基于有限元强度折减法的复式抗滑桩内力计算及桩土作用机理分析

在边坡、滑坡防治工程中已得到广泛应用的П形、h形等复合式抗滑桩,由于其多属于复杂的超静定结构,受力形式或荷载分配方式仍存在较大争议,桩土相互作用关系复杂,传统方法在求解其内力时往往面临较大困难。有限单元法和强度折减法的结合为解决这类问题提供了一条可行的途径,该方法求解这一类问题时不需要假定抗滑桩系统的结构类型以及岩土体作用在抗滑桩上的荷载分布形式,因此获得的计算结果往往更符合实际情况。本文以某隧道进口岸坡的П形抗滑桩为例,在详细分析岸坡稳定性状况以及可能失稳模式的基础上,采用有限元强度折减法对桩身内力、桩土作用关系以及治理效果进行计算和分析,结果表明利用有限元强度折减法求解这类具有复杂超静定结构抗滑桩系统的内力是一条有效的途径,计算结果对该治理工程的设计具有一定的应用参考意义。     

深基坑双排桩结构支护效果有限差分数值模拟

[摘 要] 由两排平行的钢筋混凝土桩以及桩顶冠梁形成的双排桩支护结构可以有效控制基坑侧 向变形,被广泛应用于基坑支护设计中。本文以济南市西区文化中心项目大剧院为工程背景,对双排桩 支护结构下基坑坡面水平位移,坑底隆起,桩身弯矩、剪力,桩土接触面切向刚度和法向刚度等特征进行 研究,并通过“实体单元桩冶和“结构单元桩冶的计算结果进行对比分析。研究表明,桩与土体相互作用 力学模型能较好模拟双排桩支护施工过程,计算精度较高;桩顶的水平位移最大,基坑开挖底面的弯矩 和剪力最大;计算结果可为双排支护桩作用机理的研究提供参考。     

悬臂式围护桩受力性状与土压力试验研究

为研究悬臂式围护桩结构的受力性状和土压力分布特点,结合西宁火车站改造工程,对该深基坑支护结构在不同开挖工况条件下,悬臂桩的受力性状与内力传递特征进行动态的现场试验。试验结果表明：悬臂桩的受力特征与理论值有所差异,在实际设计中,可对其在配筋方式、混凝土设计、嵌固段长度等方面进行优化,实测土压力小于朗肯土压力,与经典土压力理论有显著区别。该试验结果可以有效优化桩身设计,为软岩基坑支护结构在开挖过程中的受力及变形提供理参考性依据。     

桩-土共同作用的研究

桩端刺入量与桩身压缩量之和等于桩端以上桩间土的压缩量,这是桩与土共同发挥作用的基本条件。从这个基本条件出发,提出了一种考虑桩-土共同作用的简化分析方法。该方法可以求解任意荷载水平下桩间土的荷载分担量,进而可以方便的求解出用桩量,同时将基础沉降分为桩间土变形量及桩端下卧土层的整体压缩量两部分进行分析,可以方便的预测基础沉降量,最后根据建筑物的允许变形来确定桩的设计荷载值。工程实例分析表明该方法是可行的。     

锚索双排桩与刚架双排桩的对比研究

在大型滑坡治理工程中常常采用双排抗滑桩,锚索双排桩和刚架双排桩是常见的两种型式。采用有限元程序ANSYS分别建立锚索双排桩和刚架双排桩的有限元分析模型,对比分析这两种型式双排桩的内力分布,找出能更好发挥抗滑效果的结构型式。通过对比分析可知,锚索双排桩的前后两排桩的内力分布差距十分明显,刚架双排桩的前后两排桩的内力分布差距较小,所以,刚架双排桩能够更好地发挥抗滑效果。选取锚索双排桩和刚架双排桩2个工程实例,监测分析发现锚索双排桩的前排桩侧向位移和弯矩均远小于后排桩,刚架双排桩前后两排桩的位移和弯矩比较接近,这与有限元分析结果相吻合,因此,双排抗滑桩的设计中建议采用刚架双排桩     

桩在饱和土中水平振动的辐射阻尼简化算法

将适用于单相土－桩系统的Novak的平面应变假设和Gazetas的分象限假设推广到饱和土－桩系统中。通过简化后的微分方程推导了饱和土－桩系统辐射阻尼系数的解析解答。最后用算例说明了饱和土中两个压缩波的特性，比较了饱和土和单相土的单位桩长辐射阻尼系数，比较了简化算法和三维有限元方法求得的桩头幅射阻尼比，结果证明简化算法在一定条件下适用于计算层饱和土－桩系统的辐射阻尼。     

