沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究

基于二维离散单元法,对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟。采用簇粒来模拟易破碎的钙质砂颗粒,并用形状与变形特性相同的聚粒单元来模拟不可破碎颗粒,对这两种单元特性进行对比,分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。结果表明：破碎颗粒将引起桩侧土体级配的重新调整,与桩体接触好于不可破碎土体;桩处于颗粒破碎的钙质砂中,其沉桩速度较快,对地基土扰动小于未发生颗粒破碎的情况;对于不同桩型、不同土层,桩体压入过程中,桩周土体应力场分布具有相似性;靠近桩端附近,土中水平应力和竖向应力急剧增大,形成应力核;同等条件下发生颗粒破碎的钙质砂地基土中,桩端应力峰值高于不可破碎土体。     

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

饱和成层地基中静压单桩挤土效应的有限元模拟

针对实际工程中成层土情况中静压桩存在的问题,在ANSYS平台上,应用位移贯入法对静力压桩的连续贯入的全过程进行有限元模拟,详细对比了在均质土和成层土中静力压桩产生的位移场和应力场。指出软硬土层交界处土体位移加 大,土中挤压应力剧变,出现应力间断。实际工程中,挤压应力间断使已压入桩的侧向受力剧变,导致桩体易开裂、弯折。这里提出相应的解决方法。     

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明：压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。     

双层高岭黏土中沉桩特性模型试验

为了揭示黏土中静压沉桩的宏观力学特性,采用西澳大学的梁式离心机压桩系统,通过在双层高岭黏土中进行一系列1g重力场情况下的T-bar触探测试试验、静压沉桩试验、桩拉伸试验和压缩试验,对比分析了T-bar分别在均质软质黏土和双层黏土中随贯入深度变化测得的不排水剪切强度的特性;研究了桩体在贯入过程中沉桩阻力、桩端阻力以及桩侧摩阻力的发展规律;并对桩身径向总应力在沉桩过程中的变化规律进行了探讨;此外,还揭示了不同桩型沉桩终压力与桩承载力之间的关系。结果表明：在黏土中沉桩时,桩侧摩阻力在整个沉桩阻力中发挥主要的作用;对于同一土层而言,当桩超过土层分界面以下2D（D为桩径）范围后,桩端阻力并不受相邻土层性质的影响;随着压桩后时间的推移,桩侧摩阻力对承载力的时效影响较桩端阻力大。     

黏性土中静压桩沉桩过程现场试验及桩土界面桩侧土压力分析

为了揭示黏性土中静压桩贯入过程中桩土界面桩侧土压力的受力特性,依托山东东营某桩工程开展了现场足尺试验,得到了静压桩沉桩过程中桩土界面桩侧土压力随贯入深度的变化规律,分析了贯入过程中不同土层桩侧土压力的分布特性,明确了桩侧土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,探讨了桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值关系。结果表明：桩土界面桩侧土压力与土层性质密切相关;随着传感器贯入深度的逐渐增加,桩侧土压力逐渐增大,并且增大幅度随土层的不同而不同;在同一贯入深度处,桩土界面桩侧土压力存在明显的退化现象,粉土中的退化幅度明显小于粉质黏土中的退化幅度;同一土层中桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值为常数,并且粉土中的比值明显大于粉质黏土中的比值。     

基于透明土的静压楔形桩沉桩效应模型试验研究

楔形桩是一种可以有效提高桩侧摩阻力的纵向变截面异形桩,然而针对该变截面桩沉桩效应特性方面的研究却相对较少。基于透明土材料和粒子图像测速技术（简称PIV）,开展静压楔形桩沉桩模型试验,测得沉桩过程中桩周土体的位移场变化规律;沉桩过程中桩周土体位移场由激光射入透明土材料,与透明土材料之间的相互作用产生的独特散斑场,通过CCD（charge-coupled device）电荷耦合元件相机成像处理而获得。同时进行了等截面桩的沉桩模型试验,并对等混凝土材料用量情况下楔形桩和等截面桩的沉桩效应进行对比分析。最后,将此试验结果与基于常规试验手段的静压楔形桩沉桩模型试验和圆孔扩张理论计算结果进行对比分析,验证了基于透明土材料的静压楔形桩沉桩模型试验的准确性和可靠性。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展静压楔形桩沉桩模型试验研究;楔形桩静压施工过程中对桩周土的影响范围约为等混凝土用量等截面桩的1.2倍。     

