基于载荷试验的超长桩应力传递机理分析

基于上海某工程超长桩载荷试验成果,采用Boltzmann数学模型拟合了桩侧土和桩端土的荷载传递函数,进而采用有限杆单元法和荷载传函数分析了单桩荷载传递机理.结果显示,基于试桩成果拟合得到的Boltzmann荷载传递函数,可以较好的用于模拟单桩Q-S曲线及侧摩阻力发挥过程,由于桩侧摩阻力与桩土相对位移接近理想弹塑性的函数关系、桩身材料的非线性等因素,会导致模拟的单桩Q-S曲线与实测结果存在差异.     

超长灌注桩桩-土界面剪切模型及其有限元模拟

由于超长灌注桩为摩擦型桩,建立合适的桩-土界面剪切模型将成为合理且有效地模拟分析其承载变形特性的关键。基于超长灌注桩桩侧摩阻力? 随桩-土相对位移w发挥性状,将? - w关系定义为硬化和软化两种类型,进而将桩侧摩阻力发挥模式分为全硬化模式、全软化模式和混合模式。建立超长灌注桩桩-土界面剪切硬化模型和软化模型,运用ABAQUS二次开发子程序FRIC将建立的剪切模型嵌入有限元,实现剪切模型的有限元模拟,单桩算例表明,剪切模型在ABAQUS中实现是成功的。运用建立的桩-土界面剪切模型对现场试验试桩进行有限元模拟,模拟结果与实测结果较为吻合,表明所建立的桩-土界面剪切模型及其有限元模拟对于超长灌注桩承载变形计算具有合理性和可行性。     

竖向高荷载作用下大直径超长钻孔灌注桩承载性能试验

通过机场—西华高速大直径超长钻孔灌注桩大吨位竖向单桩静载试验,分析了该地区大直径超长钻孔灌注桩的承载性状以及荷载传递机理。试验结果表明:试桩的Q-S曲线呈缓变型,桩端承载力占总荷载的比例均<10%,即均表现为摩擦桩特性;试桩的侧摩阻力自上而下逐步发挥,侧摩阻力和桩端阻力异步发挥且互相耦合;大直径超长钻孔灌注桩桩侧摩阻力的发挥与土层性质、土层埋深及桩顶荷载水平有关;在高荷载作用下桩侧上部土层摩阻力具有不同程度的软化现象,而中下部土层侧摩阻力具有不同程度的强化现象,甚至即使在最大加载情况下,桩身下部土层的侧摩阻力也并未完全发挥,因此在根据规范计算超长桩承载力时,不同深度土层的侧摩阻力应乘以相应不同的修正系数。     

柔性群桩承台下变截面角桩与地基相互作用的线性分析

对桩侧土及桩端土均采用线性荷载传递函数,同时考虑桩周土所分担的荷载及桩型对桩基荷载传递规律的影响,利用力学理论及微分方程的近似解法—子域法,推导出了柔性群桩承台下变截面角桩与地基相互作用的近似的解析算式,并通过算例将等截面桩桩侧摩阻力和桩身轴力与变截面桩桩侧摩阻力和桩身轴力作了对比,表明改变桩型能提高桩侧摩阻力。为验证本文方法的可行性,将模型试验结果与本文计算结果进行了比较,表明本文方法有较好的精度。     

单桩桩土相互作用及荷载传递机理探讨

研究了单桩桩土相互作用及荷载传递机理过程,指出了荷载传递函数中的为桩身位移,不是桩土相对位移和桩身压缩量,从而消除了由于不同的理解带来的混乱.基于单桩相互作用机理的改进模型,推导了预测单桩桩侧摩阻力以及桩身轴向力分布的公式,并将他们应用于一工程试桩,预测的单桩荷载沉降曲线与实测结果很好地吻合.     

