冲刷作用下单桩水平承载特性试验研究及数值模拟

为了掌握冲刷前后桩基础水平承载性能的变化规律,通过自行设计加工的水平加载装置,进行了一系列不同冲刷深度下的桩基室内模型试验,获得在不同水平荷载作用下桩头水平位移以及沿桩身的应变,掌握冲刷作用对桩基水平承载性能的影响。在此基础上,采用FLAC3D软件模拟单桩在水平荷载作用下的承载性能,并依据模型试验结果修正数值模型相应参数,获得能考虑冲刷作用影响的单桩计算模型。用该计算模型对冲刷角、桩顶固定方式和不同冲刷深度下单桩的水平承载力性状进行分析,得出如下结论:当冲刷深度小于1.5倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较小;而当冲刷深度达到大于2倍桩径,小于8倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较大,下降幅值达到80%;当冲刷深度继续增大,水平极限承载力下降趋于平缓;在一定的冲刷深度下,当冲刷范围变化时,桩基侧向承载力变化不明显;桩头固定有利于减小冲刷对桩基承载力的影响。     

基于新型人工软土技术的加筋碎石桩复合地基承载特性模型试验

为研究地基不排水或排水不畅情况下加筋碎石桩复合地基的承载特性,配置了由钠基膨润土和甘油混合而成的新型人工软土地基,进行了4组加筋碎石桩复合地基路堤模型试验,并与排水条件下的试验结果进行对比分析。研究结果表明:加筋碎石桩复合地基沉降随筋材刚度的增大而明显减小,其桩土应力比远大于排水条件下的桩土应力比;筋材刚度较大时,桩体发生向路堤外的整体倾斜变形,而筋材刚度较小时,桩体则发生向路堤内的弯曲变形;部分加筋碎石桩复合地基的沉降明显大于全长加筋情况,且其桩土应力比小于全长加筋时的桩土应力比,但仍大于普通碎石桩的桩土应力比;不同加筋长度碎石桩桩体均在其加筋范围内发生弯曲变形,在未加筋部位发生鼓胀变形;排水条件对加筋碎石桩桩体变形和稳定性有显著影响,排水条件好,桩体弯曲变形小,反之,桩体则产生显著的弯曲变形。通过试验分析得出对于路堤荷载下的加筋碎石桩复合地基,应采用刚度较大的筋材对碎石桩体进行全长加筋,并保证地基的排水,可大幅提高路堤的稳定性。     

局部冲刷对部分埋入单桩水平承载性状的影响

为分析局部冲刷对部分埋入桩水平承载性状的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟水平荷载作用下部分埋入单桩的受力。根据实际工况建立了部分埋入水平受荷桩的三维有限元计算模型,并将计算结果与现场试验结果进行对比,验证了所建模型的正确性。然后,通过算例分析了冲刷角度、深度、桩直径、桩顶约束条件和桩自由段长度对部分埋入桩水平承载性状的影响。分析结果表明:局部冲刷深度比冲刷角度对部分埋入桩的水平承载性状影响更大,局部冲刷对直径较大的桩体承载能力影响也更大,自由段长度的增大减小了桩体水平承载力,因此,在研究冲刷对桩基水平承载性状的影响时,应结合桩顶约束条件综合考虑。     

加筋碎石桩加固砂土路堤边坡的试验研究

加筋碎石桩作为新型桩体被广泛用于路基加固领域,然而在路堤边坡加固或快速修复方面很少涉及。基于模型试验综合研究了加筋碎石桩桩位、桩长、桩的数量和加筋土工布类型等因素对其加固边坡效果的影响。试验结果表明:采用单根桩时,当加筋碎石桩距坡脚水平距离为0.6 H(H为坡高)和桩长为0.75 H时,其加固路堤边坡的效果最佳;相同宽度坡面时增加加筋碎石桩数量,可使边坡坡体极限承载力明显增加,而且当桩数相同时,采用抗拉强度高的土工布加筋碎石桩时边坡加固效果更加显著,且控制沉降效果更明显;对相同尺寸边坡,边坡极限荷载下加筋碎石桩变形后桩身与竖向的夹角随桩长增加而增大;坡面水平位移在坡顶和坡脚附近大,而坡面靠近加筋碎石桩桩顶附近的水平位移较小,表明加筋碎石桩可有效控制坡面上桩顶附近土体的水平变形。     

