沉埋式抗滑桩机制模型试验数值分析研究

为验证沉埋桩加固滑坡体的作用机制,在进行了系列室内大型模拟试验的基础上,对模型试验进行了数值分析。分析中采用有限元方法,计算了桩身所受推力分布型式、推力大小和桩顶土推力分布形式、大小;计算了桩长变化时滑坡体加固后的稳定安全系数,由此确定满足设计要求的最小沉埋桩桩长。研究表明,有限元数值分析方法计算所得到的结果与模型试验的结果比较接近,并证明了用有限元数值分析方法对沉埋桩进行设计的可行性。     

越顶破坏模式下沉埋桩受荷段及沉埋段推力算法

滑坡推力的确定对于抗滑桩设计极其重要,沉埋桩作为对传统抗滑桩的优化,其受荷段推力的研究目前主要借助于模型试验和数值模拟,缺乏深入的理论分析。为了建立沉埋桩后侧受荷段及桩顶沉埋段滑坡推力计算方法,针对沉埋桩加固的基岩-覆盖层式滑坡,基于潜在越顶破坏模式,由桩顶位置将越顶滑面分为顶部、底部两段,其中,顶部滑面上水平方向合力即为沉埋段推力,可由积分求得,底部滑面上各个方向的力求解方法与此类似;在此基础上,利用刚体极限平衡理论对底部滑面与桩受荷段所围滑体进行受力分析,进而可得受荷段推力计算公式。实例分析表明：理论算法所得沉埋段与受荷段推力值与FLAC3D结果非常接近,其中,受荷段推力、沉埋段推力、设桩位置处总推力随沉埋比的增大而分别非线性减小、增大、减小;沉埋比位于0～0.67范围内时,沉埋段与受荷段推力之比由0缓慢增大到0.30～0.50,随着沉埋比增大到0.8,该比值急剧增大到1.47～2.12;一般沉埋深度下,沉埋段推力小于受荷段推力。沉埋桩推力的理论研究对于桩体内力优化、沉埋深度确定具有重要的现实意义,将有助于该桩型的进一步推广应用。     

双排抗滑桩后侧推力分布物理模型试验

双排抗滑桩后侧滑坡推力分布是其设计中要考虑的关键要素之一。针对一大型基岩-覆盖层式滑坡,进行四组不同后排桩布设方式的双排桩加固滑坡的室内物理模型试验,通过采用坡体外注水,经过特定通道渗入滑带的方法来模拟强降雨条件对滑带的软化效应,测得不同工况下两排桩后侧滑坡推力分布特征,并通过FLAC3D数值模拟方法对试验结果进一步验证。试验结果表明,后、前排桩上坡体压力均呈两端小、中间大的抛物线型分布模式且峰值点相对靠近滑面位置;桩位不变时,后桩后侧坡体压力峰值随沉埋深度增大而减小且峰值点位置上移,前桩后侧坡体压力峰值随后桩沉埋深度增大而增大,但峰值点位置无明显变化;滑带软化效应并不改变双排桩上推力分布模式,但会增大前、后排桩后侧坡体压力,且相比桩顶和底部,桩身中间部分坡体压力增加幅度较大;注水软化前后,后、前排桩上坡体压力分别增大约14.3%～21.4%与17.9%～24.8%。     

现浇混凝土薄壁管桩的荷载传递机理

振动沉模现浇混凝土薄壁管桩（简称PCC桩）技术是河海大学自主开发研制的用于地基加固处理的新技术,它是一种适合于软土地区的新型高效优质桩型。通过有限元方法研究了PCC桩的荷载传递机理,考虑了桩土接触面的滑移、脱开和土的非线性。分析结果表明,荷载-沉降曲线数值模拟结果与现场试验相当接近,并揭示了内外侧摩阻力的分布、端阻力的发挥、土塞的作用等一些目前无法由现场试验得到的结果。     

低裙式吸力桩真空沉贯及抗拔极限承载力

为了提高裙式吸力桩的承载力,使其更易于沉贯且能更好地保护主桶周围土体免受洋流刨蚀,提出了一种新型低裙式吸力桩模型,采用双桶负压法沉贯该桩,能有效减小土塞高度。提出的超低位真空预压法能够快速固结土体,缩短试验周期,采用该方法加固的土体,能够较好地模拟强度沿深度增加的地基土。在该土体上采用抽真空法沉贯不同规格的吸力桩模型,对比研究低裙式吸力桩的可贯性,分析其沉贯阻力,结合试验数据拟合出了沉贯阻力公式。最后,通过45°斜拉试验并结合PLAXIS 3D软件对吸力桩承载力展开研究,对比试验与数值模拟结果,分析新型低裙式吸力桩的合理性。     