考虑深度效应的超长单桩荷载传递性状的研究

考虑到目前的超长桩的桩侧荷载传递性状研究,基本上还是基于短桩理论,提出了考虑超长单桩桩侧摩阻力的深度效应的单桩荷载传递函数,并且将荷载传递法和有限元方法结合起来,采用该荷载传递函数来模拟单桩的桩侧荷载传递规律。用反演方法得出了该荷载传递函数的参数。算例表明：考虑深度效应的计算结果比不考虑深度效应的计算结果稍偏大,且与实测值更为接近,其结果更为合理。     

多层地基中超长桩荷载传递机理的非线性计算方法

目前超长桩的理论远远落后于实践,分析超长桩的受力性能,提出合理的承载力计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题.论文基于超长桩试验资料,提出与超长桩桩侧土工作性状相适应的弹性-软化-稳定三阶段荷载传递模型;桩端采用双曲线荷载传递模型模拟土的非线性变形特性;桩身引入混凝土的Rusch模型,以考虑高荷载水平作用下超长桩桩身混凝土的弹塑性性状.通过桩身任意处微段竖向受力平衡,建立考虑桩身混凝土弹塑性关系的桩土体系荷载传递基本方程,在综合考虑桩侧土软化稳定和桩端土非线形的基础上得到与超长桩工作性状相适应的层状地基中超长桩荷栽传递分析方法,并根据模型编制了相应的C语言程序进行实例分析.计算得到的荷栽-沉降曲线与实测的曲线吻合较好.本文方法适用于计算多层地基中超长桩的沉降和极限承载力,也可用于分析层状地基中超长桩的荷载传递规律.经过对工程实例的计算与实测对比分析,证明该法简单、可靠,且具有较好的适用性.     

桩端条件对灌注桩荷载传递特性的影响

以荷载传递法为基础,研究了桩端条件对灌注桩荷载传递特性的影响。采用考虑桩侧软化的三阶段荷载传递函数,并以三折线模型模拟桩端土劣化或沉渣的影响,通过静力平衡条件建立微分控制方程。以桩端沉降和端阻力为边界条件,并将桩侧双曲线段的非线性两阶常微分方程转化为积分方程,并用数值方法求解,可以得到桩身任意截面的沉降、轴力和侧摩阻力。通过参数分析,研究了不同桩端刚度和不同沉渣厚度下灌注桩的荷载-沉降曲线和桩侧摩阻力的分布情况,讨论桩端条件对单桩荷载传递特性的影响。对两组相邻试桩的工程实例进行分析计算,结果表明,该方法能较好地反映实际情况。     

超长桩荷载传递性状研究

根据超长桩的现场静载荷试验资料,分析了超长桩的单桩荷载传递特性。结果表明,超长桩表现出端承摩擦桩的特性,桩顶以下l/3桩长及桩端以上l/6范围内的桩侧摩阻力极限值接近规范推荐值,而中间部分的桩侧摩阻力远远大于规范值,表现出强化效应,桩端注浆桩的侧摩阻力强化效应更加明显。根据其荷载传递特性,提出了单桩极限承载力的估算公式,实例计算结果和实测结果较吻合。     

高速铁路超长桥桩承载特性试验研究

超长桩广泛已应用于土木工程各个领域,但黄土地区超长桩的承载性状和变形特性尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对郑西铁路客运专线某特大桥的4根超长桩现场测试项目的资料分析,得出了超长桩桩身轴力及侧阻力的变化规律,对超长桩的承载特性有了更为清晰的了解。试验结果表明,在桩顶竖向荷载作用下,桩身轴力随荷载的增加发生了局部调整,砂性土层的桩侧摩阻力具有增强效应,黏性土层的桩侧摩阻力具有退化效应;单桩竖向刚度随桩顶荷载的增加而减小,单桩竖向刚度降低40 %～70 %。     

基于荷载传递法的单桩非线性受力性状分析软件开发及其应用

基于荷载传递法的单桩非线性受力性状分析软件,可灵活选用不同的荷载传递函数如双曲线模型和软化模型等分析单位侧阻与桩土相对位移间的关系及桩端位移和桩端阻力间的关系,并将桩分成若干桩段以考虑地基土的成层性,且在分析单桩的非线性受力性状的过程中可考虑地下水的影响。该软件得出的单桩受力性状与实际情况吻合较好,提出的基于荷载传递法的单桩非线性受力性状的分析软件是合理可行的,在单桩非线性受力性状的分析上具有一定的实用价值。     

