非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

基于平衡原理和剪切位移法,考虑桩周非均质地基土剪切模量在地面处为非零值(已有方法多假定为零)且随深度呈指数和幂函数两种分布模式,以及桩-土接触面上的位移非协调性,建立出纯受扭桩桩身与桩周土的扭转控制方程,进而导出桩周土分别处于弹性、弹塑性及塑性受力状态下的桩身扭矩~扭转角解析解。由此进行的参数分析结果表明:随土体剪切模量指数分布函数中非线性系数m值的减小和地面处桩土剪切模量比μ值的增大,桩顶扭矩的传递深度、桩顶及桩身的扭转角均表现为增大的特性;幂函数分布模式中地面处剪切模量非零因子αg的取值将影响桩身扭矩的传递效率,并导致扭矩分布呈现凹、凸两种不同形状。此外,桩身扭矩的传递存在一临界深度,当桩身长径比L/D≥50时,桩顶扭矩的破坏值与弹塑性临界值之比ζ趋于稳定。     

双层非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

为探讨双层非均质地基中单桩的受扭承载特性,基于单层土体剪切模量呈幂函数分布的假定,考虑桩–土接触面上极限摩阻力随深度非线性变化,建立出桩顶扭矩作用下的桩身扭转控制方程,进而导得桩顶及桩身的扭矩(T)与扭转角(Φ)等解答,并将其退化为单层非均质及双层均质地基后与已有成果进行了对比验证。同时,桩顶T–Φ曲线参数分析结果表明:增加桩体剪切模量G_p有利于控制桩顶扭转角;桩径r0增加一倍,相同扭转角下桩顶能承受的扭矩值增大4~6倍;随地面处土体剪切模量μ_1和模量分布函数中非线性系数α_1,α_2的增加,桩身受扭性能得到显著改善。此外,桩顶扭转影响因子I_Φ的对比分析表明:桩身在ζL0.2和ζL5.0时分别表现为刚性桩和柔性桩,且后者传至桩底的扭矩极小而可忽略;当ζL5且上下土层顶部剪切模量比μ_1/μ_21时,0.2倍桩长(L)范围内的上部土层对桩身受扭性能影响较大;当ζL10且μ_1/μ_21时,桩身受扭能力主要源自0.4L的表层土。     

水平荷载单桩计算的非线性地基反力法研究

为提高桩身变形较大时水平荷载单桩设计计算水平,基于地基反力法提出了考虑极限土反力和地基反力系数一般形式的桩身的变形和内力的计算方法。对于土为塑性和弹性状态对应的桩段分别求得到了桩身响应的解析解和半解析解,并用Fortran语言编制了计算程序。计算结果分析表明：桩的位移和弯矩均随荷载的增加而大幅度增大;桩顶的约束条件对位移和弯矩沿桩身的分布影响很大;当桩长超过临界值时,继续增加桩长对桩的响应影响极小,且临界桩长基本不受荷载和桩顶约束条件的影响;桩的最大位移和最大弯矩随桩周土的物理力学性质的改善而明显减小;最大位移随桩的抗弯刚度的增加而减小,而最大弯矩受抗弯刚度的影响很小;计算值与现场试验的实测值吻合较好,本文解是可靠的。     

分数导数Kelvin粘弹性土中管桩的扭转振动

将管桩桩周土和桩芯土均看作粘弹性介质,同时运用分数导数Kelvin粘弹性本构模型描述桩周土和桩芯土的应力应变关系。仅考虑桩周土和桩芯土的环向位移,通过Fourier变换和分离变量法求解了桩周和桩芯分数导数Kelvin粘弹性土的扭转振动。考虑桩周土和桩芯土对管桩的作用力,建立了分数导数Kelvin粘弹性土中管桩的扭转振动方程,通过求解管桩的扭转振动得到了频率域内管桩桩顶的扭转复刚度。结果表明:桩周土本构模型参数α1和Tb1对管桩的扭转振动有一定的影响,而桩芯土的本构模型参数α2和Tb2对管桩扭转振动的影响与频率有关;桩芯土与桩周土剪切模量比μ小于1且μ较大时,扭转复刚度实部和虚部随频率变化曲线波动较大,而μ大于1时其对管桩扭转振动的影响很小;管桩壁厚、长径比和管桩与土体的剪切模量比Gp对管桩的扭转影响较大。     

