导管架平台桩-土相互作用试验系统研制及应用

海洋环境中的导管架平台承受着风浪、地震等水平荷载,而平台的稳定对桩基础有严格要求,故研究水平荷载下导管架平台桩-土系统变形规律和相互作用机制具有重要意义。研制了1套导管架平台桩-土相互作用试验系统,主要由导管架平台试验模型子系统、电动伺服加载子系统、传感器与数据采集子系统、振动测试子系统组成,可用于研究冲击荷载、静载、循环荷载下导管架平台的桩身变形规律、桩基周围土体响应及平台的振动特性。通过初步试验结果表明,该系统能够如实反映水平荷载下桩-土间的相互作用和导管架平台的振动特性,验证了该系统的有效性。     

钻井船插桩对邻近桩影响的耦合欧拉-拉格朗日有限元方法研究

依据模拟钻井船在黏土层中插桩对邻近桩影响的离心模型试验结果,研究了通过耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元计算并结合非线性地基梁有限元计算,分析钻井船插桩对邻近桩影响问题的可行性。CEL有限元方法将产生大变形的土体设为欧拉体,采用欧拉有限元方法计算该区域的变形响应,计算过程中,欧拉体的空间网格形状、大小位置保持不变,物质可在网格之间运动;其他土体设为拉格朗日体,采用拉格朗日有限元方法计算变形响应,计算过程中,物质的运动和网格的变形保持一致。运用罚函数方法实现欧拉体与拉格朗日体的耦合。通过CEL有限元计算,可以确定钻井船插桩导致的邻近桩桩身水平位移。进一步通过非线性地基梁有限元模型计算确定桩身弯矩。计算结果表明,利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法计算出的桩身位移和弯矩沿桩长的变化与离心模型试验结果基本一致。说明采用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法分析黏土层中插桩对邻近桩的影响问题是可行的。CEL有限元模型中欧拉土体范围的设置对计算结果有明显影响。研究表明,若插桩深度小于0.75倍桩靴直径,可将欧拉土体范围设置成1.00～1.25倍桩靴直径;若插桩深度大于0.75倍桩靴直径,将欧拉土体范围取为插桩深度以下0.5倍桩靴直径是恰当的。     

粉质黏土中单桩竖向承载力的离心模型试验研究

桩基础研究的核心问题是桩承载力和桩-土相互作用,包括桩周土的变形和饱和土中孔隙水压力的变化。通过离心模型试验的方法,利用竖向压桩设备把桩压入土体,研究饱和及非饱和粉质黏土中单桩的竖向承载力,以及加载过程中桩周土体的变形和孔隙水压力的变化。粉质黏土饱和后,桩基的承载特性表现出软化的特点,且桩基的承载能力比非饱和粉质黏土中的桩基小,非饱和粉质黏土的压桩试验中桩基没有出现明显的极限承载力。桩基的加载特性与桩周土的变形响应具有显著的相关性,桩的加载过程对桩周土体变形的影响有一定范围,超过这个范围,土体的变形可以忽略不计。饱和粉质黏土中桩基的加载对桩周土体孔压的变化也有一定的影响范围,与桩周土体的变形范围体现出类似的规律。距离桩较近时,桩周土的变形较大;距离桩越远,土体的变形受到桩的影响越小。     

水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析

导管架平台桩基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载、地震荷载等水平荷载,为研究水平荷载下导管架平台桩基础的承载特性,采用非线性有限元分析方法对水平荷载下桩-土之间的相互作用进行研究,提出了有效模拟桩基水平承载特性的有限元模型,分析了模型桩的刚度、直径、土质参数中水平土压力系数、剪胀角对桩基承载特性的影响及水平荷载下群桩承载特性,并将有限元计算结果与API规范及模型试验结果进行对比。研究结果表明,非线性有限元分析方法分析水平荷载下桩-土相互作用是可行的,计算结果可为导管架平台的桩基设计提供参考。     

冲击荷载下土体动力响应与加载速率效应研究

为揭示土体在冲击荷载作用下的动态响应特征,运用自主研发的附加激发力式平板动力载荷试验系统（flat dynamic load test,简称FDLT试验）对广州大学城区内两种典型土体（砂土和黏土）进行了不同荷载大小和加载速率的FDLT试验,获取了土体在冲击荷载下的荷载-时程曲线、位移-时程曲线、荷载-位移曲线的3种关系曲线。建立了动态变形模量与加载速率的经验公式,对比分析了两种土体在冲击荷载作用下的加载速率效应。研究表明：（1）砂土的FDLT试验存在一个充电量临界值,在该充电量冲击试验过程中,加载速率对砂土的动态强度及变形有较大的影响,而对黏土在本次试验条件下未有明显影响。（2）加载速率对黏土与砂土的位移响应的相同之处在于,最大荷载和最大位移均随加载速率的增大而提高;不同之处在于,黏土达到位移峰值时间会随加载速率增大而延长,而砂土达到位移峰值时间随加载速率增大呈现先增加后减小的规律。（3）土体的动态变形模量与加载速率曲线呈对数变化关系。本研究成果可为土体动力特性研究、土的动静参数换算和工程设计提供依据。     

