能量桩群桩工作特性简化分析方法研究

采用双曲线模型模拟桩土界面上的力学行为,利用剪切位移法反映剪应力在土层中的传递,考虑群桩之间的相互作用,建立了热-力耦合作用下能量桩群桩基础工作特性的简化分析方法。该方法能反映桩土界面上的非线性、桩顶的约束条件和能量桩位置的影响,可直接计算所有桩的位移和轴力。与现有方法相比,计算得到的双桩相互作用因子更加合理。通过与文献中试验数据的对比表明,若只有局部桩经历温度变化,能量桩运行过程中各桩之间存在差异变形,基础出现倾斜,桩顶荷载发生重分布。所建立方法计算方便,能合理模拟能量桩群桩基础的主要工作特性,可用于大规模能量桩群桩基础的设计计算。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。     

浆固碎石桩单桩荷载传递特性研究

浆固碎石桩是加固软土地基的一种新型桩基技术,已成功应用于高速公路和高速铁路等工程软土地基处理。为了研究浆固碎石桩单桩荷载传递机制,假定浆固区压缩模量呈指数分布,应用圆形承载板作用下的半空间体位移的解,对竖向荷载作用下单桩复合地基各部分沉降进行分析,推导出桩轴向压应力、桩侧摩阻力和桩顶沉降计算公式。现场试验实测结果与理论计算结果对比表明,理论计算值与实测值相吻合,验证了理论计算公式的合理性     

单桩沉降计算的荷载传递法讨论

在对现有的单桩沉降计算的荷载传递法进行了详细讨论的基础上，着重对荷载传递法在桩－土滑移、桩端沉降计算等问题处理上，提出了新的看法，并对荷载传递法进行了改进。     

基于现场载荷试验的单桩沉降简化计算

基于桩在竖向荷载作用下的桩轴力分布函数,分析了钻孔灌注桩在竖向荷载作用下的承载特性、桩身荷载传递规律、桩的截面轴力分布规律和桩侧阻力分布规律,其计算结果与实测结果较为一致。从单桩Q-s曲线入手,确定各级荷载下桩端平面以下地基土的变形特性曲线,利用该变形曲线可以方便地计算单桩沉降量,其计算结果与实测的单桩载荷试验曲线一致。利用轴力分布函数计算各级荷载下的桩身压缩量和桩端沉降量,进而获得单桩沉降量,其计算结果与按现场测试的轴力分布和侧阻力分布计算的单桩沉降量规律一致,计算结果偏小,能够满足工程要求。     

基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明：使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算...     

基于双曲线模型的增强型桩荷载传递特性研究

通过现场实测的增强型桩和光圆型桩静压试验和桩身内力测试数据,探讨了增强型桩的荷载传递规律。为研究增强型管桩竖向承载特性,将增强型管桩纵向凸肋按截面积计入桩体刚度,而环向凸肋对桩侧土的作用通过桩侧摩阻提高系数来反映;以荷载传递函数的双曲线模型为基础,建立了适用于增强型桩的荷载-沉降关系的计算迭代模型。结合现场静载试验获得的荷载-沉降曲线和桩身轴力分布曲线,反分析确定传递函数的计算参数。应用结果表明,本文方法确定的荷载-沉降曲线和桩身内力分布与实测值吻合较好,具有较好的实用性。     

工作荷载下温度循环对桩基变形与应力的影响分析

目前针对工作荷载下温度循环对桩基承载力特性的研究相对较少,基于室内模型试验方法,对饱和砂土中工作荷载下桩体在多次冷热循环作用时的承载特性和传热特性进行研究,测得温度循环作用下桩体和桩周土体温度、桩周水平土压力、桩体应变以及桩顶位移随时间的变化规律。试验结果表明,施加温度循环作用后桩体及桩周土体温度变化不大,桩周水平土压力也能基本恢复到初值,但在桩体内部则会产生较少残余应变,桩顶下沉并随着循环次数的增加不断累积,从而影响结构的整体承载能力。     

开挖条件下坑底工程桩工作性状及沉降计算分析

基坑开挖对坑内工程桩的影响不可忽视。基于工程试桩实测资料验证的有限元参数,对地面加套管试桩及基坑开挖条件下不同长度单桩进行有限元计算,研究了深厚软土地区在以常规试桩法得到的单桩极限承载力设计的桩基础的承载及变形性状。计算结果表明,基坑开挖条件下坑底工程桩侧阻和端阻异步发挥的现象明显。设计工作荷载下,长度超过40 m的桩的端阻比几乎为0。同时,桩身侧阻呈“R”形分布,长度大于80 m的单桩桩身下部甚至还存在一定的拉力,桩身下部存在较大范围的负摩阻区。考虑开挖条件下侧阻分布特点的沉降计算值要较Geddes假设分布模式下的沉降值更接近于实测结果。     