搅拌桩加固挤土效应及在地铁隧道保护中的应用

在减小地基变形进行的深层搅拌桩加固时,加固本身的挤土效应对隧道变形产生了影响。为此,模拟了搅拌桩（DCM）侧向挤土效应的4种荷载模式,结合实测资料并采用数值试验验证了侧向挤土荷载模式的合理性。进一步应用该模式,通过有限元模拟了搅拌桩的加固挤土效应,分析讨论了不同加固顺序对地面变形,隧道变形以及长期蠕变变形的影响,结论表明,搅拌桩加固对地面环境影响是不可忽略,隧道周围搅拌桩施工顺序对隧道变形影响较大,搅拌桩加固后长期蠕变效应相对加固过程的变形很小。     

抗液化排水刚性桩沉桩过程的土压力响应

抗液化排水刚性桩是一种将刚性桩与竖向排水体相结合的新桩型。基于某建筑桩基工程,开展了抗液化排水刚性桩和不含排水体的普通刚性桩的沉桩对比现场试验,采用了动态土压力传感器实时监测沉桩过程中桩周土体内产生的土压力响应,对比了排水桩与普通桩沉桩对桩周土体水平方向应力及有效应力影响的差异。试验结果表明：抗液化排水刚性桩能够有效减小沉桩过程对桩周深部可液化土体的扰动,在桩身近侧（距桩心0.6 m）深部埋深（-15 m）位置,排水桩的水平土压力响应峰值仅为普通桩的1/4;排水桩能够有效降低沉桩对可液化土层有效应力的影响,使桩周土体更加稳定;在单次沉桩过程中,对于浅部埋深（-5 m）,排水桩对桩周土压力峰值的影响作用较小,对于存在可液化土层的深部埋深（-10、-15 m）,排水桩对土压力峰值的有效影响半径可达4倍桩径。现场试验数据为抗液化排水刚性桩的桩间距选择提供了有力的设计参考依据。     

考虑砂土地基预制桩侧向挤土影响的单桩承载力分析研究

预制桩的沉桩过程产生了对桩周土体的挤密作用,桩周土体的力学特性发生了相应的改变,这种改变会直接影响预制桩桩基础的承载力。利用有限元计算分析方法对砂性土地基预制桩沉桩过程进行了数值求解,得到了桩周土体的位移和应力变化规律;在应力路径控制的三轴试验中,模拟土体在受到预制桩沉桩影响的应力状态,试验研究了标准砂在再受荷载作用时的力学特性;在荷载传递法中,运用桩周土体性质的变化试验结果,进行了有限差分数值分析,得到了考虑和不考虑挤土作用的单桩P-S曲线。研究结果表明：预制桩的沉桩过程对桩周土中的径向和轴向应力都有明显的影响,对径向应力的影响大于对轴向应力的影响;挤土效应提高了桩周土的剪切模量值和强度,影响范围大致相当;考虑沉桩侧向挤土影响单桩承载特性有明显的提高,现行的预制桩设计偏于安全。     

双排抗滑桩加固滑坡的前桩后侧推力算法

为了在求解双排全长桩和后排沉埋-前排全长桩中前桩后侧坡体推力的同时也可得到其分布模式,以便更合理确定前排桩受力特征,针对双排桩加固的基岩-覆盖层式滑坡,采用斜条分法将排间滑体分割成若干斜向平行滑面的土条;对所形成的在不同深度位置的4类典型土条,根据静力平衡条件,推导了其作用于前桩受荷段后侧的推力计算公式,进而可确定出前排桩受荷段后侧坡体推力分布模式及其合力。实例分析表明,本文方法所确定的前桩后侧坡体推力呈不规则抛物线形分布,其峰值点接近于滑面;后排桩沉埋模式时前桩后侧坡体推力比后排桩全长模式时的值小8.6%～10.6%;本文方法比传递系数法的计算值偏大10.6%～13.4%,且相对更接近于FLAC3D模拟结果。     

