高层建筑桩与承台荷载测试分析

根据某高层建筑柱下独立承台桩基础的桩与承台荷载分担的实测资料,分析了桩基础桩与承台荷载分担、桩顶反力分布、桩间土反力分布等特性。桩与承台可以共同承担上部荷载,桩与承台底地基土分别承担总荷载的80 %与20 %左右;承台底地基土与桩的荷载分担比值,在工程初期变化起伏较大,随着主体完工后逐渐趋于稳定;中桩桩顶反力值小于边桩和角桩桩顶反力值;桩顶反力与承台底土反力沿承台两边基本呈马鞍形分布,实测结果为高层建筑柱下独立承台桩基础的设计计算提供有益的参考依据。     

桩基承台梁结构分析的新方法

以分层地基模型并采用有限元-有限压缩层的计算方法为基础建立起桩土支承体系刚度矩阵,从而导出桩-土-承台梁的共同作用方程.通过笔者编制的计算程序分析了考虑桩土共同作用后的承台沉降及桩顶荷载,计算结果同弹性理论方法比较一致,并得出了一些有益的结论.     

复杂地基反力模式下高承台嵌岩灌注桩的屈曲稳定分析

为探讨桩侧地基土反力对高承台嵌岩灌注桩桩身屈曲稳定的影响,假定地基反力系数呈更为复杂的幂分布,基于弹性地基梁理论建立桩土体系总势能方程,采用最小势能原理,导出了桩身屈曲临界荷载与稳定计算长度的解析解,并据此获得了地基反力系数分布模式、桩身自重及桩侧摩阻力等对桩身屈曲稳定的影响规律。工程应用分析结果表明,考虑地基反力系数为一般幂分布时,桩身屈曲分析结果更趋合理。     

群桩-土-承台非线性共同作用固结过程分析

基于固结有限层的考虑提出了土体固结的桩-土-承台非线性共同作用分析方法。在此基础上,介绍了相应的计算程序CPRI的实现过程,给出了主程序计算框图和桩土承台支撑体系计算子程序框图。通过程序CPRI检验和算例分析,验证了程序的正确性。程序CPRI可以给出不同时刻桩-土-承台支撑体系的竖向位移、孔压、桩顶反力和土体反力变化的情况,从而模拟了非线性共同作用下固结的全过程。     

门架式双排抗滑桩的弹塑性模型与计算分析

门架式双排抗滑桩的计算模型大部分将桩排间岩土体视为弹性材料,而岩土体为弹塑性材料,使得抗滑桩内力、位移计算结果与实际情况相差较大。假设桩排间岩土体为弹塑性材料,提出一种弹塑性计算模型,该模型将桩排间岩土体看作线弹性单元和塑性单元的组合,根据结构力学知识、土的本构关系和数值分析方法建立一种计算前后排抗滑桩内力的计算方法。首先,由已知的桩顶位移,并结合结构力学位移法求出桩间土总应力。根据Lade-Duncan模型导出这两个单元的基本参数,然后,结合数值分析方法计算出抗滑桩的内力,最后,结合工程实例,运用ANSYS有限元软件进行计算分析,得出门架式双排抗滑桩的内力图。对比监测数据和弹性模型计算结果表明,弹塑性模型的计算结果比弹性模型更加接近监测值。     

考虑基坑开挖影响的群桩基础竖向承载性状数值分析

对土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,用接触面单元模拟桩-土相互作用,利用ABAQUS建立桩筏基础--地基--基坑开挖三维有限元分析模型。对基坑开挖影响下的群桩基础竖向承载性状进行了分析,讨论了桩顶反力分布、桩身轴力、桩侧摩阻力以及开挖引起的桩身水平位移及其弯矩的变化规律,并进行了考虑基坑开挖与不考虑基坑开挖的群桩基础竖向承载性状的对比分析。通过研究,取得了基坑开挖对高层建筑桩筏基础影响的基本认识,这些认识对于改进桩筏基础设计理论有一定的参考意义。     

纵横向受荷基桩变形内力的矩阵传递解

针对地基的土体屈服性状,将桩侧土体分为弹性变形区域与塑性变形区域两种情况。假定地基反力系数为3参数的一般形式,同时考虑桩身 效应并计入桩身自重、桩侧摩阻力的影响,根据地基反力法分别建立桩身弹性段和塑性段挠曲线微分方程。在解微分方程的过程中,采用矩阵传递法结合Laplace正逆变换的方法解得桩顶作用轴向力、水平力、弯矩时桩身内力和变形的矩阵传递解,并用Fortran语言编制了相应计算程序。最后将试验数据对上述方法进行验证,结果表明计算值与模型试验的实测值吻合很好,采用文中3参数地基反力法反算所得的地基参数离散性很小,研究结果具有较高的应用价值。     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

