海上风电桩基础竖向承载力循环弱化简化分析

提出了一个考虑循环衰减作用的软黏土弹塑性损伤弱化模型,在此模型基础上建立了一个基于剪切位移法的单桩竖向承载力简化计算方法,并利用大型有限元软件进行了不同循环荷载水平下单桩竖向承载力的计算。为了证明简化方法的准确性与有效性,将计算结果与有限元计算结果进行对比,二者的吻合度较高。先期循环荷载能引起单桩竖向承载力弱化,并且弱化程度随先期循环荷载水平的增加而增加。最后将简化方法应用于某海上风电场桩基础承载力的计算中,结果表明,提出的简化方法可应用于实际工程问题的分析。     

考虑桩基弱化的导管架平台横向振动特性试验研究

导管架平台桩身循环往复运动将使桩周土体超孔隙水压增加、横向土抗力降低,从而导致桩基弱化。泥面以下6倍桩径处嵌固桩身的等效桩简化理论没有考虑桩基弱化对平台基础自然频率的影响,计算结果与实测值有一定差距。为研究桩基弱化对平台结构横向振动特性的影响,进行了比例尺为1:10的导管架平台模型试验,测量不同循环荷载作用之后导管架平台模型水平方向的振动特性。由试验结果可知,桩基横向土抗力在不同循环荷载作用过程中出现不同程度的衰减,桩基土抗力的衰减与桩身往复运动的幅值和次数有关。考虑桩-土相互作用时导管架平台模型两个水平方向的基础自然频率（基频）比等效桩理论计算值分别低15.5%和6.0%。桩基弱化后,实测值与计算值的差距增大到22.0%和13.4%。假设导管架-桩-土系统阻尼为比例阻尼,通过试验结果发现,桩基弱化对系统阻尼影响较小。     

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。     

黏土中两种不同直径单桩水平循环加载模型试验与分析

为探讨海上风机在风、浪等水平往复循环荷载下大直径单桩基础的循环弱化特性,设计了稳定输出长期循环荷载的机械加载装置,开展了软黏土中长期水平循环荷载下海上风电大直径单桩基础和传统长桩基础的模型试验对比研究。根据API给出的骨干曲线和Masing二倍准则构建循环荷载下的p-y（荷载-位移）曲线,并借鉴前人工作,采用累积塑性应变描述软黏土的不排水抗剪强度弱化,提出了分析大周数水平循环荷载下单桩基础循环弱化的理论方法。该方法将循环荷载次数、幅值等外界条件与桩周土体的循环弱化特性建立联系,以适应海洋环境复杂多变的水平循环荷载形式。通过模型试验和理论研究认为,大直径单桩基础因刚度较大,在同样的水平力循环荷载条件下,其抵抗循环荷载的能力明显优于传统长桩。在海上风机大直径单桩的设计中采用基于黏土残余强度的循环后稳定水平承载力更为合理。     

砂土中桩-土-承台协同作用下桩基承载特性细观研究

为探究桩-土-承台协同作用下,带承台单桩极限承载力大于其单桩及承台基础单独作用下极限承载力之和的强化机制,在砂土地基中分别建立能够反映单桩、带承台单桩及承台基础静载试验全过程的二维离散元模型,并通过与室内模型试验荷载-沉降曲线变化规律对比,验证了模型的合理性。基于验证后的数值分析模型,从细观的角度对砂土地基的变形机制和桩基的承载特性进行分析。结果表明:地基变形机制方面,相对于单桩与承台基础,带承台单桩对地基土的扰动程度更显著,台下抗载土体范围更大;桩基承载特性方面,在带承台单桩桩侧一定范围土体出现成拱现象,成拱作用加强了桩侧、桩端附近土体的密实度,提高了桩侧摩阻力及端承力,进而使得整体承载力得到提高。该离散元数值模拟结果可以为带承台桩基设计和承载力估算方法提供参考。     

轴向荷载对斜桩水平承载特性影响试验及理论研究

斜群桩受水平荷载作用时,群桩中的基桩受到径向荷载、轴向荷载和弯矩的共同作用。为研究轴向荷载对斜桩水平承载特性的影响,完成了3根单桩以及1组1×2斜桩的大尺寸模型试验。试验结果表明：轴向拉力作用会降低斜桩的水平刚度和极限承载力;而轴向压力作用则会使其水平刚度和极限承载力提高。基于桩侧浅层土体楔形破坏假定,推导了考虑轴向荷载影响的斜桩水平极限土抗力计算公式,提出了桩侧土抗力的p-y曲线方法,并通过模型试验及现场试验验证其合理性。     

碎石土土体性状对桩基水平承载能力的影响

桩基作为一种广泛使用的基础形式,其在如地震荷载、风荷载下的水平承载力确定十分重要。桩基水平承载能力主要由桩身及土体性质控制,而土体性质中密实度和含石量是影响碎石土场地上桩基水平承载能力的主要因素。为明确碎石土场地土性对桩基水平承载能力的影响,在室内开展5组不同土体密实度和含石量下的水平场地单桩水平静载试验,以此模型试验数据计算所得的临界荷载、极限荷载、水平扩散角、计算宽度和水平抗力系数的比例系数m值等为指标评价土体密实度和含石量对桩基水平承载能力的影响。试验结果表明增大密实度和含石量对各指标均有提升效果,但相比之下,密实度对各项指标的提升效果均明显优于含石量。综合考量下,碎石土密实度和含石量的增大均对桩基水平承载力有提升作用,但土体密实度的提升作用更明显。故对水平承载力要求较高的碎石土上桩基工程的选址中,应优先选择密实度较大的场地。     

