管桩挤土效应的现场试验和数值模拟

以PHC管桩加固某物流加工二期标准仓库、厂房项目为依托,进行了吹填土地区PHC管桩的挤土效应研究。利用预先埋设的孔压计和测斜计,借助沉桩过程的现场测试手段,研究了PHC管桩在沉桩过程中桩周孔压变化和土体位移分布特征,发现沉桩过程中超孔隙水压力随距桩心距离的增加而近似呈线性规律衰减,影响范围约为10倍桩径,土体水平位移不仅与地基土性质有关,而且其分布特征也与深度有很大关系,表现为0.2～0.4倍桩长处土体水平位移较大。采用数值模拟有效地模拟了现场测试结果,进而将结果推广,得到了沉桩引起的桩周土体位移随深度和距桩心距离的变化规律。数值模拟结果表明：桩-土界面摩擦特性和桩径对土体位移场的影响较大。     

PHC管桩挤土效应试验研究

PHC管桩通常为挤土沉桩模式,因而沉桩过程中的挤土效应研究对设计、施工具有重要意义。通过对PHC管桩打桩前后原位地基土变化情况的测试、打桩的监测以及孔隙水压力增长与消散的监测等试验研究,分析了PHC管桩沉桩挤土效应,为工程设计及施工提供可借鉴的依据。     

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。     

现浇X形混凝土桩沉桩挤土效应现场试验研究

挤土型桩的挤土效应一直是工程界研究和关注的热点问题之一。结合南京长江四桥北接线段现浇X形桩软基处理工程,首次开展现浇X形混凝土桩（简称X形桩）沉桩过程现场试验,测得不同X形横截面方向、不同距离及深度处的水平位移、侧向土压力以及孔隙水压力的分布规律,研究X形桩挤土效应规律。研究结果表明,最大水平位移发生在桩顶,距离5倍等效桩径处的土体水平位移可以忽略不计;随着桩中心距的增加,挤土压力和孔隙水压力逐渐减小,并且尖角方向的挤土压力大于凹弧方向的挤土压力。现场试验数据为X形桩的布置形式以及桩间距的选择提供有力的设计参考依据。     

混凝土芯砂石桩的单桩承载力时间效应分析

在饱和软黏土地基沉桩过程中,挤土桩桩周土体将遭受相当大的挤压应力并引起很高的超静孔隙水压力,桩周土体超静孔隙水压力的消散,使桩周土体有效应力相应地增长,单桩承载力在间歇期内也会随着时间而逐渐增加。基于挤土桩沉桩过程所产生的挤土效应,运用圆孔扩张理论和固结理论分析了新型软基处理技术-混凝土芯砂石桩的挤土性状,并与软基处理中常用的CFG桩作了比较,从单桩侧摩阻力的时间效应方面分析了混凝土芯砂石桩的优越性。     

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。     

饱和软土地基中PHC群桩贯入过程的能量耗散模型

软土地基中群桩稳定性分析是岩土工程的难点之一.通过对饱和软土地基中群桩贯入全过程的力学分析, 结合群桩效应与工作性能, 根据功能平衡原理, 建立了贯入过程中附加应力(含超静孔隙水压力)引起的耗散能量与外力做功、弹性势能三者的平衡关系; 同时, 针对饱和软土地基中高预应力管桩(PHC)的排土特性, 结合现行桩基规范, 分别给出了超静孔隙水压力势能、挤土耗散能、重力做功、超静孔隙水压力做功、摩擦耗能、土体弹性势能等的定量表达, 构建了PHC群桩贯入过程的能量耗散模型; 在此基础上, 导出了局部能量安全系数与整体能量安全系数.将上述模型应用于某工程PHC群桩基础的稳定性分析中, 并与数值模拟结果对比, 验证了该模型的合理可靠性, 对饱和软基中PHC群桩稳定性状态的判别具有一定指导意义.      

随钻跟管桩钻孔卸荷与后注浆效应的试验研究

为了克服管桩施工的挤土效应,研发了钻进成孔、同步沉桩和后注浆的嵌岩非挤土大直径随钻跟管桩。通过足尺寸原位试验,测试了钻孔沉桩和桩侧注浆施工引起的桩周土体变形及压力变化情况,分析了钻孔卸荷和后注浆效应沿水平方向和深度方向的变化规律,揭示了随钻跟管桩施工对桩周土体的扰动。此外,基于圆孔收缩理论提出了随钻跟管桩钻孔卸荷变形预估方法。研究表明,随钻跟管桩的施工扰动主要表现为钻孔卸荷效应和桩侧后注浆效应,钻孔卸荷使孔壁收缩3.5～18.9mm,后续的桩侧注浆使收缩变形恢复了28%～50%,部分消除了钻孔卸荷效应的影响。修正后的圆孔收缩理论,可预估钻孔卸荷引起的桩周土体径向位移及压力变化。与锤击/静压管桩及中掘法管桩的挤土效应相比,随钻跟管桩的钻孔卸荷效应小,在城市建筑和管线密集区域应用更具优势。     

沉桩挤土对孔隙水压力影响的试验研究

软粘土层深厚的地区进行预制桩沉桩将产生超静孔隙水压力的累积,过高的超静孔隙水压力使周围土体及建筑、地下管线等产生较大的变位,甚至产生破坏。以一次沉桩引起的超静孔隙水压力的原型试验,表明,单桩沉桩显著影响范围可达15m,沉桩引起的超静孔隙水压力水平可以达到甚至超过上覆有效土压力,并出现两个不同的相对稳定水平阶段。     

