文摘
提出了一种简化方法分析轴承进行循环横向荷载桩的行为。首先,修改后的应变模型是利用基于提出的模型来描述土的应力-应变行为的应变楔。然后,软粘土循环退化模型考虑塑性应变的积累和孔隙水压力提出了基于循环三轴试验。结合修改后的应变楔模型和土壤的退化模型,建立了一个简化的方法循环横向承载桩。验证本方法的准确性通过比较它与现有的模型试验。结果表明,桩侧向位移和应变楔深度增加的周期和循环荷载振幅。有必要考虑累积孔隙水压力的影响分析中横向循环加载桩嵌在软粘土中。
1。介绍
桩支持近海工程结构主要承受循环横向负载,如风力、波浪,和电流,这可能会导致大的桩身侧向位移和承载力衰减。这些现象的主要原因是土壤强度将退化由于塑性应变的积累引起的循环加载(1]。提出了许多宝贵的方法探讨轴承循环横向荷载作用下桩的行为,包括简化p- - - - - -y曲线的方法(2- - - - - -4)和有限元方法(5- - - - - -8]。提到的简化p- - - - - -y考虑土壤退化的方法扩展的极限侧阻力土的刚度p- - - - - -y曲线。然而,这些p- - - - - -y曲线方法可能并不适用于离岸循环载荷下桩与大量的周期,因为他们主要是提出了基于横向加载直径较小的桩在小周期的测试数据,没有直接考虑循环荷载振幅和周期数的影响9]。基于退化刚度模型沙,Achmus et al。6和胡锦涛et al。7)开发了有限元方法研究轴承在循环横向负载下桩的行为。这些有限元方法的最重要的优点是,他们可以确定应力分布和桩周围土的土壤退化程度。然而,他们的计算过程要复杂得多,不利于工程应用。此外,上述研究主要是在沙地上进行的,这可能是不适合桩在软粘土。与刚性桩在砂6,7,10),桩安装在软粘土通常表现为灵活soil-pile系统(11],在软粘土孔隙水压力的积累不能忽视,因为这将导致土壤退化强度(12]。
与复杂的有限元方法,诺里斯(13)最初提出了应变楔模型(SW模型),可获得桩周围土的应力分布,计算相应的反应模量桩周围土的土壤在三维应变被动楔在统一的土壤。随后,Ashour et al。14]扩展诺里斯的方法处理应变楔分层土壤。然而,应力-应变关系用于诺里斯的方法开发了基于实验数据有限,难以应用于循环横向荷载作用下桩的分析(15]。此外,桩在SW的线性位移模式的假设会导致一些矛盾与桩的实际受力行为16]。
本研究的目的是探讨轴承横向加载桩考虑循环土壤退化的行为。修改SW模型介绍了检查桩周围土的应力分布。此外,软粘土循环退化模型考虑塑性应变和孔隙水压力的积累,提出了基于循环三轴试验。然后,一个简化的方法来分析轴承的行为循环提出了横向载荷下桩应用循环退化模型修改后的软件模型。最后,提出了简化方法进行比较验证模型预测结果与模型试验。
2。修改后的应变楔模型
2.1。SW模型的基本概念
西南的目的提出的模型Ashour et al。14)是确定地基反应模量以下微分方程: 在哪里和表示桩的抗弯刚度和横向偏转,分别地基反应模量的深度吗 ,这是定义如下: 在哪里土壤电阻单位长度的桩和可以通过软件计算模型。
如图1土壤,一个三维的被动楔前开发西南偏桩的模型。被动土楔角所描述的基础 ,风扇角度 ,和深度的被动楔 。桩嵌入长度 ,和被动楔的深度相当于第一个零偏移角度桩的深度。假定桩的侧向变形随深度线性变化,和桩的旋转角度沿桩身一致(见图1 (b))[14]。土壤应力条件的被动楔可以确定使用三轴试验。侧向土压力系数可以认为是1由于打桩的效果。因此,桩的主要原则压力改变的方向运动等于偏应力三轴试验,和垂直压力在路基作为围压应力三轴试验。增加的横向荷载作用在桩上,被动土楔的大小和压力水平会相应地改变。也表示动员内摩擦角的土壤。的关系 ,宽楔形的脸在深度 ,和可以得到如下(14]: 在哪里代表了桩的直径。方桩,可以计算的形式平等的周长。
