复合加载条件下沉箱基础稳定性的三维效应

联合采用swipe加载模式与固定位移比加载模式,对于吸力式沉箱基础在水平荷载H与力矩M的复合加载条件下的稳定性进行比较系统的三维有限元分析,主要探讨了基础埋深与直径之比、地基土不排水强度的非均质性对于基础在H-M荷载空间内的破坏包络轨迹的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制,并与平面应变假定下得到的结果进行了比较。计算结果表明：平面应变与三维情况下基础的破坏包络面形状有较大差异,分析基础稳定性时,必须考虑其三维效应。在三维情况下,非均质土中埋深与直径之比较小的基础的破坏包络面仍然会向负方向倾斜,已有的包络面方程明显高估这种情况下沉箱基础在正向水平荷载与力矩联合作用下的承载力,从而导致基础设计偏于不安全。     

软土中吸力式桶形基础倾覆承载性能离心模型试验

输电杆塔和风电机组基础主要承受上部结构倾覆弯矩荷载,倾覆承载性能是该类基础设计中的关键问题。针对饱和软黏土地基中的杆式结构桶形基础,通过开展位移控制循环加载、位移维持加载、力控制循环加载和单调静力加载离心模型试验,研究其倾覆承载能力。试验发现,当桶形基础达到极限承载力时其转动中心位置约在桶盖正下方0.8倍桶裙高度处;当循环倾覆弯矩幅值与极限抗弯承载力比值小于3/5时,桶形基础在循环过程中转角的累积难以持续增长,并逐渐趋于稳定;循环加载作用下土与结构相互作用刚度出现明显弱化,所获得的桶形基础循环弱化因子阈值约为0.15;位移维持加载的峰值荷载-位移曲线与单调静力加载的荷载-位移曲线较为一致,位移维持加载的谷值荷载-位移曲线对应的承载力较峰值荷载-位移曲线对应的承载力明显偏小,减少约30%～40%。     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。     

Experimental research on horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundationEI北大核心CSCD

In this study, four groups of different types of bridge foundation model are tested to research the horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundation in lab based on the Qiongzhou Strait bridge project. The Q-s curve and horizontal ultimate bearing capacity of these four groups of foundations in sandy soil layer are obtained. Pile bending moment and shear force of pile shaft are analyzed in detail. At the same time, the load sharing ratio of caisson and piles is discussed. The results show that the horizontal ultimate bearing capacities of a single caisson foundation are increased by 1.2 times, 1.6 times and 2 times respectively with adding skirts, steel pipe pile, or steel pipe pile and the skirt. The maximum bending moment point is in the middle of the pile shaft, i.e. at about 0.5 m under the mud surface. The horizontal load is borne mainly by the upper caisson foundation and soil layers above the middle upper part of pile. The maximum shear force is found at the joint of pile top of steel pipe and caisson pile, where the reinforcement measures should be taken in practical engineering. The research achievements could provide a better reference for design or construction of caisson-pile composite foundation.     

黏土中桶式基础的宏单元模拟

本研究旨在对黏土中的桶式基础进行从完整的有限元分析到简化的宏单元的建模。首先通过有限元方法分析了在不同单调组合荷载作用下的黏土中吸力桶基础。为保证模拟结果的可靠性,采用了硬化土模型（HS）对正常固结黏土地基进行模拟。通过对比离心试验验证了使用HS模型的有限元分析的有效性,并通过径向位移试验进一步延伸到V-H-M（竖向力-水平力-弯矩）空间的破坏模式研究,并在此基础上,提出了的V-H-M空间三维破坏包络面公式。接着,应用此三维破坏包络面公式,采用亚塑性框架提出了黏土中桶式基础的宏单元设计模型。通过与试验结果的比较,验证了宏单元模型在模拟单调和循环荷载条件下桶式基础的强度与变形响应的有效性。所提的宏单元模型对于海洋岩土工程设计实践将很有帮助。     

