等截面桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析研究

建立了等截面桩与扩底桩的抗拔分析模型。采用直接约束处理的接触算法与库仑摩擦模型来模拟桩-土界面,土体选用抛物线型Mohr-Coulomb本构模型。通过程序的二次开发,实现初始应力场的合理计算,并采用位移边界对扩底抗拔桩的上拔过程进行动态的非线性有限元模拟。以现场足尺试验中的试桩为数值分析对象,通过调整计算参数使计算得到荷载-位移关系曲线与试验结果接近,来验证数值模型的正确性并确定计算参数。在此基础上,研究了上拔过程中轴力、侧摩阻力的大小与分布、桩身与扩大头附近土体变形与塑性区的发展规律。数值分析加深了对扩底桩抗拔承载特性的进一步认识。     

软土地基中扩底抗拔中长桩的极限承载力分析

扩底抗拔桩的研究和应用以短桩居多,并且大都以砂土或软岩为持力层,对于软土地基中扩底抗拔桩的承载力研究较少。基于扩大头局部剪切滑移面假设的极限平衡法,推导出扩底抗拔中长桩在分层地基中极限承载力的简化计算公式;结合有关工程实例的原位试桩结果,对扩大头影响高度进行了确定,同时还探讨了所提出方法在超长桩中的适用性。研究结果表明,提出的简化分析方法能合理地揭示上海软土地区扩底抗拔中长桩的破坏机制,并获得承载力变化的一般规律。     

扩底抗拔桩在天津于家堡南北地下车库中的应用

于家堡金融起步区充分利用地下空间实现交通、商业功能的提升,由于地下结构埋置深、地下水埋深浅,地下工程抗浮问题十分突出。在建的南北车库为纯地下结构,单层面积达3×104m2,埋置深度达16 m。开展了扩底抗拔桩与桩侧后注浆抗拔桩两种新型抗拔桩的现场足尺试验,试验结果表明,两种新型抗拔桩皆适用可行,抗拔承载力较常规等截面桩大幅提高,且本扩底抗拔桩试桩的极限承载力与变形控制皆优于桩侧后注浆抗拔桩。本工程选择了扩底抗拔桩并采用可视化全液压扩底施工工艺,新型抗拔桩大幅减短桩长,节约大量材料并减少泥浆排放,经济社会效益显著。扩底抗拔桩的成功应用为其在该地区的推广奠定了基础,具有较高的工程示范价值。     

基于极限承载力试验的扩底抗拔桩承载特性数值模拟分析

基于天津于家堡南地下车库工程扩底桩抗拔极限承载力试验,结合数值模拟手段对扩底桩抗拔承载特性、破坏模式和受力机制开展了分析研究。计算分析表明,扩底桩（有效桩长19 m）相比等截面桩抗拔极限承载力提高约50%,材料增加仅8.5%,扩底桩扩大头周边土体提供的抗力显著提高了抗拔承载力;荷载较小时抗拔力主要由等截面段侧摩阻力提供,扩头段抗拔力占桩顶加载的比值随加载近似呈线性增加;扩底桩等截面段沿桩土界面先发生剪切破坏,扩头段周边土体后发生受压破坏,抗拔承载力达到极限;扩头段位于同一土层时,不同桩长扩头段提供的极限抗拔力相差不大,桩长越长,扩头段抗拔力贡献率越低;扩头段抗拔力主要由自重、扩头段法向力竖向分力和侧摩阻力组成,其中法向力竖向分量提供了扩头段的主要抗拔力,占扩头段总抗拔力约70%。     

扩底桩的上拔试验及其颗粒流数值模拟

通过原型试验和应用颗粒流理论及其PFC2D程序数值模拟,研究了黄土中扩底桩承受上拔荷载的宏观力学性能及其细观结构,以及扩底桩在上拔荷载下的位移、极限上拔承载力和破坏机理.结果表明增加扩底桩扩大端的高度对提高承载力是有效的;破坏机理为土的减压软化和损伤软化的渐进性破坏.并提出了扩底桩极限上拔承载力计算式,计算值与实测值相吻合.应用颗粒流理论分析了颗粒细观结构、受影响区域、扩底桩的上拔位移和土中滑裂面.颗粒流模拟的土中滑裂面、荷载与位移关系和宏观试验实测结果相一致.     