(一)
(b)
土壤电阻在深度z写如下: 在哪里和桩的形状因素为圆形桩等于0.75和0.5,分别和两个等于1平方桩。表示动员桩侧剪切应力,可以计算如下14]: 的单位和分别是厘米和米。是周围的土壤的极限剪切应力作用于桩身和作为 ,在这和分别不排水抗剪强度和附着力因素。= 0.5, 0.5, , ,和 ,分别。
2.2。SM模型的修改
SM模型的修改主要包括两个方面:(1)基于单桩的非线性变形假设,桩的侧向挠度之间的关系建立了土壤中被动楔和横向应变;(2)介绍了基于模型来描述土的应力-应变关系。
在SM模型提出的诺里斯集团(13,14),假设桩的侧向变形随深度线性变化,以及桩的旋转角度沿桩身一致(见图2(a))。然而,实际的旋转角的下部桩应小于认为,这将导致与实际情况的差异(15,16]。因此,这项工作介绍了非线性变形的假设提出的徐et al。16横向承载桩在砂。如图2(b),应变wedge-pile系统分为一系列的片段或层厚度 。的应变我th应变楔 ,和位移的上、下界面我th桩段和 ,分别。假定桩的旋转角度随深度和满足以下方程:
与此同时,旋转角度也有以下关系和(13]: 在哪里和剪切应变、泊松比的我分别th土层。是风扇的角度我被动土楔。
然后,基于模型(17用于获取 关系如下: 在哪里失败的比率在0.75 - 1的范围。 的初始弹性模量,表示和计算参数的范围内20 - 200和0.5 - -0.8粘土(18),分别。 代表标准大气压力。是偏应力在失败和可以表示如下: 在哪里和的凝聚力和内摩擦角吗我分别th土层,可由疏松的不排水三轴试验(UU)。
动员的内摩擦角可以根据土壤的应力水平应变楔(参见图吗3):
与横向荷载的增加,土壤的应力水平应变楔不断增加,直到接近极限状态。然后,在桩侧土反应达到最终的土壤阻力和可以表示如下19]:
2.3。SM模型的计算
有限差分方法用于解决(1),soil-pile系统均匀分成 元素或层厚度 ,和soil-pile系统分为应变楔范围内 段。结合桩的侧向力和弯矩约束和桩端,pile-strain楔系统的微分解决方程表示如下: 在哪里桩刚度矩阵的顺序 。 和是桩位移和横向荷载的向量的 ,分别。的具体解决方案(12)可以指20.,21]。
结合方程(4)和方程(6)和(7),土壤的深度内的地基反应模量应变楔可以获得如下:
下面的地基反应模量应变楔随深度线性变化,可以表示如下: 在哪里是路基反应系数(22]。
图4显示了解决的具体过程的静态响应横向承载桩利用修改的SM模型。使用MATLAB软件开发了相应的计算程序(23]。基于提出的过程中,桩周围土的应力应变水平在不同负荷水平下可以确定不同的深度。为了便于计算,桩在图的初始位移值4可以确定根据弹塑性分析方法(解决方案解决24]。
3所示。循环荷载作用下软粘土的退化模型
横向加载的条件下,土壤的应力状态在静载荷下的应变楔类似于静态三轴试验和不排水循环三轴试验,分别。换句话说,垂直压力相当于围压和横向应力增量等于循环偏应力 。循环三轴试验期间,周期的数量的增加,累积塑料压力和孔隙水压力会发生在土壤样本,从而导致有效应力的降低,进一步导致削弱粘土和割线刚度的桩侧向位移的增加。假设弹性应变能可以忽略不计,割线刚度的退化N周期可以累积所描述的塑料轴向压力和孔隙水压力如下: 在哪里和后土壤的塑料品种第一周期和吗N周期的循环偏应力 ,分别。和第一个周期后的垂直压力和N周期,分别。后孔隙水压力吗N周期和是第一个周期后的割线刚度。
