循环荷载作用下粉土地基中刚性桩桩土相互作用研究

针对近海风机单桩基础,采用室内模型试验,对粉土地基中刚性桩循环加载条件下的桩土相互作用规律进行研究,实时监测了加载过程中荷载、位移和土压力的变化。研究发现循环荷载作用下桩周土压力最大值和最小值没有明显的弱化;循环加载模式下,刚性桩变形转动中心在0.85埋深以下;基于静力加载条件下的水平非线性地基反力系数,提出了粉土地基中刚性桩循环荷载作用下土的水平抗力-位移曲线。在此基础上,提出循环荷载作用下预测超大直径单桩基础变形的简化计算方法。     

软粘土海床中单桩基础水平循环承载与变形特性试验研究

通过开展室内软粘土海床地基中单桩基础水平静载和水平循环荷载模型试验,研究了单桩基础的水平承载与变形特性。主要有以下结论:(1)水平静载作用下,单桩基础极限承载力约为100 N,桩身最大弯矩大约位于z=4D位置处;(2)水平循环荷载作用下,单桩基础桩身弯矩和位移随着循环加载次数增加,桩身最大弯矩位于z=3~4D位置处,并提出了水平循环荷载下桩身位移计算模型。同时,基于试验结果,本文建议用于表征土体在循环荷载作用下的弱化效应系数A取值为0.52较为合理。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。     

冲刷条件下砂土中单桩水平循环加载模型试验

近海风机大直径单桩在波浪的作用下承受水平循环荷载,并产生冲刷效应。采用一套可施加大周数循环荷载的试验装置,探究砂土中冲刷深度与加载路径耦合作用下大直径单桩累积变形特性与位移预测模型。通过对试验结果归一化和回归分析,得到位移预测模型,其为循环次数的幂指数和初次循环累计位移两者的乘积。研究发现,幂指数受加载路径和冲刷深度的影响较小;初次循环累积位移由两个相互独立的参数决定,即荷载峰值和控制循环幅值的荷载类型。荷载峰值受冲刷深度影响,荷载类型与冲刷深度无耦合关系。试验得到的位移预测模型的幂指数和初次循环累积位移公式可用于单桩长期水平循环累积位移的预测。     

基于PIV技术与分形理论的桩–土系统水平循环受荷模型试验研究

单桩基础作为涡轮风机常用的基础形式之一，常受周期性横向荷载的作用，这将导致桩–土系统动力响应的变化。通过改变土体相对密实度与粒径大小2个参量开展一系列室内模型试验，探究水平循环荷载作用下单桩基础的内力变化及累积变形特性，并利用PIV技术及分形理论分析桩周土体周期性的运动规律。试验结果表明：(1)循环荷载对于桩身弯矩的影响较为显著，随着循环次数的增大，桩身弯矩值随之减小，减小的幅度随土体相对密实度的增加而增大；同时，桩周土体粒径越小，桩身产生的弯矩相对较大。(2)桩基整体绕桩身一点做刚性转动，土体的相对密实度越高，桩身累积变形越小；砂–钢接触面的界面摩擦角受到土体粒径的影响，土体粒径越大，界面摩擦角越小，桩身的水平累积位移越大。(3)表层土体位移范围随土体相对密实度的增加而减小，而粒径大小对于土体位移场的影响较小；随着加载的进行，桩后土体位移影响范围增加，而桩前土体影响位移范围减小，桩周沿加载方向的部分土体会发生对流运动。(4)桩周土体位移场具有分形特征，分形维数值随着土体相对密实度的增加而减小，大小在1.18～1.42范围；分形维数与土体位移场面积之间呈现正比例线性关系，而与循环次数之...     

组合荷载作用下斜坡上桩基础水平承载特性研究

斜坡上桩基础不仅要承担上部建筑物传递下来的竖向荷载,还要承担斜坡传递下来的土压力等水平荷载,构成了复杂的桩-土相互作用体系。为研究斜坡上桩基础在竖向和弯矩荷载作用下的水平承载特性,通过自行设计的组合荷载加载装置,开展了四种工况下斜坡上单桩室内模型试验。分析在组合荷载作用下桩顶沉降、水平位移、桩身弯矩、桩侧土压力以及地基比例系数m值变化规律。试验结果表明:在桩顶施加竖向荷载有利于提高单桩的水平承载力,减小桩身的水平位移、弯矩和桩前侧土压力;在桩顶施加弯矩荷载-不利于单桩的水平承载力,随着弯矩作用的增加,相同水平荷载作用下,桩身水平位移和桩前侧土压力明显增加,而水平荷载对桩顶的竖向沉降影响较小;地基比例系数不仅与桩周土体有关,还与施加的荷载类型和桩土交界处的水平位移有关,地基比例系数随桩土交界处水平位移的增加迅速减小,最后趋近于稳定。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

