论文总字数：22593字

摘 要

随着工程的不断发展，对基础的要求也越来越高，在保证承载力稳定性的同时，环保、经济效益等等因素也被纳入考虑之中，如何选择更好的结构形式或者优化已有的形式，变得至关重要，本文的研究源于实际工程，通过对勘探报告的研究分析，对几种方案进行计算和比较，并辅助以软件的模拟，使得方案的选择和优化更为合理。

首先，本文综述了桩基础的发展和分类，同时介绍了方案中出现的一种新型桩基础——螺旋桩，介绍了螺旋桩的一些优点和目前的理论研究。

其次，根据相关桩基规范，本文对提供的几种桩型进行手算，验证其承载力是否合格，并使用有限元软件ABAQUS模拟桩基受力，得出其应力和沉降等，结合结果比较几种基础，充分考虑其经济性、安全性和施工便捷性进行综合比较,最后得出在本工程中，钢管桩是最佳选择的结论。

作为结尾，设计提出基础的优化型式。先尝试对管桩加设锚片，发现具有减少沉降的作用；再在保证桩安全的前提下减少桩长，节约用材和资金。

本文主要通过对桩基的验算和模拟，比较选出最合理基础型式，试图面向一个实际工程进行分析模拟。

关键词：桩基础，螺旋桩，承载力，有限元分析，ABAQUS软件

Abstract

With the development of the civil Engineering, people raise the standards for foundation. In addition to the stability and bearing capacity, environmental protection, economic efficiency and other factors are also taken into account.It becomes more and more important that how to choose better types of foundation. The research of this paper is due to practical engineering. Through the study of the exploration report,this paper try to compare several foundations and choose the best to make the engineerding better.

Firstly, the paper reviews the development and classification of pile foundation and introduce one type of foundation-screw pile foundation and some advantages and theoretical research of it.

Secondly, according to the relevant pile foundation specification, several types of pile types are checked in this paper.Then using the finite element software ABAQUS to simulate the force.Combination with the results,comparing the foundations considering economy,security and convenience.Finally，the conclusion is that the steel-pipe pile is the best choice.

Finally, put forward an optimization type of foundation.Add anchors around the pile and reduce the settlement. And then reducing pile length under the premise of safety in order to save timber and funds.

This paper mainly through the calculation and simulation of pile foundation, compare and select the most reasonable type, trying to analyze and simulate a practical project.

KEY WORDS: Pile foundation, screw pile, Bearing capacity, Finite element analysis, ABAQUS software

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………… Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1桩基础概论 1

1.1.1桩基础发展史 1

1.1.2 桩基础分类 1

1.2 螺旋桩有关概况 2

1.2.1 螺旋桩研究背景 2

1.2.2 斜向荷载理论研究 2

1.3螺旋桩承载力理论及设计 3

1.3.1螺旋桩承载力研究 3

1.3.2相关规范说明 4

1.3.3 螺旋桩参数设计 4

1.4 本章小结 5

第二章 快装支架基础型式方案计算 6

2.1工程信息 6

2.1.1工程背景 6

2.1.2勘察报告 6

2.2钢管桩计算 7

2.2.1基本信息 7

2.2.2 承载力计算 8

2.3.3 钢管桩验算 10

2.3混凝土桩计算 11

2.3.1基本信息 11

2.3.2 承载力计算 11

3.2.3 混凝土桩验算 13

2.4螺旋锚计算 14

2.4.1基本信息 14

2.4.2 承载力计算 15

2.4.3螺旋锚验算 17

3.3.3 受力情况二 19

2.5本章小结 20

第三章 有限元及模拟 21

3.1 Abaqus简介 21

3.3桩与桩土接触 22

3.4模块介绍与建模 23

3.4.1ABAQUS操作流程 23

3.4.2部件模块 24

3.4.3分析步模块 24

3.4.4相互作用模块 24

3.4.5荷载模块 24

3.4.6网格模块 25

3.5模拟结果和分析 25

3.5.1绘制云图 25

3.5.2结果分析 29

3.6本章小结 29

第四章 方案比较和优化 30

4.1方案比较 30

4.2优化一 30

4.3优化二 32

4.3.1优化模型 32

4.3.2承载力分析 34

4.4本章小结 35

第五章 结论与展望 36

第一章 绪论

1.1桩基础概论

1.1.1桩基础发展史

桩基础作为最古老的基础形式之一，至今仍被大量采用，具有优越的性能，在1982年智利发现的桩，距今大约12000~14000年历史，这是目前发现的最早的桩，而在我国最早的桩大约出现在七千年前，在河姆渡附近，到了汉朝，已开始用木桩修桥。从桩的最初出现到十九世纪末，属于桩基的初级阶段，在这漫长的时期中，桩基础得到了不断的改进，但木桩的局限性也限制了其进一步发展，结构荷载的加大、埋深的加深等等都成为了制约木桩的因素。

