利用实验数据和三维数值分析进行桩基分析与设计外文翻译资料

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利用实验数据和三维数值分析进行桩基分析与设计

摘要：

以承载能力为基准的桩基设计限制了土体结构相互作用机制对承载力的估计，在大多数情况下忽略了筏板的贡献。另一方面，采用直接的、非线性的、三维的方法分析土壤和结构的非线性以及桩-土-桩相互作用所产生的影响，将对设备的cpu时间提出非高的要求，需要使用异常强大的数值计算工具。本文针对桥梁基础的最有效、最经济的设计，提出了一种与子结构概念相适应的混合方法。它基于实验数据和非线性三维分析。实现这些目标的第一步是对静桩荷载试验、土抗剪强度、变形模量和土桩界面抗剪强度的拟合值进行反分析。随后，对22、33桩组合结构的响应进行了数值计算，并讨论了载荷对筏板和特征桩的分布情况。最后，提出了一种非均匀竖向荷载作用下桩筏基础优化设计的设计策略。 2009爱思唯尔有限公司版权所有

1介绍

在轴向荷载作用下，桩群的响应是影响重力荷载作用的最主要因素之一。基于承载能力的结构设计，在现在许多情况下仍然使用的是，只分析一个桩群的承载力。然而，新的设计标准的发展使得一个新的基于位移的设计概念更适合于桩基。基于桩基的上层建筑是一个三维的物理系统，在基础和上部结构的线性弹性假设下，可以直接分析这类问题。这一传统的设计过程忽略了桩群响应对土壤非线性的影响。而考虑这一种因素，需要采用一种数值计算工具，这种工具能够对土壤和结构非线性进行建模。由于其复杂性和时间需求，本程序尚未纳入设计实践。然而，在非常重要的结构中，一个有效的迭代过程可以应用于在子结构技术的概念中重新调整桩基的刚度。在这种情况下，总结构被认为是子结构的集合[1]。根据子结构的概念，在上部结构和桩基基础上，可以对桩基础的上部结构进行细分。这两个子结构可以分别求解，从而在共同边界处提供相同的应力和位移(相容性条件)。因此，对复杂系统进行非线性分析是可能的，它可以独立地使用非线性的超结构分析代码和非线性的基础分析代码。

因此，可以对桩群的响应进行计算，并在分析中准确地引入地基效应，从而得出准确的解决方案和上部结构和桩基础的优化设计。这种方法的应用可以有效地分析非常大的有限元素或有限差分系统[2-4]。

现在从经验关系的应用到复杂的非线性数值程序的简单封闭解的求解，有很多方法来估计桩群的响应。基于过去几十年的研究经验，人们提出了桩间相互作用的经验关系式，以估算一个群体的承载力和刚度的降低因素。这些因素的具体数值包括图表和图形的形式，是基于弹性连续体分析的简化分析和叠加原理(5-7)提出的。Lee[8]使用了由Orsquo;Neill等人[9]提出的荷载传递(t-z)方法，来估计单桩的响应和Mindlin的解决方案[10]，以评估桩间的相互作用。另一种简化的方法，提供了一种估算桩群沉降的方法，是一个等效墩的表示[11-13]。这些方法大多涉及到土壤轮廓的简化和其他影响因素的理想化，在许多情况下，它们具有有限的准确性。3-D有限元分析结果表明，a组桩间距为3.0b (b为桩直径)，其相互作用显著，即使间距增大到6.0b，相互作用仍然不容忽视。利用3-D非线性分析系统[14]证明，在具有固定头条件的桩组(筏板没有贡献)的情况下，群承载力效率因子，定义为单桩的挠度比和桩组在同一平均荷载作用下的挠度比，不仅取决于桩的布置，也取决于沉降水平。此外，Comodromos [14]提出了一种简化的关系，可以预测群桩的响应，前提是单桩的响应是已知的。这种关系的应用局限于一般应用的3.0b的桩间距和与分析中所用的土壤剖面相似。针对不同的土壤剖面，对不同的土壤剖面和不同的土壤剖面进行了广泛的数值分析，对不同的土壤剖面进行了广泛的数值分析，涵盖了从软土到硬粘土的范围。研究结果表明，该关系能够较好地预测粘性土中固定头桩群的响应。

