海洋工程中桩基抗拔承载力研究

抗拔承载力是桩基设计的重要组成部分,随着海上风电场的建设,海洋工程中出现了越来越多需要提供足够抗拔力的抗拔桩。现有规范中桩基抗拔承载力的计算来源于对抗压承载力的修正,理论研究成果也仅限于半经验法及极限平衡算法,因此与实测数据存在较大差异。系统阐述现有的桩基抗拔承载力计算方法,并结合实际工程计算桩基的抗拔承载力,对比各种计算方法的结果发现:黏土中API规范法计算的桩基上拔承载力更接近实测值;Meyerhof和Das算法适合计算长径较小的桩;Chattopadhyay和Shanker算法适用于砂土中抗拔桩的计算;现有抗拔承载力计算方法忽略了黏土中的黏附力和负孔隙水压力,导致计算结果与实测值偏差较大。     

大直径扩底灌注桩的抗震性能研究

深入分析土-大直径扩底灌注桩体系动力相互作用机理是地震工程的重要研究内容。本文采用快速拉格朗日FLAC~(3D)有限差分程序建立地震荷载作用下扩底桩-土和等直径桩-土动力相互作用体的三维数值模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Mohr-Coulomb弹性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间采用"切割模型"法设置桩土间接触面。输入5·12汶川地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算与分析。结果表明:扩底桩的抗震性能优于等直径桩;与具有显著差异的加速度时程曲线相比,扩底桩对位移动力响应并不敏感。     

岩石嵌固掏挖基础抗拔承载特性及其影响因素研究

岩石嵌固掏挖基础目前已经广泛应用于电力基础工程中。原状土由于受扰动较小,胶结性强,具有良好的抗剪强度,对掏挖基础抗拔承载力具有重要影响,因此研究原状土参数变化对基础上拔承载性能的影响规律具有重要意义。结合现场试验,建立数值模型,研究土体黏聚力、内摩擦角、弹性模量对基础上拔承载性能的影响规律。研究表明:土体内摩擦角和黏聚力对基础抗拔承载力具有较大影响,而弹性模量影响程度较低;参数的变化对土体塑性区发展规律影响较小。     

竖向荷载作用下预应力抗拔灌注桩三维有限元分析

预应力抗拔灌注桩通过对桩体施加预应力产生的抗拔力可以有效阻止裂缝发展,在承载力不变的前提下降低桩基钢筋用量,节省工程成本。借助有限元数值分析方法,通过各种符合抗拔桩工作性状的参数的合理假定,对竖向荷载作用下预应力抗拔灌注桩的工作性状及桩-土动力相互作用进行了研究。结论表明:桩径增大和桩长增长将导致桩顶位移量减小;预应力抗拔灌注桩与普通桩相比具有更好的变形协调能力和承受上拔荷载的能力。     

扩大头压力型锚索的现场试验研究

在土质边坡进行了拉力型锚索、扩大头压力型锚索和分段扩大头压力型锚索的现场试验。对所试验锚索的极限抗拔力和变形特性进行了比较分析;对压力型锚索注浆体压应变的分布,扩大头前端土体承载力对抗拔力的贡献等进行了分析。取得的试验结果和有关分析结论对扩大头压力型锚索的设计与施工有重要的指导意义。     

大直径扩底灌注桩的地震反应特性

大直径扩底桩的地震反应分析对其抗震设计至关重要。本文采用ABAQUS有限元程序建立地震荷载作用下扩底桩-土-结构和普通等直径桩-土-结构动力相互作用体的三维有限元模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Drucker-Prager弹塑性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间设置非线性接触。输入Imperial Vally地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算,分析了桩土模量比、软夹层、上部质量等因素对桩基地震反应的影响。结果表明:与普通等直径桩相比,扩底桩的抗震性能没有明显提高,扩底直径对抗震性能影响不大,增大扩底桩直径,并不能提高扩底桩的抗震性能;上部结构的质量及桩土模量比对桩基的动力响应影响显著。     

地铁车站液化上浮响应及抗浮措施研究

地铁车站的地震液化上浮是地下结构常见的灾害之一,对处于液化场地的地铁车站需增加抗液化及抗浮措施。通过数值分析的方法对比分析了抗拔桩和隔离墙2种抗浮措施的作用机理及作用效果,研究了车站的上浮位移、地表变形和周围土体超孔隙水压比等动力响应。结果表明:设置抗拔桩可提供抗拔力,隔离墙可有效阻挡液化土的流动,因此地铁车站的上浮位移明显减小;抗拔桩的长度进入非液化土层时抗浮效果最佳;隔离墙的抗浮效果随着与车站主体的距离增加而减弱。通过该项研究,可为液化场地中地铁车站的抗浮设计提供一定的理论参考。     

