软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究EI北大核心CSCD

高承台群桩基础是高速铁路桥梁基础的一种常用形式,受到风、地震等荷载作用影响,常常需要承受较大的横向荷载。采用室内物理模型试验和三维有限元程序ABAQUS对软土地层中单桩、群桩的横向承载特性进行了研究,软土采用修正剑桥黏土本构模型,试验结果与有限元计算结果吻合较好。群桩研究方案包括了桩数的变化以及桩间距的变化。结果表明,群桩基础的基桩平均横向承载力(总承载力/桩数)较单桩基础显著增加,且水平荷载方向桩间距越大,其横向承载力越大;群桩基础基桩受力存在三维空间效应,不同位置基桩受力大小排序为角桩最大,其次为边桩,最小为中间桩,弯矩极值差异可达20%,群桩基础桩周土影响范围距外围基桩边缘净距离约为16D(D为桩径)。桩与桩相互影响效应对群桩水平承载不利,承台约束效应对水平承载有利。探讨了考虑上述两种效应的群桩效应系数计算方法,通过计算验证了该方法在软土地区高承台群桩基础横向承载力计算中的适用性。     

软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究

高承台群桩基础是高速铁路桥梁基础的一种常用形式,受到风、地震等荷载作用影响,常常需要承受较大的横向荷载。采用室内物理模型试验和三维有限元程序ABAQUS对软土地层中单桩、群桩的横向承载特性进行了研究,软土采用修正剑桥黏土本构模型,试验结果与有限元计算结果吻合较好。群桩研究方案包括了桩数的变化以及桩间距的变化。结果表明,群桩基础的基桩平均横向承载力（总承载力/桩数）较单桩基础显著增加,且水平荷载方向桩间距越大,其横向承载力越大;群桩基础基桩受力存在三维空间效应,不同位置基桩受力大小排序为角桩最大,其次为边桩,最小为中间桩,弯矩极值差异可达20%,群桩基础桩周土影响范围距外围基桩边缘净距离约为16D (D为桩径)。桩与桩相互影响效应对群桩水平承载不利,承台约束效应对水平承载有利。探讨了考虑上述两种效应的群桩效应系数计算方法,通过计算验证了该方法在软土地区高承台群桩基础横向承载力计算中的适用性。     

水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析

导管架平台桩基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载、地震荷载等水平荷载,为研究水平荷载下导管架平台桩基础的承载特性,采用非线性有限元分析方法对水平荷载下桩-土之间的相互作用进行研究,提出了有效模拟桩基水平承载特性的有限元模型,分析了模型桩的刚度、直径、土质参数中水平土压力系数、剪胀角对桩基承载特性的影响及水平荷载下群桩承载特性,并将有限元计算结果与API规范及模型试验结果进行对比。研究结果表明,非线性有限元分析方法分析水平荷载下桩-土相互作用是可行的,计算结果可为导管架平台的桩基设计提供参考。     

剪胀角对地基承载力的影响

采用有限元强度“折减”的基本原理,给出了地基承载力确定的数值模拟方法,并讨论了剪胀性材料的地基承载力与材料剪胀角的变化关系。算例表明,地基承载力随剪胀角的增大而增大。因此,求解地基承载力时,需要考虑剪胀角的影响。     

砂-黏土双层地基极限承载力的数值研究

在实际工程中,常见天然的或通过人工换填形成的上部砂土、下部黏土的层状地基,目前关于这种双层地基极限承载力和破坏机制研究还不够深入。通过有限差分法建立双层地基数值模型,分析基底粗糙程度、砂土剪胀角和超载对地基破坏模式及极限承载力的影响,并根据有限差分法计算结果对强度加权平均法、应力扩散法和冲剪破坏法等现有实用计算方法的估算正确性进行评价。研究结果表明,基底粗糙程度对极限承载力的影响随着砂土内摩擦角的增大而减小;当剪胀角较小时,剪胀角变化对承载力的影响更为明显;当下层黏土强度较小时,超载的作用更明显。强度加权平均法由于低估破坏面影响深度导致砂土层权重较大,计算结果偏大;应力扩散法忽略了砂土剪切强度,在砂土层较厚时出现低估;冲剪破坏法由于可较为精确地计算砂土破坏面上抗剪强度和被动土压力,是3种实用方法中计算最准确的,当砂土厚度和黏土强度较大时,建议按太沙基经验公式对下卧黏土进行局部剪切破坏修正后确定极限承载力。     

