基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明：使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算...     

考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降解析

考虑沉桩效应对桩周土体力学特性的影响,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型。在此基础上,根据群桩加载过程中桩周土体的变形模式,基于荷载传递法描述桩-土界面的非线性行为,采用剪切位移法考虑群桩之间的相互作用,提出了考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降混合计算方法。通过开展离心模型试验对该计算方法解答进行了验证,研究了沉桩效应和桩-土界面非线性特征对群桩承载特性的影响。研究结果表明,沉桩效应对桩周土体起到挤密作用,使得桩周土体的强度和刚度增大,从而提高了群桩的承载特性。群桩加载过程中桩-土界面刚度随沉降变形而逐渐减小,使得群桩荷载-沉降曲线呈现出明显的非线性特征。     

非均质地基中群桩竖向荷载沉降关系分析

运用剪切位移法计算了桩轴向荷载传递因子。对于桩端采用线性的荷载传递函数,推导了基于弹塑性模型的单桩竖向荷载沉降的解析解。分析过程中考虑了土体强度沿深度线性变化的特性和桩土间的滑移现象,因此更符合大部分土体的实际性状。在此基础上,建立了考虑桩土滑移的桩-桩相互作用系数的计算公式,并将上述方法应用于群桩的分析,获得了群桩的荷载沉降特性。该分析方法克服了目前应用较多的弹性理论方法夸大桩土相互作用的缺点,单桩和群桩的荷载沉降曲线的分析结果和实测数据吻合,证明了该方法的合理性。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随黏聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

夹硬层土中单桩贯入挤土效应的数值模拟

桩贯入土体产生的挤土效应问题较为复杂。利用ABAQUS软件建立了单桩贯入夹硬层土和均质土的二维轴对称有限元模型,经过分析比较,得出了单桩贯入夹硬层土体所特有的位移场及应力场的变化规律。分析表明：桩贯入夹硬层土过程中,软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈;硬土层的存在,会使土体水平及竖向位移受到约束;夹硬层土的水平挤压应力要远大于均质土情况;与水平应力相比,竖向挤压应力在硬土层处明显偏小。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论,是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随粘聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

带帽刚性桩复合地基荷载传递机理研究

为了研究带帽刚性桩复合地基荷载传递机理,基于弹性理论和合理假定,采用荷载传递函数法,建立了带帽刚性桩复合地基中桩体沉降及其轴向应力、桩帽下土体竖向位移及其竖向应力、桩帽间土体竖向位移及其竖向应力、桩身侧摩阻力、桩帽边缘土体之间的侧摩阻力与荷载水平、深度之间的控制微分方程。采用微分方程的近似解法,推导出相应地解析表达式。利用桩体荷载沉降关系作为已知条件进行求解,计算结果能够反映带帽刚性桩复合地基荷载传递的一般力学性状规律。     

基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析

饱和软黏土地基中的挤土桩,施工引起的桩侧土体超孔隙水压力消散和竖向荷载引起的桩底土体固结是导致其沉降的主要因素。基于三维固结理论,研究了桩侧地基土再固结沉降的变化规律,并从桩-土相互作用的原理出发,结合边界条件,推导出了在桩侧地基土再固结沉降的作用下挤土桩沉降的计算公式。运用太沙基一维固结理论并采用分层总和法计算竖向荷载作用下桩底土体的沉降。提出了饱和软土中挤土桩沉降时效的计算方法。并对工程实例进行了计算分析,其结果符合工程实际沉降规律。     

路基荷载下PCC刚性桩复合地基沉降简化计算

将路堤荷载作用下的刚性桩复合地基变形,简化为只有竖向变形,水平变形可以忽略,然后,应用土体的平衡、几何、物理方程,建立沉降计算的控制方程。桩土界面的接触条件按位移协调或产生滑移变形两种情况分别建立,采用有限差分法离散求解,可得桩、桩周土各自的沉降变形、桩土界面的摩擦力分布。与有限元分析和现场实测结果的对比表明,该简化方法具有较高的准确性,可以方便地应用到工程实际。     

