基于高性能有限单元的单桩稳定性分析法

现行的桩基设计方法主要基于线弹性理论及采用半经验假定,难以准确地检验长桩在土体非线性条件下的稳定性。基于非线性有限单元分析理论,提出了高性能桩单元分析法用于非线性分析,可直接检验单桩稳定性且无需假定桩的计算长度系数。在桩单元推导过程中,通过整合在单元内部的连续弹簧以考虑土-结构相互作用（SSI）,能够大幅提升计算效率。使用牛顿-拉夫逊迭代法进行迭代运算,利用推导的相应单元切线刚度矩阵预测位移,并通过割线关系减少每一步迭代中产生的误差,在桩的大变形条件下采用更新拉格朗日法确定平衡条件。算例验证表明,桩单元模型在考虑土体非线性条件下,能高效、可靠地对单桩进行分析和设计。     

Analysis of pile‐raft foundations under complex loads in layered soils

Considering there is hardly any concerted effort to analyze the pile‐raft foundations under complex loads (combined with vertical loads, horizontal loads and moments), an analysis method is proposed in this paper to estimate the responses of pile‐raft foundations which are subjected to vertical loads, horizontal loads and moments in layered soils based on solutions for stresses and displacements in layered elastic half space. Pile to pile, pile to soil surface, soil surface to pile and soil surface to soil surface interactions are key ingredients for calculating the responses of pile‐raft foundations accurately. Those interactions are fully taken into account to estimate the responses of pile‐raft foundations subject to vertical loads, horizontal loads and moments in layered soils. The constraints of the raft on vertical movements, horizontal movements and rotations of the piles as well as the constraints of the raft on vertical movements and horizontal movements of the soils are considered to reflect the coupled effect on the raft. The method is verified through comparisons with the published methods and FEM. Then, the method is adopted to investigate the influence of soil stratigraphy on pile responses. The study shows that it is necessary to consider the soil non‐homogeneity when estimating the responses of pile‐raft foundations in layered soils, especially when estimating the horizontal responses of pile‐raft foundations. The horizontal loads and the moments have a significant impact on vertical responses of piles in pile‐raft foundations, while vertical loads have little influence on horizontal responses of piles in pile‐raft foundations in the cases of small deformations. The proposed method can provide a simple and useful tool for engineering design. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑桩靴贯入对邻近群桩效应影响的分析方法

为考虑钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,以海洋平台群桩设计中使用的修正Poulos法为基础,提出了一种考虑桩靴贯入影响的群桩分析方法。该法基于非线性地基梁模型确定桩靴贯入土层时单桩桩头位移;依据桩同时承受桩头荷载与土体位移时对应的地基反力系数确定土层的弹性模量,进而在Poulos群桩相互作用分析理论框架内,分析桩靴贯入对群桩相互作用的影响,确定桩靴贯入过程中由于群桩相互作用导致的附加桩头位移及相应的群桩桩头位移;依据群桩桩头位移,确定考虑桩靴贯入影响的群桩p-y曲线Y因子及相应的p-y关系。为了说明分析方法的可行性,进行了桩靴贯入砂土时对邻近单桩和群桩相互作用影响的离心模型试验,方法预测与试验结果基本一致,从而验证了方法的合理性。对于文中的工况,桩靴贯入没有导致群桩p-y关系进一步弱化,此时采用桩靴贯入前的群桩p-y关系确定考虑桩靴贯入影响的群桩响应,得到的结果偏安全。     

刚性桩复合地基水平承载力特性

利用三维非线性弹性有限元方法,研究了刚性桩复合地基在不同垂直荷载作用下的水平承载力特性,分析了不同褥垫层厚度及其地基土的性质对复合地基水平受力特性的影响,得出了水平荷载作用下桩身弯矩和挠度的分布规律。研究表 明,垂直荷载的大小改变了复合地基水平荷载作用下的破坏模式,直接影响着其水平承载力;适当的垫层厚度可降低桩所分担的水平荷载,有利于桩身的安全。     