这些方法主要集中在桩的阻力上，忽略了木筏，这是许多国家的工程师普遍采用的方法，并由大多数现有规范[17]所规定。这种方法在介质阻力和压缩性土中是相当保守的。在可压缩的土壤情况下，根据地基的配置，桩筏基础对较小的沉降水平的响应主要是由于桩阻力，因此刚度效率因子不受筏板影响。相反，当沉降水平增加时，筏板阻力也增加，同时影响地基承载力和刚度。

本文为了研究和量化木筏的作用，在高度可压缩的地基上，进行了三维非线性分析。实现这些目标的第一步是通过一个静态桩荷载试验的非线性数值模拟进行反分析。根据桩荷载试验结果，确定了土桩界面抗剪强度、变形模量和抗剪强度的相关设计值。在此基础上，数值建立了、群桩组合的响应，并计算了筏板上荷载的分布和特征。最后，结合沉降水平，得出了筏板对承载力和桩群刚度的影响。

2地面调查和现场土壤试验

为设计合成梁桥的基础，进行了岩土工程勘察。该地区位于希腊北部的主要高速公路和环路(Thessaloniki市中心西南10公里)之间的港口和交叉口之间。这座桥的整体长度为286米(跨度为56.3、86.0、80.0和61.55米)，是一座长约2.5公里的延伸桥梁工程的一部分，连接塞萨洛尼基港的新设施与通往雅典的主要高速公路。项目的一部分已经被构建并且实际上正在使用，本座桥梁作为第二个构建阶段预计将完成这个项目。该项目区域的地基是相对可压缩的(杨氏模量为30 MPa)，其剪切强度相对较低，深度至少为25.0 m。

土壤剖面是根据岩土工程勘察的结果确定的，其中包括4个钻孔和在项目区域内的锥体穿透。在Shelby管道样品上进行了实验室试验，包括三轴试验和直接剪切试验。

土壤地层由四个主要层组成。上层，被分配为层A，为褐色，松散，粉砂。剪切强度和变形模量随深度的增加而略有改善，因此在亚层A1和A2中被细分。在12.0 m的水平上，第二主要层B层，由柔软的深绿色粘土和沙粒和有机物组成，高的有机含量是该层的高塑性指数的原因。层B向下延伸至25.0 m，在那里发现了非常硬的棕色绿色砂质粘土，可向下延伸至35.0 m。从这个位置到钻孔的末端，是D层，类似于C层，但具有较高的抗剪强度和变形模量。地下水位随季节变化，在地下0.5-1.0米范围内。由岩土工程勘察得到的每一土层的主要土壤性质，以及原位和实验室试验的评价结果如图1所示，而Comodromos等[18]则给出了详细的信息。

注释:

:SPT击数 gamma;(kN / m3):单位重度

(%):液限 (%):塑限

(kPa):无约束强度 (MPa):锥形轴承压力

c (kPa):内聚力 (deg):内摩擦角

E (MPa):杨氏模量

图1：项目区域的土壤剖面

3基础参数评估

值得一提的是，在特殊情况下，在桩基附近的荷载引起剪切应变，即使是在短期荷载作用下，也会发生局部排水。这是桩测试时发生的情况，甚至是桩基础承载重要变量荷载也会发生。

为此，我们进行了直接剪切试验，覆盖了从不排水到排水条件的范围，并确定了适当的数值范围，以模拟在部分排水条件下粘土质土壤的行为。还应该注意的是， 周围的应力路径发展中，桩不符合常规实验室检测[7]和特定的实验室检测,如正常刚度常数(CNS)，在直接剪切试验[19]中，可能需要确定桩表面摩擦所产生的阻力,特别是对高强度的粘质土壤。此外，桩与土之间的粘连可以被认为与软粘土的土壤粘结性相等，而对于硬粘土，则应采用还原因子。

