桩-土界面特性对砂土地基中抗拔桩承载特性影响的模型试验研究

针对砂土地基中不同L/d的抗拔桩进行了模型试验,模型桩采用了3种不同界面,结合界面剪切试验探讨了桩-土界面特性对抗拔桩荷载-位移曲线、极限承载力及残余承载力的影响,得到了以下几点结论：模型桩长径比L/d不同时,每种界面抗拔桩荷载-位移曲线是类似的,光滑钢桩上拔力达极限承载力后保持不变,粗糙界面模型桩上拔力达极限承载力后降低,直至达残余承载力;抗拔桩达极限承载力时的静止土压力系数K受桩-土界面粗糙程度的影响,界面越粗糙,K值越大;界面越粗糙,抗拔桩残余承载力与极限承载力的比值越小,该比值随L/d的变化较小;对于粗糙界面抗拔桩,残余承载力与极限承载力的差别一部分是由于桩-土界面摩擦角的降低引起的,另一部分是抗拔桩达到极限承载力后作用在桩表面上的水平土压力降低引起的。     

刚性荷载下现浇X形桩复合地基极限承载力特性研究

现浇X形桩是通过等截面周边扩大原理,将圆形截面的正拱变为反拱而成的。作为一种新型的异型截面桩,目前对其极限承载力的计算仍采用规范中建议的经验公式。结合南京桥北污水处理厂地基处理工程的现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS,建立刚性荷载下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身模量、桩周土模量、桩长、褥垫层厚度和模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的荷载-沉降关系,从而得出复合地基的极限承载力。结果表明,现浇X形桩单桩复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩单桩复合地基增大20%以上,X形桩4桩梅花形复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩大12.35%。极限承载力随桩身模量、褥垫层模量、桩周土体模量或者桩长的增大而增大,而且在众多影响因素中桩周土体模量对复合地基极限承载力的影响最为明显。     

抗拔桩极限平衡方程及其应用

将抗拔桩侧阻力分解为与桩侧正压力不相关的桩-土黏结强度 、与桩侧有效正压力成正比的摩擦力 两部分,采用摩擦定律计算摩擦力 。基于轴对称条件,假定土体为半无限弹性体,以Mindlin公式积分计算分析极限平衡状态下桩-土共同作用,依据平面应变条件下柱状孔扩张的弹性力学解建立桩-土界面位移协调方程,推导出抗拔桩极限平衡方程,给出了求解方法及计算参数确定方法。该方程能反映桩与土的材料特性、桩体尺寸、桩顶埋深、群桩效应、卸荷效应等多因素对抗拔桩极限承载力的影响。结合海上风电大直径超长抗拔钢管桩足尺试验进行验证。对比分析结果表明,该方法计算的抗拔极限承载力与实测值接近,计算精度远高于现行规范推荐方法,其结果可为工程应用及抗拔桩承载力机制研究提供参考。     

饱和黏土中抗拔桩上限承载力分析及土塞效应

构造了抗拔桩上限分析机构,对饱和黏土中闭口桩与开口管桩抗拔承载力进行了上限计算,通过与弹塑性有限元、下限法及API方法进行对比说明了其合理性,并与实测资料对比验证了此方法的可靠性。研究了长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性和土塞高度对抗拔承载力的影响,拟合出了闭口桩的抗拔净承载力预测公式。主要结果表明：对于闭口桩,归一化的抗拔净承载系数和单桩长径比之间近似呈线性关系。对于开口管桩,开口管桩抗拔净承载力系数与闭口桩抗拔净承载力系数的比值随长径比的增大有增大的趋势;管桩抗拔净承载力系数随着土塞高度的增加而增加,土塞对管桩的抗拔承载力有不可忽略的影响。     

钉形搅拌桩单桩承载力及荷载传递特性的数值模拟研究

在现场试验的基础上,对钉形桩单桩承载力及荷载传递特性进行了三维数值模拟。模拟结果表明：在其他条件相同的情况下,钉形桩的单桩极限承载力在一定范围内随扩大头高度增加而增大,随扩大头直径增加而增大,但单位水泥用量的单桩极限承载力随H/L和D/d均先增大后减小,存在最优值。从单桩承载力角度看,钉形桩存在有效桩长。钉形桩的桩身荷载主要集中在扩大头部分,是主要承载部位。由于扩大头的作用,钉形桩的桩身轴力在变截面附近有较大的衰减,其他条件相等,在各自的极限荷载下,钉形桩下部桩体的轴力大于常规桩,桩身侧摩阻力比常规桩发挥更加充分。     

工作荷载下温度循环对桩基变形与应力的影响分析

目前针对工作荷载下温度循环对桩基承载力特性的研究相对较少,基于室内模型试验方法,对饱和砂土中工作荷载下桩体在多次冷热循环作用时的承载特性和传热特性进行研究,测得温度循环作用下桩体和桩周土体温度、桩周水平土压力、桩体应变以及桩顶位移随时间的变化规律。试验结果表明,施加温度循环作用后桩体及桩周土体温度变化不大,桩周水平土压力也能基本恢复到初值,但在桩体内部则会产生较少残余应变,桩顶下沉并随着循环次数的增加不断累积,从而影响结构的整体承载能力。     

