砂土地基中受水流影响的竖向力-水平力联合受荷桩承载特性模型试验研究

海上风机大直径单桩基础除承受竖向荷载V与水平荷载H外,同时还受水流冲刷、扰动。基于Swipe加载法,在室内水槽模型中设计完成了砂土中的V-H联合受荷桩测试,获得了静、动水流状态及不同竖向力大小条件下的荷载-位移曲线及桩身弯矩分布;经无量纲化处理与拟合,得到了考虑水流影响的V-H联合受荷桩承载力包络线及其简化计算公式。结果表明:水流冲刷降低了总的桩侧摩阻力,导致竖向荷载-位移曲线初始刚度降低;桩身水平位移和弯矩在仅受水流作用时较小,但同时受水流、水平荷载作用相比于单一水平受力时则明显增大;增加桩顶竖向荷载在水平位移较小时有助于提高桩身水平承载力,但随水平位移增大且竖向荷载接近竖向极限承载力V_u时,可能会因重力二阶(P-Δ)效应而削弱桩身水平承载力;桩身最大弯矩位置不会随水流状态与竖向荷载大小的改变而明显变化,基本保持在泥面以下2～3倍桩径处。     

倾斜荷载下群桩承载特性理论分析

倾斜荷载是海洋、输变线塔等桩基工程的最主要荷载形式之一。然而现行规范中有关该问题的计算方法相对并不成熟。将桩身划分为自由段和嵌固段,建立桩基单元体的挠曲微分方程;基于群桩p-y曲线法计算水平荷载下群桩承载特性;考虑桩-土相对滑移和竖向力引起的二阶弯矩(P-(35))效应,基于剪切位移法计算竖向荷载下桩-土相互作用;编制相应程序,以迭代法计算获得荷载-位移曲线、桩身弯矩分布规律曲线等。分析验证了所建立的理论计算方法的准确性和可靠性。相关研究成果拓展了工程设计中倾斜荷载作用下桩基承载特性计算方法,为工程设计与计算提供参考依据。     

局部冲刷下群桩水平承载试验研究

基于典型冲刷坑形态,通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用,对典型的9桩群桩进行了冲刷前、后水平承载试验,对相同参数的单桩进行了平行对比试验,详细分析了荷载-位移特性、桩身弯矩分布、群桩效率系数以及荷载分担比的变化规律。结果表明,随着冲刷深度增加,单桩和9桩基础水平承载力均呈现减弱趋势,水平群桩效率系数逐渐增大,承台约束作用效应更加明显,桩身弯矩增大,最大弯矩点位置向桩端移动,前排桩荷载分担比增大,中、后排桩荷载分担比减小;前排角桩受冲刷深度和水平荷载影响最大,设计时需采取有效的加强措施。     

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。     

考虑土体屈服的纵横荷载单桩变形内力分析

为提高桩身变形较大时纵横荷载单桩的设计计算水平,假定地基反力系数沿深度线性增加,考虑土体屈服及纵向荷载的P-?效应并计入桩身自重和桩侧摩阻力的影响,得到了地面以下桩身变形和内力的幂级数解。结合已有的地面以上桩身响应的幂级数解,采用Fortran语言编制了计算程序。计算结果表明：桩顶位移、地面处桩身位移及桩身最大弯矩均随纵横向荷载和自由段桩长的增加而增大,并随土体屈服位移的增加而减小;纵向荷载足够大时桩基失稳;桩顶约束条件对桩的响应影响很大。计算值与模型试验的实测值吻合较好,所得解和程序是可靠的。     

