考虑桩周剪切效应的单桩荷载传递机制分析

桩的存在使桩周土的竖向有效应力不等于上覆土自重应力与上部外加荷载的简单叠加,原因是桩-土相对刚度导致桩-土接触面上产生竖向剪切。通过平衡分析法,得到不同荷载形式下桩周土竖向有效应力、桩侧正（负）摩阻力、总侧摩阻力和轴力（下拽力）的计算方法,根据已开展的饱和黏土中单桩的负摩阻力试验,验证了公式的合理性,证明了考虑竖向剪切效应的必要性。通过计算分析可知：桩周土竖向均布荷载作用下,桩-土竖向剪切效应削弱了桩周土竖向有效应力、桩侧负摩阻力和桩身下拽力,剪切效应的控制参数?分别取-0.01、-0.02和-0.04时,靠近桩端的桩侧负摩阻力分别为? = 0时的91%、83%和71%,靠近桩端的桩身下拽力分别为? = 0时的93%、87%和76%。由于下拽力受截面几何参数影响,其折减程度略小于桩侧负摩阻力。因此,桩周土表面均布荷载作用时,忽略桩-土竖向剪切效应可能高估由下拽力引起的桩顶沉降。     

桩顶荷载对负摩阻力性状影响的现场试验

负摩阻力是桩周土体沉降产生的桩附加沉降和下拽力的综合效应。为了研究不同的桩顶荷载对负摩阻力基桩性状的影响,在同一个试验场地上,对不同桩顶荷载作用下完全相同的3根桩的负摩阻力性状进行了现场测试。测试结果表明,桩顶荷载对于桩的负摩阻力性状有明显影响。随着桩顶荷载的增加,负摩阻力引起的桩附加沉降越大,桩周土体沉降引起的负摩阻力就越小;负摩阻力引起的下拽力也随着桩顶荷载的增加而减小;中性点位置随着桩顶荷载的增加而上升。这对桩基负摩阻力特性的研究是有益的。     

不同堆载形式对群桩负摩阻力的影响

在既有桥墩桩基础周围土体堆载时,会引起土体的沉降和侧向变形,进而在桩身产生负摩阻力,对桩基变形及承载性能有很大影响。为研究围载和单侧边载作用下群桩中不同位置桩基的受力差异,以3×3群桩基础为研究对象,进行围载和单侧边载作用下的模型试验,分析了不同位置桩基轴力、侧摩阻力、中性点位置和基桩承载力安全系数等的变化规律及差异。研究结果表明：围载工况下,角桩的轴力、侧摩阻力最大,边桩次之,中心桩最小;中性点位置角桩最深,边桩略高,中心桩距桩顶最近。边载工况下,靠近边载侧和中间一排桩基轴力、侧摩阻力与围载时的变化规律类似,远离边载侧的一排桩基受边载影响较小,无负摩阻力;各桩基中性点位置变化规律类似于围载工况。与围载工况相比,边载时同一位置桩身轴力、负摩阻力均较小,中性点位置较高。与单侧边载工况相比,围载时各基桩承载力安全系数FS均较小且随荷载的增大衰减梯度较大。该研究成果为不同堆载形式下群桩基础的设计提供参考。     

加载次序引起的负摩阻力桩摩阻力分布的变化

简要分析了加载次序对于负摩阻力桩基桩土相互作用影响的机理。采用有限元方法计算比较了这种差异。计算结果表明,加载次序的变化会引起桩身摩阻力分布、中性点位置和下拉力的变化。桩身摩阻力的分布差异主要是桩身上部负摩阻力的大小,负摩阻力先出现时的负摩阻力值较小,这种状况在各级桩顶荷载下不会改变。负摩阻力先出现时,中性点的位置比较低,两者的差距随着桩顶荷载的增大而变得加大。负摩阻力先出现时下拽力小于桩顶荷载先施加的情况。这对于负摩阻力桩基检测的研究和应用是有益的。     

砂土中群桩的压拔加载试验研究

进行砂土的单桩和2×2群桩的压、拔试验,测定桩身轴力、桩顶荷载、位移以及桩端阻力。试验研究结果表明,群桩的抗压群桩效应系数 >1,最优桩间距为4D(D为直径),对应的 约为1.2;桩端阻力群桩效应系数 大于桩侧摩阻力群桩效应系数 ,其最优桩间距为5D,对应的 值约为1.3;桩侧摩阻力群桩效应系数在3D时约为1.2,但随桩间距的增大而减小。与前人理论分析的结果不同,由于砂土的挤密效应,试验测得抗拔群桩效应系数也大于1,最优桩间距在4D～5D之间,系数约为1.2。桩间距为7D时压、拔群桩效应系数均趋近于1,可基本忽略群桩效应。     

