倾斜与偏心荷载作用下裙板式基础破坏包络面研究

联合采用Swipe加载模式与固定位移比加载模式,对裙板式浅基础在倾斜与偏心荷载两种加载条件下的承载性能进行了比较系统的平面应变有限元分析,主要探讨了裙板式基础埋深、地基土不排水强度的非均质性对基础在竖向荷载V与水平荷载H、竖向荷载V与弯矩M加载平面内的破坏包络面的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制。结果表明,基础埋深与地基土强度的非均质性对于地基失稳模式有较大影响,但V-H和V-M平面内的破坏包络面形状具有较好的归一化特性,并分别建议了裙板式基础在倾斜和偏心荷载作用下的破坏包络面方程。     

软土地基路堤施工控制的离心模拟试验研究

软土路基上快速填筑路堤时的稳定控制是非常重要的。为此在现行规范中,采用了一些位移或位移速率的控制标准。但实践表明,采用现行的标准仍然出现一些地基失稳的事例,说明这些标准需要进一步求证和改进。除了继续收集、分析失效事例之外,通过离心模型试验也可以进一步理解堤基失稳的机制。离心模型试验结果表明：路堤快速填筑使得地基破坏时,地基变形略呈马鞍形,坡肩处沉降比道中处沉降略大,坡脚水平位移增加较快;破坏时的位移速率与现有规范建议的控制标准基本符合,但地基内的孔隙水压力是在地基进入破坏状态并发生较大变形之后才有突然增加的趋势;此外,坡脚水平位移和道中沉降的速率比,可能是一个较好的稳定性控制的指标。     

复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究

海上风力发电机属于高耸结构物,其地基基础不仅要承受上部结构传递的竖向荷载V、水平荷载H,更要抵抗巨大的弯矩荷载M。单桩复合筒型基础是新型的海上风力发电机基础型式,建立复合加载模式下单桩复合筒型基础地基的破坏包络线,并据此评价其稳定性是地基基础设计的重要手段。在Swipe加载方法和固定位移比加载方法的基础上,通过数值分析研究了不排水饱和软黏土中单桩复合筒型基础在V-H、V-M、H-M和V-H-M加载模式下的地基承载力包络线,开展了室内模型试验,验证了数值分析结果的可靠性。研究表明,V-H和V-M加载模式下地基承载力包络线具有对称性,而H-M加载模式下呈非对称性;V-H-M加载模式下地基承载力包络线的形状受弯矩荷载M的影响显著,表现为随着弯矩荷载的增加,V-H平面内的破坏包络线逐渐缩小。实际工程中,可根据受力状态与破坏包络面的相对关系,评价单桩复合筒型基础的稳定性。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

水平荷载作用下PCC桩复合地基工作性状

利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽进行PCC桩水平承载足尺试验,实测得到了水平荷载作用下桩身弯矩分布。利用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC单桩与等截面实心圆桩、PCC桩复合地基与等截面实心圆桩复合地基在水平荷载作用下的工作性状,对其桩身弯矩和水平位移的分布规律进行了比较,分析了竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率对PCC桩复合地基桩身性状的影响。研究表明,PCC桩复合地基在水平荷载作用下,随着竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率的增加,其桩身弯矩和水平位移随之减小。因此,在PCC桩复合地基设计时可以通过适度调整这些影响参数来减小水平荷载作用下的桩身弯矩和水平位移,确保桩身的安全。     

竖向与水平复合加载下桶形基础承载性能的分析

在竖向和水平力共同作用的复合加载条件下地基承载性能及其破坏模式是吸力式桶形基础设计与施工中的关键技术问题。为此,以大型通用有限元分析软件系统ABAQUS为基础建立了桶形基础三维有限元计算模型,运用位移控制法确定了均质软黏土地基极限承载力系数与位移之间的归一化关系;采用Swipe试验加载方法,确定了桶形基础在竖向力与水平力平面上的地基破坏包络图,从极限分析上限方法的角度探讨了由数值计算所揭示的桶形基础破坏机制。     

