近海风机单桩基础桩周土应力特征分析

桩周土体的力学响应规律对近海风机桩基础的变形和稳定性有重要影响。采用有限元方法对一个概化的近海风机单桩基础进行数值模拟,着重分析动荷载作用下桩基础和桩周土的变形规律、桩周土应力作用特征及应力主轴的旋转模式。发现桩周土体各方向的应力分量随循环荷载的作用呈现出周期性的往返变化,第一周期的应力路径与继后周期的应力路径明显不同,浅层桩周土存在显著的应力主轴往复旋转,旋转幅度可达60°。     

风浪荷载作用下扩底桩基础桩周土应力特征分析

扩底桩基础在承受水平风浪荷载时,基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。基于有限元程序ABAQUS,针对近海风机单桩基础受力特点,分别建立扩底桩和等直径桩的有限元模型,着重分析扩底桩受风浪荷载时桩周土的应力特征,并对扩底桩和等直径桩桩周土的应力主轴旋转角度规律进行对比分析。结果表明:扩底桩在承受风浪荷载时,上部桩桩周土偏应力和主应力方向角的变化较为明显,扩底段部分桩周土受动荷载的影响较中段更为明显;随着桩周土与扩底桩距离的增加,桩周土主应力方向角旋转幅值逐渐减小,直到减小为一个较为稳定的值;扩底桩桩周土与等直径桩桩周土的主应力方向角旋转幅值变化规律有所不同。     

循环荷载作用下桩周土体强度弱化特性试验研究

软黏土地基在循环周期荷载的连续作用下不会发生液化现象,但是随着循环荷载的周期、振幅、应力的不断增加,土体的有效强度会不断降低,从而引起土体破坏。特别是桩结构在工作期间除了要承受竖向的荷载外,还将受到波浪、冰荷载以及船的撞击荷载。这些荷载一般都具有往复作用的性质,这种往复荷载作用期间会使桩周土体产生疲劳效应,土体结构发生破坏,引起桩周土体的弱化。通过室内动三轴模拟天津码头区域桩周土承受的静（结构荷载）、动（波浪荷载）组合作用,对振动前后桩周土体的强度弱化情况进行研究,试验获得该区域桩周土体在周期荷载作用下,土体土体强度的变化关系。同时提出一个相对较简单且符合试验规律的天津地区桩周土的强度弱化公式,为该地区土体弱化的评估提供参考依据。     

水合物分解对桩基础应力和变形影响的研究

赋存于海底沉积物中的天然气水合物与固体颗粒相互胶结,增加了沉积物的强度,一旦水合物分解,会引起沉积物剪切强度降低,如果在含有水合物层上面或附近存在桩基础,必然影响其稳定性。本文采用应力释放法,通过数值计算,分别讨论了桩基础底部位于含水合物地层不同深度时,水合物分解对桩基础应力和变形的影响规律。计算结果表明,随着水合物分解过程中的模量软化和强度衰减,桩基础的水平和竖向位移增大,由于地基水平,土体没有驱动剪应力,水平位移增加不大,地基和桩基础主要表现为竖向沉降;桩底部位于水合物层中间的桩基础的沉降变形,比桩底穿过水合物层的桩基础大,在桩基础及其附近的土体产生较大的应力。     

荷载大小对随机波与定次数波作用下土体变形关系的影响

通过砂土的一系列动三轴实验,研究不规则地震荷载作用下与定次数等幅荷载作用下土体变形间的关系,给出了地震荷载的大小对二者间关系的影响规律。结果表明:真实地震荷载下土的变形发展与等幅正弦荷载明显不同,应变发展时程的形态主要受地震动的形态控制;若采用以20周作为标准作用次数的等幅荷载代替不规则的地震荷载,修正真实地震应力下的残余变形,荷载大小对随机波与定次数波作用下土体变形间关系没有影响。     

波浪荷载作用下软黏土软化模型研究

波浪荷载能引起海床土体的主应力轴连续旋转。不同于地震、交通等循环荷载,在周期性波浪荷载作用的土体应力路径方式下,软黏土的软化效用更为明显。本文分别对天然和扰动的海床土体在波浪荷载作用下的应力响应进行模拟,并分析应力路径的特点;为描述软化后的应力-应变关系,将软化效用和累积塑性应变的参数引入到能够反应土体动力非线性的Hardin-Drnevich模型中,建立修正模型,使之能够反应软黏土体软化与塑性应变累计特性;通过与模拟波浪荷载下土体应力特征的循环耦合试验结果进行对比分析,验证该修正模型的可靠性。     

