大直径群桩基础承载特性现场试验及数值模拟

大直径群桩基础具有承载力高的特点,在软土区大型工程基础中具有广阔的应用前景。基于某桥梁群桩基础工程的单桩现场竖向静载试验数据,运用ABAQUS试算拟合土体参数,运用所得土体参数对基桩水平荷载作用下的承载特性进行计算和分析,并对承台-群桩基础在竖向和水平荷载下的承载特性进行了研究。研究表明：当最大竖向荷载作用于承台-群桩基础时,承台最大位移为84.83 mm,按照位移控制原则计算得到群桩效应上限值为83%,下限值约为62.8%;竖向荷载作用下群桩中各桩的沉降值存在差异,中心桩最大,其次是边桩,角桩沉降最小,且随着荷载的逐渐增大,角桩与边桩和中心桩位移差量呈现出先增大后减小的变化趋势;最大水平荷载作用于承台-群桩基础时,基础水平位移水平影响范围约为1.5倍承台边长,最大影响深度约为1.5倍承台边长。桩间土体在地表以下0.5倍承台边长范围内呈现出拉-剪应力状态。对群桩在水平和竖向荷载作用下承载特性的分析及其相关结论,可为相关工程设计借鉴。     

受侧向土体位移斜桩的特性

通过三维有限单元法分析了斜桩受侧向土体位移的特性。变动柱和土体参数进行敏感性分析,得出桩的柔度、侧向土体位移的大小、桩顶约束条件、土体位移形状和土体移动层厚度等对斜桩的影响。刚性桩的挠度小于柔性桩,但弯矩和剪力大于柔性桩。斜桩非线性弹簧的土抗力—位移关系(p-y曲线)表现为双曲线特征,可基于直桩的Winkler地基反力法对斜桩进行简化计算分析,但应对直桩的极限土抗力值进行修正,以期更好的反映斜桩的特性。     

埋地管道-砂土横向相互作用试验及理论研究

通过埋地管道-砂土的横向相互作用试验,研究了砂土密实度、管径、埋深等对土体极限抗力的影响,初步探讨不同埋深下的管土相互作用规律。根据试验中浅埋与深埋下管周土体不同的破坏模式,分别建立了管周土体破坏简化计算模型。借鉴桩土相互作用p—y曲线方法对管周土体发生不同破坏模式时的土体极限抗力进行了理论推导,并给出分别适用于浅埋与深埋工况下的土体极限抗力计算公式。结果表明,埋地管道-砂土相互作用简化计算公式与已有试验及数值模拟结果均具有较高吻合度,验证了公式计算结果的准确性。     

长短桩复合地基承载力发挥系数取值研究

根据水泥土长短桩复合地基试验结果,得到了考虑荷载水平的水泥土长短桩复合地基承载力计算公式。然后,考虑复合地基中桩体、桩间土和复合地基沉降量之间的相互关系,利用现场载荷试验成果,对单桩复合地基和长短桩复合地基的桩间土承载力发挥系数和合理的s/b取值范围进行了对比研究,得到了长短桩复合地基桩间土承载力发挥系数的计算方法。结果表明:长短桩复合地基桩体先于桩间土出现破坏,桩体极限荷载点对应的复合地基s/b值为s/b的上限;当垫层模量Ec为100M Pa时,长短桩复合地基s/b上限为0.0034,对应的桩间土承载力发挥系数为0.29。     

端承桩‑土动力相互作用的频域子结构分析方法∗

对动力荷载作用下桩‐土相互作用问题,将桩和结构等效为一维杆、土体假定为黏弹性介质,提出了一种桩‐土动力相互作用的频域子结构分析方法。首先,基于连续介质力学方法,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦, 根据边界条件推导桩周土体位移和应力的表达式,并结合桩‐土耦合连续性条件推导出均质土体中水平抗力表达式。之后,基于有限元方法将桩和结构采用梁单元离散,进一步通过有限元离散得到土体水平抗力与桩位移之间的动力刚度矩阵,并将其与桩和结构的动力刚度矩阵耦合形成耦合有限元方程,从而建立了结构‐桩‐土体系动力响应的频域子结构模型。最后,通过 Abaqus 软件中的三维有限元模型对该方法进行了验证;利用提出的模型分析了土体动力刚度、土体阻尼和土体模型等对结构动力响应的影响,并分析了地震动一致和非一致激励对结构地震响应的影响。     

