砂土中静压群桩压入和加载过程中桩与桩之间相互作用机理研究

静压群桩的连续贯入过程引起桩周砂土的圧密效应和相关力学特性的变化，而桩周砂土的圧密和力学特性的变化极大的影响了静压群桩的承载特性,因此研究在压入和加载过程中桩与桩之间相互作用机理具有非常重要的理论意义和应用价值。本课题将通过模型试验和数值模拟相结合的方法，对静压群桩压入过程中桩周砂土的压密效应和力学特性的变化,以及相关变化对群桩加载过程中承载特性的影响进行研究。具体内容包括:首先基于砂土状态相关剪胀本构模型、任意拉格朗日-欧拉有限元方法和网格重新划分方法建立静压桩贯入过程的有限元模型；其次通过室内静压群桩模型试验对建立的静压群桩贯入和相应的有限元模型进行验证和修正；在此基础上，研究静压群桩压桩前后桩周砂土力学特征的变化、以及砂土力学特性的变化对桩与桩相互作用的机理,进而得到静压群桩压入和加载全过程中的承载特性。

静压桩群通常是一根一根压入地基中的，群桩的整个贯入过程会造成桩周土体的复杂运动，逐渐改变地基土体的应力状态和密实状态；而地基土体应力状态和密实状态的改变又会对整个静压群桩的承载力产生影响。本项目主要通过数值模拟和模型试验等方法，对砂土中静压群桩压入和加载过程中桩与桩之间相互作用机理进行研究。主要创新性研究成果如下：1. 建立了土体本构模型库，将弹性非线性Duncan-Chang模型、南水双屈服面弹塑性模型、Von Wolffersdorff砂土状态相关剪胀模型、Sanisand砂土本构模型编制程序，应用于ABAQUS有限元程序中。解决程序中的加卸载和收敛等数值问题。2. 通过雅砻江水电站堆石料的大型三轴试验结果，系统验证了各本构模型的数值计算结果。表明各种模型均可较好地模拟粗颗粒料三轴试验结果。3. 利用大变形理论、CEL显式积分算法和Von Wolffersdorff砂土状态相关剪胀模型，建立了单桩和群桩的压桩数值模型，桩体采用实体单元模拟，砂土地基采用欧拉单元模拟。模拟松散、中密和密实三种不同状态下的砂土地基中的压桩效应。4. 单桩数值分析得出了桩体压入和卸载过程中，桩侧压力的分布变化规律，提出在桩端0.5m范围存在应力集中。分析了桩径对桩周塑性区、单桩承载力的影响，表明桩径越大塑性区和单桩承载力均越大。桩周土体隆起，外围土体沉陷，隆起范围在3.1~3.5R之间（R从0.5变化至0.1m）。压入-卸载-再加载过程，压入后桩体上部为负摩阻力，下部为正摩阻力；卸载后桩体出现回弹，侧摩阻力方向随之改变；随着载荷的增大，侧摩阻力方向再一次发生改变。5. 群桩数值分析结果可见，由于土拱效用的存在，在浅表桩侧为负摩擦力，随深度逐渐增大，在6D处最大，向下逐渐减小。第二根桩压入后，第一根的桩端应力得到释放，桩间距大于4D时，群桩压入对桩周土影响极小。桩端压力随着孔隙比的增大而呈现"V"变化，当孔隙比小于0.87时，桩端压力随着空隙比的增大而逐渐增小，当地基土体孔隙比大于0.87，桩端应力随着空隙比的增大而逐渐增大。6. 研制了多功能模型试验桩、层状振动剪切土箱试验装置和用于室内模型试验中制备不同密实度砂样的布砂装置，用于静压群桩模型试验。研究在压入和加载过程中桩与桩之间相互作用机理具有非常重要的理论意义，同时可指导静压桩的设计和施工，具有重要的应用价值。