复合桩基承台下土体变形特性研究

为了进一步验证数字图像技术分析承台下土体变形场的可行性和揭示土体的三维变形场发展规律,对模型试验中复合桩基承台下土体变形特性进行了数值分析。模拟结果表明:随着桩距增大,基桩的承载力逐步得到充分发挥;3b桩距桩基地表土体变形的影响范围较之6b桩距桩基要大,地表隆起的范围和隆起量亦较之6b桩距要大,但桩侧及桩端土体变形的影响范围较之6b桩距的要小。3b桩距桩基在桩端外侧和承台板边处土体变形以侧向变形为主,而桩端内侧土体变形基本保持垂直向下的运动模式。6b桩距桩基承台下压缩区主要集中在上部土体中,桩端土体有较大的刺入变形。数值模拟结果为宏观上合理确定复合桩基沉降计算模式提供了必要依据。     

桩-土-承台共同作用的模型试验研究

通过带承台单桩及双桩基础的模型试验,对低承台桩基桩间土变形发展及其与承台板板底应力、桩侧摩阻力及桩端阻力间的相互影响进行较为细致的研究。试验表明:在相同基础荷载作用下,桩数的增加使桩端刺入变形量占基础沉降的比例降低。双桩基础桩体的存在对板底应力体现出增强作用,在相同桩间土变形量下,双桩基础板底应力大于带承台单桩基础。桩土相对位移的发展从桩端部位开始,逐步向承台板扩展,同一部位基础外侧的桩土相对位移要大于基础内侧。靠基础内外,桩的不同侧面表现出不同的侧阻发挥过程及极限值。同样桩间土变形量下,带承台双桩基础在桩端平面上土体的竖向应力要大于带承台单桩基础,从而发挥出较大的桩端阻力。     

支盘桩承载力特性及变形破坏模式研究

为了深入揭示支盘桩与土相互作用的内在机理,利用基于数字图像相关技术的模型试验及三维数值模拟方法对单桩、单支盘桩及双支盘桩的承载特性、桩周土体位移场分布特征进行研究。研究结果表明:单桩及单支盘桩荷载-沉降曲线呈现陡降型,而双支盘桩呈缓降型,且随着支盘数量增加,支盘桩承载力近似线性增长;单支盘桩在极限荷载阶段支盘下及桩端土体位移较大,而双支盘桩桩周土体位移较大部位主要集中在支盘周围土体;单支盘桩基础破坏面由支盘下土体的剪切滑动破坏面及桩端刺入破坏面构成,而双支盘桩基础破坏面由双支盘构成的连续滑动面组成,桩端刺入破坏特征不明显。研究结果为支盘桩承载力及破坏模式的合理确定提供了重要依据。     

桩-土-承台非线性工作机理的模型试验

通过单桩、单板和带承台单桩的系列模型试验,对天然地基中土体的破坏规律进行分析,发现附加应力影响深度主要取决于筏板尺寸和土的性质而与荷载大小无关;对承台板对桩承担荷载能力的影响分析表明,承台板对桩端阻力的发挥有着增强作用,对桩侧摩阻力的发挥有着减弱的作用;结合土体中附加应力场的变化状况,对桩、土非线性的受荷性状给予描述,发现在带承台单桩受荷过程中,桩先进入非线性状态,然后净承台再进入非线性状态,研究结果表明,这主要是由土的塑性区开展进程所决定的。     

水平荷载下扩底楔形桩承载力特性透明土模型试验

通过改变纵向截面形式以提高单位材料利用率、提高桩侧摩阻力或桩端阻力的异形桩在工程界逐步得到推广应用;然而,针对纵向截面形式改变对基桩水平向承载力特性影响的研究却相对较少。为分析纵向截面形式改变对水平向承载特性影响规律及桩-土相互作用机理;基于透明土材料和PIV(particle image velocimetry)技术,采用非插入式测试方法开展水平荷载作用下扩底楔形桩的承载力特性模型试验,测得水平荷载下基桩H0-y0曲线、基桩变形、以及桩周土体扰动位移场等规律特性,继而探讨水平荷载下扩底楔形桩的极限承载力、基桩变形对桩周土体位移场的扰动规律以及桩-土相互作用机理;同时进行等截面桩、楔形桩的水平向承载力特性透明土模型试验作为对比分析。试验结果表明,文中试验条件下,由于扩大头的存在,扩底楔形桩的水平向承载力约为楔形桩的2.0倍;水平荷载下,桩周土体的竖向位移略比水平向位移要大,桩端附近土体水平向位移变化比竖向位移变化要更明显;水平极限荷载下桩端略有一点向上拔出。     