3.1。半经验的公式累积塑性应变和软粘土孔隙水压力
根据(15),累积塑性应变和孔隙水压力是关键参数来确定粘土的退化程度。三轴试验结果(25,26)表明,和相关的软粘土循环偏应力的振幅和周期的数量。基于三轴测试,许多学者的曲线 和 获得累积塑性应变的半经验计算公式和软土的孔隙水压力,已被广泛应用于工程(27- - - - - -30.]。在这里,基于循环三轴试验的结果(25)和考虑累积孔隙水压力的增加,两个半经验的公式累积塑性应变和孔隙水压力的软粘土提议如下: 在哪里 表示桩周围土的循环应力比,即循环偏应力比最终静偏应力满足 。 和 表示的比率累积孔隙水压力和初始孔隙水压力小主应力 。 , , ,和相应的拟合回归参数,它可以由循环三轴试验。然后,可以计算如下: 在哪里卸载弹性模量、初始弹性模量的1 - 3倍吗(17]。
3.2。决心和半经验的公式的验证参数
刘等人。25)进行了一系列的对软粘土不排水循环三轴试验,得到了累积塑性应变和孔隙水压力曲线的土壤在不同循环应力比。方程的参数(16)和(17)可以拟合得到的测试结果。发现典型的回归参数的累积塑性应变 和 ,和累积孔隙水压力 和 。然后,回归方程的初始孔隙水压力比表达如下:
方程(16)和(17)用给定的参数用于适应循环三轴试验的结果刘et al。25),拟合结果如图5。发现两个半经验的公式提出了有足够的精度,能更好地反映软土的工程特性进行循环加载。此外,用方程(16)和(17)方程(15),软土的刚度衰减可以合理地模拟。
(一)
(b)
4所示。长期循环荷载作用下桩侧向位移的计算方法
在本节中,软粘土的改性SM模型和退化模型用于计算长期循环荷载作用下桩侧向位移与恒定加载幅值的数量和周期 。首先,基于准静态方法,采用修改SM模型计算应力和应变的分布规律桩周围土进行静态加载沿深度。基于应力状态决定了修改后的SM模型,桩周围土的循环应力比的分布,然后衰减后土壤刚度N周期可以根据软粘土的退化模型计算。最后,引入衰减刚度修改SW模型来计算桩的侧向位移。具体的计算步骤如下:(我)步骤1。确定 。让 ,和输入的参数桩和土成流程图(图4)。根据修改后的软件模型,负荷下桩的侧向位移计算。然后,侧向压力的增加和横向应变的我得到了在不同深度土层。让 ,并循环偏应力的幅值,相应的循环应力比桩周围的土壤 是确定的。(2)步骤2。确定 , ,和 。计算累积塑性应变和累积孔隙水压力的我th土层在不同循环应力应变楔受到比率通过使用方程(16)和(17)。然后,用和在方程(15),衰减刚度的我在应变楔土层N周期可以获得。(3)步骤3。确定各土层的应力-应变关系N加载过程。如图6不同于静态加载过程,土壤刚度衰减是由于累积塑性应变,在软粘土孔隙水压力。如果不考虑重新加载过程中弹性应变,应力-应变关系我土层中Nth加载过程可以近似如下: (iv)步骤4。让 ,和替换方程(20.)和方程(8)替换成SW模型的流程图程序考虑循环荷载的影响,桩的侧向位移和内力计算时横向循环荷载作用在桩上。
基于上述四个步骤,作者利用MATLAB (23)编制相应的计算程序分析横向加载桩考虑循环土壤退化。
5。验证和讨论
在本节中,与现有的模型试验进行对比来验证该方法。廖et al。11)进行了一系列的1 g模型试验研究的反应灵活的静态和单向循环荷载作用下桩对海洋粘土。模型桩是一个圆形的PVC管的总长度1000毫米和嵌入式700毫米的长度。模型的外径和壁厚桩是50毫米和5毫米,分别。加载位置是100毫米低于桩头。模型桩的抗弯刚度 ,和土壤的容重 。土的不排水抗剪强度随深度线性变化,可以表示为 。土壤的其他选择参数表1。
