承台下摩擦倾斜桩工作性状分析

为了分析未经处理倾斜桩的承载力特性,以连云港海相软土地区为例,经过对倾斜桩的现场调查及实测数据的分析,建立了承台-倾斜桩体系数值模型,通过数值计算分析得到:桩体倾斜程度对承台-倾斜桩体系承载力的影响存在阀值,且桩体倾斜方向不同时其阀值也不同,当倾斜程度为4%之后承台-水平向倾斜桩的承载力有所降低,当倾斜程度为6%之后承台-垂直向倾斜桩的承载力有所降低,另外从位移及内力分析来看,桩体垂直向倾斜时的承台水平向位移及桩身弯矩较水平向倾斜时要小。      

轴向荷载对斜桩水平承载特性影响试验及理论研究

斜群桩受水平荷载作用时,群桩中的基桩受到径向荷载、轴向荷载和弯矩的共同作用。为研究轴向荷载对斜桩水平承载特性的影响,完成了3根单桩以及1组1×2斜桩的大尺寸模型试验。试验结果表明：轴向拉力作用会降低斜桩的水平刚度和极限承载力;而轴向压力作用则会使其水平刚度和极限承载力提高。基于桩侧浅层土体楔形破坏假定,推导了考虑轴向荷载影响的斜桩水平极限土抗力计算公式,提出了桩侧土抗力的p-y曲线方法,并通过模型试验及现场试验验证其合理性。     

Bearing strength surface for bridge caisson foundations in frictional soil under combined loading

The problem of estimating the bearing capacity of massive caisson foundations in frictional soil under combined vertical (N), horizontal (Q) and moment (M) loading is examined numerically by means of three-dimensional finite element analyses. The analysis is performed with due consideration to the foundation’s depth-to-width ratio (D/B), the magnitude of the vertical load and the caisson-soil contact interface conditions. The constitutive law for soil behavior is appropriately validated against experimental results from 1-g small-scale tests, available in the literature. The ultimate limit states are presented in the form of a bearing strength surface in dimensionless and normalized form, while detailed discussion is provided on the physical and geometrical interpretation of the kinematic mechanisms that accompany failure. A generalized closed-form expression for the failure envelope in M–Q–N space is then fitted to the numerical results with use of an appropriately trained artificial neural network. An upper-bound limit equilibrium solution for a certain failure mechanism (designated as the “sliding” mechanism) associated with maximum horizontal bearing capacity is also developed for verification purposes. One of the originalities of the paper lies with respect to the post-failure response of the caissons, where it is shown that the incremental displacement vector is accurately reproduced by assuming normality on the bearing strength surface irrespective of the considered plastic flow rule (associative or non-associative) at the microscale (soil element).     

刚性桩复合地基水平承载力特性

利用三维非线性弹性有限元方法,研究了刚性桩复合地基在不同垂直荷载作用下的水平承载力特性,分析了不同褥垫层厚度及其地基土的性质对复合地基水平受力特性的影响,得出了水平荷载作用下桩身弯矩和挠度的分布规律。研究表 明,垂直荷载的大小改变了复合地基水平荷载作用下的破坏模式,直接影响着其水平承载力;适当的垫层厚度可降低桩所分担的水平荷载,有利于桩身的安全。     

竖向与水平复合加载下桶形基础承载性能的分析

在竖向和水平力共同作用的复合加载条件下地基承载性能及其破坏模式是吸力式桶形基础设计与施工中的关键技术问题。为此,以大型通用有限元分析软件系统ABAQUS为基础建立了桶形基础三维有限元计算模型,运用位移控制法确定了均质软黏土地基极限承载力系数与位移之间的归一化关系;采用Swipe试验加载方法,确定了桶形基础在竖向力与水平力平面上的地基破坏包络图,从极限分析上限方法的角度探讨了由数值计算所揭示的桶形基础破坏机制。     