Tomlinson[20]和德国规范DIN 4014[21]给出了多种这样的还原因子。由于安全原因，这些因素是相当保守的，可能会产生重大的经济后果，特别是在有限的抗剪强度土壤中桩基的情况下。在这种情况下，桩荷载试验可能在价值工程和土工地结构优化中发挥重要作用。一个全面的试验可能有助于消除由于土壤行为和界面参数所引起的几乎所有不确定因素，这些因素决定了桩-土相互作用的机制。这是一些桩设计规范[21,22]要求桩设计计算必须与桩荷载试验结果相关的最主要原因。此外，对桩试验进行详细的反分析可以为上述参数提供适当的设计值，而通过桩荷载试验的结果，可以获得关于抗剪强度的进一步信息。鉴于项目的大小和重要性,提出了一种桩载荷试验进行,包括垂直和水平加载,和前面提到的过程被认为是不可或缺的调整产生的土壤参数值的步骤，从而实现一个有效的桥梁基础的设计。岩土评价见表1.

表1.最终的岩土工程模型由桩试验反分析过程证明

4静载荷试验

根据桥梁的初步设计，在静态和地震条件下，分别估算了4400 kN和6750 kN的工作载荷。

钻孔灌注桩的长度和直径要承受以上荷载，需要桩的长度大于45.0 m，在许多桥墩中直径大于1.50 m，根据德国规范DIN 4014[21]设计，即使不考虑群体效应。在许多情况下，规范是保守的，因此，决定进行负荷试验，来确定适合的土体抗剪强度和变形模量。该桩负荷试验由Egnatia Odos S.A.委托给Geostatiki S.A.咨询工程师，负责设计、建造、维护和开发希腊北部的Egnatia高速公路的主管部门。为了减少反应桩的要求，决定使用直径为0.8 m的桩。桩荷载试验装置由试验桩和两种反应桩组成。对反应桩的长度和加固进行了适当的设计，以充分调动试验桩的轴向阻力。由于这个原因，用于测试的桩和地基桩不是一回事。

5实验装置

采用4个液压千斤顶（承载能力为2500kn），分别在桩头和一个由加宽钢梁组成的反应框架之间，采用4个液压千斤顶进行压缩载荷，如图2所示。该反应通过钢梁传递到压力桩上，压力桩放置在距试验桩3米的中心距，相当于3.75直径。在试验桩的头上浇注了合适的钢筋混凝土方帽，使荷载的传递过程中不发生任何混凝土裂缝。此外，在桩头和吊具梁上安装20毫米厚钢板，将荷载分配到桩头和反应框架上，特别注意减少负载。在千斤顶的顶部使用了偏心距和球面轴承，以尽量减少负载应用的偏心。这根桩装配有13个光纤传感器(FOS)，具有高分辨率(智能棒长量规)。在桩的上半部分，将FOS(SA-1 - SA-5和SB-1 - SB-5)成对放置，以便在试验中考虑弯曲的影响。在更深的海拔处安装了3个传感器(SA-6至SA-8)，以推断沿桩的轴向应变变化。传感器放置在钢筋笼的配置中，如图3所示。由于仪器故障，在管道安装过程中，由于混凝土的原因导致电缆损坏，没有数据从fo SA-7和SA-8得到。对光纤传感器施加压力会引起其波长的变化。诱导波长变化通过以下公式计算:

(1)

其中，是波长的变化，是FOS的应变，恒定的相关波长。根据所提供的制造商标的精度是1.2pm/,FOS的变化是1/1.2及其范围为plusmn;20000。一种Smart Fibres制造的COTS W3/4250系列

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