力矩与水平荷载联合作用下裙板式基础破坏包络面研究

联合采用swipe加载模式、固定位移比与固定荷载比加载模式,对于裙板式浅基础在水平荷载与力矩荷载的复合加载条件下的承载性能进行比较系统的平面应变有限元分析,主要探讨了裙板式基础埋深、地基土不排水强度的非均质性对于基础破坏包络面的影响,揭示了地基在水平和力矩荷载的不同组合条件下的失稳破坏机制。同时,对于两种swipe加载模式的有效性进行了比较。计算结果表明：对于非均质土,当裙板式基础埋深与宽度之比大于0.3时,破坏包络面产生正方向倾斜;当埋深与宽度之比小于0.3时,基础的破坏包络面出现负方向倾斜。而在均质土中,基础的破坏包络面没有出现负方向倾斜。     

基于倾斜软弱地基的填方工程特性分析

基于有限元方法,以水平软弱地基为参考,对比分析了倾斜软弱地基上路堤分阶段填筑过程中的水平位移、竖向沉降、稳定性等参量的变化规律。分析表明：当地基倾斜时,水平位移沿倾斜面向下发展,并在下坡脚处取得最大值,这明显不同于地基水平情况下水平位移基本按中心轴对称分布的规律。倾斜软弱地基的破坏模式为沿地基倾斜方向向下滑裂破坏,其稳定性明显低于水平软弱地基。计算还表明,抗滑桩使地基体内水平位移增量大大减小,抗滑桩后方的水平位移增量急剧降低。抗滑桩约束了倾斜地基体内水平位移的发展,阻碍了路堤沿地基倾斜方向向下滑裂破坏的趋势,提高了路堤的稳定性,是一种加固倾斜软弱地基的有效方法。     

考虑渗流的盾构隧道开挖面稳定性分析

通过工程实例,应用VB6.0与FLAC3D软件集成可视化系统,考虑水的渗流效应和不考虑水的渗流效应两种情况,对盾构隧道开挖面的稳定性进行分析。根据稳定性理论,确定开挖面支护压力在进行微小变化时,中心点水平位移发生突变时的支护压力为极限支护压力,得到了两种情况下开挖面的极限支护压力、应力场、位移场和塑性区的变化。结果表明:开挖面失稳的极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,考虑渗流的开挖面极限支护压力大于不考虑渗流的极限支护压力,渗流力构成了总支护力的主要部分;由于孔隙水压力的影响,考虑渗流效应的隧道开挖面应力小于不考虑渗流效应时的应力,其位移和塑性区却大于不考虑渗流作用的位移和塑性区;考虑渗流情况下开挖面的稳定性比不考虑渗流情况要差。同时与实测资料比较,验证了软件系统的合理和有效性,为设计和施工时开挖面支护压力的施加提供了一定的指导依据。     

非均质黏土地基中平面应变隧道最小支护压力数值模拟

土体由于沉积而具有天然的非均质性,但关于非均质地基中隧道开挖面稳定性的研究却很稀少,在实际盾构隧道工程中均按均质地基对待。但这一简化并没有考虑非均质性对保持开挖面稳定所需最小支护压力的有利作用,以及对破坏模式的影响。故文中采用基于tresca准则的弹塑性有限元法来研究黏聚力随深度线性变化的纯黏土地基中平面应变隧道的开挖面稳定性,模拟了土体失稳渐进破坏的全过程。最终验证了无量纲化的有效性,得到了各种工况时保持土体稳定的最小支护压力值,并发现了黏聚力线性变化斜率对深埋隧道破坏模式的影响,可为理论分析和工程实践提供依据。     

软土地基邻近堆载对桥梁桩基偏位的影响研究

在软土地基中,邻近堆载不仅将引发桥梁桩基发生侧向偏位,还将导致桩身产生附加弯矩,这对于桥梁的安全使用将产生极其不利的影响。通过对具体工程实例的介绍,利用有限元分析手段,并结合现场桩基偏位的实测结果,对邻近单侧堆载及双侧堆载所引发桩基偏位情况进行深入剖析。通过分析结果可知,在单侧堆载的作用下,桩基将产生侧向偏移及附加弯矩,且反弯点位于软土层与硬土层交界处附近,严重时将导致桩顶区域发生开裂破坏;在双侧堆载的作用下,桩基的偏位情况取决于两侧的堆载作用,而双侧卸载对桩基偏位影响较小,但对缓解桩身附加弯矩具有显著的作用。     