静钻根植竹节桩承载力及荷载传递机制研究

静钻根植竹节桩是由预应力竹节桩和桩周水泥土构成的一种新型组合桩基,该新型桩不仅承载性能较好,而且可以大量减少桩基施工过程中所产生的泥浆污染。通过静钻根植竹节桩和钻孔灌注桩的静荷载对比试验及埋设在竹节桩桩身上的应变计对桩身轴力进行测量,分析了静钻根植竹节桩桩身的轴力分布情况以及侧摩阻力的分布,用有限元软件ABAQUS对静钻根植竹节桩进行三维建模计算,详细地分析这种新型组合桩的荷载传递机制。结合现场试验与模拟计算可以得到:在软土地区,静钻根植竹节桩这种新型组合桩的承载力比普通钻孔灌注桩要高;静钻根植竹节桩桩身变形由预制桩所控制,竹节桩与桩外围水泥土近似变形协调;竹节桩竹节的存在对组合桩承载性能有着极其重要的作用;在软土中静钻根植桩侧摩阻力是灌注桩侧摩阻力的1.05¹.10倍。     

群桩沉降简化计算方法

将均质土和成层土中的单桩桩顶沉降分成桩端力引起的沉降、桩身压缩和桩侧阻力引起的沉降3部分分别计算,获得单桩沉降后,运用等代墩法可获得群桩的平均沉降。单桩沉降计算方法可考虑桩端力与桩端位移的非线性关系和桩侧阻力引起沉降的非线性特性,同时计算方法可考虑桩身压缩对桩顶沉降的贡献。算例分析表明,计算值与实测值和其他方法的计算值有较好的一致性,验证了该方法的合理性。     

基于改进荷载传递法计算降水引起的基桩沉降

现有研究采用荷载传递法时均未计算桩体自重,若直接应用于国内软土地区超长桩基的沉降计算,其精度难以满足高速铁路线下工程严格的沉降控制要求。基于佐藤?悟双折线模型提出侧阻荷载传递函数的假定模式,引入桩体自重并对荷载传递法的基本微分方程进行修正和求解,结合降水引起的桩周土体沉降计算和基于端阻弹性模型的桩端土体沉降计算,获得地下水位变化诱发的基桩沉降计算方法;采用理论推导的基桩沉降解析解,并借助嵌入荷载传递函数的有限元方法,分别对单纯桩顶荷载作用和桩顶荷载与降水共同作用两种工况下的桩侧摩阻力、桩体轴力和基桩沉降进行算例对比分析;有限元计算因考虑了由桩体沉降产生的桩周土体附加竖向位移而与理论计算略有偏差,但两种方法计算结果的变化规律基本一致,验证了降水引起的基桩沉降理论计算公式的合理性及正确性。     

竖向荷载下群桩-土-承台相互作用数值分析

在大桩径、小桩距的群桩条件下,不仅有来自桩侧、桩端和承台传递的多重应力叠加,还有群桩对桩间土的夹持作用影响,桩-土-承台之间作用更加复杂。用有限差分软件模拟固定桩距、桩径,变化竖向荷载下桩-土-承台的相互作用。从各层土的侧摩阻力、不同位置桩的桩顶荷载、荷载-沉降关系、桩间土体位移等方面的计算结果分析桩-土-承台之间的相互影响。结果表明,荷载超出117.8 MN（略大于Pu/2,Pu为群桩极限承载力）后,群桩对上部桩间土的夹持作用开始减小,桩侧上部侧摩阻力增大;桩侧下部侧摩阻力在多重应力叠加作用下呈减小趋势,不同位置的桩侧摩阻力影响范围有差异;用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的;当沉降与桩径的比值超出1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。     