桩侧桩端联合后注浆提高承载力及其数值模拟

某高层建筑自重荷载大,对基桩承载力要求高,对该工程桩侧桩端联合后注浆提高基桩承载力的10根试验桩和2根未注浆的锚桩进行了现场检测试验,并在FLAC3D中分别用土体参数、桩土界面参数和等效桩径模拟后注浆提高基桩承载力的机理。结果表明:联合后注浆桩的桩长满足要求,桩身完整;后注浆比未注浆的基桩承载力提高70%以上;将单桩竖向极限承载力取为8800kN是偏于安全的;注浆压力和注浆量、土体的性质对后注浆提高基桩承载力的影响较大,后注浆结石体性质对桩承载力的影响相对较小;用等效桩径法可有效模拟后注浆提高桩承载力的机理。     

嵌岩桩基础抗震性能试验研究

基桩按照桩端持力层是否嵌入基岩通常分为嵌岩桩和非嵌岩桩。在地震作用下,上述两种不同约束条件下的桩基础的工作反应性状差异有多大目前尚不明确。为比较地震动作用下该两类基桩的响应,得到其破坏模式以及对于上部结构的影响,开展了大型室内振动台模型试验,分别在大型模型箱内布置带承台的嵌岩或非嵌岩群桩以及自由单桩,采用三条基岩场地地震波进行加载。结果表明:对于嵌岩的带承台群桩基础,在桩顶和桩端——两个嵌固端均会形成较为明显的应力集中现象,桩身内力呈"两头大,中间小"的分布规律,而非嵌岩桩由于只在桩顶形成一定的约束效应,桩端完全自由,因而桩身内力呈现桩顶附近大,而沿桩身自上至下呈内力逐渐减小的规律。在同一地震作用工况下,相比桩顶自由的单桩,桩顶嵌固的基桩桩身应变幅值较大,说明桩顶和桩端的约束作用以及上部结构惯性力对桩身的内力影响显著;通过比较不同地震波下桩身的应变响应规律,表明桩身的动力响应与所输入地震动的频谱特性有关。     

复合桩基承载性状研究

通过对带承台单桩、群桩模型试验承载性状的分析,说明带承台单桩的承载性状与群桩的承载性状并不完全相同,不能将带承台单桩的试验结果简单地推广到群桩的设计计算中去。在带承台单桩试验中,发现带承台单桩的极限承载力大于单桩与平板极限承载力之和,而在复合群桩试验中,复合桩基的极限承载力则大大小于各单桩与平板极限承载力之和。结合现场大型群桩模型试验结果及现行规范阐述了复合桩基的承载性状。     

模型边界对大型哑铃型承台群桩基础承载变形特性的影响

利用三维弹塑性有限元,考虑群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层厚度的因素,研究分析其对大型哑铃型承台群桩基础承载变形特性的影响,从而研究大型超深群桩基础边界问题以及离心模型试验边界对其承载变形特性的影响。研究表明:群桩基础边界大小由群桩基础变形特性控制,成桥阶段时大型哑铃型承台群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层影响深度,分别为一倍承台宽度和一倍桩长;设计的离心模型试验边界对群桩基础桩身受力大小与分布影响不大,而对承台沉降和桩端土体整体压缩变形比等变形特性影响较大。     

