[01113260]无单元数值方法及其在岩土工程中的应用研究

课题“无单元数值方法及其在岩土工程中的应用研究”，为2005年河北省自然科学基金资助项目（编号E2005000847）。　　本课题充分利用无单元数值方法的特征，进一步拓展无单元法在岩土工程领域的应用，重点研究探讨建筑基础结构与地基土相互作用几方面的问题，建立了双参数地基上筏板基础的无单元方法，对无单元法应用于筏板基础时的权函数及其参数、影响半径、积分方案的选择与确定进行了探讨，进一步与交叉梁有限元、变刚度桩土体系解析模型相耦合，分别研究建立了带肋筏板基础、变刚度桩筏基础与地基土相互作用的耦合计算方法，并对基础结构与地基土相互作用规律等进行了分析，为建筑工程领域的基础结构与地基土相互作用分析、工程设计计算、方案比较提供合理、可行的计算手段，为提高建筑基础结构的技术经济指标服务。　　本课题进行的理论研究和实验研究、程序研制、资料搜集、计算与分析、数据整理等已经完成，且已发表10多篇科研论文，已达到课题的预期目标。主要研究成果如下：　　第一，在Winkler地基上筏板无单元法的基础上，建立了双参数地基上筏板基础的无单元计算方法，其节点布置灵活，合理、可靠，可方便地求解任意平面形状的筏板基础，板弯矩或内力连续、光滑，计算精度较高、结果稳定。　　第二，对筏板基础无单元法的权函数及其参数、影响半径、积分方案进行了较为深入地研究，得出计算中宜采用高斯型权函数、非均匀节点分布情况下其相关参数计算方法和取值范围，及关于节点分布方案和高斯积分方案的相应结论。　　第三，将筏板基础无单元法与交叉梁有限单元法相耦合，建立了Winkler、双参数地基上带肋筏板基础无单元与有限元耦合数值方法，其具有较高的计算精度，合理、可靠，可以计算基础沉降，以及筏板和肋梁的弯矩与内力等，对于非规则平面形状带肋筏板、带有斜交叉肋梁筏板的计算不存在限制，适用面较广，具有较好的实用性。　　第四，推出变桩距、变桩长、变桩径的桩－土体系非线性相互作用摸型，将筏板基础无单元方法与此桩－土体系相互作用模型相耦合，建立了变刚度桩筏基础的无单元－半解析非线性耦合计算方法，并根据大比尺变刚度桩筏基础模型试验结果，对此方法的合理性、有效性进行了论证；表明该方法可方便地对非均匀布桩、变桩长、变桩径、不同桩体材料的非规则平面形状变刚度桩筏基础进行计算，分析桩筏基础与地基土相互作用特征如沉降、桩轴力等的分布及其变化规律，并可十分方便地对桩筏基础的不同布桩方案进行对比分析，以为确定优化的桩筏基础方案提供依据，具有较好的工程实用价值。　　第五，对变刚度桩筏基础与地基土的相互作用，如基础沉降、差异沉降、基底土反力、桩顶反力、桩轴力、桩身摩阻力、以及荷载分担比等分布特点和变化规律，进行了较为广泛的研究，并对多种桩筏基础布桩方案进行对比分析，得出许多具有较好工程参考价值的结论。　　本课题具有如下创新点：　　1）、将无单元法应用于筏板基础的计算分析中，建立了可求解双参数地基上非规则平面形状筏板基础的无单元计算方法，其可作为实际筏板基础工程的设计计算方法。　　2）、将筏板基础无单元法与交叉梁有限单元法相耦合，建立了Winkler、双参数地基上带肋筏板基础无单元与有限元耦合数值方法，其可方便地对非规则平面形状、带有斜交叉肋梁的带肋筏板基础进行计算分析，实用性较强。　　3）、推出变桩距、变桩长、变桩径的桩－土体系非线性相互作用模型，并将筏板无单元方法与此桩－土体系相互作用模型相耦合，建立了变刚度桩筏基础的无单元－半解析非线性耦合计算方法，其对基础的平面形状、布桩方式不存在限制，可作为大规模实际桩筏基础工程计算、设计方案比较与选择的分析方法。应用上述方法研究变刚度桩筏基础与地基土的相互作用，得出许多具有学术意义和工程实用价值的结论。　　本课题面向工程实际，进一步拓宽了无单元方法在基础工程中的应用领域，为非规则平面形状的筏板基础、有斜交叉肋梁的带肋筏板基础、变刚度桩筏基础的工程计算与分析、方案比较等提供了可行的计算方法，并对变刚度桩筏基础与土的相互作用规律性特征进行研究，取得了一系列有积极意义和应用价值的成果，相关成果尚未见相同报道。　　研究成果对于进一步加深人们对筏板基础、带肋筏板基础、变刚度桩筏基础与地基土的相互作用特性的认识，分析基础沉降、差异沉降、基底土反力、桩顶反力、桩轴力、桩身摩阻力等变化规律，具有重要的学术意义；并且研究成果对于工程设计计算中，根据上部结构荷载分布以及地基土情况，通过设置肋梁、优化布桩方案，调整基础竖向刚度，减少基础差异沉降、改善筏板和上部结构应力分布，充分发挥基底土承载能力，具有良好的工程实用价值。由于筏板基础、带肋筏板基础、桩筏基础是软土地基上高层建筑广泛采用的基础型式，研究成果将具有广泛的推广应用前景。