桩筏结构加固路桥过渡段深厚淤泥地基的现场试验研究

针对采用"预应力管桩+钢筋混凝土板"的桩筏结构加固处理高速铁路路桥过渡段的深厚淤泥地基,选择两处过渡段开展现场试验,基于实测结果分析桥台地基土的侧向位移和孔隙水压力、桩筏结构的沉降、桥台基桩的弯矩和侧向位移的变化特点及其产生原因,研究过渡段打入管桩对邻近桥台地基的影响、靠近过渡段的路基填土对桩筏结构稳定性的影响、台后路基填土对桥台基桩的侧向影响。结果表明:过渡段打入管桩会挤压邻近的桥台地基,若不采取其他措施,宜等管桩全部打完5个月后再开始钻进靠近管桩的桥台冲孔灌注桩孔;靠近过渡段的路基填土使桩筏结构先上浮然后不均匀下沉;采用桩筏结构对过渡段的淤泥地基进行加固处理后,台后路基填土仍会使下卧淤泥侧向移动而挤压桥台基桩,使桥台基桩偏移。     

隧道开挖引起邻近单桩水平反应分析

隧道开挖会降低邻近桩基承载力,如何更为合理评价桩基水平附加响应是需要解决的问题。基于Pasternak双参数地基模型和三折线弹塑性荷载传递模型,采用两阶段分析法,并考虑侧向土体作用及地基土层的非均质特性,提出了更符合实际的单桩水平反应简化分析方法。通过与Winkler地基梁法及边界元法的对比分析,验证了方法的合理性。结合对单桩水平反应的多种影响因素进行参数分析,通过各因素相应的修正系数来对基准工况中单桩最大水平反应进行修正,得到计算工况中单桩的最大水平位移和最大弯矩。分析结果表明,桩基水平位移计算时可忽略侧向土体作用,而弯矩计算时应予以考虑;桩基计算工况的最大水平位移 最大弯矩 与平均地层损失比 呈现线性关系,而与隧道半径R、隧道轴线深度H、桩距隧道中心线距离x及桩身柔度系数 均呈现非线性关系。     

基于能量法的轴横向荷载作用下单桩受力变形分析

轴向和横向荷载作用下单桩的受力变形分析是桩基研究的重点内容之一。单桩在水平荷载作用下会产生一定的水平位移与弯矩,而此时作用轴向荷载会使得桩体出现一定的压曲与附加弯矩,以致轴横向荷载作用下的单桩受力变形与单独作用水平荷载或轴向荷载的单桩存在较大的区别。故本文基于能量法,首先分别建立轴横向荷载作用下单桩的受力变形能量方程以及桩周土体能量方程,然后考虑桩土变形协调与一定的桩土相互作用,基于最小势能原理得到单桩变形控制微分方程,并采用幂级数法进行求解,最终得到轴横向荷载作用下单桩受力变形分析的幂级数解答。通过编程计算,将本文方法计算结果与试验结果、数值分析结果、规范法计算结果进行对比分析,验证了本文方法的合理性和可行性。在此基础上,基于本文解答进行了影响参数分析,结果表明:桩体长径比、桩土弹性模量比、桩周土模量深度变化系数均对轴横向受荷单桩的桩身水平位移与最大弯矩值有一定的影响,其中桩周土模量深度变化系数以不小于0.6为宜。     

考虑水泥土桩增强作用的灌注桩水平承载性能现场试验研究

结合淤泥土地基中的三洋港挡潮闸工程,研究水泥土桩增强灌注桩水平承载特性的效果,在现场进行水平静载荷试验。试验时,为量测钢筋应力,在钻孔形成灌注桩时将钢筋计焊接在钢筋笼的不同高程,测得在施加水平荷载时桩身的应力分布情况,从而得到弯矩的分布;将土压力盒埋入桩侧土体中,测试在水平荷载下桩周土体的土压力分布规律。试验结果表明,打设水泥土桩能够控制灌注桩水平位移的发展,并能提高灌注桩水平承载能力;灌注桩桩身弯矩值和桩周土体的土压力的分布情况都呈现先增加后减小的变化规律,并且都主要集中在上部桩体和土体中,其最大值约为泥面以下3 m左右的位置;水泥土桩的打设能够有效地减小桩身弯矩值,并且可以减弱底部反弯矩的出现;打设有水泥土桩的灌注桩桩周土体能够提供更大的土压力。另外,灌注桩的水平承载力受上部土体的影响较大,即提高上部土体的物理力学性质可以有效增大灌注桩水平承载力。     

