变截面桩竖向承载特性的数值模拟研究

以变截面桩为研究对象,采用FLAC3D对其竖向承载特性进行了数值分析,在分析中考虑了变截面桩的几何尺寸和土层分布的影响。研究结果表明:变截面桩中扩径部分的直径与未扩径部分的直径的比值δ越大,变截面桩的竖向极限承载力逐渐增大;变截面处接近桩顶时的竖向极限承载力比接近桩底时小;当扩径部分的长度逐渐增加时,变截面桩的竖向极限承载力逐渐增大;当变截面部分所处的土性为粘质土、变截面部分以下桩体所处的土性为砂土时,变截面桩的竖向极限承载能力明显高于相反的情况。     

砂土中螺纹桩承载特性的模型试验研究

通过室内模型试验,研究砂土中螺纹桩的竖向承载特性,比较分析螺纹桩与普通直桩承载性能的差异以及螺距对螺纹桩承载力的影响。静载荷试验后进行一系列土工试验,研究桩周土的物理力学性质。试验结果表明,在相同条件下螺纹桩的极限承载力约是普通直桩极限承载能力的1～4倍,极限状态下的平均桩侧阻力是普通直桩的3~4倍;在一定范围内,随着螺距的减小,螺纹桩的桩侧阻力可以得到有效的发挥,极限承载能力和控制沉降的能力逐渐增强。     

大直径变径桩竖向承载特性模型试验研究(I)

变径桩在桥梁桩基和软土地基处理得到了一定程度的应用,对其承载特性和工作机制的研究十分必要。通过室内大型模型试验,对大直径变截面单桩的荷载与沉降关系、桩侧摩阻力分布形式、桩身内力和桩端、变截面处的破坏模式等问题进行了探讨,试验结果表明,在桩顶截面相同的情况下,变截面桩竖向承载特性受变截面比影响显著,变截面比越小,竖向极限承载力越小。模型试验P-S曲线不存在最优变截面比,变截面比设计受桩横向受力特性的控制。变截面处土体挤土效应的发挥是以牺牲桩顶位移为代价,在只有到达一定桩身位移时,才体现明显的挤土效应,使承载力提高。     

五星形桩截面尺寸优化及竖向承载机制试验研究

五星形混凝土桩是一种新型截面异形桩,由圆截面均匀内切5个圆弧形成,其截面参数主要有被切割圆半径R、切割圆半径r、切割圆弧所对应的外包圆圆心角2x、外包圆弧对应圆心角θ。经截面尺寸优化分析,推导出周长最大化五星形桩和周长面积比最大化五星形桩。为进一步掌握五星形桩承载性能,以砂雨法制作土样,在干砂中进行了4根单桩对比模型试验研究,4根单桩为:周长面积比最大化五星形桩F_2、周长最大化五星形桩F_1、与F_2等截面周长圆桩C_1、与F_2等截面面积圆桩C_2。试验结果表明:与F_1相比,F_2的桩侧表面积与其相近,极限承载力大致相同,但F_2混凝土用量是F_1混凝土用量的0.75倍,单位体积混凝土承载力更高,F_2为最优的截面尺寸;与等截面面积小圆桩C_2相比,F_2桩侧表面积是其1.53倍,极限承载力是其2.4倍,显示出在相同混凝土用量下五星形桩F_2具有良好的承载性能,截面异性扩大效应明显;与相同截面周长的大圆桩C_1相比,F_2桩截面面积是其0.44倍,极限承载力是其0.96倍,但F_2桩单位体积混凝土承载力是C_1桩的2.21倍,显示出更高的承载性价比。各级荷载作用下五星形桩侧摩阻力所占比例在80%以上,特别是F_2桩,在90%以上,表现出摩擦桩的特性。研究成果可对五星形桩的工程应用提供一定理论支持。     

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。     

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。     

桩侧截面形式对扩底桩竖向抗压特性影响分析

针对常规楔形桩桩底进行注浆或夯扩施工形成的扩底楔形桩,具有单位材料利用率高、竖向桩侧摩阻力和桩端阻力较常规等截面桩高的技术优点。然而针对该新型桩竖向承载力提高幅度的定量试验研究相对较少。基于室内模型试验方法,开展两种桩周土(砂性土和黏性土)情况下扩底楔形桩竖向抗压承载力特性试验,测得桩顶荷载-沉降关系曲线,不同荷载等级下桩侧摩阻力、桩端阻力的分布规律及分担比;同时,开展等体积混凝土用量情况下的常规扩底桩的竖向抗压承载力特性试验作为对比分析。研究结果表明,试验条件下,砂性土中,等混凝土用量扩底楔形桩的极限承载力约为常规扩底桩的1.25倍;黏性土中扩底楔形桩和常规扩底桩的极限承载力比砂土中分别提高了11.1%和66.7%。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性,开展了室内单桩竖向静载模型试验,分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性,与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明:珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型,在加载过程中,荷载主要由桩侧摩阻力承担,轴力随着深度的增加而减小,桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小,随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加,桩身线膨胀量逐渐增加,桩-土相互作用更加明显。添加25%HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力,提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