板桩码头结构中桩体作用宽度试验研究

桩主要被用来传递竖向荷载,在码头结构中桩还常被用来承受横向荷载,抵抗地基侧向变形.侧向承载桩受到的作用力主要来自挡土陆侧和临空海侧之间的土压力差,但由于受力机理复杂,至今尚无成熟计算方法能够准确估算桩所承担的横向作用力.通常假设一个桩体等效作用宽度,然后采用挡土墙经典土压力理论进行计算,现行板桩码头结构设计中假设桩体作用宽度为2倍桩宽,然而,这种经验算法经常受到质疑,迫切需要试验验证.为了改进和完善现行的板桩码头结构设计计算方法,针对桩体作用宽度这一问题,设计开展了多组大型土工离心模型试验,通过微型土压力盒测量了不同桩间距布置的桩体侧面的土压力,获得了桩身前后两侧沿深度的土压力分布.试验结果表明,桩排中的单根桩作用宽度与桩间距密切相关,在桩间距宽度比d/b小于4.0时,其作用宽度系数Keq近似与d/b线性递增;d/b大于4.0后,keq值逐渐趋于常值,不再随着d/b值出现非常明显的变化;对于桩间距为2倍桩宽(d/b=2.0)这一常见布置情形,实测桩体作用宽度系数Keq值不足2.0.     

格栅套筒加筋碎石桩复合地基沉降计算方法

为研究格栅套筒加筋碎石桩复合地基的变形特性及沉降计算方法,开展加筋碎石桩复合地基承载变形机理分析。将复合地基划分为加筋段、非加筋段和下卧层三部分:基于空间问题的胡克定律和分层总和法思路,考虑加筋段桩土存在相对滑移但不出现塑性区,采用桩体单元并利用分层迭代法予以计算;由于非加筋段桩土竖向和径向变形协调,引入桩土单元体模型予以分析;下卧层沉降量则通过分层总和法计算,从而推导出格栅套筒加筋碎石桩复合地基沉降计算公式。工程实例分析结果表明,上述沉降计算方法所得结果与实测值较接近,且克服了现有分析方法所得结果偏于危险的缺陷,具有较好的合理性与可行性。     

海上风电桩桶复合基础的竖向承载性能研究

海上风电桩桶复合基础是一种由单桩基础和桶型基础复合而成的新型海上风电基础,为探索其竖向承载性能,建立了三者的有限元模型。通过数值分析研究了基础竖向荷载与位移的关系,基础各部分对荷载的分担情况,不同竖向荷载作用下桩外侧摩阻力、桩外侧土压力、桩身轴力的分布规律,桩桶复合基础在竖向荷载作用下的破坏模式,几何尺寸对桩桶复合基础在竖向承载性能的影响。通过分析,揭示了竖向荷载作用下桩桶复合基础的工作机理,表明桩桶复合基础通过桩体与桶体的复合能够有效提高基础承载性能。     

载体桩单桩竖向承载力学性能研究进展

载体桩作为一种由混凝土桩身和载体构成的新型桩基础,具有承载力高、造价低等优点,合理确定载体等效尺寸对于载体桩单桩竖向承载力计算具有重要意义。在总结载体桩施工工艺演进及承载机理的基础之上,介绍了载体桩单桩竖向受压承载性能、抗拔承载性能及沉降计算方法的研究现状,分析了目前载体等效计算面积取值、抗拔承载力计算时载体影响区段几何参数确定以及载体桩沉降计算中存在的问题,提出了多角度综合确定载体等效尺寸、强化桩身与载体界面连接、开展动荷载作用下载体桩承载性能测试等方面的研究建议。     

