砂土地基中受水流影响的竖向力-水平力联合受荷桩承载特性模型试验研究

海上风机大直径单桩基础除承受竖向荷载V与水平荷载H外,同时还受水流冲刷、扰动。基于Swipe加载法,在室内水槽模型中设计完成了砂土中的V-H联合受荷桩测试,获得了静、动水流状态及不同竖向力大小条件下的荷载-位移曲线及桩身弯矩分布;经无量纲化处理与拟合,得到了考虑水流影响的V-H联合受荷桩承载力包络线及其简化计算公式。结果表明:水流冲刷降低了总的桩侧摩阻力,导致竖向荷载-位移曲线初始刚度降低;桩身水平位移和弯矩在仅受水流作用时较小,但同时受水流、水平荷载作用相比于单一水平受力时则明显增大;增加桩顶竖向荷载在水平位移较小时有助于提高桩身水平承载力,但随水平位移增大且竖向荷载接近竖向极限承载力V_u时,可能会因重力二阶(P-Δ)效应而削弱桩身水平承载力;桩身最大弯矩位置不会随水流状态与竖向荷载大小的改变而明显变化,基本保持在泥面以下2～3倍桩径处。     

均质砂土中H(t)-T联合受荷单桩内力位移分析

为探讨均质砂土地基中桩顶水平简谐荷载H(t)与扭矩T联合作用下的单桩承载特性,基于改进的有限杆单元法,考虑桩周土的刚度贡献及H(t)-T的耦合作用,建立出桩身综合刚度矩阵,再利用MATLAB求解桩身的内力位移,进而通过参数分析获得桩身长径比(L/D)、桩土刚度比(E_p/E_s)、H(t)的无量纲频率(a_0)与幅值(Q_0)以及桩底边界条件等对H(t)-T联合受荷桩内力位移的影响曲线,其表明:随入土深度增加,桩身弯矩先增大后急剧减小,而扭矩和变形急剧减小直至为零,即存在一有效桩长l_d;l_d与桩身内力位移受E_p/E_s的影响较大,当E_p/E_s从1500增至3500时,l_d从27.3D增至44.1D,且桩身弯矩最大值相对增大23.5%,而地面处桩身水平位移与扭转角分别减小19.0%及26.0%;减小H(t)的无量纲频率a_0或增大幅值Q_0均可适当提高桩身受扭承载力;桩底边界条件只对有限长桩的内力位移有影响。     

水平荷载作用下PCC桩复合地基工作性状

利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽进行PCC桩水平承载足尺试验,实测得到了水平荷载作用下桩身弯矩分布。利用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC单桩与等截面实心圆桩、PCC桩复合地基与等截面实心圆桩复合地基在水平荷载作用下的工作性状,对其桩身弯矩和水平位移的分布规律进行了比较,分析了竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率对PCC桩复合地基桩身性状的影响。研究表明,PCC桩复合地基在水平荷载作用下,随着竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率的增加,其桩身弯矩和水平位移随之减小。因此,在PCC桩复合地基设计时可以通过适度调整这些影响参数来减小水平荷载作用下的桩身弯矩和水平位移,确保桩身的安全。     

水平与上拔组合荷载下柔性单桩承载特性试验研究

为探讨柔性单桩在水平与上拔组合荷载下的承载特性,开展了两组共6根单桩室内模型加载试验。其结果表明:相比于纯水平受荷桩的极限承载力H_(u1),预先施加不超过0.5T_(u1)(纯上拔桩的极限承载力)的上拔荷载能够提高单桩的水平极限承载力,且随上拔荷载增加,水平极限承载力先增大后减小;增大预先施加的上拔荷载降低了同一水平荷载下桩身的弯矩及土反力,也削弱了地基的水平刚度,综合影响下桩身的水平位移先减小后增大;预先施加不超过0.5H_(u1)的水平荷载主要增大0～10D(D为外径)范围内桩身的平均摩阻力从而提高上拔极限承载力值,且水平荷载越大,其提高效果越显著;当水平荷载达到0.5H_(u1)时,对应的上拔极限承载力相比T_(u1)增加了17.1%,设计中可对增加的上拔极限承载力给予考虑。进一步通过理论研究验证了试验结果的合理性,给出了组合荷载下柔性桩的上拔极限承载力计算公式,其计算误差在6%范围内。     