考虑基岩层面影响的水平受荷嵌岩桩模型试验研究

西南地区常见碎石土-基岩斜坡地基,在此类地基上的嵌岩桩基础,其上覆土层、嵌固段基岩多为倾斜。然而岩石试样中结构面倾角改变时,岩石试样的强度也随之发生变化。故当嵌固段基岩存在层面且层面具有倾角时,往往对桩基的水平承载特性影响很大,所以基岩层面是影响嵌岩桩水平承载性能的主要因素之一。本文采用物理模型试验,通过改变嵌固段基岩层面倾角,得出嵌固段基岩不同层面倾角对于桩顶位移,桩身内力的发展规律,进而研究其对水平受荷嵌岩桩承载性能的影响。试验结果表明:在碎石土-层状基岩斜坡地基场地中,嵌固段基岩存在层面会降低嵌岩桩水平承载性能。相对于完整基岩,嵌固段层状基岩存在水平层面时,临界荷载下降了17%、最大弯矩值下降了23%、最大剪力值下降了37.5%;而嵌固段基层层面为倾斜时,嵌岩桩水平承载性能下降的更多,且层面倾角为逆向30°时比顺向30°更加不利于嵌岩桩的水平受荷;桩身最大弯矩点与最大剪力点位置随嵌固段层状基岩倾角变化影响比较小,最大弯矩点位置几乎没有变化,最大剪力点位置在嵌固段基岩层面为顺向30°与逆向30°时下降了1倍桩径。该项研究可为在不同层面倾角下的层状岩体斜坡地基上受水平荷载的嵌岩桩设计作一定的指导。     

粉质黏土中沉箱-桩复合基础水平向承载性能试验研究

为进一步研究沉箱-桩复合基础的水平向承载性能,开展粉质黏土中单桩、沉箱-桩复合基础在水平向荷载和竖向及水平向组合荷载作用下的系列试验,对沉箱-桩复合基础的水平荷载与位移关系、桩身弯矩、位移及土抗力分布规律及群桩效应等进行了研究。结果表明,在水平荷载作用下沉箱对桩顶的约束使桩身弯矩分布较桩顶自由情况要更均匀,并能有效地降低桩身弯矩、位移及土抗力,提高了基础水平承载能力;在同时作用有竖向和水平向组合荷载时,沉箱底摩擦力参与抵抗水平力作用、桩顶竖向力也有利于进一步提高基础水平承载力;试验获得了不同桩数、桩顶约束、荷载作用条件下的沉箱-桩复合基础群桩效应系数,对于桩距为6倍桩径的情况,桩与桩之间的相互影响很小。     

海洋工程中大直径管桩垂直水平荷载试验研究

通过海洋环境条件下大直径管桩的垂直和水平荷载试验,分析了管桩在垂直和水平荷载作用下的受力特点,得到了管桩的垂直极限承载力、侧摩阻力及端承力、轴向反力系数等结果,以及水平荷载作用下桩顶位移和转角关系、弯矩分布、土抗力、水平地基反力系数的比例系数和最大弯矩点等参数。试验结果表明：垂直荷载作用下,极限承载力可达12000kN,在沉桩过程中部分桩有一定程度的闭塞;大直径管桩能够抵抗水平荷载的作用,弹性长桩的受力性质主要受上部土层的影响。根据试验结果计算的水平地基抗力比例系数m值,对本工程及同类地质条件的桩基设计具有参考价值。     

钙质砂地基单桩承载特性模型试验研究

根据实际工程中单桩受力特点,对足尺桩基进行等比例缩尺,考虑不同埋深、砂土颗粒级配等影响因素,开展室内小尺寸模型单桩的竖向拉拔、水平推移和竖向压载试验,分析桩身变位、变形、轴力等参数与桩基埋深、桩周砂土特性等因素的相互关系,探究钙质砂地基中单桩在不同受力方向下的承载性状,进而剖析钙质砂中桩-土相互作用机制。研究表明,钙质砂地基中,单桩变位、变形特点随着受力方向、埋深、桩周砂土特性等的变化存在明显差异;增大桩的埋深对竖向抗拔桩的意义大过竖向抗压桩;相同条件下桩在承受竖向抗压荷载时,增大埋深的作用主要体现在加载初期,随着荷载的逐渐增大,最终差别将逐渐减小;竖向抗压桩承载过程由以侧摩阻力承载为主发展为以桩端阻力承载为主;颗粒破碎和重分布会引起抗拔桩εmax在加载后期出现衰减;宽级配钙质砂中桩的抗拔能力较强,而单一粒组的钙质砂则在维持桩身稳定方面占优势;桩侧剪碎时的桩侧阻力衰减是随着颗粒破碎逐渐发生的,而桩端压碎时的桩侧阻力衰减主要发生在砂土被压碎瞬间。研究结果对钙质砂地基中的不同功能桩基的优化、设计和施工具有重要指导价值。     

