多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。     

静钻根植能源桩承载特性模型试验研究

为了研究静钻根植能源桩在热?力耦合作用下的承载特性,采用自行设计模型试验系统,测试模型桩在黏?砂双层地基中的热力响应。试验结果表明：桩体温度沿深度变化并不均匀,对桩周土的温度影响半径为3倍桩径;3次冷热循环后桩顶和桩周土表面均产生累积沉降,在桩顶荷载达到单桩极限承载力的25%时,桩顶累积沉降达到桩径的3.12‰,是桩顶无荷载情况下的1.77倍;模型桩附加温度应力沿深度分布均表现为中间大两端小,位移变化零点（附加温度应力最大处）随着桩顶荷载增大（约束增强）而上移,桩顶荷载较小时降温引起桩身局部产生拉应力。因此,静钻根植能源桩的承载特性与温度变化条件、桩顶荷载大小和桩端约束条件密切相关,在工程设计中需要综合考虑以确保运行安全性。     

堆载作用下桩体弹性模量对负摩阻力性状的影响

简要分析了桩体弹性模量对于桩体负摩阻力特性的影响机制。低弹性模量桩身压缩是桩顶位移的主要组成部分。在这种情况下桩身压缩对桩的荷载传递影响很大。在复合地基中常用的低刚度桩的桩-土相互作用分析中应当考虑桩身压缩的影响。有限元分析表明,影响桩体负摩阻力特性的桩体弹性模量存在一个临界值,当桩体弹性模量大于此值时,可以忽略桩体弹性模量对桩体负摩阻力性状的影响;桩体弹性模量小于此值时,桩身压缩变形增大,会造成中性点位置上移,桩身中最大附加应力降低。这些变化随着桩体弹性模量的降低而加剧     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩-土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩-土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

超大面积深厚软土桩-网复合地基现场试验研究

结合潮汕车站软基处理工程设置监测断面,埋设相关监测仪器,对桩-网复合地基上部路堤填土施工过程中地表沉降、深部分层沉降、深部水平位移、桩顶应力、桩间土应力、土工格栅伸长量等的变化进行观测分析,结果表明,在加载初期,桩间土和桩顶土的应力都存在一个迅速增大的过程,但桩顶土应力增大的速率要大于桩间土应力增大的速率;当填土达到一定高度时,桩间土应力出现极值,产生的土拱效应会使4桩中心处的应力小于2桩中心处的应力值;管桩的轴力、摩阻力和地层情况密切相关,且均随时间、荷载的增加而增大;地基分层沉降的速率与路堤填土的速率呈正相关,沉降量的大小与地层深度和地层特征有关;土工格栅的拉伸位移量随着填土高度的增加而增加,且其增长速率经历了由慢到快再到缓的过程;地基水平位移随荷载的增加而增大,随深度增加而减小,管桩有效地限制了地基的水平位移。     

超大面积深厚软土桩-网复合地基承载性状模型试验研究

基于厦深铁路潮汕车站地基处理加固工程,完全参照原型的软土地基地层分布情况,设计了两种不同桩间距下的超大面积深厚软土桩-网复合地基物理模型试验,对荷载传递机制与不同桩间距下桩体荷载分担比、桩土应力比及地基沉降规律等进行了系统研究。结果表明,桩身轴力沿着桩身高度往下先逐渐增大到某一深度后又逐渐减小,随着桩间距增大,桩承担上部荷载的方式由摩擦桩逐渐向端承桩变化;随着桩间距增大,桩身中性点下移,桩身最大负摩阻力出现的位置下降,且其值减小;桩间距对桩-土应力比有显著影响,而对桩体荷载分担比影响较小;不同桩间距下,两桩中心桩间土与桩顶差异沉降均小于4桩中心桩间土与桩顶差异沉降;随着路堤填土荷载增加,土工格栅表现为拉应变逐渐增大,拉应变曲线刚开始比较平缓,后逐渐变陡,增大的速率先慢后快。     