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。     

超大沉井基础取土下沉刃脚土压力变化规律研究

依托常泰长江大桥主塔沉井基础工程,采用三维有限元方法,模拟了大型沉井首次取土下沉阶段刃脚土压力的变化过程,并结合现场刃脚土压力实测数据,分析了沉井下沉工序对刃脚土压力分布的影响以及取土过程中刃脚土压力的变化规律。现场监测结果表明：刃脚实际土压力变化规律基本上佐证了数值模拟结果。井孔内取土导致取土区域沉井刃脚处土压力下降,取土区域刃脚土压力随取土厚度的增大而逐渐降低,土体压应力转移至尚未取土区域的刃脚处。在由内井孔向外井孔区域取土的过程中,刃脚土压力向外井孔刃脚区域转移,导致外井壁和外隔墙区域刃脚土压力逐渐增大,直至达到其极限承载力,外井壁区域土体进入塑性状态,沉井出现明显下沉。给出的沉井刃脚处土压力的变化规律可为同类大型沉井可控下沉提供指导。     

吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

输电线路掏挖基础极限上拔承载力变分解法

针对输电线路掏挖基础极限上拔承载力问题,根据塑性极限平衡原理,假设基础周围土体发生整体剪切破坏并服从Mohr-Coulomb破坏准则,建立静力学平衡方程式,并结合变分法原理求解不同加载条件下基础的极限抗拔力。通过变参数计算,分析土体强度及基础埋深比对中心上拔、偏心上拔及倾斜上拔时基础极限上拔力的影响。经归一化处理,分别给出水平力和弯矩存在对基础抗拔力折减的影响系数。当归一化弯矩与上拔力比值Nm 0.4时,? m减小速度放缓。相对于内摩擦角,黏聚力变化对? m的影响更明显。水平力影响系数? h同时受到土体内摩擦角、黏聚力以及基础埋深比的共同影响,规范建议值较变分解法的计算结果偏大。通过与规范公式法计算结果及试验结果进行对比,验证了所提方法的合理性和准确性。研究结果为偏心上拔及高露头基础顶部作用水平荷载时基础抗拔承载力的计算提供参考。     

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。     

砂土中吸力式沉箱基础的最佳荷载作用点位置模型试验研究

通过一系列模型试验研究了倾斜荷载作用下吸力式沉箱基础的最佳作用点位置,试验中考虑了荷载作用点、荷载作用角度和长径比3个重要因素。基于模型试验得到的荷载-位移曲线,采用合适的破坏标准确定了各工况下吸力式沉箱基础的抗拔承载力,根据承载力的变化规律分析确定了吸力式沉箱基础的最佳作用点位置。结果表明,荷载作用角度对吸力式沉箱基础承载力的影响显著,当荷载水平作用于基础时,其承载力最大。荷载作用点位置对吸力式沉箱基础承载力的影响取决于荷载作用角度的大小,当荷载作用角度较小时,荷载作用点位置的影响显著,且最佳作用点位置位于沉箱高度的2/3～3/4处;当荷载作用角度较大时,荷载作用点位置的影响很小,可以忽略。结合荷载与吸力式沉箱基础的转角关系,分析了荷载水平作用于最佳作用点下吸力式沉箱基础的破坏模式。     

Combined loading of caisson foundations in cohesive soil: Finite element versus Winkler modeling

The undrained response of massive caisson foundations to combined horizontal, vertical and moment loading is parametrically investigated through a series of 3D finite element analyses. The parameters are: (a) the embedment ratio (D/B), (b) the factor of safety against initial vertical loading (FS_V) and (c) the ratio of the overturning moment to the horizontal force applied at the top of the caisson (M/Q). Emphasis is given on: (i) the identification of all possible failure mechanisms in M–Q–N space, (ii) the developed stress distributions along the caisson walls for various load levels up to complete failure conditions. The results are then used as a feedback for calibrating the parameters of a generalized four-type spring model, originally proposed by Gerolymos and Gazetas (2006), through a genetic algorithm-based optimization procedure. The predictions of the Winkler model compare very well with the FE results, not only at the local response level (in terms of stress distributions along the caisson shafts), but at a global response level (in terms of force–displacement curves and M–Q–N failure envelopes at the top of the caisson) as well. Contrary to established lateral soil resistance theories, it is shown that both the ultimate horizontal soil reaction and resisting moment per unit depth do not solely depend on the strength properties of soil and geometry of the caisson but are also functions of the applied load ratio M/Q and initial soil yielding due to vertical loading. Interesting conclusions are also drawn regarding the transition from the elastic to the ultimate limit state (hardening). Quantifying through analytical expressions the contribution of each of the two basic lateral resisting mechanisms to the response of the caisson, a classification method for embedded foundations is then proposed. The capabilities of the Winkler model are further demonstrated through comparison with FE analysis of the caisson cyclic lateral response.     

