基于API规范的海上大直径钢管桩静压载试验分析

大直径钢管桩在海洋工程建设中的使用越来越广泛。海上大直径钢管桩试桩周期长、难度大,相关测试数据及研究成果较为少见。本文基于美国石油行业协会API规范,分析了某海上风电大直径钢管桩静压载试验数据,研究了桩侧阻力与桩端阻力随压荷载变化关系。结果表明,对于本文分析的海上大直径钢管桩,其土塞状态一般为不完全闭塞,计算抗压极限承载力时应计入桩管内侧摩阻力;桩侧摩阻力随压荷载增大而逐渐发挥,相同荷载作用下,无黏性土地层侧摩阻力发挥程度较黏性土高;桩端土体破坏分为弹性变形与塑性变形两个阶段,两阶段端阻发挥程度分别可达约50%和80%,当桩端产生0.05d位移时,桩体达到极限平衡状态。     

离岸深水全直桩码头承载性能有限元分析

全直桩码头是适于软土地基上离岸深水海域的新型高桩码头结构型式,其承载机理与传统高桩码头存在较大差异,且软土地基循环软化效应显著。建立全直桩码头结构与地基相互作用三维弹塑性有限元模型,基于二次开发采用拟静力法对土体循环软化效应进行模拟。通过有限元模型研究全直桩码头的承载特性与破坏模式,并探讨水平极限承载力的影响因素。研究表明水平荷载作用下,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用;竖向荷载作用下,结构竖向极限承载力由地基土体强度决定。研究范围内入土深度对结构水平极限承载力影响不大,但桩壁厚度减小或考虑土体软化后,结构水平极限承载力明显降低。设计中,增加入土深度可有效减小土体软化引起的水平极限承载力降低程度,且应考虑结构腐蚀和土体软化对水平极限承载力的双重降低效应,为钢管桩预留足够的腐蚀富裕量。     

海上风电单桩基础侧摩阻力研究

单桩基础是目前应用最广泛的海上风电基础形式。现有单桩竖向承载力设计时仅考虑外侧摩阻力与端阻力,并未考虑桩基内侧摩阻力对竖向承载力的贡献。文中基于江苏某沿海海域两个风电场的现场试桩数据,分别采用API规范、美国陆军工程兵团方法以及港口工程桩基规范中的公式计算桩身外侧摩阻力,研究了土层类型、土深度对于钢管桩内外侧摩阻力比值的影响规律,并与实测数据进行了对比分析。研究结果表明:接近泥面处内外侧摩阻力比值较小,内外侧摩阻力比值随深度增加呈增大趋势;在海上风电单桩基础竖向承载力设计中,桩基内侧摩阻力不容忽视。     

端承型桩承载力离心模型试验中的粒径效应研究

利用modeling of models的方法研究端承型桩承载力离心模型试验中的粒径效应。在模拟同一原型时,不同桩径的模型桩,桩身压缩性及桩长均不同,导致侧摩阻力发挥机理及程度不同,本文分别探讨了桩端阻力,侧摩阻力及承载力(桩顶荷载)的粒径效应对承载机理和承载特性的影响。结果表明,桩端阻力的粒径效应作用规律与浅基础一致,可以借用浅基础的粒径效应定量评价方法评价端承桩承载力离心模型试验中的粒径效应。侧摩阻力的粒径效应比桩端阻力的粒径效应显著。由于侧摩阻力的影响,相同条件下承载力的粒径效应比桩端阻力有所增强。对于极限桩端阻力和极限承载力,粒径效应均随长径比的增加而减弱。     

扩底抗拔桩动态变形全过程承载特性模型试验研究

利用砂土中扩底抗拔桩的模型试验,研究从开始加载到破坏时扩底抗拔桩地基动态变形全过程的承载特性。试验结果表明:半模试验得到的极限荷载和破坏面均略小于全模试验结果,采用半模试验测量地基变形过程与破坏模式有明显优势,用半模试验代替全模试验是可行的;随着桩顶荷载的增加,扩大头上方的土体由压缩变形逐渐发展为局部的压缩—剪切破坏;扩大头对其上部的桩侧摩阻力有增强作用,对其下部的桩侧摩阻力有削弱作用;扩大头在工作荷载、极限荷载和破坏荷载作用时分担的荷载比例为15%~20%。     

基于现场试桩的海上大直径桩侧摩阻力研究

海上风机基础长期受到巨大的水平荷载和倾覆力矩,设计的基础结构需要具有足够的刚度和抗压强度来抵抗风、波浪、海流等环境荷载。依托某海上风电场试桩工程,通过现场基桩轴向抗压静载试验,分析土层的荷载位移曲线,并根据位移突变段确定基桩的极限荷载。借助拟合法和API规范法,分别得到τ-s曲线,从而计算出基桩的极限侧摩阻力以及初始刚度。分析对比可以看出软黏土土层和砂土土层在不同深度通过拟合法和API规范法计算得到的结果不同,二者有不同的适用范围。因此需要进一步研究桩基侧摩阻力的各种确定方法,才能最大限度地开发利用桩基的承载能力。     

