均质砂土中水平简谐荷载与扭矩联合受荷单桩内力、位移分析

为探讨均质砂土地基中桩顶水平简谐荷载H(t)与扭矩T联合作用下的单桩承载特性,基于改进的有限杆单元法,考虑桩周土的刚度贡献及H(t)-T的耦合作用,建立出桩身综合刚度矩阵,再利用MATLAB求解桩身的内力、位移,进而通过参数分析获得桩身长径比(L/D)、桩土刚度比(E_p/E_s)、H(t)的无量纲频率a_0与幅值Q_0以及桩底边界条件等对H(t)-T联合受荷桩内力、位移的影响曲线,研究表明:随入土深度增加,桩身弯矩先增大后急剧减小,而扭矩和变形急剧减小直至为0,即存在一有效桩长l_d,l_d与桩身内力、位移受E_p/E_s的影响较大。当E_p/E_s从1500增至3 500时,l_d从27.3D增至44.1D,且桩身弯矩最大值相对增大23.5%,而地面处桩身水平位移与扭转角分别减小19.0%及26.0%;减小H(t)的无量纲频率a_0或增大幅值Q_0均可适当提高桩身受扭承载力;桩底边界条件只对有限长桩的内力、位移有影响。     

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)。     

剪力键支护体系的构想及模型试验研究

针对深大基坑支护工程中存在的问题提出了一种新型的支护形式-剪力键支护体系,由竖直桩和斜向支撑的剪力键构成。通过模型试验,对剪力键组和单排悬臂桩组分别量测了不同开挖深度时的桩顶水平位移及桩身内力,同时进行了有限元的数值模拟。结果表明剪力键组的桩顶最大水平位移约为悬臂组的1/10,桩身最大弯矩值约为悬臂组的一半左右。剪力键支护体系具有更大的刚度,能够有效减小桩顶位移及桩身最大弯矩,且耗材相对较少,支护深度较大,占据空间较少,不影响主体地下室施工,可节约工期和成本,为深大基坑的支护提供了新的型式。     

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。     

地面超载条件下土体侧移模式及对邻近桩基影响分析

建立了三维数值模型,进行堆载-弹塑性地基-桩基共同作用有限元数值分析。在地面超载条件下,对自由场土体的侧向位移模式进行了探讨,得出了土体侧向变形规律。在此基础上,对堆载作用下邻近桩基的力学性状进行了分析,包括不同堆载大小、不同堆载距离和不同桩间距等情况下桩基的侧向变形和弯矩的变化规律。分析结果表明：随着堆载的增加,桩基的变形和弯矩都有显著的增长,桩基逐渐弯曲。在同样条件下,增加桩的刚度,桩身弯矩迅速减小,桩身刚度很大时,会发生整体侧移。桩间距和堆载距离对桩身弯矩和变形有重要影响,随着桩间距和堆载距离的增大,桩身的变形和弯矩都将减小。     

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...     

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。     

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。     

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。     

基桩水平静载试验及内力和变形分析

桩基作为一种重要的基础形式,在岩土工程中应用广泛,对于安全等级要求较高的重大工程项目,往往需要通过原位水平静载试验确定基桩的水平承载力,分析桩身的内力及变形。结合实际工程详细地介绍了利用钢筋计测试水平荷载作用下桩身弯矩、挠度和转角分布的方法,根据桩顶位移和钢筋内力测试结果判定试验桩的水平临界荷载为120 kN;根据钢筋计测试结果可知,在水平荷载作用下,桩身最大弯矩截面位于在地面以下2～3 m处,且随着荷载的增大最大弯矩截面逐渐向深部转移;发生弯曲变形的部分主要是桩长1/3以上的桩体,而其下的桩体几乎不发生变形。     

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。     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

基于有限差分法的抗滑桩计算机辅助设计

基于地基系数“m-m”法、“m-k”法、“k-k”法的原理,考虑桩顶和桩底边界条件以及桩在滑动面处位移、转角、弯矩和剪力的连续条件,可解得桩身各节点的位移和内力,提出了进行抗滑桩全桩内力计算的有限差分法。根据差分方程并用VB6.0编制了实用的计算程序,既可避免繁琐的查表计算,提高计算速度,又可提高计算精度,直观生动,真正实现了人机交互,在界面的引导下,设计人员可完成全部计算,并绘出内力图形和抗滑桩截面配筋图,使设计更方便快捷,该软件可以极大地提高生产效率,降低工程造价,从而实现抗滑桩的优化设计。最后采用上述方法对某滑坡的悬臂抗滑桩进行了设计与计算。     

基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析

基坑开挖时尤为关注的问题是土体侧向移动对邻近桩基的不利影响,土体的侧向移动使邻近桩基产生侧向位移和附加应力及弯矩,甚至可能使上部建筑物功能失效。采用土工有限元软件Plaxis 8.2对内支撑排桩支护基坑开挖过程进行数值模拟,分析了基坑开挖时对邻近桩基的各种影响因素,包括单排桩、双排桩在不同开挖深度、支护桩的刚度、桩基刚度、桩基距基坑开挖面距离、桩身的约束和桩长条件下桩身水平位移和弯矩的变化特性。     