19世纪20年代开始，在修筑码头时，已经开始使用铸铁板桩，19世纪后期，钢筋混凝土逐渐出现，随后被用于制作桩，在这一时期，由于水泥等行业的发展，各种设计理论和施工技术也处于萌芽阶段，为以后的桩基的发展奠定了基础。在其后的应用中，由于钢筋和混凝土更好的强度和刚度，并且在贯入性能和抗冲击性能以及耐久性方面有木材所不具备的优越性，所以被证明是合适的制桩材料。

二战之后经济复苏，建筑业也迎来了蓬勃发展，进入了桩基技术的现代化阶段，桩基技术得到了极大的发展。除了钢筋混凝土桩外，还发展了钢桩、水泥土桩、特种桩等等新型桩型，形成了现代桩基的各种体系，现代施工技术的发展和理论的不断创新，桩的应用范围也越来越大，桩的发展方向也变为向大直径和深度方向发展，向低公害工法桩方向发展，向高强度新桩型发展^[1]。

1.1.2 桩基础分类

（1）按承台位置高低分类

a)低承台桩基:桩身都在土中而承台与土有接触的桩基称为低承台桩基。

b)高承台桩基:桩身就超出地面承台在地面以上的桩基称为高承台桩基。

（2）按材料分类

a）木桩：由于其局限性现在已经较少使用，只在少数加固工程或者临时工程中使用。

b）钢桩：可分为钢管桩和型钢桩。钢管桩由无缝钢管制成，而型钢桩一般为工字型和H型。

c）钢筋混凝土桩：现在使用最为广泛的类型，根据其施工方法，又可分为预制桩和灌注桩两大类。

d）组合桩：用两种材料以上制成的桩。

（3）按成桩方法分类

a）非挤土桩：成桩过程中周围土体基本不受到挤压，例如干作业法钻孔灌注桩。

b）部分挤土桩：在成桩过程中周围土体受到轻微挤压，介于挤土桩和非挤土桩之前，例如长螺旋压灌灌注桩、冲孔灌注桩

c）挤土桩：在成桩过程中周围土体受到挤压，造成土的性质改变，例如沉管灌注桩、沉管夯(挤)扩灌注桩

（4）按荷载传递机理分类

a）摩擦桩：在承受上部荷载时，由桩与土层的摩阻力承受。

b）端承桩：桩在承受荷载时，承载力由端部提供。

c）端承摩擦桩：桩身阻力和桩端阻力同时发挥作用且桩周阻力起主要作用。

d）摩擦端承桩：桩身阻力和桩端阻力同时发挥作用且桩端阻力起主要作用

1.2 螺旋桩有关概况

1.2.1 螺旋桩研究背景

螺旋桩首次出现在1833年的英国，Alexander Mitchell^[2]将圆形钢管外加叶片作为基础用于岛上的灯塔，并于1835年建成。二十世纪五十年代，美国A.B.Chance公司研发了一种螺旋锚，称为the Power-Installed Screw Anchor。十九世纪八十年代，前苏联在桩基础设计规范^[3]中，已经涉及了螺旋桩的设计，说明其在苏联已有运用。澳大利亚在1992年使用钢管螺旋灌注桩于基础施工，日本也在1995年发明一种全预制钢纤维混凝土螺旋桩。

美国是应用螺旋桩较早的国家，如上文提到的A.B.Chance公司就有一系列的抗拔螺旋桩，以及丹佛市中使用的方形杆螺旋桩（1986）。比利时和其他一些欧洲国家使用较多的是钻孔混凝土灌注螺旋桩。

在我国，1998年8月24日，陈日宏、罗明^[4]等人首次申请专利“混凝土螺旋预制桩”。2001年孙鸣^[5]发表文章《钢筋混凝土螺旋桩可行性分析》，在文章中作者对螺旋桩的可行性进行了讨论，提出了相关的理论设想，就桩如何拧入地下的问题提出了模型试验。2002年武汉大学城市建设学院^[6][7]开始对全螺纹灌注桩进行初步探讨，提出了在当时作为新型灌注桩的螺纹桩的成桩工艺，比较其与传统灌注桩的特性，展开对其计算方法的探讨，认为其具有很大的发展潜力。2004年，半螺丝桩及其成桩工法被列入海南省建设科研项目计划，并在第二年列入全国建设行业科技成果推广计划，07年海南卓典高科技开发有限公司将其申请专利，更是获得了“香港国际专利技术专利产品博览会金奖项目”，在海南一大批工程中获得了成功运用，尤其是在海口市名门广场29层超高层地基中的成功实践，进一步证实了该技术的可行性。其后，我国学者又对螺旋桩进行了很多研究，如王玉兴、唐艳芹等人进行的防汛抢险螺旋桩机的试验研究和机架设计，董天力^[8]等人进行的原形桩抗拔试验，都进一步完善了螺旋桩的理论机理，大大促进了螺旋桩的工程推广。