桩基础影响下既有地铁隧道截面内力计算研究∗

城市已建地铁隧道的保护是目前市政建设中需要考虑的重要问题之一,针对非挤土桩和挤土桩两种桩型新建桩基础影响下既有地铁隧道的截面内力计算展开研究。采用"二阶段"法研究思想,首先基于桩基础荷载传递法、Mindlin位移解及柱孔扩张理论,分别计算得到非挤土桩和挤土桩在隧道截面位置处产生的土体位移。之后,将隧道衬砌简化为环形弹性地基梁模型,同时考虑土体抗力的影响,并将土体位移施加到环形地基梁模型,从而得到2种桩型引起的隧道衬砌截面的内力分布。研究过程中将理论结果与既有土工离心机试验进行了对比分析。研究结果表明:①计算方法得到的衬砌内力与既有文献土工离心式试验值差别不大且趋势一致,验证了计算方法的合理性;②挤土桩施工引起的隧道弯矩最大值增量远大于非挤土桩在极限荷载时的增量;③隧道截面弯矩最大值位置与桩端-隧道圆心相对位置有直接关系,大约位于桩端-隧道圆心连线相交处。     

非均质地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨非均质地基中V-T联合受荷桩的承载特性,考虑地面处桩周土体剪切模量为非零值且随深度呈幂函数分布,计入桩-土接触面处位移非协调性及加载顺序的影响,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立桩身位移控制方程,并引入相应力和位移边界条件,导出桩周土体在不同受力状态下桩身的内力位移解析解,进而推导出不同加载顺序下V-T联合受荷桩的承载力,从而得到其承载力包络图。V-T联合受荷桩参数分析结果表明:桩身承载力随长径比L/D增大而增大,而随桩侧土体剪切模量与极限摩阻力分布常数比n、桩土弹性模量比λ增大而减小;桩顶所受扭矩T不断增大时,其能承受的竖向力V随之变小并最终趋于零,且T→V承载力包络线始终处于V→T承载力包络线内侧。     

扩底桩桩侧土水平抗力的分布特性

桩侧土的水平抗力是计算桩基水平承载力的重要因素。本文对扩底桩基础桩侧水平抗力特性进行研究。制定模型试验方案,进行扩底桩水平加载室内模型试验。整理模型试验加载数据获得扩底桩在水平荷载作用下的桩顶加载位移曲线、桩侧土抗力、桩底土抗力的分布曲线等重要数据,分析各数据获得扩底桩桩侧土水平抗力的分布规律。通过有限元软件模拟不同桩长、扩底尺寸的扩底桩承受水平荷载时的加载情况,通过对数值模拟结果的分析获得扩底桩受水平荷载作用时的受力变形特性,研究不同尺寸参数对扩底桩水平受力特性的影响情况。研究表明,桩长越短越有利于发挥扩大头的嵌固作用。根据对桩底扩大头处土抗力分布曲线的分析研究扩大头的嵌固力作用,进而提出扩大头嵌固力的计算方法。     

扩底桩抗拔承载特性数值分析

基于通用软件ABAQU S,建立了扩底抗拔桩三维弹塑性有限元模型,通过对模型的计算与分析,探讨了扩底桩的抗拔承载特性。为验证数值模型的可靠性,将数值计算得到的荷载—位移关系曲线与试桩资料进行比较,两者吻合较好,表明本文所建立的模型可较好地模拟扩底抗拔桩的工作性状。通过计算与分析,探讨了扩底抗拔桩的轴力、侧摩阻力分布特征,桩身和扩大头周围土体变形与塑性应变的发展规律,以及扩大头的挤压作用对扩大头周围土体竖向应力的影响。同时,通过变动参数研究了扩大头的形状、土体的性质对扩底桩抗拔承载力的影响,结果表明,扩大头直径和扩大头周围土体的性质对抗拔承载力的影响较大,而扩底高度的影响相对较小。     

水平循环荷载下大直径单桩承载变形特性有限元分析∗

大直径单桩基础是近海风电产业常用的基础型式,研究大直径单桩在风、浪、流等水平循环荷载作用下的承载变形特性意义重大.基于ABAQUS软件平台,通过建立桩土相互作用的三维有限元模型,对已有的大直径单桩离心模型试验开展数值模拟.数值计算时采用一个循环弹塑性本构模型描述桩侧土体的循环应力应变响应,通过.调用该模型的UMAT子程序,设置适当的桩土接触条件、分析步及计算参数,建立了能够追踪水平循环荷载下砂土中大直径单桩位移时程的有限元分析方法.通过与已有离心模型试验结果的对比发现,建立的有限元方法可以描述砂土中大直径单桩在水平单调及循环荷载下的变形过程,反映循环荷载位移曲线的非线性、滞回性及位移累积特性,预测随循环荷载次数增加,桩身弯矩、位移等的分布特征及演化规律.     