A simplified design method for energy piles

This paper introduces a simplified method to investigate the influence of thermal loads on the shaft friction and tip resistance of energy piles. The method is based on the influence factors (λ and η) which are back-calculated drawing on a large number of field and model tests. Values for λ and η during heating and cooling are suggested. Moreover, a new equation is proposed to calculate total shaft friction. The equations concerning the relationship between η and temperature difference are recommended to investigate the impacts of the thermal load on the pile tip resistance. The slope of the linear equation of an end-bearing pile is 2.14 times that of a floating pile indicating that the pile tip resistance of an end-bearing pile is much more affected by the same thermal load.

     

能源桩与周围土体之间荷载传递模型的改进及其桩身承载特性研究

桩-土相互作用问题是岩土工程桩基础问题的关键点与难点,目前针对桩身在循环温度荷载与上覆结构荷载双重作用下的能源桩承载特性研究较少。在传统理想弹塑性模型及双曲线模型的基础上,采用分段非线性的方法对桩-土荷载传递骨干曲线进行了修正,并基于Masing’s循环准则,提出了适用于能源桩的桩-土荷载传递模型。利用改进的桩-土荷载传递模型对能源桩承载特性进行数值分析,着重研究了桩-土荷载传递参数比R对能源桩受力情况的影响。此外,为了探究在上覆结构荷载及循环温度荷载双重作用下,能源桩与周围土体之间的真实荷载传递关系及其结构热力学特性,开展了针对能源桩与周围土体之间相互作用问题的室内模型试验,监测了其桩身轴向应力及侧摩阻力随温度及深度变化的趋势,并与基于改进荷载传递模型的数值计算结果进行了对比。室内模型试验监测及数值计算结果显示：能源桩在上覆结构荷载及温度循环荷载双重作用下,其受力行为受改进的桩-土荷载传递循环曲线控制;基于改进的桩-土荷载传递循环曲线而建立的数值模型计算结果与试验结果基本吻合,改进的桩-土荷载传递模型能够较好发地反映能源桩实际的承载特性。     

Numerical analysis of the geotechnical behaviour of energy piles

Energy geostructures are rapidly gaining acceptance around the world; they represent a renewable and clean source of energy that can be used for the heating and cooling of buildings and for de‐icing of infrastructures. This technology couples the structural role of geostructures with the energy supply, using the principle of shallow geothermal energy. The geothermal energy exploitation represents an additional thermal loading, seasonally cyclic, which is imposed on the soil and the structure itself. Because the primary role of the piles is the stability of the superstructure, this aspect needs to be ensured even in the presence of the additional thermal load. The goal of this paper is to numerically investigate the behaviour of energy pile foundations during heating–cooling cycles. For this purpose, the finite element method is used to simulate both a single and a group of energy piles. The piles are subjected to a constant mechanical load and a seasonally cyclic thermal load over several years, imposed in terms of injected–extracted thermal power. The soil and the pile–soil interface behaviours are reproduced using a thermoelastic‐thermoplastic constitutive model. The thermal‐induced stresses inside the piles and the additional displacements of the foundations are discussed. The group model is used to investigate the interactions between the piles during thermo‐mechanical loading. The presented results are specific to the studied cases but lead to the conclusion that both the thermal‐induced displacements and stresses, despite being acceptable under normal working conditions, deserve to be taken into account in the geotechnical design of energy piles. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

超长桩荷载传递性状研究

根据超长桩的现场静载荷试验资料,分析了超长桩的单桩荷载传递特性。结果表明,超长桩表现出端承摩擦桩的特性,桩顶以下l/3桩长及桩端以上l/6范围内的桩侧摩阻力极限值接近规范推荐值,而中间部分的桩侧摩阻力远远大于规范值,表现出强化效应,桩端注浆桩的侧摩阻力强化效应更加明显。根据其荷载传递特性,提出了单桩极限承载力的估算公式,实例计算结果和实测结果较吻合。     

摩擦桩沉降变形规律及承载力确定的探讨

在现场的桩基垂直静载荷试验基础上 ,进行荷载传递机理分析和沉降变形的阶段性划分 ,探讨了确定单桩竖向承载力的新方法 ,为工程合理、充分地利用承载力提供参考。