桩-土-承台结构在波浪力作用下的力学效应分析

在港口桥梁工程和海洋工程中,一般将桩从桩-土-承台结构中分离出来,单独计算波浪力对桩的作用。在提出波浪力作用下桩-土-承台结构相互作用模型的基础上,结合工程算例,进行了桩-土-承台结构在波浪力作用下桩的荷载和弯矩计算分析,结果表明：在不考虑波浪力的情况下,计算结果跟规范方法较为接近,验证了桩-土相互作用模型的适用性。在此基础上迭加波浪力,将波浪力和桩-土-承台作为一个完整的系统研究,随着承台所受外力、波浪力、桩侧地基土的变化,分析了桩-土-承台结构在波浪力作用下的受力效应。     

大规模超长群桩基础工作性能的数值模拟

超长桩基础在土木工程中的应用越来越多,但对其工作性状的研究相对滞后。以某超长群桩基础工程为例,用三维非线性有限元方法分析了超长单桩及群桩的工作性能。计算中桩、土和承台的有限元模型均用8节点六面体等参单元,桩-土界面用有厚度的接触面单元模拟;混凝土的应力-应变关系用线弹性模型,土体用非线性Duncan-Chang弹性模型模拟;承台施工过程用分级加荷的方法模拟,承台混凝土的硬化过程用变化模量的方法模拟。计算结果表明,超长单桩的承载性状属摩擦桩,其桩身失稳的原因是桩侧土体的破坏;在群桩基础中,不同位置基桩的工作性能不完全相同,承台周边桩的工作性能与单桩类似,而与内部桩的差别较大;现行规范中推荐的群桩效应系数和有限元计算结果间存在较大差别,表明现行规范可能不适用于超长群桩基础,对超长群桩基础的工作性能进行深入研究是必要的。     

带承台群桩负摩阻力性状的三维有限元分析

无承台群桩中各桩的桩-土相互作用是相互独立的,带承台群桩的桩-土相互作用要受到承台的约束。简要分析了带承台群桩负摩阻力变化的机制。采用三维有限元分析了地下水位下降条件下带承台群桩的负摩阻力性状。分析结果表明,带承台群桩的负摩阻力与单桩负摩阻力总体相近,随着上部荷载的增大,中性点上升,附加沉降增加,下拉力减小,只是各位置桩有差异。荷载不大时,承台对各位置桩沉降的约束明显,各桩中性点几乎重叠。随着荷载的增加,承台本身变形增加,中性点的差异逐渐变得明显,角桩中性点位置最低,边桩次之,中心桩最高。带承台群桩中各桩的负摩阻力沿着深度的发挥程度不同。角桩负摩阻力发挥最为充分,边桩次之,中心桩最小。     

考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型

提出了一种能考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型（t-z模型）。该模型既能反映不同材料的桩基在同一土体中抗压承载力的不同,也能反映同一材料桩基在同一土体中桩身抗压摩阻力与抗拔摩阻力的不同,同时还具备模拟循环荷载下t-z曲线滞回特性的能力。根据位移协调算法编制了可用于竖向压、拔荷载作用下单桩响应分析的Matlab程序,利用程序对模型试验进行了模拟,结果对比证明了该模型的适用性。最后分析了桩体弹性模量对压、拔极限摩阻力比值的影响,结果表明,该比值随弹性模量的减小而减小,对于混凝土桩,该值介于0.6～0.8之间,与规范建议的抗拔系数接近。     

软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究

高承台群桩基础是高速铁路桥梁基础的一种常用形式,受到风、地震等荷载作用影响,常常需要承受较大的横向荷载。采用室内物理模型试验和三维有限元程序ABAQUS对软土地层中单桩、群桩的横向承载特性进行了研究,软土采用修正剑桥黏土本构模型,试验结果与有限元计算结果吻合较好。群桩研究方案包括了桩数的变化以及桩间距的变化。结果表明,群桩基础的基桩平均横向承载力（总承载力/桩数）较单桩基础显著增加,且水平荷载方向桩间距越大,其横向承载力越大;群桩基础基桩受力存在三维空间效应,不同位置基桩受力大小排序为角桩最大,其次为边桩,最小为中间桩,弯矩极值差异可达20%,群桩基础桩周土影响范围距外围基桩边缘净距离约为16D (D为桩径)。桩与桩相互影响效应对群桩水平承载不利,承台约束效应对水平承载有利。探讨了考虑上述两种效应的群桩效应系数计算方法,通过计算验证了该方法在软土地区高承台群桩基础横向承载力计算中的适用性。     