单一地层平台插桩地基土破坏模式及插桩深度有限元分析

自升式平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续塑性破坏的过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。因而,研究采用有限元极限分析法对单一地层中插桩时地基土渐进破坏过程进行了模拟,并与Skempton、Terzaghi公式计算的极限承载力进行了对比,取得了较为一致的结果,同时对插桩深度进行了预测。     

海上风电楔形单桩基础竖向承载力特性分析

为提高基础利用率增加海上风电设施的可行性，对楔形单桩基础竖向承载力特性进行研究分析。采用PLAXIS 3D 有限元软件建立楔形单桩基础模型，从桩侧摩阻力、桩侧法应力及土体位移对比分析楔形单桩基础与等截面单桩竖向承载特性差异，并探讨内摩擦角、楔角及楔高对承载力的影响。研究表明：楔形单桩基础竖向承载力高于等截面单桩基础，且承载力随着楔角、楔高的增大而增大，提高率最大达24.786%。倾斜侧壁的引入改变了桩侧摩阻力的传递规律；倾斜侧壁挤密桩周土体，桩侧摩阻力与法向应力增大，从而有效提高单桩基础的竖向承载力。研究成果可为今后海上风电单桩基础截面型式的设计提供参考。     

海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

海上复杂地质条件下大直径钢管桩时效性试验研究

通过对3根海上复杂地质条件下的大直径钢管桩采取高应变初打与不同休止时间复打相结合的试验方法,得到不同休止时间钢管桩承载力、侧阻力及端阻力大小,以此对不同桩侧土及持力层对钢管桩时效性的影响进行了研究。研究结果表明:1)钢管桩承载力时效性现象明显,且随时间增长迅速; 2)钢管桩侧阻力的恢复系数远大于端阻力; 3)桩侧黏性土强度的恢复是钢管桩侧阻力增加的主要原因; 4)砂土层虽提供的侧阻力较大,但其对侧阻力增长的贡献不如黏性土; 5)持力层越硬,端阻力与承载力的恢复性越差。     

地基承载力特征值和桩端承载力特征值的比较研究

工程中常涉及到地基承载力特征值fa及桩端阻力qpa,作为同量纲的地基指标,对同一土层后者往往要比前者高得多。运用梅耶霍夫地基极限承载力理论,分析了随基础埋深的加大地基土破坏形式的变化,对浅基础及桩基础破坏形式、地基承载力特征值fa与桩端承载力特征值qpa作了对比。研究结果将有利于建立及区别地基承载力特征值及桩端端阻力特征值的物理概念,对实际工程具有指导意义。     

有限元法在桩靴承载力计算中的应用

自升式钻井平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续的塑性破坏的动态过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。本研究应用有限元法（FEM ）对插桩过程进行了模拟,得到地基土的破坏机制以及中间荷载下土体的应力、应变情况,通过和各理论公式计算的极限承载力进行对比分析,分析影响地基极限承载力的因素。研究表明,基础宽度与硬土层厚度的比值 B/H越大,下卧软土层越容易发生塑性破坏,极限承载力明显下降,当B/H＜0．286时,可以忽略下卧软土层对地基承载力的影响。     

压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载性能试验研究

针对海相软土地区螺旋钢管桩承载力低与腐蚀问题,提出一种新型压力注浆螺旋钢管桩,并设计5根足尺试验桩,进行现场抗拔承载性能试验,研究螺旋叶片直径与排布方式对成桩直径与桩基抗拔承载性能的影响.结果表明,成桩直径与螺旋叶片直径呈正相关,在每节延长段钢管末端设置螺旋叶片利于提高水泥土柱完整性,使成桩直径更为饱满,提高桩基的抗拔承载性能.将试验结果和现行规范抗拔极限承载力计算结果进行对比,计算结果约为实测平均值的94％,在此基础上提出压力注浆螺旋钢管桩抗拔承载力计算参数修正建议,为后续的设计提供参考.     

