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。     

斜坡上单桩的统一极限抗力分布模式研究∗

假定土体为理想弹塑性体,基于统一极限抗力分布模式,利用最小势能原理,计算不同坡角时的桩前土体极限抗力,得到斜坡上单桩水平承载力的弹塑性解,并编制了相应的MATLAB计算程序。通过室内模型试验,验证了基于统一极限抗力分布模式计算得到的斜坡上单桩的水平承载力和桩身弯矩是合理的。结果表明:单桩的水平承载力随斜坡坡角的增加而降低,坡角为45°时桩顶的水平位移是坡角为15°时的1.45倍,斜坡坡角的大小对单桩的水平承载特性有较大的影响。     

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。     

饱和土中考虑竖向荷载的端承桩水平振动响应解析解

考虑土体应力-应变的梯度变化及桩土耦合振动,对竖向荷载作用下饱和土中端承桩水平振动问题进行了理论研究。采用Euler模型模拟桩基,建立了竖向荷载作用下桩基水平振动控制方程;通过势函数解耦土体Biot动力固结方程,并利用Laplace变换和分离变量法得到土体应力和位移解析表达式;结合桩土连续性条件得到桩基位移、内力和桩顶水平动力复阻抗解析解。将退化解与已有文献进行对比,验证了解的合理性。通过算例分析,讨论了竖向荷载和长径比对桩基位移和内力的影响,研究结果表明:竖向荷载和长径比均会使桩身位移和内力发生重分布;在进行桩基水平向承载力设计时,有必要考虑竖向荷载的影响。     

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。     

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.     

桩端约束对桩身热力学特性影响的模拟分析

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时承担地热能源传热器作用的新技术。实际运行过程中,桩身温度发生变化导致桩体膨胀或收缩;桩周及桩端土体对桩身的自由膨胀约束作用,使桩体内会产生附加应力。基于模型试验和数值模拟方法,开展冷-热温度循环荷载作用下桩基在不同桩端约束条件下的桩身应力和位移特性研究。结果表明,温度荷载作用下桩体最大应力出现在桩身中部;加热阶段桩端约束对桩身应力分布影响比制冷时大;桩身位移变化规律受温度与桩端约束的共同影响,温度变化量增加,桩身上部位移变化量变大,下部位移受影响较小。     

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。     

夏季制冷循环下PCC能量桩负摩阻力特性研究

基于传统PCC(Large Diameter Pipe Pile by Cast-in-place Concrete)桩研发的新型PCC能量桩技术,具有埋管方便、热传导效率高等技术优点。目前针对循环温度下该新型能量桩负摩阻力特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度影响下PCC能量桩的静载荷试验,测得循环温度作用下PCC能量桩的荷载一位移关系,以及桩、土温度等变化规律曲线;进而,通过针对桩侧摩阻力的计算与分析,对实际运行过程中PCC能量桩的承载特性与负摩阻力进行了初步讨论。结果表明,风干砂土中PCC能量桩的竖向承载力随着桩体温度的升高而略有增加;PCC能量桩桩侧摩阻力变化规律与常规能量桩规律一致;制冷循环结束后,能量桩顶部出现负摩阻力区,工程设计人员需要格外关注。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

循环温度荷载下管式能量桩荷载传递机理研究

基于模型试验方法,开展加热(制冷)工作模式下,实心和管式能量桩的热响应测试研究;分析多次加热/制冷循环作用下两种能量桩的热力耦合特性,实测桩顶位移、桩身应变、以及桩侧摩阻力等变化规律,并对实际运行过程中实心和管式能量桩的承载特性进行初步讨论。研究结果表明,相同直径的管式能量桩换热效率高于实心能量桩,管式能量桩对加热循环的热响应要高于实心能量桩;多次循环后,能量桩桩顶产生塑性沉降、桩身产生微小的塑性应变,桩侧摩阻力值增加。     

