柔性桩加固松散砂土的力学分析开题报告

1．研究的背景、目的及意义

1.1柔性桩加固松散砂土的背景

松散砂土液化在地震时可大规模地发生并造成严重危害。在中国1966年的邢台地震，1976年的唐山地震和1964年美国的的阿拉斯加地震等几次大地震中，许多建筑物下沉、歪斜和毁坏，有的地下结构甚至浮升到地面。1925年，美国的舍费尔德土坝在地震时全部崩溃，是由坝底部分饱水砂土振动液化所致。有些建筑物的破坏，都是由砂土液化造成的。在外力或内力(通常是孔隙水压力)作用下，砂土颗粒丧失接触压力以及相互之间的摩擦力，不能抵抗剪应力，就会发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表，如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的范围广、危害性更大。

我国宁夏中北部、内蒙古西部等沙漠边缘地区,广泛分布着风积粉细砂等松散砂土地基。这种砂土地基一般是在风力搬运条件下形成的,成层时间较短,处于松散或稍密状态。复合地基是目前加固松散砂土常见的地基形式，复合地基对于增强地基强度和抗震性能具有良好的特性，目前国内关于复合地基的有限元分析还比较少，特别是对于复合地基的本构关系研究很少。由于水泥土的强度与土质的关系非常密切，同样的掺入比，同样的工艺在淤泥中和砂类土中的水泥土强度相差较大，刚柔性桩复合地基已经是现代土木工程里比较常用的地基形式，柔性桩（如水泥搅拌桩）复合地基是一种重要的软地基处理方法，近年来在高速公路软地基的处理中得到了广泛应用，特别是在桥头的路段的软基础处理过程中更为普遍。

1.2砂土液化力学原理和防治措施

柔性桩加固松散砂土，从力学性质来说，桩端受压，桩土间依靠摩擦力维持平衡状态，桩侧摩擦力随深度的增加而增加，物质在固体状态时，同时具有抵抗体变(体积应变)和形变(剪应变)的能力，因此固体物质在力的作用下，内部可以同时存在球应力张量和偏应力张量状态。对于砂土，它的抗剪强度主要依靠固体颗粒间的摩擦阻力。如果砂土中颗粒间存在摩擦阻力，砂土呈固体状态，如果砂土颗粒间的接触压力等于或趋近于零，摩擦阻力也等于或接近于零，砂土就呈液体状态。砂土液化的防治主要从预防砂土液化的发生和减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。包括合理选择场地，采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度，排水降低砂土孔隙水压力，换土，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。

1.3柔性桩加固松散砂土的力学分析的目的

柔性桩加固松散砂土的力学分析实质是复合地基的有限元分析，通过有限元分析方法，考虑复合地基中松散砂土各种材料的非线性特性，对柔性桩加固松散砂土下复合地基桩土间的荷载分担、荷载沿深度方向的变化和传递、桩土间相互作用，变形特性等力学性状进行研究，得到更好的加固松散砂土的目的，阐明柔性桩复合地基的使用范围和使用条件。粉砂或细砂地基在静荷载作用下常具有较高的强度，但是当振动荷载作用时，饱和松散砂土地基则有可能产生液化，甚至丧失承载力。土颗粒排列松散，在外部动力作用下使颗粒的位置产生错位，以达到新的平衡，瞬间产生较高的超静孔隙水压力，有效应力迅速降低。对这种地基进行处理目的就是使它变得较为密实，消除在动荷载作用下产生液化的可能性。

1.4柔性桩加固松散砂土的力学分析的意义

柔性桩加固松散砂土的力学分析采用了ansys有限元分析软件，包含了建模、网格划分、求解、后处理和优化模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，为解决工程中遇到的问题提供了一种高效的思路和方法。通过计算机建模的过程，深化对桩土受力的理解，在有限元实体建模的基础上，从下到上，布尔建模和编辑图元，在施加荷载、荷步设置和求解控制中，对桩端受压和沉降及其桩侧摩阻力有直观的理解，可以从有限元的建模施加荷载和受力分析图中看出哪个位置最薄弱，以便加强薄弱部分或采取技术手段，为工程提供参考意见，探讨参数变化对复合地基沉降和承载力的影响。

1.5复合地基的概念及分类^【12】

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。

在荷载作用下，原地基和增强体共同承担荷载作用，通过形成的复合地基达到提高人工地基承载力和减少沉降的目的。

根据地基中增强体方向，复合地基分为竖向增强复合地基和水平增强体复合地基两大类。水平增强体材料多采用土工合成材料，如工格栅、土木布等；竖向增强体材料可采用砂石桩、灰土桩、钢筋混凝土桩、薄壁筒桩等。竖向增强体复合地基一般又称为桩体复合地基。根据桩体材料性质，可将桩体复合地基分为散体复合地基和黏结材料桩复合地基两类。黏结材料桩复合地基根据桩体刚度大小分为柔性桩复合地基、半刚性复合地基和刚性桩复合地基三大类。

