软土地层高承台桥梁群桩基础横向承载特性研究

高承台群桩基础是高速铁路桥梁基础的一种常用形式,受到风、地震等荷载作用影响,常常需要承受较大的横向荷载。采用室内物理模型试验和三维有限元程序ABAQUS对软土地层中单桩、群桩的横向承载特性进行了研究,软土采用修正剑桥黏土本构模型,试验结果与有限元计算结果吻合较好。群桩研究方案包括了桩数的变化以及桩间距的变化。结果表明,群桩基础的基桩平均横向承载力（总承载力/桩数）较单桩基础显著增加,且水平荷载方向桩间距越大,其横向承载力越大;群桩基础基桩受力存在三维空间效应,不同位置基桩受力大小排序为角桩最大,其次为边桩,最小为中间桩,弯矩极值差异可达20%,群桩基础桩周土影响范围距外围基桩边缘净距离约为16D (D为桩径)。桩与桩相互影响效应对群桩水平承载不利,承台约束效应对水平承载有利。探讨了考虑上述两种效应的群桩效应系数计算方法,通过计算验证了该方法在软土地区高承台群桩基础横向承载力计算中的适用性。     

大规模超长群桩基础工作性能的数值模拟

超长桩基础在土木工程中的应用越来越多,但对其工作性状的研究相对滞后。以某超长群桩基础工程为例,用三维非线性有限元方法分析了超长单桩及群桩的工作性能。计算中桩、土和承台的有限元模型均用8节点六面体等参单元,桩-土界面用有厚度的接触面单元模拟;混凝土的应力-应变关系用线弹性模型,土体用非线性Duncan-Chang弹性模型模拟;承台施工过程用分级加荷的方法模拟,承台混凝土的硬化过程用变化模量的方法模拟。计算结果表明,超长单桩的承载性状属摩擦桩,其桩身失稳的原因是桩侧土体的破坏;在群桩基础中,不同位置基桩的工作性能不完全相同,承台周边桩的工作性能与单桩类似,而与内部桩的差别较大;现行规范中推荐的群桩效应系数和有限元计算结果间存在较大差别,表明现行规范可能不适用于超长群桩基础,对超长群桩基础的工作性能进行深入研究是必要的。     

下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法研究

为探究下伏空洞桥梁群桩桩端岩层的承载机制和破坏模式，进行了单桩及不同桩数群桩的室内模型试验研究，得到了不同桩数群桩桩端岩层的极限承载力和破坏模式。根据下伏空洞桥梁群桩桩端岩层破坏模式的特点将破坏面分为两个部分，结合极限分析法提出了下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法，理论计算值与室内试验值吻合良好，验证了计算方法的合理性。同时分析了桩端岩层极限承载力随桩数增加的变化规律，可为岩溶区桥梁桩基工程建设提供参考。试验及理论计算结果表明：（1）下伏空洞群桩桩端岩层发生整体冲切破坏时，破坏体整体可视为与单桩破坏体等效的大型墩基；（2）当桩间距较小时，群桩桩端岩层极限承载力随外围基桩外包络线长度增大而增加，当外包络线长度相同时，内部基桩布置方式对群桩桩端岩层极限承载力无影响；（3）群桩效应系数随桩间距的增大而增加，临界桩间距为5d～6d(d为桩径)。     

局部冲刷下群桩水平承载试验研究

基于典型冲刷坑形态,通过改变冲刷深度来模拟不同局部冲刷作用,对典型的9桩群桩进行了冲刷前、后水平承载试验,对相同参数的单桩进行了平行对比试验,详细分析了荷载-位移特性、桩身弯矩分布、群桩效率系数以及荷载分担比的变化规律。结果表明,随着冲刷深度增加,单桩和9桩基础水平承载力均呈现减弱趋势,水平群桩效率系数逐渐增大,承台约束作用效应更加明显,桩身弯矩增大,最大弯矩点位置向桩端移动,前排桩荷载分担比增大,中、后排桩荷载分担比减小;前排角桩受冲刷深度和水平荷载影响最大,设计时需采取有效的加强措施。     

低承台扩底楔形桩群桩效应系数研究

基于模型试验方法,开展砂土中竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩桩-土相互作用模型试验,测得不同荷载等级下桩顶荷载-沉降关系曲线、桩端阻力以及桩身轴力等分布规律,同时开展扩底楔形桩单桩竖向承载特性试验作为对比分析。结合JGJ94规范规定的承台效应系数和群桩效应系数,对扩底楔形桩群桩竖向极限承载力进行了理论计算分析。研究结果表明,文中试验条件下竖向荷载作用下低承台2×1和2×2扩底楔形桩群桩的综合效应系数分别为1.16和1.10;无承台作用下2×1和2×2扩底楔形桩群桩的群桩效应系数分别为0.95和0.88;理论计算中扩底楔形桩承台效应系数和群桩效应系数可以参照等直径桩的相关规范取值。     

基于试验的群桩基础承载性状研究

基于所收集到的群桩基础的试验资料，对群桩基础的一些承载性状进行了总结，主要包括：群桩基础的沉降、低承台的“削弱效应”与“增强效应”、群桩的荷载-沉降曲线(Q-s)、疏桩群桩基础等。     

