p-y曲线对成层土体中大直径单桩的适用性研究

API规范推荐的p-y曲线是由均质土体得到的,并未考虑土层间相互作用,Georgiadis基于柔性桩提出了等效深度法修正p-y曲线,把均质土p-y曲线延伸到了成层土体中。为了研究p-y曲线和等效深度法对于大直径单桩在成层土体中的适用性,取4种典型地质条件:成层砂土、砂土-黏土-砂土、成层黏土和黏土-砂土-黏土,通过L-PILE软件计算了6 m直径单桩基础的p-y曲线、桩顶水平荷载-位移曲线、桩身位移和弯矩。并与ABAQUS建立的单桩基础三维有限元模型计算结果进行比较。结果表明等效深度法对于成层砂土影响不大;对于成层黏土影响较大;对于中间为软弱土层的成层土体,在荷载较大时影响显著,等效深度法计算结果更加接近FEM结果。在成层土体中,p-y曲线应用于大直径单桩对于砂土高估了初始刚度,低估了极限抗力;对于黏土则低估了初始刚度和极限抗力。     

桩基尺寸对砂土中水平受荷桩-土作用力的影响

p-y 曲线法在水平受荷桩的设计中得到了广泛应用,然而近年来在海上风机超大直径单桩基础设计中受到了学术界和工程界的质疑,当前研究表明,桩基尺寸是产生这一问题的主要原因。本文通过三维数值仿真技术,研究了砂土地基中水平受荷桩-土作用特征的演变规律,探讨了当前超大直径单桩设计方法存在的主要问题及产生的原因。计算结果显示：超大直径单桩基础因其桩径大、长径比（入土长度与直径的比） 小的尺寸特征,在水平荷载作用下桩土作用具有明显的三维空间效应,即除受水平向土反力外,还受到桩端水平向的摩擦力、沿桩身不均匀摩阻力产生的抵抗力矩及桩底不均匀土反力提供的抵抗力矩;进一步研究表明,后三类抗力对桩基水平承载力的贡献占比与桩基尺寸有关,即桩基直径越大、长径比越小,这些抗力的贡献越大。因此,在水平受荷超大直径单桩承载特性计算与分析的过程中,除当前水平向p-y 弹簧提供的抗力外,还应考虑桩底的水平剪力、桩身摩擦力和桩底反力不平衡产生的抵抗力矩。     

无粘性土中桩基水平非线性地基反力系数研究

非线性地基反力系数法是分析近海桩基水平大变形性状的有效途径。针对我国近海广泛分布的粉土和砂土地基,建立了无粘性土中桩基非线性地基反力系数与桩基径向土压力之间的关系,据此基于物理模型试验和现场试验结果获得了粉土和砂土地基反力系数与桩径和桩身变位之间的非线性关系,为桩基水平受力大变形分析提供了简单有效的方法,适用于不同直径桩基的计算,得到了桩基物理模型试验和现场试验结果的验证。     

黏土中海上风电水平受荷大直径单桩设计方法的思考

文章回顾了目前风电大直径单桩基础水平受荷静力响应分析的p-y 曲线规范方法,结合现有成果探讨了该方法会高估桩侧初始刚度并低估极限承载力的原因。为解决其不足,文章介绍了一种基于土体应力应变关系的p-y 曲线方法,它不但能较为正确地反映桩侧刚度,还能跟踪桩周土体的平均塑性应变的累积。在此基础上探讨了桩基在循环疲劳状态下的规范方法,由于其无法精确反映循环次数和幅值对于桩侧刚度弱化的影响,因此,进一步介绍了基于静力p-y 骨干曲线的滞回曲线构造方法,最后,基于上述分析方法,提出了一些大直径单桩优化设计的建议。     

桩在侧向静、动、循环荷载下的性能研究及p-y曲线建议公式

本文通过桩在饱和砂土中的模型试验,对桩在侧向静,动及循环荷载作用下的性态作了研究。对比以往在砂质软粘土中所进行的现场试验,以土的应力应变关系为基础提出了适用于砂土及软粘土中桩的 p-y 曲线建议公式,并以国外有关砂土与软粘土中现场试验作比较,符合程度良好。文中并以修正的梅辛两倍法准则提出了 p-y 滞回曲线建议公式,与试验结果也比较符合。     