基于OpenSees的桩-土-桥墩相互作用非线性数值分析模型

基于OpenSees数值分析平台,建立了群桩-土-桥墩非线性数值分析模型。模型中桩-土水平向相互作用和桩-土竖向相互作用、桩底-土竖向相互作用分别通过p-y、t-z与q-z零长度弹簧单元模拟。模型中同时考虑了群桩效应与纵筋在墩底的应变渗透和粘结滑移的影响。结合群桩基础拟静力试验结果,对数值模型的准确性进行了验证,在此基础上对土体参数特性对桩基滞回性能的影响规律进行了分析。结果表明:所建立的数值分析模型可对群桩基础滞回曲线和骨架曲线进行较为准确的模拟分析,验证了模型的可靠性。反复荷载作用下,前桩处土体的反应明显大于中桩处;土体由软黏土变为硬黏土时,墩顶侧向承载力与刚度显著增加,但土体的非线性反应减弱。     

风浪荷载作用下扩底桩基础桩周土应力特征分析

扩底桩基础在承受水平风浪荷载时,基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。基于有限元程序ABAQUS,针对近海风机单桩基础受力特点,分别建立扩底桩和等直径桩的有限元模型,着重分析扩底桩受风浪荷载时桩周土的应力特征,并对扩底桩和等直径桩桩周土的应力主轴旋转角度规律进行对比分析。结果表明:扩底桩在承受风浪荷载时,上部桩桩周土偏应力和主应力方向角的变化较为明显,扩底段部分桩周土受动荷载的影响较中段更为明显;随着桩周土与扩底桩距离的增加,桩周土主应力方向角旋转幅值逐渐减小,直到减小为一个较为稳定的值;扩底桩桩周土与等直径桩桩周土的主应力方向角旋转幅值变化规律有所不同。     

抗拔钢筋对提高混凝土承台-钢柱脚锚固承载力的研究

在试验研究基础上,采用ANSYS有限元分析程序,对不同抗拔钢筋配筋率的混凝土承台-钢柱脚在单向加载下的性能进行了弹塑性计算分析。结果表明,随着抗拔钢筋配筋率提高,其抗拔承载力、后期刚度、耗能能力均比未配抗拔钢筋的混凝土承台-钢柱脚逐步提高,但其提高的比例逐渐趋慢。用承载力桁架模型对各混凝土承台-钢柱脚承载力进行了计算,结果与有限元计算结果符合较好。     

现浇X型混凝土桩的荷载传递机理初探

现浇X型混凝土桩技术是河海大学开发研制的用于地基加固处理的一项新技术。在模型试验的基础上,通过有限元方法研究了现浇X型混凝土桩的荷载传递机理,并与模型槽试验结果进行了对比,分析中考虑了桩和土之间的接触和土的非线性。通过数值分析,揭示了X型桩的截面形式对侧摩阻力分布、端阻力发挥的影响。计算结果表明,由于桩的泊松比效应,X型桩截面周边不同位置的侧阻力大小有所不同;X型桩中出现了类似于H型桩的“半封闭土塞”,与圆截面桩相比,桩端附近的侧摩阻力有较明显的增加;X型桩的桩端承载力系数要小于圆截面桩的情况,体现了X型桩截面形状的影响。     

钢柱脚混凝土承台锚固性能弹塑性有限元分析

在试验研究基础上,采用ANSYS有限元分析程序,对钢柱脚混凝土承台在单向加载下的性能作了弹塑性分析,研究了其在竖向抗拔荷载作用下的开裂、变形及破坏的全过程,并在此基础上,建立了简化的抗拔承载力计算的桁架模型,计算结果与试验结果符合较好。     

近海复杂环境下的H-M-T受荷桩内力位移分析

为探讨近海复杂恶劣环境（台风超强风力、车辆冲击力或地震产生的复杂力等）下水平力H、弯矩M及扭矩T共同作用时的基桩桩身内力变形特性,基于传统有限杆单元法思想,获得了H-M-T受荷桩的基本单元刚度矩阵。然后,基于m法考虑桩周地基土的侧向约束作用,并计入H-M-T耦合效应,采用凝聚方法导得了具有简洁统一形式的桩身杆单元刚度矩阵,由此建立水平力、弯矩和扭矩组合作用下的桩身内力位移有限杆单元法计算模型,进而采用MATLAB编制出相应的分析计算程序。最后,结合近海工程算例进行了分析。结果表明：1文中提出的改进有限杆单元法能考虑桩周地基土的分层特性、不同边界条件及H-M-T的耦合效应;2相比单一考虑水平受荷,扭矩的存在加大了桩身的位移和内力;3H-M-T复杂受荷模式下,荷载传递存在有效传递深度,当相对深度z/L超过0.5后,桩身弯矩和剪力趋近于零,而扭矩显著减小。     