不同堆载形式对群桩负摩阻力的影响

在既有桥墩桩基础周围土体堆载时,会引起土体的沉降和侧向变形,进而在桩身产生负摩阻力,对桩基变形及承载性能有很大影响。为研究围载和单侧边载作用下群桩中不同位置桩基的受力差异,以3×3群桩基础为研究对象,进行围载和单侧边载作用下的模型试验,分析了不同位置桩基轴力、侧摩阻力、中性点位置和基桩承载力安全系数等的变化规律及差异。研究结果表明：围载工况下,角桩的轴力、侧摩阻力最大,边桩次之,中心桩最小;中性点位置角桩最深,边桩略高,中心桩距桩顶最近。边载工况下,靠近边载侧和中间一排桩基轴力、侧摩阻力与围载时的变化规律类似,远离边载侧的一排桩基受边载影响较小,无负摩阻力;各桩基中性点位置变化规律类似于围载工况。与围载工况相比,边载时同一位置桩身轴力、负摩阻力均较小,中性点位置较高。与单侧边载工况相比,围载时各基桩承载力安全系数FS均较小且随荷载的增大衰减梯度较大。该研究成果为不同堆载形式下群桩基础的设计提供参考。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

带帽刚性桩复合地基荷载传递机理研究

为了研究带帽刚性桩复合地基荷载传递机理,基于弹性理论和合理假定,采用荷载传递函数法,建立了带帽刚性桩复合地基中桩体沉降及其轴向应力、桩帽下土体竖向位移及其竖向应力、桩帽间土体竖向位移及其竖向应力、桩身侧摩阻力、桩帽边缘土体之间的侧摩阻力与荷载水平、深度之间的控制微分方程。采用微分方程的近似解法,推导出相应地解析表达式。利用桩体荷载沉降关系作为已知条件进行求解,计算结果能够反映带帽刚性桩复合地基荷载传递的一般力学性状规律。     

PHC管桩荷载传递的试验研究和数值分析

通过在预应力高强混凝土管桩(PHC桩)的桩顶、桩端及桩周各主要土层的分界面埋设应变计的静荷载试验，研究了PHC管桩的荷载传递机理，分析了轴力和桩侧摩阻力的变化规律。并以工程中PHC管桩的竖向抗压静载试验为基础，运用有限单元法对软土地区的PHC管桩桩-土相互作用进行模拟，在分析中采用弹塑性模型，引入了非线性接触面单元，并且考虑了土体的材料非线性。分析结果表明，计算值和实测值有一定的差别，但是变化趋势基本一致。     

带帽刚性桩复合地基荷载传递特性研究

根据控沉疏桩理论,探讨了带帽PTC型刚性桩在高速公路深厚软土地基处理中的适应性。为了掌握带帽PTC管桩复合地基的作用机理,分析了其承载能力、荷载传递、桩侧土压力、桩侧摩阻力、桩土荷载分担比及桩-土应力比等力学性状,并进行了带帽和无帽单桩复合地基现场足尺试验,对试验结果进行了深入地分析和研究。试验结果能为带帽PTC管桩复合地基理论研究提供合理的试验依据,并指导工程设计。     

竖向荷载下群桩-土-承台相互作用数值分析

在大桩径、小桩距的群桩条件下,不仅有来自桩侧、桩端和承台传递的多重应力叠加,还有群桩对桩间土的夹持作用影响,桩-土-承台之间作用更加复杂。用有限差分软件模拟固定桩距、桩径,变化竖向荷载下桩-土-承台的相互作用。从各层土的侧摩阻力、不同位置桩的桩顶荷载、荷载-沉降关系、桩间土体位移等方面的计算结果分析桩-土-承台之间的相互影响。结果表明,荷载超出117.8 MN（略大于Pu/2,Pu为群桩极限承载力）后,群桩对上部桩间土的夹持作用开始减小,桩侧上部侧摩阻力增大;桩侧下部侧摩阻力在多重应力叠加作用下呈减小趋势,不同位置的桩侧摩阻力影响范围有差异;用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的;当沉降与桩径的比值超出1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。