1.2.2 斜向荷载理论研究

斜向荷载承载理论研究是指在桩顶施加一个与平面有一个角度的斜向荷载，此时桩的受力理论研究比较复杂，而在工程中受到斜向荷载的情况十分常见，所以研究桩基础斜向荷载下的工作情况十分必要。

在1977年，横山幸满^[9]便给出在认为地基系数是常数的情况下，桩基受到斜向荷载时极限承载力的解答。我国的范文田^[10]在此基础上，进一步对桩在同时受到横向和轴向力作用时进行探讨，列出了文克尔介质中受力桩的微分方程并求解，指出轴向力对桩变形的影响，而影响程度与桩身压应变、土的性质等很多因素有关，同样对柔性桩做了大量研究的还有梅耶霍夫及赛斯崔等人。随后，又有王用忠、张河水^[11]、赵明华、侯运秋^[12][13]等人对倾斜荷载下的基桩进行了大量实验。

斜向荷载的研究主要集中在传统直线形桩，而螺旋桩表面因为叶片的存在，承载过程是复杂几何体与土体的作用，桩体的非线性和土体复杂的力学特性都导致了研究的困难。08年开始，张亚军、董天文等人就致力于斜向荷载下螺旋锚的力学特性的研究^[14][15][16]，通过制作斜向荷载施加装置，并在实验时研究地基状态和桩与土的相互作用，提出螺旋桩的破坏模式和极限荷载计算方法，十分贴合工程中的实践，并大大推进了螺旋桩的承载理论。

1.3螺旋桩承载力理论及设计

1.3.1螺旋桩承载力研究

螺旋桩作为一种比较新的桩基础形式，国际上对其的研究还相对较少，承载力一般是由现场载荷试验确定。在国内，许多专家对其承载力进行了研究，下面简述两种计算方法：

1）武汉城建学院的李扬波和吴敏教授^[7]认为，地基承载力的确定方法一般可分为直接法、半直接法、间接法。直接法，也就是静载试验，是在桩基规范中首倡的方法，把其他方法都作为静载试验的补充。半直接法如应变动测法。

间接法中认为当螺纹外的土体剪切强度达到极限时为破坏特征，螺纹桩单桩极限承载力Quk按下式来确定：

式中，Q_sk、Q_pk分别代表单桩极限侧向侧阻力和竖向极限端阻力，u为桩周长，l_i为第i层土的厚度，Ap为桩端面积，q_sik为i层土的极限侧阻力标准值，q_pk为极限端阻力标准值；β_si为侧阻力增强系数，等于1 /α为粘着力系数，α=0.2 ~1.0，取决于土的不排水剪切强度和桩进入黏土层的深度与桩径之比。在使用间接法时，可进行简化计算，当β_si取1时，和传统桩计算一样，螺旋桩外径等于传统桩直径，但节约了混凝土用量30％~40％。

2) 董天文教授在论文^[17]中提出，在极限荷载的条件下，可以将基础的破坏认为遵循深基础破坏形式。由极限平衡理论，从桩的基底以上行程一个梨形的滑裂面，滑裂面上的剪力与极限荷载平衡。当各级叶片均使该层地基产生塑性滑移破坏，并形成完整的滑裂面，滑裂面的阻力即为桩的极限承载力，按此时的条件设计螺距和叶片的尺寸，从而使得叶片的承载力得到充分的发挥，最终推出叶片直径和螺距的最佳关系：

最小螺距

控制螺距

其中， ，φ为土的内摩擦角。

桩型设计时，设计螺距大于最小螺距，不小于控制螺距。计算单桩极限承载力时，根据不同的螺距，要分别选取不同的计算公式。

a) 当设计螺距大于控制螺距时，即H≥[H]时，

其中R₂=D₁，R₃=d；p为单桩极限承载力；n 为螺旋叶片数；p₂为滑裂面间土柱剪切阻力；p₃为第一级叶片滑裂区外到桩顶的桩侧摩阻力；h_i为相应的土柱高度；σ为剪切面的正压力。

b) 当设计螺距小于控制螺距时。即H＜[H]时，

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22593字