基于极限承载力试验的扩底抗拔桩承载特性数值模拟分析

基于天津于家堡南地下车库工程扩底桩抗拔极限承载力试验,结合数值模拟手段对扩底桩抗拔承载特性、破坏模式和受力机制开展了分析研究。计算分析表明,扩底桩（有效桩长19 m）相比等截面桩抗拔极限承载力提高约50%,材料增加仅8.5%,扩底桩扩大头周边土体提供的抗力显著提高了抗拔承载力;荷载较小时抗拔力主要由等截面段侧摩阻力提供,扩头段抗拔力占桩顶加载的比值随加载近似呈线性增加;扩底桩等截面段沿桩土界面先发生剪切破坏,扩头段周边土体后发生受压破坏,抗拔承载力达到极限;扩头段位于同一土层时,不同桩长扩头段提供的极限抗拔力相差不大,桩长越长,扩头段抗拔力贡献率越低;扩头段抗拔力主要由自重、扩头段法向力竖向分力和侧摩阻力组成,其中法向力竖向分量提供了扩头段的主要抗拔力,占扩头段总抗拔力约70%。     

注浆桩土接触面试验研究及后注浆抗拔桩承载特性数值分析

桩侧后注浆抗拔桩是一种新型的抗拔桩基础。借助于试验和数值手段对这种抗拔桩的承载变形特性开展了深入研究。首先进行了接触面的大型剪切试验,以揭示桩土接触面在注浆与未注浆前后其力学特性的差异性,并基于大型接触面剪切试验成果,建立了桩土接触面的修正库仑摩擦模型。将接触面模型应用到有限元数值分析,分别模拟了传统等截面抗拔桩与后注浆抗拔桩的承载变形特性。研究表明,相比传统的抗拔桩,桩侧后注浆抗拔桩的侧摩阻力得到了显著的改善,特别是深处的桩侧极限摩阻力得到了更充分的发挥,从而桩侧注浆抗拔桩的承载能力有了较大程度的提高。     

嵌岩抗拔桩承载性状研究

嵌岩桩抗拔承载性状的研究目前仍较缺乏。运用灰色系统理论和非线性有限元方法,探讨了桩径、桩长、嵌岩深度对嵌岩桩抗拔承载眭状的影响规律。结果表明：桩径对嵌岩桩抗拔承载力的影响最大,嵌岩深度次之,桩长最小;桩径和嵌岩深度在一定范围内与桩抗拔割线刚度呈非线性递增关系,桩长则与之呈非线性递减关系。     

斜坡上嵌岩抗拔桩竖向承载变形特性模型试验及数值模拟

随着我国输电线路工程逐步进入西部山区,越来越多的输电塔基础需要修建在陡峭的山坡上。然而,斜坡桩基在强风、雪等极端气候的抗拔承载变形特性研究不足,现行规范也尚无完善说明。基于此,开展了平地与斜坡上嵌岩抗拔桩的室内模型试验,对比分析了荷载-位移曲线、地面变形及裂缝扩展、破坏模式、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩-岩相对位移。使用试验结果与ABAQUS数值模拟结果相比较,在验证模型可靠性的基础上,进一步研究了斜坡坡度对嵌岩抗拔桩承载变形特性的影响。结果表明,平地与斜坡下的荷载-位移曲线变化规律一致,均呈陡变型。斜坡对嵌岩抗拔桩的承载变形特性具有不利影响,当斜坡坡度在0°～30°范围内变化时,斜坡坡度对极限承载力的削弱影响呈近似线性增加（0%～12.8%）。随着斜坡坡度增加到45°时,斜坡对嵌岩抗拔桩极限承载力的削弱影响急剧凸显（25.9%）。斜坡上的基岩破坏面主要发生在下坡3.2d(d为桩径)、角度为120°的扇形范围内,逆坡破坏范围约为1d,不同于平地呈对称、复合形的破坏。值得注意的是,当桩顶荷载达到约80%的极限承载力时,平地地表或斜坡下坡出现了可见的裂缝。该研究成果为斜坡上输电塔桩基抗拔优化设...     