基于两阶段法的堆载对公路桥梁桩基础影响分析

首先基于布西奈斯克解,将表面作用有集中荷载时半无限弹性体的应力变形解在荷载作用区域利用复合辛普森公式进行数值积分,得到了表面处于不同形式的分布荷载作用下土体自由场水平及竖直方向应力和变形的计算公式。结合有限差分法及Mindlin位移解分别推导出弹性地基中桩顶作用有集中荷载时单桩桩、土单元的位移,两者结合便得到主动桩的分析方法。通过将堆载作用下的土体自由场位移施加于桩上把上述自由场分析及主动桩分析结合起来,推导出堆载作用下被动单桩的竖向和水平向承载特性的分析方法。选取地表附近作用有矩形均布荷载的计算工况,通过与有限元计算结果的对比验证了所提出的分析方法的正确性;将所提出的方法计算结果与某处工程案例中实测数据结果进行对比,分析表明利用该方法分析堆载对邻近桩基的水平及竖向影响是合理可靠的。     

一种确定导管架平台群桩p-y数据的方法

导管架海洋平台群桩基础的桩头约束是一种弹性约束。针对具有弹性约束桩头的群桩,提出了一种利用非线性地基梁群桩模型,通过迭代计算确定导管架平台群桩p-y数据的方法。该方法首先依据单桩p-y曲线,利用具有弹性约束桩头的群桩模型,计算桩头在总荷载作用下的水平位移;再利用Poulos相互作用系数确定由于群桩相互作用引起的桩头附加水平位移,将总荷载作用下的桩头水平位移与桩头附加水平位移叠加后的结果作为迭代计算的初始桩头水平位移。然后,依据桩头荷载与初始桩头水平位移,通过对单桩p-y数据的标定,确定其修正系数Ym,进而得到与第1次计算对应的群桩p-y数据。在接下来的迭代计算中,利用每次更新后的Ym确定该次计算使用的群桩p-y数据,并据此由群桩计算模型计算桩头位移,通过对单桩p-y数据标定确定相应的Ym,直到第i次与第i-1次计算出的Ym(i)和Ym(i-1)之间相对误差小于允许误差为止。由于该方法考虑群桩效应的p-y数据,且借助具有弹性约束桩头的群桩模型进行分析,从而使计算结果能客观反映具有弹性约束桩头群桩之间的相互作用与变形特性。     

双层地基水平受荷桩受力变形分析

基于双层地基中的水平受荷桩的特性,对其受力变形进行了分析。将水平受荷桩视为竖直放置的弹性地基梁,基于Winkler弹性地基梁理论,考虑桩土共同工作得到水平受荷桩位移控制微分方程及其幂级数解答,进而根据内力与位移的连续条件得到了由桩顶受力及变形条件表示任一深度处桩身的水平位移、转角、弯矩及剪力的计算矩阵表达式。通过一具体算例将幂级数解计算结果与《公路桥涵地基与基础设计规范》推荐的简化计算公式计算结果进行了比较。结果表明：当第1层地基土的厚度在某一定值时,《规范》简化计算方法所得结果与幂级数解接近;但当层厚不在该值附近时,两个方法计算结果存在差异。     

基于有限杆单元法的陡坡基桩非线性分析

根据陡坡段桥梁基桩承载特性,提出了一种可考虑桩土非线性作用的基桩内力与位移分析有限杆单元方法。首先,基于单元划分结果,结合桩侧摩阻力和坡体侧向推力的分布规律,得到了相应的等效结点荷载向量表示方法;其次,在线弹性地基反力法的基础上,引入p-y曲线开展了桩周土抗力非线性分析,并结合桩身P-?效应（P为桩顶轴向荷载,?为桩顶水平位移）计算方法给出了单元刚度矩阵修正方法,进而提出了适用于基桩内力位移非线性分析的有限杆单元法并编制了MATLAB计算程序;最后,结合某工程实例,将计算结果与工程实测值及已有理论值进行对比。结果表明：考虑桩土非线性作用的计算方法是合理的;当桩身具有自由段时,P-?效应对基桩内力位移的影响较大,在实际工程设计中不可忽视。     

An analysis method for the influence of tunneling on adjacent loaded pile groups with rigid elevated caps

Tunnel excavation could influence the working performance of adjacent pile foundations. How to accurately predict the tunneling‐induced pile responses is becoming an important issue in urban areas. Previous methods tend to neglect the influence of working loads on the tunneling‐induced pile responses. In this paper, a two‐stage analysis method is proposed to study the behavior of pile groups with rigid elevated caps subjected to tunneling‐induced ground movements, in which the pile–pile interaction, coupling of longitudinal and lateral deformation, and influence of working loads are considered. This method is validated by comparing the results with those from a general pile analysis program, GEPAN, centrifuge test data and field measured data. Thereafter, a series of parametric studies is carried out. The results show that the influence of working load on tunneling‐induced pile responses is significant. Three different features of the pile responses will take place for different depth ratios. With the increase in soil stiffness, the tunneling‐induced axial force increases linearly, whereas the bending moment increases nonlinearly. For soils with high stiffness, the maximum bending moment increases linearly with the ground loss ratio within the range of 0–5%; but for soils with low stiffness, this tendency becomes obviously nonlinear. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基桩屈曲的几何非线性有限元分析

