考虑加筋与遮帘效应计算群桩沉降的相互作用系数法

群桩中各基桩在地基土中的加筋与遮帘效应是客观存在的,然而,在目前的桩基沉降理论与实践中,相关的研究仍显不足。基于剪切变形法理论,考虑桩的加筋与遮帘效应,求得各基桩在自身桩顶荷载作用下产生的沉降以及其引起相邻桩的附加沉降量,由此提出群桩中任两桩的相互作用系数简化公式,同时,也得到各基桩桩侧及桩端桩-土接触等效弹簧刚度,并基于荷载传递法原理,建立了成层地基条件下各基桩在自身桩顶荷载作用下的桩身位移平衡方程,推导出各土层层顶处桩身沉降、轴力与层底处桩身沉降、轴力之间的递推关系,进而将公式推广到高、低承台群桩基础计算中。工程算例分析表明,用该方法计算有较高的精度,求得的荷载-沉降曲线及两桩相互作用系数与实测值吻合较好;相互作用系数要明显小于弹性理论计算结果。     

群桩荷载位移特性研究

将杆系结构有限单元法与荷载传递迭代法相耦合,形成一桩基沉降分析计算的混合法。采用近似解析解中Randolph and Wroth’Model与双曲线模型相结合,模拟桩身与桩周介质边界上剪切滑移的非线性。桩间相互作用在采用弹性理论Mindlin方程解答计算,并考虑了桩间“加筋与遮帘”作用。桩周土介质非均质性特征,采用指数函数模拟。分析了刚性承台下群桩桩数、桩长、桩间距和桩土模量比等群桩工作特性的影响。尤其是桩台基础沉降对群桩相互作用影响机制的研究,对桥梁拼接等对桩基础沉降要求严格的工程有重要的借鉴意义。     

加筋效应对群桩相互作用系数的影响

群桩相互作用系数通常是采用平面应变模型进行分析,其研究方法具有较多的近似性。基于更为严格的虚拟桩模型,应用群桩相互作用的积分方程解答,以两桩相互作用的基本模型为例,研究加筋效应对群桩相互作用的影响。与弹性理论法和Mylonakis & Gazetas解答的对比表明,加筋效应对群桩相互作用系数有着较为明显的影响,并指出Mylonakis & Gazetas基于剪切位移法所得解答中存在的一些主要问题。     

基于相互作用系数探讨的群桩简化分析

相互作用系数法是群桩分析的一种有效的数值计算方法,该方法关键在于确定群桩的相互作用系数。传统的弹性分析方法所得的相互作用系数值偏大,计算结果与实测值差距不小;采用考虑土体弹塑性特征和桩土界面接触的三维有限元方法计算相互作用系数可以有效减少弹性方法的计算偏差,在此基础上推导了高承台群桩的简化分析方法。根据ABAQUS平台进行了大量三维有限元计算,分析了荷载水平、桩土模量比、桩距径比和桩长桩径比对相互作用系数的影响;比较了不同方法下相互作用系数的变化规律。通过有限元方法确定的相互作用系数对两群桩工程实例进行分析,计算结果表明该方法最接近于实测结果。     

考虑加筋与遮帘效应的层状地基群桩沉降计算

桩群在土中的加筋与遮帘效应是客观存在的,但目前的理论与实践均未能或有效地考虑该效应.基于剪切变形法原理,在计算某一根桩沉降时,考虑了其他各相邻基桩的存在对该桩沉降的折减,即加筋与遮帘效应,得到了桩侧桩-土接触等效剪切弹簧刚度,建立了桩身位移微分方程,分别求得桩顶沉降-桩端沉降、桩顶荷载-桩端压力的递推关系,从而得到了各桩在自身荷载作用下引起自身沉降的柔度系数; 同理,也求得了各邻桩在其桩顶荷载下引起它桩沉降的柔度系数,最终建立了群桩沉降计算的柔度矩阵方程.推导过程中,考虑了地基土的成层性及桩端沉降的相互影响,并提出了基于一定深度内的Mindlin位移解且考虑桩径影响的桩端压力-桩端位移关系新模式.算例结果表明,本文方法与实测值较为接近,且按本文方法求得的群桩中基桩相互作用系数明显小于弹性理论计算结果,且与实测值吻合较好.     

