基于上限定理确定岩溶区桩端极限承载力及其下伏溶洞顶板安全厚度

嵌岩桩因单桩承载力高、沉降量小等优点而在工程中,尤其是高层建筑及大型构筑物中得到了广泛的应用。岩溶区嵌岩桩桩端岩层极易发生冲切破坏。引入用小而非零拉伸截断改进的M-C强度准则描述岩体的破坏特性,确定破坏面上单位面积的能量耗损率;从极限分析上限定理出发,构建了岩楔体平移破坏机构;根据桩端荷载和冲切圆台自重所做的外功率与冲切圆台破坏锥面的能量耗损率相等的条件,建立了虚功率方程,并由此得到了岩溶区桩端极限承载力的上限解及其下伏溶洞顶板安全厚度的计算公式。工程实例分析表明,该方法具有一定的可靠性,可为岩溶区类似建筑桩基的设计和施工提供参考。     

倾斜荷载下条形基础地基承载力系数研究

地基承载力研究是具有重要意义的工程课题。针对倾斜荷载下条形地基承载力问题,通过极限分析上限定理和扇形条分法,构建了条形基础剪切破坏模式下地基承载力的计算方法,建立了倾斜荷载下条形地基极限承载力、承载力系数的表达式。并研究了荷载倾斜角、内摩擦角、粘聚力等参数对条形地基承载力系数的影响。结果表明:地基承载力系数随着倾斜角度的增大而减小;随着粘聚力,内摩擦角的增大而增大;内摩擦角影响显著,粘聚力影响较小。     

岩溶区路基承载力有限元极限分析∗

为计算岩溶区路基极限承载力,根据上、下限定理,结合有限元方法,基于MATLAB平台编制了相关计算程序。采用修正的Hoek?Brown准则来描述岩体的非线性特点,并将其嵌入到计算程序中。在此基础上,用无量纲参数N_σ、η衡量单个溶洞对路基承载力的影响,并详细分析了各参数的影响。结果表明：N_σ随着D/L（厚跨比）、GSI（地质强度指标）的增大而非线性增大,随H/L（高跨比）的增大而减小,与m_i大致成线性关系;当D/L较小时,η随α（旋转角度）的增大先增大后减小;当D/L较大时,α对η的影响不大;岩石的物理力学参数GSI、m_i、γ对η的影响可忽略不计。极限破坏模式可分为顶板冲切破坏、顶板冲切和侧壁联合破坏、顶板冒落和侧壁联合破坏。将条形基础作用在岩层的承载力的结果与已有成果进行对比,误差在3%以内,验证了本文所提方法的正确性。同时,为便于实际工程设计,提供了具体的设计表格,基本能满足大部分工程需求。     

基于相似理论的岩石地基材料制作及模型基础抗拔试验∗

为探究岩石地基中挖孔基础的承载力特征和地基破坏模式,以重晶石粉、铁粉和石英砂为骨料,水和石膏为胶结剂,黏土为增塑剂配置岩石相似材料,应用正交设计方法,以胶结物/骨料质量比（因素 A）、胶结物含水率（因素 B）、骨料细颗粒（铁粉+重晶石粉）占比（因素 C）、细颗粒骨料铁粉占比（因素 D）为 4 个因素,共 16 组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、弹性模量等参数指标,并研究了相似材料物理力学参数与影响因素之间的变化规律;而后选取 3 种代表性相似材料开展了岩石挖孔基础抗拔承载特性的室内模型试验。结果表明：（1）对于相似材料密度,因素 C 影响最大;对于试样黏聚力和抗压强度,因素 B 影响最大;对于内摩擦角,因素 C 影响最大;对于弹性模量,因素 A 和因素 B 影响最大;（2）地基岩体破坏面呈现为沿着一定角度的开口向地面延伸的线性破坏面,且该破坏角随材料内摩擦角增大而减小,在规范中假定的 45°附近变化;（3）依据抗拔承载力计算得到的相似材料等代极限剪切强度随单轴抗压强度增大而增大,约为单轴抗压强的 0.027。     

二维圆形截面浅埋硐室双层围岩塌落形态上限变分分析

考虑岩土体材料的非均质性,本文分析了圆形浅埋硐室顶部双层围岩塌落稳定性。在极限分析上限定理的基础上,构建圆形截面浅埋硐室双层围岩机动许可的速度场,根据Hoek-Brown非线性破坏准则及相关流动法则,推导了塌落极限状态下内能耗散功率以及外力做功功率计算式。根据虚功原理构造泛函,利用变分法求解泛函的极值,进而根据边界条件求得待定系数,并得到了塌落破坏曲面形状。参数分析表明,材料参数A和B以及容重γ的变化对破坏形状有显著影响,而单轴抗拉强度对破坏形状的影响较小。对比了极限分析有限元软件Optum G2的上限结果,两者破坏面吻合较好,由此可说明本文方法的有效性,可为浅埋隧道设计提供理论参考。     

