不同桩底地层超长桩工作性能的数值模拟

超长桩在大型桥梁和高层建筑中得到了越来越广泛应用。以某超长桩基础工程为例,采用三维有限元法分析了桩底地层对超长桩工作性能的影响。土体本构关系采用邓肯-张双曲线非线性弹性模型,混凝土、岩石采用线弹性模型模拟,桩土界面采用有厚度的薄单元模拟。结果表明：桩底地层不同时,桩端阻力和桩侧阻力的比例不同,但承载性状仍属摩擦型桩;桩顶极限荷载不同,但桩身失稳时的极限沉降基本相同;桩端阻力的发挥程度不同,但桩基失稳的原因都是桩侧土体的破坏。     

大规模群桩基础相互作用近似解耦方法

针对传统弹性理论法过高地估计了桩-桩相互作用效应,基于杆件有限单元法建立了半无限土体中群桩基础的桩侧剪应力求解方程,通过简化桩-桩的相互作用效应,将群桩基础桩侧摩阻力的求解方程近似解耦,实现了群桩基础桩身剪应力和位移的快速求解目标。通过两桩相互作用系数以及柔性承台下群桩基础差异沉降的对比分析,验证了该简化方法的合理性。参数分析结果表明,该简化方法计算得到的相互作用系数与严格的边界积分方程法解答较为接近,稍小于Poulos弹性理论法的计算结果;柔性承台下群桩的差异沉降在桩间距较小时与经典解答较为接近,而在桩间距较大时则存在一定的差别。该简化方法大幅减少了群桩计算工作量,适用于大规模群桩基础的快速计算要求。     

开挖卸荷对既有群桩竖向承载性状的影响分析

既有建筑下增层开挖对已有桩基础的影响不同于基坑开挖对坑内桩基的影响。基于工程实例验证的有限元参数,用硬化土弹塑性模型模拟土体,用接触面单元模拟桩土相互作用,建立了桩筏基础-地基-增层开挖三维有限元模型,对增层开挖后群桩基础的竖向承载性状进行研究。分析了桩顶刚度、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻比以及土体回弹的变化规律,并研究了不同桩端土体刚度和增层开挖深度对这些参数的影响。结果表明,增层开挖后群桩中不同基桩表现出不同的承载性状,增大桩端土体刚度可明显提高单桩承载力和端阻比临界值;随着增层开挖深度的增加,侧阻和端阻的发挥程度也随之提高。研究结果有望为地下室增层开挖施工中的结构托换变形控制和补桩设计提供依据。     

基于随机地震反应的桥墩-群桩-土相互作用研究

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明：相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关;软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5 %～30 %左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

水流冲刷对桩基承载性状影响的数值模拟

利用三维有限元耦合数值模型,对水流冲刷作用下桩基础从低承台向高承台的变化过程中承载性状变化的数值模拟方法进行探讨,得出一种较为理想的模拟方法,对于复合地基中的水流冲刷问题及类似桩-土相互作用中的开挖问题的数值模拟有一定的参考价值。结合工程实例,说明工程计算中简单按高承台计算来考虑水流冲刷作用对桩基承载性状的影响是不准确的。通过调整接触面单元和土体单元刚度,更全面地分析了不同条件下冲刷后桩基承载性状的变化规律,说明冲刷后土体有明显的回弹效应,工程计算中不能简单忽略。     

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。     

群桩沉降计算理论分析

基于Geddes应力解,并根据叠加原理计算群桩内任意点处的三向应力,采用基于Duncen-Chang本构模型的修正分层总和法计算群桩内任意点处的沉降量,最后,根据基点法[1]和群桩基础荷载、变形协调关系建立方程,从而,最终获得群桩的沉降计算。该理论较常规弹性理论方法计算群桩沉降有较大地改进,具体体现在以下几个方面：（1）考虑了群桩中地基土的三向应力分布对群桩沉降计算的影响;（2）考虑了土体本构模型（Duncen-Chang弹性非线性本构模型）,因而,能计及土体非线性特性对群桩沉降的影响;（3）采用修正分层总和法理论,能考虑土体成层分布特性以及侧向变形对单桩沉降计算的影响。     

软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究EI北大核心CSCD

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。     

复合地基承载特性的弹塑性分析

对桩及承台采用线弹性有限元模型,对承台下桩周土采用弹塑性有限元模型,对群桩以外的土体采用线弹性无限元模型,在桩土接触面上设置接触面单元,利用三维弹塑性有限元对桩%D土%D承台相互作用进行了分析。得出了如下结论 :承台下桩顶反力总体表现出角桩最大,边桩次之,中桩最小的分布规律,随着作用在承台上的荷载增大,桩顶反力趋于均匀分布,承台下桩侧摩阻力是由桩端向桩顶逐渐发展的,承台对桩上部侧摩擦阻力存在削弱作用。为了验证本文方法的可行性,对承台下有九桩的情况进行了静载试验,将试验结果与本文计算结果进行了比较。     