带桩沉箱复合基础水平向承载性状模型试验研究

以琼州海峡跨海大桥工程为背景,通过4组不同型式深水桥梁基础模型试验,对新型带桩沉箱复合基础的水平向承载性能进行了初步研究。试验得到了4组模型在砂性土层中的Q-s曲线及水平向极限承载力,并对复合基础在各级水平荷载下的桩身弯矩和剪力进行了详细分析,同时对沉箱-桩荷载分担比展开了讨论。试验结果表明：当增加裙边、钢管桩、或同时增加钢管桩和裙边后能够使单体沉箱基础的水平向极限承载力分别提高1.2倍、1.6倍和2.0倍;桩身最大弯矩点均出现在桩身中部即泥面下约0.5 m处。水平荷载主要由上部沉箱基础及桩身中上部土体承担,钢管桩桩顶与沉箱连接部位出现最大剪力,在实际工程中应在此处采取加固措施。研究成果可为这一新型深水桥梁基础的推广应用提供诸多有益参考。     

Experimental research on horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundationEI北大核心CSCD

In this study, four groups of different types of bridge foundation model are tested to research the horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundation in lab based on the Qiongzhou Strait bridge project. The Q-s curve and horizontal ultimate bearing capacity of these four groups of foundations in sandy soil layer are obtained. Pile bending moment and shear force of pile shaft are analyzed in detail. At the same time, the load sharing ratio of caisson and piles is discussed. The results show that the horizontal ultimate bearing capacities of a single caisson foundation are increased by 1.2 times, 1.6 times and 2 times respectively with adding skirts, steel pipe pile, or steel pipe pile and the skirt. The maximum bending moment point is in the middle of the pile shaft, i.e. at about 0.5 m under the mud surface. The horizontal load is borne mainly by the upper caisson foundation and soil layers above the middle upper part of pile. The maximum shear force is found at the joint of pile top of steel pipe and caisson pile, where the reinforcement measures should be taken in practical engineering. The research achievements could provide a better reference for design or construction of caisson-pile composite foundation.     

A closed-form solution for the failure interaction diagrams of pile groups subjected to inclined eccentric load

The work at hand proposes a method for assessing, under reasonable hypotheses from an engineering perspective, the failure envelope of a pile group subjected to generalized loading conditions involving a vertical and a lateral force along with a moment. Following different assumptions of increasing complexity, a simple closed-form expression, which is however capable of considering also the strong dependence of sectional yielding moment on the axial force, is derived. The use of such formula, which allows a practical hand calculation of the interaction diagrams at failure, returns conservative yet very accurate results. As a follow up, with reference to reinforced concrete piles, design considerations involving both structural and geotechnical failure under lateral load are reported. It is found that for most cases, if steel reinforcement is established to resist the design bending moment, the geotechnical Ultimate Limit State checks are automatically satisfied.

     

带分舱板海上风电筒型基础承载特性试验研究

为正确评估分舱对于海上风电筒型基础承载特性的影响,对有、无分舱板的相同钢筒进行室内模型对比试验,分别得出在水平荷载及弯矩共同作用下和竖直荷载作用下的荷载-位移曲线,及筒内外侧壁土压力及顶盖土压力的分布规律,同时进行有限元分析模拟。试验和计算结果表明：在竖向荷载作用下,分舱板使基础的极限承载力略有提高,分舱板分担了筒顶盖和筒壁的竖向承载,降低了顶盖的承载比例;在水平荷载和弯矩共同作用下,分舱板为筒型基础提供了较大的抗拔承载力,使筒型基础在水平和弯矩荷载作用下的极限承载力提高了20.2%,降低了极限状态下的水平位移和倾角。总之,分舱板不但可以提高海上风电基础施工浮运过程的稳定性,还可以提高基础运行时的极限承载力。     

高喷插芯组合桩水平承载特性大尺寸模型试验研究

高喷插芯组合桩（简称JPP桩）是一种适用于软土地基的新型组合桩,能有效提高桩的竖向承载力,并取得了相当规模的应用。为了研究其水平承载特性,利用河海大学岩土所自行研制开发的大型模型槽试验进行水平承载桩静载作用下的大尺寸模型试验。通过与普通圆截面灌注桩、加承台JPP桩的水平承载性能的对比,试验表明,JPP桩水平承载力较普通圆截面灌注桩提高了15%,桩身最大弯矩处在桩顶以下大约2 m处,桩侧土压力主要集中在上部2 m范围内土体。同时,试验表明加了承台后,JPP桩的水平承载能力有了大幅度的提高。利用规范推荐的基于m法的灌注桩水平承载力公式,对JPP的水平承载力进行了计算,结果与试验值基本吻合。其结果可以为类似土层下水平受荷JPP桩的设计与研究提供参考。     

