用三维有限元法对超长单桩桩端承载力的研究

基于有限元-荷载传递联合法,利用通用有限元软件ABAQUS对超长单桩的桩端承载性状进行了分析研究,具体分析了桩长、桩径、土性等因素对桩端承载力的影响。结果表明,桩长越长,桩端承载力越高;桩径越大,相应桩端单位面积承载力越低;土的弹性模量和内摩擦角对桩端承载力均有较大的影响,而凝聚力则影响较小。同时,也分析了桩侧摩阻力对桩端阻力的影响即桩侧摩阻力对桩端阻力有提高作用。     

不同围岩强度下大直径嵌岩钻孔灌注桩 承载力尺寸效应的数值模拟

利用数值模拟的方法,通过模拟20种不同工况得到不同岩体和不同直径的大直径嵌岩钻孔灌注桩的桩侧和桩端阻力尺寸效应系数,分析开挖引起的天兴洲大桥直径达3.4 m嵌岩钻孔灌注桩极限承载力尺寸效应问题。结果表明,（1）围岩强度越小,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时,围岩在开挖过程中破坏明显,尺寸效应显著;当围岩强度大于10 MPa 时,围岩破坏不明显,尺寸效应明显减弱;（2）相同围岩强度下,桩径越大,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小,相比桩侧阻力,桩端阻力尺寸效应更明显,尺寸效应系数略小。（3）极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系。     

钻孔灌注桩桩侧泥皮分布对桩承载性状影响研究

泥皮的存在会使灌注桩承载力降低,由于受施工工艺、方法以及现场条件影响,泥皮并不全部分布于整个桩壁四周,而是存在于部分区域。用折减桩土接触面参数的方法来模拟泥皮作用,对不同高度分布的泥皮进行数值方法模拟,分析不同泥皮分布高度对灌注桩的承载性状影响。计算结果表明,泥皮分布高度越高,荷载-沉降曲线越陡,拐点位置不断前移,当泥皮性状比α=0.8时,极限承载力损失约在5%~25%,当α=0.6时,极限承载力损失约在5%~50%。泥皮分布高度对桩侧摩阻力的影响与上部荷载作用下泥皮性质能够提供的极限摩阻力有关;有泥皮存在的部位,桩身轴力传递速率明显加快,泥皮分布高度越高,桩身轴力传递速率越快,且越向下部,泥皮分布高度对轴力的影响越大;泥皮分布越高,桩侧摩阻力就越容易达到极限摩阻力,导致泥皮分布越高,桩端阻力越大。     

黏性土中钻孔灌注桩自平衡转换系数取值研究

自平衡检测法在桩基检测中有效解决了传统静载法面临的许多问题,已得到广泛地推广和运用,其中自平衡法承载力计算中转换系数γ的取值是关键性问题之一。针对我国桥梁工程地基土质普遍存在黏性土的情况,依托台州湾项目工程,对黏性土中自平衡承载力测试法中的转换系数的取值进行了原位试验研究。选取3根钻孔灌注桩,桩径为1.5 m、桩长83.5 m,在原桩上先后进行自平衡法和堆载法试验,在桩身土层交界处布设钢筋计得到相应的桩侧摩阻力,将每根桩的上段桩在同一土层处自平衡法测的极限侧摩阻力值与堆载法测的极限侧摩阻力值进行对比,得到了各层土自平衡转换系数值,在该基础上收集了相似工程2根桩检测数据进行分析,结果表明在黏性土中钻孔灌注桩自平衡法与堆载法测得的上段桩极限摩阻力之比为0.7～0.8。     

桩基础双折减系数有限元强度折减法极限分析

现行桩基础安全系数是对桩-土系统安全的总体性评价,尚不能明确桩侧剪移摩阻力、桩端阻力的发挥程度,模糊了基桩的力学特性。为此,基于不同的端阻力、桩侧阻力的发生机制以及占总承载力的比例不同,建立了桩端、桩侧地基两种安全储备系数（ 、 ）,通过强度折减法非线性有限元极限分析实现了客观评价桩端、桩侧阻力的安全性问题。建议了桩端安全储备系数-位移曲线（ - 曲线）和桩侧安全储备系数-位移曲线（ - 曲线）的拐点、桩端安全储备系数-桩端阻力曲线（ - ）和桩侧安全储备系数-桩侧阻力曲线（ - 曲线）的拐点V型尖点的前一折减系数分别为当前桩顶荷载条件下基桩的桩端阻力安全储备系数 和桩侧阻力安全储备系数 。分析表明,地基材料的强度参数（c、 ）接近于实际情况时,双折减系数强度折减法计算结果接近于静载荷试验、荷载增量法和单折减系数法的计算结果,且 - 曲线拐点、 - 曲线拐点、 - 曲线V型尖点、 - 曲线V型尖点等物理意义较明确,计算的桩-土系统安全储备系数F接近于单一折减系数法确定的安全储备系数,双安全储备系数 、 具有一定实用性。     