双层非均质地基中V-T联合受荷桩承载特性分析

为探讨近海环境双层非均质地基中预制型单桩基础在桩顶竖向荷载V和扭矩T联合作用下的承载特性,假定单层地基土体剪切模量随深度呈幂函数分布,考虑桩–土接触面上极限摩阻力沿深度的非线性变化,并计入桩–土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,由此导得不同加载顺序(V→T或T→V)和受力阶段下的桩身内力位移解答,进而获得桩身承载力包络图。通过与已有成果的对比分析,验证了模型与解答的合理性。最后,通过参数分析获得了桩身长径比(L/D)、加载顺序以及地基土剪切模量幂函数分布系数(m1,m2与n)等参数对桩身承载变形特性的影响规律:桩身承载力随L/D与n的增大而逐渐减小;V→T加载时m1的影响范围主要为z/L≤0.4,m2影响范围随Tt/Tult的增加而增大;T→V加载时m1基本无影响,而m2的影响范围为0.6≤z/L≤1.0;桩顶可承受的竖向力随扭矩增加不断减小而趋于零,且V→T加载时的承载力包络线始终处于T→V承载力包络线外侧。     

中密砂土地基中H-T组合作用下单桩承载特性研究

为探讨中密砂土地基中桩顶水平力(H)与扭矩(T)组合作用单桩的承载特性,研制了适合于室内砂箱模型试验的H-T组合加载装置,并通过对比试验获得不同H-T大小组合与加载顺序(H→T或T→H)下的桩身内力变形与承载力,及其对桩身承载特性的相互影响曲线,结果表明：相比单一受荷时的水平或扭转极限承载力(Hu或Tu),H-T组合作用会导致桩身承载力减小,且H→T要比T→H的影响要明显,如先施加2/3Tu时桩身水平承载力减小约12.4%,而先施加2/3Hu后的桩身扭转承载力减幅达48.5%,故不能简单基于叠加原理评估组合受荷时的承载力。在此基础上,引入能反映水平力对桩身扭转承载力影响的桩侧扭转土抗力放大因子αTH,基于杆系有限元和m法建立了考虑桩周土约束及H-T耦合效应的桩身单元综合刚度矩阵,进而用MATLAB编制了H-T组合受荷桩的改进杆系有限元法计算程序,并将其结果与模型试验值进行对比分析。     

滞回阻尼土中大直径管桩纵向振动响应解析解

考虑土体材料的滞回阻尼和桩周土–桩–桩芯土耦合振动,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行理论研究。假定桩为一维杆,土体为轴对称均匀黏弹性体。采用Laplace变换和分离变量的方法求得桩周土和桩芯土纵向位移频域解,然后利用桩土位移和应力连续耦合条件求得桩顶频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证解析解的合理性。分析桩长、土体剪切模量和桩径对桩顶复刚度的影响,得到各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明:桩长增大,桩顶复刚度的振荡幅值和共振频率均显著减小,但当桩长增大到一定桩长的时候,增加桩长基本没有影响。土体剪切模量越大,桩顶复刚度的振荡幅度越小,且桩周土剪切模量的影响比桩芯土更为显著。外径的增大或内径的减小,均会使桩顶复刚度的振荡幅值增大。     

海洋高桩基础水平大变位性状模型试验研究

利用浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统开展了单桩基础水平大变位的大比例模型试验,获得了桩身屈服前后不同深度的桩身位移和桩身弯矩。通过建立桩身位移、弯矩及桩周土反力三者之间相互推导的有效途径,研究了桩周土p–y曲线沿深度的分布特性,发现传统Reese法和API法p–y曲线具有偏大的初始刚度及偏小的极限土抗力。在拟合桩周土反力试验值的基础上,提出了计算桩基水平大变位的双曲线型p–y曲线模型。     

