高频液压振动沉桩性状的颗粒离散元模拟分析研究

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在地质不良地区修建建筑物时,桩基础是最常采用的一种基础形式。20世纪80年代高频振动法沉桩概念被提出,由于该沉桩方法具有噪声低、振动小、沉桩速度快、移动方便、适用范围广、能水下施工等优点,因此在国外桩基施工中迅速得到广泛采用,现已成为国外主要沉桩方法,近年来国内一些大型工程也引入高频振动沉桩法。但是国内外对于高频振动沉桩机理的研究明显滞后于实际应用。  高频振动沉桩控制参数较多,沉桩过程复杂,桩土作用界面时刻处于变化中,本文围绕高频振动沉桩机理展开研究,运用非连续介质力学理论,通过平面颗粒离散元软件PFC2D建立数值模型,模拟高频振动沉桩过程,分析桩土参数变化,从细观颗粒运动角度探究沉桩机理及沉桩影响因素。主要研究内容包括以下几个方面:  (1)研究高频振动沉桩的可打入性分析模型及相应的理论公式,包括力平衡模型、能量平衡模型、动量守恒模型、运动规律的积分模型,并且将应用于管桩的力平衡模型理论公式引申到应用于实心桩。  (2)研究沉桩过程中周围土体的响应,包括孔隙率变化、颗粒接触力变化、土颗粒位移、地表隆起等,并通过土颗粒运动分析沉桩影响范围及程度。  (3)研究沉桩过程中桩端阻力和桩侧阻力变化规律,从主应力方向变化、圆拱效应、细颗粒填充等角度解释了桩侧摩阻力退化的原因。  (4)研究贯入深度随时间变化规律及贯入速率随时间变化规律,首次提出了“贯入平台期”概念,分析了其规律,并从能量平衡角度解释了出现原因。  (5)结合室内试验,通过数值模拟研究了振动锤参数、桩参数、土体参数对高频振动沉桩可打入性的影响,总结了激振频率、静定荷载、桩径、土体内摩擦角对高频振动沉桩的影响规律。  通过以上研究,总结了高频振动沉桩可打入性分析模型,揭示了高频振动沉桩参数变化规律,进一步明确了高频振动沉桩桩土作用机理,所得结论对高频振动沉桩施工有一定指导意义。
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