静压管桩桩-土作用机制及其竖向承载力确定方法

为深入研究静压管桩桩土的作用机制及其竖向承载力的确定方法,以长春地区建筑工程使用的静压管桩为例,采用数值模拟方法和桩的载荷试验,分析了桩对桩周土的挤压作用以及桩端阻力变化规律。结果表明：桩被压入土体过程中,主要受到桩侧摩阻力和桩端阻力的作用,并造成桩周及桩端附近土体受到挤压而变形;随着桩入土深度的增加,桩顶荷载逐渐增大,而且桩径越大,相应深度的桩顶荷载就越大;同时,随着桩入土深度的增加,桩端阻力在单桩竖向承载力中的比例有规律地下降。根据桩端阻力在单桩承载力中所占比例与入土深度的关系,提出了静压管桩单桩承载力特征值的计算方法;对比建议公式和经验公式计算结果,其比值为0.57~1.26,两者结果接近。因此,文中所提出的单桩承载力特征值的确定方法是可行的。     

砂土中抗拔桩与抗压桩模型试验研究

为研究单桩在抗拔与抗压条件下承载能力、桩身轴力以及侧摩阻力分布规律的不同,进行了砂土中长径比大于40的抗拔桩与抗压桩室内模型试验,通过桩身内设置电阻应变片,测得各级荷载下桩身不同深度的应变。分析表明,抗拔桩不论是位移还是位移增长速率,都远远超过抗压桩。因此,抗拔桩设计时应综合考虑桩顶上拔量来确定抗拔承载力。抗拔桩与抗压桩的桩身轴力分布具有相似的特性,试验所得抗拔总侧摩阻力折减系数?=0.56。抗拔桩与抗压桩侧摩阻力都是从上部开始发挥并向下传递,随着荷载的增加,上部侧摩阻力变化很小,桩身中下部侧摩阻力迅速增长。抗拔桩桩端部侧摩阻力表现出弱化效应,抗压桩则表现出强化效应。     

黄土斜坡桩基竖向荷载传递规律现场试验研究

结合某黄土斜坡桥梁桩基工程,对同一坡度相近位置的两根桩基开展现场试验,研究其在不同竖向荷载工况下的桩身上、下坡面两侧的轴力、桩侧摩阻力及桩侧土压力的传递规律与分布特征。试验表明：桩基荷载传递具有明显的区域性,第1区域是从桩顶至约3倍桩径深度处,此区域上坡面桩侧轴力较下坡面相应位置小,且其轴力随深度递减幅度及侧摩阻力发挥程度均较下坡面桩侧大;第2区域是从约3倍桩径至10倍桩径深度处,桩身上坡面一侧竖向受力减小幅度小于桩基下坡面一侧,但此时下坡面桩侧摩阻力发挥幅度大于桩基上坡面一侧;第3区域是从约10倍桩径直至桩端,该区桩身两侧轴力差异不大,摩阻力发挥幅度相近,荷载平衡协调且向下传递稳定。针对斜坡桥梁桩基上、下坡面两侧所受土压力的不均匀性,对设计桩基竖向承载力进行了一定程度地折减,并对计算公式作了相应修正,研究结论可供类似工程参考、借鉴。     

用抗剪强度指标计算预制桩软黏土侧摩阻力的参数统计分析

参照现有的静力法计算桩侧摩阻力的公式,提出了根据固结快剪c、j指标计算桩侧摩阻力的计算公式,其中有多个参数待定。根据收集到的上海地区19个工程摩擦型预制桩的试桩成果,采用最小二乘法,确定了上海地区主要软土层的待定参数,由统计得到的桩侧摩阻力的计算公式,计算出各试桩在各主要软土层的桩侧摩阻力和各试桩的极限承载力。结果表明,同一土层的各试桩桩侧摩阻力相关性较好,基本符合正态分布规律;单桩承载力计算值与实测值之间的误差较小;用上海地区主要软土层固结快剪c、j指标的上下限可以计算得到桩侧摩阻力上下限,根据19个工程统计得到的平均桩侧摩阻力在上下限之间;桩侧摩阻力的深度效应不明显,桩端持力层条件对桩侧摩阻力发挥有影响。     