用单桩沉降估算群桩沉降的计算方法

由于群桩沉降计算时参数的选取不易把握,而单桩沉降较易得到,找到一种用单桩沉降来代替群桩沉降的方法无疑会使得问题变得简单。单桩沉降由桩身压缩和桩端沉降组成。采用桩身线弹性的假定计算单桩桩身压缩,利用分层总和法计算单桩桩端沉降。同时在群桩沉降计算时考虑桩身压缩对沉降的贡献,并用承台下的平均附加应力乘以桩端荷载传递系数后作为桩端的附加应力。根据单桩和群桩沉降计算时的异同,提出了一种用单桩的沉降估算群桩沉降的方法,使得在群桩沉降计算时,参数选取较为容易,且计算较为简单。最后介绍了该方法在桥梁工程桩基础沉降计算中的应用。     

螺旋群桩基础承载性状试验研究

根据螺旋群桩现场静载试验结果,分析了螺旋群桩基础承载性状的影响因素,讨论了极限荷载下群桩几何参数对螺旋群桩的桩端阻力和桩侧摩阻力的影响。结果表明,螺旋群桩承载性状受到相邻桩的叶片距离以及首层叶片到承台底面间的桩长度影响明显。在叶片桩距比（桩间距比叶片直径）小于2时,螺旋群桩静载试验的荷载-位移曲线呈缓变形,无明显的拐点,群桩破坏属于整体破坏。同时,螺旋桩的叶片有助于减小承台下桩间土变形活动区的高度,增强了桩-土-承台的相互作用,减小了群桩基础沉降量。     

大规模超长群桩基础工作性能的数值模拟

超长桩基础在土木工程中的应用越来越多,但对其工作性状的研究相对滞后。以某超长群桩基础工程为例,用三维非线性有限元方法分析了超长单桩及群桩的工作性能。计算中桩、土和承台的有限元模型均用8节点六面体等参单元,桩-土界面用有厚度的接触面单元模拟;混凝土的应力-应变关系用线弹性模型,土体用非线性Duncan-Chang弹性模型模拟;承台施工过程用分级加荷的方法模拟,承台混凝土的硬化过程用变化模量的方法模拟。计算结果表明,超长单桩的承载性状属摩擦桩,其桩身失稳的原因是桩侧土体的破坏;在群桩基础中,不同位置基桩的工作性能不完全相同,承台周边桩的工作性能与单桩类似,而与内部桩的差别较大;现行规范中推荐的群桩效应系数和有限元计算结果间存在较大差别,表明现行规范可能不适用于超长群桩基础,对超长群桩基础的工作性能进行深入研究是必要的。     

低承台扩底楔形桩群桩效应系数研究

基于模型试验方法,开展砂土中竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩桩-土相互作用模型试验,测得不同荷载等级下桩顶荷载-沉降关系曲线、桩端阻力以及桩身轴力等分布规律,同时开展扩底楔形桩单桩竖向承载特性试验作为对比分析。结合JGJ94规范规定的承台效应系数和群桩效应系数,对扩底楔形桩群桩竖向极限承载力进行了理论计算分析。研究结果表明,文中试验条件下竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩的综合效应系数分别为1.16和1.10;无承台作用下2×1和2×2扩底楔形桩群桩的群桩效应系数分别为0.95和0.88;理论计算中扩底楔形桩承台效应系数和群桩效应系数可以参照等直径桩的相关规范取值。     