BP神经网络在海洋平台桩基轴向承载力中的应用研究

目前海洋石油导管架平台桩基础的轴向极限承载力常用的设计方法为API RP2A(美国石油协会)和静力触探(CPT)的方法。在这两种方法的基础上,提出了用BP神经网络模型对桩的轴向极限承载力进行计算的思路,能够有效地预测桩的轴向极限承载力。根据BP神经网络算法具有较强的非线性映射能力和学习功能的特点,通过对影响单桩极限承载力因素的分析,依据静力触探资料建立了基于BP神经网络的单桩轴向极限承载力预测模型。通过利用API RP2A方法分析成果对该模型进行学习训练和预测检验,证明了预测模型性能良好、具有较高的精度和收敛速度快等特点,验证了神经网络方法的可行性,预测结果能够指导桩基础设计,缩短周期。因而具有较大的工程实用价值。     

海上风电嵌岩桩水平抗力影响因素研究

桩基础是我国海上风电工程中应用最为广泛的基础形式,其中嵌岩桩因其施工难度大,承载力高备受关注。与其他类型的桩基础不同,嵌岩桩的水平承载力不仅受到围岩强度的影响,更与其成桩质量与灌浆材料的强度相关。采用有限元方法分析了嵌岩深度、桩基直径与壁厚、桩身倾斜度等多种因素对嵌岩桩水平承载力的影响,提出了确定嵌岩桩水平极限抗力的标准。研究表明：桩与围岩间的灌浆环会先于桩身发生破坏,因此可将灌浆环受拉破坏作为判断嵌岩桩达到水平极限承载力的标准;桩身倾斜度对嵌岩桩的水平极限承载力影响较大,直径和壁厚的增加,均能提高桩基的水平承载力。     

基于能量法的大直径超长钢管桩溜桩问题分析

海洋桩平台采用大直径超长桩,由于桩、锤的重量很大,沉桩过程中经常发生溜桩现象。因此为了便于打桩控制,判断溜桩的范围是非常必要的。结合实际工程对溜桩的过程和发生机理进行了探讨;利用PCPT原位测量资料,基于能量法建立了判断溜桩范围的分析计算方法。针对南海油田典型的平台桩沉桩过程中的溜桩问题进行了分析计算,验证了所提出的方法的合理性,可供桩设计以及沉桩施工参考。     

大直径超长管桩打桩过程中土塞性状研究

大直径超长桩的可打入分析是海洋平台打桩施工顺利进行的重要保障,土塞是否闭合的判断对于桩基可打入性分析具有较大的影响,因此,合理准确的土塞判断结果对提高桩的可打入分析的准确性具有重要的意义。以现场静力触探(CPTU)试验数据为依据,采用孔扩张理论推导了基于CPTU测试结果的桩端土的极限承载力计算公式;在求解桩端土体承载力时考虑了管桩与土体的刚度差异,同时考虑到打桩过程中的土体扰动。采用Randolph推荐的方法得到了土塞阻力,将两者进行比较,进而判断土塞的状态。通过实际工程的实测数据,对各个土层的土塞状况进行了判别,并根据判别情况采用波动方程的方法对桩基的可打入性进行了分析,将预测结果和现场的打桩记录进行了比较。计算结果显示,提出的方法与实测结果更为接近,有效地提高了桩的可打入性的预测精度。     

Neural Network Model for Predicting the Resistance of Driven Piles

Although numerous investigations have been performed over the years to predict the behavior and resistance of piles, the mechanisms are not yet entirely understood. Predicting pile resistance is a difficult task because there are a large number of parameters affecting the capacity that have complex relationships with each other. It is extremely difficult to develop appropriate relationships between various essential parameters, including the soil condition, pile type, driving condition, time effect, and others. This paper describes the application of an artificial neural network (ANN) to predict the resistance of driven piles in dynamic load tests. The training and testing of the ANN were based on 165 data points for driven piles at various construction sites in Korea. Predictions on the tip, shaft, and total pile resistance were made for piles with available corresponding measurements of such values. The effect of the essential parameters on the pile resistance values was investigated through parametric analysis using ANN modeling. The results of this study indicate that the ANN model serves as a reliable and simple predictive tool to appropriately consider various essential parameters for predicting the resistance of driven piles.     

Estimation of Axial Pile Bearing Capacity According to Shear Strength Parameters of Soil

At pesent,it is very popular to estimate pile bearing capacity by use of empirical formula andphysical indexes of soil provided in the design codes for civil construction in China.This paper attempts toapply mechanical indexes of soil and semi-empirical formulas,which are based on soil mechanical theoriesand were summarized and presented by Meyerhof in 1976,to calculate the axial pile bearing capacity.Lo-ading test results of 24 single piles in Tianjin area have been collected and compared with the proposed cal-ulation approach.     

真空预压联合碎石桩加固港口吹填堆场地基的试验研究

在港口工程建设中,快速加固超软弱的吹填地基,采用真空预压法是一个经济有效的方法,再联合以碎石桩加固则能进一步提高地基的承载力、减少地基工后沉降.通过真空预压联合碎石桩加固地基的现场试验以及观测资料的分析,得出真空预压联合碎石桩加固后地基的承载力特征值由原天然地基的60 kPa左右提高到220 kPa,计算结果表明打碎石桩后的地基变形模量Esp与真空预压后的Ea相比提高了1倍,联合碎石桩加固后的地基沉降量比仅经过真空预压的地基减少1/3.