Thermal analysis of energy piles in sand

The present work investigates the behaviour of geothermal energy piles in sand subjected to thermal loading and the resulting soil-structure interaction, numerically using the finite element software Abaqus and user-defined material subroutines for soil. The stress-strain response of sand has been simulated using CASM constitutive model based on critical-state soil mechanics. Detailed parametric sensitivity studies have been carried out to understand the effects of different end conditions of the pile, relative densities of the soil, coefficients of lateral earth pressure of the ground, lengths and diameters of the pile, thermal loads, coefficients of friction at the pile-soil interface, critical-state friction angles of soil, thermal conductivity of soil, specific heat of soil and thermal conductivity of the pile on the stress response of soil, deformation of the pile and soil, and strains in the pile. The results show that negative shear stress is generated in the soil at the pile-soil interface. In the pile with both ends restrained the lateral earth pressure coefficient in soil increases due to high radial strain generation. Moreover, the lateral earth pressure coefficient in soil increases with the increase in the thermal load, the coefficient of friction at the pile-soil interface and the critical-state friction angle of the soil.     

基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的基桩极限侧阻力分析

结合基桩承载过程中的桩周土体应力状态分析和桩土界面摩擦特性分析,推导出基于土体应力状态的沿桩土界面的土体抗剪强度计算模型和基于界面摩擦特性的界面抗剪强度计算模型。通过对比土体抗剪强度和界面抗剪强度,推导出受该两种强度耦合作用影响的极限侧阻力计算模型,并用上海某工程算例验证该模型的合理性和可行性,同时利用该模型分析不同类型的土的极限侧阻力随埋深的分布规律。结果显示：因内摩擦角和侧压力系数之间的不同关系,极限侧阻力随埋深表现出不同的分布特点,在特定关系下,存在一个临界深度,超过该深度极限侧阻力维持在一个稳定值甚至不断减小直至为零。     

斜坡地基刚性桩水平承载力上限分析

为探讨斜坡地基刚性桩水平极限承载力的计算方法，介绍柔性桩的等效刚性桩有效嵌入深度并引入极限水平地基反力分布形式。根据荷载指向坡外及坡内两种情况，提出适用于斜坡地基桩前土体的两种极限破坏模式。然后，基于极限分析上限定理，推导出两种荷载方向下的刚性桩极限承载力，并引入多组现场试验，验证了理论方法的合理性。探讨了边坡坡角、内摩擦角、黏聚力及荷载方向对极限承载力的影响，得出了一些规律性结论，并基于以上分析结果，提出斜坡地基刚性桩水平极限承载力随坡角变化的拟合公式。这些分析为斜坡地基上基桩设计提供了一定的参考，具有理论及工程应用价值。     

大直径深长钻孔灌注桩竖向承载力特性试验研究

在唐山LNG罐区对9根大直径钢筋混凝土灌注桩进行了竖向荷载现场试验,其中桩端后注浆工艺试桩3根,三岔双向挤扩工艺试桩3根,挤扩支盘工艺试桩3根。基于现场静荷载和桩身应力测试结果,分析了3种不同施工工艺钻孔灌注桩竖向荷载传递规律。试验结果表明：3种不同施工工艺的大直径深长钻孔灌注桩试桩荷载-沉降曲线没有明显拐点,后注浆工艺试桩荷载传递过程表现为摩擦桩的特性,桩侧阻力几乎承担全部荷载,而三岔双向挤扩支盘工艺和挤扩支盘工艺试桩荷载传递过程表现为端承摩擦桩的特性,桩端阻力占总荷载的20%～30%;3种不同施工工艺试桩的轴力及桩-土相对位移变化规律基本相似,桩侧桩端阻力非同步发挥且相互影响,桩侧摩阻力均表现出强化现象。对整个罐区要求单桩承载力特征值不小于8 100 kN。3种施工工艺的钻孔灌注桩承载力均能满足要求。     

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。     

适用倾斜滑面的刚性抗滑桩最小嵌固深度计算方法

为计算确定桩前滑面倾斜情况下加固边坡的抗滑桩最小嵌固深度,基于倾斜地面条件的抗滑桩计算地基系数法,确定嵌固段桩侧土层压力,同时采用塑性极限分析方法,推导与滑面倾角密切相关的嵌固段土层极限抗力,并根据桩侧地层最大压力不超过其极限抗力的条件,建立了抗滑桩最小嵌固深度计算方法,并确定了其与滑面倾角的关系。实例分析表明,抗滑桩最小嵌固深度随滑面倾角呈非线性增大,在倾角为10°～30°范围内变化显著;嵌固段地层黏聚力、内摩擦角和重度对抗滑桩最小嵌固深度均有明显影响,且呈负相关关系;本文方法所得桩体最小嵌固深度比传统考虑桩前滑面倾斜影响的方法约小18%。     

