X形桩桩土相互作用对截面形状的力学响应

现浇X形混凝土桩（简称XCC桩）是一种新型的异形截面桩,其桩土相互作用明显受截面形状的影响。前期已通过平衡分析法推导得到了考虑XCC桩截面形状的单桩荷载传递计算方法,但控制桩土相互作用的一个重要参数即桩土剪切作用系数对截面几何形状的力学响应尚未得到系统的研究。文中分析了桩土剪切作用系数对不同荷载形式下XCC桩3个截面控制参数（外包圆半径R、开弧间距2a、开弧角?X）的影响,并与等截面面积的圆形桩进行了对比。分析结果表明,截面参数变化时,桩土相互作用也随之变化,在截面面积、周长和桩土剪切作用的共同作用下桩身轴力随外包圆半径和开弧角度的增大而减小,随开弧间距的增大而增大,且始终小于等截面面积的圆形桩。     

Y型桩桩侧摩阻力产生附加应力的分析计算

Geddes的应力解求解过程中将桩侧摩阻力简化为集中力,导致无法考虑桩径、桩长变化对桩侧摩阻力在地基内产生附加应力的影响,通过分析得出,对于长径比较小的短桩,由Geddes应力解计算的竖向应力系数与实际考虑桩径影响的结果相差甚远。通过首先在Y型截面上沿周边的9个积分区间线积分,然后再沿桩长进行积分的方式,借助数学分析软件Mathematica的NIntegrate数值积分功能,得出了Y型沉管灌注桩沿桩身矩形分布、沿桩周均匀分布侧摩阻力及沿桩身三角形分布、沿桩周均匀分布侧摩阻力作用在地基内部时任意点土中竖向应力分量的数值计算方法。分析了Y型截面4个独立变量外包圆半径 、模板弧度 、开弧间距 、夹角度数 对Y型桩侧摩阻力产生附加应力系数的影响及采用Geddes应力解计算产生的误差,并对桩长及计算深度对产生误差的影响也进行了分析,得到了一些有益结论。     

任意角度水平向荷载下现浇X形桩力学特性研究（II）：截面应力分布

基于现浇X形桩在任意方向轴惯性矩控制方程和异形几何截面特性以及地基反力法的基本原理,分析X形桩在任意水平向荷载作用下截面应力分布规律及其控制参数变量对截面应力集中现象的影响规律,并与同等情况下等周长和等面积的圆形桩、方形桩的力学特性进行对比分析,提出考虑截面应力分布的X形截面设计最优化设计形式,为X形桩截面形式设计提供参考依据。研究结果表明,等面积情况下,X形桩截面的应力随着外包圆直径的增大而减小,随着开弧间距和开弧角度的减小而减小;等周长情况下,X形桩截面的应力随着外包圆直径的增大而减小,随着开弧间距和开弧角度的减小而减小。实际工程中建议外包圆直径可以取0.5～0.7 m左右,开弧间距取0.1～0.2 m左右,开弧角度采用110o～130o左右。     

刚性荷载下现浇X形桩复合地基极限承载力特性研究

现浇X形桩是通过等截面周边扩大原理,将圆形截面的正拱变为反拱而成的。作为一种新型的异型截面桩,目前对其极限承载力的计算仍采用规范中建议的经验公式。结合南京桥北污水处理厂地基处理工程的现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS,建立刚性荷载下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身模量、桩周土模量、桩长、褥垫层厚度和模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的荷载-沉降关系,从而得出复合地基的极限承载力。结果表明,现浇X形桩单桩复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩单桩复合地基增大20%以上,X形桩4桩梅花形复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩大12.35%。极限承载力随桩身模量、褥垫层模量、桩周土体模量或者桩长的增大而增大,而且在众多影响因素中桩周土体模量对复合地基极限承载力的影响最为明显。     

