季节冻土区扩大式基础上冻胀反力的计算

一、前言 受桩约束的土体冻胀时,一方面对桩产生切向冻胀力,另一方面对下卧土层产生冻胀反力。扩大式桩基础能够接受冻胀反力,具有自锚作用,因而是季节冻土区防治桩基冻拔的一种有效的结构措施。目前松辽流域的一些渠系水工桥涵工程已开始推广扩大式桩基础。     

三种工况下扩底楔形桩承载特性模型试验研究

扩底楔形桩具有单位材料利用率高、竖向桩侧摩阻力和桩端阻力较常规等截面桩高的技术优点。然而,针对该桩型竖向及水平向承载力的定量模型试验研究相对较少。基于模型试验方法,开展砂性土中竖向、水平向荷载以及地面堆载等不同形工况荷载作用下扩底楔形桩的承载特性试验,测得不同荷载等级下桩侧摩阻力、桩端阻力、侧向土压力、桩顶下拽位移以及桩身下拽力等分布规律;同时,开展等混凝土用量常规等直径桩的承载特性试验作为对比分析,初步探讨了两种桩型的受力机制与异同点。研究结果表明,试验条件下,扩底楔形桩的单桩竖向承载力约为等直径圆桩的2.33倍,表现出侧阻力和端阻力都优于圆形桩的特点;水平承载力约为等直径圆桩的1.48倍,上部直径较大和扩大头的存在提高了其水平承载性能;与等直径圆桩相比,楔形角的存在可有效降低桩顶下拽位移,可见把传统桩型转变成扩底楔形桩是降低负摩阻力对桩基影响的有效方法之一。     

扩底楔形桩竖向抗压和负摩阻力特性研究

扩底楔形桩是基于结合常规扩底桩和楔形桩的优点而开发的一种新桩型,能同时提高桩侧正摩阻力和桩端阻力,并能有效降低土体沉降引起的负摩阻力对基桩的影响。简要介绍了扩底楔形桩的受力机制和施工方法;基于FLAC3D有限差分软件,通过针对实际工程的数值模拟验证数值模拟的可靠性,对该新桩型在竖向抗压和负摩阻力特性方面的力学特性进行了初步探讨,并与等体积混凝土的常规扩底桩、楔形桩和等截面桩进行了对比分析;进而研究了桩端土体与桩周土体模量比、楔形角、扩大头直径以及桩体模量等因素对扩底楔形桩力学特性的影响。研究结果表明,同等级地面堆载作用下,扩底楔形桩中桩侧负摩阻力引起的桩顶下拽位移最小、桩身下拽力值介于常规楔形桩和扩底桩两者之间。     

高纬度低海拔岛状多年冻土桩基回冻前后承载力的试验研究

冻土与普通的土体相比具有独特的工程性质。在冻土地区进行桩基础施工后,桩和周围土体在冻土地温及大气温度的作用下逐渐回冻,回冻过程中在冰的胶结作用下桩与周围土体联结成整体共同承受外荷载作用。为了研究回冻前后桩基的承载力变化及变形性质,在大兴安岭地区浇筑了2根15 m试验桩,试验桩中布设了温度监测系统,采集了桩基回冻过程中的温度数据。根据温度监测结果在桩基回冻前后进行了自平衡静载试验,研究了回冻前后桩基承载力、各土（岩）层的侧摩阻力及桩端阻力。研究结果表明,桩基回冻后冻土地温保持在-1.9 ℃桩基的承载力是回冻前承载力的1.42倍;端阻力是回冻前的1.49倍为964 kN,占桩基承载力的12.98%;各土（岩）层的侧摩阻力均有所增长,平均增长率为40.3%。研究结果可为类似冻土条件下的桩基设计及施工提供理论依据。     

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%。     

大直径扩底桩端阻力折减问题探讨

目前人们对大直径扩底桩端阻力折减问题有不同的看法。从大直径扩底桩的承载机理入手,通过桩端面积不同的对比现场试验研究、数值模拟分析等,对大直径扩底桩的端阻力折减问题进行了探讨。结果表明,大直径扩底桩端阻力折减系数实质上是一个与基础结构特性相关联的尺寸效应系数,只是在形式上表现为变形折减或强度折减。在保证桩端土变形和强度满足上部结构要求的前提下,相对折减系数法以增大桩基的沉降为代价来提高桩基设计中的桩端承载力。最后提出了一些其它应注意的端阻力折减问题。     

多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究

为研究多年冻土区桥梁及建筑物桩基抗冻拔的能力和变形性质,结合青藏铁路试验段工程,对青藏高原高温细颗粒多年冻土区钻孔灌注扩底桩和直孔桩现场抗拔力试验进行了研究,得到了两种桩型在同一地质和地温条件下的抗拔承载力及变形的试验结果。依据地温测试资料的分析,给出了桩-土体系回冻时间及地温变化特征。研究成果可为类似条件下抗冻拔桩基础设计与施工提供参考。     