软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究

针对软土地区基坑底土层为饱和软黏土的情况,设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验,分析不同开挖深度和水位条件下的基坑围护墙弯矩、土压力分布、水平位移以及基坑隆起稳定破坏机制。基于离心模型试验的基本参数和工况,建立了有限元数值模型,分析试验工况基坑的抗隆起稳定性与破坏状态,并进行对比验证。试验结果表明：随着开挖深度和坑外水位的增加,坑底软土层产生向上的隆起变形,当隆起变形较大时,围护墙由于坑内土体侧向约束的减弱,底部产生较大的向坑内的水平位移,同时导致支撑轴力增大,基坑最终表现出围护墙绕某道支撑点向坑内的转动踢脚破坏。数值计算结果表明：随着坑外水位的升高,基坑抗隆起稳定性安全系数逐渐减小,当发生抗隆起稳定破坏时,基坑底产生较大的隆起位移,破坏机制与离心模型试验结果相同。     

Probabilistic analysis of responses of cantilever wall-supported excavations in sands considering vertical spatial variability

The influence of vertical spatial variability of sands on the excavation-induced lateral wall deflection and bending moment of excavations supported by cantilever retaining walls is investigated in this paper. Herein, the random finite element method (RFEM) is adopted to explicitly study the effect of one-dimensional spatial variability of internal friction angle of sands on the predicted wall and ground responses. The RFEM analysis consists of three components: (1) finite element method for analyzing lateral wall deflection and bending moment, (2) random field theory implemented with Monte Carlo simulation (MCS), and (3) statistical interpretation of MCS results through confidence intervals. This study reveals the importance of random field modeling in coping with the spatial variability of sands in the problem of supported excavations: (1) neglecting spatial variability of soil property will cause an overestimation of the variation in the predicted wall deflection and bending moment; (2) the estimated probability of failure based on a well-established serviceability limit state may be overestimated or underestimated depending on the chosen limiting lateral wall deflection. This study further investigates the effect of the number of MCS on the confidence intervals of the predicted statistics of the maximum lateral wall deflection and the maximum bending moment. The results also demonstrate that the confidence interval analysis of the predicted statistics of the maximum lateral wall deflection and the maximum bending moment provides a rational tool for interpreting the statistical data from RFEM.     

荷载作用下挤扩支盘桩支护特性数值模拟分析

采用室内试验和数值分析相互验证方法,对单排挤扩桩和悬臂直桩基坑支护的桩顶位移和受力特征进行了研究,进而对基坑双排挤扩桩支护特性进行了分析。试验结果表明,与悬臂直桩相比,挤扩桩支护桩顶位移小,挤扩桩支盘提供的抗倾覆力矩有效地改善了挤扩桩的工作性状;与单排挤扩桩相比,双排挤扩桩基坑支护结构刚度大,在桩身内力分配以及控制基坑变形等方面有较大优势,是深基坑工程中经济合理的支护形式。     

顶管施工对邻近地下管线的影响预测分析

采用通用Peck公式计算顶管施工引起的地下管线平面处的土体竖向位移。对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,得到地下管线由于顶管开挖引起的极限弯矩、理论弯矩以及管线变形的计算方法。通过算例分析,与连续弹性解、Attewell解和王涛解的计算结果进行比较,探讨了土质条件、管线材质、管线埋深、管线管径对地下管线受力的影响。计算结果表明,本方法适用于各种土质,可较好地预估管线所受弯矩,且不会低估管线所受的最大弯矩;在相同条件下,管线埋深越大承受的弯矩也越大,但埋深仅对最大正弯矩和最大负弯矩位置附近处的管线影响较大,对其余部位影响较小;管线抗弯刚度越大,管线承受的极限弯矩和影响范围也越大;管线管径越大,管线承受的弯矩也越大。     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。