基坑开挖对临近地基极限承载的影响性状数值分析

采用弹塑性有限元分析方法,分析了悬臂式排桩支护的基坑开挖对邻近地基条形基础下极限承载力的影响性状。主要考虑了在基坑开挖深度、荷载与基坑的距离、荷载宽度、支护刚度等因素的影响下地基极限承载力的减损性状。研究表明,基坑开挖深度H较浅时,对地基极限承载力P_u的影响较小,P_u随H的增大略有降低,随着开挖深度的增加,H对P_u值的影响显著增大,且P_u值显著降低;当L/H≤2时,荷载与基坑的距离L对地基极限承载力P_u的影响很大,地基极限承载力P_u随L的减小而显著减小,当L/H>3时,L的影响逐渐减小,且P_u逐渐趋近于无基坑开挖时的值;P_u随地基荷载作用宽度B的增大而呈线性增大;支护桩的位移越小,P_u值越接近无基坑开挖时的地基极限承载力。     

裙板式条形基础在黏性土中的承载力分析

饱和黏性土上的浅基础常会面临地基承载力不足的问题,常规的方法是采用深基础或进行地基处理,往往增加了不必要的造价。此时如果能寻找到一种具有更高承载力的浅基础,将能有效解决这类问题。受到国外海上平台使用裙板式基础的启发,提出一种裙板式条形基础。通过设置竖向裙板将有效约束基底土的剪切滑动,从而显著提高极限承载力。采用有限元建立了黏性土上裙板式条形基础的计算模型,通过数值模拟对比分析了裙板式基础和实体基础的承载力和破坏模式。分析表明,裙板式基础拥有相同高度的实体基础的承载力,但更节省材料、施工更简便。通过理论分析,推导出裙板式条形基础在黏性土中的承载力计算公式,并对比验证了公式计算结果的准确性。     

基于上限定理确定隧道式锚碇极限抗拔承载力

隧道式锚碇作为一种新型的悬索桥锚碇结构,因具有因地制宜、经济环保的优点在多山的西南地区得到了广泛应用。已有研究表明,锚塞体围岩性质较差、埋深较浅,锚塞体与围岩接触界面结合程度较好的隧道式锚碇极易发生倒楔形冲切破坏。将破坏体视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体,假定破坏面为最小旋转曲面,利用变分法经典欧拉方程求解破坏体最小旋转曲面问题,确定旋转曲面母线方程;基于改进的Mohr-Coulomb强度准则,由主缆拉拔荷载和楔形体自重所做的外功率与楔形体沿滑移面所消耗的内功率相等的条件建立虚功方程,推导隧道式锚碇极限抗拔承载力上限解。开展隧道式锚碇室内模型试验,研究了拉拔承载过程中的坡面位移的变化规律及隧道式锚碇的破坏模式。研究结果表明,拉拔作用点的荷载-位移曲线可分为4个阶段：克服重力阶段、弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段;隧道式锚碇破坏模式为围岩倒楔形冲切破坏,破坏体可近似视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体;由推导公式得到的隧道式锚碇极限抗拔承载力计算值与实测值一致性较好,具有一定的可靠性,可为隧道式锚碇的设计提供参考。     

上硬下软双层地基极限承载力的计算方法研究

上硬下软双层地基的极限承载力是一个比较复杂的问题,现有各实用计算方法都有一定的局限性,在计算时往往误差较大。依据已提出的砂层下卧黏土层时条形基础的极限承载力计算公式,与经典文献中的离心机试验数据进行对比,验证了公式的准确性。基于有限元法建立了上硬下软双层地基数值计算模型,通过与已有试验结果及前人数值计算结果的对比进行了验证,然后利用该模型对公式涉及的主要参数进行了分析。结果表明,黏土层的归一化强度和砂层的剪胀角会对地基破坏模式产生影响,当cu/γB≤2、扩散角按照建议公式取值时,推导出的公式计算结果比较准确;而上下土层的模量比对承载力并无明显的影响。     