静压桩残余应力的长期观测性状

静压桩施工过程中,可能会沿桩身形成很大的残余应力。通过在砂性土中1根长约26 m静压桩的原位试验,观测了沉桩结束后的残余应力在后续的循环载荷试验、3根邻桩顺次压入、第2次载荷试验以及较长静置期内的长期变化情况,试验历时约212 d。结果显示,循环载荷试验加载水平与循环次数的增加会造成残余应力的进一步累积。邻桩压入使既有桩残余压应力减小,与邻桩即时贯入深度一致的桩身残余应力测点受其影响最明显。桩身残余应力在长时间内会逐步消散至某一稳定值,其时间效应主要与砂性土的蠕变有关,它使得桩周土的土拱效应减弱,并使桩端土的接触压力减小。     

砂土中开口管桩沉桩过程的颗粒流模拟研究

基于颗粒流理论,采用PFC2D程序,模拟再现不同型号开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、土颗粒细观结构变化以及桩周土应力场分布情况,并通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观力学响应的内在机制。计算结果表明,管桩直径对土塞效应影响很大,外径为30 mm的开口管桩,沉桩过程中土塞增量填充率（IFR）值较小,土塞效应明显,土塞高度小,类似闭口桩;随着管桩直径的增大,土塞效应迅速减小,大直径管桩在砂土中沉桩全部闭塞的可能性很小。细观因素（孔隙率和滑动比例）与土体宏观位移表现之间存在着明显的相互对应关系,并依此将桩周土划分3个区域。桩周土体水平应力、竖向应力和剪应力都在桩底附近形成“应力核”,不同型号管桩桩周土应力场分布相近。     

基于离散单元法研究沉管复合地基水平工作特性

通过颗粒流模拟,建立了沉管复合地基水平受荷时的离散元模型,对桩在水平荷载作用下的受力性状进行了研究.分析了土体位移场变化规律和应力变化等宏观因素,以及土颗粒力链、配位数和孔隙率等细观参数.由模拟结果可知：竖向荷载作用下沉管在水平方向移动时,垫层颗粒受到扰动,当增加竖向荷载,沉管底部土体受扰动范围变小,可知增加竖向荷载使桩间土的挤密作更显著,对降低土体扰动有较明显的效果;通过对桩顶土颗粒中强力链在沉管水平位移影响下的发展趋势研究知道,土体颗粒体系内力链并不是不变的,强弱力链之间可以相互转换.     

Skin friction features of drilled CIP piles in sand from pile segment analysis

Numerical pile segment analysis is conducted in this study with an advanced soil model to investigate the skin friction behaviour of a drilled Cast‐In‐Place (CIP) pile installed in sand. Although the interface between the sand and pile is considered rough, thin elements adjacent to the pile are used to include effects of localized shear. Unit weights of fluid concrete and accompanied changes in stress are considered as the effects of pile installation. Changes in effective stresses are the most prominent effect due to pile installation with a change in direction of the major principal stress from the vertical to the radial direction. Shear behaviour of the sand at the interface during the early shear stage is related to the contractive tendency of the sand at small strain levels. Changes in the stress field around the pile with little changes in volumetric strain take place during the early shear stage. Stress redistributions during the early shear stage depend on the direction of the major principal stress before shear. Results of the pile segment analyses for drilled CIP piles show good agreement with design methods. Parametric studies are used to characterize the effects of sand density and pile diameter on the skin friction behaviour of drilled CIP piles. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

黏土中静压管桩土塞机制研究

针对黏土中管桩土塞形成机制,利用耦合欧拉拉格朗日（CEL）法模拟钢管桩的大变形沉贯过程。在验证网格密度参数对数值计算精度影响的基础上,结合管桩内外土体速度场、应力场、土塞高度和增量充填比的变化分析了土塞演变和土塞形成机制,讨论了摩擦系数以及软硬土夹层对土塞形成的影响,并与离心机试验和理论计算数据验证。结果表明,管桩贯入过程土塞的演变可分为上涌期、过渡期和下滑期3个阶段。随着桩的贯入,桩端下轴线处形成连续的下凹塑性拱,当此处竖向应力增量达到7～8倍不排水抗剪强度时土塞初步形成。同时土塞效应随着桩-土间摩擦系数增大,桩径减小（壁厚相同）而增强;软硬夹层对土塞效应影响显著,上硬下软的土层易形成完全土塞,而上软下硬的土层,硬土挤入管桩不会形成土塞。     