黄土山区冲沟地形对桥梁桩基有效桩长影响研究∗

为全面了解黄土山区冲沟地形对桥梁桩基有效长度的影响，在对山西省典型黄土山区桥梁下部全面调查的基础上，依据黄土地区现场桩基静载试验，应用FLAC^3D建立黄土山区地形桥梁桩基有限差分模型，分析了不同坡度、临坡距、桩长变化对桩基有效桩长的影响，揭示了桩基承载力、桩侧摩阻力、桩端阻力及有效桩长变化规律，并依据计算结果提出相关工程技术建议。研究结果表明：一定桩长时，斜坡坡度、临坡距变化对桩侧摩阻力产生不同程度影响，对桩端阻力影响不大；坡度越大，临坡距越小，桩侧摩阻力减小幅度越显著，最大为70.89%；坡度较小、临坡距较大时，增长桩长使桩侧摩阻力从95.99%提高至99.71%；桩侧摩阻力变化的根本原因是桩基有效长度发生改变，桩基有效桩长折减程度同斜坡坡度及桩基临坡距有关，与桩长无关；建立的桩基有效长度计算公式可为黄土山区冲沟地形条件桩基础设计提供技术借鉴。     

卡扣式机械连接预应力实心方桩承台节点力学性能有限元分析

介绍了一种新桩型-卡扣式机械连接预应力混凝土实心方桩,然后针对卡扣式机械连接预应力混凝土实心方桩和承台处节点试验中没有考虑的因素进行了数值模拟分析,包括预应力方桩配箍率、增加的普通钢筋配筋率以及不同有效预应力等因素,以探究这些因素对预应力方桩承台节点力学性能的影响。研究结果表明:不同箍筋间距对节点的水平最大承载能力影响较小;箍筋间距越小,对混凝土的约束能力就越大,节点水平承载力的下降段越平缓;箍筋间距越大,水平承载力的下降段越陡峭,刚度退化越快。提高有效预压应力可以提高节点处的水平承载能力;有效预应力越大,桩身会发生更大的损伤,有效预应力越小,承台会发生更大的损伤;增加普通钢筋,能有效改善预应力方桩的延性和水平承载能力;使用大直径钢筋能增加节点的锚固性能,桩身承受更多的损伤。数值模拟成果可为卡扣式机械连接混凝土实心方桩的后期改进和应用推广提供可靠的依据。     

大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能研究∗

为了研究大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能,选取鱼山大桥37#桩开展了自平衡试桩试验,并利用数值模拟软件ABAQUS对实际工况进行模拟,在验证了数值模型正确性的基础上对模型施加桩顶竖向荷载,分析了其桩身轴力与钢管应力传递规律,并通过改变变截面位置参数建立不同工况模型,分析了变截面位置对桩基竖向承载性能的影响。研究结果表明:自平衡试桩试验Q-s曲线没有突变较为平缓,经计算该桩单桩承载力为120 056kN,为单桩设计桩顶最大竖向荷载38 212 kN的3.14倍,桩基足够安全;数值模拟结果与实测较为吻合,数值模拟方法以及参数选取得当;变截面位置以上桩身轴力减小较缓,变截面处桩身轴力存在突变,变截面以下桩身轴力减小较快,桩端有端阻力存在,钢管处于弹性变形阶段并未屈服;变截面位置以上桩段越长桩基抵抗竖向变形能力越强,但生产实际中应考虑材料用量以达到最优。     

弹卡式连接预应力混凝土方桩接头抗拉性能研究

为了解决预制混凝土桩现场拼接工作量大、接头易腐蚀等问题,创新研发了弹卡式连接预应力混凝土方桩接头。通过单个弹卡连接件的拉伸试验以及3种常用桩型方桩接头试件的足尺度抗拉性能试验,研究该方桩接头的抗拉承载力、变形延性以及破坏特征。结果表明:单个弹卡连接件的极限抗拉承载力大于150 kN,涂满环氧树脂后其极限抗拉承载力、变形延性和整体性均有所提高;弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件的极限抗拉承载力试验值均大于其桩身极限抗拉承载力规范公式计算值;方桩接头试件的破坏形式有桩身受拉破坏和弹卡连接接头受拉破坏两种;建立的数值模型可以较好地模拟方桩接头试件从加载到破坏全过程,模拟得到的极限抗拉承载力与试验结果相接近。     

