饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究

在28℃,28℃→55℃,28℃→55℃→28℃三种工况下,开展宁波饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究,先对桩土加热(降温),再进行静载荷试验,测定土体的温度和孔隙水压力、地表沉降及桩顶位移、桩身轴力和荷载–沉降试验数据,研究土体的热固结过程及桩负摩阻力的形成机制;其次,以模型试验为原型,利用Abaqus软件建立了考虑热流固耦合作用的桩–土有限元模型,将计算结果与试验结果进行对比验证,进而讨论温度对桩身轴力和桩侧摩阻力的影响,结果表明:加热升温后,桩、土发生膨胀变形,土中出现超静孔隙水压力;随着孔压的消散,土体发生热固结现象,且其固结沉降量大于桩体沉降量,地基最终表现为沉降变形,而桩侧出现下拉荷载,产生负摩阻力;随温度的升高,沿深度方向,桩身轴力衰减,热固结后土体的强度有所提高,桩侧摩阻力增大,单桩极限承载力随温度的升高而增大。     

考虑桩顶与土表加载顺序的桩基负摩阻力模型试验研究

对于承受负摩阻力的桩基,桩顶和土表的承载一般存在先后的次序,但针对承载顺序对桩身负摩阻力影响的研究相对匮乏。通过开展不同加载顺序下砂土中单桩负摩阻力模型试验,测得了不同加载作用下桩身轴力、桩顶位移以及土体分层沉降。研究结果表明:砂土中加载顺序对桩基负摩阻力具有明显影响。先施加土表荷载的组次较先施加桩顶荷载的组次,桩身中性点位置更靠近桩底。先施加土表荷载后,桩顶荷载作用下的桩顶沉降明显小于先施加桩顶荷载的情况,而不同加载顺序下,土表荷载作用下的桩顶沉降的变化规律基本一致,且桩顶沉降增长随土面荷载趋缓。     

黄土中服役期桥梁基桩承载特性模型试验研究

桥梁桩基长期受到恒定和循环载荷的影响,研究其服役期的沉降、承载性能与桩侧摩阻力、循环载荷与土层性质之间的关系,对桥梁的改扩建有重要的意义。采用钢管粘贴光纤光栅(串)的方式设计出了理想模型桩,用于加载试验系统。通过模型试验,对黄土地基中桩基在竖向循环荷载作用下承载特性进行研究,基于桩顶沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩周土体应力等数据分析,揭示试验加载次数与桩基承载特性间的关系,拟合了黄土中模型试验桩基在静载作用下桩基的承载力与桩顶沉降关系以及循环荷载作用下的桩顶沉降与循环次数间的变化关系。     

粉砂地层中超长桩承载特性室内模型试验研究

通过室内模型试验,研究了粉砂地层中超长桩的荷载-沉降(Q-s)关系、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩身压缩、桩端阻力、桩土相对位移等承载性状及荷载传递规律。结果表明,超长桩的Q-s曲线为缓降型,与端承摩擦桩的Q-s曲线相似。随桩顶荷载的增加,桩侧摩阻力沿桩身分布逐步由一个峰值转变为两个峰值,桩身压缩主要发生在桩身上部,桩侧摩阻力随桩土相对位移增加基本符合双曲线发挥规律。桩端阻力随桩顶荷载增加变化可分为缓慢增长段、加速增长段和减缓破坏段,荷载较小时,桩端阻力与桩端位移基本呈线性关系,随荷载增大,桩端位移加速增长,极限荷载后,桩端出现刺入变形。     

采动地表土体沉陷对桥梁桩基影响试验研究

因地下煤层开采引发的地表土体沉陷,对其上方公路或铁路桥梁桩基产生严重危害,甚至引发整个桥梁失稳破坏。基于采动引发的地表沉陷规律和地表沉陷预计概率积分法原理,研制了一套模拟地表沉陷土体桩基载荷试验系统。采用该系统对位于地表不同沉陷位置的4根模型桩开展了试验研究;试验实测了桩身轴力、桩侧摩阻力及桩–土相对位移在地表沉陷过程中的变化;试验实测地表沉降量和概率积分法计算值二者吻合较好,证明了该试验系统模拟地表沉陷的可靠性;试验发现4根试验模型桩桩身轴力和桩侧摩阻力的变化均与所在的地表沉陷曲率变化相关,地表沉陷曲率变化越大,则桩身轴力和桩侧摩阻力变化就越大;桩–土相对位移分析表明,地表沉陷曲率越大,则桩–土相对位移越大,且可能产生桩侧负摩阻力,加剧桩体下沉,引发上部桥梁结构产生不均匀沉降,甚至破坏。研究结果对于采动区桥梁桩基的保护与加固具有重要参考价值。     

