当基桩自由长度较大、桩周土体软弱或遇地震易液化时,高承台桩基常发生屈曲破坏,甚至引发工程事故,造成重大经济损失与不良社会影响。故高承台桩基的屈曲稳定问题研究具有重要的理论学术价值与工程实际意义。但高承台桩基的屈曲稳定受桩侧土体抗力、桩顶桩端约束条件、承台、桩型(摩檫或端承)、桩顶荷载(轴、横向荷载共同作用)等因素影响而非常复杂,简化分析方法存在一定局限性,而有限差分、有限元等数值方法因网格存在而难以克服桩土相互作用中存在的介质不连续、刚度悬殊、大变形及接触面滑移与开裂等问题。为此,本研究将从桩土接触面力学特性及室内单桩与群桩屈曲破坏试验入手,建立桩土材料及接触面本构关系,再引入无网格法建立高承台桩基屈曲稳定分析实体模型,通过改进无网格模式、采用非平衡迭代技术等手段,实现桩基屈曲机理的数值模拟,并结合模型试验及工程实测结果予以验证和完善,以期对该问题的研究获得新的突破,并应用于工程实践。
针对桩顶自由长度较大、桩周土体软弱或遇地震易液化时桩身可能发生的屈曲破坏问题,首先设计完成了一系列室内基桩屈曲破坏模型试验,深入探讨了桩身屈曲破坏机理。然后,引入无单元Galerkin法,先基于理想的桩土变形协调情况与可视性准则给出了桩土材料不连续处理的修正变分原理和罚函数法;接着考虑桩土接触面上的非变形协调,基于桩-土非线性共同工作原理及桩身荷载传递机理,通过建立桩、土及接触面的本构关系,给出了桩土非线性接触分析的无单元Galerkin算法和考虑桩土材料非线性的弹塑性问题无单元Gakerkin法。最后,建立了高承台基桩屈曲稳定分析的数值实体模型,并通过改进无网格模式和利用均匀试验设计的思想保证求解形函数时矩阵的可逆性等手段,给出了基桩屈曲稳定分析的无单元Gakerkin法,其包括基于特征值分析的线性与非线性屈曲分析法,以及基于弧长法的桩身稳定极限荷载求解法,从而实现了基桩屈曲失稳的数值模拟,所得结果与模型试验及现场实测结果吻合较好。