成层软土地基预固结处理后桩基水平承载力估算方法

目前通过对软土地基预加固处理来提高桩基水平承载力已被工程界认可,但如何在工程前期设计过程中估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值仍是技术难点。基于此,参考Bowles[1]的地基土水平抗力计算式,同时考虑成层软土地基预排水固结处理影响,通过数学推导,推求出根据原状软土室内土工试验抗剪强度指标及预加固处理时间,估算软土地基预处理后桩基水平承载力提高值的实用计算方法。考虑桩侧土弹塑性屈服影响,推导出成层软土中水平受荷桩弹塑性解析解及塑性区深度的计算式,给出了桩顶水平位移、桩身最大弯矩的无量纲计算式及相关计算源代码。依托于浙江省某水闸桩基工程案例,根据提出的计算方法对桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等性状进行预估计算,并与地基预处理前、后现场试桩检测值进行验证对比,认为桩基水平承载力、桩顶水平位移及桩身最大弯矩等预估计算成果与工程现场试桩的检测值较接近,对类似工程设计具有较好的参考价值。     

隧道开挖引起邻近单桩水平反应分析

隧道开挖会降低邻近桩基承载力,如何更为合理评价桩基水平附加响应是需要解决的问题。基于Pasternak双参数地基模型和三折线弹塑性荷载传递模型,采用两阶段分析法,并考虑侧向土体作用及地基土层的非均质特性,提出了更符合实际的单桩水平反应简化分析方法。通过与Winkler地基梁法及边界元法的对比分析,验证了方法的合理性。结合对单桩水平反应的多种影响因素进行参数分析,通过各因素相应的修正系数来对基准工况中单桩最大水平反应进行修正,得到计算工况中单桩的最大水平位移和最大弯矩。分析结果表明,桩基水平位移计算时可忽略侧向土体作用,而弯矩计算时应予以考虑;桩基计算工况的最大水平位移 最大弯矩 与平均地层损失比 呈现线性关系,而与隧道半径R、隧道轴线深度H、桩距隧道中心线距离x及桩身柔度系数 均呈现非线性关系。     

大位移条件下水平受荷单桩的简明弹塑性计算方法

软土地层中当桩顶水平荷载较大时,采用传统m法计算容易低估桩身弯矩与挠曲变形,有必要针对该问题提出相关计算方法。将地基土体简化为理想弹塑性体,假定桩身某一深度处存在土体的弹塑性变形临界点,临界点以上的土体进入塑性变形状态,而临界点以下的土体仍处于弹性变形状态,分段建立桩身挠曲微分控制方程,得到水平受荷单桩简明弹塑性计算方法。现场单桩实测和参数敏感性分析结果表明：采用简明弹塑性计算方法得到的桩身最大弯矩较传统m法计算精度提高38.1%;桩身最大水平位移计算精度提高22.3%;桩顶边界条件对桩身水平位移与弯矩沿桩身的分布规律影响显著;桩身最大弯矩和水平位移对土体的极限抗力系数及其形状参数较敏感,设计中宜按下限值选取。     

多层软土地基中单桩沉降与内力位移分析

根据深厚多层软土地区地基土的物理力学性质,考虑桩侧土低荷载水平下的初始极限剪应力和高荷载水平下的应力软化特性以及桩端土承载力分段发挥特性,采用一种新的桩侧和桩端模型模拟单桩荷载传递机制。基于上述模型,利用递推迭代方法可计算单桩桩顶沉降、桩身轴力以及桩侧摩阻力。采取土工参数易于获取且适用于软土地区的经验p-y曲线描述桩-土界面力和位移的非线性关系。基于欧拉-伯努利梁和中心差分理论,考虑桩尖边界条件,采用数值计算方法对桩沿长度方向的转角、剪力、弯矩进行计算,以获取在特定荷载下这些变量的变化特征。最后,结合工程案例,对上述方法进行了验证,其计算简洁且与实际测试结果吻合良好。     

长桩基础偏位时单桩承载力分析与讨论

结合湘潭某钢结构厂房钻孔灌注桩施工偏位实例,探讨单桩基础(长桩)在大偏位情况下能否满足承载力的要求,通过借鉴现行规范对于单桩水平承载力的计算,以及现有的桩在荷载作用下桩身各处内力及位移分布情况的研究,根据桩身配筋率的大小进行分类,对按桩身强度控制的桩和按桩顶位移控制的桩这两类情况分别推导其在偏心轴向荷载作用下的极限弯矩...     