现浇X形桩桩-土荷载传递规律现场试验研究

现浇X形混凝土桩（简称X形桩）是为了更好地满足沿海、沿江软土地基处理应用而开发的一种新桩型。该新型桩具有比表面积大、侧向摩阻力高,施工便捷,经济效益高等技术经济优势;但针对其在复合地基中桩-土荷载传递规律特性的研究却相对较少。结合某污水处理厂软基处理工程,开展了X形桩复合地基中桩-土荷载传递规律的现场试验,测得了荷载-沉降关系,桩-土荷载分担比、桩-土应力比,以及桩身轴力等发展情况,分析了不同工况下复合地基中桩-土协调相互作用和中性点位置规律;并将等混凝土用量圆形桩和X形桩的单桩静载荷试验作为对比分析。研究结果表明,本文试验条件下复合地基中X形桩桩侧正、负摩阻力转化发生在0.2倍桩长处,桩侧正摩阻力最大值约为其负摩阻力最大值的140 %;相同桩长情况下桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率随桩间距的增加而减小。     

水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体响应理论分析

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型异形横截面桩,但目前针对异形横截面桩在水平荷载作用下桩周土体力学性状的理论研究相对较少。基于保角变换的方法将X形桩孔映射到单位圆上,采用平面弹性力学的复变函数方法得到X形桩在水平荷载作用下桩周土体应力场与位移场分布的平面应变解。续而,基于文克尔地基模型,把桩周土离散为一系列独立的弹簧模型,弹簧的刚度系数采用平面应变解,然后根据欧拉-伯努利梁的挠曲线微分方程推导得到现浇X形桩在水平荷载作用下桩身的变形和内力的计算方法。通过建立的平面应变解计算普通圆形截面桩,并且与Baguelin推导的圆形截面桩在水平荷载作用下平面应变解进行对比分析,验证所建立理论方法的准确性和可靠性。最后,针对一算例进行分析,并与数值模型计算结果进行对比验证。研究结果表明,该理论方法能够较好地模拟水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体的力学工作性状,尤其是小荷载作用条件下。     

A lateral soil resistance model for XCC pile in soft clay considering the effect of the geometry of cross section

In this paper, a series of well-calibrated finite-element analyses are performed to quantify the influence of the geometry of cross section on the load transfer mechanism of X-section Cast-in-place Concrete (XCC) pile under lateral load, aiming to propose a lateral soil resistance model for XCC pile in soft clay. Based on the results of the numerical parametric analysis, the failure mechanism of soil flow and the ultimate lateral soil pressure are investigated to reveal the underlying mechanism that controls the cross-section geometry-dependency response. Finally, a general p-y formula for XCC pile, which can well capture the lateral behavior of XCC pile considering the various cross section geometries, is developed. In addition, compared with the traditional circular cross section pile with the same area, the XCC pile is more effective in terms of resistance to lateral load.

     

群桩沉降计算理论分析

基于Geddes应力解,并根据叠加原理计算群桩内任意点处的三向应力,采用基于Duncen-Chang本构模型的修正分层总和法计算群桩内任意点处的沉降量,最后,根据基点法[1]和群桩基础荷载、变形协调关系建立方程,从而,最终获得群桩的沉降计算。该理论较常规弹性理论方法计算群桩沉降有较大地改进,具体体现在以下几个方面：（1）考虑了群桩中地基土的三向应力分布对群桩沉降计算的影响;（2）考虑了土体本构模型（Duncen-Chang弹性非线性本构模型）,因而,能计及土体非线性特性对群桩沉降的影响;（3）采用修正分层总和法理论,能考虑土体成层分布特性以及侧向变形对单桩沉降计算的影响。     

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。     

抗拔桩承载特性研究与三维数值仿真分析

随着城市建设的发展,地铁、地下停车场、地下商场等地下建筑更加普遍,且呈现多样化、复杂化、深入化的发展趋势,使得地下结构物的抗浮稳定性逐渐突显,其中设置抗拔桩是结构抗浮的主要工程措施之一。本文分析了抗拔单桩与群桩的地基破坏模式并揭示抗拔桩的工作机理,应用ABAQUS大型有限元软件对抗拔单桩模型以及群桩模型分别进行了数值模拟,从桩身应力、桩周土体、桩侧阻力等多个角度分析抗拔承载力的影响因素以及群桩效应,结合工程实例分析抗拔群桩距径比()对抗拔承载力及地基变形的影响。结果表明: 在上拔力作用下,单桩中的应力集中于轴心,沿半径及深度递减,桩侧摩阻力自上而下逐渐减小,但随着向上位移的增大而增大; 当基桩的距径比减小时,承载力折减系数增大,群桩效应显著,桩间土与桩有整体被拔起的趋势,不利于结构的抗浮稳定性; =3和=6可以作为划分群桩效应程度的界限。     