抗拔桩破坏特性及承载力研究

在国内外众多抗拔桩原位及室内测试资料的基础上，建立了抗拔桩周土体的破裂面方程，以往假设的各种抗拔桩桩周土的破裂形状阳其特例，在此基础上研究了抗拔桩的极限承载力，并提出了一个极值原理。     

扩底抗拔桩扩大头作用机制的数值模拟研究

在上海软土地区进行的足尺试验表明,采用小扩展角度的扩底抗拔桩能大幅提高承载力。由于没有对桩身轴力进行量测,仅凭现有的试验成果无法深入认识扩大头的作用机理。采用数值方法模拟足尺试验,通过拟合试桩中荷载-位移关系曲线,确定相关计算参数,以了解扩底抗拔桩上拔过程中扩大头抗拔阻力的组成部分及各部分在上拔过程中的变化规律,分析扩大头对抗拔承载力提高所起的作用,同时对扩大头扩径倍数、扩大头长度、扩展角度及扩大头持力层性质等主要影响因素进行了敏感性计算,可以分析这些因素的变化对承载力的影响。最后结合数值分析结果和工程实际要求对扩底抗拔桩的设计提出了建议。     

等截面桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析研究

建立了等截面桩与扩底桩的抗拔分析模型。采用直接约束处理的接触算法与库仑摩擦模型来模拟桩-土界面,土体选用抛物线型Mohr-Coulomb本构模型。通过程序的二次开发,实现初始应力场的合理计算,并采用位移边界对扩底抗拔桩的上拔过程进行动态的非线性有限元模拟。以现场足尺试验中的试桩为数值分析对象,通过调整计算参数使计算得到荷载-位移关系曲线与试验结果接近,来验证数值模型的正确性并确定计算参数。在此基础上,研究了上拔过程中轴力、侧摩阻力的大小与分布、桩身与扩大头附近土体变形与塑性区的发展规律。数值分析加深了对扩底桩抗拔承载特性的进一步认识。     

注浆成型螺纹桩抗拔承载特性的数值分析

注浆成型螺纹桩为一种利用施工工艺创新,结合钻孔灌注和二次注浆技术的新型螺纹抗拔桩型,目前已在软土地区开展应用。为了对其受力承载特性深入研究,使该桩型得到广泛推广,通过数值分析方法对其抗拔性能和承载机制进行了三维有限元数值模拟。首先,通过数值模拟桩-土界面室内大型直剪试验得到了有限元分析需要的桩-土接触面参数,而后将得到的参数带入注浆成型螺纹桩抗拔三维有限元数值模型,通过计算得到了不同距径比S/D（即螺距与桩径的比值）螺纹桩的抗拔荷载-位移曲线和轴力分布,并观察了抗拔过程中桩周土体塑性变形的发展。数值分析表明,螺纹桩与桩周土体的机械咬合作用增大了桩侧摩阻力,从而使桩体极限抗拔承载力较等截面圆桩提高约2～5倍;同时,其承载能力与桩体的S/D有关,当S/D取最优时,荷载-位移曲线的初始切向刚度最大,极限承载力最高,桩周土体形成的连续拱形破坏区域最大。     

桩-土界面特性对砂土地基中抗拔桩承载特性影响的模型试验研究

针对砂土地基中不同L/d的抗拔桩进行了模型试验,模型桩采用了3种不同界面,结合界面剪切试验探讨了桩-土界面特性对抗拔桩荷载-位移曲线、极限承载力及残余承载力的影响,得到了以下几点结论：模型桩长径比L/d不同时,每种界面抗拔桩荷载-位移曲线是类似的,光滑钢桩上拔力达极限承载力后保持不变,粗糙界面模型桩上拔力达极限承载力后降低,直至达残余承载力;抗拔桩达极限承载力时的静止土压力系数K受桩-土界面粗糙程度的影响,界面越粗糙,K值越大;界面越粗糙,抗拔桩残余承载力与极限承载力的比值越小,该比值随L/d的变化较小;对于粗糙界面抗拔桩,残余承载力与极限承载力的差别一部分是由于桩-土界面摩擦角的降低引起的,另一部分是抗拔桩达到极限承载力后作用在桩表面上的水平土压力降低引起的。     

抗拔桩变形分析与有效桩长预测

以抗拔桩变形的理论分析为基础,选择双曲线荷载传递函数对桩的极限侧阻力进行合理取值,通过迭代法得到桩身受力情况,由此预测抗拔桩的＂有效桩长＂。结合工程实例进行了计算验证,证明该方法具有实用价值和推广意义。     

