桩承式加筋路堤作用机理理论分析与数值模拟

软土地基上填筑高路堤常常面临地基承载力不足、沉降和不均匀沉降过大等问题。桩承式加筋路堤能够有效地解决这些难题。通过理论分析和有限元数值模拟,研究了路堤填土-加筋材料-桩体-桩间土之间的相互作用机理,讨论了路堤填土中的土拱效率、桩体效率、路堤底面差异沉降和筋材拉力的变化规律。研究结果表明,填土中的土拱效应和筋材张力膜效应能够有效地提高桩体效率,防止软土屈服;筋材内部拉力呈非线性分布,桩顶边缘处筋材拉力最大。     

现浇X形桩桩承式加筋路堤三维有限元分析

桩承式加筋路堤在高速公路软基处理中得到了广泛应用,但目前对其承载变形机制还缺乏深刻认识。结合南京长江第四大桥北接线段软基加固工程,基于数值方法对现浇X形桩桩承式加筋路堤中桩土沉降、桩土应力、桩身轴力及超静孔隙水压力的发展变化规律进行了分析。研究结果表明,受土拱效应影响,路堤填筑荷载主要由桩体承担,桩及桩间土土压力在路堤填筑过程中均逐渐增大,在软基固结过程中,桩顶土压力继续增大而桩间土土压力逐渐减小,最终趋于各自的稳定值;路堤填筑过程中桩身轴力增长较快,现浇X形桩桩身上部较大部分区段存在负摩阻力,桩身中性点位置经历了先逐渐上移、而后向下移动,最终趋于稳定的过程。     

Y型沉管灌注桩加筋路堤力学性状试验研究

结合申嘉湖杭（上海―嘉兴―湖州―杭州）高速公路嘉兴段Y型沉管灌注桩处理桥头软基实体工程,通过路堤填筑荷载下Y型沉管灌注桩加筋路堤路基表面及桩帽上下应力分布的现场试验研究,获得了路堤荷载下桩帽间土体表面应力、桩帽上应力及桩帽下土体表面应力的分布及变化规律,比较了距桩不同位置处桩帽间土体表面应力差别、桩帽上与桩帽下应力差别、桩帽下与桩帽间土体表面应力差别、桩帽上与桩顶上应力差别,分析了桩-土应力比及荷载分担比在路堤填筑荷载下变化趋势及规律。通过特殊加载时间段,分析了路堤填筑加载后应力及桩-土应力比调整规律。通过路堤进入预压期后的观测数据,分析了路堤进入预压期后桩-土应力比及荷载分担比变化规律。     

水平荷载下套管桩基的非线性响应分析

提出了用新型套管桩基来提高海洋平台桩基水平承载力和减小平台响应幅值。采用p-y曲线法来模拟桩土间的相互作用,对套管桩基进行非线性响应分析,研究了套管的埋深和宽度对桩身变形和土抗力的影响,并与普通桩基进行了对比分析。研究表明,套管桩基能充分发挥桩土间的相互作用,提高桩基的水平承载力,减小桩基的水平响应。     

地面超载条件下土体侧移模式及对邻近桩基影响分析

建立了三维数值模型,进行堆载-弹塑性地基-桩基共同作用有限元数值分析。在地面超载条件下,对自由场土体的侧向位移模式进行了探讨,得出了土体侧向变形规律。在此基础上,对堆载作用下邻近桩基的力学性状进行了分析,包括不同堆载大小、不同堆载距离和不同桩间距等情况下桩基的侧向变形和弯矩的变化规律。分析结果表明：随着堆载的增加,桩基的变形和弯矩都有显著的增长,桩基逐渐弯曲。在同样条件下,增加桩的刚度,桩身弯矩迅速减小,桩身刚度很大时,会发生整体侧移。桩间距和堆载距离对桩身弯矩和变形有重要影响,随着桩间距和堆载距离的增大,桩身的变形和弯矩都将减小。     

软基高桥台桩-土相互作用计算新方法研究

在软土地基桥台台后高路堤填土会引起下卧软土层产生水平塑流,对桥台桩基产生可观的侧压力。如何计算因软土塑性流动对桩产生的侧压力,是软土地基高桥台桩基设计中尚未解决的难点问题之一。通过分析对比研究,提出应用极限土压力法求解流塑区桥台桩基侧土压力,建立了可以考虑地基土成层特性、桩-土体系参数、侧压力沿深度任意变化的桥台-桩基系统分析力学模型,推导了求解桥台和桩基内力、位移值的新方法,该方法运算过程采用矩阵相乘,适于编程计算,比较一般理论方法和复杂的有限元法,其计算简单,需要的计算参数较少,实用价值更好。结合工程实例,采用MATLAB语言,编写了桥台桩基内力位移计算程序,验证了方法的准确性和可靠性,可供软土地基高桥台桩基设计计算时参考。     

