砂土中大直径单桩水平循环加载模型试验研究

采用电机伺服水平循环加载设备开展了一系列1g模型试验,研究砂土中大直径单桩在水平循环荷载作用下的刚度和变形累积特性。试验结果表明,一次加卸载产生的残余位移约为峰值位移的80%;随着循环次数的增加,循环加载滞回曲线面积逐渐减小,表明桩周土体行为从弹塑性向弹性阶段转变;滞回曲线割线刚度随着循环次数的增加,呈现先增后减的变化,为浅层桩周土体逐渐密实以及桩周土体抵抗由浅层向深层发展的趋势引起;桩顶累积位移随桩径增加而近似等幅减小,随埋深增加,位移的减小幅度也逐渐减小,表明了临界埋深的存在。在指数模型的基础上,在双对数坐标系中通过线性拟合给出了循环累积位移经验模型,发现增大桩径对于减小循环累积位移的效果要好于埋深。     

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。     

考虑砂土密实度影响的单桩竖向循环加载模型试验

采用自主设计的长期循环加载装置,进行了不同密实度砂土中单桩竖向循环加载模型试验,考虑砂土密实度的影响,建立了循环累积位移预测模型,并对其适用范围进行了探讨。试验结果回归分析表明,第1次循环累积位移与循环荷载比呈指数函数模型变化,模型参数与砂土密实度有关。在一定循环累积位移速率范围内,桩顶循环累积位移与循环次数幂函数模型的预测值与实测值吻合较好,但循环累积位移速率受砂土密实度的影响,因此,应对桩顶循环累积位移的发展规律进行分区,以考虑砂土密实度的影响。     

主动侧向受荷桩桩周土的影像观测与数值模拟

在室内模型试验中对模型桩顶施加水平荷载,分别采用数字照相无标点变形量测系统及配套量测分析软件形象地再现了不同密实度砂土中桩周土体及地表土体水平位移分布规律。对双桩的地表水平位移分布情形进行观测分析,结合桩顶位移与水平荷载的关系研究了桩间距对桩与桩之间的相互作用的影响。应用颗粒流程序PFC2D模拟一定深度平面内桩周土体位移,揭示了主动桩桩周土的颗粒流动性状及桩间距对桩-土相互作用的影响。结果表明,主动受荷桩桩周砂土位移场呈两个纺锤体状;砂土密实度增加,桩前砂土变形范围增大;桩间距越小,相邻桩相互影响越明显。     

低幅值高循环荷载作用下土体的应变累积模型

高速铁路路基上的轨道以及附近区域的结构物承受低幅值、高循环振动荷载的反复作用。在此低幅值、高循环荷载作用下土体会产生不可恢复的应变累积,导致轨道及附近区域结构物发生附加沉降。当前,描述土体的循环变形特征的理论分为两类：一类是基于经典塑性理论的应力-应变滞回模型（例如边界面模型）,另一类是基于循环三轴试验经验规律的应变累积模型（例如Bochum累积模型）。为了能够预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,在前人对土体在低幅值、高循环荷载作用下大量试验研究的基础上,在经典弹塑性理论的框架下,提出一个土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积模型。该模型通过用对数律来描述塑性体应变的累积规律,并以此作为应变累积的大小度量,然后通过修正Cam-clay模型的流动准则来描述应变累积的发展方向。最后,通过多组试验结果的模拟,表明所提出的应变累积模型能够较好地预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,具有广泛的应用前景。     

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载（极限荷载的一半）,再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体（即夏季模式的热循环）;热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。     

筋-土界面循环剪切刚度和阻尼比的试验研究

为了研究筋-土界面在遭受动力作用时的表现,利用大型直剪仪对土工格栅、土工编织布、土工无纺布和砂土界面进行了一系列循环剪切试验,得到了不同工况下界面的剪切刚度和阻尼比,并探究了循环次数与剪切刚度和阻尼比之间的规律。研究结果表明,同一循环次数时格栅-土界面的循环剪切刚度最大,土工编织布-土界面的阻尼比最大;剪切位移幅值为3 mm时3种竖向应力下界面都呈现出循环剪切硬化的特征,随着循环次数的增加,各竖向应力下的界面阻尼比有趋于某一值的趋势;砂土密实度越大,同一循环次数对应的剪切刚度越大,阻尼比越小,且随着循环次数的增加3种砂土密实度的界面阻尼比有趋于同一值的趋势;循环剪切位移幅值为5 mm的界面发生循环剪切软化现象,剪切位移幅值越大,界面同一循环次数的阻尼比也越大。     

双向循环荷载作用下砾石−格栅界面动力剪切特性

在动荷载作用下,加筋土结构中筋土界面不仅会受到水平循环剪切作用,还会受到循环荷载的压缩作用。采用大型直剪仪对双向循环作用筋土界面动力剪切特性进行研究,探究不同循环法向荷载频率、水平循环剪切频率和法向荷载波形对界面剪切强度的影响。结果表明：当循环法向荷载频率和水平循环剪切频率一致时,峰值剪切应力和最大竖向位移随着频率的增加而增加,前后半周期剪切应力和位移曲线时间差均相同;反之,滞回圈应力−位移关系和竖向位移会由于双向循环荷载频率的不同呈现两种不同形态特性;正弦波法向荷载作用下剪切应力和竖向位移最大,而斜波和方波荷载作用下,滞回圈和竖向位移变化曲线较三角波和正弦波差别较明显;剪切刚度随着双向循环荷载频率的增大而增大,正弦波作用下界面剪切刚度最大,斜波作用下界面剪切刚度最小。     

