基于能量法的倾斜偏心受荷基桩受力变形分析方法研究

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倾斜偏心受荷基桩是指同时承受水平荷载、竖向荷载和偏心弯矩荷载作用的基桩,其受力变形特性要比单一荷载下基桩受力变形特性复杂得多,最显著的特征即P-Δ效应,即竖向荷载在桩身挠曲变形时产生附加弯矩,从而加剧桩身挠曲变形。如何考虑该效应已成为倾斜偏心受荷基桩受力变形分析的关键问题。本文结合最小势能原理和变分分析方法,在桩-土体系总势能方程中引入竖向荷载附加做功项来考虑P-Δ效应,建立倾斜偏心受荷基桩水平响应的能量计算方法,并探讨影响P-Δ效应的相关因素,开展的具体工作如下:
  (1)分析基桩在单一竖向荷载、水平荷载下的承载机理以及在倾斜偏心荷载下的承载机理,探讨各自的特点及区别,并对倾斜偏心荷载下基桩的计算理论进行总结。
  (2)考虑弹性均质地基下基桩承受倾斜偏心荷载的具体工况,通过在桩底引入虚土桩,建立桩-土体系的总势能方程,根据最小势能原理和变分计算方法推导桩身水平位移和桩周土体水平位移的微分控制方程,继而利用中心有限差分法获得桩及桩周土体水平位移的差分解,并利用Matlab编制计算程序。然后将本文方法与已有文献理论方法及模型试验进行对比,以验证本文方法合理性。
  (3)将均质地基下的分析方法推广到更为复杂的成层土地基。基于各土层土体均为弹性体的假定,构建层状地基下桩-土体系势能方程,并导得其水平位移微分控制方程,继而利用有限差分法推导桩及桩周土体水平位移的差分方程式,最终获得桩身水平位移w(z)与桩身弯矩M(z)等解答。然后将本文计算方法与已有室内模型试验及m法进行对比。结果表明,本文方法计算结果与试验结果更为接近,而m法的计算误差约为本文方法的2倍,也即本文方法在考虑竖向荷载P-Δ效应时比m法更加精确合理。
  (4)结合所提出的能量计算方法,对影响倾斜偏心受荷基桩内力位移及P-Δ效应的一些主要因素,如竖向与水平荷载比值、桩顶自由段长度以及桩径等进行分析。结果表明,当竖向与水平荷载比值小于2时,P-Δ效应影响甚微;而当竖向与水平荷载比值大于5时,P-Δ效应比较显著;此外,P-Δ效应随桩顶自由段长度的增加急剧增大,而随桩径及浅层地基土体模量的增加有所减弱;桩顶嵌固也能在很大程度上削弱P-Δ效应。
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