将桩身视为空间受力的梁单元,利用更新的拉格朗日坐标体系考虑梁单元的几何非线性;并采用弧长控制法求解有限元非线性方程组,进行基桩屈曲的几何非线性有限元分析。利用Matlab语言编制了相应的计算程序,将某现场木桩压屈试验实测屈曲临界荷载与理论分析比较,吻合良好。大量计算分析表明,桩周土地基系数、基桩埋入比、桩身材料和基桩长细比是影响基桩屈曲荷载大小的重要因素,在设计和施工中都应重视和考虑。     

Buckling behaviour of single pile and pile bent in the Scotch Road Bridge

The buckling behaviour of the 360 × 152 steel H-piles supporting the integral abutments of the Scotch Road Bridge, located in Trenton, New Jersey, has been studied for the cases of single pile and pile bent. Three-dimensional finite-element models for single pile and pile bent have been developed to study the behaviour of these fully embedded piles under axial and lateral loading. An iterative analysis based on extracting the eigenvalues and eigenvectors (mode shapes) that correspond to the pile(s) critical buckling loads has been adopted. The pile(s) and the surrounding sand were modelled using solid continuum elements in the finite-element model. Material non-linearity is accounted for in both the piles and the soil in the base state of the model. A parametric study has been utilized to determine the effect of the geometric and material properties of the pile and the surrounding sand on the predicted critical buckling loads of the piles. The effects of four parameters have been studied: soil stiffness, pile length, type of connection, and combining vertical and lateral loads. The results from the parametric study showed that the variation of the percentage change in the sand stiffness, pile length, and combining vertical and lateral loads with the critical buckling loads of the 360 × 152 H-piles is nonlinear. Furthermore, the parameters studied are more influential in affecting the critical buckling load of a single pile than a pile bent, with the exception of the ‘type of connection’ parameter.     

钻井船插桩对邻近桩影响的耦合欧拉-拉格朗日有限元方法研究

依据模拟钻井船在黏土层中插桩对邻近桩影响的离心模型试验结果,研究了通过耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元计算并结合非线性地基梁有限元计算,分析钻井船插桩对邻近桩影响问题的可行性。CEL有限元方法将产生大变形的土体设为欧拉体,采用欧拉有限元方法计算该区域的变形响应,计算过程中,欧拉体的空间网格形状、大小位置保持不变,物质可在网格之间运动;其他土体设为拉格朗日体,采用拉格朗日有限元方法计算变形响应,计算过程中,物质的运动和网格的变形保持一致。运用罚函数方法实现欧拉体与拉格朗日体的耦合。通过CEL有限元计算,可以确定钻井船插桩导致的邻近桩桩身水平位移。进一步通过非线性地基梁有限元模型计算确定桩身弯矩。计算结果表明,利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法计算出的桩身位移和弯矩沿桩长的变化与离心模型试验结果基本一致。说明采用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法分析黏土层中插桩对邻近桩的影响问题是可行的。CEL有限元模型中欧拉土体范围的设置对计算结果有明显影响。研究表明,若插桩深度小于0.75倍桩靴直径,可将欧拉土体范围设置成1.00～1.25倍桩靴直径;若插桩深度大于0.75倍桩靴直径,将欧拉土体范围取为插桩深度以下0.5倍桩靴直径是恰当的。     

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。     

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。     

考虑桩土侧移的被动桩中土拱效应数值分析

被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机制主要是土拱效应。采用土工有限元软件Plaxis Tunnel 3D 1.2,对堆载荷载作用下邻近桩基中的土拱效应产生机制和性状进行三维数值分析,指出目前被动桩中土拱效应二维有限元分析存在的问题。考虑桩土侧移与相对位移,再利用土工有限元软件Plaxis2D 8.2详细地研究了侧向土体位移大小、桩身水平位移大小、土体性质以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土荷载分担比的影响。     

