夹硬层土中单桩贯入挤土效应的数值模拟

桩贯入土体产生的挤土效应问题较为复杂。利用ABAQUS软件建立了单桩贯入夹硬层土和均质土的二维轴对称有限元模型,经过分析比较,得出了单桩贯入夹硬层土体所特有的位移场及应力场的变化规律。分析表明：桩贯入夹硬层土过程中,软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈;硬土层的存在,会使土体水平及竖向位移受到约束;夹硬层土的水平挤压应力要远大于均质土情况;与水平应力相比,竖向挤压应力在硬土层处明显偏小。     

静压单桩挤土位移的有限元分析

在大型通用软件ANSYS平台上,对静力压桩的连续贯入全过程进行有限元模拟,并对静压单桩的挤土位移进行详细地分析,给出了桩土模量比、桩土间摩擦系数、土体泊松比对挤土位移场的影响规律。利用位移贯入法使桩体贯入,考虑了弹塑性本构关系、自重应力场、大变形和桩-土滑动摩擦等复杂问题,更符合静力压桩的实际,具有仿真效果。     

静力压桩数值模拟的位移贯入法

在通用软件ANSYS平台上对静力压桩进行数值分析。提出了位移贯入法,巧妙地利用边界位移条件使桩体贯入,可以考虑弹塑性本构关系、大变形和桩-土滑动摩擦等复杂问题,更符合静力压桩实际情况,具有仿真效果。     

层状地基静压桩贯入过程机理试验

通过在多层软粘土地基中静力压入单桩的室内模型试验,对模型桩在整个沉桩过程中压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力随桩贯入深度的变化情况进行了研究,获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律以及桩周土体应力的分布特征。并对开口管桩和闭口管桩贯入试验情况进行了比较分析,揭示了不同桩端形式桩在贯入过程中桩动侧摩阻力的发展规律,以及分层土体中开口管桩贯入过程中土塞的变化情况。试验结果表明：在粘性土中沉桩时,压桩阻力主要来自桩端向下穿越土体产生的端阻力,而侧摩阻力较小;由于桩侧水平应力的释放使得同一深度点上的动摩阻力随着桩的下沉表现出不同程度的降低,出现摩擦疲劳。     

沉桩挤土效应的模型试验研究

通过在软粘土中静力压入单桩和双桩的模型试验, 研究了沉桩挤土效应, 获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度方向变化的规律, 并对压入单桩与双桩的试验结果进行了比较分析。     

饱和软黏土中足尺静压桩挤土效应试验研究

饱和软黏土地基中静压桩挤土效应是岩土工程中常见的问题。监测土体侧向位移、孔隙压力、地面隆起随压桩过程变化的规律是很多研究者希望实施的计划。在饱和软黏土地基中进行了3根足尺静压桩的压入试验,重点监测了沉桩时的侧向位移随深度和距桩轴不同距离、地面隆起量随桩的贯入深度和距桩轴不同距离、孔隙压力随桩的贯入深度和时间的变化规律,并分析了超静孔隙水压力最大值沿径向和深度的变化特性。由测试结果可知,最大的侧向位移发生在距地表0.75L附近,地面隆起从桩贯入开始迅速发展,并在桩压入到6 m左右时达到最大值,测点处超静孔压增量的最大值发生在桩端到达该点所在水平面时,而超孔压的最大值沿径向有滞后性。     

静力压桩挤土效应的防治措施探析

静压压桩具有低噪声、无振动、工期短、单桩承载力质量可靠等特点,但在施工过程中易产生挤土效应,对周围的工程地质环境造成不良影响：诸如使桩周围土体产生相当大的竖直隆起和水平位移,使邻近已压入的桩产生上浮,桩位偏移等。通过分析河（海）相、土台阶地及冲洪阶地的地基特点,对静力压桩时挤土效应及其施工时对周围环境的影响规律进行了总结,指出河（海）相沉积的阶地和土台阶的挤土效应影响量较小,冲洪阶地的静力压桩的挤土效应影响程度较严重,并根据不同情况,提出了相应的预防措施,为今后该地区静力压桩的施工提供参考依据。     

考虑大变形的静力压桩数值模拟

静力压桩过程是一种稳态贯入过程。该过程使得桩周附近区域的土体产生较大挤压作用,并出现了较大变形,因而基于传统小变形的有限元分析与真实的贯入过程有着较大的误差。基于更新的拉格朗日列式法,分析压桩时产生的大变形,引入桩-土界面间的接触作用,桩周土体采用Mohr-Coulomb模型,并运用有限元方法进行数值分析,较好地实现了静力压桩过程的数值模拟。     

