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。     

水平力作用下嵌岩桩桩顶内力分布的模型试验

基于水平荷载下的8组模型试验桩的电测资料;分析了嵌岩桩基的实测桩顶内力的变化及分布规律,指出水平力作用下的桩顶内力分布与承台上外竖向力（和弯矩）荷载的局部分布方式有关。     

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。     

倾斜荷载下群桩承载特性理论分析

倾斜荷载是海洋、输变线塔等桩基工程的最主要荷载形式之一。然而现行规范中有关该问题的计算方法相对并不成熟。将桩身划分为自由段和嵌固段,建立桩基单元体的挠曲微分方程;基于群桩p-y曲线法计算水平荷载下群桩承载特性;考虑桩-土相对滑移和竖向力引起的二阶弯矩(P-(35))效应,基于剪切位移法计算竖向荷载下桩-土相互作用;编制相应程序,以迭代法计算获得荷载-位移曲线、桩身弯矩分布规律曲线等。分析验证了所建立的理论计算方法的准确性和可靠性。相关研究成果拓展了工程设计中倾斜荷载作用下桩基承载特性计算方法,为工程设计与计算提供参考依据。     

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。     

考虑斜坡效应的基桩屈曲临界荷载分析

以某实际工程桩为原型,根据相似理论设计并完成了斜坡基桩竖向承载室内模型试验,分析了不同坡度及桩长条件下斜坡基桩屈曲临界荷载,获得了基桩屈曲临界荷载理论计算公式及拟合公式。研究表明:竖向荷载作用下,基桩荷载-位移曲线均无明显拐点,且桩顶沉降、水平位移均随坡度或桩长的增加而增大,斜坡基桩的屈曲失稳破坏模型非常显著。斜坡基桩的屈曲临界荷载值由桩顶沉降和水平变形共同控制,斜坡坡度越大或基桩自由段越长,其屈曲临界荷载及竖向承载折减系数越小,斜坡效应越明显。对比分析表明,由理论公式和拟合公式计算得到的结果与模型试验结果均吻合较好,最大误差尚不足10%,验证了模型试验、计算理论及拟合公式的合理性,其成果可以为实际工程设计提供参考。     

纵横向受荷基桩变形内力的矩阵传递解

针对地基的土体屈服性状,将桩侧土体分为弹性变形区域与塑性变形区域两种情况。假定地基反力系数为3参数的一般形式,同时考虑桩身 效应并计入桩身自重、桩侧摩阻力的影响,根据地基反力法分别建立桩身弹性段和塑性段挠曲线微分方程。在解微分方程的过程中,采用矩阵传递法结合Laplace正逆变换的方法解得桩顶作用轴向力、水平力、弯矩时桩身内力和变形的矩阵传递解,并用Fortran语言编制了相应计算程序。最后将试验数据对上述方法进行验证,结果表明计算值与模型试验的实测值吻合很好,采用文中3参数地基反力法反算所得的地基参数离散性很小,研究结果具有较高的应用价值。     

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。     

轴、横向力作用下土-群桩动力效应简化分析

以动力文克尔地基梁模型为基本理论,在改进了Gazetas均质土中的桩-土-桩相互作用三步法计算模式的基础上,运用分层传递技术,导出了层状地基中群桩在轴、横多向受力条件下的力与位移动力相互关系的显示表达,提出了桩顶谐振作用条件下计算层状介质中动力相互作用因子的新方法,以相对简明的方式阐述了桩顶轴力对群桩水平动力效应的影响,并以此来寻求频域动载下的基桩变位及其内力规律,较为全面地揭示群桩振动特性。     