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。     

Numerical investigation of pile installation effects in sand using material point method

The installation of displacement piles in sand leads to severe changes in the stress state, density and soil properties around the pile tip and shaft, and therefore has a significant influence on the pile bearing capacity. Most current numerical methods predicting pile capacity do not take installation effects into account, as large deformations can lead to mesh distortion and non-converging solutions. In this study, the material point method (MPM) is applied to simulate the pile installation process and subsequent static pile loading tests. MPM is an extension of the finite element method (FEM), which is capable of modelling large deformations and soil-structure interactions. This study utilizes the moving mesh algorithm where a redefined computational mesh is applied in the convective phase. This allows a fine mesh to be maintained around the pile tip during the installation process and improves the accuracy of the numerical scheme, especially for contact formulation. For the analyses a hypoplastic constitutive model for sand is used, which takes into account density and stress dependent behaviour. The model performs well in situations with significant stress level changes because it accounts for very high stresses at the pile tip. Numerical results agree with centrifuge experiments at a gravitational level of 40 g. This analysis confirms the importance of pile installation effects in numerical simulations, as well as the proposed numerical approach’s ability to simulate installation and static load tests of jacked displacement piles.     

大直径超长灌注桩水平承载性能的参数敏感性

大直径超长灌注桩是高规格建（构）筑物桩基工程的发展趋势,但有关其水平承载性能的研究还较少。依托江苏靖江文化中心大直径超长灌注桩建设项目,通过现场试桩试验获得了桩身水平受力及承载变形特征。采用孔压静力触探（CPTU）测试p-y曲线法构建了大直径超长灌注桩水平承载数值计算模型,在与现场试桩结果比对验证之后,进一步研究了桩径尺寸效应、桩顶嵌固形式、桩身倾角、竖向载荷对大直径超长灌注桩的影响规律。最后通过计算各影响因素的参数敏感度,实现了对大直径超长灌注桩水平承载性能参数敏感性的客观定量评价。研究结果表明：原位测试CPTU可以很好地应用于大直径超长灌注桩的水平承载分析,大直径超长灌注桩参数敏感度由大到小依次为：桩顶嵌固形式、尺寸效应、竖向荷载、桩身倾角。     

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。     

桩尖附近应力场研究

在分析桩侧极限摩阻力与桩长规律的基础上,通过桩侧摩阻力在桩尖平面应力分布的合理假设,推导了桩尖附近应力场公式,得出了桩尖附近最大地基应力与桩长、桩径、桩周土内摩擦角和桩顶荷载的规律以及影响桩尖应力的敏感因素,为桩尖附近其他地下结构的验算提供依据。     

Field measurements regarding the influence of the installation method on soil plugging in tubular piles

Soil plugging in open-ended piles leads to an increase in compressive bearing capacity but also influences pile driving resistance. Many different factors affect the tendency for soil plugging, for example, pile diameter, penetration depth and installation method. In this paper, the influence of the installation method on soil plugging is investigated. In situ measurements during the installation of two instrumented tubular piles are carried out to investigate the internal and external stresses acting on the pile during the installation process. Furthermore, the cone penetration resistance inside one pile is measured during the installation, and the accelerations and strains at the pile head are monitored to predict the bearing capacity. The installation method is varied between vibratory and impact pile driving. The results show that a significant increase in horizontal stresses inside the pile occurs during impact driving which leads to the conclusion that a soil plug is formed. During vibratory pile driving, no stress increase was observed.     

基于DIC技术的桩筏基础工作机理研究

为了深入研究桩筏基础中桩周土体位移场特性及其工作机理,以数字图像相关技术（DIC）的基本原理为基础,编制相应的位移场分析程序,并利用该程序对桩基模型试验中获得的系列图像进行分析,得到了桩周土体位移场渐进性发展变化的全过程,同时对不同桩距桩筏基础的破坏模式作出推断。研究结果表明：利用自行编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的,并可以得到全场位移。对于不同桩距桩筏基础,小桩距削弱基桩承载力,随着桩距的增大,这种削弱作用减弱。3b（b为方桩边长）桩距桩筏基础中,土体压缩区主要集中在桩端以下土层,基本符合实体深基础的破坏模式;而6b桩距桩筏基础,土体变形区域主要集中在桩身上部1/3L（L为桩长）范围内,明显小于3b桩距桩筏基础的影响深度,基础最终因桩间土体侧向挤出而破坏。