超长群桩的模型试验研究

针对超长群桩使用较多而深入研究较少的现状,设计并完成了不同桩间距的3组超长群桩模型试验。通过超长群桩模型试验数据分析了超长群桩的荷载传递机制和承载力特性,得到了超长群桩侧阻力与桩间距的关系、超长群桩承载力与桩间距的关系以及超长群桩效应系数与桩间距的关系。通过超长群桩轴力分布研究了超长群桩的有效桩长问题,其结果对于超长群桩的理论研究和工程应用具有重要参考价值。     

螺旋群桩基础承载性状试验研究

根据螺旋群桩现场静载试验结果,分析了螺旋群桩基础承载性状的影响因素,讨论了极限荷载下群桩几何参数对螺旋群桩的桩端阻力和桩侧摩阻力的影响。结果表明,螺旋群桩承载性状受到相邻桩的叶片距离以及首层叶片到承台底面间的桩长度影响明显。在叶片桩距比（桩间距比叶片直径）小于2时,螺旋群桩静载试验的荷载-位移曲线呈缓变形,无明显的拐点,群桩破坏属于整体破坏。同时,螺旋桩的叶片有助于减小承台下桩间土变形活动区的高度,增强了桩-土-承台的相互作用,减小了群桩基础沉降量。     

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。     

基于相互作用系数探讨的群桩简化分析

相互作用系数法是群桩分析的一种有效的数值计算方法,该方法关键在于确定群桩的相互作用系数。传统的弹性分析方法所得的相互作用系数值偏大,计算结果与实测值差距不小;采用考虑土体弹塑性特征和桩土界面接触的三维有限元方法计算相互作用系数可以有效减少弹性方法的计算偏差,在此基础上推导了高承台群桩的简化分析方法。根据ABAQUS平台进行了大量三维有限元计算,分析了荷载水平、桩土模量比、桩距径比和桩长桩径比对相互作用系数的影响;比较了不同方法下相互作用系数的变化规律。通过有限元方法确定的相互作用系数对两群桩工程实例进行分析,计算结果表明该方法最接近于实测结果。     

考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降解析

考虑沉桩效应对桩周土体力学特性的影响,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型。在此基础上,根据群桩加载过程中桩周土体的变形模式,基于荷载传递法描述桩-土界面的非线性行为,采用剪切位移法考虑群桩之间的相互作用,提出了考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降混合计算方法。通过开展离心模型试验对该计算方法解答进行了验证,研究了沉桩效应和桩-土界面非线性特征对群桩承载特性的影响。研究结果表明,沉桩效应对桩周土体起到挤密作用,使得桩周土体的强度和刚度增大,从而提高了群桩的承载特性。群桩加载过程中桩-土界面刚度随沉降变形而逐渐减小,使得群桩荷载-沉降曲线呈现出明显的非线性特征。     

层状土中群桩非线性沉降的摄动分析

采用包含一个内变量的连续化St Venant模型,即连续的Masing-Iwan模型,模拟桩-土界面扰动区土体的非线性行为。基于两种分析单桩的荷载传递模型,假设桩-土-桩相互作用为弹性且服从叠加原理,推导出了适用于群桩中基桩的两种荷载传递新模型。采用荷载传递法建立了单桩和群桩的非线性控制方程,提出了近似求解该控制方程的摄动分析法,得出了单桩和群桩的荷载沉降和轴力分布方程。所得结果表明,在低荷载水平下严格趋近于弹性解;而在高荷载水平下,能够反映直到破坏阶段的桩的荷载-沉降特性。通过一个现场试验的理论预测结果与实测数据的对比分析,验证了方法的有效性和适用性。     

基于刚性承台群桩沉降的可靠度研究

针对在总结目前的群桩可靠度设计理论完全是基于承载力,提出了对于超大超长群桩基础采用基于沉降的可靠度设计概念,其中沉降计算模式考虑了桩身压缩以及桩端刺入量。在讨论了计算参数的分布规律后,用蒙特卡罗方法进行了可靠度指标的计算。通过一个算例表明,荷载水平增加会导致群桩可靠度指标急剧降低;可接受位移增加,可靠度指标增大,但这种趋势逐渐变缓。     

