能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩-土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩-土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

循环加载下X形桩竖向承载特性模型试验研究

实际工程中桩基经常受到各种动荷载作用,如高铁路基中的加固桩长期承受列车行车时产生的循环动荷载作用,桩基在循环荷载作用下的承载特性研究对动荷载下的工程设计至关重要。X形桩是一种在传统圆形截面桩基础上发展而来的新型异性桩技术,其承载机制不同于传统圆形截面桩。为了深入研究X形桩在循环荷载作用下的动力特性和荷载与沉降规律,开展了砂土中X形桩竖向循环加载大比尺模型试验。试验结果表明,随着循环加载的进行,X形桩顶产生累计沉降,且循环荷载比越大,加载频率越高,桩顶沉降越快;循环加载初期,X形桩顶动刚度降低,桩身轴力响应增大,桩侧摩阻力发生弱化,之后逐渐趋于稳定,且桩身下半段侧摩阻力较大;在同等加载条件下X形桩与等截面圆形桩相比,承受动荷载能力较强,桩侧摩阻力较大,长期循环加载作用下产生的累计位移较小。研究结果可为X形桩在动荷载作用下的工程设计提供参考依据。     

循环荷载下劲性微型桩单桩模型试验研究

以1/7比例进行室内模型试验,采用荷载控制加载的拟静力试验方法,通过在桩顶施加侧向循环荷载,对劲性微型桩单桩的滞回曲线、骨架曲线和滞回特性进行研究,同时探讨了循环荷载下劲性微型桩的弯矩分布及破坏机制。研究表明,劲性微型桩在循环荷载作用下荷载-位移关系具有稳定的滞回环,且表现出刚度退化的特性;在上部土体范围内产生桩土脱开效应,滞回曲线发生捏拢现象;桩身弯矩主要集中在桩顶下17 d的范围内,最大弯矩位于桩顶下6 d附近     

能量桩群桩工作特性简化分析方法研究

采用双曲线模型模拟桩土界面上的力学行为,利用剪切位移法反映剪应力在土层中的传递,考虑群桩之间的相互作用,建立了热?力耦合作用下能量桩群桩基础工作特性的简化分析方法。该方法能反映桩土界面上的非线性、桩顶的约束条件和能量桩位置的影响,可直接计算所有桩的位移和轴力。与现有方法相比,计算得到的双桩相互作用因子更加合理。通过与文献中试验数据的对比表明,若只有局部桩经历温度变化,能量桩运行过程中各桩之间存在差异变形,基础出现倾斜,桩顶荷载发生重分布。所建立方法计算方便,能合理模拟能量桩群桩基础的主要工作特性,可用于大规模能量桩群桩基础的设计计算。     

循环荷载作用下单桩动力模型试验与桩−土界面特性研究

通过开展红黏土中单桩轴向循环振动模型试验,研究不同循环荷载比和加载频率对桩长期动力特性的影响,从桩侧土剪切刚度和侧阻退化两方面出发,对循环荷载作用下桩顶累积沉降机制进行分析。在FLAC3D中,实现能够反映剪切刚度疲劳退化的修正Hardin-Drnevich（H-D）模型,并对常法向刚度（CNS）循环剪切下侧阻退化进行数值模拟。试验发现,循环荷载幅值是桩顶累积沉降变化的重要影响因素;桩顶动刚度在加载初期要先经历一个迅速降低的短暂过渡阶段,之后则不随振次的增加而改变;桩身振动在桩周土中引起的超孔压较小,有效应力的降低不足于使侧阻力发生较大程度的退化;随着加载速度的增大,桩顶动刚度和加速度均随之增大。采用修正H-D模型得到的理论滞回曲线与数值结果基本吻合,验证了程序编制的正确性。     

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载（极限荷载的一半）,再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体（即夏季模式的热循环）;热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。     

多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。     

考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降解析

考虑沉桩效应对桩周土体力学特性的影响,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型。在此基础上,根据群桩加载过程中桩周土体的变形模式,基于荷载传递法描述桩-土界面的非线性行为,采用剪切位移法考虑群桩之间的相互作用,提出了考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降混合计算方法。通过开展离心模型试验对该计算方法解答进行了验证,研究了沉桩效应和桩-土界面非线性特征对群桩承载特性的影响。研究结果表明,沉桩效应对桩周土体起到挤密作用,使得桩周土体的强度和刚度增大,从而提高了群桩的承载特性。群桩加载过程中桩-土界面刚度随沉降变形而逐渐减小,使得群桩荷载-沉降曲线呈现出明显的非线性特征。     

