竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性模型试验研究

采用自主设计的竖向循环加载装置,通过室内模型试验研究竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性和桩周土体变形机制。根据试验结果,桩体累积位移可以划分为不发展区域、渐变发展区域、破坏区域3种区域;滞回曲线的滞回圈包络面积随着循环次数的增加,呈现逐渐减小的趋势,滞回曲线由不闭合发展为闭合曲线,桩周土体由弹塑性变形逐渐转变为弹性变形。采用粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术对循环荷载作用下桩周土体变形进行实时量测,得到桩周土体完整的位移场和剪切应变场。结果表明：循环周期、幅值和密实度为桩周土体变形的主要影响因素,随着循环周期的增加,剪切破坏带在接近土体表面处呈现内敛趋势,剪切破坏面最终近乎平行于桩-土界面。循环荷载幅值越大,表层土体在循环荷载作用下越趋于密实,侧向土压力增大,位移影响区域减小,对应剪切应变场呈现“耳”状分布,幅值比循环周期更容易导致桩周土体出现沉陷。不同砂土密实度中的桩体累积位移随着循环周期呈现出不同的特征,松砂状态下桩周土体位移场呈现倒截锥形,密砂则呈现圆柱形。     

U型、W型和螺旋型埋管形式能量桩热力学特性对比模型试验

能量桩是一种可以节省地下空间和施工埋管费用的新技术,目前针对其在供暖和制冷过程中土体和桩基之间的相互作用机制研究却相对较少。基于模型试验方法,系统地研究了饱和砂土中单U型（绑扎和预埋形式）、W型和螺旋型等4种不同埋管形式情况下的能量桩热力学效应、传热和承载特性,测得桩体和桩周土体温度、桩端阻力、水平土压力、桩顶位移以及桩体应变随时间的变化规律。试验结果表明,在相同输入功率情况下W型埋管形式桩体的温度、土体压力、应力和桩顶位移均较螺旋型和U型埋管形式的情况大。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩-土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩-土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

饱和粉土中相变能源桩热力响应模型试验研究

长期非稳态的桩土热交换使得桩周土温度不断上升,产生热堆积效应,影响桩土换热效率,甚至也可使能源桩系统失效。为此,利用复合相变材料制备了相变混凝土能源桩,并在饱和粉土中开展了相变桩和普通桩热力响应模型试验,对比研究了相变桩的桩周温度分布、桩身应力−应变、桩顶位移和桩身换热效率的变化规律。结果表明：相变桩土热交换方向以径向交换为主,影响区域在2D范围以内,土体温度变化表现出滞后效应;相变桩的桩土温度变化幅度小于普通桩,具有缓解桩周土体热堆积效应的作用;在温度循环过程中,相变桩体累积了不可恢复的塑性应变。经过多次温度循环后,相变桩比普通桩的塑性累积位移更小;在夏季工况相变桩换热功率比普通桩增长约20%,冬季工况两者换热功率基本一致,随着运行时间增加,两者换热效率趋同。     

能源桩与周围土体之间荷载传递模型的改进及其桩身承载特性研究

桩-土相互作用问题是岩土工程桩基础问题的关键点与难点,目前针对桩身在循环温度荷载与上覆结构荷载双重作用下的能源桩承载特性研究较少。在传统理想弹塑性模型及双曲线模型的基础上,采用分段非线性的方法对桩-土荷载传递骨干曲线进行了修正,并基于Masing’s循环准则,提出了适用于能源桩的桩-土荷载传递模型。利用改进的桩-土荷载传递模型对能源桩承载特性进行数值分析,着重研究了桩-土荷载传递参数比R对能源桩受力情况的影响。此外,为了探究在上覆结构荷载及循环温度荷载双重作用下,能源桩与周围土体之间的真实荷载传递关系及其结构热力学特性,开展了针对能源桩与周围土体之间相互作用问题的室内模型试验,监测了其桩身轴向应力及侧摩阻力随温度及深度变化的趋势,并与基于改进荷载传递模型的数值计算结果进行了对比。室内模型试验监测及数值计算结果显示：能源桩在上覆结构荷载及温度循环荷载双重作用下,其受力行为受改进的桩-土荷载传递循环曲线控制;基于改进的桩-土荷载传递循环曲线而建立的数值模型计算结果与试验结果基本吻合,改进的桩-土荷载传递模型能够较好发地反映能源桩实际的承载特性。     

