基于桩侧广义剪切模型的大直径超长灌注桩承载变形计算方法

大直径超长灌注桩桩身变形较大,桩侧与土体易出现明显的界面滑移,传统剪切位移法难以适合其承载变形计算。基于大直径超长灌注桩桩–土剪切作用性状及桩侧摩阻力发挥特点,采用剪切位移和剪切滑移两阶段法描述其桩侧摩阻力发挥过程,形成桩侧广义剪切模型;在此基础上,采用传递矩阵增量方式建立大直径超长灌注桩承载变形计算方法,并给出计算参数的取值。该方法考虑了桩侧摩阻力发挥的非线性、桩端承载的非线性及桩身材料的非线性,并考虑了桩–土滑移后桩侧摩阻力软化特性及桩端后注浆对桩端承载性状的影响。工程实例计算结果与现场试桩实测值较为吻合,表明基于桩侧广义剪切模型建立的大直径超长灌注桩承载变形计算方法具有合理性与可行性。     

地基固结和再固结过程中桩基础轴力与沉降计算方法

在地基固结和液化后再固结过程中,土体会对桩基础产生负摩阻力。负摩阻力作用下桩基础的轴力和沉降常采用中性面方法计算,但事实上中性面方法的几个基本假定可能导致计算结果相对实际产生显著偏差。针对地基固结和震后再固结过程中负摩阻力引起的桩基础的轴力和沉降进行研究,采用随固结过程更新桩土摩擦力峰值的非线性温克尔地基梁方法,建立相应计算方法。该方法能够充分考虑固结过程对桩基础轴力和最终沉降的影响,并给出轴力和沉降的变化过程。与离心模型试验对比的结果显示,在采用合理的固结计算方式的基础上,该方法能够有效地计算地基固结和震后再固结过程中桩基础的轴力与沉降,对沉降的计算精度高于传统中性面方法。     

砂土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

采用室内模型试验及颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程,对桩周土体宏细观力学响应进行了分析研究。通过模型试验对浅层土体、桩身周围、桩端处土体的不同位移模式进行了比较分析,揭示了桩周不同位置土体的变位规律,并将孔隙变化场与宏观位移场进行相互印证,发现桩端土体位移模式与压密区基本呈圆孔扩张。对桩体贯入过程中的动端阻力、动侧摩阻力的发展规律以及临界深度等问题作了揭示。以室内模型试验为基础,建立了静压桩沉桩颗粒流模型,将数值结果与试验结果对比分析,通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观响应的内在机理。研究成果对于进一步明确沉桩挤土效应内在机理和沉桩阻力的发展规律都具有意义。     

Physical modeling of behaviors of cast-in-place concrete piled raft compared to free-standing pile group in sand

Similar to free-standing pile groups, piled raft foundations are conventionally designed in which the piles carry the total load of structure and the raft bearing capacity is not taken into account. Numerous studies indicated that this method is too conservative. Only when the pile cap is elevated from the ground level, the raft bearing contribution can be neglected. In a piled raft foundation, pile–soil–raft interaction is complicated. Although several numerical studies have been carried out to analyze the behaviors of piled raft foundations, very few experimental studies are reported in the literature. The available laboratory studies mainly focused on steel piles. The present study aims to compare the behaviors of piled raft foundations with free-standing pile groups in sand, using laboratory physical models. Cast-in-place concrete piles and concrete raft are used for the tests. The tests are conducted on single pile, single pile in pile group, unpiled raft, free-standing pile group and piled raft foundation. We examine the effects of the number of piles, the pile installation method and the interaction between different components of foundation. The results indicate that the ultimate bearing capacity of the piled raft foundation is considerably higher than that of the free-standing pile group with the same number of piles. With installation of the single pile in the group, the pile bearing capacity and stiffness increase. Installation of the piles beneath the raft decreases the bearing capacity of the raft. When the raft bearing capacity is not included in the design process, the allowable bearing capacity of the piled raft is underestimated by more than 200%. This deviation intensifies with increasing spacing of the piles.     