抗拔桩极限平衡方程及其应用

将抗拔桩侧阻力分解为与桩侧正压力不相关的桩-土黏结强度 、与桩侧有效正压力成正比的摩擦力 两部分,采用摩擦定律计算摩擦力 。基于轴对称条件,假定土体为半无限弹性体,以Mindlin公式积分计算分析极限平衡状态下桩-土共同作用,依据平面应变条件下柱状孔扩张的弹性力学解建立桩-土界面位移协调方程,推导出抗拔桩极限平衡方程,给出了求解方法及计算参数确定方法。该方程能反映桩与土的材料特性、桩体尺寸、桩顶埋深、群桩效应、卸荷效应等多因素对抗拔桩极限承载力的影响。结合海上风电大直径超长抗拔钢管桩足尺试验进行验证。对比分析结果表明,该方法计算的抗拔极限承载力与实测值接近,计算精度远高于现行规范推荐方法,其结果可为工程应用及抗拔桩承载力机制研究提供参考。     

软土地区超长抗拔桩成桩选型研究

对软土地区长抗拔桩中常用的常规直桩、扩底桩、注浆直桩的承载力性状进行了比较分析,研究了不同桩型的荷载传递规律和承载力提高机理,并引出其荷载一位移的理论计算公式,认为抗拔桩存在“有效桩长”。通过对某沿海城市不同超长抗拔桩的现场抗拔试验,分析比较了各种桩型在30mm上拔位移控制值下的单桩承载力和桩侧摩阻力分布规律,认为超过“有效桩长”的设计是不经济的,注浆直桩可以提高安全系数,宜优先选用注浆直桩。     

下部扩大段复合桩抗拔承载力设计方法与试验研究

下部扩大段复合桩是一种新型抗拔桩,采用理论分析与现场试验相结合的方法,分析了下部扩大段复合桩抗拔作用机制,提出了该桩型单桩抗拔承载力理论模型及计算参数。结果表明：在一定上覆土层厚度条件下,下部扩大段桩侧阻力受到上端阻力作用的影响得到增强,试验条件下采用经验参数法进行计算时的发挥系数可达1.6;上部非扩大段抗拔承载力受到扩大段上端阻力的影响得到减弱,发挥度有所降低;上部非扩大段桩径相对扩大段较小时,仅可考虑扩大段桩侧阻力和上端阻力进行下部扩大复合桩抗拔承载力计算;通过与试验对比,验证了模型和理论方法的可靠性、实用性。该研究成果可供工程设计参考。     

土岩组合岩体中抗拔桩极限承载力的确定

为全面探究土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力,结合工程岩土参数及试验数据,运用Flac3D数值分析软件对其进行数值模拟分析,即可得到土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力。基于被动状态下的Kotter极限平衡方程式求解土层提供的抗拔力,根据岩石强度,基于Hoek-Brown破坏准则求解抗拔桩嵌岩端岩体的抗拉强度,从而可计算得到嵌岩端岩体的抗拔力;由静力平衡原理,叠加土层及嵌岩端岩体提供的抗拔力及破坏锥体重量,即可得到土岩组合岩体中嵌岩抗拔桩的极限承载力理论解析式。在嵌岩深度较小的情况下,该解析式的理论计算值与数值模拟分析值相接近,但随着嵌岩深度的增加,理论计算值会偏离数值计算值。故结合数值模拟试验值,对提出的极限承载力理论解析式作进一步的修正,得到修正后的极限承载力解析式能反映嵌岩端岩石风化程度、嵌岩深度、土层厚度、桩长对极限承载力的影响。运用修正后的解析式对该地质条件下不同抗拔桩的极限承载力计算表明：数值模拟结果与理论计算结果相吻合,说明所建立的抗拔桩极限承载力解析式的方法是可行的。同时,运用该方法可确定类似工程中嵌岩抗拔桩的极限承载力。     