考虑桩基弱化的导管架平台横向振动特性试验研究

导管架平台桩身循环往复运动将使桩周土体超孔隙水压增加、横向土抗力降低,从而导致桩基弱化。泥面以下6倍桩径处嵌固桩身的等效桩简化理论没有考虑桩基弱化对平台基础自然频率的影响,计算结果与实测值有一定差距。为研究桩基弱化对平台结构横向振动特性的影响,进行了比例尺为1:10的导管架平台模型试验,测量不同循环荷载作用之后导管架平台模型水平方向的振动特性。由试验结果可知,桩基横向土抗力在不同循环荷载作用过程中出现不同程度的衰减,桩基土抗力的衰减与桩身往复运动的幅值和次数有关。考虑桩-土相互作用时导管架平台模型两个水平方向的基础自然频率（基频）比等效桩理论计算值分别低15.5%和6.0%。桩基弱化后,实测值与计算值的差距增大到22.0%和13.4%。假设导管架-桩-土系统阻尼为比例阻尼,通过试验结果发现,桩基弱化对系统阻尼影响较小。     

土体水平位移对邻近既有桩基承载性状影响分析

城市建设中经常会遇到由于堆载或基坑开挖所引起的土体水平位移现象,土体水平位移的作用会使邻近建筑物的桩基础产生附加内力或变形,并可能导致邻近桩基的破坏而发生工程事故。针对此类问题,基于Winkler地基模型以及桩-土变形协调条件,建立单桩水平位移控制方程,根据内力与位移的微分关系,采用两阶段方法进行求解。结合典型的工程事故,通过参数分析,研究土体水平位移对邻近桩基承载性状的影响程度。分析表明,基坑工程围护墙体的稳定和开挖深度对邻近桩基的安全有着重要影响,并提出了近期发生在上海的某小高层楼房整体倒覆事故的一种可能原因。     

考虑桩靴贯入对邻近群桩效应影响的分析方法

为考虑钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,以海洋平台群桩设计中使用的修正Poulos法为基础,提出了一种考虑桩靴贯入影响的群桩分析方法。该法基于非线性地基梁模型确定桩靴贯入土层时单桩桩头位移;依据桩同时承受桩头荷载与土体位移时对应的地基反力系数确定土层的弹性模量,进而在Poulos群桩相互作用分析理论框架内,分析桩靴贯入对群桩相互作用的影响,确定桩靴贯入过程中由于群桩相互作用导致的附加桩头位移及相应的群桩桩头位移;依据群桩桩头位移,确定考虑桩靴贯入影响的群桩p-y曲线Y因子及相应的p-y关系。为了说明分析方法的可行性,进行了桩靴贯入砂土时对邻近单桩和群桩相互作用影响的离心模型试验,方法预测与试验结果基本一致,从而验证了方法的合理性。对于文中的工况,桩靴贯入没有导致群桩p-y关系进一步弱化,此时采用桩靴贯入前的群桩p-y关系确定考虑桩靴贯入影响的群桩响应,得到的结果偏安全。     

钻井船插桩CEL数值模拟中的若干问题分析

依据模拟钻井船在不同场地条件下贯入阻力的离心模型试验结果及具体工程实例,对利用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元方法模拟钻井船在黏土、砂土、黏土下覆砂土、砂土下覆黏土及成层土场地插桩过程时,影响贯入阻力计算结果的几个因素进行了研究。结果表明,对于不同土层场地条件,有限元模型中欧拉区域范围对贯入阻力几乎没有影响。为确保CEL数值结果的精度,有限元建模时靠近桩靴部分设置为细网格区域,以外区域设置为粗网格区域;对于不同土层场地条件,减小细网格尺寸及增大细网格范围可以减小贯入阻力的振荡情况;经比较总结,细网格尺寸建议取0.05倍桩靴直径,细网格范围建议取2倍桩靴直径。采用位移控制模拟钻井船插桩时,桩靴贯入速率对黏土场地的贯入阻力影响较小,对砂土下覆黏土场地的贯入阻力影响很大,对一般成层土场地的贯入阻力有一定影响。经比较总结,建议在研究钻井船在不同土层场地的计算贯入阻力时,有限元模型的桩靴贯入速率取0.2 m/s。     