竹筋格栅套筒加筋碎石桩承载力分析

为因地制宜、就地取材地利用天然加筋材料,对竹筋格栅套筒在加筋碎石桩中的应用展开了研究。首先,通过室内试验测试了竹筋的抗拉强度,并就竹筋的拉伸力与传统加筋材料的拉伸力进行比对;对竹筋格栅套筒加筋碎石桩承载机理进行了分析,并结合室内试验对破坏模式进行了辨识;探讨了竹筋格栅拉伸力、碎石桩桩径及碎石桩填料的内摩擦角等因素对竹材加筋碎石桩极限承载力的影响规律及变化趋势;从耐久性和经济性方面分析了竹筋应用于岩土工程领域的可行性。结果表明：当竹筋格栅网格尺寸为10 cm×10 cm,伸长率为2%时,其拉伸力为100.52 kN/m,力学性能满足规范对加筋材料的要求值;竹筋格栅套筒适用于碎石桩的加筋,且可显著提升碎石桩的承载力。研究成果可为竹筋格栅套筒加筋碎石桩的推广应用提供参考。     

基于Mohr-Coulomb的强盐沼泽区桩基承载特性探讨

为了探究强盐沼泽区桥梁桩基的极限承载特性,采用桩基混凝土试件现场试验以及室内实验测得了桩基混凝土水养强度以及腐蚀强度,采用能谱仪(EDS)分析以及元素分析测得了桩基混凝土内部氯离子含量,采用室内电镜试验测得了桩基混凝土内部氯离子对流深度。将腐蚀性盐离子环境中的桩基混凝土试件划分为剥蚀区、腐蚀区和未蚀区,运用公式计算的方法得到现场暴露1 a桩基混凝土的腐蚀厚度与腐蚀后强度的关系。通过桩基混凝土强度与黏聚力c、内摩擦角φ之间的转换,建立了基于Mohr-Coulomb的强盐沼泽区桥梁桩基弹塑性本构模型,对强盐沼泽区桩基极限承载特性进行分析。结果表明:随着蚀径比的增大,单桩横轴向极限承载力逐渐降低,但降幅逐渐变缓;桩长增加对单桩横轴向极限承载力提升较小;随着蚀径比的增大,单桩竖向极限承载力逐渐降低,但降幅逐渐变缓;桩长不变,相同腐蚀厚度变化范围内,大直径单桩竖向极限承载力降幅大于小直径单桩竖向极限承载力降幅。     

土工织物散体桩复合地基路堤土拱效应研究

为研究土拱织物散体桩的土拱效应,采用三维有限元软件建立了路堤荷载下土工织物散体桩复合地基模型,分析了筋材刚度、桩间距和路堤高度3个主要因素的影响。结果表明:土工织物散体桩的起拱筋土模量比为20,当筋土模量比达到67后,筋土模量比对土拱效应影响不大;土拱高度在路堤高度达到5倍桩净间距之前呈线性增长,之后土拱高度将不随路堤高度变化;随着桩净间距增加,形成完全土拱所需的高度也在增大,当桩净间距达到2倍桩径后,土拱高度将不再变化;随着路堤高度的增加,土拱率逐渐减小,当路堤高度达到1.7倍桩净间距形成完全土拱后,土拱率不再发生变化;与数值计算结果对比发现,由Hewlett和Randolph提出的三维土拱计算方法与数值计算结果最为接近,建议采用这种方法进行设计。     

内填散体材料废弃轮胎叠合体承载能力研究

为提高废弃轮胎在土木工程上的利用率,提出利用废弃轮胎环箍约束散体材料,形成具有良好 载荷能力的叠合体。通过竖向载荷试验,测得不同因素对叠合体承载能力和变形特点的影响情况。分 析出叠合体的承载力主要与填充材料的性质和轮胎的直径有关,实验表明叠合体的承载力与内摩擦角 或轮胎的直径呈正相关关系,当后者增大时,前者也随之增大;当叠合体内填充不同的材料时,它的横向 变形量沿高度分布情况也不同,即变形特点与填充材料有关;旧轮胎能够提供相当大的环向约束力,给 出了横向约束力和横向位移的计算公式,具有较好的计算精度;该叠合体能够承受很大的上部载荷,其 颗粒材料的抗剪强度和轮胎的环向约束能力被充分发挥。     

