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自然科学基金申请书

第1篇：自然科学基金申请书

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申请书正文:

1．项目名称

****机理研究

3．本项目研究目标，及其与申请者研究工作长期目标的关系

3.1总体目标

本项目旨在研究欠固结土中密集群桩的土拱效应及其对群桩负摩擦力的影响，通过解析、数值模拟、模型试验方法研究欠固结饱和软土地基中的群桩土拱产生机制，研究土拱的几何和力学特征，分析土拱对群桩负摩擦力的影响，从而揭示群桩负摩阻力的内在机理，为滩海围垦软土地基中群桩的设计与使用提供理论指导。

3.2具体目标

(1)掌握群桩的土拱产生机制和力学分析方法，为欠固结土中群桩的土拱效应存在及其作用机理提供理论依据。

(2)掌握群桩的土拱效应数值分析方法，实现欠固结软土地基中群桩土拱效应及其对群桩负摩擦力的影响的数值模拟。

(3)掌握土拱存在的试验证据及群桩负摩阻力的分布，为欠固结软土地基中群桩土拱效应分析和负摩阻力计算提供试验验证资料。

3.3与申请者研究工作长期目标的关系

本项目申请人长期从事桩土相互作用的理论与应用研究，研究工作的长期目标是研究和发展适于滩海工程的桩基及相应的计算理论，而本项目的研究重点—群桩土拱效应与负摩阻力机理研究是滩涂围垦区欠固结地基中桩土相互作用理论中基础规律研究的重要内容之一，与本项目组长期目标有着密切的联系。

4．项目研究内容、研究方案和进度安排

4.1项目研究内容

本项目主要研究欠固结软土地基中群桩土拱效应机理及其对群桩负摩阻力的影响，研究内容包括欠固结土中群桩的土拱产生机制、群桩的土拱效应数值模拟及其对群桩负摩阻力遮拦效应的影响、欠固结土中群桩土拱效应与负摩阻力模型试验研究三部分，详述如下：

(1)欠固结土中群桩的土拱产生机制及其形成条件研究。由于桩土间存在相对位移，当土层沉降大于桩的沉降时，表现出负摩阻力特征，土体调动自身抗剪强度抵抗这一不均

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匀沉降，桩土界面构成摩擦拱脚，形成土拱。通过分析欠固结土中土拱的成拱机制，采用弹性理论结合极限平衡法建立土拱的力学模型，确定土拱的拱脚随欠固结土固结沉降发展而产生的位置变化关系，进而确定土拱的拱形和拱体参数，并分析群桩的桩间距、桩径、桩土摩擦角、粘聚力、中性点变化等对于土拱的影响。

(2)群桩的土拱效应数值模拟及其对群桩负摩阻力遮拦效应的影响。采用Abaqus有限元分析软件建立3×3群桩的三维有限元计算模型，桩为弹性体，土体为饱和多孔介质，上下端面排水，本构关系服从摩尔库仑准则，考虑桩土的滑移作用，界面采用库仑摩擦模型，计算群桩的负摩阻力分布、应力场和位移场，分析土拱效应的产生条件及相关参数对土拱效应的影响，并对群桩的负摩擦力遮拦效应进行相关分析，揭示土拱效应对群桩负摩擦力的影响，分析土层固结对负摩擦力的时间效应。

(3)欠固结土中群桩土拱效应与负摩阻力模型试验研究。欠固结土中群桩模型试验采用3×3群桩试验，通过桩身应变、桩顶位移、土层位移、桩端压力、土层内部压力和孔压测试，总结桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递特性，分析不同位置桩（角桩、边桩和中心桩）的负摩擦力及其时间效应，验证群桩的土拱效应和遮拦效应。

4.2研究方案4.2.1研究方法

本研究通过解析、数值模拟、物理模型试验方法开展饱和欠固结地基中群桩的土拱效应和负摩擦力研究。

4.2.2技术路线

项目研究的基本技术路线如图1示意，其中包含理论分析、数值计算和模型实验三部分，具体技术路线详述如下，其中实验技术在4.2.3节实验手段中详细说明。

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理论分析模型试验数值计算建立双桩的二维“土拱”力学模型建立群桩模型试验系统建立群桩土拱效应和负摩擦力三维有限元模型弹性理论极限平衡群桩桩侧摩擦力分布、土中应力、位移、孔压测试网格划分计算参数土拱的成拱机制分析群桩中应力场、位移场、桩侧摩阻力分布固结理论拱脚确定土拱的拱体构成与几何参数群桩土拱效应试验证据群桩土拱效应与遮拦效应否吻合是是吻合否确立欠固结土中群桩土拱效应理论图1项目研究的技术路线示意图

具体技术路线依次是：首先通过解析方法建立欠固结软土地基中群桩土拱效应的力学模型，阐明欠固结土中群桩土拱的存在机制，而后通过数值模拟法建立欠固结土中群桩三维有限元模型，计算群桩的应力场、位移场和负摩擦力分布，揭示土拱效应机理及其对负摩擦力的影响，最后通过群桩模型试验，测试群桩在桩周固结沉降时土中应力、位移、孔压和桩身负摩阻力的变化规律，并通过与理论分析和数值模拟结果进行对比，验证群桩土拱效应的存在和负摩阻力分布规律。

4.2.3实验手段

本项目模型试验研究主要测试群桩的土拱效应存在的证据和负摩擦力分布，采用3×3群桩模型。实验装置示意图如图2所示。

通过自制模型试验装置，开展欠固结土中群桩在土层固结条件下的负摩擦力试验，采用位移计和