竖向循环荷载下钙质砂单桩沉降特性模型试验研究

钙质砂中的桩基础时常需要承受构筑物上的竖向循环荷载。研制了新型循环加载桩基模型试验系统,通过电位移计、微型土压力盒等传感器,研究了加载次数、循环荷载幅值对桩顶累计沉降、沉降速率、桩端和桩侧阻力变化的影响,分析了循环荷载对钙质砂单桩沉降规律和机理。试验结果表明:①桩顶循环累计沉降随循环次数增加而增大,二者满足对数函数关系;在不同动荷载比(动荷载幅值与桩基极限承载力比值)下,可分为稳定型、渐进型、破坏型3种沉降形式,有着显著的“门槛效应”。②动荷载比越大,桩顶循环累计沉降终值越大,存在一个临界循环次数,达到临界循环次数后,桩顶循环沉降速率(沉降量增量与循环次数比)随循环次数的增加而减小。③循环加载时,桩端和桩侧分担上部荷载比例不断变化,循环桩侧平均摩阻力随循环次数增加逐渐减小,存在“累积损伤”现象,致使循环桩端平均阻力增大,循环荷载加剧桩端钙质砂颗粒破碎和密实,对桩顶累计沉降增加有弱化趋势,动荷载比与桩侧平均摩阻力弱化系数满足Logistic函数关系。研究成果对钙质砂桩基工程设计、施工具有指导意义。     

波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析

为了探讨波浪作用下海床的液化特性与孔隙水压力发展过程，本文在海床动力响应弹性分析的基础上，将不排水条件下孔压增长模式与动力固结方程相结合，对波浪作用下海床中瞬态与残余孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析；对善功企与山崎浩之所提出的海床液化评判准则进行了修正，根据所估算的总孔隙水压力，对波浪作用下海床的液化势进行了评价。     

波浪作用下饱和砂土孔压发展规律试验研究

利用空心圆柱扭剪仪和动单剪试验仪分别对饱和砂土进行了循环耦合剪切和动单剪试验,研究比较两种不同方法下,饱和砂土内部孔隙水压力发展规律及其差异。结果表明,两种孔压发展规律具有显著差异,且分别可以采用传统孔压增长模型和幂函数关系加以描述;空心扭剪试验中,双向动荷载的幅值比值λ对孔压增长具有显著影响,但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响;动单剪试验中,存在循环振次临界转换值,该值决定了孔压增加随动剪应力的变化趋势。     

水平循环荷载作用下单桩桩顶位移变化模型试验研究

为了探究海上桩基础在长期受到水平循环荷载作用下的变形规律,选取典型的中砂作为试验土体,开展砂土中单桩水平荷载作用下的模型试验。获得了高次循环荷载下不同加载力及不同频率作用下的桩顶位移循环弱化的变化规律。试验结果表明:循环次数及加载力对桩顶位移变化影响显著,在水平循环荷载作用下,相同频率,加载力越大位移越大;而频率的改变对桩顶位移的影响不大;桩顶滞回圈的变化主要集中在前1万次并随后达到桩土相对稳定状态。研究成果为保证海上桩基的可靠性提供了具有价值的参考。     

加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真

针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题,提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式.通过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板,充分利用浅层桩前土的抗力,增强了基桩水平承载性能.借助数值仿真计算结果,采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合,进而求解单桩水平极限承载力.结果表明,四阶多项式拟合法精度更高;加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩明显降低,单桩水平极限承载力显著增强,稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响.该结构形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中,有利于减小相应的材料成本及施工成本.     