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明：压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。     

基于桩身应力测试的静压PHC管桩贯入机制

压桩过程中PHC管桩侧摩阻力与端阻力的分离是制约其贯入机制及承载力研究的瓶颈。通过桩身预埋准分布式FBG光纤传感器,对贯入成层土地基中5根足尺开口PHC管桩侧摩阻力及端阻力发展变化情况进行了监测。试验表明,准分布式光纤传感测试技术现场可操作性强,粗放施工环境下贯入阻力分离效果较为理想。成层土地基中压桩力曲线基本反映地层土性变化,桩端土层性状对压桩力影响较大。硬质土层界面处试桩压桩力平均增幅约为64.06%,端阻力受地层变化影响更为显著,平均增长幅度约为97.41%,侧摩阻力平均增长幅度约为17.92%;桩端位于非硬质土层试桩压桩力变化不明显。贯入过程中现场足尺试验桩身应力变化不同于室内模型试验,桩身上、下部侧摩阻力发挥的力学机制不同。受现场粗放施工条件及深度方向土层变化影响,贯入成层土地基中桩侧摩阻力临界深度现象不明显。     

Discrete element modelling of deep penetration in granular soils

This paper presents a numerical study on deep penetration mechanisms in granular materials with the focus on the effect of soil–penetrometer interface friction. A two‐dimensional discrete element method has been used to carry out simulation of deep penetration tests on a granular ground that is under an amplified gravity with a K₀ lateral stress boundary. The numerical results show that the deep penetration makes the soil near the penetrometer move in a complex displacement path, undergo an evident loading and unloading process, and a rotation of principal stresses as large as 180°. In addition, the penetration leads to significant changes in displacement and velocity fields as well as the magnitude and direction of stresses. In general, during the whole penetration process, the granular ground undergoes several kinds of failure mechanisms in sequence, and the soil of large deformation may reach a stress state slightly over the strength envelope obtained from conventional compression tests. Soil–penetrometer interface friction has clear effects on the actual penetration mechanisms. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。     

灌注桩套管高频振动贯入过程中挤土效应研究

随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管高频振动贯入机制,特别是套管贯入引起的挤土效应研究还不全面。全面介绍了套管高频振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对地表隆起、土体侧移及超孔隙水压力等挤土效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明：水平向的挤土位移随套管贯入深度的增加而增大,竖向挤土位移随着套管贯入深度的增加,浅层土表现为隆起量增大,而深层土表现为下沉量增大;最大挤土位移与套管贯入深度存在滞后效应;浅层土体的隆起为水平向应力加载引起竖向应力增加所致,且隆起分界面深度随着动力荷载幅值增大而增大,随振动频率的增大而减小;超孔隙水压力随套管贯入深度增加而增大,随径向距离增大呈指数型衰减。     

扁铲探头贯入干砂的位移特征试验研究

扁铲侧胀试验（DMT）已在国内外岩土工程勘察、地基加固效果评价等领域中得到广泛应用。DMT的测试过程在扁铲探头贯入到测试位置后进行,因此探头的贯入过程对土体造成的扰动在一定程度上将直接影响测试结果。目前关于扁铲探头的贯入机理,以及贯入过程可能引起的土体扰动及其对测试结果的影响尚未研究清楚。通过室内模型试验手段,进行扁铲探头贯入不同初始密实状态下均质干砂的试验研究,分析了探头贯入过程中产生的土体位移场分布特征。试验结果表明:扁铲探头的楔形部和膜片所在的侧胀部贯入产生的挤压作用是引起土体变形扰动的主要原因;探头楔形部的贯入过程表现为向下和向斜侧面挤压土体,竖向位移量很小,产生向两侧扩展为主的扁状位移场,而探头侧胀部的贯入过程主要表现为向两侧面水平向挤压土体,产生半椭圆状水平位移场且分布范围明显更大,同时探头侧面表现为一定的剪切作用而产生较窄范围的竖向位移场。另外,扁铲探头贯入干砂产生的位移场受砂土初始密实状态的影响较小,主要表现为探头楔形部周围的位移场分布范围随密实度增大而扩大。     