粉质黏土中沉箱-桩复合基础水平向承载性能试验研究

为进一步研究沉箱-桩复合基础的水平向承载性能,开展粉质黏土中单桩、沉箱-桩复合基础在水平向荷载和竖向及水平向组合荷载作用下的系列试验,对沉箱-桩复合基础的水平荷载与位移关系、桩身弯矩、位移及土抗力分布规律及群桩效应等进行了研究。结果表明,在水平荷载作用下沉箱对桩顶的约束使桩身弯矩分布较桩顶自由情况要更均匀,并能有效地降低桩身弯矩、位移及土抗力,提高了基础水平承载能力;在同时作用有竖向和水平向组合荷载时,沉箱底摩擦力参与抵抗水平力作用、桩顶竖向力也有利于进一步提高基础水平承载力;试验获得了不同桩数、桩顶约束、荷载作用条件下的沉箱-桩复合基础群桩效应系数,对于桩距为6倍桩径的情况,桩与桩之间的相互影响很小。     

基于离散单元法研究沉管复合地基水平工作特性

通过颗粒流模拟,建立了沉管复合地基水平受荷时的离散元模型,对桩在水平荷载作用下的受力性状进行了研究.分析了土体位移场变化规律和应力变化等宏观因素,以及土颗粒力链、配位数和孔隙率等细观参数.由模拟结果可知：竖向荷载作用下沉管在水平方向移动时,垫层颗粒受到扰动,当增加竖向荷载,沉管底部土体受扰动范围变小,可知增加竖向荷载使桩间土的挤密作更显著,对降低土体扰动有较明显的效果;通过对桩顶土颗粒中强力链在沉管水平位移影响下的发展趋势研究知道,土体颗粒体系内力链并不是不变的,强弱力链之间可以相互转换.     

考虑土体屈服的纵横荷载单桩变形内力分析

为提高桩身变形较大时纵横荷载单桩的设计计算水平,假定地基反力系数沿深度线性增加,考虑土体屈服及纵向荷载的P-?效应并计入桩身自重和桩侧摩阻力的影响,得到了地面以下桩身变形和内力的幂级数解。结合已有的地面以上桩身响应的幂级数解,采用Fortran语言编制了计算程序。计算结果表明：桩顶位移、地面处桩身位移及桩身最大弯矩均随纵横向荷载和自由段桩长的增加而增大,并随土体屈服位移的增加而减小;纵向荷载足够大时桩基失稳;桩顶约束条件对桩的响应影响很大。计算值与模型试验的实测值吻合较好,所得解和程序是可靠的。     

均质砂土中水平简谐荷载与扭矩联合受荷单桩内力、位移分析

为探讨均质砂土地基中桩顶水平简谐荷载H(t)与扭矩T联合作用下的单桩承载特性,基于改进的有限杆单元法,考虑桩周土的刚度贡献及H(t)-T的耦合作用,建立出桩身综合刚度矩阵,再利用MATLAB求解桩身的内力、位移,进而通过参数分析获得桩身长径比(L/D)、桩土刚度比(E_p/E_s)、H(t)的无量纲频率a_0与幅值Q_0以及桩底边界条件等对H(t)-T联合受荷桩内力、位移的影响曲线,研究表明:随入土深度增加,桩身弯矩先增大后急剧减小,而扭矩和变形急剧减小直至为0,即存在一有效桩长l_d,l_d与桩身内力、位移受E_p/E_s的影响较大。当E_p/E_s从1500增至3 500时,l_d从27.3D增至44.1D,且桩身弯矩最大值相对增大23.5%,而地面处桩身水平位移与扭转角分别减小19.0%及26.0%;减小H(t)的无量纲频率a_0或增大幅值Q_0均可适当提高桩身受扭承载力;桩底边界条件只对有限长桩的内力、位移有影响。     