力矩与水平荷载联合作用下裙板式基础破坏包络面研究

联合采用swipe加载模式、固定位移比与固定荷载比加载模式,对于裙板式浅基础在水平荷载与力矩荷载的复合加载条件下的承载性能进行比较系统的平面应变有限元分析,主要探讨了裙板式基础埋深、地基土不排水强度的非均质性对于基础破坏包络面的影响,揭示了地基在水平和力矩荷载的不同组合条件下的失稳破坏机制。同时,对于两种swipe加载模式的有效性进行了比较。计算结果表明：对于非均质土,当裙板式基础埋深与宽度之比大于0.3时,破坏包络面产生正方向倾斜;当埋深与宽度之比小于0.3时,基础的破坏包络面出现负方向倾斜。而在均质土中,基础的破坏包络面没有出现负方向倾斜。     

微型桩组合结构模型抗滑机制试验研究

对以空间桁架微型桩体系的组合结构采用了分级加载的方法,通过新的地质力学模型试验,研究滑坡推力引起的微型桩体系内力变化规律,并根据试验方法和空间桁架微型桩体系中各排桩的受力状态,导出了分级加载条件下受横向约束的弹性地基梁的结构分析解。试验结果表明,在碎石土地质条件下,连系梁可以有效限制微型桩顶位移,并减小桩身弯矩,滑体中桩前土压力分布相对较为均匀,各排微型桩桩体的弯矩大小分布比较接近,最大弯矩位于滑面处;基于受到横向约束的弹性地基梁的结构分析解,可以较好地描述空间桁架式微型桩在分级加载后的内力变化及其分布规律。研究结果对正确分析微型桩的抗滑机制和微型桩抗滑设计具有较好的参考价值。     

吸力基础抗拔与拔出机理的研究进展

吸力基础具有施工方便、可回收利用及造价低等优点，在海洋平台及海上风电工程中得到了成功应用。吸力基础用于系泊深海浮动式平台时，抗拔承载特性是工程设计的重要因素。海上风电场面临着服役期满后的升级改造问题，需采用更大功率的发电设备，风机叶片直径、塔架高度随之增加，原基础难以满足新的设计要求，从可持续发展角度，塔架基础的拔出、回收等方面正逐渐引起人们的高度重视。本文介绍了吸力基础抗拔、拔出特性方面取得的研究成果，阐述了影响基础抗拔和拔出特性的因素，阐明了吸力基础拔出的力学机制与作用机理。通过文献调研推断:注水拔出吸力基础，砂土会发生渗流破坏，黏土会产生劈裂破坏，会导致基础无法继续上拔，应结合拉力上拔或振动法对基础进行回收。     

复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究

海上风力发电机属于高耸结构物,其地基基础不仅要承受上部结构传递的竖向荷载V、水平荷载H,更要抵抗巨大的弯矩荷载M。单桩复合筒型基础是新型的海上风力发电机基础型式,建立复合加载模式下单桩复合筒型基础地基的破坏包络线,并据此评价其稳定性是地基基础设计的重要手段。在Swipe加载方法和固定位移比加载方法的基础上,通过数值分析研究了不排水饱和软黏土中单桩复合筒型基础在V-H、V-M、H-M和V-H-M加载模式下的地基承载力包络线,开展了室内模型试验,验证了数值分析结果的可靠性。研究表明,V-H和V-M加载模式下地基承载力包络线具有对称性,而H-M加载模式下呈非对称性;V-H-M加载模式下地基承载力包络线的形状受弯矩荷载M的影响显著,表现为随着弯矩荷载的增加,V-H平面内的破坏包络线逐渐缩小。实际工程中,可根据受力状态与破坏包络面的相对关系,评价单桩复合筒型基础的稳定性。     