超固结因素影响下桩柱结构地震响应

地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律, 在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上, 基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块, 建立两相饱和地基下的桩-土耦合体系的动力非线性有限元数值模型, 对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间, 考虑超固结因素影响后, 地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力, 能改善结构的动力响应与受力状况。     

基于颗粒流的多级旋扩桩承载特性宏细观研究

基于二维离散元软件PFC^2D模拟多级旋扩桩在单桩竖向受荷条件下的静载试验,揭示多级旋扩桩的承载特性以及桩-土相互作用规律。研究结果表明:①在加载过程中,随着荷载的增大,上部桩身侧摩阻力、桩身扩径段阻力、桩端阻力是依次发挥承载能力作用的;②在加载过程中,当荷载较小时,荷载主要由桩身侧摩阻力承担,随着荷载逐步增大,桩身扩径段分担荷载的比例快速增大,当荷载继续增大,荷载增加的部分主要由桩端阻力承担,此时桩端阻力分担荷载的比例快速增大;③在加载过程中,随着荷载的增大,桩周土体的孔隙率、土颗粒之间的配位数、土体水平向应力、土体竖直向应力,以及桩周土颗粒的位移均呈有规律的变化。     

被动桩侧向土压力的三维数值模拟

运用岩土数值计算程序FLAC~(3D)对土体沿深度发生均匀侧移、桩基两端可简化为铰接情况下的被动单桩的侧向土压力进行了研究,其中土体采用摩尔-库伦本构关系,桩基采用线弹性本构关系,桩土之间建立接触面。研究表明:桩侧土压力随着土体侧向位移增大而增大,当达到极限状态时在浅层土体内桩侧极限土压力随深度增加而增大,达到一定深度后,桩侧极限土压力随深度增加基本保持不变;桩周粗糙度是影响桩侧极限土压力大小的重要因素;桩土相对刚度对桩基位移、剪力、弯矩和桩侧极限土压力分布有较大影响。另外,分析了桩侧土压力-桩土相对位移关系曲线(p-δ曲线)的形状以及达到极限土压力所需的桩土相对位移,并将计算结果与前人研究结果比较,得出两者具有较好的一致性且本文结果有所改进。     

荷载倾角对大直径长桩承载特性的影响分析

基于数值分析与荷载传递相结合的方法,利用FLAC3D对倾斜荷载下大直径长桩进行模拟,分析了荷载倾角对桩的承载特性的影响.结果表明,荷载倾角影响桩的承载方式,随着荷载倾角的逐渐增加,桩的承载方式由竖向承载为主逐渐向水平承载为主转化.荷载倾角在0°～20°范围内变化时,桩顶以沉降为主;在30°～90°范围内变化时,桩顶水平位移大于沉降.随着荷载倾角的增大,上部桩体侧移显著增大,桩两侧合土抗力零点向深部移动,桩端阻力减小.桩前侧和桩后侧最大合土抗力与荷载倾角的正弦值近似呈线性递增关系;桩前侧最大合土抗力受荷载倾角的影响比桩后侧最大合土抗力大.     

对称布置翼板加翼桩的水平承载性能分析

影响加翼桩水平承载性能的因素众多,其中翼板数量、荷载方向与翼板夹角是主要影响因素。采用ABAQUS有限元计算软件研究了软黏土地基中桩径为5.0 m,对称布置二、三和四翼板的加翼桩在不同荷载作用方向时桩身泥面水平位移、桩身倾斜率、桩身内力、桩身应力和极限承载力等的变化。通过与相同条件单桩的承载特性对比,分析了加翼桩水平承载性能提升幅度,明确了翼板通过同时或交替承担底面端承力、侧面摩擦阻力、水平土抗力和增加桩身抗弯刚度以提高其水平承载性能的机理,拟合了对称布置二、三和四翼板加翼桩水平极限承载力随荷载作用方向变化的计算式,对加翼桩极限承载力控制条件进行了对比分析。     

PHC管桩挤土效应环境监测与分析

为了研究静压群桩时产生的挤土效应对周围建筑物的影响,对驻马店市某住宅小区内PHC管桩静压施工引起的土体深层位移与超孔隙水压力进行了现场监测。监测结果表明,超孔隙水压力随着群桩边界线距离的增加近似呈性线减小,且超孔隙水压力影响半径随深度的增加逐步增大,最大影响半径约为桩直径的29倍。水平位移的总体表现为:表层土体位移较大,随着深度的增加,水平位移逐渐减小,桩端附近几乎为0;水平位移受卸压沟影响显著,有效影响深度约为卸压沟深度的2倍。     