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。     

群桩荷载位移特性研究

将杆系结构有限单元法与荷载传递迭代法相耦合,形成一桩基沉降分析计算的混合法。采用近似解析解中Randolph and Wroth’Model与双曲线模型相结合,模拟桩身与桩周介质边界上剪切滑移的非线性。桩间相互作用在采用弹性理论Mindlin方程解答计算,并考虑了桩间“加筋与遮帘”作用。桩周土介质非均质性特征,采用指数函数模拟。分析了刚性承台下群桩桩数、桩长、桩间距和桩土模量比等群桩工作特性的影响。尤其是桩台基础沉降对群桩相互作用影响机制的研究,对桥梁拼接等对桩基础沉降要求严格的工程有重要的借鉴意义。     

承台外区土阻力群桩效应及效应系数的有限元分析

利用三维弹塑性有限元方法,对复合桩基承台外区土阻力群桩效应及其效应系数进行了研究,讨论了土类、桩长、桩距、桩数等对承台外区土阻力群桩效应及其群桩效应系数的影响,结果表明(1)承台外区土阻力随承台宽与桩长之比 (B/L)的增大而增大,但增幅不大;随桩距S增大而增大;受桩数n的影响不大。(2)承台外区群桩效应系数随B/L增大几乎无变化;随S增大而增大;不随n变化而变化。(3)承台外区群桩效应系数与土类有关。     

膨胀土地基中隧道施工对群桩影响研究

在膨胀土地基中进行隧道对群桩影响的三维离心模型试验研究,目标地层损失比为2%,着重研究引起的地基沉降槽、桩的附加沉降、附加弯矩、轴力的变化规律。试验得出：隧道开挖沉降槽空间效应明显;隧道开挖从-0.75D至1.25D时,桩附加沉降呈线性增长,隧道开挖至1.25D以后,桩依然沉降明显。前桩与后桩沉降值不同,桩帽会出现倾斜;前桩上部出现负附加弯矩而下部出现正附加弯矩,而后桩仅在下部出现正附加弯矩;前桩附加弯矩最大值出现在隧道轴线附近,且比后桩附加弯矩大得多;前桩附加轴力随着隧道的开挖而增加,且每步最大值在隧道轴线附近。后桩的轴力也随隧道的开挖而增加,但每步最大值出现在桩顶附近。     

超大型深水群桩基础的传感器保护技术

苏通大桥主塔墩群桩基础是世界上规模最大的群桩基础,由131根长117 m的超长钻孔灌注桩组成。在这样的工程环境下工作的传感器不仅要承受巨大的压力作用,还受一些施工因素影响,极易损坏。为了提高传感器埋设的成活率,经过多次现场试验,提出了包括混凝土应变计、表面应变计、静力水准和水深传感器等多种传感器的保护技术。传感器保护技术的实施,使得传感器成活率得到保证,整个监测系统的平均成活率超过96%。并利用实测数据分析了超长桩的荷载传递和不均匀沉降规律,结果表明,超长钻孔灌注桩的荷载传递规律有别于一般的桩基础;大型群桩基础的不均匀沉降主要表现在横桥向,纵桥向的不均匀沉降可以忽略。     

群桩效应有限元分析

利用有限元方法,对竖向荷载作用下复合桩基的群桩效应进行了计算分析,讨论了桩长L、桩距与桩径之比Sa/d、桩数n、土类等对群桩效应及群桩效应系数η的影响。结果表明：复合桩基中各个基桩的极限承载力Qu及η随L增大而增大;当Sa/d小于某个数值时,Qu,η随Sa/d增大而增大;当Sa/d大于某个数值时,Qu,η随Sa/d增大而减小。群桩效应及η与土类有关;η存在极大值,随n增多而减小,但减幅不大。     

A variational approach for vertical deformation analysis of pile group

A variational approach for the analysis of vertical deformation of pile groups is presented. The method assumes that the deformation of piles can be represented by a finite series. The method applies the principle of minimum potential energy to determine the deformation of piles. Using this method, an analytical solution for pile groups in soil modelled by the theoretical load–transfer curves can be obtained rigorously. Analysis of field tests indicates that the method can predict the performance of pile groups reasonably well.     