局部冲刷下群桩水平承载试验研究

基于典型冲刷坑形态,通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用,对典型的9桩群桩进行了冲刷前、后水平承载试验,对相同参数的单桩进行了平行对比试验,详细分析了荷载-位移特性、桩身弯矩分布、群桩效率系数以及荷载分担比的变化规律。结果表明,随着冲刷深度增加,单桩和9桩基础水平承载力均呈现减弱趋势,水平群桩效率系数逐渐增大,承台约束作用效应更加明显,桩身弯矩增大,最大弯矩点位置向桩端移动,前排桩荷载分担比增大,中、后排桩荷载分担比减小;前排角桩受冲刷深度和水平荷载影响最大,设计时需采取有效的加强措施。     

基于双曲线模型的T型刚性桩荷载传递特性研究

假定桩土荷载传递函数为双曲线模型,分析T型刚性桩荷载传递机制,建立桩及桩帽下土体的竖向位移、竖向应力、侧摩阻力与深度之间的控制微分方程。采用微分方程近似解法,推导出相应的解析表达式。利用桩顶沉降作为已知条件进行求解,所得结果能够出反映T型桩荷载传递性状规律,即桩身轴力随深度增加而减小;桩身侧摩阻力随深度增加呈现出先增大后减小;桩土应力比与荷载有关。文中方法的计算值更接近于试验结果,可为工程设计提供理论基础。     

复合桩基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律试验研究

复合桩基上堆载可能引起侧向约束桩侧移,导致侧向约束桩和复合桩基失稳破坏。采用室内模型试验研究复合桩基重复加、卸载过程中侧向约束桩水平变位规律。结果表明：（1）复合桩基上加载时,侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值,峰值随加载增大而增大,出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处,峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大;（2）复合桩基上重复加、卸载时,侧向约束桩的桩顶侧移随桩间距增大而增大,弹性变形则变小。中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小。若荷载超过首次加载的最大荷载,侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线,具有记忆效应。第 次卸载曲线与第i次卸载曲线线型相似且相互平行。每次卸载的初、中期,荷载的减小不影响桩顶侧移,只有卸载到最后1～2级时,侧移才开始减小,直到永久塑性变形。侧向约束桩的顶部水平位移回弹曲线特征与岩石或土在垂直加、卸载作用下的回弹曲线相似。     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性,开展了室内单桩竖向静载模型试验,分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性,与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明：珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型,在加载过程中,荷载主要由桩侧摩阻力承担,轴力随着深度的增加而减小,桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小,随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加,桩身线膨胀量逐渐增加,桩-土相互作用更加明显。添加25% HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力,提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

考虑坡度效应的水平受荷桩应变楔计算方法

由于坡度效应的存在,常规方法并不适用于斜坡上水平受荷桩的计算,首先开展了斜坡上基桩的横向加载破坏试验,以确定斜坡上基桩的破坏模式。在此基础上,沿坡体方向对破坏土楔体进行斜向单元划分,提出了考虑坡度效应的土体应变楔模型,对于其中的关键参数应变楔深度与应变楔土体应变采用迭代求解。迭代过程中,建立基桩横向受荷的桩-土相互作用方程并用有限杆单元法求解,当求解得到的桩身地面处位移与应变楔模型中地面处土体位移之差小于某一允许值时,得到的基桩的水平位移及内力即为最终解答。通过与试验测试数据的对比,验证了该方法的合理性。最后,将土体破坏深度与边坡斜率的比值定义为陡坡效应影响范围,并对其影响因素进行了对比分析。结果表明,陡坡效应的影响范围受土体强度参数及基桩尺寸等多因素影响,其随着桩径的增加而减小,且随土体强度的增强而减小。     

长桩基础偏位时单桩承载力分析与讨论

结合湘潭某钢结构厂房钻孔灌注桩施工偏位实例,探讨单桩基础(长桩)在大偏位情况下能否满足承载力的要求,通过借鉴现行规范对于单桩水平承载力的计算,以及现有的桩在荷载作用下桩身各处内力及位移分布情况的研究,根据桩身配筋率的大小进行分类,对按桩身强度控制的桩和按桩顶位移控制的桩这两类情况分别推导其在偏心轴向荷载作用下的极限弯矩...     