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。     

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。     

基于能量法的轴横向荷载作用下单桩受力变形分析

轴向和横向荷载作用下单桩的受力变形分析是桩基研究的重点内容之一。单桩在水平荷载作用下会产生一定的水平位移与弯矩,而此时作用轴向荷载会使得桩体出现一定的压曲与附加弯矩,以致轴横向荷载作用下的单桩受力变形与单独作用水平荷载或轴向荷载的单桩存在较大的区别。故本文基于能量法,首先分别建立轴横向荷载作用下单桩的受力变形能量方程以及桩周土体能量方程,然后考虑桩土变形协调与一定的桩土相互作用,基于最小势能原理得到单桩变形控制微分方程,并采用幂级数法进行求解,最终得到轴横向荷载作用下单桩受力变形分析的幂级数解答。通过编程计算,将本文方法计算结果与试验结果、数值分析结果、规范法计算结果进行对比分析,验证了本文方法的合理性和可行性。在此基础上,基于本文解答进行了影响参数分析,结果表明:桩体长径比、桩土弹性模量比、桩周土模量深度变化系数均对轴横向受荷单桩的桩身水平位移与最大弯矩值有一定的影响,其中桩周土模量深度变化系数以不小于0.6为宜。     

局部倾斜桩竖向承载力的有限元研究

桩基会由于隧道或基坑开挖、打桩顺序不当等原因而倾斜。实际工程中经常遇到桩局部倾斜的情况,例如上段桩发生弯曲与倾斜,下段桩则仍然保持竖直。在已经完成的整体倾斜桩现场试验及有限元分析基础上,建立了桩身局部倾斜的有限元模型,对局部倾斜桩的承载力进行有限元分析。分析结果表明：算例条件下相同竖向荷载作用时,垂直度在5 %以内的局部倾斜桩的桩顶沉降均小于竖直桩的桩顶沉降;垂直度超过5 %时局部倾斜桩的桩顶沉降大于竖直桩的桩顶沉降。相同竖向荷载作用下垂直度为7 %以内局部倾斜桩的桩顶沉降均小于相同垂直度整体倾斜桩的桩顶沉降,超过7 %后局部倾斜桩的桩顶沉降大于整体倾斜桩的桩顶沉降。对于局部倾斜桩,由上段倾斜桩传递到垂直度转折点处的轴力将对下段竖直桩产生水平向推力。当垂直度转折点深度在反弯点以下时,水平向推力将导致下段竖直桩产生更大的反向挠曲变形和弯矩,使竖向荷载作用下桩顶水平位移增加,使桩更易于因为水平弯曲变形过大而破坏。     

桩基承台梁受力分析的幂级数解答

将桩基承台梁视为置于弹性地基上的有限长梁,将竖向桩体及承台梁下桩间土体视为刚度不同的弹簧系列,基于Winkler弹性地基梁理论,推导出考虑桩土共同工作的承台梁竖向位移控制微分方程,并给出其幂级数半解析解,进而导得了在集中荷载、外加弯矩及分布荷载共同作用下桩基承台梁的竖向位移、转角、弯矩及剪力的计算公式。最后通过与链杆法、Newmark法的比较,验证了本文幂级数解答的正确性。在此基础上,探讨分析了基桩差异性、承台梁下土体作用、桩径及荷载形式等因素对桩基承台梁受力变形的影响。研究表明：当考虑上述因素影响时,桩基承台梁的竖向变形、弯矩及桩顶反力均发生不同程度的变化,因此,在实际的设计计算中应予以考虑。     

静钻根植桩水平承载性能试验研究

静钻根植桩是在水泥土中插入预应力管桩而形成的复合桩。为了认识其在水平荷载作用下的变形性能,实施了3组共6根桩的水平静载试验。第一组是? 600～? 750 mm静钻根植桩（SDRP）,第二组是 800～? 900 mm静钻根植桩,第三组是? 1 000 mm的钻孔灌注桩,第二组与第三组属于几何尺寸十分接近而组成材料不同,第一组与第二组属于组成材料相同而几何尺寸不同。对比水平力-水平位移、水平力-水平位移梯度以及水平变形比后发现,弹性阶段钻孔灌注桩的水平承载性能优于静钻根植桩,而弹性阶段以后则逐渐相反;静钻根植桩变形复原能力强于钻孔灌注桩;桩在弹性阶段的变形量与截面抗弯刚度成近似线性关系;如果只考察弹性阶段,为提高水平承载能力宜将静钻根植桩改为同直径的钻孔灌注桩,不宜单纯扩大静钻根植桩的桩径。     