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。     

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

砂土中群锚锚周土体变形特性模型试验研究

群锚是常见的基础形式应用较为广泛,由于群锚之间的相互作用,群锚上拔过程中锚周土体的变形破坏机制比较复杂。采用非接触式数字图像相关方法（DIC）对群锚上拔过程开展模型试验研究,分析了群锚上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征和锚周土体变形破坏机制。试验结果表明,密实度和埋深对群锚上拔力-位移关系曲线特征具有显著影响,在相同密实度、相同埋深率下浅埋与深埋群锚与同条件下的单锚具有相似的上拔力-位移关系曲线特征;群锚抗拔承载力具有明显的叠加效应,且砂土密实度、埋深和锚间距等参数因素对群锚效应具有显著影响。通过变形场的研究,得出了砂土密实度、埋深以及锚间距对群锚效应的影响规律。     

循环荷载下劲性微型桩单桩模型试验研究

以1/7比例进行室内模型试验,采用荷载控制加载的拟静力试验方法,通过在桩顶施加侧向循环荷载,对劲性微型桩单桩的滞回曲线、骨架曲线和滞回特性进行研究,同时探讨了循环荷载下劲性微型桩的弯矩分布及破坏机制。研究表明,劲性微型桩在循环荷载作用下荷载-位移关系具有稳定的滞回环,且表现出刚度退化的特性;在上部土体范围内产生桩土脱开效应,滞回曲线发生捏拢现象;桩身弯矩主要集中在桩顶下17 d的范围内,最大弯矩位于桩顶下6 d附近     

海上风电桩基水平承载力循环衰减二维简化分析

海上风电的桩基在长期循环荷载作用下会引起承载力的衰减。针对软黏土中水平受荷单桩,通过引入累积塑性应变以考虑土体不排水强度的循环弱化,建立二维有限元数值模拟和简化p-y曲线简化方法,以分析水平循环荷载作用后单桩桩侧侧向抗力的衰减弱化。在小数目循环荷载下简化方法与有限元计算结果比较吻合,在此基础上,采用二维简化分析方法得到长期大数目循环荷载下桩侧水平抗力的衰减规律,发现如荷载幅值与初始极限抗力的比值小于土体灵敏度的倒数,单桩在长期水平循环荷载作用下承载力虽有所衰减,但桩基趋于稳定,不会发生破坏。     

描述循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型

软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法,虽拟合方法众多,仍存在一定的局限性。根据典型结构性黏土的动力变形的曲线形态演化规律,通过引入指数型函数(1)Na?-与指数双曲线函数/(1)m mb N(10)c N的叠加融合,提出了一种能更好描述在循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型,该模型既适用于具有应变极限值的"稳定型"应变曲线,也能拟合不同应力水平下的"破坏型"应变曲线。不仅如此,该改进模型对呈脆性破坏特征的强结构性黏土变形特性表征也具有明显的优越性,对于不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状均能较好描述,具有很好的普适性。改进模型可近似计算土体的临界动应力,针对动荷载下的结构性黏土破坏突然且破坏前的轴向应变较小,认为宜用应变-振次曲线拐点对应的应变值来确定相应土体应变破坏标准。     

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。     

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。     

循环荷载下弱膨胀土累积变形与动强度特性试验研究

弱膨胀土经防水保湿处理后可作为路基填土,而目前对其动力响应特性研究较少。为深入分析合肥地区弱膨胀土动力特性,利用GDS动静态真三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究了不同围压、固结应力比及动应力幅值对土体累积变形及强度特性的影响规律。依据试样在不同围压、固结应力比、动应力幅值下的累积变形,建立了弱膨胀土累积变形预测模型。根据应变速率将弱膨胀土累积应变曲线划分为稳定型、破坏型和临界型,并给出判别标准。分析了不同围压、固结应力比下弱膨胀土动强度变化规律,在固结应力比超过1.5时土体强度明显下降,动黏聚力c_d随循环破坏振次lg N_f增大呈线性减小,动内摩擦角φ_d随循环破坏振次增大略微减小。该试验结果可为相关工程提供基础数据与参考。     

考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型

提出了一种能考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型（t-z模型）。该模型既能反映不同材料的桩基在同一土体中抗压承载力的不同,也能反映同一材料桩基在同一土体中桩身抗压摩阻力与抗拔摩阻力的不同,同时还具备模拟循环荷载下t-z曲线滞回特性的能力。根据位移协调算法编制了可用于竖向压、拔荷载作用下单桩响应分析的Matlab程序,利用程序对模型试验进行了模拟,结果对比证明了该模型的适用性。最后分析了桩体弹性模量对压、拔极限摩阻力比值的影响,结果表明,该比值随弹性模量的减小而减小,对于混凝土桩,该值介于0.6～0.8之间,与规范建议的抗拔系数接近。     

基于滑块位移法大桩帽刚性短桩荷载传递特性分析

通过分析室内模型试验和数值模拟成果发现,随着荷载的不断增加,大桩帽刚性短桩桩帽下地基土体最终发生侧向整体剪切滑移破坏,而下部桩体则发生向下刺入破坏。据此,提出了一种滑块位移法分析桩帽下地基土体的荷载-位移关系,而下部桩体的荷载-位移关系则采用荷载传递法进行分析。然后,基于上、下两部分的位移协调条件,叠加得到大桩帽刚性短桩的荷载-位移关系曲线(P-s曲线)。同时,采用模型试验结果对此方法进行了验证,结果表明,采用此方法得到的P-s曲线与试验结果吻合良好。最后,利用本文计算模型分析了不同的帽桩直径比D/d以及桩长与桩帽直径比L/D对大桩帽刚性短桩承载力的影响,结果表明,在软土地基中宜采用帽桩直径比D/d2和桩长与桩帽直径比L/D10的带帽桩。