含地下水的回填砂土重力式岸墙地震残余角位移的拟静力计算

引用液化度指标考虑含地下水的回填砂土地震过程中的超静孔隙水压力对墙体运动的影响,基于Mononobe_Okabe拟静力法修正考虑液化度的动主动土压力,根据静力水压力理论近似计算土颗粒里的动水压力。同时考虑了水平与竖向地震载荷,根据力矩极限平衡确定旋转门槛加速度系数,采用旋转块体方法计算岸墙主动旋转运动下的地震残余角位移。选用一理想的地震运动特征,应用该简单预测位移的方法对一算例进行了推算;并对回填砂土内摩擦角、墙体与土间摩擦角、水平与竖向地震加速度系数、回填土地下水位、墙前自由水位和码头墙宽高比多种参数下     

静压桩荷载传递与承载性状试验研究

依托某实际工程 ,在对桩-土体系荷载传递机理分析的基础上 ,研究了现场静力压桩试验和载荷试验过程中桩侧阻力的变化规律及其承载特性.结果表明 :在竖向压力作用下静压桩穿越不同的土层时 ,需同时克服土体对桩侧阻力和端阻力作用 ,不同阶段桩顶荷载作用时的端阻和侧阻的发挥性状不同 ;随着压桩荷载增加 ,桩身上部摩阻力先于下部发挥作用 ,较先进入极限状态 ,体现了其异步性 ,桩基设计时桩身中上部应适当加强 ;地基土自身的强度会随地基土水环境的变化而改变 ,对桩侧摩阻力和桩端阻力发挥影响显著 ;正常工作阶段 ,桩基大都处于弹性变形阶段 ,然而超出此范围后 ,桩基破坏大都表现为沉降或不均匀沉降.     

海上风机基础大直径加翼单桩常重力模型试验数值仿真

海上风机大直径单桩基础承受风、浪、流等水平荷载作用,提高其水平承载性能非常重要.针对一种通过在近地表桩体上设置稳定翼板以充分调动浅层土抗力的海上风机大直径加翼单桩基础,进行了常重力模型试验的数值仿真.数值仿真采用ABAQUS有限元软件结合Mohr Coulomb模型,按钢管桩不同外径、壁厚、埋入深度,加载高度和加载方向,共进行9组试验.数值仿真结果与模型试验结果进行对比,均得出翼板长度或宽度的增加将引起所调动的浅层桩前土的土抗力范围增加,承载力提高,水平位移降低;翼板埋深增加,所调动的浅层土范围减少,承载力降低;这验证了数值仿真的合理性.进而借助数值仿真结果对桩、土受力特征进行了观察和分析,从数值仿真角度进一步验证了设置稳定翼能够显著提高浅层土抗力,提高单桩水平承载性能.     

基于现场试验的海上风电大直径单桩三维水平承载力研究

p－y 曲线法是计算分析水平受荷桩常采用的方法。但现场多为 3 m 以内直径试桩,对于海上风电大直径单桩( 4～8 m) 结构的桩土相互作用计算分析,其适用性值得商榷。结合江苏某海上风电大直径钢管桩水平静载荷试验,得到桩身挠度曲线和弯矩曲线; 采用 ABAQUS 建立单桩三维数值模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,并对桩土接触法向刚度进行初步的敏感性分析,验证数值模型的有效性和适用性。随后对大直径单桩进行水平静载数值模拟,与规范推荐的 p－y 曲线法计算结果进行对比,结果表明,规范推荐的 p－y 曲线法过于保守,规范推荐的 p－y 曲线法不适于直接应用在大直径钢管桩的水平承载力分析; 所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩设计优化具有指导意义。     