斜坡桩水平循环特性模型试验及有限杆单元解

为了揭示斜坡效应和循环弱化效应共同影响下的斜坡桩水平循环特性,进行了不同循环次数、荷载幅值及坡度下的单向水平循环加载试验,并将水平静载试验作为对照,揭示了桩顶位移、桩身弯矩及地基反力等变化规律。综合考虑二阶效应及桩-土相互作用的影响,对单元刚度矩阵进行了改进,提出了有限杆单元解。将理论预测曲线等与实测曲线及幂级数法计算结果进行了对比,验证了有限杆单元解的合理性。结果表明：桩身弯矩及位移均随循环次数非线性增加,最大弯矩位置逐渐从无量纲深度z_α=1.25下移到z_α=1.75;桩顶无量纲位移y0,α与循环次数n之间的关系符合幂函数y0,α=An0.11;当荷载幅值由20 N增加到40 N时,最大无量纲弯矩由0.010增加到0.029,位置均保持在z_α=1.7附近;当坡度由30°增加到60°时,最大无量纲弯矩由0.011(z_α=1)增加到0.025(z_α=2.5)。     

层状地基中静钻根植竹节桩单桩沉降计算

静钻根植竹节桩是一种由预制桩和水泥土组合而成的组合桩基,通过将预制桩和水泥土的复合弹性模量作为其桩身弹性模量,同时考虑桩身弹性模量沿桩身改变以及桩端水泥土扩大头的作用,采用理想弹塑性荷载传递函数提出了一种在均匀地基中静钻根植竹节桩单桩沉降计算方法。在此基础上,提出了静钻根植竹节桩在层状地基中荷载-位移曲线的递推计算方法。用所提出的计算方法对实际工程中的静钻根植竹节桩试桩的荷载-位移曲线进行计算,并与实测曲线进行比较,验证了所提计算方法的可靠性。选取土体基于预制桩的桩侧摩阻力值作为静钻根植竹节桩的侧摩阻力,计算所得极限承载力与实测极限承载力接近,说明静钻根植竹节桩桩-土接触面摩擦性质与预制桩桩-土接触面摩擦性质相似,且优于钻孔灌注桩桩-土界面摩擦性质。     

大直径超长灌注桩设计方法分析

采用静荷载试验并通过承载力和桩基沉降的计算,讨论了大直径超长灌注桩的设计方法.大直径超长灌注桩Q-S曲线没有明显的特征点,呈缓变形;桩顶沉降由桩身弹性压缩、桩侧荷载和桩端荷载引起的桩端土体压缩三部分组成.分析结果表明,以位移控制方法来确定大直径超长灌注桩的承载力,一般取S = 0.01D时的试验荷载为设计承载力;桩身弹性压缩量对桩顶沉降影响较大,利用弹性理论法计算单桩沉降值比试验值偏大,设计时需以静载试验为主.     

多层地基中超长桩荷载传递机理的非线性计算方法

目前超长桩的理论远远落后于实践,分析超长桩的受力性能,提出合理的承载力计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题.论文基于超长桩试验资料,提出与超长桩桩侧土工作性状相适应的弹性-软化-稳定三阶段荷载传递模型;桩端采用双曲线荷载传递模型模拟土的非线性变形特性;桩身引入混凝土的Rusch模型,以考虑高荷载水平作用下超长桩桩身混凝土的弹塑性性状.通过桩身任意处微段竖向受力平衡,建立考虑桩身混凝土弹塑性关系的桩土体系荷载传递基本方程,在综合考虑桩侧土软化稳定和桩端土非线形的基础上得到与超长桩工作性状相适应的层状地基中超长桩荷栽传递分析方法,并根据模型编制了相应的C语言程序进行实例分析.计算得到的荷栽-沉降曲线与实测的曲线吻合较好.本文方法适用于计算多层地基中超长桩的沉降和极限承载力,也可用于分析层状地基中超长桩的荷载传递规律.经过对工程实例的计算与实测对比分析,证明该法简单、可靠,且具有较好的适用性.     