双排桩-锚杆支护的有限元模拟

基坑支护模型往往在计算假定的基础上建立,而依据计算假定建立的模型往往不能得到和实际相符的结果。但有限元软件可以较为真实的模拟基坑开挖的过程中应力和位移的变化情况,是土工数值分析的重要手段。本文运用大型有限元软件ABAQUS建立双排桩-锚杆结构有限元模型,全面的考虑土体的特性、桩土的共同作用及桩间土对支护结构的影响等因素,分析支护结构在土体开挖荷载作用下的内力和变形,为设计和施工提供了参考。     

引入接触单元模拟桩土共同作用

在桩与桩侧土界面引入接触单元模型，并采用参变量变分原理及基于此原理的参变量二次规划法，对接触单元刚度矩阵进行了推导。模型计算结果与实测比较表明，接触单元能较好地模拟桩与土之间的剪力传递和相对位移。     

刚性承台—桩群—土共同作用的两种迭代算法

针对现有承台-桩-土共同作用分析方法存在的问题，引进了两种迭代算法，通过理论和算例的比较分析，说明了这两种迭代算法用于承台-桩-土共同作用分析的特点和适用性。使用迭代法可避免满阵矩阵，大大节省计算内存，能在微机上实现对实际工程的共同作用分析。     

门架式双排抗滑桩的弹塑性模型与计算分析

门架式双排抗滑桩的计算模型大部分将桩排间岩土体视为弹性材料,而岩土体为弹塑性材料,使得抗滑桩内力、位移计算结果与实际情况相差较大。假设桩排间岩土体为弹塑性材料,提出一种弹塑性计算模型,该模型将桩排间岩土体看作线弹性单元和塑性单元的组合,根据结构力学知识、土的本构关系和数值分析方法建立一种计算前后排抗滑桩内力的计算方法。首先,由已知的桩顶位移,并结合结构力学位移法求出桩间土总应力。根据Lade-Duncan模型导出这两个单元的基本参数,然后,结合数值分析方法计算出抗滑桩的内力,最后,结合工程实例,运用ANSYS有限元软件进行计算分析,得出门架式双排抗滑桩的内力图。对比监测数据和弹性模型计算结果表明,弹塑性模型的计算结果比弹性模型更加接近监测值。     

锚杆对双排桩结构变形和受力影响分析

采用适用于敏感环境下基坑数值分析的硬化类弹塑性本构模型,针对锚杆对双排桩变形和受力的影响进行数值模拟。分析表明：锚固角度的增加能有效减小双排桩的最大水平位移和后排桩的桩身控制弯矩,但减小幅度随锚固角度增大而减小;在实际设计中,在周边环境允许的条件下,应尽可能增加锚杆与后排桩的夹角。锚固力的增加对双排桩结构的变形控制作用明显,能显著降低桩身最大水平位移,减小幅度也随锚固力的增加而减小;锚固力较大时会增大桩的控制弯矩,使桩的截面或配筋增加;在实际设计中,锚固力不应过大,可随信息化施工对基坑变形进行主动控制。     

抗滑桩应变特征与内力非线性研究

为探究抗滑桩实际内力与变形间的规律,特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等特征,通过抗滑桩大型物理模型试验,结合MATLAB拟合推导实现从桩表面应变散点数据到桩身挠度分布的求解。对比同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种情况下桩表面应变、桩身弯矩、剪力及挠度,分析抗滑桩的应变特征与内力变化规律。研究表明:单调与循环加载条件下抗滑桩工作阶段划分为三阶段,即未开裂阶段、混凝土开裂-钢筋屈服阶段、钢筋屈服-桩体破坏阶段。未开裂阶段一、二级荷载下由于土的压密性桩体略微回弹,桩表面应变、桩身弯矩、受荷段剪力及挠度出现较小的负值（绝对值约为破坏时的1%）。混凝土开裂-钢筋屈服阶段应变、弯矩、剪力、挠度增速明显加快。钢筋屈服-桩体破坏阶段应变、弯矩、剪力、挠度呈非线性增长,桩体的破坏模式均为弯剪破坏。随着自由端长度的增加,破坏时应变、弯矩增大,而剪力减小,破坏时应变增长约10%,弯矩增长约3%,剪力减少约20%;相对于单调加载,循环加载下最大弯矩值和最大挠度均有增大,最大弯矩增长约2%,最大挠度增长约1%。     