桩锚直径等对水泥土桩锚墙支护影响

土体采用双曲硬化模型,水泥土桩墙和水泥土桩锚采用弹塑性模型,计算分析了水泥土桩锚直径和长度对水泥土桩锚墙支护结构的影响。计算结果显示,在计算条件下,桩锚直径大于400 mm时,桩锚在饱和软黏土中的置换、占位、加筋效果明显,控制墙顶水平位移和墙后土体沉降效果显著,桩锚直径小于200 mm时,将失去置换、占位、加筋作用,从而降低对墙后土体的主动加固效果。桩锚长度达到开挖深度的1.6倍时,能有效控制墙顶水平位移以及墙后土体沉降,桩锚长度超过1.6倍开挖深度以后,控制水平位移和墙后土体沉降的效果不明显。经与同一基坑的监测数据对比,计算值与实测值重复性好、规律性好。     

维持荷载作用下单桩沉降的时间效应

研究单桩在不同维持加载时间的桩顶荷载-沉降关系曲线,揭示了不同载荷比条件下桩侧和桩端下土体中的初始超静孔压分布,分别讨论了土的固结与蠕变特性对单桩沉降的影响。分析表明,土体的固结对单桩的维持载荷试验的影响很小,桩身上的荷载主要以剪应力的形式传递到周围土体中。土体的蠕变对单桩沉降的影响与土的超固结比或沉积时间有关,桩顶沉降中的蠕变部分随超固结比的增大而减小。     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

层状地基群桩沉降计算的剪切位移解析算法

考虑群桩的“束缚作用”,基于剪切位移法的理论,提出了竖向荷载作用下用于层状地基大规模群桩沉降分析的简捷实用的解析算法。以单桩位移积分方程为基础,导出了桩顶位移与轴力和桩底位移与轴力之间的关系,考虑桩-桩相互作用,得出了计算群桩沉降的柔度矩阵方程。推导过程中,桩被分成任意n段,因此该方法可以用于地基土任意分层的群桩沉降计算。算例分析表明,该方法与边混合法和界元法有较好的一致性。     

近邻桩基施工对城市地铁隧道的影响分析

近邻桩基施工会对盾构隧道产生较大的不利影响,试桩过程中对试桩周围土体深层水平位移、隧道结构竖向位移和沉降进行了现场监测。监测结果表明,隧道结构竖向位移和水平位移缓慢增加,对桩体周边土体产生扰动;管片位移最大值发生在与试桩相对应的剖面上;随着试桩距离的增加,管片沉降和最大水平位移减小。管片以发生水平位移为主,沉降约为水平位移的0.5倍。在隧道埋深范围内,深层土体水平位移向隧道方向移动;隧道埋深范围以下,土层的水平位移向远离隧道方向移动。试桩实践表明,采用全套管钢套管护壁旋挖取土工艺,并在施工过程中对盾构隧道和周围土体进行动态信息化监测的施工方法能较好地预警、控制施工风险,得到的结论可以为相似工程的施工提供指导和参考。     

多层软土地基中单桩沉降与内力位移分析

根据深厚多层软土地区地基土的物理力学性质,考虑桩侧土低荷载水平下的初始极限剪应力和高荷载水平下的应力软化特性以及桩端土承载力分段发挥特性,采用一种新的桩侧和桩端模型模拟单桩荷载传递机制。基于上述模型,利用递推迭代方法可计算单桩桩顶沉降、桩身轴力以及桩侧摩阻力。采取土工参数易于获取且适用于软土地区的经验p-y曲线描述桩-土界面力和位移的非线性关系。基于欧拉-伯努利梁和中心差分理论,考虑桩尖边界条件,采用数值计算方法对桩沿长度方向的转角、剪力、弯矩进行计算,以获取在特定荷载下这些变量的变化特征。最后,结合工程案例,对上述方法进行了验证,其计算简洁且与实际测试结果吻合良好。     