基于试桩试验的桩侧注浆抗拔桩承载变形特性的荷载传递法

依托上海虹桥综合交通枢纽工程开展了4组桩侧注浆抗拔桩的现场试桩试验,得到了各试桩各土层的桩侧摩阻力与桩土相对位移关系曲线（?-w曲线）。首先,对前述现场试桩试验得到的?-w曲线以及文献[1]中通过桩土接触面大型直剪试验得到的?-w曲线进行归一化处理,归一化参数为各土层极限侧摩阻力?ult及其相应的临界桩土相对位移wult;然后采用双曲线函数拟合归一化后的各土层?/?ult-w/wult曲线,得到一个统一的?/?ult-w/wult函数关系式;最后,将该双曲线函数应用到荷载传递法中,用于分析预测桩侧注浆抗拔桩的承载变形特性,可求得桩侧注浆抗拔桩桩身各处的荷载-位移曲线、桩身轴力分布曲线以及桩侧摩阻力分布曲线。通过工程案例的验证表明,其计算结果与工程案例实测值较接近,在上海地区具有一定的适用性。     

嵌岩抗拔桩作用机制研究

嵌岩抗拔桩广泛应用于现代化建设的各个领域,但就其作用机制研究来说还有待进一步完善,关于其荷载传递特性、侧阻力分布规律及其影响因素等还存在许多模糊认识。以剪滞模型为基础,通过理论分析和验算,讨论了抗拔桩侧阻力分布规律、荷载-变位特性。结果表明：当抗拔荷载低于弹性极限抗拔时,桩侧阻力呈指数规律分布,荷载-变位曲线呈线性变化;当抗拔荷载大于弹性极限抗拔荷载时,桩侧阻力分为两段,其中脱黏段上侧阻力均匀分布,黏结段上侧阻力呈指数规律分布,荷载-变位曲线呈非线性规律变化。     

新型伞状抗拔锚现场试验与数值模拟

伞状抗拔锚是一种新型的锚杆装置。通过现场试验获得了其抗拔承载性能,从正常使用条件下Q-S曲线可见,与同场地施工的抗拔桩比较,新型伞状抗拔锚的承载力显著提高。鉴于试验条件的不足,未能获得伞状抗拔锚的极限承载力。为获得伞状锚达到极限状态时的Q-S曲线,采用ABAQUS有限元软件,对伞状抗拔锚和抗拔桩的原位抗拔试验进行数值模拟。模拟主要分2步来实现,先通过调节参数得到与试验一致的正常使用条件下的Q-S曲线,然后增加荷载,得到极限状态下的伞状抗拔锚的Q-S曲线。结果显示,伞状抗拔锚能够充分调动其扩大端的土体参与抗拔,得到的Q-S曲线表明伞状锚的抗拔性能存在很大潜力,具有显著的优越性。     

砂土中抗拔桩与抗压桩模型试验研究

为研究单桩在抗拔与抗压条件下承载能力、桩身轴力以及侧摩阻力分布规律的不同,进行了砂土中长径比大于40的抗拔桩与抗压桩室内模型试验,通过桩身内设置电阻应变片,测得各级荷载下桩身不同深度的应变。分析表明,抗拔桩不论是位移还是位移增长速率,都远远超过抗压桩。因此,抗拔桩设计时应综合考虑桩顶上拔量来确定抗拔承载力。抗拔桩与抗压桩的桩身轴力分布具有相似的特性,试验所得抗拔总侧摩阻力折减系数?=0.56。抗拔桩与抗压桩侧摩阻力都是从上部开始发挥并向下传递,随着荷载的增加,上部侧摩阻力变化很小,桩身中下部侧摩阻力迅速增长。抗拔桩桩端部侧摩阻力表现出弱化效应,抗压桩则表现出强化效应。     

扩径率与入岩深度对岩基挖孔基础抗拔承载特性影响的试验研究

扩径率和入岩深度是影响岩基挖孔基础抗拔承载特性的两个重要因素。通过开展8个不同扩径率、不同入岩深度挖孔基础的现场真型上拔静载试验,从荷载位移变化规律、抗拔承载力和地基岩体破坏模式三方面分析了扩径率与入岩深度对基础抗拔承载特性的影响,结果表明扩径率对荷载位移曲线初始线性阶段影响显著。采用图解法分别获得代表基础低、中、高3种承载能力的抗拔承载力QL1、QDLI、QL2,分析表明,随着扩径率与入岩深度的增加,基础抗拔承载力均有不同程度提高,但两种因素对基础承载力影响机制不同,扩径率可明显提高初始弹性阶段的承载力QL1,而入岩深度可明显提高塑性阶段的承载力QDLI和QL2。通过分析地基破坏时地表岩体裂缝的分布特征,得出岩基中上拔岩体的破坏模式与基础结构型式无关,均是从基底开始出现裂缝,沿着一定角度的开口延伸至地面,直至地基发生破坏,并且破坏范围随着入岩深度的增加而减小。综合考虑基础施工安全性、经济性和机械化程度,建议优先选择加深入岩深度的措施来提高基础抗拔承载力。     