软黏土中预钻孔沉桩引起的土体隆起分析

基于考虑初始半径的圆孔扩张理论,并根据旁压试验临界深度的形成机制与沉桩挤土的相似性,求得沉桩土体隆起的分界面,并进一步推导了沉桩引致地表隆起的曲线方程,分析了预钻孔半径对土体隆起的影响规律。由于初始半径即为沉桩施工时较为常用的预钻孔半径,因此,推导的预估土体隆起的有关方程为通用公式,当初始半径取0时,可用于普通沉桩的土体隆起分析。实际计算表明,该公式计算结果略小于实测值,但比有限元模拟的结果更接近实测值。因而提出的沉桩导致土体隆起的预估公式是简洁而实用的     

考虑土拱效应的疏排桩支护基坑内力和变形分析

采用同济大学中型岩土离心机进行了2组疏排桩支护基坑的离心机模型试验,结合三维有限元数值分析探讨了采用规范方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形的适宜性,并提出了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩侧土压力的理论计算方法,最后建立了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩身内力和变形的计算模型。研究结果表明：对于桩间距与桩径之比为2、3和8的疏排桩支护基坑,桩间土体无法形成土拱效应;对于桩间距与桩径之比为4～7的疏排桩支护基坑,桩间土拱效应明显;规范法计算得到桩身内力与变形结果要比离心机试验结果偏大,与规范方法相比,采用文中提出的计算方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形更为合理。     

水平荷载作用下PCC桩复合地基工作性状

利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽进行PCC桩水平承载足尺试验,实测得到了水平荷载作用下桩身弯矩分布。利用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC单桩与等截面实心圆桩、PCC桩复合地基与等截面实心圆桩复合地基在水平荷载作用下的工作性状,对其桩身弯矩和水平位移的分布规律进行了比较,分析了竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率对PCC桩复合地基桩身性状的影响。研究表明,PCC桩复合地基在水平荷载作用下,随着竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率的增加,其桩身弯矩和水平位移随之减小。因此,在PCC桩复合地基设计时可以通过适度调整这些影响参数来减小水平荷载作用下的桩身弯矩和水平位移,确保桩身的安全。     

Response of Pile Groups Driven in Sand Subjected to Combined Loads

Although the loads applied on piles are usually a combination of both vertical and lateral loads, very limited experimental research has been done on the response of pile groups subjected to combined loads. Due to pile–soil–pile interaction in pile groups, the response of a pile group may differ substantially from that of a single pile. This difference depends on soil state and pile spacing. This paper presents results of experiments designed to investigate pile interaction effects on the response of pile groups subjected to both axial and lateral loads. The experiments were load tests performed on model pile groups (2 × 2 pile groups) in calibration chamber sand samples. The model piles were driven into the sand samples prepared with different relative densities using a sand pluviator. The combined load tests were performed on the model pile groups subjected to different axial load levels, i.e., 0 (pure lateral loading), 25, 50, and 75% of the ultimate axial load capacity of the pile groups, defined as the load corresponding to a settlement of 10% of the model pile diameter. The combined load test results showed that the bending moment and lateral deflection at the head of the piles increased substantially for tests performed in the presence of axial loads, suggesting that the presence of axial loads on groups of piles driven in sand is detrimental to their lateral capacity.     

被动桩侧土体位移场的透明土模型试验

常规室内模型试验中,土体侧向位移作用下桩身变形特性能够获得,而桩周土体内部的位移很难量测。因此,结合透明土材料、粒子图像测速(PIV)技术和光学测量系统,设计了侧向位移作用下被动桩桩周土体变形测量试验系统。通过非插入式测量,得到桩不同埋置深度下桩周土体的位移场。试验结果表明:相同侧向位移模式下,桩埋置深度越大,桩对桩前土体的遮拦效应越明显,中间与两侧土体的相对位移越大。基于模型试验的结果建立了数值模型,参数敏感分析表明土体侧向位移形状对桩前土体位移遮拦效应的影响程度依次为矩形、抛物线形和三角形,且遮拦效果随着桩径的增加而更加明显。     

群桩扭转非线性模型

建立了一个非线性数学模型来分析群桩扭转问题。该模型利用非线性荷载传递曲线来模拟桩的非线性响应,采用Mindlin解计算各桩水平力间的相互作用,用Randolph解析解分析得到各桩间扭矩对水平力的影响。在各单桩中引入经验性的耦合系数,分析桩身水平变形引起的土体反力对该桩扭转承载力的影响。对比计算结果与离心机模型试验数据,表明该模型能够模拟群桩扭转中主要的桩-土-桩相互作用和荷载耦合作用,较好地反映了实际情况。     