深基坑开挖对坑底桩受力变形特性的影响研究

随着基坑开挖深度不断加大,基坑开挖过程对已施工坑底工程桩的受力和变形影响不容忽视,针对该问题,对深开挖条件下桩基进行了桩身内力及位移的工程现场实测。对比分析不同位置及不同长度的坑底桩基在开挖过程中的受力和变形规律。结合工程建立三维数值分析模型,基桩采用钢筋混凝土损伤模型,探究了基坑开挖深度、桩的相对位置等因素对桩身轴力、桩土侧摩阻力和桩身刚度的影响规律。结果表明：基坑开挖过程中,桩身受拉力作用;桩身混凝土在产生塑性应变前,桩身拉力随开挖深度增加逐渐增大;桩身混凝土应变超过极限拉应变后,拉力开始逐渐降低,桩身塑性区侧摩阻力变化显著。此外,坑底桩位置和桩长是影响其受力变形特性的重要因素。相同位置处,长桩的桩顶竖向位移更小;靠近基坑中心部位的桩顶竖向位移大,桩身塑性拉应变区较大。     

海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验

导管架基础广泛应用于海上风力发电和油气开发,水平向风、浪、流、地震等作用是导管架基础发生失效破坏的主要原因。通过离心模型试验针对饱和砂土地基中四桩导管架基础,研究其在沿边长方向和沿对角线方向水平静力作用下各基桩的内力分配、桩周土反力差异和变形特性。导管架基础沿对角线加载时基桩最易被拔出,其下压基桩的桩顶剪力、桩顶负弯矩和桩身最大正弯矩均较上拔基桩大,但二者的桩身水平位移相差不大。对于本文桩间距为5.8倍桩径的导管架基础,由于群桩效应及桩身上拔力降低了桩周土有效应力,沿边长加载时上拔桩在泥面下2.5倍桩径深度范围内的桩周土反力约为下压桩的60%,而沿对角线加载时上拔桩在该深度范围内的桩周土反力仅为下压桩的40%。沿对角线加载时下压桩与上拔桩在桩顶剪力、桩顶最大负弯矩、桩顶轴力及桩身最大正弯矩等参数之间的差别也明显大于沿边长加载情况。与单桩水平加载离心模型试验结果对比发现,同一深度处单桩的桩周土反力介于导管架基础上拔桩与下压桩的桩周土反力之间。     

双参数地基横向受荷桩的传递矩阵法解

为研究地基土体剪切刚度沿深度变化对横向受荷桩工作性状的影响,基于Newmark法和Pasternak双参数地基模型,假设土体剪切刚度为幂函数分布,由单元的挠曲微分方程求得了各结点的横向抗力。忽略了土体压缩变形和剪切变形的耦合作用后,对各结点的横向抗力做了简化,进而导出了单元的场传递矩阵及桩的总体传递矩阵;根据桩底边界条件,求得了桩的初始状态向量,确定了各结点的状态向量。算例分析表明:土体的剪切作用对减小顶位移和桩身最大弯矩有一定的贡献,且对中长桩的影响较长桩明显;土体剪切刚度沿深度变化对桩顶位移影响很小,地面处土体剪切刚度对其影响较大,双参数地基模型能够更好的模拟桩土的实际工况。     

考虑剪切刚度系数变化的单桩弹塑性解

以桩侧土和桩端土分别采用弹性–全塑性和双线性硬化荷载传递函数为基础,推导了轴向荷载作用下考虑桩侧极限摩阻力和剪切刚度系数随深度线性变化的单桩弹塑性解析解,得到了荷载-沉降、桩身位移、轴力等计算公式。该方法能更好地反映摩擦桩和端承摩擦桩的荷载传递规律,并可通过试桩资料的反分析,以及结合土工试验和地质勘察资料确定合理的计算参数,计算结果与工程试桩结果间良好的一致性验证了该方法的合理性。     