承台外区土阻力群桩效应及效应系数的有限元分析

利用三维弹塑性有限元方法,对复合桩基承台外区土阻力群桩效应及其效应系数进行了研究,讨论了土类、桩长、桩距、桩数等对承台外区土阻力群桩效应及其群桩效应系数的影响,结果表明(1)承台外区土阻力随承台宽与桩长之比 (B/L)的增大而增大,但增幅不大;随桩距S增大而增大;受桩数n的影响不大。(2)承台外区群桩效应系数随B/L增大几乎无变化;随S增大而增大;不随n变化而变化。(3)承台外区群桩效应系数与土类有关。     

基于有效应力法的单桩负摩阻力计算

负摩阻力问题广泛存在于新建填土地区的桩基工程中,对桩基础承载特性产生较大的影响。基于有效应力法和桩侧摩阻力发挥机理,建立单桩负摩阻力计算的分段模型;通过桩土体系的变形假设和静力学平衡方程,确定桩侧摩阻力分段区间及中性点位置;利用位移和桩截面轴力控制方程,推导分段区间内桩身位移及轴力解析解。验证结果表明:桩侧负摩阻力的传递特征及分布范围可以通过计算公式确定。     

大规模群桩基础相互作用近似解耦方法

针对传统弹性理论法过高地估计了桩-桩相互作用效应,基于杆件有限单元法建立了半无限土体中群桩基础的桩侧剪应力求解方程,通过简化桩-桩的相互作用效应,将群桩基础桩侧摩阻力的求解方程近似解耦,实现了群桩基础桩身剪应力和位移的快速求解目标。通过两桩相互作用系数以及柔性承台下群桩基础差异沉降的对比分析,验证了该简化方法的合理性。参数分析结果表明,该简化方法计算得到的相互作用系数与严格的边界积分方程法解答较为接近,稍小于Poulos弹性理论法的计算结果;柔性承台下群桩的差异沉降在桩间距较小时与经典解答较为接近,而在桩间距较大时则存在一定的差别。该简化方法大幅减少了群桩计算工作量,适用于大规模群桩基础的快速计算要求。     

带承台群桩负摩阻力性状的三维有限元分析

无承台群桩中各桩的桩-土相互作用是相互独立的,带承台群桩的桩-土相互作用要受到承台的约束。简要分析了带承台群桩负摩阻力变化的机制。采用三维有限元分析了地下水位下降条件下带承台群桩的负摩阻力性状。分析结果表明,带承台群桩的负摩阻力与单桩负摩阻力总体相近,随着上部荷载的增大,中性点上升,附加沉降增加,下拉力减小,只是各位置桩有差异。荷载不大时,承台对各位置桩沉降的约束明显,各桩中性点几乎重叠。随着荷载的增加,承台本身变形增加,中性点的差异逐渐变得明显,角桩中性点位置最低,边桩次之,中心桩最高。带承台群桩中各桩的负摩阻力沿着深度的发挥程度不同。角桩负摩阻力发挥最为充分,边桩次之,中心桩最小。     

扩底楔形桩竖向抗压和负摩阻力特性研究

扩底楔形桩是基于结合常规扩底桩和楔形桩的优点而开发的一种新桩型,能同时提高桩侧正摩阻力和桩端阻力,并能有效降低土体沉降引起的负摩阻力对基桩的影响。简要介绍了扩底楔形桩的受力机制和施工方法;基于FLAC3D有限差分软件,通过针对实际工程的数值模拟验证数值模拟的可靠性,对该新桩型在竖向抗压和负摩阻力特性方面的力学特性进行了初步探讨,并与等体积混凝土的常规扩底桩、楔形桩和等截面桩进行了对比分析;进而研究了桩端土体与桩周土体模量比、楔形角、扩大头直径以及桩体模量等因素对扩底楔形桩力学特性的影响。研究结果表明,同等级地面堆载作用下,扩底楔形桩中桩侧负摩阻力引起的桩顶下拽位移最小、桩身下拽力值介于常规楔形桩和扩底桩两者之间。     

湿陷性黄土地区桩侧负摩阻力问题的试验研究

负摩阻力问题广泛存在于桩基工程中,在我国西北部自重湿陷性黄土地区尤为普遍,若处理不当,将导致严重的桩基功能失效。由于湿陷性黄土地区基桩负摩阻力受各种因素的影响,目前大面积现场浸水载荷试验仍是确定负摩阻力大小和发展规律最有效的方法。结合山西某电厂地基处理试验中大直径桩的大面积浸水静载荷试验,对自重湿陷性黄土浸水过程中桩侧负摩阻力的变化规律及湿陷变形对基桩竖向承载力性能的影响进行了分析,得到了桩侧负摩阻力的分布规律及对承载性状的影响,具有重要的工程指导意义。     