Centrifuge shaking table tests on 4 × 4 pile groups in liquefiable ground

A series of centrifuge shaking table model tests are conducted on 4?×?4 pile groups in liquefiable ground in this study, achieving horizontal–vertical bidirectional shaking in centrifuge tests on piles for the first time. The dynamic distribution of forces on piles within the pile groups is analysed, showing the internal piles to be subjected to greater bending moment compared with external piles, the mechanism of which is discussed. The roles of superstructure–pile inertial interaction and soil–pile kinematic interaction in the seismic response of the piles within the pile groups are investigated through cross-correlation analysis between pile bending moment, soil displacement, and structure acceleration time histories and by comparing the test results on pile groups with and without superstructures. Soil–pile kinematic interaction is shown to have a dominant effect on the seismic response of pile groups in liquefiable ground. Comparison of the pile response in two tests with and without vertical input ground motion shows that the vertical ground motion does not significantly influence the pile bending moment in liquefiable ground, as the dynamic vertical total stress increment is mainly carried by the excess pore water pressure. The influence of previous liquefaction history during a sequence of seismic events is also analysed, suggesting that liquefaction history could in certain cases lead to an increase in liquefaction susceptibility of sand and also an increase in dynamic forces on the piles.     

A Three Dimensional Comparative Study of Seismic Behaviour of Vertical and Batter Pile Groups

To a practicing foundation engineer, the performance of batter pile under seismic conditions still remains a questionable prospect. The contradictory findings reported by various investigators with regard to the performance of batter piles add to this dilemma. This calls for a rigorous three-dimensional investigation to evaluate seismic behavior of batter pile groups. In this study, a comparative assessment of three-dimensional seismic behavior of a 2 × 2 vertical and batter pile groups having batter angle of 15° was carried out using a full three-dimensional finite element code developed in MATLAB (Sarkar 2009). The effects of centre to centre spacing of piles and soil modulus values were investigated. Idealized soil profiles having constant and triangular variation of soil modulus were adopted for the study. Results of analyses for both the vertical and batter pile groups are presented in terms of dynamic stiffness and kinematic interaction factors. Results indicate better seismic performance of batter pile groups in comparison to that of vertical pile groups. To demonstrate the importance of the findings, a five-storied portal frame structure supported separately on vertical and batter pile groups were considered and analyzed for El-Centro Earthquake (1940) time history. The difference in structural response considering vertical and batter pile groups is highlighted.     

锚杆抗滑桩桩侧地层抗力分布模式的试验研究

介绍了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力分布规律的室内模型试验成果,试验共分3组,其中2组在坡体后缘加载,第3组采用千斤顶直接在桩后加载,桩身上各贴有一定数量的土压力盒,用以测定作用于桩身上的地层抗力。从3组试验中得出了锚杆抗滑桩桩身的荷载分布图,分析这些荷载分布图可以看出,对于锚杆抗滑桩来说,其滑面以下桩身的地层抗力主要分布在桩前一侧,与普通悬臂式抗滑桩计算模型中采用的地层抗力主要分布在桩背一侧的模式是不同的。根据试验结果给出了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力的3种分布模式,并给出了桩前滑面以下部分被动抗力值的大致范围。     

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。     

公路桥超长群桩的有效桩长研究

针对公路桥梁超长群桩的有效桩长问题,对国内公路桥梁桩基的荷载状况进行统计分析,得出桩顶应力主要分布在6～21 MPa范围。进行了长径比为96的桩间距分别为3D、4.5D和6D的3组不同群桩的超长群桩模型试验,得到3种不同桩间距的超长群桩中单桩轴力随着不同荷载的分布图,按照桩身轴力趋于0的桩截面的深度确定有效桩长,并利用指数函数关系分别拟合了3种不同桩间距的桩顶应力与有效桩长之间的关系。根据竖向荷载作用下群桩模型试验与实际原型之间的相似关系,确定公路桥超长群桩与荷载对应的有效桩长取值范围,研究了超长群桩的有效桩长与桩间距之间的关系,并对桥梁桩基有效桩长的取值与桩间距提出了建议。