Vertical loads effect on the lateral pile group resistance in sand

Vertical loads effect on the lateral response of a 3×5 pile group embedded in sand is studied through a two-dimensional finite element analysis. The soil-pile interaction in three-dimensional type is idealized in the two-dimensional analysis using soil-pile interaction springs with a hysteretic nonlinear load displacement relationship. Vertical loads inducing a vertical pile head displacement of 0.1-pile diameter increase the lateral resistance of the single pile at a 60 mm lateral deflection by 8%. Vertical loads inducing the same vertical displacement applied to a pile group spaced at 3.92-pile diameter increase the overall lateral resistance by 9%. The effect on individual piles, however, depends on the pile position. The vertical load decreases the lateral resistance of the leading pile (pile 1) by 10% and increases the lateral resistances of piles 2, 3, 4, and 5 by 9%, 14%, 17%, and 35%, respectively. Vertical loads applied to the pile group increase the confining pressures in the sand deposit confined by the piles but the rate of increase in those outside the group is relatively small, resulting in the difference in a balance of lateral soil pressures acting at the back of and in front of the individual pile.     

桥梁桩基主动托换中顶升荷载的简化计算

以福州地铁1号线盾构隧道下穿洗马桥的桩基主动托换工程为依托,针对桥梁上部结构-桩身-土体三者共同组成的复杂超静定结构,运用数值模拟方法和现场实测数据,分析了在不同顶升荷载作用下复杂超静定结构的内力与位移响应,重点讨论了托换过程中上、下部结构的相对刚度及其对顶升荷载的影响;根据顶升荷载作用点以下桩身轴力接近0的条件,确定了桥墩盖梁与薄壁桥台梁两种典型工况下的桩基顶升荷载分别为1 800 kN和2 600 kN。现场监测结果表明,顶升过程中上部结构的位移值和桩身轴力变化值,均与计算结果吻合较好。在此基础上,提出基于上、下部结构刚度比的顶升荷载简化计算方法,研究结果可为类似复杂超静定结构的桩基主动托换工程提供参考和借鉴。     

竖向力与水平向力同时作用下管桩的性状研究

用解析方法研究了管桩在轴向力和水平向力（倾斜力）联合作用下的受力及变形性状。在高层建筑、桥梁工程、海洋工程、新型海堤护岸等工程中桩基自由长度上作用土压力、风荷载、波浪荷载等荷载型式,基桩经常在竖向、水平向荷载同时作用下工作。国内外学者通过大量试验和理论研究得出了计算竖向、水平向荷载下基桩内力和挠度的半经验公式以及张氏法公式。为了分析竖向、水平向荷载同时作用下自由荷载的作用,在现行m法假设的基础上,从弹性桩的挠曲微分方程出发,导出了任意自由荷载作用下桩任意截面的水平变位、倾角、弯矩、剪力和地基反力计算表达式。桩的挠曲微分方程是分段函数,包括地上部分和地下部分桩,相应的内力和变位求解也分为两段。最后通过一个算例分析了桩顶竖向荷载、桩顶水平力和自由荷载对桩身的受力性状各参数的影响。计算结果表明, 桩顶水平力对桩身最大弯矩和桩顶水平变位的影响最大,而桩周内外摩阻力及桩身自重对桩身受力性状影响较小。     

用有限单元法分析超长单桩的荷载传递

用描述桩侧摩阻力与桩-土相对位移关系的指数函数,推导出桩-土接触面本构模型,并设置了Goodman接触面单元来分析桩土相互作用。针对超长桩钢筋混凝土受应力大的特点,用混凝土的弹性非线性模型来分析受轴向荷载下钢筋混凝土的应力应变关系。编制的有限元程序能解决层状土及层状土导致沿桩身不同位置处桩-土相互作用不同特性,并针对工程实例桩变截面的特点,采用合理的计算手段使得按等截面桩计算分析结果与按实际变截面桩计算分析结果相同。用此程序对一工程实例进行了计算分析,计算结果与静载试验实测值较符合。     

PCC桩低应变检测中的三维效应

分析了低应变检测对PCC大直径薄壁混凝土管桩的适用性。对低应变中受瞬间冲击荷载作用的完整和缺陷PCC桩的动力响应进行了一维及三维有限元模拟,详细研究了PCC桩低应变检测中的三维效应。研究结果表明：除了一维应力波理论中的纵向振动外,PCC桩顶所测的动力响应中还包含弯曲振动以及波在桩顶表面传播和内外边界上的反射的影响。在研究结果的基础上,对PCC桩低应变检测试验中激振点和测点的最佳位置和如何合理分析试验结果给出了建议。