几种缺陷单桩竖向承载性状的现场模型试验研究

为评价灌注桩在施工过程中因形成缩径、扩径、断桩、泥皮等缺陷导致单桩竖向极限承载力变化的程度,针对缺陷桩单桩开展了现场模型试验研究。进行正常桩和缺陷桩的竖向静载模型试验,测试单桩竖向极限承载力,对比缺陷桩和正常桩的单桩承载特性,分析了缩径、扩径、断桩、泥皮等缺陷对单桩承载性状的影响。对比正常桩和缺陷桩的荷载-沉降关系曲线,得出了基于文中缺陷桩设计方案的结论,缩径缺陷和泥皮缺陷均使单桩竖向极限承载力降低,降幅在正常桩极限承载力的15%范围内;扩径缺陷桩的荷载-沉降关系曲线无明显陡降点,桩顶沉降较正常桩递增缓慢;断桩缺陷影响荷载-沉降关系曲线中反弯点的出现位置,即反弯点出现时的桩顶位移与断桩缺陷距地表的距离有关。     

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。     

高桩码头基桩竖向承载力原型试验研究

单桩承载力的检测已有较多成熟的方法。高桩码头的基桩作为整个高桩码头体系的一部分,上部存在复杂的结构,对于此类结构型式,现阶段尚没有有效的方法检测其承载力。结合实际工程,提出区域堆载法检测高桩码头现役基桩承载力的技术,该方法不破坏码头现有的结构。现场进行高桩码头基桩承载力原型试验,在分级荷载作用下测试码头整体变形变位、基桩沉降、结构构件应变等。同时建立数值模型,对高桩码头基桩承载力进行计算分析,利用试验结果对数值模型进行修正,用修正后的数学模型对原型试验的全过程进行数值模拟,对比分析数值计算与试验结果表明,两者吻合较好。经综合分析,最终确定高桩码头基桩的竖向承载力可以达到1 400 kN,码头结构处于安全状态,其结果为码头改造的方案设计提供了试验依据。     

PHC管桩水平承载力试验研究

在统计福州地区56根预应力高强混凝土（PHC）管桩单桩水平静载荷试验资料基础上,结合《建筑桩基技术规范》规范推荐的m法计算,讨论了福州地区PHC管桩的水平承载力取值问题。对不同桩型的单桩水平静载试验进行m值反算,与规范推荐的m值相比较,探讨了福州地区不同桩周土层的m值取值范围。用规范推荐的两种力学模型分别计算了某试桩的弯矩曲线,与ABAQUS有限元软件模拟得到的弯矩曲线对比,验证了规范推荐的两种模型的适用性。结果表明,本地区采用m法确定PHC管桩的单桩水平承载力是适用的;上覆填土层的物理力学性状对淤泥层中PHC管桩水平承载力影响较大,宜采取规范附录中的“桩端支撑在非岩石类土中或基岩面”的模型计算本地区PHC管桩的水平承载力。     

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     

斜坡基桩水平极限承载力及影响因素模型试验和数值模拟

斜坡上的基桩具有承重和阻滑的双重功能,其受力变形性状远比平地上的情形复杂。采用模型试验和数值模拟相结合的方法研究了其水平承载特性及影响因素。模型试验结果表明：临坡距对基桩的水平承载变形性能有较大影响。同一级荷载下,临坡距较大的桩身水平位移小于临坡距较小的基桩;临坡距较大基桩的临界荷载和极限承载力也大于临坡距小的基桩。数值模拟研究结果表明：基桩水平极限承载力随着斜坡坡比的增大而减小,随着临坡距的增大而增大,与模型试验的结果基本一致。对比分析了斜坡和平地基桩水平承载变形性能的差别,得出了可考虑坡比和临坡距的斜坡基桩水平极限承载力简便计算方法,可为有关规范的修订以及工程设计提供参考。     

井筒式地下连续墙水平承载能力模型试验研究

井筒式地下连续墙利用构造接头把地下连续墙段连接成一个平面为封闭形状挡土结构,其刚度大,承载力高。由于基础内部含有大面积的土芯,存在墙内土芯、墙体以及外部土体的相互作用。采用水平单向单循环维持荷载法,通过3个不同截面尺寸的单孔闭合墙水平静载试验,研究闭合地下连续墙基础的水平承载特性。基于墙身内力及位移测试结果,研究了井筒式地下连续墙基础在水平荷载作用下的承载机理,分析了水平荷载-位移特性、墙身位移、墙身弯矩、剪力、转角随深度的分布规律。试验结果表明,闭合墙基础呈整体倾斜破坏特性,墙身弯矩随墙深呈非线性变化,墙身剪力在加载处最大,在墙身弯矩极大值处墙身剪力为0,0点以下,墙身剪力随深度呈“大肚形”变化,并且闭合墙的承载力随着闭合墙边长的增大,深度的提高而提高。