基于荷载传递法的CFG桩复合地基沉降计算

深入分析了CFG桩复合地基的荷载传递机制,针对CFG桩复合地基中桩、土、垫层相互作用特点,基于荷载传递法,通过简化桩土单元体竖向相对位移分布模式,引入弹塑性荷载传递模型,并考虑桩体的上刺与下刺变形,建立出CFG桩复合地基沉降计算的基本微分方程,进而提出了一种新的能考虑桩-土-垫层体系共同作用的复合地基沉降计算方法。采用该沉降计算方法对某试验进行分析,其结果表明,沉降计算值与实测值吻合较好,且该方法计算工作量小,便于工程应用。     

复合地基沉降计算的半解析元法

将复合地基视为横观各向同性体,利用半解析数值计算原理,又将复合地基位移竖向离散为多项式,在水平两个方向上选取解析函数模拟无限域地基进行计算,从而克服了有限元计算中人为设定计算边界的弊端,提高了计算精度,并将三维沉降问题转化为一维问题进行计算,收敛速度快,显著地减少了计算工作量,将计算结果与理论解进行对比,满足精度要求。通过改变复合地基置换率、加固深度和桩土模量比,采用半解析元法研究了复合地基的加固效果,计算结果表明,桩土模量比较大时,可忽略加固区压缩变形量;增大置换率对减小沉降作用很小,而增加加固深度能明显减小复合地基沉降,在以控制沉降量为主要目的复合地基优化设计中应首先考虑增加加固深度。     

上海软土地区打入桩基长期沉降性状研究

通过对上海25栋高层建筑打入桩基长期沉降观测资料的对比分析,研究压缩层的组成与桩周土特性对打入桩基长期沉降性状的影响,指出桩周浅部厚砂土层对打入桩基长期沉降性状的影响同压缩层有密切的关系。当压缩层以准砂土为主（准砂土比 ? > 75 %）时,桩周厚砂土层对降低桩基沉降及改善沉降性状有明显作用;当准砂土比? < 50 %（或可塑性黏土比?3 > 50 %）时,桩周厚砂土层的上述作用将消失。即使在桩周存在厚砂土层时,压缩层组成对桩基沉降性状的基本特征起主导作用仍然是具有普遍意义的概念。在浅部厚砂土层中得到的上述研究结果,实际上同挤土桩施工的复杂作用有关。     

盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析

利用有限元软件ABAQUS,采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟天津市地铁1号线盾构施工。计算结果表明,有限元模型能够很好地模拟盾构施工过程。利用此模型研究隧道开挖对桩基础的影响。隧道开挖引起的桩顶沉降、桩身侧移主要发生在盾构机推进面逐渐接近桩的过程中,当盾构机推进面通过桩所在的位置后桩顶沉降、桩身侧移增加不明显;与隧道水平距离相同时,由于长桩能够充分发挥桩身下部的侧摩阻力,隧道开挖引起的长桩的桩顶沉降小于短桩的桩顶沉降;隧道开挖过程中12 m长桩的桩身发生了整体倾斜,16、19 m长桩的桩身出现了弯曲变形,16、19 m长桩的桩身最大弯矩发生在地面下12～13 m之间,即在隧道轴线附近;开挖过程中桩顶出现沿隧道推进方向的往复位移;桩顶作用的竖向荷载越大,由隧道开挖引起的桩顶沉降越大     

层状地基群桩沉降研究

考虑了桩的加筋与遮帘效应,通过剪切位移法依据力与位移的协调条件得出桩的柔度系数。在此基础上建立土的成层性模型,根据桩顶与桩底的物理关系推导了桩顶沉降与荷载关系的解析解。通过工程算例进行比较,结果表明, 以土层状模型建立的群桩沉降计算方法是可行的。分析表明, 加固区土层不同分布对桩沉降有所影响,浅部土模量的提高有利于减小沉降。