竖向荷载作用下斜桩荷载传递性状试验研究

通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中斜桩的荷载传递性状,分析了桩身倾角及长径比对斜桩桩身轴力、弯矩、剪力、桩侧摩阻力及端阻比的影响。试验结果表明：在桩顶竖向荷载作用下,斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力,桩身倾角越大,轴力沿深度衰减得越快,桩长径比越大,轴力沿深度衰减得也越快;斜桩桩身最大弯矩随桩身倾角及长径比的增加而增加,最大弯矩出现的深度与桩身倾角无关,只与长径比相关;不论桩身倾角及长径比的大小,斜桩桩身最大剪力均出现在桩顶截面处,桩身最大剪力随着桩身倾角的增加而增大;桩身倾角越大,斜桩最大摩阻力越大,长径比越大,斜桩最大摩阻力越小,斜桩最大摩阻力出现在桩顶下1/4～1/5桩长处;斜桩端阻比随着桩顶竖向荷载的增加而增大,随着桩身倾角及长径比的增加而减小。     

循环荷载频率对黏土中吸力锚承载力影响的模型试验研究

为了研究循环荷载频率变化对吸力锚承载力的影响,进行了不同频率循环荷载作用下,张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载与循环荷载共同作用时的承载力模型试验。结果表明,当循环荷载与静荷载加载方向相同时,尽管循环荷载频率不同,但锚的破坏模式与静荷载作用下锚的破坏模式一致,均为竖向拔出;荷载循环频率的变化对锚的循环平均位移有一定影响,在循环荷载开始作用阶段,随循环频率增大,循环平均位移逐渐减小,随荷载循环次数增加,循环频率对循环平均位移影响逐渐减弱;荷载循环频率改变会对锚的循环承载力产生影响,当荷载循环频率从0.1 Hz减小至0.01 Hz时,若循环破坏次数为100,循环承载力降低8%左右;若循环破坏次数为1 000,循环承载力降低4%左右;当循环破坏次数达到2 000时,循环承载力仅降低1%左右,此时可忽略循环荷载频率的变化对承载力的影响。     

群桩效应有限元分析

利用有限元方法,对竖向荷载作用下复合桩基的群桩效应进行了计算分析,讨论了桩长L、桩距与桩径之比Sa/d、桩数n、土类等对群桩效应及群桩效应系数η的影响。结果表明：复合桩基中各个基桩的极限承载力Qu及η随L增大而增大;当Sa/d小于某个数值时,Qu,η随Sa/d增大而增大;当Sa/d大于某个数值时,Qu,η随Sa/d增大而减小。群桩效应及η与土类有关;η存在极大值,随n增多而减小,但减幅不大。     

基桩水平静载试验及内力和变形分析

桩基作为一种重要的基础形式,在岩土工程中应用广泛,对于安全等级要求较高的重大工程项目,往往需要通过原位水平静载试验确定基桩的水平承载力,分析桩身的内力及变形。结合实际工程详细地介绍了利用钢筋计测试水平荷载作用下桩身弯矩、挠度和转角分布的方法,根据桩顶位移和钢筋内力测试结果判定试验桩的水平临界荷载为120 kN;根据钢筋计测试结果可知,在水平荷载作用下,桩身最大弯矩截面位于在地面以下2～3 m处,且随着荷载的增大最大弯矩截面逐渐向深部转移;发生弯曲变形的部分主要是桩长1/3以上的桩体,而其下的桩体几乎不发生变形。     

刚性桩复合地基水平承载力特性

利用三维非线性弹性有限元方法,研究了刚性桩复合地基在不同垂直荷载作用下的水平承载力特性,分析了不同褥垫层厚度及其地基土的性质对复合地基水平受力特性的影响,得出了水平荷载作用下桩身弯矩和挠度的分布规律。研究表 明,垂直荷载的大小改变了复合地基水平荷载作用下的破坏模式,直接影响着其水平承载力;适当的垫层厚度可降低桩所分担的水平荷载,有利于桩身的安全。