湿陷性黄土中成孔方式对桩基承载力影响试验研究

为了研究黄土地区成孔方式对桩基承载特性的影响,依托永寿至咸阳高速公路工程,对两个试验区4根试桩进行了静载试验,分析研究了不同成孔方式下桩基荷载传递规律。研究结果表明：成孔方式对桩基承载特性影响较大,黄土地区旋挖钻孔灌注桩承载力高于泥浆护壁循环钻孔灌注桩;循环钻孔灌注桩在成孔时需泥浆护壁,桩侧形成的泥皮会严重影响桩侧土体摩阻力的发挥,桩侧极限摩阻力值较小,桩端承担桩顶荷载比例较高;浸水后湿陷性黄土结构破坏,单桩承载力较原始状态有所下降;由于上覆黄土层湿陷量较小,浸水状态下桩侧土体并未产生负摩阻力。     

倒T型导管墙桩基防波堤桩基土抗力及稳定性简化计算方法

倒T型导管墙桩基防波堤作为新型港工结构,主要依靠桩基和自身重力维持稳定。以天津港水文地质条件为算例,建立三维弹塑性有限元模型,通过荷载-位移关系曲线,确定稳定性安全系数。分析极限状态下桩基沿环向与竖向的土压力分布,得出桩侧极限水平土抗力,并将有限元结果与美国规范API土抗力计算方法进行比较。造成防波堤结构失稳的原因主要有两个,即结构自身无法满足强度要求和土体达到极限。结构自身强度达到极限时,可用p-y曲线有限差分迭代法求取安全系数;土体达到破坏极限时,可分别假定转动点位于桩轴线上和偏离桩轴线两种情况,利用极限平衡法,建立抗倾稳定性简化计算方法。经验证,理论方法得到的稳定性安全系数与有限元结果比较接近。     

大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究

大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。     

Degradation model for one-way cyclic lateral load on piles in soft clay

The analysis of laterally loaded piles in soft clay is carried out idealising the pile as beam elements and the soil by nonlinear inelastic spring elements modeled with elasto-plastic sub-elements. The nonlinear hyperbolic model for static load condition is developed based on the undrained shear strength and modulus of subgrade reaction. An iterative procedure is adopted to perform a nonlinear finite element analysis and the effect of static lateral load on deflection is studied. Based on the lateral deflection at the end of first cycle (static load), the degradation factor is assumed and the p-y curve is modified. The cyclic load analysis is carried out using the static analysis program idealising the soil by modified p-y curve, which considers the effect of number of cycles and magnitude of cyclic lateral load. The results of the proposed analytical model compare well with the published experimental results, on piles subjected to one-way cyclic loading for different magnitude of cyclic lateral load and number of cycles.     

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明：循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。     

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。     

灌注桩桩土相互作用试验及有限元模拟研究

以灌注桩桩土相互作用的原位试验为基础, 结合西安土层结构、性质; 采用有限单元法对黄土地区的砼灌注桩桩土相互作用进行仿真模拟, 研究了桩土相互作用、荷载的传递规律、桩土相对位移与桩侧摩阻力的关系。通过桩载试验资料对比, 得出三维有限单元法的模拟结果与实测值相近, 该研究进一步揭示了桩土相互作用的实质, 为最优桩长的选取和单桩承载力的确定奠定了基础。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

Inclined load capacity of suction caissons

A simplified method of analysis for estimating lateral load capacity of suction caisson anchors based on an upper bound plasticity formulation is presented. The simplification restricts the analysis to caissons in uniform and linearly varying undrained strength profiles; nevertheless, its computational efficiency permits quick evaluation of a number of parameters affecting load capacity. The validity and limitations of the simplified formulation are demonstrated through comparisons to more rigorous finite element solutions. A series of sensitivity studies demonstrate the effects of various soil conditions and loading parameters. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Nonlinear analysis of laterally loaded rigid piles in cohesive soil

This article presents a method for the nonlinear analysis of laterally loaded rigid piles in cohesive soil. The method considers the force and the moment equilibrium to derive the system equations for a rigid pile under a lateral eccentric load. The system equations are then solved using an iteration scheme to obtain the response of the pile. The method considers the nonlinear variation of the ultimate lateral soil resistance with depth and uses a new closed‐form expression proposed in this article to determine the lateral bearing factor. The method also considers the horizontal shear resistance at the pile base, and a bilinear relationship between the shear resistance and the displacement is used. For simplicity, the modulus of horizontal subgrade reaction is assumed to be constant with depth, which is applicable to piles in overconsolidated clay. The nonlinearity of the modulus of horizontal subgrade reaction with pile displacement at ground surface is also considered. The validity of the developed method is demonstrated by comparing its results with those of 3D finite element analysis. The applications of the developed method to analyze five field test piles also show good agreement between the predictions and the experimental results. The developed method offers an alternative approach for simple and effective analysis of laterally loaded rigid piles in cohesive soil. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Selection of p–y curves for the design of single laterally loaded piles

Two-dimensional finite element analysis has been used to find load–transfer relationships for translation of an infinitely long pile through undrained soil for a variety of soil-constitutive models. It has been shown that these load–transfer curves can be used as p–y curves in the analysis of single piles undergoing lateral pile head loading in undrained soils with non-linear stress–strain laws. Lateral pile response deduced from 2-D analysis input to the subgrade reaction method has been compared to the behaviour of a single pile analysed using three-dimensional finite element analysis. Good agreement between the two methods for non-linear soils suggests that the 2-D analysis may form a useful design method for calculation of p–y curves. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.