长短桩组合桩基宏细观工作性状研究

利用基于数字图像的变形测量系统,结合室内模型试验,研究了长短桩组合桩基的荷载沉降特性、土体变形渐进发展规律;建立了长短桩组合桩基的颗粒流数值分析模型,对桩周土体细观结构变化情况进行了分析。研究结果表明:承台下土体在加载初期即有相当量的荷载分担,长桩的侧摩阻力在加载后期基本保持不变,而短桩的侧摩阻力仍有一定的增长,长桩和短桩的承载力有一定程度的削弱,尤以短桩削弱较多;长短桩组合桩基中土体竖向位移的影响区域扩展到长桩桩端附近,基础剪切滑动面位于承台边缘及桩端以下局部范围土体中;短桩桩端土体竖向应力较早达到极限,而长桩桩端土体竖向应力在加载后期超过短桩,长桩和短桩桩端土体竖向应力与孔隙率变化规律具有良好的一致性。研究结果为长短桩组合桩基础设计及其工程应用提供理论依据。     

钻孔灌注桩侧壁摩阻力极限值计算

假定桩竖向受荷达到极限承载力时桩周的土体破坏是桩土界面土体受剪破坏,土体抗剪强度参数即为桩极限侧阻力标准值,可利用库仑定律进行计算。利用文中模式计算的桩侧极限承载力值与静载试验结果吻合良好,解释了基桩静载试验中桩侧极限承载力远大于根据工程勘测报告参数计算的桩侧极限承载力现象。     

带受力盘TC桩室内模型槽试验研究

研究桩周土体回挤固结和套管打设造成桩尖落于软土层对带受力盘TC桩承载力的影响,本文中模型试验基本思路是在模型槽中设置4根不同状态的模型桩并对其承载能力进行对比。通过在桩端埋设土压力计、桩侧粘贴应变片得到模型桩在竖向荷载作用下的沉降变形规律、确定单桩竖向极限承载力、桩端阻力随加载的变化规律、桩侧摩阻力随加载的变化及承载力的时间效应。通过对比分析不同试验桩的试验成果,研究带受力盘TC桩承载力发挥的时效性。     

密实砂土中竖向受压PCC桩端阻力计算方法研究

采用基于可视化摄影测量技术的室内试验和理论分析方法,对密实砂土中竖向受压现浇混凝土大直径管桩(PCC桩)桩端土体变形破坏规律及其端阻力估算方法进行研究。结果表明:PCC桩桩端周围土体在极限荷载阶段形成楔形竖向压缩区和侧向剪切变形区,桩端土体竖向位移在相同深度处始终高于等直径实心桩,呈现冲压破坏特征。在此基础上,利用普朗德尔地基理论,构建了考虑地基滑动面角度变化的PCC桩桩端土体破坏模型,给出了桩端阻力的理论计算方法,并通过承载力系数分析以及理论与试验结果的对比,初步验证了计算方法的合理性,为进一步完善与发展PCC桩设计计算理论提供了科学依据。     

不同排列方式对群桩水平承载力的影响

为了研究群桩在不同排列方式下的水平承载性能差异,通过工程实例设计2组带承台群桩(分别为一字型三桩和三角形三桩)进行现场足尺水平承载力试验,并与现场同规格单桩的水平静载结果进行对比。结果表明:与单桩相比,群桩的基桩水平承载力有显著提高;与三角形排列的群桩相比,一字型排列群桩的水平承载力有较明显的提高,认为一字型排列群桩能更充分地发挥群桩的水平承载性能。对群桩的前后桩破坏情况进行分析,结果表明前排桩受力略大于后排桩。     

粉土中钻孔群桩承台-桩-土的相互作用特性和承载力计算

为了研究粉土中钻孔群桩的工作性能和承载力等问题,进行了系统的接近于原型尺寸的现场群桩试验。通过埋设测试元件对承台土反力、桩侧摩阻力、桩端阻力、桩土相对位移等进行了测定。本文根据部分试验结果分析了承台、桩、土的相互作用特性,发现在一定条件下,侧阻发生“沉降硬化’和“沉降软化’现象;承台对侧阻起“削弱效应”,对端阻起“增强效应”;无论大小桩距、高低承台,群桩均不出现“整体破坏”。据此,提出了考虑承台、桩、土相互作用计算’群桩垂直极限承载力的模式。     