目前修改SW模型应用于计算梁进行加载位置和不同横向循环载荷下桩的位移分布。对比计算结果和测试结果如图7。它指出,该方法预测的结果与测试结果几乎是一致的。它也显示了修改后的SW模型可以有效地模拟轴承静态横向荷载作用下桩在软粘土的行为。
(一)
(b)
当桩的侧向位移加载位置 ,桩达到轴承极限状态(31日]。根据图7,最终的静态模型桩的横向能力是大约100 N。在文献[11),三套循环加载试验的加载振幅 , ,和也由单向循环荷载。该方法应用于符合这些测试和验证。自测试土壤的工程性质相似的循环三轴试验土样在文献[25在文献[],这些拟合参数25在此拟合过程中使用。众所周知,粘土在不同地区有不同的循环软化特性。为特定循环横向承载桩的情况下,循环退化模型的拟合参数应该在现场循环三轴试验获得的样本。提出的拟合参数仅供参考。
图8描述之间的比较结果目前的计算方法和测试结果在不同循环荷载振幅。如图8,和桩的侧向位移峰值在第一周期和后加载的位置吗N分别th周期。 代表了发展程度的位移和能反映桩横向刚度的软化程度;也就是说, 。
发现目前的方法获得的结果与试验结果有很好的一致性。随着周期和振幅的负载数量的增加,桩身侧向位移的增加,但桩横向刚度降低。这表明,简化计算方法可以合理地反映桩侧向位移的发展和桩横向刚度的退化时,桩在软粘土是经历了长期循环荷载。
图9显示了累积孔隙水压力对桩的侧向位移。循环荷载情况下的振幅和 ,当累积孔隙水压力的影响在桩周围土的刚度是考虑桩位移的发展度提高9%和13%相对忽视累积孔隙水压力的方法,分别。这意味着累积孔隙水压力对桩位移的发展有负面影响在软粘土,这负面影响随循环荷载振幅。因此,有必要考虑累积孔隙水压力的影响分析的横向循环加载,计算反应的桩在粘土,这也是粘土路基的主要差异和桑迪路基下低频循环荷载。
图10说明的数量的影响周期应变楔的深度。应变楔深度是一个指数反映的程度桩周围土的承载力。发现应变楔深度增加的数量周期和循环荷载振幅增加。这表明退化的土壤上应变楔深度会导致更深的土壤层参与抵抗横向运动的桩身和发挥其承载能力,也反映了在循环负载下soil-pile系统的工作状态。
6。结论
本文简化方法分析横向承载桩相结合提出了软粘土的改性SW模型退化模型。验证了该方法的有效性通过对比1 g模型测试的结果,廖et al。11]。此外,对孔隙水压力的影响的研究表明有必要考虑累积孔隙水压力的影响分析中横向循环加载桩嵌在软粘土中。最后,它也发现应变楔深度增加的数量周期和循环荷载振幅增加,可以反映soil-pile系统在循环荷载作用下的工作状态。
与有限元方法相比,本方法具有更大的优势的计算速度。相比之下,p- - - - - -y曲线API推荐方法,目前的方法可以更有效地反映桩周围的循环软化特性,考虑循环荷载特性的影响。然而,本文的研究是目前只适用于恒幅循环荷载条件。循环荷载下桩的计算例变量振幅在未来仍然需要进一步研究。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者,Wenbing Wu在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关这项研究的出版物。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。51878634,51678547,51678547,41867034),在浙江省自然科学基金杰出青年项目(批准号LR21E080005),年轻的精英科学家赞助项目投(批准号2018 qnrc001),国立大学的基础研究基金,中国地质大学(武汉)(批准号。1910491 t04和CUGC09)。