动力沉桩桩基拉应力分布及其施工控制试验研究

采用“现场沉桩试验、室内桩基模型试验、现场沉桩实例验证”的技术路线,通过对16根桩的动测试验结果的全面介绍和分析,揭示了打桩过程中桩身拉应力的分布规律,即桩身最大拉应力通常发生在桩的上部,特别是打桩初期,桩尖位于软土层或桩周为软土地基时,桩身最大拉应力点发生在距桩顶1/4l（l为桩长）附近,拉应力占同点压应力的50 %左右,这是桩身产生垂直桩轴线方向横向裂缝乃至发生桩身断裂现象的根源。试验亦表明,采用碟簧桩帽沉桩能有效地减小锤击拉应力,克服了采用老式桩帽辅助沉桩时预应力混凝土（管）桩桩身拉应力过大而造成桩身断裂这一缺陷,控制实测拉应力在允许拉应力（5 MPa）范围之内,以确保沉桩桩身完整,这是防治桩身拉裂的有效措施。     

软土地区基坑开挖引起桩基质量问题的判定与处理

软土地区在基坑开挖时常常引起桩基破坏等工程问题,特别是在沿海、沿江等软土地区发生较多。以江苏一个沿江电厂为工程实例,通过对桩基位移和桩身裂缝的数据统计分析,揭示了基坑开挖时桩基发生移位、倾斜甚至断桩的真实原因。通过桩基取心试验、超声波试验和开挖验证找到了产生桩身缺陷的原因。此外还结合工程实例,提出了桩基出现质量问题时,可采取补强注浆的方法进行补救和处理,实践证明提出的处理方法效果良好。     

导管架平台桩-土相互作用试验系统研制及应用

海洋环境中的导管架平台承受着风浪、地震等水平荷载,而平台的稳定对桩基础有严格要求,故研究水平荷载下导管架平台桩-土系统变形规律和相互作用机制具有重要意义。研制了1套导管架平台桩-土相互作用试验系统,主要由导管架平台试验模型子系统、电动伺服加载子系统、传感器与数据采集子系统、振动测试子系统组成,可用于研究冲击荷载、静载、循环荷载下导管架平台的桩身变形规律、桩基周围土体响应及平台的振动特性。通过初步试验结果表明,该系统能够如实反映水平荷载下桩-土间的相互作用和导管架平台的振动特性,验证了该系统的有效性。     

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。     

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。     

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。     

不同场地条件下长桩的承载性状研究

根据软土地基、非软土地基中长钻孔灌注桩静载荷试验和桩身轴力的测试结果,分析探讨了竖向荷载下长桩的受力性能及沉降特征的一些规律。桩侧土模量较高的非软土地区的长桩静力试桩所测得的结果表明,荷载传递和桩身压缩与软土地区超长桩性状相似,长桩的桩身压缩量相当可观,计算中应予以考虑。极限侧阻力与端阻力不同步发挥,不同深度处的不同土层处基桩的侧阻也不能同步发挥;同时指出相关规范中极限承载力计算公式的不严密之处,并且探讨说明了竖向荷载下的长群桩基础变形性状及沉降计算有待进一步的研究。本项研究对今后超长桩的理论研究和工程设计应用具有一定的借鉴作用。     

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。     

桩网结构路基承载特性的现场试验研究

为了考察路堤荷载作用下桩网结构路基桩土间的荷载分担与传递、垫层筋带拉力的组成与分布,选择某新建铁路桩网结构路基试验工点进行了现场试验,测试了地基变形、路堤基底压力、孔隙水压力、桩身轴力和格栅拉力等数据。测试数据表明：①地基沉降以压密下沉为主,路基结构稳定,软土较厚一侧地基变形较大;②当桩、土间沉降差与桩间净距的比值为5.93%时,土拱效应完全发挥,之后增加的路堤荷载完全由桩承担;③桩间土竖向附加应力在加固区内沿深度呈K型分布;④筋带拉力沿路基横向呈M型分布,软土较厚一侧拉力较大;⑤筋带拉力由路堤荷载作用下的桩间筋带张力与路堤横向滑移引起的筋带拉力两部分组成,设计筋带时二者均需考虑。     