基于数字图像技术的桩周土体位移场测量

以数字图像相关(DIC)技术为基础,开发出适合岩土实验模型变形量测分析的新技术,并将该技术应用于垂直荷载下桩周土体位移场及其破坏模式的研究。试验中,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,对照片序列进行图像相关分析,即可得出桩基模型试验的变形场分布。试验结果表明:利用编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的;垂直荷载下单桩桩周土体位移场可分为桩侧土体变形区及桩端土体竖向变形区两个部分。随着离开桩轴线距离的增大,桩侧土体位移急剧减少,其影响范围为(4～5)b(b为桩的边长);桩端土体受扩张压力的作用,沿径向向外扩张,呈孔穴扩张现象。从桩周土体的位移场的发展过程来看,单桩呈"梨形"破坏,与Meyerhof所提出的桩周土破坏模式相似。     

桩基础承台效应分析

对单桩、不同尺寸的单独承台、不同复合桩基的模型进行了压载试验。并从理论上分析了低承台复合桩基在承台的作用下桩周土受荷变化、荷载传递变化及承载力的变化,得出承台不但本身可分担荷载,而且可使桩侧摩阻力、端阻力均有提高的结论。证明了低承台复合桩基在竖向荷载作用下,承台的效应可提高桩基承载力。     

逆作复合桩基承载性能试验研究

逆作复合桩基作为一种新型的基础形式,对其承载性状、工作机理的研究很有必要。通过设计单桩、带台单桩及带台两桩系列试验,对极限荷载下逆作复合桩基的荷载与沉降关系、桩土荷载分担特性以及桩体受力性能进行了研究。结果表明:采用逆作复合桩基,先进行基础底板和部分上部结构的施工,而后继续进行上部结构、钢管桩压桩以及封桩施工能充分利用土体的承载能力,压桩前土体与基础底板保持严密接触,上部结构荷载全部由地基土承担;压桩后,使土体的刚度得到了改善了,沉降减小,承载力提高;封桩后,继续增加的荷载主要由桩体承担,直至桩达到极限承载能力,封桩时机的选择决定着桩土荷载分担的比例及基础沉降特性;由于承台的影响,使桩身上部轴力衰减平缓,桩侧摩阻力被削弱,同时使桩身中下部轴力衰减加剧,侧摩阻力发挥得到增强。     

离岸深水全直桩码头承载特性与简化计算方法

全直桩码头是一种新型高桩码头结构型式，在离岸深水海域得到越来越广泛的应用。该结构的承载机理、破坏模式及设计计算方法等与传统高桩码头结构存在较大差异，目前研究尚不完善。采用ABAQUS建立全直桩码头结构-地基相互作用三维弹塑性有限元模型，研究水平荷载作用下码头的承载变形特性及破坏模式。明确了对于水平荷载作用下的离岸深水全直桩码头，基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素，地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用。在此基础上，采用经典的P-y曲线，建立了全直桩码头水平向承载力简化计算方法。该方法可以计算出桩身任意位置的内力及变形，且适于大、小位移情况。并提出了以“塑性铰”作为简化计算方法中水平极限承载力的判断标准。通过与有限元计算结果进行对比，验证了所建立简化计算方法的正确性。     

带承台高喷插芯组合单桩荷载传递特性试验研究

 高喷插芯组合桩(JPP)是由高压旋喷桩和预应力混凝土芯桩构成的一种新型组合桩。为了对带承台单桩荷载传递特性有更深入的认识,以自行开发的大型桩基试验模型槽为依托,对带承台单桩进行静载试验。通过埋设在JPP中的监测仪器和承台下传感器得到如下荷载传递特性：与不带承台JPP单桩相比,带承台单桩承载力显著提高,承台可以承担较大比例的荷载;桩土应力比为20～100,且桩顶处桩土应力比基本维持在22左右,为承台与桩截面面积比的2倍;承台的存在限制了桩土相对位移,摩阻力不易发挥;承台对桩侧摩阻力有“削弱”作用,特别是对上部摩阻力,对桩端阻力有“增强”作用,并且与不带承台单桩相比,达到极限摩阻力所需位移增大。这些成果对JPP与承台共同作用特性研究具有一定的意义。