海上风电结构地基土动应力变化规律研究

以承受水平荷载为主的海上风力发电机在风、浪等荷载的共同作用下其结构—地基系统具有复杂的受荷特性,使得基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。本文通过数值计算分析了海上风机上部结构所受水平荷载与波浪荷载的作用方向夹角以及荷载频率对地基土应力状态的影响,揭示了海上风机单桩结构地基土的典型应力时程变化及分布规律。结果表明海上风电结构地基土的应力幅值大小和主应力方向角都在发生变化,上部水平荷载与波浪荷载间的夹角以及二者的频率都对地基土的应力状态,特别是主应力方向角的旋转产生了很大影响。     

考虑挤土效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

基于复刚度传递多圈层平面应变模型,研究考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩的纵向振动问题。首先根据桩周土体的纵向成层情况并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,对每个微元段的桩周土体建立复刚度传递多圈层平面应变模型,并通过剪切复刚度递推方法求得桩周土作用在桩身的剪切复刚度;然后将求得的剪切复刚度代入桩身纵向振动控制方程,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,推导得到考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解;最后,采用参数研究方法在低频范围内分析挤土效应对桩顶复阻抗的影响及其规律。     

多年冻土区桥梁桩基础地震响应的模型振动试验研究

以青藏铁路高温不稳定多年冻土区"以桥代路"工程——清水河特大桥的桩基础为研究目标,在负温条件下对该桥梁桩基础结构的缩尺模型进行了地震荷载作用的模型振动试验,研究了地震荷载作用下桩-冻土相互作用,分析了结构的地震响应特征,明确了桩体动荷响应对桩周冻土地温和应变的影响规律,最后对地震荷载作用下高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的稳定性作出了评价.     

应力主轴旋转条件下各向异性云母砂变形的试验研究

实际工程中人工填土由于碾压的施工方法不同都存在不同程度的各向异性,在这些工程的不同阶段内部土体受力状态将发生变化,应力主轴会发生一定角度的偏转,导致诱发各向异性的产生。为了研究这种工况下,土体的变形特性,文中以固有各向异性较为明显的云母砂为研究对象,采用香港科技大学的自动控制空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴连续旋转的循环扭剪试验,根据试验结果获得云母砂的诱发各向异性变形规律。     

荷载类型对土体变形影响研究

以动三轴实验为基本手段,研究了定次数等幅荷载与不规则地震荷载作用下土体变形间的关系,探讨地震荷载类型对二者关系的影响规律。结果表明:等幅正弦荷载与地震荷载作用下土单元的变形时程曲线明显不同,其形态明显受地震波形的控制。当采用以0.65倍地震峰值折合最大幅值进行的正弦应力波实验代替真实地震波作用,以20周为标准的荷载转换方法,地震波与定次数等幅荷载作用下土体变形受地震荷载类型的影响,冲击型荷载作用下的应变比远大于振动型荷载作用下的应变比。同时,其应变比C随砂土密实度的增大而减小。     

应力主轴循环旋转条件下饱和砂土的变形特性

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了3个系列、每个系列包含中主应力系数=0.1、0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验。试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°至180°之间循环旋转。着重分析了纯应力主轴循环旋转条件下饱和砂土的剪切变形特性、体应变的发展规律及中主应力系数的影响。     

基于OpenSees的桩-土-桥墩相互作用非线性数值分析模型

基于OpenSees数值分析平台,建立了群桩-土-桥墩非线性数值分析模型。模型中桩-土水平向相互作用和桩-土竖向相互作用、桩底-土竖向相互作用分别通过p-y、t-z与q-z零长度弹簧单元模拟。模型中同时考虑了群桩效应与纵筋在墩底的应变渗透和粘结滑移的影响。结合群桩基础拟静力试验结果,对数值模型的准确性进行了验证,在此基础上对土体参数特性对桩基滞回性能的影响规律进行了分析。结果表明:所建立的数值分析模型可对群桩基础滞回曲线和骨架曲线进行较为准确的模拟分析,验证了模型的可靠性。反复荷载作用下,前桩处土体的反应明显大于中桩处;土体由软黏土变为硬黏土时,墩顶侧向承载力与刚度显著增加,但土体的非线性反应减弱。     

桩-土动力相互作用对桩基变形特性和受力性能的影响

本文研究水平地震作用下桩-土体系中桩基的地震反应,为桩基的抗震设计提供依据。以单桩为研究对象,建立有限元分析模型并加以验证,再根据场地条件选取输入波,分析了桩、桩-均匀土体、桩-分层土体3种模型处于弹性和弹塑性状态下的桩基的变形特性和受力性能。研究表明,桩动力分析时必须考虑桩周土的影响,若按静力法的桩-弹簧模型进行桩的设计会使桩身不安全。     