Behaviour of piles in consolidating soil

The development of negative skin friction on circular piles in a consolidating layered soil is investigated by an elasto-plastic load transfer theory which accounts for slippage of the soil. The elastic load transfer theory is premised on the compatibility condition that the vertical displacement of the ‘pile’ is equal to the summation of the vertical displacement of the layered soil due to the consolidation of the upper soil layer and the vertical displacement in the ‘soil layers’ along the pile’s centroidal axis caused by a system of pile-soil interactive forces. Slippage of the soil is accounted for by imposing the shear strength of the clay layer as the limit of the pile-soil interface shear stress. The saturated upper clay is consolidating under a uniform surcharge in accordance with Terzaghi’s one-dimensional consolidation theory. The validity of the proposed solution is confirmed by comparison with field measurements. Extensive parametric studies with regard to the effect of pile-soil slip on pile behaviour are presented.     

复合地基承载特性的弹塑性分析

对桩及承台采用线弹性有限元模型,对承台下桩周土采用弹塑性有限元模型,对群桩以外的土体采用线弹性无限元模型,在桩土接触面上设置接触面单元,利用三维弹塑性有限元对桩%D土%D承台相互作用进行了分析。得出了如下结论 :承台下桩顶反力总体表现出角桩最大,边桩次之,中桩最小的分布规律,随着作用在承台上的荷载增大,桩顶反力趋于均匀分布,承台下桩侧摩阻力是由桩端向桩顶逐渐发展的,承台对桩上部侧摩擦阻力存在削弱作用。为了验证本文方法的可行性,对承台下有九桩的情况进行了静载试验,将试验结果与本文计算结果进行了比较。     

路堤下刚性桩复合地基桩-土应力比计算

路堤下刚性桩复合地基普遍存在的负摩阻力对桩-土相互作用特性影响显著。基于极限剪切位移受应力水平影响较小而受试样尺寸影响较大的试验结果,提出了桩-土界面剪切刚度随应力水平变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型,针对桩-土相互作用的上部负摩阻力塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区3区段模式,建立了塑性区非均匀、弹性区非线性的摩阻力分布图式;以均布路堤荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,利用单元体荷载传递微分方程,结合桩-土-垫层压缩变形协调条件,推导出了中性面位置及桩-土应力比的解析表达式,分析了路堤荷载及垫层柔度系数的影响。研究表明：中性面位置随垫层柔度系数增加而下移,随路堤荷载增大先下移后上抬;桩-土应力比随垫层柔度系数增加而减小,随路堤荷载提高先增大后降低,据此提出了采用最大桩-土应力比进行桩体布置和垫层设计的技术思路。     

桩顶荷载对负摩阻力性状影响的现场试验

负摩阻力是桩周土体沉降产生的桩附加沉降和下拽力的综合效应。为了研究不同的桩顶荷载对负摩阻力基桩性状的影响,在同一个试验场地上,对不同桩顶荷载作用下完全相同的3根桩的负摩阻力性状进行了现场测试。测试结果表明,桩顶荷载对于桩的负摩阻力性状有明显影响。随着桩顶荷载的增加,负摩阻力引起的桩附加沉降越大,桩周土体沉降引起的负摩阻力就越小;负摩阻力引起的下拽力也随着桩顶荷载的增加而减小;中性点位置随着桩顶荷载的增加而上升。这对桩基负摩阻力特性的研究是有益的。     

Influences of soil consolidation and pile load on the development of negative skin friction of a pile

Negative skin friction (NSF) along a pile caused by soil consolidation is of great concern to engineers. The development of NSF is time-dependent because soil consolidation is also time-dependent. In this paper, a numerical solution is provided for the development of negative skin friction of a pile in nonlinear consolidated soil under different loads on a pile top. A hyperbolic interface model is also developed. This model considers the development of shear strength during soil consolidation and loading–unloading scenarios at the pile–soil interface. One-dimensional nonlinear consolidation theory is invoked to estimate the soil settlement and shear strength. The distributions of NSF and the axial force along the pile are obtained using the differential quadrature method (DQM). The influences of soil consolidation and different pile loads on the negative skin friction of a pile are discussed.