钻孔扩底灌注桩承载性状分析

为研究钻孔扩底灌注桩承载性状,对2根不同扩大头形状的钻孔扩底灌注桩和1根等直径钻孔灌注桩进行单桩竖向抗压静载试验,并对其中的扩底桩同步进行桩身应力测试。测试及数据分析结果表明:沉渣及土层软化对扩底桩承载力影响较为敏感,除了直接影响桩端阻力发挥外,还会产生桩侧摩阻力弱化效应;扩大头形状影响孔底清渣效果,桩底高压注浆可消除或部分消除沉渣影响;不同试验桩的同一土层桩侧摩阻力发挥值为非定值;受扩底桩变径影响,同一根试验桩的同一土层在变径处以上3 m范围内桩侧摩阻力较其3 m以上发挥值低15%~40%。试验研究成果可为扩底桩设计与施工提供借鉴与参考。     

一种大直径扩底桩端阻力和侧阻力的确定方法

确定大直径扩底桩承载力的最直接的方法是静力载荷试验。但由于加载的困难和试验费用高等原因,静力载荷试验往往不可行。目前进行大直径扩底桩设计时通常借用建筑桩基技术规范的经验参数法,对大直径灌注桩端阻力值和侧阻力值折减确定,容易造成大直径扩底灌注桩的承载能力得不到充分发挥。结合大直径扩底桩的规范编写,对收集的完整试桩资料进行统计分析,并参考《建筑桩基技术规范》及北京、天津、浙江、福建、广东等地方给出的经验值,最终按不同扩底直径给出了端阻承载力特征值和侧阻承载力特征值的经验值表,并与各试桩的承载力实测值以及按桩基规范确定的承载力特征值进行比较,结果表明,本文建议的大直径扩底桩端阻力特征值和侧阻力特征值具有一定的可靠性和较大的适用性。     

扩底后注浆桩的现场试验研究与分析

结合某工程的桩基现场静载荷试验和桩身应力测试,对比分析了同一场地中相同桩长的普通钻孔灌注直桩、后注浆灌注直桩、扩底灌注桩和扩底后注浆灌注桩4种桩型的承载力特性、桩身轴力和桩侧摩阻力的分布特性,阐述了扩底后注浆桩的桩身轴力传递规律和侧阻力发挥性状。研究表明：扩底后注浆桩有沉降小、单桩承载力高的特点,具有良好工程性状和经济效益。     

等截面桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析研究

建立了等截面桩与扩底桩的抗拔分析模型。采用直接约束处理的接触算法与库仑摩擦模型来模拟桩-土界面,土体选用抛物线型Mohr-Coulomb本构模型。通过程序的二次开发,实现初始应力场的合理计算,并采用位移边界对扩底抗拔桩的上拔过程进行动态的非线性有限元模拟。以现场足尺试验中的试桩为数值分析对象,通过调整计算参数使计算得到荷载-位移关系曲线与试验结果接近,来验证数值模型的正确性并确定计算参数。在此基础上,研究了上拔过程中轴力、侧摩阻力的大小与分布、桩身与扩大头附近土体变形与塑性区的发展规律。数值分析加深了对扩底桩抗拔承载特性的进一步认识。     

桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究

以地基土冻胀变形理论为基础,从桩基冻胀力与桩侧土体冻胀位移的关系出发,引入经典黏弹性力学理论及Mindlin半空间作用集中力的弹性解,从理论上导出了桩基冻胀力三维黏弹性问题的积分方程表达式。运用单纯形法将室内实测蠕变数据反演得到三参量模型系数,并通过已有文献中现场实测数据拟合得到土体冻结深度、自由冻胀量,以及桩基冻拔位移随时间的函数,用于桩基冻胀力的理论计算。数值算例表明,按上述推导的桩基冻胀力三维黏弹性表达式计算的冻胀力沿深度分布规律与已有计算结果吻合较好。首次以理论的方法得到了桩基冻胀力的"时空分布"三维曲面,能较直观地反映冻胀力的分布规律。     

土体湿化膨胀与桩基相互作用的试验与理论研究

为研究同一湿度场环境下土体湿化膨胀与桩基相互作用的机理，设计了室内物理模拟试验，对土体湿化膨胀与桩基相互作用进行了分析。通过人工降雨入渗的方式模拟变化的湿度场环境，实时监测模型箱中不同入土深度的桩基抬升量以及膨胀土地基的变形和应力数据，研究桩基入土深度与抬升情况的关系，基于非饱和土力学理论、桩–土相互作用剪切位移理论，提出考虑土体刚度和隆起量变化的侧摩阻力计算方法，并将桩侧摩阻力理论计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明：在土体吸水膨胀过程中，桩体的向上抬升会引起桩底端部的卸载作用；地层隆起量随着深度的增加呈线性递减，随着桩尖入土深度的增加，桩顶隆起量呈对数趋势减小，增加桩长可以在一定程度上抑制桩基抬升；同时，基于剪切位移理论得出的桩侧摩阻力与基于非饱和膨胀土理论得出的桩的侧摩阻力及试验测试数据分布基本一致，表明本文所提出侧摩阻力计算公式是可靠的。     