大直径单桩水平受荷机制数值研究

大直径单桩基础是目前使用最广泛的海上风机基础形式。目前,水平受荷桩的分析与设计普遍采用基于Winkler地基模型的p—y曲线法,即将土体简化为一系列分布弹簧,将桩基简化为梁单元。但是,现有规范中给出的p—y曲线是基于试桩桩径主要不超过1.2 m、长径比大于20的现场水平荷载试验结果得到,并不适用于大直径刚性短桩。基于三维有限元模型,对大直径单桩的水平受荷机制展开研究。研究表明,API远远高估了大直径单桩基础的初始刚度,而低估了土体极限抗力。大直径大桩基础的破坏模式分为浅层的楔形破坏和深层的面内转动。     

考虑软土软化效应时单桩基础水平循环受荷的有限元数值模拟

海洋环境中的单桩基础受到风、波浪、海流等循环荷载长期作用，在循环荷载作用下桩和软土之间的接触面上的剪应力和桩周软土的剪切强度均会降低，从而影响桩基的承载特性。结合试验手段，通过界面剪切试验获得了Q235钢与天津滨海淤泥质软黏土之间的循环界面摩擦系数，通过动三轴试验获得了天津滨海淤泥质软黏土的循环软化参数，为量化桩土界面循环摩擦特性和桩周软土循环软化特性提供了一种参数获取方法。在此基础上，结合可考虑软土应变软化效应的软土本构模型，建立了不排水软基上单桩基础受水平循环荷载作用的有限元模型，研究了单桩在受到水平循环荷载作用下的桩头位移-反力响应与桩身截面弯矩的发展规律，并获得了循环荷载作用后桩周土体软化区域的发展规律。计算结果表明：随着循环振次的增加，桩基周围土体软化区域不断发展，高水平循环位移作用下土体软化区域沿深度发展程度高，对应桩身最大弯矩出现位置下移。     

循环荷载下海洋风机单桩基础简化分析模型

海洋风机单桩基础的控制荷载主要为风载荷、波浪载荷、地震载荷等水平循环荷载。而我国相关规范中对水平循环荷载作用下单桩分析模型与计算方法却论述较少。从3个方面深入分析了影响桩土相互作用的基本因素:土体非线性、土体极限抗力退化以及桩土脱开效应。考虑以上3点并用弹簧和阻尼串联来模拟桩周土体,提出了循环荷载作用下海洋风机单桩基础简化分析模型并编制了计算程序。通过与相关文献的试验数据比较,表明本文模型能较好地模拟循环荷载作用下水平受荷桩的性状。     

斜桩基础受力特性研究

针对斜桩基础问题,开展了水平荷载下斜桩群桩受力特性的模型试验。试验结果表明:斜桩土表处桩身水平位移以及残余水平位移均小于竖直桩,并随着斜桩倾斜度的增大而减小;桩身弯矩随着循环次数的增加而增大,斜桩桩身弯矩相对竖直桩较小。     

水平荷载作用下大直径嵌岩桩力学特性研究

目前,国内外针对大直径嵌岩灌注桩的研究较少,特别是基于现场足尺试验的研究。为研究大直径嵌岩桩在水平荷载作用下的力学特性,对5根直径1.5m的嵌岩灌注桩进行现场水平承载试验,试验采用单向多循环加载法,最大荷载为3500kN。试验结果表明：长5.2m大直径嵌岩桩的桩身最大弯矩发生在嵌岩面处,长11m大直径嵌岩桩的桩身最大弯矩发生在嵌岩面之上桩身中部处,且相同荷载作用下,前者最大弯矩大于后者;嵌岩深度较小会导致嵌岩深度一定范围内发生水平位移,大的嵌岩深度可以降低桩身最大弯矩,嵌岩深度分别为1m与2m的大直径灌注桩,二者水平承载力特征值所对应的最大弯矩比值约为1.1～1.3;受桩侧土刚度的影响,长6.6m大直径嵌岩桩桩身弯矩规律与长11m大直径嵌岩桩相似,且相比于嵌岩深度,桩侧土刚度的影响更显著。     

基坑开挖与临近横向推力桩基础的相互影响研究

以成绵乐客运专线双流机场车站基坑及临近的T2航站楼斜拱桩基础为例,采用有限元数值方法对基坑开挖至不同深度、桩基础加载条件下,基坑围护结构和桩基础的水平位移、桩身弯矩等进行了计算。通过计算结果的对比分析,得出了基坑开挖与邻近桩基础相互影响的基本规律。研究表明:受与基坑临近的、所受水平推力指向基坑的桩基础影响,基坑围护墙水平位移、开挖侧最大弯矩均比基坑单独施工时的大;桩基础承受荷载时基坑的开挖深度越小,基坑开挖至坑底时围护墙的侧向位移越大,基坑开挖引起的桩基础承台水平位移也越大,基坑开挖对桩基础前、后排桩的桩身弯矩影响也越大;基坑开挖引起的桩基础前、后排桩桩身弯矩主要使其远离基坑侧受拉。     

单桩与群桩加固软土地基的有限元分析

利用大型有限元分析软件,对竖向荷载作用下单桩和群桩性状进行数值分析,给出了有限元计算中土体和桩体本构关系模型,分析桩长、桩身直径对单桩基础和群桩基础的荷载—位移曲线的影响规律,为软土地基的设计提供参考依据。     