抗滑桩极限阻力的有限元分析

应用平面应变有限元法分析了不同强度、应力状态下土体的单桩极限抗滑阻力,并与现有的极限阻力经验公式的计算结果进行了比较,论证了结果的合理性.对不同桩径及不同土体力学参数情况下的桩极限阻力进行了分析,研究了桩径及土体参数等因素对桩极限阻力的影响.为进一步利用该方法研究单桩极限抗滑阻力的计算公式提供了基础.     

双排桩桩排间土拱效应的发育规律研究

双排抗滑桩是治理大型滑坡的有效手段之一。目前对单排桩桩后土拱效应的研究较多,但对桩排间岩土体中土拱效应的研究还比较少。桩排间土拱效应是滑坡推力在前后排桩之间传递的媒介。运用大型通用有限元程序ANSYS,建立三维有限元模型,分析桩排间岩土体中应力的转移与重分布,并探讨桩间距与桩宽之比以及桩排距对桩排间土拱效应的影响规律。分析结果发现,在合适的滑坡推力作用下,桩排间岩土体中能够出现土拱效应;随着桩间距与桩宽之比或桩排距的增大,桩排间土拱效应将会消失。在双排桩的设计中,应选择合适的桩排距和桩间距,建议桩间距取2~3倍的桩宽,桩排距取2倍的桩截面高度。     

双排钢板桩围堰的冗余度分析

将冗余度理论引入到双排钢板桩围堰的设计中,提出双排钢板桩围堰支护体系冗余度的定义与设计方法的初步框 架。以拉杆系统的冗余度分析为例,采用拆除构件法,对其冗余度进行了定量分析。结果表明,下道拉杆的冗余度参数明显低于上道拉杆,其失效后会明显降低整个围堰支护体系的刚度、强度和稳定性,会导致整个围堰的破坏坍塌,这与工程实际相吻合。以上分析验证了冗余度理论在双排钢板桩围堰工程中适用性及可行性。     

多排埋入式抗滑桩在武隆县政府滑坡中的应用

武隆县政府滑坡规模巨大,滑坡体长280～340 m,滑坡体厚15～35 m,滑坡推力最大达9 000 kN/m,采用一排抗滑桩难以抵挡如此巨大的滑坡推力。设计采用了多排埋入式抗滑桩进行支挡,将桩的长度减小了约1/3,节省了工程投资。介绍了该滑坡采用埋入式抗滑桩的设计计算方法,重点介绍了采用有限元强度折减法对多排桩的推力及桩的长度设计与计算,供同行或类似工程参考。     

某滑坡抗滑桩治理效果监测分析

野水沟滑坡为忠县-武汉输气管道工程沿线上的一滑坡灾害点,采取了抗滑桩这一治理措施以保证管道的安全运行。为了确保施工期的安全和获取抗滑桩的内力分布数据并客观评价抗滑桩的工作状态,对滑坡体进行了长期的GPS地表位移和抗滑桩应力监测。通过建立单筋矩形截面受弯构件模型,给出了根据钢筋计监测数据计算抗滑桩弯矩的方法并提出了安全可靠度这一概念以定量判断抗滑桩的工作状态。对该滑坡地表位移及抗滑桩内力监测成果分析表明,抗滑桩目前处于安全状态,发挥了一定作用,治理工程取得了明显效果,抑制了滑坡的进一步变形。     

深基坑支护双排桩计算模型的改进

当锚索超出规划红线被越来越严格限制后,双排桩支护的应用已越来越多。实践中发现现有规范方法的双排桩计算模型简单方便,但对于软土地层时存在计算位移不够合理的情况。同时,桩间土简化为压缩弹簧未能充分考虑桩和土柱之间的作用,会使计算位移偏大。为改进这些不足,建议了一个新的土压力模式,即基坑面以下的附加压力看作弹性应力,对两排桩与桩间土的作用增加一个等效土柱刚度,对基坑面以下的桩间土弹簧刚度取压缩刚度和m法刚度的大值,使计算的位移更合理,并与有限元和工程实测结果进行了比较,初步检验其合理性。