软土地区复合桩基础适用条件的探讨

复合桩基的根本是桩土共同作用,而桩土共同作用的前提则是桩土变形协调,基桩与地基土的支承刚度通常存在数量级上的差异,因此要使桩土的变形协调,必须要采取一定的措施。以桩土共同作用机理为根本对复合桩基的使用条件进行了探讨,指出天然地基承载力满足率小于0.5而采用复合桩基时,桩土共同作用无法形成,最终使整个建筑物的安全度降低;天然地基承载力满足率大于0.6甚至0.7时,复合桩基整体安全度虽容易满足,但整体偏于保守,另外还容易缩小复合桩基适用范围。建议复合桩基使用条件中天然地基承载力满足率大于等于0.5即可。     

粉喷桩单桩承载力与龄期的关系研究

以100余根粉喷桩单桩载荷试验和水泥土强度试验资料为基础，运用桩与土变形的弹塑性计算模型和复合地基理论，分析了同一场区不同龄期单桩承载力的关系，探讨了桩侧极限摩阻力与桩土发生塑性变形大小的关系，得了14d与28d龄期单桩承载力二者的经验公式，该公式经试验验证具有实用价值，为缩短粉喷桩的试桩周期提供了一种简单的计算方法。     

竖向高荷载作用下大直径超长钻孔灌注桩承载性能试验

通过机场—西华高速大直径超长钻孔灌注桩大吨位竖向单桩静载试验,分析了该地区大直径超长钻孔灌注桩的承载性状以及荷载传递机理。试验结果表明:试桩的Q-S曲线呈缓变型,桩端承载力占总荷载的比例均<10%,即均表现为摩擦桩特性;试桩的侧摩阻力自上而下逐步发挥,侧摩阻力和桩端阻力异步发挥且互相耦合;大直径超长钻孔灌注桩桩侧摩阻力的发挥与土层性质、土层埋深及桩顶荷载水平有关;在高荷载作用下桩侧上部土层摩阻力具有不同程度的软化现象,而中下部土层侧摩阻力具有不同程度的强化现象,甚至即使在最大加载情况下,桩身下部土层的侧摩阻力也并未完全发挥,因此在根据规范计算超长桩承载力时,不同深度土层的侧摩阻力应乘以相应不同的修正系数。     

注浆成型螺纹桩抗拔承载特性的数值分析

注浆成型螺纹桩为一种利用施工工艺创新,结合钻孔灌注和二次注浆技术的新型螺纹抗拔桩型,目前已在软土地区开展应用。为了对其受力承载特性深入研究,使该桩型得到广泛推广,通过数值分析方法对其抗拔性能和承载机制进行了三维有限元数值模拟。首先,通过数值模拟桩-土界面室内大型直剪试验得到了有限元分析需要的桩-土接触面参数,而后将得到的参数带入注浆成型螺纹桩抗拔三维有限元数值模型,通过计算得到了不同距径比S/D（即螺距与桩径的比值）螺纹桩的抗拔荷载-位移曲线和轴力分布,并观察了抗拔过程中桩周土体塑性变形的发展。数值分析表明,螺纹桩与桩周土体的机械咬合作用增大了桩侧摩阻力,从而使桩体极限抗拔承载力较等截面圆桩提高约2～5倍;同时,其承载能力与桩体的S/D有关,当S/D取最优时,荷载-位移曲线的初始切向刚度最大,极限承载力最高,桩周土体形成的连续拱形破坏区域最大。     

既有−新增排桩双层支挡结构开挖模型试验研究

在既有地下室以下增设地下空间,常面临既有支护桩与新增支护桩构成双层支挡结构的开挖工况,这是传统开挖设计方法未涉及的新问题。通过大比尺模型试验,以内外双层支护桩排间距为主要参数,研究其对支护结构性能演变、排间土压力的影响。试验结果表明,随排间距减小,新增支护桩位移与弯矩逐渐增大,由嵌固作用转变为主要受力结构。开挖至既有支护桩失效退出工作后,新增支护桩位移与弯矩突增,最大弯矩点下移。既有支护桩背单位土压力随开挖逐渐减小,达到主动极限状态后主动土压力随排间距增大而增大,并接近朗肯主动土压力分布线。通过各试验桩背主动土压力数据分析拟合,建立了以排间距、土体内摩擦角、桩土摩擦角为参数并考虑土拱效应的既有支护桩背主动土压力预测方法。     

深厚软土中长短桩复合地基试验

为了研究水泥土长短桩复合地基在深厚软土的加固效果及其承载特性,实测了长桩、短桩和桩间土顶面应力,探讨了这种复合地基桩土应力比及其变化规律。研究表明,长桩和短桩桩土应力比均表现为先增大,后减小,再趋于稳定的趋势,并在临界荷载P_c前后,复合地基主次桩顺序发生变化。得出考虑荷载水平的水泥土长短桩复合地基承载力计算公式及桩土承载力发挥系数取值方法。结果表明:β取值范围在0.778~0.838,β₂的取值范围为0.945~0.971,并且建议取s/b比值为0.001 48~0.002 04对应的承载力为长短桩复合地基承载力特征值。      

Ultimate bearing capacity of axially loaded piles based on three-dimensional analysis

A three-dimensional mechanisms of bearing capacity of axially-loaded vertical piles with flat rough base in homogeneous c-φ soil is analyzed on the basis of plastic theory under the condition of axial-symmetry. The soil is considered as a perfectly rigid plastic material obeying the Mohr-Coulomb failure criterion. The stress field is assumed to satisfy the Haar-Karman condition.The results of the analysis are presented as bearing capacity factors in terms of the friction angle φ for the case of deep foundations. The compressibility of soil is accounted by introducing an empirical compressibility factor. The semi empirical values obtained earlier were found to agree closely with the theoretical bearing capacity factors.     

