任意角度水平向荷载下现浇X形桩力学特性研究（I）：惯性矩

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型桩,异形横截面在确保桩周周长的前提下,能有效地减少混凝土用量;但目前针对异形横截面对水平向承载力特性影响方面的研究相对较少。基于X形横截面的3个控制参数：外包圆直径、开弧间距和开弧弧度,建立任意方向轴惯性矩控制方程,并分析X形横截面3个控制参数对截面轴惯性矩的影响规律。最后,提出控制截面面积或周长情况下X形截面惯性矩的最优化设计方案。研究结果表明,X形截面惯性矩随着开弧角度、开弧间距的减小而增大,随着外包圆直径的增大而增大。因此,在等混凝土材料用量或者控制桩周长情况下,适当增大外包圆直径、减小开弧角度和开弧间距有利于提高X形截面轴惯性矩,从而提高X形桩整体水平向承载力。     

刚性荷载下现浇X形桩复合地基极限承载力特性研究

现浇X形桩是通过等截面周边扩大原理,将圆形截面的正拱变为反拱而成的。作为一种新型的异型截面桩,目前对其极限承载力的计算仍采用规范中建议的经验公式。结合南京桥北污水处理厂地基处理工程的现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS,建立刚性荷载下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身模量、桩周土模量、桩长、褥垫层厚度和模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的荷载-沉降关系,从而得出复合地基的极限承载力。结果表明,现浇X形桩单桩复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩单桩复合地基增大20%以上,X形桩4桩梅花形复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩大12.35%。极限承载力随桩身模量、褥垫层模量、桩周土体模量或者桩长的增大而增大,而且在众多影响因素中桩周土体模量对复合地基极限承载力的影响最为明显。     

水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体响应理论分析

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型异形横截面桩,但目前针对异形横截面桩在水平荷载作用下桩周土体力学性状的理论研究相对较少。基于保角变换的方法将X形桩孔映射到单位圆上,采用平面弹性力学的复变函数方法得到X形桩在水平荷载作用下桩周土体应力场与位移场分布的平面应变解。续而,基于文克尔地基模型,把桩周土离散为一系列独立的弹簧模型,弹簧的刚度系数采用平面应变解,然后根据欧拉-伯努利梁的挠曲线微分方程推导得到现浇X形桩在水平荷载作用下桩身的变形和内力的计算方法。通过建立的平面应变解计算普通圆形截面桩,并且与Baguelin推导的圆形截面桩在水平荷载作用下平面应变解进行对比分析,验证所建立理论方法的准确性和可靠性。最后,针对一算例进行分析,并与数值模型计算结果进行对比验证。研究结果表明,该理论方法能够较好地模拟水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体的力学工作性状,尤其是小荷载作用条件下。     

刚性基础下现浇X形桩复合地基桩-土应力比分析

桩土应力比是反映复合地基承载特性的重要参数之一,可反映复合地基的荷载传递和变形机制。做为一种新型桩,目前尚未得出统一的计算X形桩复合地基桩土应力比的公式。沉淀池、滤池等构筑物是典型的具有混凝土底板（刚性基础）的结构,刚性基础下桩复合地基的承载性能有别于柔性基础。故结合南京桥北污水处理厂地基处理工程做现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS建立刚性荷载板下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身弹性模量、桩周土压缩模量、桩长、褥垫层厚度和压缩模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的桩土应力比,结果表明,桩身或褥垫层模量增大、桩周土体模量减小、褥垫层厚度减小、桩长等增加都能使桩土应力比增大;现浇X形桩复合地基桩土应力比理想值为20～25,此时桩身模量取10～20 GPa,碎石褥垫层的厚度为20～40 cm,模量为30～45 MPa。     

现浇X形桩桩-土荷载传递规律现场试验研究

现浇X形混凝土桩（简称X形桩）是为了更好地满足沿海、沿江软土地基处理应用而开发的一种新桩型。该新型桩具有比表面积大、侧向摩阻力高,施工便捷,经济效益高等技术经济优势;但针对其在复合地基中桩-土荷载传递规律特性的研究却相对较少。结合某污水处理厂软基处理工程,开展了X形桩复合地基中桩-土荷载传递规律的现场试验,测得了荷载-沉降关系,桩-土荷载分担比、桩-土应力比,以及桩身轴力等发展情况,分析了不同工况下复合地基中桩-土协调相互作用和中性点位置规律;并将等混凝土用量圆形桩和X形桩的单桩静载荷试验作为对比分析。研究结果表明,本文试验条件下复合地基中X形桩桩侧正、负摩阻力转化发生在0.2倍桩长处,桩侧正摩阻力最大值约为其负摩阻力最大值的140 %;相同桩长情况下桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率随桩间距的增加而减小。     

X形桩桩土相互作用对截面形状的力学响应

现浇X形混凝土桩（简称XCC桩）是一种新型的异形截面桩,其桩土相互作用明显受截面形状的影响。前期已通过平衡分析法推导得到了考虑XCC桩截面形状的单桩荷载传递计算方法,但控制桩土相互作用的一个重要参数即桩土剪切作用系数对截面几何形状的力学响应尚未得到系统的研究。文中分析了桩土剪切作用系数对不同荷载形式下XCC桩3个截面控制参数（外包圆半径R、开弧间距2a、开弧角?X）的影响,并与等截面面积的圆形桩进行了对比。分析结果表明,截面参数变化时,桩土相互作用也随之变化,在截面面积、周长和桩土剪切作用的共同作用下桩身轴力随外包圆半径和开弧角度的增大而减小,随开弧间距的增大而增大,且始终小于等截面面积的圆形桩。     