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。     

砂土中单桩抗拔极限承载力的计算

桩侧极限摩阻力是砂土中单桩抗拔极限承载力的主要组成部分,作为计算桩侧极限摩阻力的关键参数--土侧压力系数K的取值合理与否直接影响到单桩抗拔极限承载力计算的准确度。首先,基于密砂和松砂中的桩在上拔破坏时桩侧土压力分别呈被动和主动状态,同时考虑桩侧摩阻力和桩身表面粗糙度的影响,分别推导了不同相对密实度砂土中的土侧压力系数。然后,利用所得到的土侧压力系数并考虑桩侧单位摩阻力发挥的临界深度,按沿桩-土界面发生圆柱状剪切破坏模式建立了砂土中单桩抗拔极限承载力的计算方法。最后,利用该方法对已有的抗拔桩试验结果进行分析和比较,结果表明计算值与实测值吻合较好。     

桥梁桩基穿越溶洞的荷载传递机制试验研究

为探明公路桥梁桩基穿越溶洞的荷载传递机制,开展了回填法处理溶洞时桩基荷载传递机制现场试验,结合数值仿真方法,研究了回填法处治溶洞时穿越不同高度溶洞的桩基竖向承载特性和荷载传递机制,提出了不同洞高下回填材料引起的桩侧负摩阻力最大值及其分布范围占比的变化规律。结果表明：岩溶区桩侧负摩阻力的产生受溶洞类型的影响,填充型溶洞桩侧土体沉降较小,可为桩基提供较小的正摩阻力;非填充型溶洞桩侧土体沉降较大,桩侧表面会产生负摩阻力;采用回填法处理溶洞后,穿越溶洞桥梁桩基的竖向极限承载力随洞高增加而逐渐减小;洞高由3 m增加至12 m时,桩基竖向极限承载力对应的桩侧负摩阻力分布范围占洞高的比例由0%增加至27.14%。建议在实际设计中采用回填法处理溶洞时,应考虑穿过溶洞桥梁桩基在溶洞范围产生的桩侧负摩阻力对桩基竖向承载特性的影响;洞高为3～12m时,建议在溶洞顶面以下0、0.106H、0.214H、0.271H(H为洞高)范围内按负摩阻力计算桩基承载能力,以确保溶洞处治后回填材料固结沉降期间桥梁桩基承载安全。     

湿陷性黄土中成孔方式对桩基承载力影响试验研究

为了研究黄土地区成孔方式对桩基承载特性的影响,依托永寿至咸阳高速公路工程,对两个试验区4根试桩进行了静载试验,分析研究了不同成孔方式下桩基荷载传递规律。研究结果表明：成孔方式对桩基承载特性影响较大,黄土地区旋挖钻孔灌注桩承载力高于泥浆护壁循环钻孔灌注桩;循环钻孔灌注桩在成孔时需泥浆护壁,桩侧形成的泥皮会严重影响桩侧土体摩阻力的发挥,桩侧极限摩阻力值较小,桩端承担桩顶荷载比例较高;浸水后湿陷性黄土结构破坏,单桩承载力较原始状态有所下降;由于上覆黄土层湿陷量较小,浸水状态下桩侧土体并未产生负摩阻力。     

软土地区填砂竹节桩抗压承载性能研究

软土地区土体工程性质较差,土体所能提供桩侧摩阻力和桩端阻力较小,预制桩桩身材料强度无法充分发挥。在预制桩压入土体过程中灌入砂石能够改善桩周土体性质,提高桩-土接触面摩擦性能,从而提高桩基的抗压极限承载力。为了研究填砂竹节桩的抗压承载性能,进行了一组现场静载试验和ABAQUS三维建模计算,通过对试验和计算结果的分析可以得出以下结论：软土地基中填砂竹节桩的抗压承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高;填砂竹节桩桩身轴力在竹节节点处减少幅度较大,竹节节点能够提高桩侧承载性能;软土地基中填砂竹节桩桩侧承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高,且侧阻增大系数为1.15～1.40。     

大直径桩桩身压缩量和侧摩阻力综合分析

为了分析桩身压缩量和侧摩阻力对大直径桩承载力的影响,通过桩基现场静载试验,获得各级荷载作用下各土层交接面处的桩身应力应变值,计算出不同土层间每1m桩身段的压缩量和侧摩阻力值。实验结果表明：各土层间桩侧摩阻力实测最大值与勘察报告值之比差别较大,其中上部土层问的摩阻力比值较小,下部比值较大。上部土层桩侧摩阻力在各级荷载作用下变化不大,而下部土层桩侧摩阻力随荷载逐级递增。由于压缩量是反映材料受力变形的物理量,虽然下部土层的摩阻力实测值与报告值比值较大,但其桩身压缩量较小,因而可以判断侧摩阻力发挥程度并估算其极限值。大直径桩的承载力主要是由侧摩阻力来提供的,因此可以通过桩身压缩量和侧摩阻力的综合分析为石家庄乃至河北地区的大直径桩承载力确定提供有价值的参考。     