桩侧截面形式对扩底桩竖向抗压特性影响分析

针对常规楔形桩桩底进行注浆或夯扩施工形成的扩底楔形桩,具有单位材料利用率高、竖向桩侧摩阻力和桩端阻力较常规等截面桩高的技术优点。然而针对该新型桩竖向承载力提高幅度的定量试验研究相对较少。基于室内模型试验方法,开展两种桩周土(砂性土和黏性土)情况下扩底楔形桩竖向抗压承载力特性试验,测得桩顶荷载-沉降关系曲线,不同荷载等级下桩侧摩阻力、桩端阻力的分布规律及分担比;同时,开展等体积混凝土用量情况下的常规扩底桩的竖向抗压承载力特性试验作为对比分析。研究结果表明,试验条件下,砂性土中,等混凝土用量扩底楔形桩的极限承载力约为常规扩底桩的1.25倍;黏性土中扩底楔形桩和常规扩底桩的极限承载力比砂土中分别提高了11.1%和66.7%。     

加载次序引起的负摩阻力桩摩阻力分布的变化

简要分析了加载次序对于负摩阻力桩基桩土相互作用影响的机理。采用有限元方法计算比较了这种差异。计算结果表明,加载次序的变化会引起桩身摩阻力分布、中性点位置和下拉力的变化。桩身摩阻力的分布差异主要是桩身上部负摩阻力的大小,负摩阻力先出现时的负摩阻力值较小,这种状况在各级桩顶荷载下不会改变。负摩阻力先出现时,中性点的位置比较低,两者的差距随着桩顶荷载的增大而变得加大。负摩阻力先出现时下拽力小于桩顶荷载先施加的情况。这对于负摩阻力桩基检测的研究和应用是有益的。     

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。     

冻胀反力的试验研究

桩基是各类建筑工程的主要基础型式之一,尤其是作为桥和渡槽的基础,它在水利工程和道路桥梁工程中应用很多。但是,在季节冻土地区,桩基建筑物经常由于桩柱冻拔而遭破坏。 近几年,我们进行了换填非冻胀性材料(砾石、砂卵石、沥青砂等)、消减桩与冻土之间的冻结力(涂抹沥青隔层、油包桩、光滑桩)、桩基自锚(爆扩桩、扩大式桩基     

考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型

提出了一种能考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型（t-z模型）。该模型既能反映不同材料的桩基在同一土体中抗压承载力的不同,也能反映同一材料桩基在同一土体中桩身抗压摩阻力与抗拔摩阻力的不同,同时还具备模拟循环荷载下t-z曲线滞回特性的能力。根据位移协调算法编制了可用于竖向压、拔荷载作用下单桩响应分析的Matlab程序,利用程序对模型试验进行了模拟,结果对比证明了该模型的适用性。最后分析了桩体弹性模量对压、拔极限摩阻力比值的影响,结果表明,该比值随弹性模量的减小而减小,对于混凝土桩,该值介于0.6～0.8之间,与规范建议的抗拔系数接近。     

静压钢管注浆微型桩抗压与抗拔对比试验研究

通过现场桩基承载力试验,对静压钢管注浆微型桩抗压与抗拔性能进行了对比分析。基于实测Q-s曲线,研究压力注浆工艺及注浆体积比对微型桩抗压极限承载力、抗拔极限承载力以及极限侧阻力的影响,分析注浆微型桩的桩土作用机理,对微型桩抗拔极限状态进行讨论,建议微型桩设计抗拔系数 极限抗拔位移。研究结果表明,软土地基中静压钢管注浆微型桩较未注浆钢管微型桩,桩基极限承载力提高显著,桩基抗拔性能良好。     

高桩码头桩内嵌岩锚杆荷载传递分析法

为探讨港工高桩码头结构为提高桩身竖向抗拔承载力而日渐采用的桩内嵌岩锚杆技术的复杂受力特点,基于锚杆锚固体-周围岩体相互作用的剪胀机理,建立适合于桩内嵌岩锚杆的荷载传递函数,并由此推导出锚杆临界锚固长度的解析解。然后,基于所获得的解答提出了可近似考虑多种影响桩内嵌岩锚杆承载特性因素的综合影响系数δ值,并由此探讨了桩内嵌岩锚杆锚固段轴力、相对位移与摩阻力等沿锚固长度的分布规律:δ值越大,轴力沿锚固段衰减越快,锚固体与周围岩土体之间的相对位移和摩阻力分布越趋不均匀,且临界锚固长度越小。最后,结合某工程实例的实测数据进行了应用,对比分析结果表明,两者吻合较好。