夯实水泥土桩的荷载传递特性

运用荷载传递法结合 Geddes 公式计算夯实水泥土单桩的荷载(Q)- 位移(s)曲线, 分析单桩 Q-s 曲线随桩长 l 、桩体极限强度 qu 、桩端土压缩模量 Es 的变化规律, 并研究桩身压缩、桩端阻力及位移随桩顶荷载的变化规律。     

临海浅埋富水明挖隧道底板合理支护参数研究

沿海地区深基坑设计施工都十分重视其抗浮问题,在深基坑开挖前掌握抗拔桩对于基坑隆起和围护结构变形及受力规律十分重要,其研究成果对于节约工程成本和保证基坑施工安全具有重要的指导意义。以港珠澳大桥侧接线拱北海关隧道明挖段为依托,首先建立抗拔桩与土体的硬接触模型,并验证该模型对于抗拔桩模拟的合理性,采用极差分析法研究底板不同桩长和桩径加固对基坑围护结构稳定性的影响规律。分析结果表明,增大桩长可更有效地减小地表沉降,增大桩径可更好地控制连续墙的变形,增大桩长和桩径都可以很好地控制坑底隆起。     

斜向上拔螺旋桩基础极限荷载计算

斜向荷载作用下抗拔螺旋桩基础的研究选用螺旋桩为研究对象,引入了随动坐标系,并将桩-土相互作用形成的地基反力以载荷的形式施加于桩体和叶片,解决了大变形材料使用小变形弹性材料叠加原理问题,分析了斜向荷载抗拔螺旋桩基础的破坏模式,建立了斜向荷载作用下抗拔螺旋单桩和群桩基础的极限荷载估算公式,通过与螺旋群桩原型试验的极限荷载判定值的对比,斜向极限荷载估算值约为判定值的93.3 %。表明所使用的研究方法,提出的破坏模式和极限荷载计算方法比较符合实际情况,对斜向荷载抗拔螺旋桩基础工程的设计与分析有一定的指导意义。     

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。     

软岩地基中大直径布袋桩抗拔试验研究

西北地区深大基础工程日益增多,兼顾基础抗浮和耐久性问题的研究空白,借助西宁火车站综合改造工程,引入大直径布袋桩技术,有效解决了基础抗浮和耐久性问题;选择6根试桩进行了现场单桩抗拔载荷试验,最大加载量为9 060 kN;运用MATLAB软件分别拟合出3种抗拔极限承载力预测函数模型的曲线,同时运用PLAXIS软件对不同等级荷载桩-土位移进行模拟,并与实测的荷载-位移曲线对比分析。研究发现：双曲线和幂函数模型较适合此类抗拔桩极限承载力预测;本地区类似地基预测大直径缓变形抗拔桩极限荷载所需的极限位移标准应由0.030D减小为0.025D;仅根据土层的物理力学特征确定抗拔桩桩周土的极限摩阻力不够完善,至少还要考虑埋深不同对具有相似物理力学特征土层性质的影响。     

桩-桶基础抗拔承载力分析

根据新型基础一桩-桶基础在上拔荷载作用下的颗粒流模拟试验结果,分析了桩桶基础在上拔荷载作用下土体的破坏过程,并对颗粒流模拟试验的颗粒的破坏面进行拟合,提出桩桶基础的上拔承载力计算模式。桩-桶基础的极限上拔承载力由破坏土体侧表面抗剪强度在竖直方向投影的集合及其包围土体土重和桩-桶基础自重组成,建立了桩-桶基础的上拔承载力计算公式,分析了上拔承载力影响因素。     

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。     

静钻根植竹节桩桩端承载性能数值模拟研究

静钻根植竹节桩是一种新型组合桩基,桩端处存在的水泥土扩大头使其桩端承载性能优于传统桩基。通过模型试验以及ABAQUS三维建模计算对静钻根植竹节桩的桩端承载性能进行研究时发现,当桩端土体为砂土或黏性土时,预制竹节桩桩端处于水泥土扩大头中间位置附近时桩端极限承载力最大;当桩端持力层为岩石层时,竹节桩桩端与岩石层之间水泥土层厚度越小,桩端承载性能越好。由于现阶段静钻根植竹节桩主要用于东南沿海软土地区,实际工程中竹节桩桩端处于水泥土扩大头中间位置附近时桩端承载性能最好;桩端水泥土的内摩擦角、黏聚力以及弹性模量对静钻根植竹节桩桩端承载性能影响不大;增加水泥土扩大头的直径能够提高静钻根植竹节桩的桩端承载力。     