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。     

组合荷载下超大群桩受力变形模型试验研究

李子沟特大桥是内昆线上的重点工程 ,采用了超大群桩基础。为了进一步完善对超大群桩基础的力学行为的认识 ,应用模型试验分析了在组合荷载作用下超大群桩基础的内力分布特点、群桩的承载性状和受力变形特性。试验结果表明 ,最大弯矩发生在与承台连接附近的桩身处 ,弯矩沿桩身向下随荷载由线性或非线性递减。对于组合加载与水平纵向加载 ,弯矩的极值、沿桩身的变化趋势和受荷载的影响范围不同     

材料复合桩的现场承载性能试验研究

基于水平荷载作用下桩基的弯矩沿深度呈由上向下骤减的规律,将桩的上部设计为抗弯性能良好的钢管桩而下部为抗弯性能较弱的PHC桩,并选择适当的部位通过焊接等方式连接两种桩型。在现场进行锤击试验、水平承载力试验和连接部位抗弯性能试验,将复合桩的压应力、拉应力和水平承载力与材料允许值对比比较。结果表明,所选择的材料复合型桩充分发挥了材料性能,尤其在水平承载力方面表现突出,且不同材料桩型连接部位性能良好。试验结果为桩基的改进提供了新思路和试验依据。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性,开展了室内单桩竖向静载模型试验,分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性,与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明：珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型,在加载过程中,荷载主要由桩侧摩阻力承担,轴力随着深度的增加而减小,桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小,随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加,桩身线膨胀量逐渐增加,桩-土相互作用更加明显。添加25% HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力,提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

考虑水泥土桩增强作用的灌注桩水平承载性能现场试验研究

结合淤泥土地基中的三洋港挡潮闸工程,研究水泥土桩增强灌注桩水平承载特性的效果,在现场进行水平静载荷试验。试验时,为量测钢筋应力,在钻孔形成灌注桩时将钢筋计焊接在钢筋笼的不同高程,测得在施加水平荷载时桩身的应力分布情况,从而得到弯矩的分布;将土压力盒埋入桩侧土体中,测试在水平荷载下桩周土体的土压力分布规律。试验结果表明,打设水泥土桩能够控制灌注桩水平位移的发展,并能提高灌注桩水平承载能力;灌注桩桩身弯矩值和桩周土体的土压力的分布情况都呈现先增加后减小的变化规律,并且都主要集中在上部桩体和土体中,其最大值约为泥面以下3 m左右的位置;水泥土桩的打设能够有效地减小桩身弯矩值,并且可以减弱底部反弯矩的出现;打设有水泥土桩的灌注桩桩周土体能够提供更大的土压力。另外,灌注桩的水平承载力受上部土体的影响较大,即提高上部土体的物理力学性质可以有效增大灌注桩水平承载力。     

破坏包络面理论在多基础系统中的应用研究

由多个分离基础组成的多基础系统是常用的海洋结构基础型式。基于破坏包络面理论,分析了砂土地基多基础系统的失效模式,建立了相应的承载力计算方法,并验证了计算方法的可行性。对比分析了单一基础和多基础系统不同荷载路径下的荷载安全系数,探讨了破坏包络面理论与分项系数法相结合的基础承载力计算方法。失效模式的分析表明,由于水平荷载的增大,四腿平台结构迎浪侧基础首先到达破坏包络线,其失效模式属于滑动失稳,但由于基础间的运动约束,其并不会出现真正的滑移破坏。随着水平荷载进一步地增大,迎浪侧基础承担的水平和竖向荷载不断减小,导致背浪侧基础受到不断增大的荷载。最终,背浪侧基础也到达破坏包络线,多基础系统失效。分析表明,荷载路径对基础的荷载安全系数有决定性的影响,计算基础的荷载安全系数需指明相应的荷载路径。鉴于破坏包络面的大小和形状取决于众多因素,基础设计时需采用特定工况下的破坏包络面进行承载力计算。