地基不均匀沉降下侧限桩的模型试验研究与有限元分析

结合某高层建筑纠倾迫降工程实例,对侧限桩约束地基变形进行室内模型试验,研究分析基础沉降量随荷载的变化规律,并利用有限元软件ABAQUS对地基应力分布进行分析,结果表明:侧限桩在一定程度上约束地基土体的竖向变形,并将附加应力向深度范围传递。可为纠倾工程提供参考。     

相对密实度对随机波与定次数波作用下土体变形关系的影响

通过砂土的一系列动三轴实验,研究不规则地震荷载作用下与定次数等幅荷载作用下土体变形间的关系,给出砂土相对密实度对二者间关系的影响规律。结果表明:真实地震荷载下土的变形发展与等幅正弦荷载明显不同,应变发展时程的形态主要受地震动的形态控制;应变比C与砂土相对密度间关系具有规律性,随相对密度增大而降低,若采用以20周作为标准作用次数、0.65倍地震波峰值为等幅荷载代替不规则的地震荷载,修正真实地震应力下的残余变形,其应变比C随砂土密实度的增大而减小。同时,冲击型荷载的应变比C`要远大于振动型荷载。     

双向循环荷载下黄土的动变形特性研究

利用SDT-20型动三轴仪在双向循环荷载下探究了黄土的动变形特性,分析了初始循环偏应力、径向动荷载幅值和预剪应力对黄土动变形发展的影响。试验结果表明:双向循环荷载作用下,初始动应力状态对黄土破坏模式有重要影响,初始循环偏应力小于0 k Pa时,黄土呈受拉破坏,初始循环偏应力大于0 k Pa时,黄土呈受压破坏。初始循环偏应力、径向动荷载幅值和预剪应力对黄土的动剪切变形均有明显的影响,初始循环偏应力和径向动荷载幅值的增大均加快了黄土的动剪切变形发展,使土体的破坏更迅速。预剪应力对土体起到预压密作用,黄土的动剪切变形的发展随预剪应力的增大而减缓。当剪切动荷载幅值保持不变时,拉压动荷载幅值的增大明显地加速了黄土动剪切变形的发展,其对土体动剪切变形的影响和剪切动荷载是一致的。     

应力主轴往返旋转条件下砂土变形规律试验研究

在已有空心圆柱扭剪仪上开发新的控制模块,实现应力主轴以任意初始方向角开始并以任意角度幅值进行往返旋转。在此基础上,对丰浦砂开展系列应力主轴往返旋转试验。试验结果表明:1应力主轴往返旋转角度幅值和初始主应力方向角均对砂土变形有不可忽视的影响;2不同于应力主轴连续循环旋转的情形,应力主轴往返旋转时砂土由于"楔入效应"可能出现体胀。     

大直径扩底灌注桩的抗震性能研究

深入分析土-大直径扩底灌注桩体系动力相互作用机理是地震工程的重要研究内容。本文采用快速拉格朗日FLAC~(3D)有限差分程序建立地震荷载作用下扩底桩-土和等直径桩-土动力相互作用体的三维数值模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Mohr-Coulomb弹性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间采用"切割模型"法设置桩土间接触面。输入5·12汶川地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算与分析。结果表明:扩底桩的抗震性能优于等直径桩;与具有显著差异的加速度时程曲线相比,扩底桩对位移动力响应并不敏感。     

扩底桩抗拔承载特性数值分析

基于通用软件ABAQUS,建立了扩底抗拔桩三维弹塑性有限元模型,通过对模型的计算与分析,探讨了扩底桩的抗拔承载特性。为验证数值模型的可靠性,将数值计算得到的荷载－位移关系曲线与试桩资料进行比较,两者吻合较好,表明本文所建立的模型可较好地模拟扩底抗拔桩的工作性状。通过计算与分析,探讨了扩底抗拔桩的轴力、侧摩阻力分布特征,桩身和扩大头周围土体变形与塑性应变的发展规律,以及扩大头的挤压作用对扩大头周围土体竖向应力的影响。同时,通过变动参数研究了扩大头的形状、土体的性质对扩底桩抗拔承载力的影响,结果表明,扩大头直径和扩大头周围土体的性质对抗拔承载力的影响较大,而扩底高度的影响相对较小。