基于试验的群桩基础承载性状研究

基于所收集到的群桩基础的试验资料，对群桩基础的一些承载性状进行了总结，主要包括：群桩基础的沉降、低承台的“削弱效应”与“增强效应”、群桩的荷载-沉降曲线(Q-s)、疏桩群桩基础等。     

考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降解析

考虑沉桩效应对桩周土体力学特性的影响,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型。在此基础上,根据群桩加载过程中桩周土体的变形模式,基于荷载传递法描述桩-土界面的非线性行为,采用剪切位移法考虑群桩之间的相互作用,提出了考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降混合计算方法。通过开展离心模型试验对该计算方法解答进行了验证,研究了沉桩效应和桩-土界面非线性特征对群桩承载特性的影响。研究结果表明,沉桩效应对桩周土体起到挤密作用,使得桩周土体的强度和刚度增大,从而提高了群桩的承载特性。群桩加载过程中桩-土界面刚度随沉降变形而逐渐减小,使得群桩荷载-沉降曲线呈现出明显的非线性特征。     

竖向荷载下群桩-土-承台相互作用数值分析

在大桩径、小桩距的群桩条件下,不仅有来自桩侧、桩端和承台传递的多重应力叠加,还有群桩对桩间土的夹持作用影响,桩-土-承台之间作用更加复杂。用有限差分软件模拟固定桩距、桩径,变化竖向荷载下桩-土-承台的相互作用。从各层土的侧摩阻力、不同位置桩的桩顶荷载、荷载-沉降关系、桩间土体位移等方面的计算结果分析桩-土-承台之间的相互影响。结果表明,荷载超出117.8 MN（略大于Pu/2,Pu为群桩极限承载力）后,群桩对上部桩间土的夹持作用开始减小,桩侧上部侧摩阻力增大;桩侧下部侧摩阻力在多重应力叠加作用下呈减小趋势,不同位置的桩侧摩阻力影响范围有差异;用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的;当沉降与桩径的比值超出1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。     

基于双曲线模型的T型刚性桩荷载传递特性研究

假定桩土荷载传递函数为双曲线模型,分析T型刚性桩荷载传递机制,建立桩及桩帽下土体的竖向位移、竖向应力、侧摩阻力与深度之间的控制微分方程。采用微分方程近似解法,推导出相应的解析表达式。利用桩顶沉降作为已知条件进行求解,所得结果能够出反映T型桩荷载传递性状规律,即桩身轴力随深度增加而减小;桩身侧摩阻力随深度增加呈现出先增大后减小;桩土应力比与荷载有关。文中方法的计算值更接近于试验结果,可为工程设计提供理论基础。     

桩端下有软弱下卧层的群桩沉降分析

群桩沉降由桩身压缩和桩端沉降组成。本文采用桩身线弹性的假定计算单桩桩身压缩,用单桩的桩身压缩近似代替群桩桩身压缩,并用承台下的平均附加应力乘以桩端荷载传递系数后作为桩端的附加应力,推出了桩端下有软弱下卧层的群桩沉降计算方法,同时与其他计算方法和工程实测值进行了比较。     

刚-柔性桩复合地基变形特性有限元分析

在现场试验基础上对条形基础下刚-柔性桩复合地基进行有限元模拟分析。着重讨论了褥垫层、承台、刚性桩、柔性桩等的参数变化对刚-柔性桩复合地基沉降特性的影响。结果表明,复合地基沉降随着褥垫层厚度减小而减小,随着褥垫层模量增加而减小,承台厚度增加有利于减少差异沉降,刚性桩是控制沉降的主要构件,柔性桩桩长增加可以减少差异沉降。分析结果为刚-柔性桩复合地基的优化设计提供理论基础。     