刚性桩复合地基工作特性分析

通过分析桩－土－垫层的共同作用,讨论了刚桩复合地基的工程特性,推导出在荷载作用下,当桩端土层为文克勒地基时的桩顶荷载、土体表面荷载、桩体沉降、土体沉降、受荷后垫层厚度等的计算公式,并根据出的应力比公式对应力比的多种影响因素进行了探讨。     

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载（极限荷载的一半）,再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体（即夏季模式的热循环）;热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。     

加载次序对湿陷性黄土中基桩承载力检测的影响

湿陷性黄土地区基桩承载力检测中桩顶荷载是在土体沉降后施加的,桩基使用条件下是桩顶荷载施加之后再出现土体沉降。简要分析了这两种加载次序之间桩土相互作用差异的机制。采用有限元方法分析了这种差异。计算结果表明,在这两种加载次序中,桩顶荷载的增加都会引起沉降增加,中性点下降,下拉力减小。结果还表明,与桩顶荷载先施加的相比,桩顶荷载后施加得到的中性点的位置比较低,桩基沉降比较小,下拽力也较小,这些差异随着桩顶荷载的增大而更加明显。在两种加载次序的各个加载阶段,桩周摩阻力的分布与发挥也会出现细微的变化。这会使湿陷性黄土地区桩的承载力检测结果略微偏于不安全     

Long-term thermo-mechanical behavior of energy pile in dry sand

A small-scale pile has been developed in the laboratory to investigate the thermo-mechanical behavior of energy piles subjected to a significant number of thermal cycles. The pile (20 mm external diameter), installed in dry sand, was initially loaded at its head to 0, 20, 40 and 60% of its ultimate bearing capacity (500 N). At the end of each loading step, 30 heating/cooling cycles were applied. The long-term behavior of the pile was observed in terms of head settlement, axial force profile, soil and pile temperature, and stress in soil. The results evidence the irreversible settlement of the pile head induced by thermal cycles under constant load head. In addition, the incremental irreversible settlement that accumulates after each thermal cycle decreases when the number of cycles increases. The evolution of irreversible pile head settlement versus number of cycles can be reasonably predicted by an asymptotic equation.     

Experimental study on the mechanical behaviour of a heat exchanger pile using physical modelling

This study aims to provide knowledge on the thermo-mechanical behaviour of heat exchanger piles, through a laboratory scale model. The model pile (20 mm in external diameter) was embedded in dry sand. The behaviour of the axially loaded pile under thermal cycles was investigated. After applying the axial load on the pile head, the pile temperature was varied between 5 and 30 °C. Seven tests, corresponding to various axial loads ranging from 0 to 70 % of the pile estimated bearing capacity, were performed. The results on pile head displacement show that heating under low axial load induced heave and cooling induced settlement; the pile temperature-displacement curve was found to be reversible and compatible with the thermal expansion curve of the pile. However, at higher axial loads, irreversible settlement of the pile head was observed after a few thermal cycles. The axial load profile measured by the strain gauges evidenced that the pile head load was mainly transferred to the pile toe. Nevertheless, thermal cycles modified significantly the mobilised skin friction along the pile. The total pressure measured at various locations in the soil mass was also slightly influenced by the thermal cycles.     

