桩—土接触面力学性质的模拟研究

【摘要】桩基础承载力通常由侧摩阻力与桩端承载力组成。对于桩体侧摩阻力的大小，目前多假定其与法向应力呈线性比例关系，但对于土体与混凝土桩体剪切过程中的土体的应力应变传递规律研究较少。桩-土接触面的剪切性质与剪切过程中土颗粒的运动形式紧密相关，为讨论土体与混凝土接触面剪切性质，本文结合肇源松花江特大桥工程实例，采用室内试验结合数值模拟的方法，研究了土体与混凝土的剪切特性，为进一步理解土体与混凝土剪应力的发挥机理提供了一定参考。首先，选取该工程中土体与混凝土试样，进行了土体与混凝土的接触面中型剪切试验，其中试验土样包括粘性土、细砂、粗砂，法向荷载根据实际工程确定。中型剪切试验结果显示，桩-土接触面的峰值剪切强度与法向应力呈较好的线性关系，对于粘性土，剪切过程中还表现出一定的粘聚力特征。因此，完全可以借鉴土体中库仑-摩尔理论描述接触面的剪切强度。在试验过程中无法从土样中提取足够多土体应力应变信息，故考虑采用数值模拟的方法反演中型剪切试验过程，研究土体剪应力在剪切过程中的传递规律。颗粒流方法被引入剪切试验的数值模拟研究中，以研究砂土与混凝土的剪切破坏特征。颗粒流作为一种离散元方法，很好反映了砂土颗粒之间的法向、切向、滑动作用，从颗粒之间的相关作用为出发点构建本构方程，具有其他方法不具备的诸多优点。在颗粒流模型建立的过程中，颗粒之间的细观参数决定了模型的宏观性质。为了准确获得模型颗粒细观参数，第四章中采用正交试验的方法，基于砂土的三轴试验，研究了孔隙率、摩擦系数、法向刚度、切向-法向刚度比等四项细观参数对三轴试验中砂土内摩擦角、泊松比、弹性模量的影响规律。结果显示：砂土的内摩擦角通常与颗粒的摩擦系数、切向-法向刚度比有关；砂土的弹性模量通常与颗粒的法向刚度、切向-法向刚度比有关；砂土的泊松比主要由颗粒的切向-法向刚度比、孔隙率决定。而后，在确定了颗粒细观参数的基础上，建立了砂土与混凝土中型剪切试验的颗粒流模型，进行了不同法向荷载下砂土的剪切试验。数值模拟结果与中型剪切试验结果达到了较好的吻合，再次证明了离散元方法在砂土性质模拟中的合理性。通过对比土体颗粒的应力、位移、孔隙率等分布特征，总结了土体与混凝土剪切过程中颗粒位移与应力的传递规律。同时，采用支持矢量机的方法，准确划分了土体中剪切带的范围，讨论了法向应力、颗粒尺寸对剪切带最大厚度的影响，结果显示：颗粒尺寸越大，法向应力越小，则土体中剪切带厚度越大。本研究结果对于深入认识土体与混凝土结构体之间的剪切破坏机理以及了解土体中剪切带的相关性质具有促进作用。
【作者】郭源；
【导师】佴磊；
【作者基本信息】吉林大学，桥梁与隧道工程，2014，硕士
【关键词】土—混凝土接触面；剪切强度；剪切带；颗粒流；支持矢量机；

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