低承台扩底楔形桩群桩效应系数研究

基于模型试验方法,开展砂土中竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩桩-土相互作用模型试验,测得不同荷载等级下桩顶荷载-沉降关系曲线、桩端阻力以及桩身轴力等分布规律,同时开展扩底楔形桩单桩竖向承载特性试验作为对比分析。结合JGJ94规范规定的承台效应系数和群桩效应系数,对扩底楔形桩群桩竖向极限承载力进行了理论计算分析。研究结果表明,文中试验条件下竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩的综合效应系数分别为1.16和1.10;无承台作用下2×1和2×2扩底楔形桩群桩的群桩效应系数分别为0.95和0.88;理论计算中扩底楔形桩承台效应系数和群桩效应系数可以参照等直径桩的相关规范取值。     

钙质砂中模型桩的试验研究

根据钙质砂中桩基工程的现状,针对取自南沙群岛永暑礁的钙质砂,设计一个室内模型试验装置来研究钙质砂中钢管桩的承载和变形性能以及影响因素,并进行了石英砂中的对比试验。试验结果表明,钢管桩在钙质砂和石英砂中的表现有着显著差异。钙质砂中钢管桩承载能力很低,仅为石英砂的66%～70%,钙质砂中桩身轴力衰减速率缓慢,桩侧摩阻力远远小于石英砂的,仅为石英砂的20%～27%,并具有深度效应,开口钢管桩和闭口钢管桩的桩侧摩阻力相差不大。同时表明,钙质砂中桩侧摩阻力对相对密度的变化没有石英砂敏感,受相对密度影响很小。由颗粒破碎引起的桩周水平有效应力的大幅降低是造成钙质砂中钢管桩桩侧摩阻力低的主要原因。     

An analysis method for the influence of tunneling on adjacent loaded pile groups with rigid elevated caps

Tunnel excavation could influence the working performance of adjacent pile foundations. How to accurately predict the tunneling‐induced pile responses is becoming an important issue in urban areas. Previous methods tend to neglect the influence of working loads on the tunneling‐induced pile responses. In this paper, a two‐stage analysis method is proposed to study the behavior of pile groups with rigid elevated caps subjected to tunneling‐induced ground movements, in which the pile–pile interaction, coupling of longitudinal and lateral deformation, and influence of working loads are considered. This method is validated by comparing the results with those from a general pile analysis program, GEPAN, centrifuge test data and field measured data. Thereafter, a series of parametric studies is carried out. The results show that the influence of working load on tunneling‐induced pile responses is significant. Three different features of the pile responses will take place for different depth ratios. With the increase in soil stiffness, the tunneling‐induced axial force increases linearly, whereas the bending moment increases nonlinearly. For soils with high stiffness, the maximum bending moment increases linearly with the ground loss ratio within the range of 0–5%; but for soils with low stiffness, this tendency becomes obviously nonlinear. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

水平荷载作用下群桩相互作用的弹塑性数值分析

本文利用三维弹塑性有限元法对水平荷载作用下群桩基础特性进行了分析,讨论了群桩基础水平荷载作用下的承载性状和破坏机理,并探讨了桩距、桩数、桩长、桩径和土质各种因素对群桩效应的影响,指出桩距和桩数是影响群桩效应的主要因素.     

砂土中群桩的压拔加载试验研究

进行砂土的单桩和2×2群桩的压、拔试验,测定桩身轴力、桩顶荷载、位移以及桩端阻力。试验研究结果表明,群桩的抗压群桩效应系数 >1,最优桩间距为4D(D为直径),对应的 约为1.2;桩端阻力群桩效应系数 大于桩侧摩阻力群桩效应系数 ,其最优桩间距为5D,对应的 值约为1.3;桩侧摩阻力群桩效应系数在3D时约为1.2,但随桩间距的增大而减小。与前人理论分析的结果不同,由于砂土的挤密效应,试验测得抗拔群桩效应系数也大于1,最优桩间距在4D～5D之间,系数约为1.2。桩间距为7D时压、拔群桩效应系数均趋近于1,可基本忽略群桩效应。     

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。