1.6附:石灰桩复合地基提高承载力的机理^【1】

大量载荷试验结果表明，石灰桩复合地基承载力大于天然地基承载力。石灰桩作用主要机理有膨胀挤密作用、桩体置换作用、排水固结作用、垫层作用、减载作用和水下硬化机理，在以上几种作用中，膨胀挤密作用和桩体置换作用是主要的，复合地基承载力由被膨胀挤密后的地基土承载力和桩体承载力组成，排水固结作用和水下硬化作用使得复合地基后期承载力继续增长，可作为安全储备。桩体刚度对荷载传递规律有较大影响,桩体刚度与桩体长径比有关^【10]，目前采用单元体模型,对其进行性状分析。

1.7柔性桩加固松散砂土力学分析研究现状

柔性桩复合地基是由柔性桩与地基土形成的桩式复合地基，柔性桩无须桩周土的围箍即能自立，桩身刚度和强度较小、压缩量较大，单桩沉降以桩身压缩为主、受桩端持力层性状影响不大。柔性桩桩身强度比刚性桩低，但柔性桩不像散体材料桩那样桩身材料无粘结强度，柔性桩本身具有一定强度。散体材料桩需要桩周土的围箍作用才能维持桩体的形状，仅仅依靠自身连桩体形状都不能维持。与散体材料桩依靠桩周土提供的被动土压力维持桩体平衡、承受上部荷载的作用不同，柔性桩依靠桩周摩阻力和桩端端阻力把作用在桩体上的荷载传递给地基土的，因而柔性桩复合地基中土的垂直应力的扩散范围较散体材料桩复合地基大、深度深，加固效果也明显，本身具有一定强度。

在均质地基中，柔性桩在荷载作用下，桩体的压缩应变由上而下逐渐减小，桩与四周土体之间的相对位移也由上而下逐渐减小，桩侧摩阻力也是自上而下逐渐减小，桩侧摩阻力的发挥远早于桩端端阻力的发挥，桩身变形和桩侧摩阻力均主要发生在临界桩长范围内。

1.8国内复合地基有限元分析研究现状

郭院成、张四化和李明宇等人^【1】结合郑州某高速公路试验段进行了多组单桩、单桩复合地基及群桩复合地基静载荷试验。在此基础上，通过有限元软件对刚性桩复合地基承载性能进行了数值模拟，并与现场静载荷试验结果进行对比分析。结果表明：桩土应力比随着桩数和桩长的增加不断加大;长短桩复合地基中长桩桩土应力比相对较大，桩间土分担荷载降低。此外，受群桩效应的影响，群桩复合地基沉降变形要大于单桩复合地基，且随着桩长增加群桩效应系数增大。

叶书麟、罗宇生^【4】根据我国的土质条件、加固材料、工艺特点,在充分消化和吸收国外软弱地基加固新工艺的基础上,研究开发出具有中国特色的地基处理新技术,内容包括9大类近二十种成熟的地基新方法。

郑俊杰^【2】讨论了柔性桩荷载传递机理并利用弹性力学的方法求解了柔性桩桩身应力，为柔性桩复合地基桩土应力比的确定提供了一种新途径，另外，将石灰桩简化为砂井，参照非理想竖井排水理论，对石灰桩复合地基进行了固结分析，在进行石灰桩复合地基静载荷试验的基础上，得到石灰桩复合地基中桩土分担荷载比、桩土应力比、桩体比例界限及静载试验时沉降比取值并提出了石灰桩在新回填土地基及非均匀地基上的设计方法，给出了加固填土的折减系数和加固非均匀地基的影响系数。

朱奎,徐日庆^【7】讨论了有褥垫层刚-柔性桩复合地基的桩土共同作用情况优于无褥垫层刚-柔性桩复合地基，建议工程实践应用中采用有褥垫层刚-柔性桩复合地基。更多还原王川川，朱忠林等人^【6】在研究高速铁路桩网复合地基桩端下刺机理时，从理论上分析了桩网复合地基桩端下刺机理，运用MATLAB自带的数理统计工具箱对影响桩端下刺量的主要因素进行了参数回归分析,并给出一种桩端下刺量的计算公式。

吴小涛^【9】基于ABAQUS有限元分析软件,对刚-柔性桩复合地基的桩土模型进行数值分析。以沉降控制设计理论为基础,通过建立六种不同的5×5布桩方案,对复合地基的方案进行优化，并依据最佳方案,对刚-柔性桩复合地基进行水平荷载作用下的受力分析,进而从受力角度对最佳方案作进一步的优化。

1.9国外复合地基有限元分析研究现状

Masaki Kitazume,Akihiko Takahashi等人^【5】在2016年做了关于复合地基的有限元分析的相关分析，介绍了密砂桩法、液化、地面改进、地震加固及路堤有限元分析，采用了新开发的SCP方法，运用挤密砂桩法，通过安装压实砂桩改进地下密实性，介绍了数值分析及开发，以此来评估影响位置及受力所产生的变形，来改善路基的动力响应。