水利工程中大直径PHC管桩承载力试验研究

结合某一水利工程大直径PHC管桩的地基处理应用,开展了单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验,并通过在管桩预制阶段安装钢筋应力计,研究分析了静载试验中桩身的荷载传递规律。研究表明：本工程中混凝土强度C80、外径800 mm、内径580 mm的PHC管桩的单桩竖向抗压承载力极限值不小于2 880 kN,桩顶荷载几乎全部由桩周侧摩阻力承担,桩端阻力发挥较小,属于典型的摩擦型桩。桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力均随着竖向荷载的施加而逐渐增大,并沿深度呈衰减分布。水平荷载下的桩身弯矩呈弓形分布,最大弯矩发生在距桩顶约0.2～0.3倍桩长截面处,单桩水平临界荷载值在150 kN左右。     

倾斜荷载作用下沉箱基础的极限承载力计算方法

为了确定沉箱基础在顶部受到倾斜荷载时的抗拔承载力,利用极限包络线方法进行分析。基于15组模型试验以及合理假定,提出了水平荷载、竖向荷载作用下沉箱基础的极限抗拔承载力函数,通过分析水平、竖向极限承载力系数与长径比的关系,提出了水平、竖向荷载作用下沉箱基础的承载力计算方法。基于不同长径比、不同荷载作用角度下沉箱基础的水平承载力归一化分量和竖向承载力归一化分量之间的破坏包络线图,得到了两者之间的幂函数关系,从而得到了沉箱基础在倾斜荷载作用下的极限承载力。     

移动列车作用下大直径顶管群和路基的动力变形和应力

大直径顶管下穿重要铁路干线时,路基的承载力和动力特性必将发生改变,铁路部门要求列车运行时顶管上方竖向动位移与顶管施工前相比变化量≤5 mm。对列车驶过顶管群上方铁路的过程进行了数值模拟,给出路基瞬时竖向位移和顶管附加动应力等结果。采用三维有限元Newmark动力时程分析法和seed等效线性法模拟路基的振动软化,按照实际工程考虑6根直径4.7 m的顶管群下穿京沪铁路,计算列车速度分别为100,200 km/h。计算结果表明,在管道埋深12 m时,路基最大竖向动位移增加1.3 mm,顶管受到的附加拉(压)动应力为0.14 MPa左右,顶管群对铁路运行的影响在容许范围内。     

湛江组结构性黏土中桩基竖向承载性状模型试验

利用原位模型试验研究湛江组结构性黏土中桩基在竖向荷载作用下的承载性状。选取材质和桩径相同、入土深度不同的6组模型桩,采用慢速维持荷载法,在湛江组结构性黏土中进行单桩原位竖向承载模型试验,得到了单桩荷载-沉降曲线、单桩轴力沿桩身分布曲线、单桩侧摩阻力沿入土深度分布曲线。结果表明:在竖向荷载作用下,湛江组结构性黏土中模型单桩荷载-沉降曲线均存在显著陡降,极限状态拐点明显,竖向极限承载力随着长径比的增加而增大;在相同荷载作用下,随着长径比的增加,桩顶沉降逐渐减小且减小趋势逐渐变缓,在较大荷载作用下超长桩荷载-沉降曲线中桩顶沉降的减小速率几乎为零,存在有效桩长;在同级桩顶荷载作用下,单桩桩端阻力占总桩顶荷载的比例随着长径比的增加而逐渐变小,由最大29.8%减小为0.8%;不同入土深度的单桩在极限荷载作用下的桩侧极限摩阻力变化不大,均稳定在40 k Pa左右。     

大型炼厂软弱地基PHC管桩现场试验与分析

针对大型炼厂工程软弱地基处理的复杂性,开展了PHC管桩的现场试验,完成了PHC管桩施工后的低应变、高应变动力测试及单桩水平、抗压静载荷试验。基于低、高应变测试结果分析了桩身质量及完整性;以高应变测试和静载荷试验结果验证了单桩承载能力;对不同桩径的PHC管桩经济性做了比较分析。静载荷试验结果表明,PHC管桩单桩承载力能达到设计要求;PHC管桩桩径为400 mm时,桩长对单桩极限承载力影响较大,桩径为500 mm或600 mm时,桩长影响较小;同一桩长的单桩极限承载力随桩径增大而增大,不同桩长的增大形式存在差异;灌芯桩比不灌芯桩单桩水平承载力提高50%以上;从经济角度考虑,抗压PHC管桩首选500,桩端持力层选择强风化-中风化泥岩或全风化-中风化砂岩为宜。 