往复荷载下层状地基柔性筏板-群桩共同作用分析

提出一种层状地基中柔性筏板-群桩共同作用分析方法,探讨筏板刚度对桩筏基础沉降的影响,并成功预测了往复荷载下桩筏基础的长期沉降。筏板刚度采用Mindlin板理论的有限单元法分析;桩-土体系的刚度矩阵中,桩顶面-桩顶面、桩顶面-土表面以及土表面-土表面的相互作用分析采用层状剪切位移法借助层状地基的Burmister位移解求得。基于层状地基中柔性筏板-群桩的沉降计算方法以及往复荷载下土体压缩模量的衰减特性得到了桩筏基础的长期沉降预测方法。与已有文献方法和离心模型试验结果的对比分析表明,柔性筏板-群桩共同作用方法得到的沉降值具有较高的精度。     

带帽刚性桩复合地基荷载传递机理研究

为了研究带帽刚性桩复合地基荷载传递机理,基于弹性理论和合理假定,采用荷载传递函数法,建立了带帽刚性桩复合地基中桩体沉降及其轴向应力、桩帽下土体竖向位移及其竖向应力、桩帽间土体竖向位移及其竖向应力、桩身侧摩阻力、桩帽边缘土体之间的侧摩阻力与荷载水平、深度之间的控制微分方程。采用微分方程的近似解法,推导出相应地解析表达式。利用桩体荷载沉降关系作为已知条件进行求解,计算结果能够反映带帽刚性桩复合地基荷载传递的一般力学性状规律。     

基于差异沉降和轴向刚度控制的竖向荷载作用下群桩基础优化分析

目前在群桩设计中仍大多数采用均匀等长布桩的方法,这种方法在基础受力、变形等方面存在较大的缺陷。考虑增大群桩轴向刚度和减小群桩基础差异沉降的条件下,将群桩基础位移函数与桩长优化函数相结合,在对基础采取行变换、平面变换的方式下,通过设置不同的桩长比值ξ、连接曲率值η设定不同布桩方案,分析不同方案下群桩基础轴向刚度比、差异沉降比的变化规律;并利用数值模拟法对所得优化结果的可靠性进行验证。此外,针对不同桩土刚度比、不同桩间距对群桩基础的轴向刚度比和差异沉降比进行了参数分析。研究结果表明：不同群桩基础优化变换方式、不同桩长对群桩基础优化结果会产生不同的影响;当优化目的是为增加群桩基础刚度时,应主要考虑行变换的优化方式,当优化目的是为减小基础差异沉降时,应主要考虑平面变换的优化方式;基础轴向刚度比随着桩土刚度比的增加而增大,随着桩间距的减小而增大;基础差异沉降比随着桩土刚度比的增加而减小,随着桩间距的减小而减小。     

Group interaction on vertically loaded piles in saturated poroelastic soil

The pile-to-pile interaction was obtained for vertically loaded piles embedded in homogeneous poroelastic saturated soil. Deduced from Biot’s theory, the fundamental functions of the quasi-static development for the force, displacement and pore pressure were acquired in cylindrical coordinates. The pile–soil system was decomposed into extended soil and fictitious piles, and the compatibility condition was set up between the axial strain of the fictitious piles and the corresponding average strain over the extended soil. This approach results in the governing equations, which consist of the Fredholm integral equations of the second kind and the basic unknowns of the axial forces along the fictitious pile shaft. The axial force and settlement along the pile shaft were calculated based on the axial forces of the fictitious piles. The interaction between the piles was investigated under different consolidation conditions through a two-pile model, and two pile interaction factors were obtained. Stemming from the two-pile analysis, numerical analyses on the settlement of the pile groups were conducted to probe pile interaction with consolidation. The conventional solutions for the single-phase soil-pile problem seem to underestimate the interaction factor if the consolidation effect is taken into account as pile settlement continues. The pile-to-pile interaction can also aggravate the percentage of consolidation settlement (PCS), and as the pile number increases, the value of the PCS will also increase. Several key factors, such as the pile stiffness, pile slenderness ratio and pile spacing, are investigated to better understand the impact of consolidation on pile analysis.