填土场地桩基负侧摩阻力设计计算方法试验研究

厚填土场地地基自身固结变形对桩基产生的负侧摩阻力不可忽视。依托实际工程现场监测资料,对厚填土场地的桩基负侧摩阻力的分布规律进行分析,提出了简化的负侧摩阻力沿轴向线性分布理论计算图及负侧摩阻力系数计算方法。通过与监测资料进行的对比分析,得到本工程填土场地基桩的负侧摩阻力系数为0.09～0.15,验证了所提出的计算方法的合理性,为以后类似场地地基桩基的合理设计提供参考依据和工程借鉴。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究

高承台群桩基础是高速铁路桥梁基础的一种常用形式,受到风、地震等荷载作用影响,常常需要承受较大的横向荷载。采用室内物理模型试验和三维有限元程序ABAQUS对软土地层中单桩、群桩的横向承载特性进行了研究,软土采用修正剑桥黏土本构模型,试验结果与有限元计算结果吻合较好。群桩研究方案包括了桩数的变化以及桩间距的变化。结果表明,群桩基础的基桩平均横向承载力（总承载力/桩数）较单桩基础显著增加,且水平荷载方向桩间距越大,其横向承载力越大;群桩基础基桩受力存在三维空间效应,不同位置基桩受力大小排序为角桩最大,其次为边桩,最小为中间桩,弯矩极值差异可达20%,群桩基础桩周土影响范围距外围基桩边缘净距离约为16D (D为桩径)。桩与桩相互影响效应对群桩水平承载不利,承台约束效应对水平承载有利。探讨了考虑上述两种效应的群桩效应系数计算方法,通过计算验证了该方法在软土地区高承台群桩基础横向承载力计算中的适用性。     

大直径深长桩泥岩侧摩阻力试验研究——以吉林省龙华松花江特大桥工程试桩为例

泥岩地基中泥岩的桩侧摩阻力设计参数比较缺乏。通过对吉林省龙华松花江特大桥工程试桩的自平衡静载试验分析,并结合室内桩和泥岩接触中型剪切摩擦试验,揭示了该地区泥岩地基中大直径深长灌注桩泥岩侧摩阻力作用机制及承载特征,得出了一些对泥岩地基中钻孔灌注桩的设计和深入研究具有指导意义的结论。结果表明：大直径深长桩桩端阻力分担的荷载只占总承载力的一小部分,属摩擦型桩。自平衡测试中,全风化泥岩侧摩阻力达到173 kPa,强风化泥岩侧摩阻力达到279 kPa,中等风化泥岩侧摩阻力达到336 kPa,实测值较规范参考值大很多。建议在桩基设计时通过室内桩和泥岩接触中型剪切摩擦试验,基于莫尔库伦理论预估泥岩侧摩阻力,为桩基承载力的确定提供参考。     

桩基负摩阻力时间效应试验研究

由于黏土固结缓慢,桩基负摩阻力存在明显的时间效应,然而目前相关研究仍显不足。设计实施了能实现桩顶加载及较大超载值的单桩及双桩负摩阻力模型试验,桩周土采用砂土和软黏土夹层,测定了模型桩身应力、桩顶位移以及土体分层沉降随固结时间的变化。试验结果显示,沉降、负摩阻力具有明显的时间效应。土表超载作用下土体沉降带动桩沉降,桩与土体的沉降均表现出早期快、后期慢的趋势。试验加载初期,黏土夹层处的负摩阻力略小于砂层,但随土体固结而增长,其基本变化规律与沉降相同。因桩端砂土层沉降稳定迅速,中性点随桩身沉降增长略呈上移趋势。此外,相同荷载作用下桩间距较小的双桩,由于下拉力较小,其沉降较小。试验条件下,3D桩间距的负摩阻力群桩效应系数在0.71～0.77之间,6D桩间距时不存在负摩阻力群桩效应。     

基坑开挖对单桩及群桩回弹位移的影响分析

基坑开挖后坑底土体回弹,将会带动坑内基桩回弹,并在桩侧产生侧摩阻力。为了分析基坑开挖条件下单桩及群桩的受力变形特性,采用三维有限元方法对单桩及群桩在基坑开挖条件下的回弹位移进行了分析。分析结果表明,基桩在基坑开挖条件下的回弹位移分为桩侧土体回弹而引起的基桩回弹和下卧层回弹导致的基桩回弹两部分。由于群桩外侧桩的遮帘效应,中心桩的回弹位移小于外侧桩,中心桩桩侧摩阻力的发挥量也小于外侧桩。随下卧层相对刚度E_b/E_c变大,5×5群桩回弹位移相对减小量W_r变大,且W_r的变化与桩位置有关。3种不同构形群桩的对比分析结果表明:群桩桩数越多,遮帘效应越明显;W_r受桩数的影响大于受桩间距的影响。