考虑超静孔隙水压力消散的管桩承载力时效性研究

沉桩引起的超静孔隙水压力消散是产生管桩极限承载力时效性的主要因素之一。结合天津东疆保税港区物流加工区二期工程,利用有限元模拟分析沉桩后超孔压的消散规律及管桩的极限承载力随时间变化的规律,提出吹填土中管桩时效承载力公式供工程参考使用,并进行吹填土现场各测点沉桩过程及沉桩后孔隙水压力的监测,验证模拟结果的同时探讨超静孔隙水压力的分布及消散规律。模拟得到沉桩后桩底超孔压随时间消散, 20d后消散率达到97%; 管桩的时效承载力随时间增长,并与超孔压的消散有着明显的对应关系; 得到吹填土中管桩承载力的时效公式以供工程参考使用。现场孔压监测表明深度增加,超孔压增大; 离桩越近,超孔压越大; 土层渗透系数越小,超孔压消散越慢。施工对土体的有效影响范围为9~10倍桩径。     

透水管桩加速超静孔压消散的单桩模型试验研究

基于室内模型试验,研究透水管桩促进桩周土超静孔压消散的效果和规律。通过透水管桩和普通管桩单桩沉桩模型试验对比,发现使用透水管桩更有利于桩周土超静孔压消散,其促进作用沿深度方向递增,沿水平方向递减。在桩周土超静孔压消散前期,透水管桩的促进作用最明显,有利于加快施工进度。改变透水管桩初始排水时刻,观察桩周土超静孔压消散情况,发现初始排水时刻设在沉桩完成时的情况下,桩周土超静孔压峰值明显减小。试验结果表明,沉桩施工中,透水管桩提高了施工进度,降低了对周围环境的影响。     

考虑固结的透水管桩沉桩全过程有限元模拟

运用透水管桩技术加快沉桩后桩周土体内超静孔隙水释放,进而消除沉桩施工中超静孔压的不利影响。基于有限元数值计算法,利用ABAQUS有限元软件建立透水管桩模型,实现透水管桩贯入过程以及桩周土体固结过程模拟。对比CEM圆柱孔扩张理论验证数值计算结果;阐述透水管桩贯入过程中位移场以及超静孔压场变化规律;对比分析静压桩和透水管桩桩周土体固结性状,结果表明透水管桩能加速超静孔压消散,短期内实现桩基承载力的快速提升。     

基于模型试验的静压群桩引起的土体变形分析

以往对沉桩挤土效应的研究主要集中于单桩或双桩,对群桩挤土效应分析较少。基于室内模型试验,分析了群桩压入软土后土体的变形情况,得到了沉桩过程中及压桩后土体侧向位移、竖向变形和土层表面隆起变化的规律。认识到单桩侧向挤土位移随着距桩边距离的增加而以近似对数规律衰减,群桩压入后土体水平侧移和地表隆起是不断累积的,存在着已压入桩的遮帘作用,而且桩施工顺序对土体位移起到了关键作用,应该在实际工程中得到重视。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

海相淤泥软土地基强夯置换砂桩试验分析

针对某海相淤泥软土的处理工程,选取了一强夯砂桩置换试验区,监测了强夯置换过程中夯坑及其周围土体的变形,超孔隙水压力的增长和消散情况以及深层土体水平位移。分析结果表明,单个置换砂桩夯击8次较为合理;强夯置换后静置一段时间,可以有效减小强夯过程中的超静孔隙水压力,且一遍强夯后静置7 d后超孔隙水压力基本消散完;深层土体的水平位移主要发生在地表以下3～6.5 m深度范围内。     

粉土与粉质黏土互层中静压桩桩土界面孔隙水压力

为研究层状黏性土在静压桩沉桩过程中桩土界面孔隙水压力的分布规律,依托山东东营某桩基工程开展了现场足尺静压桩试验,分析了桩土界面孔隙水压力的变化规律,探讨了桩土界面超孔隙水压力的分布特征,明确了桩土界面孔隙水压力和超孔隙水压力的消散特性,并结合水力压裂理论和孔穴扩张理论,揭示了沉桩过程中桩土界面沿桩长方向超孔隙水压力的分布形式。试验结果表明：孔隙水压力、超孔隙水压力与土层性质密切相关,二者均在粉土层中增长较慢,在粉质黏土层中增长较快;在同一深度处,两者均存在明显的消散现象,在粉土中的消散程度明显大于粉质黏土中;采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算的超孔隙水压力沿桩长方向的变化规律与试验值相吻合;桩身贯入深度越大,超孔隙水压力理论计算值与现场实测值越接近。     

大直径超长桩打桩过程中桩周土体的疲劳与强度恢复

大直径超长桩的出现给海上的打桩施工增加了难度和复杂性,也使得打桩分析和预估锤击数具有重要的意义。研究表明,当连续进行打桩施工时,桩长时间连续运动导致桩侧土体强度降低,土体产生了疲劳,沉桩相对容易,使得桩体的贯入度与锤击数较预测偏低;当施工停止一段时间后,土体固结排水,强度得到恢复甚至提高,导致继续打桩时难度增加,锤击数增高或出现无法继续贯入的现象。结合一维应力波动理论、桩-土相互作用模型、土体的有效应力原理和固结理论,提出了模拟土体疲劳和强度恢复的数值分析方法,对采油平台的桩基工程进行了打桩分析,计算结果与实测数据吻合较好,说明提出的数值模拟方法具有可靠性。