黄河水下三角洲快速沉积粉土层桩基p-y曲线试验研究

利用室内水槽模拟黄河三角洲快速沉积环境,并进行了黄河水下三角洲快速沉积粉土层中单桩水平承载特性模型试验,获得桩身弯矩、位移,以此得到适用于快速沉积粉土层中的桩基p y曲线,与API规范的p-y曲线相比,发现浅层土极限土抗力要大于黏土与砂土,而深层土极限土抗力则介于两者之间。并进行多组试验,讨论了桩的不同埋置方式对p-y曲线的影响,发现贯入桩p-y曲线与预埋桩p-y曲线相比具有较小的初始刚度,以及较大的极限土抗力;同时,相较于预埋桩,贯入桩对浅层土极限土抗力的影响更为显著。     

大直径钢管桩水平载荷试验研究

文章首次对直径为2800mm 的超大直径钢管桩开展了单桩水平静载试验,研究分析了超大直径钢管桩的桩侧水平抗力、桩身截面弯矩、桩身水平位移与桩基水平荷载之间的变化曲线,得到了不同水平位移时桩周地基反力模量的变化规律,为超大直径桩基水平承载力设计提供了现场试验数据。     

水平循环荷载作用下桩基p-y曲线模型研究进展

p-y 曲线法常用于水平静力受荷桩的分析,但海洋工程中的桩基除静力外还承受波、流等循环荷载作用,将静力 p-y曲线直接用于循环荷载下桩基的设计研究时,往往会产生误差。本文梳理了水平循环荷载作用下 p-y 曲线模型的研究成果, 按照得到循环 p-y 曲线的不同方式,将其分为总体调整法和参数修正法。在参数修正法中,根据修正时考虑的因素不同,分为考虑荷载特性的修正和考虑桩土相互作用的修正。最后通过对循环荷载作用下 p-y 曲线研究现状的总结对比,评价了不同方法的特点,讨论了当前研究存在的问题并给出了建议。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

不同初始固结应力条件下主应力方向对海洋密砂不排水单调剪切特性的影响

利用大连理工大学的“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对相对密实度为70％的福建标准砂,在不排水条件下控制试验过程中的中主应力系数保持不变,进行了不同初始固结应力条件下不同主应力方向的单调剪切试验.以此着重探讨了主应力方向及初始固结应力对饱和密砂单调剪切特性的影响,研究表明,主应力方向和初始固结应力对于密砂的有效应力路径和应力-应变关系均具有十分显著的影响.通过与饱和松砂不排水单调剪切特性的对比分析,探讨了初始相对密实度对砂土剪切特性的影响,研究表明随着主应力方向角增大,密砂的应变硬化效应逐渐减弱,但未出现松砂对应的应变软化现象.     

浅基础地基荷载-变形特性的分析研究

在土体主应力方向的旋转过程中,主应力方向与塑性主应变增量方向之间存在着非共轴现象,非共轴现象对应力-应变关系具有显著的影响。通过有限元二次开发,将角点结构非共轴理论应用到有限元程序ABAQUS中;对密砂单剪试验进行数值模拟,研究了非共轴现象及其对应力-应变关系的影响;采用离心模型试验方法,对圆形浅基础作用下饱和密砂地基荷载-变形特性进行试验研究;对离心模型试验进行数值模拟,将试验结果与数值计算结果进行对比,对非共轴模型的计算结果的合理性进行验证。研究结果表明:非共轴现象对浅基础地基荷载-变形特性具有显著的影响;当选取合理的非共轴塑性模量时,非共轴模型的计算结果与离心模型试验结果比较接近。     

自升式平台桩基土体变形规律与破坏机理分析

研究自升式平台桩基土体的变形规律与失稳机理,对合理评价平台桩基的稳定性具有十分重要的意义。本文基于Galerkin数值分析方法,采用网格重绘与插值技术,利用Abaqus/Stand的牛顿求解方法对平台插桩过程进行大变形分析,较为准确地研究了边界非线性对土体变形规律与破坏机理的影响。通过Abaqus二次开发接口,合理地模拟了桩土界面摩擦特性,以及海床土层剪切强度沿深度非均匀变化特性对海床极限承载能力和破坏机理的影响。揭示了插桩过程中桩周土体的变形规律与失稳模式,给出了插桩入泥深度与极限承载力曲线,并将计算结果同Skempton、Hansen等计算公式进行了合理对比。结果表明:本文给出的桩基土体变形规律与破坏机理,能够较为合理地揭示自升式平台插桩过程中海床土体的大变形特性,以及较为合理地评估自升式平台桩基极限承载能力。     