循环温度场作用下能量桩热-力学性能的试验研究

能量桩是集建筑桩基和地源热泵于一身,既起到承担上部荷载的作用,同时也是与浅层地温能进行热交换的媒介,具有节约能源、减少污染等优点。通过室内模型试验,对黏土地基中能量桩在温度荷载作用下桩顶位移、桩端压力、桩身温度应力及桩侧摩阻力进行研究,得出温度升、降使得桩体内产生拉、压应力,应力沿桩身从桩顶到桩端先增大后减小,应力最大值靠近桩体下半部分;桩端压应力随温度升高而增大,最大压应力随温度循环次数的增加而逐渐减小;桩侧摩阻力随温度升高而增大,加热和制冷过程中,桩体分别在上半部分和下半部分产生负摩阻力。     

黏土热–力学特性对能量桩力学特性的影响

能量桩运行会导致土体温度场的改变,从而影响桩周土的热–力学特性,进而影响能量桩的变形、桩–土界面应力及承载性能。将ACMEG-T土体热本构模型在ABAQUS软件中进行二次开发,通过编写UMAT子程序对能够反映黏土热–力耦合特性的三轴试验结果进行模拟与分析,验证了模型的可靠性。建立数值模型,研究了土体热–力学特性对能量桩位移、桩–土界面应力及桩身轴力的影响规律。研究结果表明,温度变化会导致土体产生累计沉降,并进一步导致桩侧产生负摩阻力;在负摩阻力的影响下,能量桩会产生额外的沉降以及不可恢复的轴力;土体热–力学特性对能量桩力学特性的影响效应随着土体超固结比的增加逐渐减弱。     

基于数字图像法的桩-土接触面特性试验研究

桩与土接触面的力学特性是桩-土共同作用研究中的一个重要课题。利用基于数字图像的非接触光学测量方法,通过室内模型试验,对密实砂土中桩-土接触面上荷载传递特性、剪切位移场及剪应变场分布规律进行研究。结果表明:密砂中单桩桩侧摩阻力与沉降关系呈软化型,桩侧摩阻力达到极限值所需桩身沉降约为桩横截面边长的3%。桩周土体剪切滑动区发生在有限范围的土体中,最大剪应变首先出现在桩顶及桩底附近土体中,而后向桩身中部发展,在极限荷载条件下,最大剪应变沿桩身呈"两头大中间小"的分布形式。试验结果为合理建立桩-土接触面模型和相关数值计算提供有益的参考。     

摩擦型能源桩荷载–温度现场联合测试与承载性状分析

能源桩集地源热泵技术与建筑桩基于一体,桩基承载性状受荷载–温度耦合作用而不同于常规工程桩。开展了昆山某摩擦型能源桩工程的荷载–温度现场联合测试,测试了多级荷载水平与不同换热工况下桩身的温度、应力分布及桩顶位移变化,整理得到桩身的附加温度荷载、桩身轴力及桩侧摩阻力分布曲线,分析了摩擦型能源桩荷载–温度作用下的承载性状与荷载传递特征。测试结果表明:能源桩的温度变化将引起附加温度荷载,桩身轴力和附加温度荷载分布特征和桩顶荷载作用、桩端约束有关,承载性状不同于单一荷载作用下的工程桩。加热工况引起桩身上、中部多处出现负摩阻力,但荷载的增加有利于减小升温引起的负摩阻力效应;制冷工况下,桩端附近产生负摩阻力,能源桩荷载传递特征受荷载–温度耦合作用而改变。设计荷载作用下,能源桩顶加热时隆起而制冷时下沉,加热工况引起的桩顶位移在停止加热回温后可基本恢复,但制冷工况引起的桩顶位移在回温后会导致桩顶产生附加沉降,荷载–温度耦合作用也引起了能源桩沉降性状的变化。     

堆载作用下钻孔灌注长桩的性状研究

地基土承受大面积堆载作用时 ,就会产生沉降 ,在土体沉降作用下 ,桩侧就会产生负摩阻力 ,本文从桩 土相互作用的机理出发 ,采用太沙基一维固结理论和剪切位移法 ,求出地层沉降过程中桩侧负摩阻力、桩身轴力随深度和时间的变化规律 ,并与现场实测值进行对比 ,为钻孔灌注长桩的设计和计算提供理论参考。     