开孔管桩动孔压消散特性的理论研究

可液化地基在遇到地震作用或任何其他突变应力条件下,土体会迅速丧失强度和刚度,发生液化,从而失去承载能力。传统的抗液化措施主要集中在地基处理层面,而开孔管桩则兼具抗液化性能和承载能力。在假设开孔管桩孔洞内液体流动满足Poiseuille方程且等应变假设成立的前提下,结合开孔管桩复合地基的应力集中现象,推导出地基在时变荷载作用下的径竖向组合孔压解析解。考虑到循环荷载作用下的孔压积累现象,进一步利用孔压发展的经验模型改进该解析解。在此解析解的基础上,分析、对比开孔管桩、碎石桩、不排水桩以及天然地基的孔压发展情况,得出开孔管桩具有最好的孔压消散能力。桩-土模量比、井径比等因素对孔压的发展都有重要的影响,桩-土模量比越大、井径比越小,孔压消散速率越快。桩本身开孔系数对孔压发展的影响不明显。荷载频率只影响初始孔压峰值,并不影响孔压振荡衰减的速率。     

砂土中吸力式沉箱基础的最佳荷载作用点位置模型试验研究

通过一系列模型试验研究了倾斜荷载作用下吸力式沉箱基础的最佳作用点位置,试验中考虑了荷载作用点、荷载作用角度和长径比3个重要因素。基于模型试验得到的荷载-位移曲线,采用合适的破坏标准确定了各工况下吸力式沉箱基础的抗拔承载力,根据承载力的变化规律分析确定了吸力式沉箱基础的最佳作用点位置。结果表明,荷载作用角度对吸力式沉箱基础承载力的影响显著,当荷载水平作用于基础时,其承载力最大。荷载作用点位置对吸力式沉箱基础承载力的影响取决于荷载作用角度的大小,当荷载作用角度较小时,荷载作用点位置的影响显著,且最佳作用点位置位于沉箱高度的2/3～3/4处;当荷载作用角度较大时,荷载作用点位置的影响很小,可以忽略。结合荷载与吸力式沉箱基础的转角关系,分析了荷载水平作用于最佳作用点下吸力式沉箱基础的破坏模式。     

考虑基岩层面影响的水平受荷嵌岩桩模型试验研究

西南地区常见碎石土-基岩斜坡地基,在此类地基上的嵌岩桩基础,其上覆土层、嵌固段基岩多为倾斜。然而岩石试样中结构面倾角改变时,岩石试样的强度也随之发生变化。故当嵌固段基岩存在层面且层面具有倾角时,往往对桩基的水平承载特性影响很大,所以基岩层面是影响嵌岩桩水平承载性能的主要因素之一。本文采用物理模型试验,通过改变嵌固段基岩层面倾角,得出嵌固段基岩不同层面倾角对于桩顶位移,桩身内力的发展规律,进而研究其对水平受荷嵌岩桩承载性能的影响。试验结果表明:在碎石土-层状基岩斜坡地基场地中,嵌固段基岩存在层面会降低嵌岩桩水平承载性能。相对于完整基岩,嵌固段层状基岩存在水平层面时,临界荷载下降了17%、最大弯矩值下降了23%、最大剪力值下降了37.5%;而嵌固段基层层面为倾斜时,嵌岩桩水平承载性能下降的更多,且层面倾角为逆向30°时比顺向30°更加不利于嵌岩桩的水平受荷;桩身最大弯矩点与最大剪力点位置随嵌固段层状基岩倾角变化影响比较小,最大弯矩点位置几乎没有变化,最大剪力点位置在嵌固段基岩层面为顺向30°与逆向30°时下降了1倍桩径。该项研究可为在不同层面倾角下的层状岩体斜坡地基上受水平荷载的嵌岩桩设计作一定的指导。     

基于极限承载力试验的扩底抗拔桩承载特性数值模拟分析

基于天津于家堡南地下车库工程扩底桩抗拔极限承载力试验,结合数值模拟手段对扩底桩抗拔承载特性、破坏模式和受力机制开展了分析研究。计算分析表明,扩底桩（有效桩长19 m）相比等截面桩抗拔极限承载力提高约50%,材料增加仅8.5%,扩底桩扩大头周边土体提供的抗力显著提高了抗拔承载力;荷载较小时抗拔力主要由等截面段侧摩阻力提供,扩头段抗拔力占桩顶加载的比值随加载近似呈线性增加;扩底桩等截面段沿桩土界面先发生剪切破坏,扩头段周边土体后发生受压破坏,抗拔承载力达到极限;扩头段位于同一土层时,不同桩长扩头段提供的极限抗拔力相差不大,桩长越长,扩头段抗拔力贡献率越低;扩头段抗拔力主要由自重、扩头段法向力竖向分力和侧摩阻力组成,其中法向力竖向分量提供了扩头段的主要抗拔力,占扩头段总抗拔力约70%。     

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。