螺旋锚复合基础对村镇生土建筑抗震性能影响研究∗

村镇生土结构因其抗震能力不足在遭遇地震时产生破坏严重,而螺旋锚基础能提供抗拔力来防止建筑物的隆起和倾覆。针对砂土中螺旋锚锚盘埋深、间距及数量对上拔承载特性及极限上拔承载力影响因素进行数值模拟研究,通过对比优化确定螺旋锚复合基础参数。并以中国村镇典型单层生土结构为研究对象,对条形基础生土结构和螺旋锚复合基础生土结构进行地震反应分析,以此来研究适合村镇生土结构的抗震构造加固措施。基于非线性动力时程分析方法,提取结构顶层位移,研究螺旋锚复合基础对生土结构地震反应的影响。结果表明：①埋深比为 10.5,锚盘间距为 4.5D 时的双片螺旋锚上拔承载特性最好;②在地震动作用下,螺旋锚复合基础形式在一定程度上影响结构的整体抗震性能,螺旋锚复合基础使生土建筑的抗震性能显著提升;③螺旋锚复合基础在地震动作用下的轴力最大值未达到其极限上拔承载力,基础坚实可靠;④地震动作用下,螺旋锚复合基础降低了生土结构的破坏等级,提高了结构的性能水平。     

台风等效静风荷载作用下输电塔线体系极限承载力分析∗

台风引起的输电线路破坏情况屡有发生,为了研究台风作用下输电塔线体系的极限承载力,以实际发生倒塔事故的广东省某 220 kV 输电线路的塔-线体系为研究对象,结合台风风剖面和规范中的方法确定塔线体系的等效静力风荷载,考虑输电塔结构的材料非线性和几何非线性特征,通过有限元软件 ANSYS 在逐级加载条件下分析输电塔线体系的极限承载力,研究风向角、相邻塔的变形、导地线张力的变化对极限承载力的影响。结果表明:(1)通过逐级加载的方式可以较为方便的找到不同工况的极限荷载,确定出结构的最不利风向角;(2)塔线体系模型的选取会较大的影响计算结果,应尽量接近真实情况的选取模型,从而得到更为准确的分析结果;(3)导地线初始张力可以一定程度上提高输电塔线体系的极限承载力,在条件允许的情况下可以适当增加导地线的初始张力。     

高喷插芯组合桩极限承载力的灰色预测

高喷插芯组合桩(JPP)是一种新的桩型,具有承载力高、造价低等优点。许多工程单桩的静载荷试验只能加到两倍设计荷载,无法达到试桩的极限或破坏荷载,因此利用有限的实测数据比较准确地预测高喷插芯组合桩的极限承载力具有一定的现实意义。根据灰色理论,介绍了预测单桩竖向极限承载力的自调整非等步长GM(1,1)模型,讨论了三种不同的灰色模型在有限的实测数据条件下预测单桩极限承载力以及荷载—沉降关系的方法。通过对达到破坏和未达到破坏的工程实例的分析计算,证明三种模型的预测精度是令人满意的,其中等维新息模型预测精度最高。     

DX嵌岩桩承载特性模型试验研究

新型DX嵌岩桩通过在强风化岩层设置承力盘、将桩端置于中风化岩表层,充分挖掘了强风化岩层的端承潜力,桩端阻力亦能较早发挥。与直孔嵌岩桩相比,具有高承载力低沉降、造价节约、工期缩短等优势,在广东、广西等地得到广泛应用,经济效益显著。然而现场静载试验难以达到其承载极限,目前对于DX嵌岩桩承载机理认识尚未充分。为研究极限荷载下DX嵌岩桩承载特性,依托于防城港钢铁原料厂项目,通过3组18根桩的DX嵌岩桩与直孔嵌岩桩模型试验,对其荷载传递特性及承载机理进行了研究。结果表明:①DX嵌岩桩Q—s曲线呈缓变型;②同等条件下,DX嵌岩桩极限承载力较直孔嵌岩桩提高118%~131%;当直孔桩嵌岩深度增加时,DX嵌岩桩承载力仍较其提高56%~64%;③单个承力盘在加载初期承担桩顶荷载百分比达30%~33%,同时桩端承担荷载百分比达14%~16%;随荷载增加,承力盘底部岩体发生局部破坏,盘阻力增长速率逐渐减小,端阻力则加速增长;极限荷载下,盘阻力占总承载力百分比下降至20%~22%,端阻力占总承载力百分比增长至36%~38%,与现场试验结果较为一致。     

