的位移相互作用系数计算理论进行了系统的研究,基于积分方程理论提出一套完整的桩基础和复合地基位移相互作用系数分析方法。本书采用的计算方法理论体系严密,计算效率较高,在3×3桩高承台群桩基础计算中,本书所采用的位移相互作用系数分析方法所用时间约等于对群桩基础整体建立方程组进行求解所用时间的20%。

 (1) 采用弹性理论、积分变换、传递矩阵和积分方程理论,系统的推导了均质和层状地基中桩-桩、桩-土、土-土间相互作用系数的积分方程求解方法,这部分工作是对已有研究工作的进一步扩展,本书方法可用于任意弹性层状地基中桩-桩、桩-土间相互作用系数工程性状的分析。应用本书方法求得的桩-桩间位移相互作用系数可以考虑群桩在土中的“加筋效应”,在桩-桩之间位移相互作用系数的基础上提出了桩-土、土-土之间的位移相互作用系数,并给出了求解方法,具有一定的创新性。

(2) 本书将桩-桩之间的位移相互作用系数的积分方程解法推广到多根桩的高承台群桩计算问题中,对高承台位移相互作用系数解法进行了研究,本书方法可以用于分析各种非等长、非等径桩和不同桩身刚度的复杂桩型问题,这是本书的一个重要创新点。应用本书方法对高承台群桩进行求解可以考虑群桩在土中的“加筋效应”,这也有一定的创新性。

(3) 在对桩-土、土-土之间的相互作用系数的积分方程求解基础上,考虑承台下地基土参与共同作用,对桩筏基础的位移相互作用系数解法进行了研究,本书方法可用于分析各种非等长、非等径桩和不同桩身刚度的复杂桩型问题,这是本书的一个重要创新点。而应用本书方法对群桩“加筋效应”的一些讨论也有一定的创新性。

(4) 将位移相互作用系数解法推广至混合桩型复合地基的求解,采用Winkler分布弹簧模拟复合地基中的垫层作用,引入垫层作用后,建立了混合桩型复合地基位移相互作用系数解法的分析模型,通过数值计算可得到复合地基中的垫层压缩量、桩土荷载分担和基础沉降特性,本书方法可用于求解各种非等长、非等径桩和不同桩身刚度的复杂桩型所构成的复合地基问题,这是本书的另一个重要创新点。

(5) 基于弹性层状理论,进一步将群桩的位移相互作用系数解法推广至任意层状地基中的群桩分析,得到了层状地基中群桩的位移相互作用系数解答,本书比较系统的推导了任意层状地基中桩-桩之间位移相互作用系数的求解理论,在此基础上建立了层状地基中群桩的位移相互作用系数解法的分析模型,本书方法的理论基础比Poulos & Davis1980)的更为严格和准确,而且能够分析的问题也更为广泛。

本书基于积分方程理论和传递矩阵理论,提出一套完整的桩基础和混合桩型复合地基位移相互作用系数分析方法,理论严密、计算效率高,可以应用于大规模群桩的计算分析。