摘 要

本文在现有文献研究的基础上，通过用限元软件建立模型进行数值模拟分析，重点研究考虑了上覆路堤荷载向下传递到桩端时，桩端应力向下传递受桩与地基土的几何、材料参数等改变时变化规律。分别对桩顶荷载、桩长、桩径、桩间距及桩土模量比条件改变时和土层为单层和双层土时的桩端下卧层中应力变化规律进行分析和总结，并结合影响条件的参数变化给出明确的解释并结合已有成果进行对比研究得出结论。主要研究内容如下：

运用有限元软件分析了单桩条件下改变不同的参数对桩端右侧和下侧应力变化的影响及多桩条件下桩端横向位置和右侧桩与中间桩桩端下侧应力变化的影响，并分析了单层土和双层土对桩端应力变化的影响。研究结果表明：无论参数条件怎么改变，接近桩端处的应力都比较明显，距离桩端越远，无论是横向还是竖向，应力最终都会减小并最终趋向于一个定值。而且多桩时，桩端处横向距离的应力总是依次向桩端两侧减小，中间桩的应力总是大于两侧桩。随着桩径越大、桩顶荷载越大、桩越短、桩土弹性模量及多桩中桩间距的增大，桩端应力越大。双层土在桩端右侧的平均有效应力比单层土大，双层土在右侧桩桩端下侧的应力比单层土小，而双层土在中间桩桩端下侧的应力比单层土大。

最后，扼要的对进一步研究的工作方向做出了探讨。

关键词：桩端应力，单桩，多桩，双层土，有限元分析

Analysis of Stress Transfer Diffusion Mechanism and Influencing Factors of Pile End

ABSTRACT

Nowadays, more and more scholars began to pay attention to the stress variation law within a certain range near the pile end, but there is not enough information about this research.This paper is based on the existing literature. By using the finite element software to establish the model, the numerical simulation analysis is carried out. The change rule of the geometrical and material parameters of the pile and the foundation is affected by the stress of the pile at the end of the pile. The stress variation law of the pile top, the pile length, the pile diameter, the pile spacing and the pile-soil modulus ratio and the soil layer are single-layer and double-layer soil are analyzed and summarized respectively.Combined with the results of the comparative study to draw conclusions. The main research contents are as follows:

The influence of different parameters on the stress of the right and the lower side of the pile and the influence of the lateral position of the pile and the stress on the lower side of the pile and the middle pile are analyzed by finite element software. And the influence of single layer soil and double layer soil on the stress change at the pile end is analyzed.Research indicates:No matter how the parameter conditions change, the stress near the pile end is more obvious, the distance from the pile side, whether horizontal or vertical, the stress will eventually reduce and eventually tend to a fixed value.And the stress at the transverse distance of the pile ends is always reduced to the sides of the pile, and the stress of the middle pile is always larger than that of the two sides.With the increase of pile diameter, the larger the pile load, the shorter pile, the elastic modulus of pile and the increase of pile spacing.The average effective stress on the right side of the pile is larger than that of the single layer, and the stress on the lower side of the pile is lower than that of the single layer. And the stress on the lower side of the middle pile is lower than that of the single layer.

Finally, a brief discussion of the direction of further research has been explored.

Key words: pile end stress; single pile; multi-pile; double-layer soil; finite element analysis