砂土中竖向和弯矩荷载下单桩水平承载特性试验研究

 为研究单桩在桩顶预先施加竖向和弯矩荷载下的水平承载特性,通过自行加工的组合荷载加载装置,进行一系列室内单桩模型试验,分析砂土中预先施加的不同竖向和弯矩荷载对单桩水平荷载下的水平位移、桩顶转角、桩身弯矩以及地基比例系数m值的影响。试验结果表明：当预先施加的竖向荷载小于单桩竖向极限承载力的一半(Vu/2)时,相同水平荷载下单桩的水平位移有所减小,单桩的水平极限承载力得到提高,桩身最大弯矩有所减小,并且竖向荷载越大,越有利于单桩的水平承载性能;弯矩荷载的存在不利于单桩的水平承载能力,显著降低单桩的水平极限承载力;另外,水平荷载的施加对单桩的竖向位移影响较小;当砂面处水平位移较小时,m值随着水平位移的增加迅速降低,当水平位移增加到一定程度,m值减小的幅度越来越小,最后趋于一个稳定值。     

增设连接墙的双桩基础水平承载特性试验研究

桩基承受水平地震作用时,桩与承台处的弯矩和剪力值都为最大,为避免连接处过早发生破坏,需要对连接处构造进行加强。通过制作普通双桩基础和增设连接墙双桩基础两种形式的缩尺模型,进行低周往复加载对比试验,对两种试件在各级荷载下的荷载-位移曲线和桩身弯矩分布进行比较,得出增设连接墙的双桩基础水平承载力、耗能能力及抗弯刚度都较普通双桩基础有大幅度提高,且连接墙的存在使桩身弯矩峰值所在位置发生改变。     

长期竖向循环荷载作用下黄土中单桩沉降特性模型试验研究

长期竖向循环荷载作用下单桩的沉降特性与静载情况下明显不同,通过黄土及饱和黄土中单桩的竖向循环荷载试验,分析了循环荷载作用下单桩的累积位移发展模式,研究了桩顶位移s及循环位移幅值c?随循环次数N的变化规律。试验发现:黄土饱和后单桩的承载力明显下降;饱和前后单桩循环荷载试验的s–N曲线都可采用幂函数进行描述;相同荷载大小时,饱和前单桩的循环荷载位移小于静载位移,循环位移比(循环荷载位移与静载位移的比值)介于0.6与0.8之间,而饱和后单桩的循环荷载位移明显大于静载位移,且循环位移比随循环荷载比线性增长;饱和前单桩的循环位移幅值明显大于饱和后的位移幅值,主要受循环荷载幅值及桩周土性质的影响。     

单桩水平静载试验在某场地拟建工程区的应用

桩基础以其有效、经济等优点被广泛使用,常应用于工业与民用建筑、桥梁、港口等工程[1],而桩的承载力是设计桩基础的关键。本文通过利用单桩在某场地进行水平静载试验,对单桩的水平极限承载力进行分析,研究水平荷载作用下桩的承载力、位移、桩的水平抗力系数及弯矩沿桩身的变化规律,确定单桩水平承载力特征值。     

冲刷对桩井基础水平承载特性影响的试验研究

大直径单桩基础及沉井加桩复合基础是近海工程中重要的深基础形式,其受力情况较为复杂,不仅受多种荷载的耦合作用,往往还受到波流的冲刷作用。目前关于冲刷的研究多集中于研究水流与土体的相互作用,即冲刷坑的形成机理,而有关冲刷坑的形成对基础承载力影响的研究则较少。通过室内模型试验,采用开挖对冲刷效应进行模拟,研究单桩及沉井加桩基础在冲刷前后水平承载性能的变化。试验结果表明,冲刷会显著降低上述两类基础的水平极限承载力;水平荷载达到极限承载力时,基础的弯矩幅值及基础周围土抗力幅值在冲刷后有明显下降。     

斜向抗拔螺旋群桩基础承载性状试验研究

通过3桩等边三角形承台原型群桩基础的4次斜向抗拔、2次垂直抗拔和5次单桩垂直抗拔试验,绘制了相应的荷载位移关系曲线。依据地基变形特点和曲线变化特征,建议采用具有明确物理特征的H-(△x/△H)曲线判定螺旋群桩基础水平方向极限荷载,垂直方向抗拔极限荷载依据单位荷载的桩顶位移变化率、桩顶位移增量以及地基变形特征判定,并讨论了群桩基础在斜向荷载和垂直荷载上拔过程中的群桩效率。试验表明:抗拔群桩基础的群桩效率与外荷载的作用角度有关,斜向抗拔螺旋群桩基础的群桩效率小于垂直抗拔群桩基础的群桩效率,荷载水平分量加快了该种群桩基础的上拔破坏,斜向抗拔群桩的极限破坏荷载和极限位移要小于垂直抗拔螺旋群桩基础。