联合扭剪共振柱扭矩系数标定的新方法

 利用联合扭剪共振柱对6个铝质标定棒进行一系列扭剪试验,系统研究扭剪频率、输入电压及试样抗扭刚度对扭矩系数的影响。研究结果表明,因电磁动力系统设计上的固有缺陷,该类仪器的扭矩系数随扭剪频率和输入电压的增大而微弱减小,随试样抗扭刚度的增大而显著增大。分析表明,采用厂家推荐的传统标定法的某一恒定扭矩系数进行剪切模量分析时,对于抗扭刚度最大的6#标定棒,测试结果明显偏低,误差达14%;而对于刚度最小的1#标定棒,则测试结果明显偏高,误差达25%。为此,提出一种可克服系统固有缺陷的新方法,将这类共振柱扭剪试验的试验误差控制在3%以内。     

竖向受荷长短桩基础的位移分析方法

提出一个竖向荷载作用下长短桩群桩基础中单桩的桩侧摩阻力分布函数表达式,基于变形协调关系、桩体的物理方程和力的平衡关系,推导出长短桩群桩基础中联系桩顶荷载和桩顶位移的刚度矩阵。该刚度矩阵可用以分析竖向受荷长短桩群桩基础的位移。应用该方法时,桩体不需要划分单元,而且对于不同长度的桩组成的群桩基础具有分析过程的不变性和最终刚度矩阵大小的不变性。将本方法与边界单元方法、有限单元方法进行了比较,证实该方法是可行的,且计算精度满足要求。     

扩底抗拔桩变形的解析计算方法

 将扩底桩扩大头简化为荷载传递弹簧,根据扩底桩平衡微分方程,推导得到计算扩底抗拔桩弹性变形的无量纲表达式。为了研究扩底抗拔桩的非线性变形性状,假定桩侧土体荷载传递曲线(t-z曲线)满足理想弹塑性关系,桩侧土体强度随深度成幂函数变化,推导计算扩底抗拔桩轴力和变形的弹塑性解析表达式。将计算结果与模型试验和现场试桩试验结果进行对比,结果表明解析分析方法能较好的预测扩底抗拔桩的变形,理论预测结果与实测结果比较吻合。该方法既能避免繁琐的数值计算又能合理预测扩底抗拔桩的变形,具有较好的工程应用前景。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶扭转振动阻抗的影响

考虑桩身截面和桩侧土性质的变化,建立了层状土中嵌岩桩的扭转振动计算模型和控制方程; 利用Laplace变换技术和阻抗递推技术,求得任意荷载作用下嵌岩桩桩顶扭转振动复阻抗,并通过与现有解对比验证了所得解析解的合理性。基于所得解析解,在桩基础动力设计关注的低频范围内讨论了嵌岩桩几何性质、桩底沉渣、岩体性质对桩顶扭转振动复阻抗的影响。结果表明:在扭转振动条件下,嵌岩桩存在一个临界嵌岩深度,临界嵌岩深度随着桩长径比的增大和嵌岩段岩体性质的提高而降低,这说明在工程设计时,并非嵌岩深度越深对整个桩土系统承载特性越有利; 临界嵌岩深度范围内,随着嵌岩深度的增加,桩顶扭转动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大,超出此范围时,嵌岩深度对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 当嵌岩深度小于临界深度时,桩底沉渣的存在会使桩顶扭转动刚度降低,动阻尼增大; 当嵌岩深度超过临界深度时,桩底沉渣对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 桩径是影响桩顶扭转振动阻抗的主要因素。     

非均质地基中单桩非线性性状的无量纲分析

在考虑桩侧极限摩阻力和剪切刚度系数随深度线性变化,以及桩侧土和桩端土采用弹性-全塑性荷载传递函数基础上,推导了以无量纲参数表达的单桩荷载-沉降、桩身位移、轴力以及侧阻力等计算公式,分析了桩土体系无量纲参数对单桩非线性工作性状的影响,加深对非均质地基中单桩非线性特性的认识.