开挖卸荷条件下抗拔桩破坏机理及承载力分析

随着大型基础施工进度和地层限制等要求的提高,抗拔桩基础先于基坑开挖施工逐渐成为发展趋势。伴随着基坑开挖产生的大面积卸荷,抗拔桩受力状态和极限承载力将产生重大变化。本文将颗粒流数值模拟与极限平衡理论分析相结合,剖析开挖卸荷条件下,抗拔桩破坏机理和极限承载力特征。分析表明：抗拔桩周边土体的破坏特征为倒锥台形,存在线性破坏面和破坏角;开挖卸荷对桩周土的破坏角影响不大,但桩长对破坏角的影响显著;根据机理研究结果,建立理论分析模型,推导出较实用的抗拔桩承载力及其损失比理论公式,并针对前人的模拟试验结果对理论公式进行了检验。     

复合地基承载特性的数值分析研究

采用三维有限元法进行复合地基承载特性的数值分析研究，首先分析一般单桩和复合地基中单桩的荷载传递特性，然后研究群桩效应中桩侧摩阻力、桩顶应力及桩身附加应力分布规律与特点，为复合地基的定量设计提供理论依据。     

应力分散型预应力抗拔桩系列技术研究与应用

根据目前国内外预应力抗拔抗浮桩、部分粘结预应力抗拔抗浮桩的优缺点以及使用的局限性——长螺旋钻机对于桩径＞800 mm或桩长＞30 m的桩力不从心,研究了应力分散型预应力抗拔桩及钢筋钢绞线笼系列技术,用于一个直径1 m、桩长60 m的抗拔桩工程,采用旋挖成孔,可实现在工程桩上进行大吨位试桩,受力合理,节省资金和工期,实践证明该系列技术有很好的应用前景。     

风化砂岩层中抗拔桩极限侧阻力现场试验研究

为了研究风化砂岩层中等截面桩极限侧阻力的分布特征,依托国网路平-富乐500千伏双回线路工程,开展现场真型试桩极限载荷抗拔试验,根据试验结果对11根等截面桩的极限侧阻力进行分析。试验发现,在土层中,桩侧极限侧阻力标准值随着土层深度的增加呈近线性增加;在强/中风化砂岩中,随着嵌入岩体的深度增加,桩侧极限侧阻力在整体上也表现出不断增大的特征;本试验场地土层、强风化砂岩层、中风化砂岩层中平均极限侧阻力值分别为91.3 kPa、456.8 kPa、1015.3 kPa;现行规范未考虑侧阻力随桩深增大的特征,计算结果为实测值的26.1%~46.0%,偏于保守;本文的试验结果对相似地层条件下的抗拔桩设计具有一定的参考意义。     

土岩组合岩体中抗拔桩极限承载力的确定

为全面探究土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力,结合工程岩土参数及试验数据,运用Flac3D数值分析软件对其进行数值模拟分析,即可得到土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力。基于被动状态下的Kotter极限平衡方程式求解土层提供的抗拔力,根据岩石强度,基于Hoek-Brown破坏准则求解抗拔桩嵌岩端岩体的抗拉强度,从而可计算得到嵌岩端岩体的抗拔力;由静力平衡原理,叠加土层及嵌岩端岩体提供的抗拔力及破坏锥体重量,即可得到土岩组合岩体中嵌岩抗拔桩的极限承载力理论解析式。在嵌岩深度较小的情况下,该解析式的理论计算值与数值模拟分析值相接近,但随着嵌岩深度的增加,理论计算值会偏离数值计算值。故结合数值模拟试验值,对提出的极限承载力理论解析式作进一步的修正,得到修正后的极限承载力解析式能反映嵌岩端岩石风化程度、嵌岩深度、土层厚度、桩长对极限承载力的影响。运用修正后的解析式对该地质条件下不同抗拔桩的极限承载力计算表明：数值模拟结果与理论计算结果相吻合,说明所建立的抗拔桩极限承载力解析式的方法是可行的。同时,运用该方法可确定类似工程中嵌岩抗拔桩的极限承载力。