螺旋群桩基础承载性状试验研究

根据螺旋群桩现场静载试验结果,分析了螺旋群桩基础承载性状的影响因素,讨论了极限荷载下群桩几何参数对螺旋群桩的桩端阻力和桩侧摩阻力的影响。结果表明,螺旋群桩承载性状受到相邻桩的叶片距离以及首层叶片到承台底面间的桩长度影响明显。在叶片桩距比（桩间距比叶片直径）小于2时,螺旋群桩静载试验的荷载-位移曲线呈缓变形,无明显的拐点,群桩破坏属于整体破坏。同时,螺旋桩的叶片有助于减小承台下桩间土变形活动区的高度,增强了桩-土-承台的相互作用,减小了群桩基础沉降量。     

软土地区群桩基础承载特性研究

滨海地区存在大量的软土、淤泥和淤泥质黏土,在建筑物等外荷载作用下容易产生较大的沉降,群桩复合基础可以提高软土地区的承载力,减少建筑物的沉降。为了研究群桩基础的承载力特性,依托某软土地区高速公路实际工程,借助数值模拟手段,分别对素土、群桩条件下的承载力特性进行了分析,其中群桩工况考虑了桩间距、桩长和桩径三个影响因素。分析结果表明：相同的条件下,素土的承载力为2 300kN,群桩的承载力52 000kN。群桩可以显著提高软土的承载力,桩径、桩长和桩间距可显著影响群桩的承载特性,其中增大桩长和缩短桩间距可更好地提升承载力,施工时需要综合比选以确定最佳组合方案。     

不同场地条件下长桩的承载性状研究

根据软土地基、非软土地基中长钻孔灌注桩静载荷试验和桩身轴力的测试结果,分析探讨了竖向荷载下长桩的受力性能及沉降特征的一些规律。桩侧土模量较高的非软土地区的长桩静力试桩所测得的结果表明,荷载传递和桩身压缩与软土地区超长桩性状相似,长桩的桩身压缩量相当可观,计算中应予以考虑。极限侧阻力与端阻力不同步发挥,不同深度处的不同土层处基桩的侧阻也不能同步发挥;同时指出相关规范中极限承载力计算公式的不严密之处,并且探讨说明了竖向荷载下的长群桩基础变形性状及沉降计算有待进一步的研究。本项研究对今后超长桩的理论研究和工程设计应用具有一定的借鉴作用。     

组合荷载下超大群桩受力变形模型试验研究

李子沟特大桥是内昆线上的重点工程 ,采用了超大群桩基础。为了进一步完善对超大群桩基础的力学行为的认识 ,应用模型试验分析了在组合荷载作用下超大群桩基础的内力分布特点、群桩的承载性状和受力变形特性。试验结果表明 ,最大弯矩发生在与承台连接附近的桩身处 ,弯矩沿桩身向下随荷载由线性或非线性递减。对于组合加载与水平纵向加载 ,弯矩的极值、沿桩身的变化趋势和受荷载的影响范围不同     

非均匀地基中倾斜桩基竖向承载特性模拟试验研究

群桩基础中设计的倾斜桩基以其横向阻抗能力强等优势在港口、码头以及桥梁基础中得到了较为广泛应用。随着山区及不均匀地基土地区高速公路等基础设施的建设,在滑坡、斜坡变形体和不均匀地基上设计倾斜群桩桥梁基础的情况将会越来越多。由于倾斜桩基受力状态的复杂性,目前倾斜桩基础设计仍参考竖向桩基承载力计算理论,凭借经验进行设计。对此人们虽然做了许多探索,但仍未形成完善的设计计算理论和标准。为此,结合厦深客运专线某特大桥桩基选型研究项目,利用相似材料物理模拟试验,就倾角为0°～12°周边斜桩的群桩基础竖向承载力进行了试验研究。结果表明,竖直桩基的荷载-沉降曲线呈缓变型,倾斜桩基则呈陡降型;就倾斜群桩基础竖向承载力而言,倾斜基桩的合理倾角为8°左右;竖直桩基中角桩轴力最大,边桩轴力次之,中桩轴力最小,倾斜桩基中的中桩轴力最大,角桩轴力次之,边桩轴力最小;倾斜桩基桩身弯矩分布形式与基桩的倾角有关,当倾角达到12°时,桩身将出现反向弯曲段。基桩倾角的不同是导致倾斜桩基和竖直桩基竖向承载特性显著不同的主要原因之一。     

水平荷载作用下群桩相互作用的弹塑性数值分析

本文利用三维弹塑性有限元法对水平荷载作用下群桩基础特性进行了分析,讨论了群桩基础水平荷载作用下的承载性状和破坏机理,并探讨了桩距、桩数、桩长、桩径和土质各种因素对群桩效应的影响,指出桩距和桩数是影响群桩效应的主要因素。     