风积沙地基装配式偏心基础抗拔试验研究

在毛乌素沙漠中开展装配式偏心基础在上拔、上拔+水平力组合荷载作用下的现场试验研究。根据试验加载过程中监测的基础顶部位移、地表竖向位移及基础底板土压力数据,分析基础顶部的荷载-位移特性,研究装配式偏心基础的抗拔承载机制。结果表明,（1）在上拔、上拔和水平力组合作用下,基础顶部上拔和水平位移曲线均呈二阶段的承载特性;（2）当仅受上拔荷载作用时,基础偏心引起的附加弯矩,使得基础底板产生偏转,基础及底板上覆部分沙土自重抵抗上拔荷载,而在上拔和水平力组合荷载工况下,基础偏心引起的附加弯矩小,与上拔荷载工况相比,基础极限抗拔承载力提高8.7％,即在组合荷载工况下装配式偏心基础能够发挥更多的沙土来抵抗上拔荷载;（3）根据装配式偏心基础的抗拔承载机制,引入外荷载合力作用线与支架作用线之间的夹角δ来反映水平荷载对装配式基础抗拔破坏因子的影响,其影响规律为装配式基础的抗拔破坏因子随δ增加而降低。     

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。     

Bearing strength surface for bridge caisson foundations in frictional soil under combined loading

The problem of estimating the bearing capacity of massive caisson foundations in frictional soil under combined vertical (N), horizontal (Q) and moment (M) loading is examined numerically by means of three-dimensional finite element analyses. The analysis is performed with due consideration to the foundation’s depth-to-width ratio (D/B), the magnitude of the vertical load and the caisson-soil contact interface conditions. The constitutive law for soil behavior is appropriately validated against experimental results from 1-g small-scale tests, available in the literature. The ultimate limit states are presented in the form of a bearing strength surface in dimensionless and normalized form, while detailed discussion is provided on the physical and geometrical interpretation of the kinematic mechanisms that accompany failure. A generalized closed-form expression for the failure envelope in M–Q–N space is then fitted to the numerical results with use of an appropriately trained artificial neural network. An upper-bound limit equilibrium solution for a certain failure mechanism (designated as the “sliding” mechanism) associated with maximum horizontal bearing capacity is also developed for verification purposes. One of the originalities of the paper lies with respect to the post-failure response of the caissons, where it is shown that the incremental displacement vector is accurately reproduced by assuming normality on the bearing strength surface irrespective of the considered plastic flow rule (associative or non-associative) at the microscale (soil element).     

高速铁路CFG桩复合地基柔性载荷试验研究

高速铁路建设的迅速发展及高速铁路对路基沉降的严格要求,CFG桩在高速铁路路基的处理上得到大量运用。但铁路工程对路基的作用原理与工民建工程对地基的作用原理有本质的区别,工民建房屋建筑荷载通过基础对地基施加刚性荷载,而铁路路基直接承受上部路堤的自重和列车运行产生的柔性荷载。高速铁路CFG桩复合地基的设计都是根据工民建行业的设计理论进行,其试验结果必然与实际情况存在偏差。本文着手研究适合于高速铁路复合地基的柔性载荷试验方法,模拟高速铁路柔性加载的特性,通过数值分析对比了刚性荷载和柔性载荷作用下CFG桩复合地基的桩、土应力、位移分布情况;通过现场载荷试验对设计方案进行了验证,研究了高速铁路CFG桩复合地基的承载力特性,结果证明柔性载荷试验是可行的,能合理的模拟高速铁路CFG桩复合地基承载特性,可为柔性基础下CFG桩复合地基的设计提供基础。