工作荷载下温度循环对桩基变形与应力的影响分析

目前针对工作荷载下温度循环对桩基承载力特性的研究相对较少,基于室内模型试验方法,对饱和砂土中工作荷载下桩体在多次冷热循环作用时的承载特性和传热特性进行研究,测得温度循环作用下桩体和桩周土体温度、桩周水平土压力、桩体应变以及桩顶位移随时间的变化规律。试验结果表明,施加温度循环作用后桩体及桩周土体温度变化不大,桩周水平土压力也能基本恢复到初值,但在桩体内部则会产生较少残余应变,桩顶下沉并随着循环次数的增加不断累积,从而影响结构的整体承载能力。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

能源桩与周围土体之间荷载传递模型的改进及其桩身承载特性研究

桩-土相互作用问题是岩土工程桩基础问题的关键点与难点,目前针对桩身在循环温度荷载与上覆结构荷载双重作用下的能源桩承载特性研究较少。在传统理想弹塑性模型及双曲线模型的基础上,采用分段非线性的方法对桩-土荷载传递骨干曲线进行了修正,并基于Masing’s循环准则,提出了适用于能源桩的桩-土荷载传递模型。利用改进的桩-土荷载传递模型对能源桩承载特性进行数值分析,着重研究了桩-土荷载传递参数比R对能源桩受力情况的影响。此外,为了探究在上覆结构荷载及循环温度荷载双重作用下,能源桩与周围土体之间的真实荷载传递关系及其结构热力学特性,开展了针对能源桩与周围土体之间相互作用问题的室内模型试验,监测了其桩身轴向应力及侧摩阻力随温度及深度变化的趋势,并与基于改进荷载传递模型的数值计算结果进行了对比。室内模型试验监测及数值计算结果显示：能源桩在上覆结构荷载及温度循环荷载双重作用下,其受力行为受改进的桩-土荷载传递循环曲线控制;基于改进的桩-土荷载传递循环曲线而建立的数值模型计算结果与试验结果基本吻合,改进的桩-土荷载传递模型能够较好发地反映能源桩实际的承载特性。     

不同刚度约束对能量桩应力和位移的影响研究

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术,其实际工作过程中,热荷载会引起桩体的膨胀或收缩,而桩顶建筑和桩底持力层则会对桩体变形产生约束,进一步影响桩体的应力和位移,但是目前对该问题的研究却十分有限。基于模型试验和数值模拟方法,对桩顶和桩底不同约束条件下两种埋管形式（单U和W型）的桩体位移和热应力进行了分析,并进一步探讨了位移零点随桩顶和桩底约束条件的变化规律。研究结果表明,随着桩顶上部荷载约束刚度的增大,桩体位移零点上移,桩体热应力随着深度增大而减小;随着桩端土体约束刚度的增大,桩体位移零点下移,桩体热应力随着深度增大而增大;相较于无外荷载,工作荷载作用下位移零点上移。     

砂土中大直径单桩水平循环加载模型试验研究

采用电机伺服水平循环加载设备开展了一系列1g模型试验,研究砂土中大直径单桩在水平循环荷载作用下的刚度和变形累积特性。试验结果表明,一次加卸载产生的残余位移约为峰值位移的80%;随着循环次数的增加,循环加载滞回曲线面积逐渐减小,表明桩周土体行为从弹塑性向弹性阶段转变;滞回曲线割线刚度随着循环次数的增加,呈现先增后减的变化,为浅层桩周土体逐渐密实以及桩周土体抵抗由浅层向深层发展的趋势引起;桩顶累积位移随桩径增加而近似等幅减小,随埋深增加,位移的减小幅度也逐渐减小,表明了临界埋深的存在。在指数模型的基础上,在双对数坐标系中通过线性拟合给出了循环累积位移经验模型,发现增大桩径对于减小循环累积位移的效果要好于埋深。     

循环荷载下圆柱形桩与楔形桩复合地基工作性状对比试验研究

为探讨循环荷载作用下夯实水泥土圆柱形桩与夯实水泥土楔形桩复合地基工作性状的差异,通过室内模型试验,并在桩顶及桩周土表面埋设微型土压力盒,进行循环荷载下夯实水泥土圆柱形桩和楔形桩的4桩复合地基及单纯软土地基工作性状对比试验,探讨循环应力比和加载周数对夯实水泥土圆柱形桩和楔形桩复合地基永久沉降、桩-土应力比的影响规律。研究软土地基加固方法对永久沉降和桩-土应力比的影响,揭示了循环应力比与桩-土应力比的关系。研究结果表明：采用夯实水泥土桩加固软土地基,能提高地基的临界循环应力比,增强地基抵抗循环荷载的能力;在相同的加荷周数和循环应力比的加载条件下,采用夯实水泥土楔形桩加固软土地基对降低地基永久沉降的效果比采用夯实水泥土圆柱形桩的效果要好,且楔形桩的楔角越大,降低永久沉降的效果越明显。循环应力比越大,桩-土应力比越大;桩-土应力比随楔形桩楔角的增大而增大,随加载周数的增加而降低,并存在一临界加载周数;当加载周数小于临界周数时,桩-土应力比随加载周数迅速降低;当加载周数超过临界周数时,桩-土应力比几乎不随加载周数的变化而变化。     