路堤下复合地基桩、土应力比分析

由于路堤由填土等散体材料组成，路堤下复合地基桩与桩间土之间的沉降不一致，导致填土内部出现相对垂直位移，应力状态发生变化。计算路堤复合地基桩、土应力比的方法及计算参数均与刚性基础下的复合地基不同。通过对复合地基上部填土的力学分析，推导出一个求解桩顶平面处的桩、土应力比的公式。该公式表明桩顶处桩、土应力比的大小与复合地基置换率，桩顶处桩，土沉降差，填土厚度，填土弹性模量等关系密切。最后，利用一个工程实例证明该公式的正确性。     

低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态承载性质试验研究

 多年冻土地基由于大直径钻孔灌注桩桩身混凝土水化热造成桩周冻土融化,而桩体混凝土灌注初期桩土体系不具备冻结强度,导致钻孔灌注桩初期承载力很低。研究低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态的承载力和变形性质,可为工程施工工期安排提供技术依据。结合青藏铁路索南达杰特大桥工程进行低温多年冻土大直径钻孔灌注桩地温测试及现场静载试验,为此设置桩土界面测温孔(SB)、桩侧测温孔(SC,距离桩壁30 cm)以及未受施工扰动的基准地温孔(JZ)。获得夏季灌注桩混凝土入模温度为11 ℃,不同龄期桩土体系的地温分布,并分析桩土体系的回冻过程。测试数据表明：混凝土灌注完成30 d以后,桩顶至地表下2 m为正温,地表下2 m到桩底桩身表面均为负温,在－0.43 ℃～－1.26 ℃范围内变化;灌注50 d以后,桩土界面地温逐渐降低,为－1.0 ℃～－1.85 ℃,与未受扰动天然地基地温相比,桩土体系尚未完全回冻。同时进行不同地温条件下基桩的现场静载试验,分析竖向承载力、变形及桩侧摩阻(或冻结力)分布特性。当加载到最大荷载(7 600 kN)时,桩顶竖向位移达到4.93 mm,卸载后未恢复的变形为1.01 mm,说明低温多年冻土地基钻孔灌注桩在未完全回冻状态下(试桩龄期30 d)基桩具有较高竖向承载力,且变形量小。     

压桩过程中静压桩挤土位移的动态模拟和 实测对比研究

 圆孔扩张法及应变路径法由于土体的大变形和桩土界面摩擦接触问题而难以模拟动态的压桩过程,数值模拟法能够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用等诸多因素的影响,因而在静压桩挤土效应方面得到了广泛的应用。采用合适的土体屈服准则及有限变形理论,通过在桩土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了能够实现动态压桩过程的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的水平及竖向挤土位移场,讨论了动态压桩过程对沉桩挤土位移场的影响,并和现场实测进行了对比。研究结果表明,挤土位移场动态模拟结果与实测值相一致,且能反映土性的变化情况;在动态压桩过程中,水平向的挤土位移随着压桩深度的增加而增大,竖向挤土位移随着压桩深度的增加浅层土体表现为隆起增加,而深层土体表现为下沉量增加。挤土位移的最大值与压桩深度存在滞后效应,因此在压桩过程中要给以足够的重视。     

地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理

通过非液化和液化土层中桩基础宏观震害现象以及等幅波与真实地震波振动台模型实验中桩和土层的加速度、位移、桩土相互作用力、桩动力p-y曲线、桩身弯矩与孔压发展过程对比,研究地震引起的地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理.结果表明:非液化土层中上部结构惯性力控制着桩的反应性态,桩头加速度和桩身弯矩与土层加速度时程基本保持一致;液化过程中桩土相互作用力呈现明显增大现象,土体侧向刚度虽然衰减,但同时土层相对位移和桩土相对位移增大的影响更为强烈,即土层和桩土相对位移对桩土相互作用力增大的作用明显大于土体刚度衰减引起桩土相互作用力减小的作用;液化土层中桩土相互作用最大反应不是在土层加速度峰值时刻,而是土体相对位移达到最大时响应最大,此时土层孔压比为0.8左右;非液化土层中桩土相互关系为桩推土,惯性力是控制因素,液化土层中则为土推桩,土体位移起主要作用,而液化发展是这一转变决定性因素;常规仅考虑土体刚度衰减的拟静力方法不适合液化土层中桩基础地震响应计算分析.     

