现浇混凝土薄壁管桩复合地基桩土应力比影响因素分析

桩土应力比是复合地基设计计算中一个重要参数。基于盐―通高速公路单桩复合地基静载试验,通过有限元模拟,研究了褥垫层模量和厚度、桩体模量、桩长、基础刚度等影响因素对现浇混凝土薄壁管桩复合地基桩土应力比的影响。结果表明所建立的模型是合理的。褥垫层模量增大或厚度减小导致桩土应力比增大,桩体模量、桩长和基础刚度的增加可使桩土应力比增加。     

按桩的割线刚度确定深厚覆盖土层中普通桩有效桩长

在提出的基桩有效桩长定义基础上,提出了桩的割线刚度控制法来确定有效桩长,并采用线弹塑性荷载传递函数,将其应用于确定深厚覆盖土层中普通桩有效桩长。分析了桩土刚度比K,桩径D,桩顶沉降量So,桩侧土极限位移Um,桩端土弹性模量与桩周土弹性模量比值Ko及土层泊松比μ对普通桩有效桩长的影响,其结果表明,除Ko和μ外,其余均有一定或较大地影响。为了将理论分析应用到工程桩中,对参数的取值进行了分析。     

黏弹性地基中PCC桩扭转振动响应解析方法研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土扭转耦合振动,把桩看作一维杆,将土体视作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇混凝土大直径管桩（简称PCC桩）扭转振动频域特性进行了理论研究,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩顶扭转频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,并与经典平面应变解进行对比,验证了解析解的合理性。分析了桩长以及土体黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响,得到了各参数对桩扭转振动特性影响的规律。分析表明：桩周土黏性阻尼系数增大可以显著提高桩顶扭转复动刚度和减小速度导纳振荡幅值,而桩芯土黏性阻尼系数的影响不明显;桩长越长,桩顶复动刚度越大,速度导纳振荡幅值越小,但当桩长增大到一定程度时,再继续增加桩长,桩顶复动刚度基本没有改变。     

成层饱和土中考虑横向惯性的单桩纵向振动

基于饱和多孔介质理论,研究了成层饱和黏弹性土层中端承桩的纵向振动特性。首先利用Novak薄层法,得到了土层对纵向振动桩的动力阻抗。其次,将桩等效为Rayleigh-Love杆,给出了成层饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的一般分析方法和桩头动力复刚度的解析表达式。具体分析了两层饱和黏弹性土中端承桩的纵向振动特性,得到了桩头动刚度因子和等效阻尼随频率的响应特征,讨论了物理和几何等参数对动刚度因子和等效阻尼的影响。结果表明：桩长径比、土层模量比以及桩土模量比等对桩头动刚度因子和等效阻尼有显著的影响。相比于均质土层中的桩,上层土越硬或下层为软弱土层,桩的动刚度因子和等效阻尼振动幅值增大,其周期随长径比显著变化,且对于大直径桩,动刚度因子和等效阻尼随频率呈振动变化。同时,土体与孔隙水相互作用系数和桩泊松比等的影响相对较小。其结果可作为桩基动力基础设计和动力检测等基础数据。     

轴力作用下液化土中端承桩的水平振动特性

将地震液化场地土层分为非液化表层土、中部的液化土层和底部的基层,基于饱和多孔介质理论和Novak薄层法,研究轴向压力作用下液化黏弹性土层中端承桩的水平动力特性。利用Helmholtz分解和变量分离法,得到液化土层对桩水平振动的阻抗。利用矩阵传递法,在频率域得到轴力作用下液化土层中端承桩简谐振动的解析解和桩头复刚度的表达式,并进行参数研究,分析轴力、桩-土模量比、桩长径比、液-固耦合系数等对桩头动力刚度和阻尼的影响。结果表明,在轴力作用下,不同长径比、桩-土模量比、液-固耦合系数时的动力刚度绝对值均比无轴力作用时减小,但随频率的变化趋势相同;轴力对桩水平振动的动力阻抗影响显著,随着轴力的增加,桩的水平振动动力刚度因子的绝对值减小,若轴力继续增大,其绝对值趋近于0,桩发生失稳破坏;桩长径比和桩土模量比对桩的水平振动动力阻抗有显著的影响,而液-固耦合系数的影响较小。     

非饱和土中端承桩水平振动特性研究

针对非饱和土中桩的水平稳态振动问题,采用三相多孔介质波动方程,考虑固、液、气三相材料间的惯性和黏性耦合效应以及基质吸力的影响,通过Helmholtz矢量分解及分离变量法解耦波动方程,并将基桩等效为能描述其剪切变形和转动惯性效应的铁摩辛柯（Timoshenko）梁模型,采用Novak三维连续介质模型对非饱和土中端承桩的稳态水平振动进行了理论推导,获得了桩顶水平频域响应解析解,讨论了饱和度对土层和桩顶阻抗的影响以及桩身位移、内力沿深度的分布规律。结果表明,随着土体饱和度的升高,土层复阻抗和桩顶动力阻抗增大,桩身位移和内力则相应地减小;饱和度,包括渗透系数在内的影响仅在土体接近准饱和时才得以发挥;频率较低时,短桩拥有较大的刚度因子。桩长越长,阻抗因子越大,而共振频率越低。当长径比超过10时,桩顶阻抗不再随长径比的增加而改变。     