基于拉格朗日乘数法的大弯矩水平受荷桩研究

水平受荷单桩常用于海上风机基础,该条件下单桩受到巨大的倾覆力矩。通过引入力和弯矩平衡的拉格朗日乘子,将桩身挠曲线泛函极值问题转化为非线性方程组。方程组求解采用牛顿法,以Matlab矩阵运算实现。所提方法适用于任意非线性或分段形式的p-y(水平抗力-水平位移)曲线,计算迅速,可模拟荷载和桩身参数的变化。与试桩资料的对比表明,所提方法计算准确。算例研究表明,加载高度与桩长相仿时,绝大部分桩基变形是由桩顶弯矩导致,水平承载力校核失去意义。通过计算不同设计参数下的桩基变形曲线,研究了海上风机单桩基础的设计问题。研究表明,单桩基础存在明显的有效桩长。设计桩径是由水平位移限值决定的,更小的桩径就能满足规范中的转角限值。     

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。     

带桩沉箱复合基础水平向承载性状模型试验研究EI北大核心CSCD

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。     

大型滑坡抗滑桩-桩板结构受力变形研究

在复杂艰险山区修建无砟轨道路基时,现有常规抗滑桩或桩板结构等均难以同时解决大型滑坡区潜在滑移和沉降控制问题。为适应无砟轨道路基通过大型滑坡区的需要,创新设计了抗滑桩-桩板结构,并结合贵阳至广州高速铁路建设,开展了大型滑坡抗滑桩-桩板结构现场监测试验。结果表明:抗滑桩和桩板结构基桩的最大侧向位移均位于桩顶,沿深度方向侧向位移先缓慢衰减再加速衰减;滑面附近侧向约束作用的差异,往往会导致桩身侧向位移发生突变;抗滑桩和基桩的桩身弯矩均呈先增大至峰值点再减小的趋势,沿桩深方向具有单峰曲线变化特征;雨季降水作用导致桩身弯矩增加,旱季蒸发作用导致桩身弯矩减小;结构系统中抗滑桩充分发挥了承担滑坡推力控制滑体稳定的作用,基桩则主要用于承担竖向荷载控制路基沉降,承担的滑坡推力较小。抗滑桩-桩板结构可作为滑坡区无砟轨道路基通过的加固型式,对今后类似复杂艰险山区高速铁路修建具有重要的参考价值。     

水平与上拔组合荷载下柔性单桩承载特性试验研究

为探讨柔性单桩在水平与上拔组合荷载下的承载特性,开展了两组共6根单桩室内模型加载试验。其结果表明:相比于纯水平受荷桩的极限承载力H_(u1),预先施加不超过0.5T_(u1)(纯上拔桩的极限承载力)的上拔荷载能够提高单桩的水平极限承载力,且随上拔荷载增加,水平极限承载力先增大后减小;增大预先施加的上拔荷载降低了同一水平荷载下桩身的弯矩及土反力,也削弱了地基的水平刚度,综合影响下桩身的水平位移先减小后增大;预先施加不超过0.5H_(u1)的水平荷载主要增大0～10D(D为外径)范围内桩身的平均摩阻力从而提高上拔极限承载力值,且水平荷载越大,其提高效果越显著;当水平荷载达到0.5H_(u1)时,对应的上拔极限承载力相比T_(u1)增加了17.1%,设计中可对增加的上拔极限承载力给予考虑。进一步通过理论研究验证了试验结果的合理性,给出了组合荷载下柔性桩的上拔极限承载力计算公式,其计算误差在6%范围内。     

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。