现浇X形混凝土桩竖向承载性状模型试验研究

为研究现浇X形混凝土桩的荷载沉降特性及其荷载传递机制,利用河海大学的大型试验模型槽开展X形桩的足尺模型静载荷试验。通过在桩身设置的钢筋测力计及在桩底埋设的土压力盒,实测了在竖向荷载作用下X形桩与土相互作用时的工作性状。试验结果表明：X形桩的荷载沉降曲线为缓变型;桩侧摩阻力与桩端阻力随桩顶沉降的增加均呈递增性;但随着桩顶荷载的增加,桩侧摩阻力分担桩顶荷载比例却呈递减性,其分担桩顶荷载比例由初期的约90%下降到极限状态时的70%左右,而桩端阻力分担桩顶荷载的比例呈递增性,其分担桩顶荷载比例由初期的约10%上升到极限状态时30%左右。研究成果可为今后竖向受荷X形桩的设计与研究提供重要参考。     

水平荷载下纵截面异形桩承载特性试验

针对纵截面异形桩（扩底桩和楔形桩）、等混凝土用量常规等直径桩的水平向承载特性进行对比模型试验研究,测得不同水平荷载等级下扩底桩和楔形桩的内力、变形、极限承载力和桩侧土压力分布等变化规律特性;初步探讨3种桩型的水平极限承载特性和桩侧土压力分布规律。考虑纵向截面异形效应,基于水平土抗力与水平位移（p-y）曲线法建立纵截面异形桩水平向承载特性理论计算方法,进一步分析弯矩分布规律,并开展影响因素分析。研究结果表明,在当前试验条件下,等混凝土用量楔形桩的水平向承载力比等直径桩的高,砂性土和黏性土中楔形桩水平向极限承载力约分别为等直径桩的1.25倍和1.33倍。相关研究成果可为今后类似土层下水平受荷纵截面异形桩的设计与计算提供参考依据。     

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。     

不同激振频率下现浇X形桩桩-筏复合地基模型试验研究

基于大比例模型试验,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下X形桩桩-筏复合地基的动力特性模型试验,研究激振频率对X形桩-筏复合地基动力响应的影响。着重分析了不同激振频率引起的X形桩-筏复合地基的速度、动土压力、桩身动应力等,获得了速度响应、桩身动应力随深度的变化规律。结果发现:筏板的速度响应幅值随着激振频率的增加近似呈线性增加;地基表面动土压力和动力荷载放大系数随激振频率的增大而增大,且增幅逐渐加大;桩顶动应力随激振频率的增大而逐渐增大。相关研究成果可为我国高速铁路桩-筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

现浇X形混凝土桩沉桩挤土效应现场试验研究

挤土型桩的挤土效应一直是工程界研究和关注的热点问题之一。结合南京长江四桥北接线段现浇X形桩软基处理工程,首次开展现浇X形混凝土桩（简称X形桩）沉桩过程现场试验,测得不同X形横截面方向、不同距离及深度处的水平位移、侧向土压力以及孔隙水压力的分布规律,研究X形桩挤土效应规律。研究结果表明,最大水平位移发生在桩顶,距离5倍等效桩径处的土体水平位移可以忽略不计;随着桩中心距的增加,挤土压力和孔隙水压力逐渐减小,并且尖角方向的挤土压力大于凹弧方向的挤土压力。现场试验数据为X形桩的布置形式以及桩间距的选择提供有力的设计参考依据。     

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。     

高喷插芯组合桩水平承载特性大尺寸模型试验研究

高喷插芯组合桩（简称JPP桩）是一种适用于软土地基的新型组合桩,能有效提高桩的竖向承载力,并取得了相当规模的应用。为了研究其水平承载特性,利用河海大学岩土所自行研制开发的大型模型槽试验进行水平承载桩静载作用下的大尺寸模型试验。通过与普通圆截面灌注桩、加承台JPP桩的水平承载性能的对比,试验表明,JPP桩水平承载力较普通圆截面灌注桩提高了15%,桩身最大弯矩处在桩顶以下大约2 m处,桩侧土压力主要集中在上部2 m范围内土体。同时,试验表明加了承台后,JPP桩的水平承载能力有了大幅度的提高。利用规范推荐的基于m法的灌注桩水平承载力公式,对JPP的水平承载力进行了计算,结果与试验值基本吻合。其结果可以为类似土层下水平受荷JPP桩的设计与研究提供参考。     

路堤荷载下具盖板的浆固碎石桩桩土应力比研究

桩土应力比是反映复合地基工作状态的重要参数,前人做了较多的理论工作,但理论解通常是在桩顶铺设砂垫层情况下推出的。在路堤荷载下浆固碎石桩复合地基一般在桩顶设置盖板,针对浆固碎石桩复合地基的特殊情况,进行了理论模型简化,并且运用极限平衡理论和弹性理论,推导了设置盖板的浆固碎石桩复合地基在路堤荷载下桩土应力比公式,并通过工程实测资料进行了验证,其结果可为浆固碎石桩复合地基的优化设计提供参考。     

带帽PTC管桩复合地基荷载传递试验研究

根据控制沉降设计理论,采用疏化桩间距的方法,在某公路深厚软基处理中设计并采用了带帽PTC（预应力薄壁混泥凝土）管桩。为了了解路堤下带帽PTC型刚性桩复合地基作用机理,更好地研究带帽PTC管桩复合地基沉降变形、荷载传递、桩土荷载分担比及桩土应力比等力学性状,在两种地质条件下进行了带帽PTC管桩复合地基现场足尺试验研究,得到了试验资料和一系列有益的结论。试验结果能够为带帽PTC管桩复合地基理论研究提供合理依据,并对其优化设计起指导作用。