上砂下黏地层中桩‑筒复合基础V‑H承载特性∗

海上风机基础不仅受自重等竖向力V 作用,也因水流、波浪和风等影响而承受水平荷载H。为探讨上砂下黏地层中一种由单桩和吸力筒组成的新型海上风机桩-筒复合基础受V?H 组合作用时的承载特性,自主设计完成了一系列室内桩-筒复合基础V?H 组合加载模型试验,获得不同组合参数下桩-筒复合基础的荷载-位移曲线和桩身弯矩分布曲线,并绘制出V?H 承载力包络线。在此基础上,采用ABAQUS 建立了上砂下黏地层中桩-筒复合基础三维数值分析模型,经模型验证与参数分析,进一步讨论了砂土厚度、筒径、筒高以及加载高度等参数对桩-筒复合基础承载特性的影响曲线,并拟合出桩-筒复合基础承载力简化计算公式,分析结果表明：桩-筒复合基础能显著提高桩身水平承载力,增幅达30%~90%,且增加筒径比增加筒高更有利于提高基础水平承载力;上部砂土层较厚时,桩-筒复合基础存在一个使复合基础水平承载力达到最大的预加竖向荷载最佳值,其值随不同载荷工况在（0.4~0.7）Vult范围内变化。     

浆固碎石桩荷载传递特性试验与数值分析

通过室内模型试验,对浆固碎石桩这一新型桩基技术的承载性状、荷载传递特性进行了探讨。试验结果显示,浆固碎石桩极限承载力明显大于桩底注浆桩和素混凝土桩的极限承载力,说明浆固碎石桩中水泥砂浆胶结桩侧泥皮和桩底沉渣改善了桩侧摩阻和端阻能力。通过对模型桩P—S关系、桩端阻力Q_p—P关系的分析,初步了解了浆固碎石桩在竖向荷载作用下的承载性状,同时给出了浆固碎石桩的端阻力及侧摩阻力的提高系数。在此基础上,利用Flac~(3D)三维有限差分软件对模型试验进行计算分析,进一步研究浆固碎石柱的承载性状,揭示了模型桩受荷后的荷载传递规律。     

水平荷载作用下PCC桩群桩效应数值分析

采用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC桩群桩在水平荷载作用下的工作性状。比较了PCC桩群桩和等截面实心圆形桩群桩的水平承载力和群桩效率,得到了PCC桩纵、横向群桩效应的临界桩距;分析了桩距、桩数、桩顶约束条件对PCC桩群桩效率的影响。研究表明,PCC单桩和群桩的水平承载力都较等截面实心圆桩大;PCC桩纵、横向群桩效应的临界桩距分别约为外径的7.4倍和2.8倍;桩距愈小、桩数愈多,PCC桩群桩效率愈小,当设计桩距小于临界桩距时,应考虑群桩效应;PCC桩桩顶固接或铰接时,弯矩分布和承载力差异较大,设计中可以通过改变桩顶的约束条件来协调桩身受力性状。     

哑铃桩模型试验与承载力计算方法研究

对自主研发的哑铃桩进行了系列试验和理论分析。通过与不同截面形式的桩进行承载性能试验对比,分析了存在顶盘、扩头情况下的哑铃桩与传统单桩等桩型在不同外力荷载作用下的承载力差异,及其与桩端受力、荷载沉降等的关系。研究表明,本文模型试验中,周围填土是砂的条件下,哑铃桩桩端阻力分担了绝大部分的桩顶荷载,可把哑铃桩视作端承桩进行设计,其承载力较之其它桩型显著提高,且在达到桩基极限承载力时,其所对应的桩顶沉降较之普通预制桩明显减小。此外,还针对哑铃桩的构造特点提出了哑铃桩承载力计算公式,并通过与试验数据的对比,验证了其合理性。     

喷灌挤压组合桩工作机理现场试验研究∗

通过5棵喷灌挤压组合桩破坏性静载试验,获得该桩工作机理,明确荷载传递机制、桩身轴力、侧摩阻力分布规律。不同荷载作用下,轴力沿桩身逐渐减小,在翼板顶轴力小幅度增大;桩身侧摩阻力随着外载的增加而逐渐增大,上部土体侧阻力先于下部土体发挥作用;揭示喷射注浆效应范围为7～8 m。喷灌挤压综合效应承载力增长显著,主要表现在侧摩阻:存在翼板时,喷射注浆与翼板共同作用,其侧摩阻极限值在砂土层中提高3～4倍,在黏土层中提高2～2.5倍。无翼板存在,但存在喷射注浆效应时,其侧摩阻力极限值提高了2～2.5倍。与普通长螺旋灌注桩相比其极限承载力提高25%～100%。