霍尔锚在粉细砂中抛锚深度模型试验

航船应急抛锚时锚板贯入土体可能会影响河床或海床中的结构物甚者造成破坏,因此在通航频繁的航道,结构物埋深的设计需要充分考虑应急抛锚时锚板的贯入深度。本文通过缩尺模型试验模拟了霍尔锚在中等密实度粉细砂中的抛锚贯入过程,研究了不同抛锚速度(1.15～4.4 m/s)及粉细砂相对密实度(0.45～0.65)对抛锚贯入深度的影响;基于太沙基极限承载力理论和能量守恒定律,推导出霍尔锚在粉细砂土中贯入深度的表达式,与模型试验结果对比显示理论计算结果偏于保守。基于试验结果提出修正系数,修正后的理论公式能够较好地快速预测霍尔锚在中等密实度粉细砂中的贯入深度。研究结果为粉细砂土河床或海床中的结构物埋深设计提供了一定的技术参考。     

非共轴本构模型在吸力桶地基承载力

土体在剪切变形过程中产生主应力方向的旋转时,主应变率方向与主应力方向之间存在着非共轴现象,然而,传统的弹塑性本构模型并不能考虑该现象的影响。通过在传统本构模型屈服面的切线方向增加一项非共轴塑性应变率,即可实现对非共轴现象的反映。利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口UMAT,通过显式积分算法和自动分步方法实现了非共轴模型在有限元分析中的应用。首先,对砂土的单剪试验进行数值模拟,预测了主应力方向和主应变率方向之间的关系,所得结论与试验结果较为吻合。然后,针对吸力桶与砂质地基间的相互作用问题进行弹塑性有限元计算,分析了土体主应力方向在剪切变形过程中的旋转规律,以及桶体的端部阻力、侧壁摩擦阻力和顶部阻力在变形过程中的变化规律。最后,检验了非共轴现象对地基承载力计算结果的影响。研究结果表明,所开发的非共轴模型对非共轴现象具有良好的预测能力。     

基于现场试桩的海上大直径桩侧摩阻力研究

海上风机基础长期受到巨大的水平荷载和倾覆力矩,设计的基础结构需要具有足够的刚度和抗压强度来抵抗风、波浪、海流等环境荷载。依托某海上风电场试桩工程,通过现场基桩轴向抗压静载试验,分析土层的荷载位移曲线,并根据位移突变段确定基桩的极限荷载。借助拟合法和API规范法,分别得到τ-s曲线,从而计算出基桩的极限侧摩阻力以及初始刚度。分析对比可以看出软黏土土层和砂土土层在不同深度通过拟合法和API规范法计算得到的结果不同,二者有不同的适用范围。因此需要进一步研究桩基侧摩阻力的各种确定方法,才能最大限度地开发利用桩基的承载能力。     

近海滑坡冲击桩体的数值模拟

近海滑坡发生后,流滑体冲击海底以上的桩身,威胁桩基和上部结构安全。将流滑体视为非牛顿流体,依照幂律模型描述流滑体剪应力和应变速率之间的关系。采用商业软件Fluent模拟滑坡冲击单桩过程,在变动参数分析的基础上,探索流滑体密度、粘度和冲击速度以及桩体直径对稳态冲击压力的影响。建立了包含拖曳力项和承载力项的冲击压力归一化表达式,尤其适合预测低速滑坡对桩体的冲击。     

横向荷载作用下桩侧极限土抗力的上、下限分析

比较和分析了几种典型的P-Y曲线后发现,桩侧土体在横向荷载达到或接近极限土抗力后会发生塑性流动或软化。因此,极限土抗力的合理取值将影响桩侧土体的稳定性分析。将横向荷载下桩土相互作用的三维解问题简化为二维解处理,并运用土体塑性极限分析理论,采用摩尔-库仑屈服准则和相关联的流动法则,构造机动许可的应变率场和静力许可的应力场,推导出横向荷载作用下适用于粘性土的桩侧极限土抗力的上、下限解。利用南海某平台场址的工程地质钻探资料,计算了横向荷载作用下桩侧极限土抗力的真正极限荷载(Pu),并与由典型的P-Y曲线计算的Pu值作了比较。计算结果表明:在不排水抗剪强度较大的土层,由极限分析上、下限解计算的Pu值与由Reese硬粘土P-Y曲线、Matlock软粘土P-Y曲线和Sullivan统一法P-Y曲线计算的Pu值相差较大;在不排水抗剪强度较小土层,由极限分析的上、下限解计算的Pu值和由其它几种典型的P-Y曲线计算的Pu值吻合较好。极限分析上、下限解受深度影响,深度对桩侧极限土抗力的影响是随其增加而逐渐增大的。验证结果表明,计算的极限土抗力上、下限解的合理性较好,这对高层建筑、核电站、近海采油平台、海岸码头等建筑工程的桩基础设计具有重要的工程意义。