有粘结强度桩复合地基中单桩与自由单桩受力性状对比分析

当有粘结强度桩复合地基施工完成后,需进行静载荷试验和低应变检测,以确定处理后的复合地基承载力是否满足设计要求和桩身的完整性。目前不少工程检测时,虽然复合地基载荷试验满足设计要求,但单桩承载力不满足设计要求（尤其是搅拌桩）,地基处理因此被评为不合格。针对目前实际工程中存在的这个问题,笔者结合算例,分别对自由单桩和复合地基中单桩的受力性状进行对比分析,以期揭示自由单桩与复合地基中单桩的承载力和桩体强度之间的差异,为如何处理类似的工程问题和开展模拟桩在复合地基中的实际受力状态的研究以及进行单桩静载荷试验方法的研究提供理论依据。     

考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系预测方法

考虑天然饱和黏土地层的原位力学特性,采用圆孔扩张模型考虑沉桩效应,结合太沙基一维径向固结理论推导了桩周土再固结过程中土体强度和剪切模量的解析解。在此基础上,根据桩基加载过程中桩侧土体的剪切变形特性,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型,提出了考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系理论预测方法。通过现场试验对本文解答进行验证,研究了沉桩结束后静压桩荷载–沉降特性随时间的变化规律,分析了静压桩沉桩后不同历时的荷载传递特性。研究结果表明,沉桩结束后静压桩承载特性的变化主要是由于桩侧承载特性的提高;特定休止期后的静载试验结果与静压桩真实承载特性存在一定差异。因此,实际工程中应根据桩周土体力学特性的改变结合静载试验合理确定静压桩的承载特性。     

花岗岩残积土地基钻（冲）孔灌注桩竖向承载力研究

通过对花岗岩残积土地基的特殊性及其钻（冲）孔灌注桩单桩竖向承载力试验研究的综合分析,剖析了花岗岩残积土地基桩端阻力和桩侧阻力特性和现有计算方法存在的问题。通过分析砾、砂、黏质花岗岩残积土天然地基承载力基于标准贯入击数相关性的修正系数,提出了桩端阻力、桩侧阻力与按标准贯入击数修正的桩基规范液性指数法计算结果的经验关系,可供按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》中经验公式计算花岗岩残积土地基钻（冲）孔灌注桩单桩竖向承载力时修正参考。与工程试桩的实测数据对比结果表明,文中建议的计算方法稍偏于安全,且比JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》中方法更接近实测值。     

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。     

考虑固结群桩竖向应力相互作用的积分方程分析方法

采用Biot 固结方程,分别以等长和不等长两桩为分析对象,将受竖向荷载作用的桩土体系分解成半空间饱和扩展土和虚拟桩,基于竖向应变协调关系建立桩土相互作用的第二类Fredholm 积分方程,求解出不同固结状态时的桩身轴力分布。在等长两桩中,由于邻近桩的存在,桩身附加轴力主要分布于桩身20%～80%深度处,其影响程度随着桩间距的增加而减弱。进一步将等长两桩分析扩展至群桩研究中,分析表明：群桩效应引起了桩顶荷载的不均匀分布;土体固结对桩身内力分布也有一定的影响,固结后角桩承担的荷载有所下降。桩长不等时,长短桩之间的相互作用效应并不一致,表现为两桩桩顶承受相同荷载时长桩沿桩身附加轴力增加较短桩明显。最后,将不等长桩相互作用系数应用于群桩的优化分析中,在保证总桩长和桩基沉降基本相当的情况下,通过调整不同位置的桩长使得各桩受力趋于合理。     

Numerical evaluation of effects of nonlinear lateral pile vibrations on nonlinear axial response of pile shaft

Axial and lateral dynamic pile analyses are generally handled separately; and consequently, dynamic soil reactions are assumed to be uncoupled. However, pure loading is rarely encountered as combined loading occurs in many situations (offshore piles, pile driving as well as pile groups and pile rafts). In this study, the effects of nonlinear lateral pile vibrations on the in-phase nonlinear axial pile response of a pile shaft are studied. New approximate nonlinear solutions for both axial and lateral pile behavior, developed from general elastodynamic equations, are presented. The solutions are obtained by extending the elastodynamic solution for plane strain cases with a view to model soil nonlinearity. Since axial soil resistance depends on the confining stress around the pile shaft, the effect of the lateral soil behavior on the confining pressure of the pile circumference is investigated and the axial soil reaction from coupled in-phase vibrations is derived. It is concluded that the axial unit shear strength significantly increases when lateral soil vibrations involve plasticity, which in turn results in an increase in the axial dynamic resistance of the pile shaft.     