基于扁铲侧胀试验的桩基水平承载力分析

依据扁铲侧胀试验的结果,对桩侧土水平抗力系数的比例系数进行了估算,并估算出单桩水平承载力设计值;根据单桩水平载荷试验的成果,计算出试验桩的水平临界荷载平均值,并得到桩侧土水平抗力系数的比例系数;在此基础上,对两者进行了对比分析,其单桩水平承载力非常接近,但比例系数存在差异。认为不宜将试桩的结果直接应用于工程桩的水平承载力计算,应根据工程桩的实际情况,考虑承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应。     

上海地区超长后注浆钻孔桩竖向承载力试验研究

依据上海地区某超高层商业建筑试桩的高吨位竖向抗压静载试验结果,通过对基桩的竖向极限承载力性状、桩身轴力传递特性以及桩侧阻力、桩端阻力发挥特性的分析研究,揭示了桩底注浆对基桩承载性状的影响情况,深入探讨了上海软土地区大直径超长后注浆灌注桩的荷载传递机理和竖向承载性状,提出了单桩承载力的估算方法。     

基于极限平衡法的现浇X形桩群桩负摩阻力计算分析

软弱土及湿陷性黄土等地区桩基负摩阻力计算是桩基础设计与施工必须考虑的问题之一,目前针对群桩负摩阻力计算方面的研究相对较少。采用有效应力法计算单桩负摩阻力,基于极限平衡原理计算负摩阻力群桩效应系数,从而得到群桩负摩阻力计算公式。结合现场试验结果,对现浇X形桩群桩负摩阻力及桩身下拽力进行计算分析,并讨论了群桩基础中各基桩位置对桩身下拽力的影响,以及群桩效应系数随相关影响因素的变化规律。研究结果表明,文中计算结果与现场实测结果具有良好的一致性;地面堆载等级越高,群桩所受的桩身下拽力越大,且群桩效应系数随着桩间距的增大而增大,随着负摩阻力系数和中性点深度比的增大而减小。     

斜桩基础受力特性研究

斜桩在群桩中起到承受较大水平荷载的作用,被广泛应用于桥梁、码头以及大型输电线路等建构筑物的基础中。群桩基础中,斜桩对竖向和水平荷载的分担作用不仅是力的分解问题,还与群桩中斜桩与直桩的单桩轴向和侧向刚度有关,进行斜桩群桩基础分析需要考虑轴向与侧向刚度的耦合。通过对直桩、斜桩的单桩侧向和轴向承载特性的分析以及群桩基础荷载分担情况的分析,揭示了斜桩基础的受力性状。负斜桩单桩侧向刚度最大,直桩次之,正斜桩最小。桩长对单桩轴向刚度的影响非常明显,桩长越长,轴向刚度越大,轴向刚度与侧向刚度之间的差异也就更加显著。群桩基础大部分竖向荷载由桩轴向力承担;当轴向刚度与侧向刚度的比值较小,基础水平荷载主要由桩侧向力承担;当轴向刚度与侧向刚度的比值很大,基础水平荷载主要由桩轴向力承担;当桩的倾斜角较小时,由基础水平荷载引起的桩轴向力较大。     

减少沉降桩基础承载力安全系数研究

通过提出减少沉降桩基础的带承台群桩桩间土承载力的实用计算模型,得出根据静载荷试验P—W曲线求桩和桩间土的承载力安全系数K_1和K_2的方法,同时研究了安全系数K_1、K_2与桩距S_d同桩径D的比值n、单桩承载力发挥程度系数γ的关系。     

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。     

采空区上方高速铁路桥梁群桩基础模型试验研究

目前有关采空区桥梁群桩基础的受力机制和沉降特性的研究成果还十分匮乏。以合肥－福州高速铁路官山底特大桥采空区群桩基础为原型进行缩尺模型试验研究。根据相似理论计算出模型相似常数,试验确定相似材料后进行模型制作,通过多级荷载试验获取了桩的内力,桩间土的应力,桩、承台、土和采空巷道顶板的沉降3大类数据,得出了模型中桩和桩间土的荷载特性和基础沉降规律。研究表明：采空区对桩承载力的影响与荷载大小成反比关系;所有桩均未出现桩侧负摩阻力,穿过采空区的桩的侧摩阻力分布重心下移程度较正常地层桩明显;采空区群桩不均匀沉降存在临界荷载值,超过此值后,采空区顶板岩土层与基础下正常岩土层的差异沉降不再增加。基于试验结果和理论分析,建立了以现有规范为基础的采空区单桩承载力计算公式和采空区群桩沉降计算公式。     

轴向荷载对斜桩水平承载特性影响试验及理论研究

斜群桩受水平荷载作用时,群桩中的基桩受到径向荷载、轴向荷载和弯矩的共同作用。为研究轴向荷载对斜桩水平承载特性的影响,完成了3根单桩以及1组1×2斜桩的大尺寸模型试验。试验结果表明：轴向拉力作用会降低斜桩的水平刚度和极限承载力;而轴向压力作用则会使其水平刚度和极限承载力提高。基于桩侧浅层土体楔形破坏假定,推导了考虑轴向荷载影响的斜桩水平极限土抗力计算公式,提出了桩侧土抗力的p-y曲线方法,并通过模型试验及现场试验验证其合理性。