某砂土液化大变形本构模型参数的敏感性分析

基于Yang和Ahmed[1－5]等提出的砂土液化大变形本构模型,对该模型的硬化规则和弹塑性模量确定方法作了改进,把该本构模型扩展应用到三维液化大变形的数值分析中,实现了基于ABAQUS大型商用软件计算平台上砂土液化大变形的计算子程序开发。基于该计算平台,对该模型的主要参数在描述砂土液化动孔隙水压力增长和动应力-应变关系曲线等方面的可靠性和敏感性进行了研究。给出了模型全过程参数、剪胀过程参数、剪缩与剪胀状态转换点流动变形量控制参数对试样的应力-应变关系曲线的影响程度及其规律,并对模型的主要参数的敏感性进行了分析,所得结论为通过动三轴试验获得相关模型参数提供了有效的指导和帮助,同时也发展了砂土液化大变形新的数值计算方法。     

基于圆孔扩张理论的碎石桩承载力计算方法

本文深入研究碎石桩复合地基的受力变形机理,利用摩尔库伦弹塑性材料的剪胀特性,同时引入应力跌落三折线模型,视筋箍碎石桩承受上部荷载时的径向鼓胀为圆孔扩张,将产生变形的桩周土体分为弹性区和塑性区两部分,运用Vesic圆孔扩张理论分别建立了弹性区和塑性区桩周土体的应力场和位移场表达式,进而利用桩体影响半径处土压力为静止土压力的假设,求出了桩周土对碎石桩的径向围限力,再结合被动土压力公式导得了碎石桩的单桩承载力计算式。为验证该方法的可行性,本文结合实际工程数据对所推导的承载力计算式进行了验证分析,结果表明计算值与实测值吻合。     

海上风电桩基础竖向承载力循环弱化简化分析

提出了一个考虑循环衰减作用的软黏土弹塑性损伤弱化模型,在此模型基础上建立了一个基于剪切位移法的单桩竖向承载力简化计算方法,并利用大型有限元软件进行了不同循环荷载水平下单桩竖向承载力的计算。为了证明简化方法的准确性与有效性,将计算结果与有限元计算结果进行对比,二者的吻合度较高。先期循环荷载能引起单桩竖向承载力弱化,并且弱化程度随先期循环荷载水平的增加而增加。最后将简化方法应用于某海上风电场桩基础承载力的计算中,结果表明,提出的简化方法可应用于实际工程问题的分析。     

砂土中桩-土-承台协同作用下桩基承载特性细观研究

为探究桩-土-承台协同作用下,带承台单桩极限承载力大于其单桩及承台基础单独作用下极限承载力之和的强化机制,在砂土地基中分别建立能够反映单桩、带承台单桩及承台基础静载试验全过程的二维离散元模型,并通过与室内模型试验荷载-沉降曲线变化规律对比,验证了模型的合理性。基于验证后的数值分析模型,从细观的角度对砂土地基的变形机制和桩基的承载特性进行分析。结果表明:地基变形机制方面,相对于单桩与承台基础,带承台单桩对地基土的扰动程度更显著,台下抗载土体范围更大;桩基承载特性方面,在带承台单桩桩侧一定范围土体出现成拱现象,成拱作用加强了桩侧、桩端附近土体的密实度,提高了桩侧摩阻力及端承力,进而使得整体承载力得到提高。该离散元数值模拟结果可以为带承台桩基设计和承载力估算方法提供参考。     

碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究

斜坡上的桩基础的承载性能是复杂多变的。对于四川西部山地地形较广泛,且地基覆盖层多为特有的碎石土地层来说,水平受荷桩的相关研究还较少。为了研究碎石土地基斜坡上单桩基础的水平承载特性及桩土间的相互作用,通过现场水平静载荷试验在坡度为0°、15°、30°、45°的条件下,探讨桩身变形、桩身弯矩、土压力的变化。运用FLAC3D有限元分析软件得出水平荷载作用下,碎石土斜坡不同坡度的桩基础与桩周土之间的应力云图、位移云图的变化特点。将数值模拟结果与现场试验结果进行了对比,提出了单桩水平临界荷载和极限荷载在不同坡度区间内取值时的折减系数,为实际工程提供一定的参考。     

吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

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。     

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明：循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。     

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。     

复合加载条件下沉箱基础稳定性的三维效应

联合采用swipe加载模式与固定位移比加载模式,对于吸力式沉箱基础在水平荷载H与力矩M的复合加载条件下的稳定性进行比较系统的三维有限元分析,主要探讨了基础埋深与直径之比、地基土不排水强度的非均质性对于基础在H-M荷载空间内的破坏包络轨迹的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制,并与平面应变假定下得到的结果进行了比较。计算结果表明：平面应变与三维情况下基础的破坏包络面形状有较大差异,分析基础稳定性时,必须考虑其三维效应。在三维情况下,非均质土中埋深与直径之比较小的基础的破坏包络面仍然会向负方向倾斜,已有的包络面方程明显高估这种情况下沉箱基础在正向水平荷载与力矩联合作用下的承载力,从而导致基础设计偏于不安全。     