Y型桩桩端阻力产生附加应力的分析计算

Y型沉管灌注桩截面形式复杂,截面几何特性存在4个独立控制变量、8个积分区间。Y型桩桩端均布荷载在地基内部任意点产生附加应力系数的解析表达式求解困难,目前尚无得出简单的解析表达式。借助数学分析软件Mathematica的NIntegrate数值积分功能,以及Geddes推导应力解的思想,得出了Y型桩桩端均布荷载作用在地基内部任意点竖向附加应力系数的数值计算方法,经校核有很高精度。分析了Y型截面4个独立变量外包圆半径R、模板弧度?、开弧间距s、夹角度数? 对附加应力系数的影响及采用Geddes应力解计算产生的误差。分析了随荷载作用面积变化、计算深度变化Y型、三角形、矩形、方形、圆形、圆环、H形、T形截面桩端均布荷载作用在地基内部时截面中心点下附加应力系数的差异及变化规律。将考虑Y型桩截面形状的附加应力计算方法应用于Y型桩单桩的沉降计算,计算结果与静载荷试验数据吻合较好。     

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。     

基于统一强度理论的灰土桩复合地基挤密影响区半径计算

灰土桩复合地基因桩体鼓胀变形使得桩间土体挤密,可以确定其挤密影响区范围,对评价地基加固效果有着十分重要的意义。采用统一强度理论,结合桩土变形协调条件,推导出复合地基沉降量与挤密影响区半径的关系式,并讨论不同b值、不同桩径d、不同深度条件下挤密影响区半径的变化趋势及影响特性。研究表明,挤密影响区半径随着地基深度的增加而减小,灰土桩最佳挤密深度范围为桩顶至1/3桩长深度之间;挤密影响区半径在1.51d～1.68d（d为桩径）之间,增大d可以有效扩大挤密影响区半径;应考虑中间主应力效应对岩土材料强度发挥的积极作用。     

任意角度水平向荷载下现浇X形桩力学特性研究（I）：惯性矩

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型桩,异形横截面在确保桩周周长的前提下,能有效地减少混凝土用量;但目前针对异形横截面对水平向承载力特性影响方面的研究相对较少。基于X形横截面的3个控制参数：外包圆直径、开弧间距和开弧弧度,建立任意方向轴惯性矩控制方程,并分析X形横截面3个控制参数对截面轴惯性矩的影响规律。最后,提出控制截面面积或周长情况下X形截面惯性矩的最优化设计方案。研究结果表明,X形截面惯性矩随着开弧角度、开弧间距的减小而增大,随着外包圆直径的增大而增大。因此,在等混凝土材料用量或者控制桩周长情况下,适当增大外包圆直径、减小开弧角度和开弧间距有利于提高X形截面轴惯性矩,从而提高X形桩整体水平向承载力。     

路堤荷载下塑料套管桩荷载传递机制的现场试验研究

用于公路软基处理的塑料套管桩是由预先打设在地基中的塑料套管内浇注混凝土组成的。通过在塑料套管桩身埋设钢筋应力计,完整测试了路堤填筑荷载过程及预压期内路堤荷载作用下塑料套管桩的荷载传递机制,同时提出了钢筋应力计的修正方法。试验结果表明：单桩静载下塑料套管桩身轴力沿深度逐渐减小且无负摩阻力;在路堤荷载作用下塑料套管桩桩身轴力沿深度先增大后减小,负摩阻力分布在桩长上部3/5范围内,且随着填土荷载的增加,负摩阻力和正摩阻力都逐步增加,但在监测期内负摩擦力中性点位置保持不变。     

