混凝土水化作用对群桩热力学特性影响现场试验

混凝土早期水化作用不仅释放大量热量、而且会引起桩基先期变形与约束应力,影响桩基承载性能。目前针对地层温度对早期混凝土水化作用引起的桩基热力学特性(尤其是群桩效应)影响的研究仍相对较少。开展3×3群桩在早期混凝土水化作用下的桩基热力学特性现场试验,实测了桩身温度、应变等变化规律,着重分析了地层温度对桩基水化热消散、桩身约束应力的影响规律;并开展了相同条件下单桩热力学特性对比试验,探讨水化热作用群桩效应。研究结果表明,水化热作用下,群桩中温度叠加效应并不明显;地层中恒温带的水化热消散速度慢于变温带;混凝土残余应力沿桩深方向分布不均,呈现中间大、两头小的特点,最大残余应力出现在0.6倍桩深处。     

桩−筏基础中能量桩热−力耦合特性现场试验

能量桩兼具承担上部荷载和传递浅层地温能双重功能,能量桩的换热与承载特性逐渐成为广大工程技术人员关注的重点问题。然而,针对桩?筏基础中能量桩的热?力耦合特性的现场实测资料仍相对较少。提出将桩基完整性检测中的声测管底端连接贯通,作为能量桩的换热管,形成新型能量桩埋管形式;在桩?筏基础中能量桩运行状态下,开展桩?筏基础热力响应特性、能量桩对筏板应力影响的现场试验,实测获得桩身温度、桩身应力及筏板应力变化规律。研究结果表明,该试验条件下,能量桩（1U埋管、有效深度为12.8 m、桩顶埋深为5.5 m）的换热效率约为80～90 W/m;无上部荷载、能量桩加热状态下,筏板上边缘呈现出一定的拉应力,值得工程技术人员关注。     

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩?土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩?土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩?土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩?土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩?砂土接触面热?力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩?土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩?土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩?土接触面热?力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。     

填筑速率对软基上堤防沉降影响的现场试验与数值模拟

堤防的沉降和稳定问题是软土地基上新建堤防工程必须考虑的重要问题。结合南京市长江干堤提升工程小年圩新筑堤项目,开展了软土地基上新建堤防施工全过程的现场监测与分析,主要包括表层沉降、分层沉降、土体侧向位移、土压力、孔隙水压力以及地下水位等内容。基于Plaxis有限元数值软件,建立了软土地基上新建堤防施工填筑过程的数值模型,通过与现场监测结果的对比分析,验证了所建立的数值模型的准确性和可靠性;续而重点分析了填筑速率、填筑间歇时间等关键性施工控制指标对软基上堤防沉降的影响规律。研究结果表明,当单次填筑厚度小于1 m时,单次填筑厚度对整体沉降的影响较小,因此结合实际施工要求,建议单次填土厚度为0.5～1.0 m。相关研究成果可以为类似软基上新建堤防施工质量控制提供参考依据。     

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。     

U型、W型和螺旋型埋管形式能量桩热力学特性对比模型试验

能量桩是一种可以节省地下空间和施工埋管费用的新技术,目前针对其在供暖和制冷过程中土体和桩基之间的相互作用机制研究却相对较少。基于模型试验方法,系统地研究了饱和砂土中单U型（绑扎和预埋形式）、W型和螺旋型等4种不同埋管形式情况下的能量桩热力学效应、传热和承载特性,测得桩体和桩周土体温度、桩端阻力、水平土压力、桩顶位移以及桩体应变随时间的变化规律。试验结果表明,在相同输入功率情况下W型埋管形式桩体的温度、土体压力、应力和桩顶位移均较螺旋型和U型埋管形式的情况大。     