路堤下粉喷桩复合地基的设计方法探讨

通过有限元计算,讨论了采用粉喷桩处理饱和黄土与淤泥质土所形成的复合地基,在柔性基础作用下,基础刚度及复合地基中的桩体对复合地基承载力的影响。结果表明：减小基础刚度有利于桩间土体承载力的发挥;桩体对饱和黄土承载力的影响程度大于对淤泥质土体承载力的影响程度。最后依据实测及有限元分析结果,在原有刚性基础下粉喷桩复合地基承载力计算公式的基础上,增加了基础刚度影响系数与桩间土体承载力提高系数,给出了各影响系数的建议取值范围,并在实际工程中得到了成功应用。     

横向载荷作用下刚性桩变位规律研究

目前对横向受载刚性桩的研究主要集中在其承载力方面,对变化规律研究很少。为此提出了利用刚性桩上两点位移求桩上任意一点位移、桩回转中心位置及转角的方法。通过对粉质黏土中的刚性桩进行模型试验与数值计算发现,回转中心位置随位移和载荷的增大,先是急剧下降,然后变缓,最后基本趋于稳定,而且桩埋置参数与土力学参数对回转中心位置的变化规律影响很小;而桩的转角随位移增大近似线性变化。比较发现,由试验和数值计算得到的回转中心极限位置与由极限地基反力法得到的结果相差不大     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

灌注桩侧摩阻力发挥模式的研究

桩侧摩阻力的发挥主要与桩周土的力学性质、侧向有效压力、桩土的相对位移量、桩土的接触性质、时间效应等有关。采用双曲线侧摩阻力发挥模型,通过分析上海某地区灌注桩的现场试验实测资料,提出了双曲线模型的计算参数取值范围。此外,对桩侧摩阻力的时间效应也作了初步探讨。结果表明：采用双曲线函数对灌注桩侧摩阻力与相对位移间的变化关系进行拟合是合理的;由于各级荷载下桩体沉降同样具有时间性,桩侧摩阻力同时具有明显的时间效应     

高速铁路超长桥桩承载特性试验研究

超长桩广泛已应用于土木工程各个领域,但黄土地区超长桩的承载性状和变形特性尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对郑西铁路客运专线某特大桥的4根超长桩现场测试项目的资料分析,得出了超长桩桩身轴力及侧阻力的变化规律,对超长桩的承载特性有了更为清晰的了解。试验结果表明,在桩顶竖向荷载作用下,桩身轴力随荷载的增加发生了局部调整,砂性土层的桩侧摩阻力具有增强效应,黏性土层的桩侧摩阻力具有退化效应;单桩竖向刚度随桩顶荷载的增加而减小,单桩竖向刚度降低40 %～70 %。     

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%。     

双排桩双梁组合支护刚度计算的改进与位移分析

双排桩支护组合体系作为一种新型悬臂类支护结构,其整体刚度的提升有利于保持基坑边侧的安全稳定。本文依托于张家口万全区某双排桩基坑支护工程案例,以现有双排桩冠梁刚度系数计算方法为基础,引入冠梁与连梁作用效应系数优化改进考虑连梁和冠梁作用的基坑矩形双排桩支护结构横向支撑刚度的计算方法,并对双梁组合支护体系下不同土性对双排桩前后排桩桩身最大横向位移的影响进行探讨。结果显示:（1）在双排桩结构计算中需考虑冠梁与连梁对双排支护桩的共同横向约束作用,并将冠梁与连梁的刚性连接作为一个整体以提高矩形双排桩双梁横向支撑刚度系数。（2）双梁组合支护体系组合刚度对桩顶位移有较大影响,组合刚度为40～50 MN/m下的位移与观测值较为贴近;冠梁计算长度与引入的冠梁与连梁作用效应系数对双梁组合支护体系组合刚度影响较大,计算长度对组合刚度呈负相关,效应系数对组合刚度呈正相关。（3）双梁组合支护体系下双排桩横向支撑刚度受前后排桩竖向与横向位移差影响,前后排桩桩身最大横向位移受土层内摩擦角、黏聚力和土体水平抗力比例系数影响;改变抗拉强度不会影响双排桩桩体位移。在基坑埋深以下及桩底范围内桩身存在位移拐点,拐点处各不同内摩擦角、不同黏聚力条件下位移相等。