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。     

海洋工程中大直径管桩垂直水平荷载试验研究

通过海洋环境条件下大直径管桩的垂直和水平荷载试验,分析了管桩在垂直和水平荷载作用下的受力特点,得到了管桩的垂直极限承载力、侧摩阻力及端承力、轴向反力系数等结果,以及水平荷载作用下桩顶位移和转角关系、弯矩分布、土抗力、水平地基反力系数的比例系数和最大弯矩点等参数。试验结果表明：垂直荷载作用下,极限承载力可达12000kN,在沉桩过程中部分桩有一定程度的闭塞;大直径管桩能够抵抗水平荷载的作用,弹性长桩的受力性质主要受上部土层的影响。根据试验结果计算的水平地基抗力比例系数m值,对本工程及同类地质条件的桩基设计具有参考价值。     

The P-y Response of Laterally Loaded Flexible Piles in Residual Soil

This paper describes the main features related to lateral displacements with depth after successive lateral loading–unloading cycles applied to the top of reinforced-concrete flexible bored piles embedded in naturally bonded residual soil. The bored piles under study have a cylindrical shape, with 0.40-m in diameter and 8.0-m in length. Both bored piles types (P1 and P2) include an embedded steel pipe section in their center as longitudinal steel reinforcements: pile type P1 has another 16 steel rods as steel reinforcement to concrete while pile type P2 has no further steel reinforcement. Pile type P1 has three times as much stiffness (EI) and four and a half times the plastic moment (M_y) than pile type P2. A similar load–displacement performance was observed at initial loads as for small displacements of both piles. At this initial loading stage, the response of the reinforced concrete piles is a function of the soil characteristics and of a linear elastic pile deformation. During this stage, piles can even be understood as probes for evaluating soil reactions. For larger horizontal displacements, after the concrete section starts undergoing large deformations, approaching the ultimate bending moment, pile behavior and consequently the load–displacement relation starts to diverge for both piles. For pile P1 the values of relevant lateral displacements are extended to about 2.5-m in depth, while for pile P2 lateral displacements are mostly constrained to about 2.0-m in depth. Measurements of horizontal displacements of pile P1 against depth recorded with a slope indicator show that, after unloading, lateral loads at distinct stages (small and near failure loads), exhibits a much higher elastic phase of the system response. An analytical fitting model of soil reaction is proposed based on the measured displacements from slope indicator. The integration of a continuous model proposed for the soil reaction agrees fairly well with the measured displacements up to moments close to plastic limit. Results of load–displacement show that the stiffer pile (P1) was able to mobilize twice as much lateral load compared to pile P2 for a service limit displacement of about 20 mm. The paper shows results that enable the isolation of the structural variable through real scale pile load tests, thus granting understanding of its importance and enabling its quantitative visualization in examples of piles embedded in residual soil sites.

     

不同场地条件下长桩的承载性状研究

根据软土地基、非软土地基中长钻孔灌注桩静载荷试验和桩身轴力的测试结果,分析探讨了竖向荷载下长桩的受力性能及沉降特征的一些规律。桩侧土模量较高的非软土地区的长桩静力试桩所测得的结果表明,荷载传递和桩身压缩与软土地区超长桩性状相似,长桩的桩身压缩量相当可观,计算中应予以考虑。极限侧阻力与端阻力不同步发挥,不同深度处的不同土层处基桩的侧阻也不能同步发挥;同时指出相关规范中极限承载力计算公式的不严密之处,并且探讨说明了竖向荷载下的长群桩基础变形性状及沉降计算有待进一步的研究。本项研究对今后超长桩的理论研究和工程设计应用具有一定的借鉴作用。