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桩基础因其承载力高、稳定性好、基础沉降及差异变形小、抗震性能好等优点,以及它具有对各种地质条件的良好适应性,因此被广泛应用于高层建筑、桥梁工程、近海采油平台、海岸码头及核电站等基础工程中。由于建筑物越来越高大、地质条件也日趋复杂,建筑物与周围环境的关系日趋密切,桩基础在竖向荷载作用下的沉降计算以及在横向荷载下的内力与变形问题日益重要。
建筑物的持续沉降,特别是软土地区的建筑物基础沉降通常与地基土的流变性密切相关。本文考虑地基土的粘弹性特征,系统研究了空间半无限体内部作用集中力的粘弹性解,并以此为理论基础建立了较合理的桩基础的长期沉降分析和横向受荷桩的粘弹性分析理论。本文的主要研穷内容如下:
l在阐述基本的粘弹性模型及其微分型与积分型本构关系的基础上:(1)通过Laplace变换及其逆变换方法,证明了一些串联流变模型和并联流变模型的本构方程之间存在着相互等效关系;(2)运用粘弹性模型,研究了粘弹性地基上弹性板的弯曲问题;(3)推导了四种粘弹性地基上弹性板的非线性振动方程,研究了Kelvin模型地基板非线性自由振动的求解。
2根据Mindlin弹性解,基于粘弹性力学中的弹性一粘弹性对应原理,综合运用Laplace变换及其逆变换技术,系统推导了空间半无限弹性体内部作用有竖向及水平向集中力时的应力与位移粘弹性解。
3基于空间半无限体在内部竖向集中力作用下的粘弹性竖向位移解,给出了在空间半无限体内部矩形面积上作用有竖向均布荷载、三角形分布荷载时的粘弹性应力和位移的理论解。同时推导了空间半无限体内部圆形面积上作用有竖向均布荷载时的粘弹性解。
4运用等积变换近似积分法,完成了对空间半无限体内部任意面积上作用有竖向及水平向均布荷载时的粘弹性应力和位移的计算。
5基于等代墩基法的基本思想,考虑桩基础周围土体的粘弹性特征,系统研究了粘弹性均质地基、非均质地基中桩基础长期沉降计算的粘弹性理论。
6运用粘弹性力学的基本原理,根据半空间内部水平力作用下的粘弹性位移解,基于位移叠加的基本思想,首先提出了考虑竖向荷载分担比的桩基础粘弹性沉降分析原理;进而建立了基于位移解的考虑荷载分担比的群桩基础长期沉降的计算方法。
7考虑桩基础周围土体的粘弹性,基于集中力弹簧模型和桩土位移协调方程,研究了横向荷载作用下桩基础与周围土体共同作用问题,建立了柔性桩及刚性桩的横向变形与内力分析的基本理论。
由于上述理论解公式复杂,针对以上研究内容,编制了相应的计算程序,可方便应用于实际工程。大量的工程算例分析表明:不论是对承受竖向荷载桩基础,还是对承受横向荷载的桩基础而言,均很有必要进行考虑土体粘弹性的桩基础长期沉降及内力与变形分析。