堆载下被动桩与土体相互作用的FLAC三维分析

被动桩问题是近年来岩土工程领域的一个研究热点,但是对于堆载下桩、土之间复杂的相互作用一直缺乏系统的三维分析。本文采用FLAC3D建立了有限差分模型,对单排桩三维工作性状进行分析,重点研究堆载条件、桩身刚度及土层分布对桩身位移和桩侧土压力的影响情况,并籍此对软土地基的桩、土共同作用机理加以阐述,得出一些有益结论。分析表明,软土地基中桩侧土压力的分布可简化为线性模式,本文对此进行了线性拟合。     

基于Mindlin解分析隧道开挖对近邻桩基的影响

预测隧道开挖对邻近桩基产生的附件内力和变形对隧道建设具有重要意义。传统弹性地基梁法忽略了相邻桩-土界面单元的相互作用和桩-土界面的塑性变形,其预测结果与实际有较大出入。基于Mindlin解考虑桩-土界面单元相互作用,假设桩-土界面为理想弹塑性体,根据摩尔-库仑准则得出桩侧土体的极限剪应力和极限土压力,可由本构方程得出隧道开挖引起的桩基附加内力和变形的塑性解。将该方法得到的塑性解与离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。新方法考虑了桩身相邻桩-土界面单元的相互作用,得到的附加变形较传统地基梁解大。最后,讨论了桩-土界面塑性变形对桩基附加内力及变形的影响,由于不考虑桩-土界面塑性变形,导致桩基附加内力和变形产生较大偏差,并且随着地层损失率增加,偏差增大。     

高速铁路小变形下陡坡地基路肩桩板墙力学响应

掌握高速铁路陡坡地基条件下路肩桩板墙力学特性是路堤侧向变形控制的关键。以贵广高速铁路某陡坡地基路肩桩板墙为试验工点,对墙背土压力、桩身内力与变形进行了900余天现场长期观测,讨论了墙后路堤分层填筑引起的墙土侧向变形形态差异及机械碾压残余应力对土压力分布的影响。结果表明：适应高速铁路小变形要求的强约束、深锚固路肩桩板墙能有效控制陡坡地基路堤侧向变形,桩体仅呈0.94‰的近似刚性转动,填筑完成后变形约占30%,且1.0～1.5 a趋于稳定;经碾压密实的墙后粗粒土填料,即使在小变形下依然能达到主动土压力状态;分层填筑引起墙后填土侧向变形呈现的“上小下大”分布形态与墙体位移相反,是墙背土压力呈现出中部大、两端小抛物线分布模式的重要因素;基于适筋梁受力状态及平截面假定,分别结合实测钢筋应力与混凝土应变换算得到的桩身弯矩具有良好的一致性,与极限地基反力法的理论计算吻合。     

滑动土体与邻近桩基相互作用的弹塑性解

基于Poulos理论和Winkler地基反力法,通过考虑关联性的土弹簧来模拟桩土相互作用,提出了滑动土体与邻近桩基相互作用的弹塑性解。将桩体在滑动面处分成被动和主动两部分,桩和周围土体相互作用通过p-δ和p-y曲线(p为桩身产生的压力,δ为桩-土相对位移,y为桩身位移)来模拟,采用侧向位移影响系数矩阵和巴氏模型分别考虑被动部分和主动部分土弹簧间的关联性,p-δ、p-y本构关系均采用理想弹塑性模型。工程算例分析表明,提出的方法与实测结果吻合较好,该方法应用于土体滑动条件下被动桩基的受力分析是可行的。     

桩承式路堤土拱效应有限元研究

路堤下设置的带承台桩,除了承担承台上方的填土重量外,通过土拱效应还承担桩间土上方的部分重量。将填土重量的大部分传递到地基深部,既增加了路基的稳定性,又减小了路基的沉降。上海国际赛车场建造在软土地基上,为了满足工程需要,除使用了EPS轻质填筑材料外,还在填筑高度较高的地段采用了桩承式路堤作为地基加固方式。为了深入研究土拱效应的工作机制,对上海国际赛车场路堤桩的承台与承台间土压力分布进行了原位测试,并结合实际工况进行有限元分析。结果表明：除了承台上方的土压力相对承台间土有应力集中现象外,承台边缘相对承台中部也有应力集中现象。对EPS的加入和桩体性质的各项参数对于土拱效应产生的影响进行了分析。