饱和土中单桩水平瞬态响应研究

基于Biot动力固结方程,应用Novak薄层方法研究了饱和土中单桩在水平冲击荷载作用下的动力响应问题。首先引入势函数对方程解耦,再通过算子分解和分离变量法,结合初始边界条件,并联立桩基振动微分方程,推导了Laplace变换域内桩身位移函数及内力表达式。采用Laplace逆变换的优化模型求得了时域内瞬态响应的封闭解。将该解退化到单相介质条件下的桩顶位移-时间曲线与已有的边界元方法的结果基本吻合,验证了解答的正确性。参数分析结果表明：桩-土模量比、长径比、渗透系数对桩身位移均影响显著,而同条件下长径比超过一特定值后则影响较小,且桩土模量比是影响桩身弯矩大小及其分布的重要参数。     

锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性模型试验与数值模拟研究

为研究锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性及其联合抗滑机制,开展了分级推力荷载作用下锚索抗滑桩加固滑坡的室内物理模型试验,分析了模型滑坡从加载到破坏过程中桩顶位移、桩身前后土压力、桩身弯矩、锚索轴力和滑体深部水平位移的变化规律。并采用数值模拟进行对比分析,两者所得结果吻合较好。结果表明:(1)桩顶位移、桩身弯矩及锚索轴力随推力荷载的变化曲线均呈现明显的三阶段特征,对应的桩-锚荷载分担比呈先增大、后减小和最后趋于稳定的规律。(2)桩前滑体抗力呈抛物线型分布,且抗力值较小;桩后滑体推力呈上大下小的抛物线型分布,合力作用点约位于滑面以上0.5h_1处(h_1为受荷段长度)。(3)桩身最大弯矩点始终位于滑面以下2 cm处,表明桩前滑床并未发生破坏。(4)由桩身实测弯矩计算得到的桩身荷载分布表明,桩体抗力主要由桩前滑面以下滑床提供,且呈倒三角形分布。(5)锚索的设置能够有效限制桩身变形,同时在工程中更应该注意锚索失效问题。该研究成果可为堆积型滑坡治理中锚索抗滑桩的合理设计提供试验基础。     

新桩贯入对邻近再利用既有桩的影响

采用理论分析的方法,首先基于半无限土体中改进的球孔扩张理论,求解新桩沉桩挤土效应引起的土体位移场。然后将其作为已知条件施加于邻近既有桩,分析既有桩变形和内力变化规律,探讨既有桩桩端约束条件、桩身刚度及土体模量对既有桩响应的影响;同时结合数值分析,对本文理论方法进行验证。最后分析了新旧桩之间距离和新桩半径对挤土效应引起的既有桩变形和内力的影响。结果表明：桩端约束形式仅影响桩端附近桩身变形;随着新旧桩之间距离的增加,既有桩变形和内力显著减小;随着桩径的增加,既有桩变形和内力均逐渐增大。最后提出采用远离既有桩和采用长细桩的措施来降低新桩施工对既有桩的影响。     

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。     

均质土中竖向受荷X形混凝土桩的三维弹性变分解

现浇X形混凝土桩(简称XCC桩)是一种典型的横截面异形桩,其受力特性不同于常规圆形桩,即存在所谓的"异形效应",目前仍缺乏考虑XCC桩-土相互作用更严格的理论分析方法。为研究均质土中竖向受荷XCC单桩异形效应对桩基沉降的影响,基于变分原理导出考虑土体竖向和水平位移的桩-土体系控制方程,并对复杂边界平面内的控制方程进行了保角变换,借助Matlab编写差分程序,获得桩身位移函数、土体竖向和水平位移函数的半解析解。以桩身位移函数为例对差分程序的进行了收敛性验证,将所求桩位移函数与现有理论解对比,结果吻合较好;与ABAQUS有限元结果比较,也具有合理的一致性。最后,对影响桩沉降的主要因素进行了参数分析,同时将XCC桩与等截面圆桩以及等周长圆桩对比,探讨了其异形效应对无量纲化桩体刚度的影响,而后,给出了XCC桩相对于等横截面圆桩无量纲化桩顶刚度增加百分比的拟合公式。     

锚索抗滑桩内力计算的传递矩阵法

为了改进现有锚索抗滑桩计算中存在的不足,将传递矩阵算法应用于锚索抗滑桩结构内力计算。推导了适合抗滑桩计算的场矩阵和点矩阵,能够完成普通抗滑桩、桩顶作用集中荷载以及桩身有多个受力分段的抗滑桩内力计算,再结合具体的不同点矩阵形式,可以完成预应力锚索抗滑桩内力计算。根据预应力锚索抗滑桩的工作原理,给出了不同受力阶段的传递矩阵计算式。最后,通过具体的计算实例对预应力锚索抗滑桩不同受力阶段的内力和位移进行了计算分析,结果表明,在锚索预应力作用下,受荷段出现较大的剪力和弯矩,位移较小;进入变形协调阶段后,滑面处和锚固段的剪力明显增加,锚固段出现较大弯矩,桩顶出现向前的位移。