冲刷作用下两种不同直径的单桩基础循环加载特性∗

海上风电大直径单桩基础长期承受来自环境效应的循环荷载以及海床的冲刷作用，冲刷条件下的水平受荷单桩的循环加载特性是海上风电桩基础设计关注的内容。开展了砂土中大直径和小直径单桩基础冲刷条件下长期循环加载的模型试验，探讨了冲刷深度和循环加载幅值对两种基础形式长期承载变形特性的影响。试验研究表明：砂土中循环加载提高了循环后的单桩承载力，其中小直径桩循环后的水平承载力提高更为显著。冲刷导致循环后的单桩承载力下降，随着冲刷深度增加该效果越明显。在循环加载初期，小直径桩残余累积变形的增加速度小于大直径桩。循环次数大于1 000次冲刷深度为2倍桩径条件下，小直径桩的累积变形趋于稳定，大直径桩的累积变形仍继续发展。通过在无量纲循环加载幅值参数中引入冲刷深度对承载力的影响，建立了冲刷条件下两种不同直径桩基的水平循环累积位移计算模型，适用于考虑冲刷影响的单桩长期水平循环累积变形预测。     

不封底PCC能量桩与传统能量桩换热效率对比研究

PCC能量桩是一种基于PCC桩的新型能量桩技术,目前针对PCC能量桩在制冷和供热过程中的换热效率及热传导特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度作用下不封底PCC能量桩、传统能量桩的温度响应测试,实测获得桩身、桩周土热响应变化规律;继而,结合数值模拟方法,对比分析进/出水温度等因素对不封底PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的热响应略大于传统能量桩,而冬季供热模式下差异不大;相同条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的换热效率较传统能量桩高出24%,而冬季供热模式下仅高7%。     

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。     

考虑径向温度效应的能源桩荷载传递分析方法研究

针对能源桩受温度作用影响时的承载特性难以量化,提出考虑径向温度效应的荷载传递法对能源桩热-力耦合作用下的受力特性进行研究,评估温度变化对能源桩的影响,研究桩身轴力、桩侧摩阻力的分布状态,并以昆山能源桩的现场测试为依托,验证了本文方法的可行性。计算结果表明,温度作用对能源桩桩身应力应变状态有显著影响,当桩体受极限荷载与温度作用时,侧阻力发挥的作用几乎不大,在降温作用下能源桩桩顶会产生残余变形,因此在能源桩设计时应以降温作用时的沉降值为标准进行折减,考虑能源桩的设计承载力。     

膨胀土地基中大比例模型桩浸水试验研究

通过对埋设在膨胀土地基中的一试桩的长时间浸水试验观测，模拟了自然降雨气候条件下单桩位移、沿桩身轴力、侧摩阻力分布、地基胀缩及其时间变化等基桩一系列工作性状和桩-土共同作用规律。试验结果显示：桩顶位移呈现出先下沉后回升并最后趋于稳定的3阶段特征；桩身全长受拉，轴力沿桩身分布呈“波峰”形态。基桩的最大轴力位于桩的中下部，轴力峰值历经由小到大的过程；中性点在浸水过程中，其位置有从桩下部上移的现象；桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比随时间呈现出先减小后增大并渐趋稳定的3阶段特征。研究结果对膨胀土地基中的桩基设计和施工提供了理论依据。     

现浇X型混凝土桩的荷载传递机理初探

现浇X型混凝土桩技术是河海大学开发研制的用于地基加固处理的一项新技术。在模型试验的基础上,通过有限元方法研究了现浇X型混凝土桩的荷载传递机理,并与模型槽试验结果进行了对比,分析中考虑了桩和土之间的接触和土的非线性。通过数值分析,揭示了X型桩的截面形式对侧摩阻力分布、端阻力发挥的影响。计算结果表明,由于桩的泊松比效应,X型桩截面周边不同位置的侧阻力大小有所不同;X型桩中出现了类似于H型桩的"半封闭土塞",与圆截面桩相比,桩端附近的侧摩阻力有较明显的增加;X型桩的桩端承载力系数要小于圆截面桩的情况,体现了X型桩截面形状的影响。     

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。     

基于热力荷载传递原理的能量桩长期响应研究

为研究能量桩的长期工作特性,通过引入Masing准则来建立桩-土荷载传递循环加卸载曲线,进而基于热力荷载传递原理来模拟循环温变荷载作用下能量桩的响应,然后基于现场原位试验,验证模型的可行性,最后研究不同冷热循环方式和桩顶荷载水平对能量桩长期响应的影响。研究结果表明:①循环温变荷载作用会使能量桩桩顶沉降和桩顶轴力不断增大,并最终趋于稳定;②相较于只提供制冷需求的能量桩循环方式,同时提供制冷制热需求的能量桩更容易引起桩顶残余沉降和残余温度应力的持续积累;③相较于桩顶轴力增量,建筑荷载的增大更容易引起桩顶残余沉降的积累。