Numerical simulations of shake-table experiment for dynamic soil-pile-structure interaction in liquefiable soils

A shake-table experiment on pile foundations in liquefi able soils composed of liquefi able sand and overlying soft clay is studied. A three-dimensional(3D) effective stress fi nite element(FE) analysis is employed to simulate the experiment. A recently developed multi-surface elasto-plastic constitutive model and a fully coupled dynamic inelastic FE formulation(u-p) are used to model the liquefaction behavior of the sand. The soil domains are discretized using a solid-fl uid fully coupled(u-p) 20-8 noded brick element. The pile is simulated using beam-column elements. Upon careful calibration, very good agreement is obtained between the computed and the measured dynamic behavior of the ground and the pile. A parametric analysis is also conducted on the model to investigate the effect of pile-pinning, pile diameter, pile stiffness, ground inclination angle, superstructure mass and pile head restraints on the ground improvement. It is found that the pile foundation has a noticeable pinning effect that reduces the lateral soil displacement. It is observed that a larger pile diameter and fi xed pile head restraints contribute to decreasing the lateral pile deformation; however, a higher ground inclination angle tends to increase the lateral pile head displacements and pile stiffness, and superstructure mass seems to effectively infl uence the lateral pile displacements.     

地震区跨活动断层桥梁桩基动力时程响应分析

为了研究强震区桥梁跨活动断层时,桩基在地震中的动力响应,以海文大桥为工程背景,利用Midas GTS有限元软件建立其强震区桩-海床岩土体-断层耦合作用的数值模型,研究不同强度(0.20g～0.60g)的50年超越概率为10%的地震波(后文简称5010地震波)作用下,桥梁桩基加速度、位移、弯矩及剪力的动力时程响应特性。结果表明：上部大厚度松散土体对桩身加速度有放大及滤波作用,而基岩对桩身加速度几乎不产生作用;断层上、下盘桩基础的桩顶水平位移随输入地震动强度的增大而增大,但达到振幅的时刻一致;上、下盘桩基础桩顶竖向位移时程响应都在50 s以后产生永久沉降;桩身最大弯矩截面处时程响应均在40 s以后产生永久弯矩;应重点考虑上部覆盖层软硬土体界面和基岩界面的抗弯承载力设计,及桩顶和基岩面附近的抗剪承载力设计;上盘桩基础按桩身加速度、弯矩、桩顶水平位移等动参数控制设计,下盘桩基础按动剪应力控制设计。     

RC pile–soil interaction analysis using a 3D‐finite element method with fibre theory‐based beam elements

To evaluate the overall response of a structural system including its foundation and surrounding soil, an equivalent finite element model with reduced degrees of freedom using fibre theory‐based beam element was proposed. The proposed model was based on investigations of the subgrade soil reaction of a single‐layer model, and was verified for the cyclic behaviour of a laterally loaded single RC pile in terms of the load–displacement relationship, pile deformation, and soil pressures on the pile surface. Also investigated was the effect of the interfacial element between pile and soil on the behaviour of the laterally loaded pile. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

A numerical and experimental study of hollow steel pile in layered soil subjected to lateral dynamic loading

The present study aims at investigating the nonlinear behavior of single hollow pile in layered soil subjected to varying levels of horizontal dynamic load. A finite element model has been developed using commercially available FEM based software. Mohr–Coulomb plasticity model is used to simulate the soil plasticity whereas the pile-material is idealized as elastic. Numerical results are validated comparing with the experimental results. The experimental investigations were carried out in the field located at IIT Kharagpur. Two types of motion: horizontal and rocking are studied. The effects of various influencing parameters, namely, exciting moment, length and diameter of the pile etc. on the nonlinear dynamic response of piles are investigated. It is found that separation of pile from the surrounding soil considerably affects the resonance frequency and amplitude of the pile foundations.     

Interactive behavior of soil–pile-superstructure system in transient state to liquefaction by means of large shake table tests

Shaking table tests were conducted by means of a large-scale laminar box with 4 m in length, 2 m in width and 2 m in height in order to investigate behavior of a soil-pile-superstructure system in liquefiable ground. A model two-storey structure, supported by a pile group, was set in a saturated sand deposit, and subjected to a sinusoidal base motion with increasing amplitude. Discussions are focused on the transient behavior until soil liquefaction occurs. Main interests are characteristics of springs used in a sway-rocking model and a multi-freedom lumped mass (MFLM) model that are frequently used in soil–pile interaction analysis. The spring constant in the sway-rocking model is represented by restoring force characteristics at the pile head, and that in the MFLM system is represented by an interaction spring connecting the pile to the free field. The transient state prior to soil liquefaction is shown to be important in the design of a pile because dynamic earth pressure shows peak response in this state. The reduction of the stiffness due to excess porewater generation and strain dependent nonlinear behavior is evaluated.