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。     

钙质石灰岩中桩基轴向承载特性的有限元分析

为了研究钙质石灰岩中桩基的合理设计理论及开发相关的变形破坏数值分析方法,利用弹塑性有限元方法对以硫球石灰岩作为持力层的桩基现场轴向载荷试验进行了数值分析。有限元分析中钙质石灰岩被假定为理想弹塑性材料。结果表明,如果能在有限元解析中合理地考虑桩侧摩阻力的低减效果,弹塑性有限元计算可以较好地模拟与分析钙质砂土中桩基的轴向承载力特性。最后还对开口钢管桩基的土塞效应的发生机制进行了分析。     

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。     

超长桩荷载传递性状研究

根据超长桩的现场静载荷试验资料,分析了超长桩的单桩荷载传递特性。结果表明,超长桩表现出端承摩擦桩的特性,桩顶以下l/3桩长及桩端以上l/6范围内的桩侧摩阻力极限值接近规范推荐值,而中间部分的桩侧摩阻力远远大于规范值,表现出强化效应,桩端注浆桩的侧摩阻力强化效应更加明显。根据其荷载传递特性,提出了单桩极限承载力的估算公式,实例计算结果和实测结果较吻合。     

刚性桩复合地基沉降计算的简化方法

既简便又具有较好精度的刚性桩复合地基沉降计算方法仍是工程实践中迫切需要而又有待于解决的问题,文中提出了一个解决的简化方法。在刚性桩复合地基中,由于桩间土荷载水平不高,将桩间土荷载-沉降曲线近似为线性。当桩的荷载水平不高时,对桩的沉降可按线性考虑,线性关系可按线弹性方程计算得到。若桩可能进入非线性甚至塑性,则假设桩的荷载-沉降曲线满足双曲线规律,可较好地考虑桩的非线性沉降过程。通过计算单桩承载力特征值下的沉降,然后通过双曲线方程特点得到桩的非线性沉降方程。对于有单桩静载试验的情况,提出直接利用单桩试验曲线建立单桩的双曲线方程。最后依据共同作用时桩和桩间土的变形协调条件和静力平衡方程,即可计算其实际基础下复合地基的沉降,从而得到一个刚性桩复合地基沉降计算的简化方法。工程实例表明,简化是方法既简便又具有较好的精度,可为工程实践提供一个有效实用的计算方法。     

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。     

Numerical analysis of the geotechnical behaviour of energy piles

Energy geostructures are rapidly gaining acceptance around the world; they represent a renewable and clean source of energy that can be used for the heating and cooling of buildings and for de‐icing of infrastructures. This technology couples the structural role of geostructures with the energy supply, using the principle of shallow geothermal energy. The geothermal energy exploitation represents an additional thermal loading, seasonally cyclic, which is imposed on the soil and the structure itself. Because the primary role of the piles is the stability of the superstructure, this aspect needs to be ensured even in the presence of the additional thermal load. The goal of this paper is to numerically investigate the behaviour of energy pile foundations during heating–cooling cycles. For this purpose, the finite element method is used to simulate both a single and a group of energy piles. The piles are subjected to a constant mechanical load and a seasonally cyclic thermal load over several years, imposed in terms of injected–extracted thermal power. The soil and the pile–soil interface behaviours are reproduced using a thermoelastic‐thermoplastic constitutive model. The thermal‐induced stresses inside the piles and the additional displacements of the foundations are discussed. The group model is used to investigate the interactions between the piles during thermo‐mechanical loading. The presented results are specific to the studied cases but lead to the conclusion that both the thermal‐induced displacements and stresses, despite being acceptable under normal working conditions, deserve to be taken into account in the geotechnical design of energy piles. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑桩身压缩的综合系数法计算超长桩基础沉降

实测表明,超长桩基础的桩身压缩量占总沉降量很大比例,因此,等代墩基法刚性体的假定不符合实际,需要一种考虑桩身压缩量的方法来计算超长桩基础沉降。通过对现有超长桩实测数据的分析,得到了嵌岩桩桩身压缩系数拟合方程,同时得出了非嵌岩桩桩身压缩系数约为0.5;推出桩侧沉降比和桩端沉降比,并编制了Matlab计算程序。最后通过工程实例计算考虑桩身压缩的超长桩基础沉降,计算结果与实测结果相吻合。