基于极限承载力试验的扩底抗拔桩承载特性数值模拟分析

基于天津于家堡南地下车库工程扩底桩抗拔极限承载力试验,结合数值模拟手段对扩底桩抗拔承载特性、破坏模式和受力机制开展了分析研究。计算分析表明,扩底桩（有效桩长19 m）相比等截面桩抗拔极限承载力提高约50%,材料增加仅8.5%,扩底桩扩大头周边土体提供的抗力显著提高了抗拔承载力;荷载较小时抗拔力主要由等截面段侧摩阻力提供,扩头段抗拔力占桩顶加载的比值随加载近似呈线性增加;扩底桩等截面段沿桩土界面先发生剪切破坏,扩头段周边土体后发生受压破坏,抗拔承载力达到极限;扩头段位于同一土层时,不同桩长扩头段提供的极限抗拔力相差不大,桩长越长,扩头段抗拔力贡献率越低;扩头段抗拔力主要由自重、扩头段法向力竖向分力和侧摩阻力组成,其中法向力竖向分量提供了扩头段的主要抗拔力,占扩头段总抗拔力约70%。     

基于光纤光栅传感技术的静压沉桩贯入特性及影响因素研究

针对黏性土中静压沉桩贯入特性方面的研究相对较少的状况,基于光纤光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感技术,考虑开口、闭口不同桩端形式和不同桩径,研究了静压沉桩过程中沉桩阻力、桩身轴力以及桩身单位侧摩阻力的变化规律。通过静压沉桩模型试验,分析了桩端形式、桩径、沉桩深度等因素对沉桩阻力、桩身轴力及桩身单位侧摩阻力的影响规律。研究结果表明:FBG传感技术对黏性土中静压沉桩阻力的测试性能优越,能够准确体现静压管桩的贯入特性。沉桩结束时开口和闭口试桩的桩端阻力分别约占沉桩阻力的66.7%、59.5%。沉桩过程不可忽略开口土塞效应和桩径对沉桩阻力的影响。桩身轴力的分布形式不会因桩端形式而发生改变。桩径140 mm试桩的桩身轴力传递性能优于桩径100 mm试桩,两试桩桩身轴力递减率分别为40.8%、34.2%。开口试桩内管和外管桩身单位侧摩阻力最大值分别为1.67、4.83 kPa,均小于闭口试桩。贯入深度为90 cm时桩身单位侧摩阻力最大值随着桩径增加而增大,同一深度桩径越大桩身单位侧摩阻力"侧阻退化"越明显。入土深度为30 cm时两不同桩径桩身单位侧摩阻力减幅相差0.93 kPa。确定静压贯入沉桩阻力时考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。     

矩形位移模式下被动桩砂土绕流的模型试验研究

被动桩桩周土体易发生绕桩流动,但绕桩流动土体的位移特征及其影响因素迄今还缺乏深入研究。采用自主研制的模型试验装置,对矩形位移模式下砂土绕圆形被动桩流动过程进行详细测试与分析,研究了桩径、加载速度及土体密度对砂土的特征位移和桩身受力的影响。试验结果表明,砂土绕桩流动过程可分为迎土侧土体隆起、桩周土体绕流和背土侧土体沉陷3个阶段。桩径或土体密度越大,桩周砂土越不易发生绕桩流动;桩周土体移动速度越大,则越易发生绕桩流动。分析结果进一步表明,土体滑动面的位置可根据桩身绕流阻力曲线的拐点来判断,在土体滑动面以上,模型桩绕流阻力沿桩长沿深度大致呈线性增长,其值始终小于沈珠江绕流阻力理论值。     

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。     

挤土作用下Y型桩侧摩阻力分布模型研究

Y型沉管灌注桩是在传统圆形桩基础上通过改变截面形状以增大桩土接触面积、增加侧摩阻力进而增加承载力的一种新桩型。由于桩身截面的特殊性,在振动沉管的过程中Y型沉管灌注桩截面不同处对土有不同程度的挤压作用,其侧摩阻力分布性状比圆形桩复杂,若将Y型桩侧摩阻力看作沿桩身矩形分布、沿桩周均匀分布与实际不符,工程经验亦表明其不适。通过孔扩张理论与Y型截面的解析方程相结合,推导Y型桩侧摩阻力沿桩周及桩身的不均匀分布模型,同一截面最大侧摩阻力为最小侧摩阻力的1.24~1.75倍,同时分析外包圆半径R、模板弧度θ、桩长L对侧摩阻力的影响。将侧摩阻力沿Y型截面周边的9个区间积分,然后沿桩长积分,得到Y型桩总侧摩阻力,结合端阻力模型计算了Y型桩单桩极限承载力,与静载试验数据吻合。