桁架转换钢筋混凝土井塔结构抗震性能研究∗

为研究罕遇地震作用下桁架托柱转换井塔结构的抗震性能 ,通过 PERFORM?3D、PKPM/SATWE 与 SAP2000 软件,分别对某桁架托柱转换井塔结构进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析。研究抽柱前后井塔结构整体和关键构件的地震响应及破坏机制,得到了在罕遇地震作用下的层间位移角、基底剪力、顶点位移、结构塑性状态过程及转换桁架、框架柱、框架梁、连梁、剪力墙的内力变化和破坏状况。结果表明：在罕遇地震作用下,抽柱后结构的动力特性变化不大,整体结构具有良好的抗震性能,最大层间位移角为 4.4‰,符合规范要求;抽柱后基底剪力较抽柱前有所减小,但结构刚度满足要求;抽柱后的顶点位移略大于抽柱前的顶点位移,证明抽柱后结构的整体刚度略有降低;抽柱后屈服机制与原结构基本相同;转换桁架弯曲、剪切、轴向变形均未进入基本运行状态,具有良好的抗震性能;框架梁和连梁截面的抗剪承载力利用率变化不大,框架柱截面最大抗剪承载力利用率均值有所增大但依然满足要求,不会产生剪切脆性破坏,而剪力墙整体的抗剪承载力利用率均值偏低,建议适当减小剪力墙厚度,提高截面抗剪承载力利用率;抽柱后剪力墙扶壁柱的纤维应变发生了变化,最大拉应变小于钢筋的极限拉应变,钢筋未发生严重屈服,最大压应变小于混凝土的极限压应变。     

静载作用下埋地管道数值模拟及其力学性能分析

针对静载作用下埋地管道变形与力学性能,通过有限元数值模拟与模型试验对比分析,验证了有限元数值方法可靠性,进而综合分析了管周砂土相对密实度Dr、加载板宽度B、加载板中心距管道中心水平距离L、管道埋深H和管壁厚度t等因素对管道性能的影响。结果表明:增加Dr,管道正上方加载板极限承载力显著增加,相同荷载下管道应变和径向变形相应减小,管道应变以环向压应变为主;同等条件下随着B的增加,加载板极限承载力呈近似线性增加,管道径向变形和应变增长速率明显增加;随着管道埋深H增加,管道正上方加载板极限承载力先增加后减少,并最终趋于稳定,当埋深为3 D时管顶处竖向应力约为无管道时的50%,管顶土拱效应明显;当增加L时加载对管道径向变形和应变的影响持续减弱,二者沿管周的分布规律明显变化;增加管壁厚度可有效抑制管道环向应变,但对管道径向变形和加载板极限承载力无明显影响。     

倒梯形布筋方式的加筋土挡墙承载破坏性能分析

基于已有室内条形基础下倒梯形布筋加筋土挡墙模型试验,采用FLAC3D有限差分软件建立加筋土挡墙三维数值模型,探讨了基础偏移距离D对挡墙极限承载力、面板水平位移、筋材拉应力分布以及潜在破裂面的影响。研究结果表明：基础的极限承载力随着基础偏移距离D的增大呈现出先增后减趋势,通过综合分析基础的极限承载力、0.1 b(b为基础宽度)沉降量对应的承载力以及基础最终沉降量,得出基础最佳偏移距离D=0.45 H(H为墙高);当D/H≤0.45时,挡墙面板的最大水平位移出现在顶部,当D/H>0.45 H时,挡墙面板最大水平位移出现在挡墙的中部距离墙趾约0.4 H的位置;随着D/H的增加,筋材的拉应力峰值逐渐向挡墙内部偏移,在筋长方向上均呈非线性分布;挡墙的潜在破裂面受基础偏移距离D影响显著,破裂面位置整体向荷载方向偏移,且可用指数型曲线表示。     

植筋搭接混凝土柱偏心受压性能试验研究

对钢筋混凝土植筋搭接柱在静载作用下的偏心受压破坏进行了探索性的研究。通过试验,得到了试验柱的承载力与锚固长度、跨中弯矩与挠度、荷载与位于搭接段跨中截面受压区混凝土应变等关系曲线。试验结果认为,钢筋混凝土搭接柱在混凝土未被压坏的前提下,发生的钢筋锚固失效主要是锚固强度失效,并确认了植筋试件的薄弱面。另外,试件破坏时的粘结应力随锚固长度的增加逐渐减小。而对FISV360S植筋胶来说,锚固长度的增加能明显地提高试验梁的极限承载力。最后分别提出了临界锚固长度计算公式和试验柱极限承载力计算公式。     

高强再生混凝土梁抗弯性能试验研究

为研究高强再生混凝土梁正截面受力变形特点和破坏特征,进行了不同再生粗骨料取代率的高强再生钢筋混凝土简支梁抗弯性能试验。4个试件的截面及配筋相同,设计再生混凝土强度为C55。分析了各试件的破坏特征、承载力、延性、耗能等。研究表明:高强再生混凝土梁与高强普通混凝土梁一样,正截面受弯破坏都要经历弹性、开裂、屈服以及破坏4个阶段;正截面应变仍然服从平截面假定;相同条件下,高强再生混凝土梁的开裂弯矩和极限抗弯承载力较普通混凝土有所降低,但相差不大;抗弯刚度小于高强普通混凝土抗弯构件,但延性较好。最后,根据现行混凝土结构设计规范中普通混凝土梁的计算公式,验算了高强再生混凝土梁的极限承载力,其与高强普通混凝土梁的极限承载力差别不大。     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

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。