基于Mindlin解分析隧道开挖对近邻桩基的影响

预测隧道开挖对邻近桩基产生的附件内力和变形对隧道建设具有重要意义。传统弹性地基梁法忽略了相邻桩-土界面单元的相互作用和桩-土界面的塑性变形,其预测结果与实际有较大出入。基于Mindlin解考虑桩-土界面单元相互作用,假设桩-土界面为理想弹塑性体,根据摩尔-库仑准则得出桩侧土体的极限剪应力和极限土压力,可由本构方程得出隧道开挖引起的桩基附加内力和变形的塑性解。将该方法得到的塑性解与离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。新方法考虑了桩身相邻桩-土界面单元的相互作用,得到的附加变形较传统地基梁解大。最后,讨论了桩-土界面塑性变形对桩基附加内力及变形的影响,由于不考虑桩-土界面塑性变形,导致桩基附加内力和变形产生较大偏差,并且随着地层损失率增加,偏差增大。     

插拔桩靴对临近桩靴承载力的影响研究

自升式钻井船桩靴的插拔过程将会对临近井口平台的桩靴基础产生不利影响。开展了室内模型试验研究,将试验结果与理论分析结果相结合,得到了桩靴插拔的影响范围及影响范围内土体强度的变化规律,并推导了桩靴插拔影响区内临近桩靴承载力的计算方法,与模型试验结果进行了对比验证。研究表明,桩靴插拔后砂土相对密实度降低,其降低程度随距桩靴距离的增加而逐渐减小,影响范围约为1倍桩靴直径。受桩靴插拔影响,临近桩靴的承载力下降,降低比例随两桩靴相对间距的增大而减小,随桩靴相对插深的增加而增加。当两桩靴相对间距大于2倍插拔桩靴直径时,可认为桩靴插拔对临近桩靴基础承载力无影响。     

Analysis of piles subjected to lateral soil movements using a three‐dimensional displacement approach

An analytical approach using the three‐dimensional displacement of a soil is investigated to provide analytical solutions of the horizontal response of a circular pile subjected to lateral soil movements in nonhomogeneous soil. The lateral stiffness coefficient of the pile shaft in nonhomogeneous soil is derived from the rocking stiffness coefficient that is obtained from the analytical solution, taking into account the three‐dimensional displacement represented in terms of scalar potentials in the elastic three‐dimensional analysis. The relationship between horizontal displacement, rotation, moment, and shear force of a pile subjected to lateral soil movements in nonhomogeneous soil is obtainable in the form of the recurrence equation. For the relationship between the lateral pressure and the horizontal displacement, it is assumed that the behavior is linear elastic up to lateral soil yield, and the lateral pressure is constant under the lateral soil yield. The interaction factors between piles subjected to both lateral load and moment are calculated, taking into account the lateral soil movement. The formulation of the lateral displacement and rotation of the pile base subjected to lateral loads in nonhomogeneous soils is presented by taking into account the Mindlin equation and the equivalent thickness for soil layers in the equivalent elastic method. For lateral movement, lateral pressure, bending moment, and interaction factors, there are small differences between results obtained from the 1‐D and the 3‐D displacement methods except a very flexible pile. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Three-dimensional finite element study of a single pile response to multidirectional lateral loadings incorporating the simplified state-dependent dilatancy model

Waves and winds can induce lateral loads on piles, which are often multidirectional. The objective of this study is to investigate the response of a single pile subjected to unidirectional and multidirectional lateral loadings using the finite element analysis program ABAQUS. A simplified version of the state-dependent dilatancy model was implemented and embedded into the program to simulate the behavior of the soil around the pile. The results of the analyses indicate that the lateral resistance of the pile along one horizontal direction under multidirectional loading is lower than that under unidirectional loading. The degree of reduction of the resistance increases with the aspect ratio of the displacement path at the pile head. The directions of the force increment vector and the displacement increment vector are generally non-coaxial under multidirectional loading. The soil-pile interaction and soil responses under multidirectional loading are also significantly different than those under unidirectional loading.     

用试桩值反演分析不同土体预应力砼管桩参数

通过3个场地试桩资料反演分析，取得不同土体管桩参数选取原则与方法初步成果：砂性土侧阻力、端阻力可据实测标贯击数加5击后的密实度按桩基规范选取，且具有桩端进入持力层越深端阻力越大的特点，甚至可将砾砂的端阻力提高到卵石挡选取；上更新统粘性土侧阻力、端阻力亦可据实测液性指数提高一挡或半挡按桩基规范选取；全新统粘性土、上更新统粉土侧阻力可据实测液化指数或密实度直接按桩基规范选取。