基于差异沉降和轴向刚度控制的竖向荷载作用下群桩基础优化分析

目前在群桩设计中仍大多数采用均匀等长布桩的方法,这种方法在基础受力、变形等方面存在较大的缺陷。考虑增大群桩轴向刚度和减小群桩基础差异沉降的条件下,将群桩基础位移函数与桩长优化函数相结合,在对基础采取行变换、平面变换的方式下,通过设置不同的桩长比值ξ、连接曲率值η设定不同布桩方案,分析不同方案下群桩基础轴向刚度比、差异沉降比的变化规律;并利用数值模拟法对所得优化结果的可靠性进行验证。此外,针对不同桩土刚度比、不同桩间距对群桩基础的轴向刚度比和差异沉降比进行了参数分析。研究结果表明：不同群桩基础优化变换方式、不同桩长对群桩基础优化结果会产生不同的影响;当优化目的是为增加群桩基础刚度时,应主要考虑行变换的优化方式,当优化目的是为减小基础差异沉降时,应主要考虑平面变换的优化方式;基础轴向刚度比随着桩土刚度比的增加而增大,随着桩间距的减小而增大;基础差异沉降比随着桩土刚度比的增加而减小,随着桩间距的减小而减小。     

非均质土中桩端扩散虚土桩法的桩基纵向振动研究

根据桩端土应力扩散的规律,建立了桩端扩散虚土桩模型。基于该模型对非均质土中桩-土纵向耦合振动进行研究。利用复刚度传递多圈层平面应变模型,得到桩与虚土桩桩侧土的剪切复刚度。结合边界条件、初始条件和连续条件,对扩散虚土桩和实体桩动力方程从底层往顶层逐层进行求解,得到桩顶动力响应的频域解析解和时域半解析解。通过对桩端扩散虚土桩扩散角、扩散层厚度、桩侧土非均质性和桩长的影响进行计算分析,得到基于扩散虚土桩法桩-土纵向振动响应特性。研究结论可为桩基础动力设计和动态检测提供理论依据。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。     

基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析

基坑开挖时尤为关注的问题是土体侧向移动对邻近桩基的不利影响,土体的侧向移动使邻近桩基产生侧向位移和附加应力及弯矩,甚至可能使上部建筑物功能失效。采用土工有限元软件Plaxis 8.2对内支撑排桩支护基坑开挖过程进行数值模拟,分析了基坑开挖时对邻近桩基的各种影响因素,包括单排桩、双排桩在不同开挖深度、支护桩的刚度、桩基刚度、桩基距基坑开挖面距离、桩身的约束和桩长条件下桩身水平位移和弯矩的变化特性。     

基于最小势能原理的桩锚支护结构空间变形分析

以矩形基坑桩锚支护结构为研究对象,通过分析现场实测数据和数值分析结果,归纳出了冠梁和支护桩的空间变形模式,进而建立了整个支护系统的能量表达式。利用最小势能原理,推导了支护桩桩顶最大位移的解析解,并分析了各主要支护参数对该位移的影响。研究结果表明：桩顶最大位移随着坡顶超载和桩间距的增大而线性增大,但随着锚杆刚度的增大而减小;当基坑深度系数逐渐增大时,桩顶最大位移也逐渐增大,但趋势渐缓;基坑长度对桩顶最大位移的影响也较大,但当其超过临界长度后,桩顶最大位移逼近最大值;同样,锚杆安设也具有临界高度,当处于该位置时,桩顶最大位移达到最小值。最后,利用上述研究成果对广州太平广场花园基坑进行了验证,并与现场监测结果作了对比,计算结果能够满足工程要求。     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

基于传递矩阵法的层状土中管桩水平动力阻抗分析

在考虑土体分层特性的基础上,分别建立了管桩桩周土体和桩芯土体的水平振动控制方程。通过引入势函数并考虑桩周土和桩芯土径向位移和环向位移的边界条件及其奇偶性,求得了管桩-土动力相互作用的刚度系数和阻尼系数。将土体模拟为连续分布的弹簧-阻尼器,并考虑桩芯土和桩周土的作用,建立了层状土中管桩的水平振动方程。借助初参数法和传递矩阵法求解了管桩的水平振动,得到了管桩桩顶的水平动力阻抗。通过数值分析,得到了土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比、土层厚度等对管桩桩顶动力阻抗的影响规律。土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比对层状土中管桩水平振动的影响主要在低频处,土层厚度在较宽的频率范围内对管桩水平振动有影响;管桩壁越厚,桩周土的剪切模量越大时,管桩水平动力阻抗的绝对值越大。     

悬浮桩水平振动的动力刚度

通过将悬浮桩截面下土体等效为土桩,利用桩的水平振动土阻抗结果,分析了桩、土桩构成的组合桩在频率域内的动力响应,给出了黏弹性土层中黏弹性悬浮桩水平振动动力刚度的半解析解,得到了动力刚度随各种物性参数的变化曲线。在此基础上,研究了物性参数对刚度的影响,对比了细长桩和短粗桩的响应差异。结果表明,悬浮桩水平振动的动态刚度受桩长、土的软硬程度、水平激振频率等的影响,这些结果可以为工程设计提供参考依据。     

不同刚度约束对能量桩应力和位移的影响研究

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术,其实际工作过程中,热荷载会引起桩体的膨胀或收缩,而桩顶建筑和桩底持力层则会对桩体变形产生约束,进一步影响桩体的应力和位移,但是目前对该问题的研究却十分有限。基于模型试验和数值模拟方法,对桩顶和桩底不同约束条件下两种埋管形式（单U和W型）的桩体位移和热应力进行了分析,并进一步探讨了位移零点随桩顶和桩底约束条件的变化规律。研究结果表明,随着桩顶上部荷载约束刚度的增大,桩体位移零点上移,桩体热应力随着深度增大而减小;随着桩端土体约束刚度的增大,桩体位移零点下移,桩体热应力随着深度增大而增大;相较于无外荷载,工作荷载作用下位移零点上移。