单桩与带承台单桩荷载传递特性的比较试验

对单桩和带承台单桩进行静载试验比较,桩身与承台下传感器得到了如下荷载传递特性：桩顶荷载分担比随总荷载增加而减小,承台使上部桩身轴力分布平缓,桩侧摩阻力受到削弱,摩阻力传递函数出现软化现象,但同时下部摩阻力发挥得到增强,而桩顶刚度变化不大。这些成果对于桩与承台共同作用特性研究具有重要参考价值。     

现浇薄壁管桩水平受力特性试验研究

现浇薄壁管桩（Cast-in-place Concrete Thin-wall Pipe Pile, 简称PCC桩）作为一种新型桩基础,已在很多地基处理工程中得到应用,但有关其水平承载性的研究还很少。通过现场试验,对水平荷载下PCC桩的水平承载性、泥面处桩荷载-位移关系、桩周土压力变化以及桩侧地基水平抗力系数的比例系数m与位移关系等特性进行初步分析,同时对单向多循环加载和慢速维持荷载两种加载方式对桩受力特性的影响进行比较。试验表明,PCC桩有较好的水平承载性,在水平荷载下,PCC桩的受力主要集中在桩的上部;与慢速维持荷载法相比,单向多循环法对桩的水平承载性以及桩土作用的非线性影响较大。     

现浇X形混凝土桩竖向承载性状模型试验研究

为研究现浇X形混凝土桩的荷载沉降特性及其荷载传递机制,利用河海大学的大型试验模型槽开展X形桩的足尺模型静载荷试验。通过在桩身设置的钢筋测力计及在桩底埋设的土压力盒,实测了在竖向荷载作用下X形桩与土相互作用时的工作性状。试验结果表明：X形桩的荷载沉降曲线为缓变型;桩侧摩阻力与桩端阻力随桩顶沉降的增加均呈递增性;但随着桩顶荷载的增加,桩侧摩阻力分担桩顶荷载比例却呈递减性,其分担桩顶荷载比例由初期的约90%下降到极限状态时的70%左右,而桩端阻力分担桩顶荷载的比例呈递增性,其分担桩顶荷载比例由初期的约10%上升到极限状态时30%左右。研究成果可为今后竖向受荷X形桩的设计与研究提供重要参考。     

桩侧注浆抗拔桩离心模型试验与原位测试分析

通过离心机模型试验研究了注浆对接触面特性、抗拔桩荷载-位移曲线及桩侧摩阻力的影响,揭示了注浆提高桩身侧摩阻力发展规律和抗拔承载机制,并进一步将离心机模型试验的结果与原位试验结果进行了对比分析。研究表明,注浆桩侧摩阻力的发挥呈现一个渐进过程,桩身上部极限摩阻力率先发挥,并逐渐向中下部发展;注浆后桩侧极限桩侧摩阻力得到提高,而发挥极限状态所需的桩-土相对位移减小,上拔加载过程中,桩侧上部和下部极限摩阻力增幅较大,中部增幅较小。离心与现场试验一致表明,桩侧注浆显著提高了桩的抗拔刚度及极限承载能力。     

3种模式下钻孔灌注桩桩-土剪切特性现场试验研究

不同的桩-土剪切模式对桩-土剪切位移量的大小和桩侧摩阻力的发挥有重要影响。对抗压桩、顶拔桩和负摩擦桩等3种模式的6根钻孔灌注桩的剪切特性进行了现场加载试验与长期监测。通过对不同桩型的桩身应变、桩顶位移和桩周土沉降等试验资料的系统分析,建立了"侧阻-位移"曲线确定各模式桩-土剪切位移量和不同深度的极限侧阻力。根据不同桩-土剪切模式极限侧阻力的发挥特征,分析了桩-土相对运动方向、剪切边界约束条件、剪切位移量、加载速率和剪切历时等5个因素对极限侧阻力发挥的不同影响。讨论了利用现场顶拔桩试验结果对桩负摩阻力增大段的极限负摩阻力进行预测的可行性,供同行参考借鉴。