考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力数值分析及试验验证

鉴于传统的筒型基础沉放阻力计算公式或数值分析方法均没有考虑筒壁内外侧挤土效应的差异,对于窄深型或是带分舱板的宽浅型筒型基础,由于筒壁或者分舱板的约束作用,基础内侧挤土效应有时远大于外侧,用传统方式计算沉放阻力可能存在较大误差。为揭示筒壁内外侧挤土效应的差异情况,采用显式的任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,针对土体大变形和接触非线性等问题,建立了能够实现筒型基础动态、连续沉放过程的有限元模型,模拟出了筒壁内外侧挤土效应。数值分析结果表明,当入土深度与筒径比达1.6时,筒壁内侧压力可达外侧的10倍左右。通过分析下沉过程中筒壁内外侧土体位移及应力分布,阐述了筒壁内外侧挤土效应差异的机制。最后,提出了考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力计算公式,计算与试验结果吻合良好,大大提高了筒型基础沉放阻力的计算可靠性。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法充灌袋挤淤过程的有限元研究

在含水率大、承载能力低的软土地基上,利用充灌砂袋进行挤淤置换的方法工艺简单、施工方便、处理效果明显,已经广泛地应用在建造围埝和修筑道路中。充灌袋下沉到一定深度后,其重量与地基承载力相等,从而达到极限平衡状态。充灌袋挤淤所达到的深度与其高度存在一定的对应关系,在工程中确定此关系十分重要。通过3组不同宽度的挤淤模型试验,得到充灌袋下沉量与充灌袋高度的曲线关系、淤泥的位移特性及隆起量。利用ABAQUS中耦合欧拉-拉格朗日法（CEL法）,将充灌袋和淤泥分别用拉格朗日体和欧拉体描述,模拟充灌袋挤淤下沉的过程,将模拟得到的充灌袋下沉深度和高度的关系、淤泥的位移特点与试验结果以及理论公式进行对比。结果表明,CEL法模拟得到的结果与试验结果、理论解具有很好的吻合性,说明利用CEL法可以较好地模拟充灌袋的挤淤问题。     

Arbitrary Lagrangian Eulerian based finite element analysis of cone penetration in soft clay

This paper presents a numerical model for the analysis of cone penetration in soft clay based on the finite element method. The constitutive behaviour of the soil is modelled by modifying an elastic, perfectly-plastic soil model obeying Von-Mises yield criterion to take into account the strain-softening, rate dependent behaviour of soft clay. Since this is a problem involving large soil deformations, the analysis is carried out using an Arbitrary Lagrangian Eulerian method where the quality of the mesh is preserved during penetration. The variation of cone resistance is examined with various parameters such as rigidity index of the soil, in situ stress anisotropy and roughness at the cone–soil interface, which influence the penetration resistance of the cone. A theoretical correlation has been developed incorporating these parameters and the results have been compared with previous correlations based on the cavity expansion theory, finite element method and strain path method. With the increase in strain-softening, relative brittleness of the soil increases and the penetration resistance is significantly reduced. With the rising strain-rate dependency, penetration resistance increases but this increase is independent of the degree of brittleness of the soil.     

黏土中自升式钻井船插桩对邻近桩基影响的分析方法

自升式钻井船是广泛用于浅、中水域油气资源开发的重要设施,经常紧邻固定式导管架平台进行作业。钻井船插桩就位过程中大量土体被排开,挤土效应会导致邻近导管架平台桩基承受很大的附加荷载,影响平台的正常设计性能,该效应在黏土中尤为显著。针对黏土中钻井船插桩对邻近桩基的影响这一实际问题,现有规范和分析方法存在明显不足。为此,建立了一套数值分析方法,把这一复杂问题分解成相对独立、简单的两个方面进行分析：一是采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）数值方法,计算自由场地插桩周围土体产生的位移场;二是利用桩基水平力与位移关系曲线,即P-Y曲线,采用杆系-土弹簧的传统方法计算土体位移产生的桩体加载。通过与已有离心试验数据的比较,验证了该方法的可靠性和适用性。研究揭示了自由场地土体的变形模式和流动机制,阐明了由于插桩邻近桩基产生的附加荷载变化规律,特别是发现了黏土变形参数 对插桩引起的自由场地土体位移场有显著影响,但对插桩引起的桩基加载影响较小。最后,针对导管架对桩基的桩头约束条件和插桩及导管架自身对桩基的线性叠加加载适用性问题给出了详细说明。