基于透明土的静压楔形桩沉桩效应模型试验研究

楔形桩是一种可以有效提高桩侧摩阻力的纵向变截面异形桩,然而针对该变截面桩沉桩效应特性方面的研究却相对较少。基于透明土材料和粒子图像测速技术（简称PIV）,开展静压楔形桩沉桩模型试验,测得沉桩过程中桩周土体的位移场变化规律;沉桩过程中桩周土体位移场由激光射入透明土材料,与透明土材料之间的相互作用产生的独特散斑场,通过CCD（charge-coupled device）电荷耦合元件相机成像处理而获得。同时进行了等截面桩的沉桩模型试验,并对等混凝土材料用量情况下楔形桩和等截面桩的沉桩效应进行对比分析。最后,将此试验结果与基于常规试验手段的静压楔形桩沉桩模型试验和圆孔扩张理论计算结果进行对比分析,验证了基于透明土材料的静压楔形桩沉桩模型试验的准确性和可靠性。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展静压楔形桩沉桩模型试验研究;楔形桩静压施工过程中对桩周土的影响范围约为等混凝土用量等截面桩的1.2倍。     

极限荷载下纵向截面异形桩破坏形式对比模型试验研究

由于基桩纵向截面形式的差异,竖向荷载作用下桩侧摩阻力和桩端阻力发挥存在明显的差异,尽管纵向截面异形桩在工程中得到了一定的应用,然而针对极限荷载下桩端和桩侧土体破坏形式的研究却相对较少。基于透明土材料和粒子图像测速（particle image velocimetry）技术,针对等体积的扩底楔形桩、楔形桩和等截面桩的承载特性及破坏形式进行对比模型试验,测得桩顶荷载-沉降曲线,研究了各级荷载下桩端和桩侧土体位移场的变化规律以及极限荷载下桩端和桩侧土体的破坏形式;同时分析了不同桩长情况下各类型桩的承载力特性。研究结果表明,在此试验条件下,扩底楔形桩的极限承载力约为常规楔形桩的3.5倍和等截面桩的2.5倍;极限荷载作用下各类型纵向截面异形桩桩端的破坏形式规律基本一致。     

路堤荷载下浅层就地固化联合管桩复合地基桩-土应力比及沉降计算

浅层就地固化联合管桩复合地基是超软土地基加固的有效方法之一。基于复合地基荷载传递法理论,将路堤填料、固化层、基桩、桩间土和下卧层作为一个系统,建立考虑应力、沉降变形连续性的浅层就地固化联合管桩复合地基的理论计算方法,探讨浅层固化层对管桩复合地基桩-土应力比及地基沉降的影响规律。通过与浅层就地固化联合管桩复合地基现场试验结果的比较分析,并与传统管桩复合地基现场试验结果对比,验证了所建立的理论计算方法的准确性和可靠性。研究结果表明,浅层固化层的设置能够充分发挥管桩复合地基中基桩的承载性能,桩-土应力比随着浅层固化层模量的增大而呈线性增加（斜率约为1.6MPa-1）;现场工况下,桩体中性点位置随浅层固化层模量的增大而上移（介于0.12～0.45之间）;考虑到发挥固化剂材料性能及加固效果,选取水泥掺量不超过11%的固化剂较为合适。     

基于能量桩现场试验的土体综合热导率系数研究

能量桩技术兼具支撑上部荷载和浅层地热能换热器双重功能;作为一种节能减排技术,近年来在国内外获得了一定的发展。然而,目前简单套用基于传统地埋管换热器获得的土体综合热导率系数,无法准确计算能量桩换热效率。依托河南理工大学某低承台3×3能量桩群桩工程应用,开展基于能量桩的土体综合热导率系数测试现场试验和数值模拟研究,分析加热时长、加热功率、流速及桩长等因素对土体综合热导率系数的影响规律,继而探讨能量桩在群桩中的布置形式对土体综合热导率系数的影响规律。研究结果表明,基于传统地源热泵测试所发展起来的土体综合热导率系数线热源分析方法,并不适用于分析基于能量桩现场实测所获得的相关数据;有必要推导一套考虑桩径影响的、适用于能量桩的土体综合热导率系数测试与计算分析方法。