路堤荷载下不排水桩复合地基固结特性的数值分析

采用有限元法对路堤荷载下不排水桩复合地基的固结进行数值模拟分析。通过对端承桩复合地基、悬桩复合地基及天然地基固结速率的比较,对不排水桩复合地基固结性状进行系统研究。研究表明,端承桩复合地基固结速率远大于天然地基,置换率和桩土模量比是影响其固结速率的主要因素;悬桩复合地基的固结性状与端承桩复合地基显著不同,相对加固深度是影响其固结速率的主要因素。     

路堤下等应变复合地基的固结分析

 路堤下等应变复合地基固结沉降时,桩间土承担的荷载向桩体转移,桩土总应力不断变化,超静孔压增减量不等于有效应力增减量。考虑桩土总应力的变化、竖向排水体的压缩和孔隙水压力、桩体的排水性能、桩与排水体的距离等对复合地基的固结产生的影响。推导考虑桩体排水性能、桩土荷载转移、排水体压缩性和井阻的路堤下复合地基孔压、固结度、桩土应力比的解析解。固结分析表明,不透水桩可以加速地基固结,透水桩可能减缓固结,复合地基固结的快慢受桩身固结系数影响很大,高固结系数桩复合地基固结度大于小固结系数桩复合地基。     

考虑不同成桩方式单桩特性的颗粒流数值模拟

采用基于离散单元法的颗粒流数值技术对砂土中(无黏聚力)设置就位后单桩在使用阶段的承载特性进行了数值模拟。对应工程中的挤土桩与非挤土桩,按照桩设置的不同方式研究并对比了静压沉桩方式与预埋式两种不同单桩在就位后的工作特性,对两种成桩方式下桩–土–筏板的共同作用特性也略作了比较。分析中,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究加载过程中桩体力学行为表现与桩周土体的细观结构参数反应的联系,增进了对桩基工程承载特性与土体渐进破坏演变过程的深入理解。此外,将模型试验与数值模拟结果作了对比分析,桩端荷载–位移曲线特征有较好的一致性。     

不排水桩复合地基固结解析解

以轴对称固结模型为基础,得到了不排水桩复合地基固结问题的控制方程,从理论上证明了不排水桩复合地基土体内只会产生竖向渗流,而且桩体施工扰动造成的扰动区土体径向渗透系数变化对地基固结不产生影响。然后分别给出了外部荷载瞬时施加和单级施加两种情况下的地基固结解析解,最后对不排水桩复合地基的固结性状进行了分析。结果表明：不排水桩复合地基的固结速率大于天然地基而又小于散体材料桩复合地基的固结速率;随着井径比（影响区与桩体半径之比）的减小或桩–土压缩模量比的增大,地基固结速度加快;井径比对地基固结的影响存在一个最佳值,大于该值,地基固结速率没有明显变化;加载历时对地基的固结影响较大,加载历时越久,地基固结越慢。     

深水港码头围堤和群桩结构的离心模型试验

沿海围堤及群桩结构在码头工程建设中得到广泛应用。本项深水港码头离心模拟试验研究 ,按照离心模型相似率的原则模拟了原型地层、人工围堤、袋装砂井、大直径长钢管桩桩群以及码头承台和使用荷载 ,针对不同的施工过程和运行阶段 ,分级进行离心模拟试验。试验给出围堤及码头在施工期和运行期的变形过程 ,同时给出部分钢管桩受围堤及地基变形影响产生的水平位移、弯矩和土抗力的变化曲线。由于在离心模型中可以模拟原型土与结构之间相互作用的复杂应力状态 ,可以考虑桩的三维效应以及软土地层在荷载作用下的长期固结过程 ,因此试验结果可以较为直观地给出原型结构物的变形过程和特点 ,为验证数值分析结果以及工程设计提供了有效的参考依据     