倾斜荷载作用下桶形基础承载力特性研究

针对吸力式桶形基础结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS平台,建立了均质软黏土地基上倾斜荷载作用的三维弹塑性有限元计算模型。通过系统地计算分析,得到了单个倾斜荷载分量作用下桶形基础的承载力特性及其破坏机制。进一步研究了水平倾斜荷载与竖向倾斜荷载共同作用下的桶形基础承载性能,得到了该倾斜荷载加载方式作用下桶形基础在V-H平面内的破坏包络面,依此建立了倾斜荷载与偏心距e之间的三维破坏包络曲面。计算结果表明,偏心距e对竖向倾斜承载力的影响相对水平倾斜承载力较大;桶形基础承载性能随着偏心距e的增大而减小。     

海上风机分段斜壁桶形基础的水平承载力计算方法

在部分浅海由于大型施工船舶无法进入,海上风电工程中传统的重力式基础或桩基础不再适用,为此提出了一种新型基础--分段斜壁桶形基础。基于极限平衡法对分段斜壁桶形基础的水平承载力进行了系统性研究,提出了水平承载力计算方法,并进一步考察了斜壁倾角、桶高、桶径、土性参数等对水平承载力的影响。计算表明,水平承载力随着上部桶壁倾角、下部桶壁倾角、地基反力比例系数、桶基顶部直径、桶基高度的增大而增大,随着海床深度的增加而减小。基于体积压缩率的概念,论证并推荐优先使用上部桶壁倾斜、下部桶壁直立的桶形基础构型。建议发展针对海床地基反力比例系数的准确确定方法。研究结果有助于对桶形基础进行优化设计。     

Method for calculating the horizontal bearing capacity of segmentally-tapered bucket foundation of offshore wind turbinesEI北大核心CSCD

Because large construction ships cannot enter the shallow sea, traditional configuration foundations, such as gravity-type foundation and pile foundation, are not suited for offshore wind power project in shallow seas. Therefore, a new type of foundation-segmentally-tapered bucket foundation is proposed. Based on the limit equilibrium method, a systematic method is proposed to calculate the horizontal bearing capacity of the segmentally-tapered bucket foundation. The influences of obliquity of wall, foundation height, top diameter of bucket and soil parameters on the horizontal bearing capacity of the segmentally-tapered bucket foundation are analyzed. It is found that the horizontal bearing capacity increases with the increase of the wall obliquity, soil resistance, top diameter of bucket and foundation height, while decreases with the increase of the depth of seabed. Based on the concept of volume compression ratio, the bucket foundation with inclined upper section wall and vertical lower section wall is recommended and demonstrated. An accurate method is proposed to determine the proportional coefficient of soil resistance. The results are helpful in the optimization design of traditional bucket foundation.     

砂土中吸力式沉箱基础的最佳荷载作用点位置模型试验研究

通过一系列模型试验研究了倾斜荷载作用下吸力式沉箱基础的最佳作用点位置,试验中考虑了荷载作用点、荷载作用角度和长径比3个重要因素。基于模型试验得到的荷载-位移曲线,采用合适的破坏标准确定了各工况下吸力式沉箱基础的抗拔承载力,根据承载力的变化规律分析确定了吸力式沉箱基础的最佳作用点位置。结果表明,荷载作用角度对吸力式沉箱基础承载力的影响显著,当荷载水平作用于基础时,其承载力最大。荷载作用点位置对吸力式沉箱基础承载力的影响取决于荷载作用角度的大小,当荷载作用角度较小时,荷载作用点位置的影响显著,且最佳作用点位置位于沉箱高度的2/3～3/4处;当荷载作用角度较大时,荷载作用点位置的影响很小,可以忽略。结合荷载与吸力式沉箱基础的转角关系,分析了荷载水平作用于最佳作用点下吸力式沉箱基础的破坏模式。     

岩土材料在非关联流动法则下剪胀角选取探讨

岩土材料属于摩擦型材料,其强度特性时参数指标的选取至关重要。当前对剪胀角存在模糊认识,导致在理论分析和数值模拟分析中常会产生较大误差。在分析传统的滑移线场理论的基础上,采用广义塑性理论,证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应取? /2,且此时体变必为0。通过对具有精确理论解的经典Prandtl地基承载力课题的数值模拟分析,分别对关联流动法则、非关联流动法则剪胀角取? /2及非关联流动法则剪胀角取0三种情况下地基的承载力进行了计算。结果表明,上述3种情况下得到的极限荷载的误差为2 %,但滑移线场与理论解有较大差异。其中,在非关联流动法则条件下,采用剪胀角? =? /2所得到的滑移线场与Prandtl理论解一致,而采用? =0所得到的滑移线场与理论解有较大的偏差。这说明目前在非关联流动法则条件下采用? = 0虽然可得到相应的正确的极限荷载,但是相应的滑移线场具有较大的误差,同时也证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应该选取? /2,而不是目前通常采用的0。