季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

桩-土界面特性对砂土地基中抗拔桩承载特性影响的模型试验研究

针对砂土地基中不同L/d的抗拔桩进行了模型试验,模型桩采用了3种不同界面,结合界面剪切试验探讨了桩-土界面特性对抗拔桩荷载-位移曲线、极限承载力及残余承载力的影响,得到了以下几点结论：模型桩长径比L/d不同时,每种界面抗拔桩荷载-位移曲线是类似的,光滑钢桩上拔力达极限承载力后保持不变,粗糙界面模型桩上拔力达极限承载力后降低,直至达残余承载力;抗拔桩达极限承载力时的静止土压力系数K受桩-土界面粗糙程度的影响,界面越粗糙,K值越大;界面越粗糙,抗拔桩残余承载力与极限承载力的比值越小,该比值随L/d的变化较小;对于粗糙界面抗拔桩,残余承载力与极限承载力的差别一部分是由于桩-土界面摩擦角的降低引起的,另一部分是抗拔桩达到极限承载力后作用在桩表面上的水平土压力降低引起的。     

多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究

为研究多年冻土区桥梁及建筑物桩基抗冻拔的能力和变形性质,结合青藏铁路试验段工程,对青藏高原高温细颗粒多年冻土区钻孔灌注扩底桩和直孔桩现场抗拔力试验进行了研究,得到了两种桩型在同一地质和地温条件下的抗拔承载力及变形的试验结果。依据地温测试资料的分析,给出了桩-土体系回冻时间及地温变化特征。研究成果可为类似条件下抗冻拔桩基础设计与施工提供参考。     

砂土中单桩抗拔极限承载力的计算

桩侧极限摩阻力是砂土中单桩抗拔极限承载力的主要组成部分,作为计算桩侧极限摩阻力的关键参数--土侧压力系数K的取值合理与否直接影响到单桩抗拔极限承载力计算的准确度。首先,基于密砂和松砂中的桩在上拔破坏时桩侧土压力分别呈被动和主动状态,同时考虑桩侧摩阻力和桩身表面粗糙度的影响,分别推导了不同相对密实度砂土中的土侧压力系数。然后,利用所得到的土侧压力系数并考虑桩侧单位摩阻力发挥的临界深度,按沿桩-土界面发生圆柱状剪切破坏模式建立了砂土中单桩抗拔极限承载力的计算方法。最后,利用该方法对已有的抗拔桩试验结果进行分析和比较,结果表明计算值与实测值吻合较好。     

扩底抗拔桩桩端阻力的群桩效应研究

通过颗粒流数值模拟,从桩端阻力随上拔位移的发展与桩端周围土体颗粒位移表现等角度,研究了扩底抗拔桩端阻力的群桩效应问题。研究比较了单桩（墩）与群桩（墩）的抗拔性状以及不同墩距下中心墩与边墩阻力随上拔位移发展的情况。研究表明,在归一化上拔量 0.1时,单桩（墩）与群桩（墩）的上拔特性无明显差别;此后,随着上拔位移的发展,单桩（墩）的上拔端阻力要大于群桩中的桩（墩）的端阻力,桩（墩）周围土体颗粒的相互影响开始显现。在归一化上拔量 0.5的情况下,群桩（墩）中中心桩（墩）的端阻力要略大于边桩（墩）。在归一化上拔量 0.5的情况下,群桩中边桩的桩端阻力较中心桩的要大,而群墩中边墩的墩端阻力较中心墩要小,体现了桩身侧限对抗拔桩群中端阻力发挥的影响。随着墩距的增大,在较大的位移量以后群墩才与单墩的受力有显著差别。