既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖效应及支护内力影响的研究

建立了包括地层模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型以及桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的平面应变模型试验系统;通过模型试验,研究了不同水平、竖向相对位置处的既有桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。另外,采用FLAC3D软件,对模型试验及不同工况进行了数值模拟。结果表明：（1）与没有桩基荷载的自由地层中的隧道开挖试验相比较,地层中的既有桩基荷载会明显地改变邻近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力;（2）对于桩径和水平相对距离都相同,但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深比值为1.0时,对隧道开挖效应影响最大,二者比值小于1.0时,其影响程度随着比值的减小而减小,二者比值大于1.0时,桩长的改变对隧道开挖效应影响较小;（3）对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对地层压力、地层沉降及支护内力的影响随桩基荷载与隧道的水平距离的减小而增大,桩基荷载距隧道的水平距离与隧道直径比值介于0.5～4.0时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大,隧道较危险,比值介于4.0～6.0时,影响较小,比值＞6.0时,影响可以忽略不计。     

静钻根植能源桩承载特性模型试验研究

为了研究静钻根植能源桩在热?力耦合作用下的承载特性,采用自行设计模型试验系统,测试模型桩在黏?砂双层地基中的热力响应。试验结果表明：桩体温度沿深度变化并不均匀,对桩周土的温度影响半径为3倍桩径;3次冷热循环后桩顶和桩周土表面均产生累积沉降,在桩顶荷载达到单桩极限承载力的25%时,桩顶累积沉降达到桩径的3.12‰,是桩顶无荷载情况下的1.77倍;模型桩附加温度应力沿深度分布均表现为中间大两端小,位移变化零点（附加温度应力最大处）随着桩顶荷载增大（约束增强）而上移,桩顶荷载较小时降温引起桩身局部产生拉应力。因此,静钻根植能源桩的承载特性与温度变化条件、桩顶荷载大小和桩端约束条件密切相关,在工程设计中需要综合考虑以确保运行安全性。     

不同竖向荷载作用下桩基水平载荷试验研究

石油化工装置具有高、大、重及对地基承载力和沉降变形要求严格等特点,宁波镇海某石油化工项目位于沿海软土地基,工程地质条件差,风荷载大,对桩基的水平承载力要求较高。为了取得符合工程实际情况的桩基水平承载力参数,在工作区内开展了不同桩径、桩长、桩顶竖向荷载作用下的预制方桩桩基的水平静载荷试验。试验结果表明,在桩顶自由条件下,单桩水平承载力随着桩径和桩长的增加而增大,但并非是线性增长,而是呈幂函数增长关系;单桩水平承载力随着桩顶竖向荷载的增加同样呈幂函数增长关系;群桩水平承载力大于单桩水平承载力之和。     

有孔管桩单桩承载性状试验及分析

有孔管桩能够有效地加速超静孔隙水压力时空消散,减轻沉桩效应对周围环境的不利影响,但桩身开孔引起的应力集中现象会削弱桩体承载力。为探讨桩身开孔对管桩承载性状的影响,采用室内模型试验方法,在软土地基中开展无孔管桩和3种不同布孔方式的有孔管桩单桩静载荷试验,对竖向荷载下引起桩顶沉降及桩身不同位置的应变进行了监测和分析,获得了各种管桩的Q-s曲线、桩身轴力及桩侧摩阻力的分布规律。对比分析可知,星状开孔有孔管桩的桩身轴力削弱情况最小,双向对穿有孔管桩的桩侧摩阻力最大。     

不同平衡堆载条件下桩基承载特性的原位试验研究

沿海吹填围垦地区土质较差,淤泥软弱土层较厚,在后期填土作用下土体会产生很大的固结沉降。后期不同堆载填土方式对桥梁基础影响较大,可降低基桩承载力,同时平衡堆载主要增加基桩的沉降,而不平衡堆载则对基桩水平位移影响较大。结合台州湾大桥工程建设,选取3根基桩进行了平衡堆载（围载）试验,另外,选取了3根基桩进行了不平衡堆载试验,研究不同堆载条件下对桩基承载特性的影响。现场试验结果表明,平衡堆载条件下主要引起桩侧产生负摩阻力,堆载高度达到4 m,堆载面积为24 m×16 m时,负摩阻力总和达到2 687 kN左右,中性点深度约为29.5 m,约为0.36倍桩长,且负摩阻力的发展是随时间而变化的;不平衡堆载条件下主要产生土拱效应,使桩基产生较大的水平位移,试验中不平衡堆载对吹填区的影响主要在距离地面20 m范围之内,土中最大水平位移出现在距离地面4～5 m左右位置,而桩身最大水平位移出现在桩顶。