考虑异形效应Y形桩端阻力产生的附加应力研究

Y形桩作为一种新型反拱曲面异形桩,端阻力在桩身截面上具有不均匀分布的特性。虽将端阻力假定为均匀分布,与假定为集中力相比,附加应力计算结果更符合实际分布规律,但仍存在一定偏差。基于数值模拟结果,建立了Y形桩端阻力的不均匀分布模型,借助数学分析软件Mathematica的NIntegrate数值积分功能,以及Geddes推导应力解的思想,进而得出了考虑异形效应Y形桩桩端阻力作用在地基内部任意点竖向附加应力系数的数值计算方法。以主要影响因素外包圆半径R、模板弧度θ、开弧间距s、夹角弧度δ为变量,分别对比研究了将Y形桩端阻力假定为均匀分布和考虑异形效应的不均匀分布两种模式下附加应力的变化规律,并将考虑异形效应的端阻力产生附加应力计算方法用于沉降计算。对此现场静载荷试验数据表明,考虑异性效应的端阻力产生附加应力计算方法计算沉降与现场试验数据吻合度更高。     

隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响

在分析隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响时,基于荷载传递法和Winkler地基模型,利用两阶段分析法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。通过与离心机试验的短期和长期试验结果的对比,分析了隧道开挖对邻近单桩的竖向影响,从而验证该方法的合理性和适用性。讨论了隧道开挖情况下隧道中心线距地表的距离、隧道中心线与桩轴线的距离、平均地层损失比、桩长、桩径、桩身强度6种因素对邻近单桩竖向受力特性的影响,提出隧道开挖对邻近单桩的竖向受力特性的影响规律。结果表明：随着隧道中心线距地表距离的增加,桩身沉降和桩身轴力先增大然后逐渐减小;随着隧道轴线与桩轴线距离的增加,桩身沉降逐渐减小,桩身轴力增大到一定值后逐渐减小;随着平均地层损失比的增加桩身沉降不断增大,桩身轴力逐渐增大到稳定值。     

Rapid expansion of a cylindrical cavity in a rate-type soil

An analytical solution for rapid (undrained) expansion of a long cylindrical cavity from initially zero radius is presented. A simple rate-type soil model possessing the salient features of the modified Cambridge critical state model is used. Application of the solution to determination of the stress field surrounding a pile immediately after driving is discussed.     

竖向荷载作用下斜桩荷载传递性状试验研究

通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中斜桩的荷载传递性状,分析了桩身倾角及长径比对斜桩桩身轴力、弯矩、剪力、桩侧摩阻力及端阻比的影响。试验结果表明：在桩顶竖向荷载作用下,斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力,桩身倾角越大,轴力沿深度衰减得越快,桩长径比越大,轴力沿深度衰减得也越快;斜桩桩身最大弯矩随桩身倾角及长径比的增加而增加,最大弯矩出现的深度与桩身倾角无关,只与长径比相关;不论桩身倾角及长径比的大小,斜桩桩身最大剪力均出现在桩顶截面处,桩身最大剪力随着桩身倾角的增加而增大;桩身倾角越大,斜桩最大摩阻力越大,长径比越大,斜桩最大摩阻力越小,斜桩最大摩阻力出现在桩顶下1/4～1/5桩长处;斜桩端阻比随着桩顶竖向荷载的增加而增大,随着桩身倾角及长径比的增加而减小。     

Effect of helix bending deflection on load settlement behaviour of screw pile

A screw pile has higher end bearing capacity than any other straight pipe piles due to its larger helix with respect to central shaft. However, larger helices are not frequently used as it will bend and may reduce the actual bearing capacity of the ground. In the present study, the effect of helix bending deflection on the load settlement behaviour and ultimate bearing capacity is investigated. To achieve the objectives, model scale pile load tests were conducted. The effect of helix bending on the load settlement behaviour at higher stress level was also investigated in this research. The helices with different helix-to-shaft-diameter ratios and thicknesses were used, so that clear difference of deformed and non-deformed screw piles in the load settlement behaviour can be observed. Dry Toyoura sand in dense state was used as a model ground. It is observed from test results that the helix bending deflection starts affecting the load settlement behaviour of the ground if it is more than the critical helix bending deflection. The ratio of critical helix bending deflection to outstand length decreases with increase in helix-to-shaft-diameter ratio, and its relationship is presented in this study. It is also observed that the Roark’s formula for flat circular plate having uniform load over a very small circular area with fixed outer edges showed good agreement with the measured helix bending deflection. In order to estimate the optimum helix thickness, the well-agreed equation is also modified with respect to critical helix bending deflection.