砂土场地排桩围护挡墙渗漏水对基坑变形规律的影响

针对富水砂层排桩挡墙渗漏水及基坑变形问题,以某地铁车站基坑工程为背景,采用数值模拟和现场实测方法对比研究砂土场地止水帷幕局部渗漏水前后基坑挡墙侧向位移、墙后地表沉降及围护桩墙内力变化规律。研究结果表明：止水帷幕局部渗漏加剧了渗流作用对基坑变形的影响,围护桩侧向位移曲线随基坑开挖深度的增大由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变,墙后深层土体侧向位移曲线随水平距离L_p增大由非线性“鼓肚”形转变为线性分布;止水帷幕局部渗漏引起地表沉降量及影响范围增大,漏水后地表沉降显著影响区扩展为漏水前的2~3倍;围护桩身内力随基坑开挖深度增加而逐渐增大,漏水后桩身最大剪力和弯矩较漏水前减小;抑制渗漏通道扩展和阻止水土流失加剧是控制基坑渗漏灾害恶化的有效途径。研究成果可为砂土地区深基坑渗漏灾害防治与施工控制提供参考。     

一个新的内时参量动孔压模型及其适用性研究

基于Ｆｉｎｎ等人提出的内时孔压模型，通过饱和砂土应变控制的振动扭剪试验，研究了孔隙水压力的增长规律，以有效剪剪应变路径长度参数为内时参量，提出了一个饱和砂土振动孔隙水压力的计算模型，通过对已有试验资料的检验表明。新的内时参量对于应变控制的动单剪，动三轴试验以及应力控制振动试验的孔压发展规律都具有很好的归一化性能。     

斜截面浅覆盖层钢栈桥桩基础双向承载结构分析

斜截面浅覆盖层钢栈桥桩基础将同时承受上部结构传递的竖向荷载与流水冲击产生的水平荷载,结构受力较平地桩基而言更为复杂。结合某工程实例,通过现场静载荷试验与数值模拟对比,分析了竖向荷载对桩顶位移及桩身应力的影响,研究了钢-混凝土复合桩的应力及桩身弯矩变化规律。结果表明:在竖向荷载及水平流水荷载作用下,柱顶竖向位移约为水平位移的2倍,且当竖向荷载超过300 k N时,桩顶竖向位移显著增加;桩身弯矩呈"S"型分布,桩身上段存在较大负弯矩,且对后桩影响更加明显;外钢管、内部混凝土与内嵌工字钢三者协同受力,荷载传递性能良好;内嵌工字钢在钢混段与嵌固段交界处出现应力集中现象。研究对斜截面浅覆盖层钢栈桥桩基础具有参考价值。     

基于颗粒流的基桩自平衡测试法数值模拟

为了揭示基桩自平衡测试法在加载过程中单桩的承载特性以及桩土相互作用规律,基于二维离散元软件PFC^2D模拟工程实践中基桩自平衡测试法的加载过程,分析单桩在受荷条件下的模拟试验。研究结果表明:①在加载初始阶段,桩侧阻力要优于桩端阻力发挥,但是桩端阻力也有一定的发挥,随着加载的进行,桩端阻力开始占据一定的作用;②在加载过程中,桩周土体孔隙率呈有规律的变化,具体表现为桩端一定范围内的土体孔隙率减小,且越靠近桩端,孔隙率变化越大,沿竖直方向变化趋势减小,桩侧土体孔隙率的变化则主要是荷载箱附近和上段桩上部一定范围内增大;③在加载过程中,随着荷载的增大,桩周土体颗粒之间的配位数,土体水平向应力、竖直向应力以及桩周土颗粒的位移均呈有规律的变化。研究结果可为自平衡测试法的理论研究提供参考。     

基于边界面的多隔舱筒形基础动力分析

多隔舱筒形基础作为近几年发展起来的海上风电基础结构,其稳定性能极大影响了风机的安全性。为研究在极端风荷载作用下筒形基础的稳定性,通过AR自回归线性滤波法,模拟脉动风速谱,采用边界面弹塑性动力本构模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维动力数值分析,研究了该结构在随机风荷载作用下的沉降发展、动力响应和周围土体的孔压变化情况。研究表明:随着加载持续,筒体的水平位移、转角和竖向位移均呈缓慢增长趋势,同时筒体顶部水平位移远大于端部位移;基础内部土体孔压受分舱板影响,发展缓慢且小于基础外侧土体孔压,沿筒径方向,越靠近筒壁孔压越大;基础外侧,土体孔压随埋深的增加逐渐减小,最后趋于稳定;土体的应力路径逐渐向临界状态线靠近,但并未达到破坏标准。