不同置换率复合地基力学性状附加荷载影响规律离心试验研究

置换率是确定CFG桩复合地基的关键指标之一,根据土层分布明确桩长后针对目标附加荷载选择置换率是竖向结构体系决策的基础,目前缺少不同置换率复合地基力学性状附加荷载影响规律共同认知。通过进行2组相同附加荷载和加固深度、不同置换率的复合地基离心模型试验,研究复合地基桩身轴力、桩侧摩阻力、桩土应力比和地基沉降响应附加荷载的分布及变化规律。研究结果表明,因置换率的增大,(1)CFG桩所承受的轴力有所减小,且轴力最大值所在位置上移;(2)摩阻力零点位置和桩体上部负摩阻力最大值位置出现上移且后者变化速率加快,桩端最大正摩阻力值明显减小;(3)桩土应力比有所减小,且在深层土体中其沿深度方向的减小速率变小;(4)地基沉降和地表沉降明显减小,地表沉降与荷载呈线性关系变化,CFG复合地基的复合模量有所提高。     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。     

大直径超长钻孔灌注桩荷载分层传递特性试验分析

基于＂上海市虹桥综合交通枢纽交通中心工程西交通广场＂工程现场静载荷试验和桩身应力测试结果,分析竖向荷载作用下大直径超长钻孔灌注桩在成层土中的荷载传递特性。本工程试桩已加载至破坏,对此试验结果进行分析,能为深入研究大直径超长钻孔灌注桩的承载性状提供有价值的工程参考。本次试验结果表明：1）大直径超长钻孔灌注桩桩端承载力所占比例较低,荷载-沉降关系为陡降型,存在明显拐点;2）桩侧与桩端阻力非同步发挥且相互影响,而上下土层侧阻力系先后发挥至极限;3）根据试桩实测数据,土层埋深对桩周具有相似物理力学性质土层的侧摩阻力影响较大。     

能量桩群桩工作特性简化分析方法研究

采用双曲线模型模拟桩土界面上的力学行为,利用剪切位移法反映剪应力在土层中的传递,考虑群桩之间的相互作用,建立了热?力耦合作用下能量桩群桩基础工作特性的简化分析方法。该方法能反映桩土界面上的非线性、桩顶的约束条件和能量桩位置的影响,可直接计算所有桩的位移和轴力。与现有方法相比,计算得到的双桩相互作用因子更加合理。通过与文献中试验数据的对比表明,若只有局部桩经历温度变化,能量桩运行过程中各桩之间存在差异变形,基础出现倾斜,桩顶荷载发生重分布。所建立方法计算方便,能合理模拟能量桩群桩基础的主要工作特性,可用于大规模能量桩群桩基础的设计计算。     

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明：增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身...     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

Experimental study on the mechanical behaviour of a heat exchanger pile using physical modelling

This study aims to provide knowledge on the thermo-mechanical behaviour of heat exchanger piles, through a laboratory scale model. The model pile (20 mm in external diameter) was embedded in dry sand. The behaviour of the axially loaded pile under thermal cycles was investigated. After applying the axial load on the pile head, the pile temperature was varied between 5 and 30 °C. Seven tests, corresponding to various axial loads ranging from 0 to 70 % of the pile estimated bearing capacity, were performed. The results on pile head displacement show that heating under low axial load induced heave and cooling induced settlement; the pile temperature-displacement curve was found to be reversible and compatible with the thermal expansion curve of the pile. However, at higher axial loads, irreversible settlement of the pile head was observed after a few thermal cycles. The axial load profile measured by the strain gauges evidenced that the pile head load was mainly transferred to the pile toe. Nevertheless, thermal cycles modified significantly the mobilised skin friction along the pile. The total pressure measured at various locations in the soil mass was also slightly influenced by the thermal cycles.     

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。     

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。