目 录

1 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状及理论分析 1

1.2.1 桩承式路堤的研究现状 1

1.2.2 桩承式路堤土拱效应的研究现状 2

1.2.3 桩承式路堤加筋设计的研究现状 5

1.2.4 桩端阻力的研究现状 7

1.3 目前研究中存在的问题 9

1.4 论文的研究内容和技术路线 9

2 单桩下的基本模型桩端应力变化 11

2.1 有限元程序简介 11

2.2 模型和计算方法的有效性验证 12

2.3 单桩基本模型 14

2.3.1 土体参数和桩体参数 14

2.3.2 单桩有限元模型的建立 15

2.3.3 单桩有限元计算结果分析 17

2.4 本章小结 19

3 单桩下改变参数时桩端应力变化与基本模型的比较分析 20

3.1 桩径d对单桩桩端应力变化的影响性分析 20

3.2 荷载P对单桩桩端应力变化的影响性分析 21

3.3 桩长l对单桩桩端应力变化的影响性分析 23

3.4 弹性模量E对单桩桩端应力变化的影响性分析 24

3.5 本章小结 25

4 多桩下的基本模型桩端应力变化 26

4.1 多桩基本模型 26

4.1.1 多桩有限元模型的建立 26

4.1.2 多桩有限元计算结果分析 27

4.2 本章小结 30

5 多桩下改变参数时桩端应力变化与基本模型的比较分析 31

5.1 间距s对多桩桩端应力变化的影响性分析 31

5.2 桩径d对多桩桩端应力变化的影响性分析 33

5.3 荷载P对多桩桩端应力变化的影响性分析 35

5.4 桩长l对多桩桩端应力变化的影响性分析 37

5.5 弹性模量E对多桩桩端应力变化的影响性分析 39

5.6 本章小结 41

6 桩端应力变化与单双层土的关系 42

6.1 双土层单桩模型与单土层单桩基本模型的桩端应力变化对比分析 42

6.1.1 双土层单桩模型 42

6.1.2 其他参数不变的情况下，单桩桩端应力与土层的关系 44

6.2 双土层多桩模型与单土层多桩基本模型的桩端应力变化对比分析 46

6.2.1 双土层多桩模型 46

6.2.2 其他参数不变的情况下，多桩桩端应力与土层的关系 47

6.3 本章小结 49

7 结论与展望 50

7.1 结论 50

7.2 展望 51

致 谢 52

参考文献 53

1 绪 论

1.1 研究背景

按照《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）^[1]中的7.1.1规定，大部分由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或别的高压缩性土层所组成的地基即指软弱地基。地面压缩层主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层组成，应按软土地基设计。在考虑局部范围内有高压缩性土层的建筑地基时，也应按局部软弱地基进行考虑。软弱地基上的剪应力在某一面超过了它的抗剪强度是软弱地基破坏的最基本的原因，从而破坏了它的稳定与平衡。我们通常有两种加固软基的方法，一种是增加土体本身的抗剪强度，另一种是减小土体的剪应力。其中对地基加固处理方法中的一项有效的措施就是采用桩基础进行加固处理。桩基础在地震作用下变形小，稳定性好，像唐山大地震中，所有的建筑物中一般采取桩基础的破坏就相对较小。同时，在一些时候，采取桩基础可以大量减少工程中施工现场的工作量，并且可以减少原料的损耗。

桩承式路堤主要通过刚性桩（包括钻孔桩、预制桩和混凝土管桩）来处理软土地基，是一种用来处理软弱地基的新型的路堤形式。桩承式路堤具备施工工期短、施工侧向变形小和施工后沉降小等方面的优点。在目前各国的一些工程中都已经开始使用，例如伦敦Stansted机场的铁路连接线的加宽工程、荷兰的部分高速公路、巴西圣保罗北部的公路拓宽工程和杭甬高速公路拓宽工程的一期工程等^[2]。本文将在已有文献研究结果的基础上，重点论述桩土复合地基在桩端以下荷载传递规律方面的工作机理和设计理论，指出桩土复合地基需要进一步研究的问题和未来工作的方向。

1.2 国内外研究现状及理论分析

1.2.1 桩承式路堤的研究现状

桩承式路堤是一种新型的路堤形势用于软土地区的开发，具备施工快、路堤沉降小、稳定性高、能有效控制桥头跳车等长处，当前，在国内外已处于使用阶段。

许峰等^[3]综合考虑了一种方法用来分析路堤填料中的土拱效应和桩与土之间的荷载传递性状。结果表明，桩帽面积置换比m、桩侧土的侧摩阻力和桩端阻力的变化是影响荷载分担比大小和路堤沉降的最为显著的成分。下一步将进一步考虑水平加筋体的兜提作用、桩之间的土层、沿深度变化的极限侧摩阻力和桩帽下土体承载力的影响，以更符合工程实际。