垂直受荷桩负摩阻力时间效应的试验研究

 在地面堆载作用下,对3根施加不同荷载桩的负摩阻力性状的时间效应进行现场测试。试验结果表明,负摩阻力随堆载作用时间的延续而变化;堆载使土体沉降,土体沉降就会引起负摩阻力。在堆载初期,负摩阻力引起的桩附加沉降速率随着桩顶荷载的增大而加快,且稳定的附加沉降随着桩顶荷载的增大而增加。在有无桩顶荷载的2种情况下,下拉力随着堆载作用的时间延续而增大,稳定的下拉力随着桩顶荷载的增加而减小。在堆载作用下,桩顶荷载推迟了负摩阻力出现的时间。桩顶荷载越大,中性点初次出现的时间越晚、位置越浅。中性点出现的时间随着桩顶荷载的增加而延后,桩顶荷载的增大会加剧这些现象。上述研究结果对于桩的负摩阻力性状的研究有一定参考价值。     

酸性土腐蚀对钢桩基础承载性能的影响

土质酸性是导致钢桩腐蚀的主要原因之一。服役于酸性土中的钢桩将会被侵蚀,导致桩身材料劣化,影响了桩基的安全性和耐久性。为了了解腐蚀桩的承载性能,通过中性和模拟酸性土两种环境下的桩基室内模型试验,测得腐蚀前后承台沉降量和桩端阻力值随桩顶加卸载的变化规律以及地面堆载固结过程中各土层沉降量、桩端阻力值、桩身轴力值以及桩侧摩阻力的变化情况。研究表明,由于腐蚀钢桩表面产生大量疏松的锈蚀产物,使桩–土界面的黏着力大大降低。桩顶承台的沉降量较未腐蚀桩大,腐蚀桩的桩端阻力值比未腐蚀桩大。而在堆载固结条件下,由于堆载作用不仅加速了桩间土体的固结,桩–土界面再次挤密,单桩以及群桩中各桩的桩端阻力值减小。腐蚀桩的中性点位置明显下移,腐蚀率越大的桩,桩侧负摩阻力的增加值越大,腐蚀前后中性点位置处桩身轴力变化率越大。研究成果可以为腐蚀条件下各类桩基载荷性能研究提供参考。     

路堤荷载下砼芯水泥土搅拌桩复合地基现场试验研究

针对砼芯水泥土搅拌桩复合地基处理高速公路深厚软土段的工程实例,通过地表沉降、分层沉降、深层水平位移、砼芯荷载以及桩土应力比测试,讨论了砼芯水泥土搅拌桩处理深厚软土地基的加固效果,荷载分布和传递规律。测试结果表明：砼芯水泥土搅拌桩对于路基沉降和水平位移控制效果优于水泥土搅拌桩,且横断面差异沉降较小。复合地基的主要压缩量发生在桩顶至砼芯底端一定范围的土体内,沉降发生深度由砼芯控制。砼芯水泥土搅拌桩上部出现负摩阻力,中性点位于砼芯1/3长度处。桩土应力比为水泥土搅拌的2～3倍,与刚性桩相近,桩体承担大部分路堤荷载。砼芯水泥土搅拌桩复合地基排水通畅,超静孔隙水压力消散迅速。路堤荷载下砼芯水泥土搅拌桩工作特性与载荷板试验下的测试结果有所不同。最后从沉降和承载力控制角度给出了砼芯水泥土搅拌桩复合地基的设计方法     

考虑时间效应的斜桩基负摩阻力室内模型试验研究

斜桩基是桥梁支墩、码头等工程中常用的桩基础形式,但是针对斜桩基础负摩阻力问题的研究却相对较少。进行了黏性土层中斜单桩及斜群桩在桩周土堆载固结条件下负摩阻力性状的室内模型试验研究,测得了桩侧负摩阻力、桩端阻力以及桩周土体分层沉降随固结时间的变化情况;并进行了同等条件下竖直单桩及竖直群桩试验作为比较分析。试验结果表明,斜桩和竖直桩桩侧负摩阻力引起的下拽力都存在明显的时间效应和群桩效应;在本文试验条件下,当桩–土相对位移达到2mm时,桩侧负摩阻力将达到其最大值的80%～90%左右。