美国在20世纪30年代就开始研究加固松散砂土的力学特性。近年来，H.B.希特等许多学者对此做了大量工作。桩端土处理由于深层搅拌桩施工时对桩端土的处理不力，其端阻力仅能取桩端土承载力标准值的1/2左右，当桩端存在较好的土层时，也不能有效地加以利用，致使深层搅拌桩在很多情形下不如其他桩型优越。

综上所述，纵观前辈们的研究可知，目前对复合地基的有限元分析研究，特别是对柔性桩加固松散砂土的力学分析还比较少，有关的论述也不是很多，对柔性桩加固松散砂土及其本构关系的力学分析还比较缺乏。

2．主要研究内容和预期目标

柔性桩复合地基属地基处理范畴，由柔性桩和桩间土体形成地基共同承担上部结构传来的荷载。柔性桩复合地基用于处理松砂，可有效提高地基密实度，减少砂土地基的沉降变形，消除减弱松砂地基的液化性。基于ANSYS有限元分析软件，本文对柔性桩处理松散砂土的力学性状进行数值分析。具体研究内容包括以下几方面：

（1）依据复合地基的发展背景，对柔性桩复合地基的组成、工作机理以及破坏形式进行论述，探讨了桩基础和桩复合地基的异同，并与柔性桩复合地基进行对比，阐明了柔性桩复合地基的使用范围和使用条件。

（2）对柔性桩复合地基的沉降设计和承载力设计进行分析，总结了柔性桩复合地基设计理论的基本原理和步骤，以及单桩和群桩水平承载力的计算方法。

（3）介绍ANSYS有限元分析软件，对运用时所遇到的问题进行总结，并详细描述了柔性桩复合地基桩土模型建立的过程。

（4）利用有限元分析软件，探讨柔性桩数、柔性桩模量、柔性桩间距等参数变化对复合地基沉降和承载力的影响。

3．拟采用的研究方法、步骤

3.1拟采用的研究方法：

采用ansys软件，对桩土模型进行数值分析的方法，在柔性桩数、柔性桩模量、柔性桩间距等参数变化时，求解复合地基沉降和承载力。

3.2拟采用的分析步骤：

研究技术路线

（1）首先创建有限元模型，建立在一个松散砂土地基之上的坝体模型，坝体下部采用柔性桩加固，确定坝体截面尺寸，桩数、柔性桩模量、桩间距。先定义单元属性、单元实常数和材料属性，再创建节点并分配单元属性（包括单元类型号、单元实常数号、材料号、单元坐标系），最后创建单元。

（2）其次赋予材料参数，施加位移约束，以此来限制模型自由度，设置边界条件，再进行几何模型网格划分。生成节点和单元的网格划分过程包括三个步骤：定义单元属性、网格划分控制、生成网格。网格划分先定义单元属性、单元实常数和材料属性，再创建几何模型，给每个几何对象分配单元属性（在划分网格前，必须给每个几何模型的点、线、面、体分配适当的单元属性），然后控制网格划分密度或单元尺寸大小，最后选择单元形状和网格划分器类型并执行网格划分。

（3）再定义荷载并施加荷载，首先，定义荷载路线：Main Menu--Solution--Define Loads，然后在定义荷载的菜单中选择施加荷载的位置例如关键点，结合模型的需要，施加对称或者反对称约束、集中力荷载、均布荷载（Structural--Pressure--On Areas(面)/On Lines(线)

（4）然后求解：施加完荷载，检查无误后就可以求解，结果有基本解（基本自由度解）和导出解（应力、应变等），Current LS是使用当前荷载步设置求解，为常用的求解方式。

（5）最后进行后处理：其次进行后处理，对于求解的结果要进行分析和处理并提取相关数据，常用处理方式有(通用后处理和时间历程后处理），对于坝体采用通用后处理,先选择结果文件和结果数据，再查看结果文件包含结果序列，读入用于后处理的结果数列，然后控制结果输出方式，其中包括绘制变形图和等值线图，显示图像结果，分析图像所包含的意义。

4．主要参考文献

[1]郭院成、张四化,李明宇.长短桩复合地基试验研究及数值模拟分析[J].中国建筑学会地基基础分会2010学术年会,2010，(4):232-235

[2] 郑俊杰.复合地基承载特性分析及设计方法研究[J].浙江大学,2001，(01):42-65.

[3]焦国木.高速公路刚柔性长短桩复合地基应用技术研究[J]石家庄铁道大学,2014，(96):1-10.

[4]叶书麟、罗宇生.地基处理[J]中国土木工程学会第七届土力学及基础工程学术会议论文集

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[6]王川川，朱忠林，李泰灃等.高速铁路桩网复合地基桩端下刺机理研究[J],铁道建筑，2017(5):91-94.

[7]朱奎,徐日庆.有无褥垫层刚-柔性复合地基性状比研究[J].工程学报，2005,(2):58-59

[8]胡坤.振动砂石桩法处理可液化软弱场地土[J].华北水利水电学院学报，2005,82(2):58-59

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