Axial response and material efficiency of tapered helical piles

Different techniques have been proposed to increase the bearing capacity of open-ended piles.Welding helices to the shaft and tapering the pile shaft could be used simultaneously to enhance the static and dynamic behaviors of these piles.This paper subjects the bearing capacity,stiffness,frictional behavior,and material efficiency of the tapered helical piles to scrutiny.Tapered helical piles are introduced herein as an alternative option to improve the material efficiency of hollow piles.Based on the Taguchi method,a series of experiments was designed and conducted.The axial responses of tapered helical piles are also investigated using finite element analyses.The results derived from loadedisplacement curves and strain gages are used to characterize the axial compression responses of tapered helical piles.The effects of tapered angle,helices diameter and helices distance are examined using dimensionless parameters,and the degree of contribution of these factors is calculated on each of the enumerated variables individually.Experimental results show that the shaft friction resistance of tapered helical piles increases continuously with the pile head settlement.Furthermore,the effect of tapered wall on the shaft friction resistance is more tangible at low stress levels.The results showed that the relative material efficiency factor of the optimum pile could be 2.5 times that of unoptimized pile with a similar quantity of material.     

沉入粘性土中桩的挤土效应探讨

在沉入粘性土中不同挤土密度的桩的现场试验和模型试验的基础上,本文阐述了桩的挤土效应——桩侧摩阻力随着桩的挤土密度ρ的增大而增大。 本文把桩的沉放过程假定为圆柱形孔洞扩张的平面应变问题,计算出桩周土体的应力变化与模型试验实测到的应力变化相比较,得到了较满意的结果。 本文根据桩的挤土效应,提出了大直径开口管桩极限承载力的计算方法,可供工程设计人员参考。     

上海地区静钻根植桩承载特性现场试验研究

静钻根植桩是一种绿色环保的新型桩基，具有低噪声、无挤土、少排泥等优势，可应用于高层建筑、桥梁等工程中。基于现场抗压和抗拔静载试验及桩身内力测试，分析了上海地区静钻根植桩的竖向承载变形特性以及桩身轴力和侧摩阻力分布。研究结果表明：静钻根植桩在上海典型地层条件下具有较好的适用性，抗压试桩和抗拔试桩的承载力均大于规范估算值，采用目前的承载力计算方法有一定的安全储备；抗压试桩在加载初期，桩身轴力可以直接传递到桩端，在极限荷载下桩端（扩大头）承载力约占总荷载的25%；静钻根植桩极限侧摩阻力主要与土的特性和埋深有关，上部土层（埋深30m以上）接近规范建议的预制桩侧摩阻力上限值，下部土层（埋深30m以下）较规范建议的预制桩侧阻上限高约14%~28%。     

基于不同贯入速率砂土地基中静压敞口混凝土管桩试验研究

贯入速率对静压敞口混凝土管桩沉贯及承载力特性具有重要影响。通过砂土地基中静压敞口混凝土管桩室内模型试验，分别对不同贯入速率下模型桩土塞特性、压桩力及极限承载力变化进行研究。结果表明，模型桩贯入速率由2.0mm/min增大至3.0、4.0mm/min时，土塞高度分别降低了12.8%、27.2%，土塞率降低幅值分别为12.9%、27.2%。不同贯入速率沉桩结束后，模型桩土塞增长率分别为35.4%、23.6%及19.8%；相比于4.0mm/min贯入速率，贯入速率2.0mm/min及3.0mm/min下模型桩最终压桩力增长幅度分别为92.6%及 25.1%，极限承载力增长幅值分别为77.8%及4.5%，这主要是由于贯入过程中土塞特性差异导致的内壁摩阻力不同所引起的。研究成果可为砂土地基中敞口混凝土管桩沉桩性状及极限承载力研究提供理论依据。     

悬浮刚-柔性长短桩复合地基固结解析解

刚 柔性长短桩加固地基可以充分发挥各桩型的优势,是一种新型的复合地基。为完善此类复合地基的固结理论,给出了瞬时加载条件下悬浮刚 柔性长短桩复合地基的固结方程,基于成层地基一维固结理论建立了相应的固结解析解。将固结度解析解与有限元解进行比较,验证了解析解的合理性和有效性。利用建立的解析解进行参数分析,研究了复合地基的固结特性,结果表明：悬浮刚 柔性长短桩复合地基的固结度随长桩长度的增加而增大;当下卧层为中低压缩性土时,复合地基固结度随长桩压缩模量的增加而增大;长、短桩置换率、短桩长度和压缩模量的变化对复合地基固结度的影响很小;悬浮刚 柔性长短桩复合地基的固结度随下卧层土压缩模量的增加而增大,随长、短桩共同加固区桩间土压缩模量的增加而减小;仅长桩加固区桩间土压缩模量的变化对复合地基的固结度没有影响。